WO2024099782A1 - Electrode winding for an energy storage cell, energy storage cell and method for producing same - Google Patents

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WO2024099782A1
WO2024099782A1 PCT/EP2023/079863 EP2023079863W WO2024099782A1 WO 2024099782 A1 WO2024099782 A1 WO 2024099782A1 EP 2023079863 W EP2023079863 W EP 2023079863W WO 2024099782 A1 WO2024099782 A1 WO 2024099782A1
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electrode
ions
region
current conductor
energy storage
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PCT/EP2023/079863
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Roland Jung
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0587—Construction or manufacture of accumulators having only wound construction elements, i.e. wound positive electrodes, wound negative electrodes and wound separators

Definitions

  • the present invention relates to an electrode winding for an energy storage cell, an energy storage cell and a method, in particular a computer-implemented method, for producing an electrode winding.
  • the present invention further relates to a battery module with such energy storage cells and a motor vehicle with such a battery module.
  • battery cells especially battery cells, especially lithium-ion battery cells
  • Battery cells for storing electrical energy play a central role in the field of so-called electromobility, both in vehicles with purely electric drives and in vehicles with hybrid drives.
  • a battery module for a 12V starter battery can have four battery cells, whereas a high-voltage storage device can have several battery modules.
  • Cylindrical lithium-ion battery cells can have an electrode winding in which the electrodes including the separator are wound spirally around a winding core in the sequence separator-anode-separator-cathode.
  • the electrodes can contain a mixture of active material, binder and conductive additives. This mixture can be applied as a thin layer to both sides of a current collector.
  • the coating can be applied to both sides with either an identical load (symmetrical coating) or a slightly different load (asymmetrical coating). It is necessary that the ratio of the capacity per area (in mAh/cm 2 ) from anode to cathode (N/P ratio) is greater than 1 in order to prevent so-called "lithium plating". At the same time, the N/P ratio should not be too large in order to keep irreversible lithium losses due to so-called SEI (solid electrolyte interface) formation on the anode as low as possible.
  • SEI solid electrolyte interface
  • the outer electrode Due to the spiral winding of the electrode coil, the outer electrode can deliver or absorb a larger capacity than the inner electrode opposite it due to the larger radius. This leads to a deviation from a desired N/P ratio. For purely geometric reasons, the deviation from this N/P ratio is greatest in the innermost turns.
  • the front and back of at least one electrode can be coated with slightly different loading (asymmetrical coating).
  • an asymmetrical coating is more complex to produce than a symmetrical coating because the loading on the front and back must be different and the two sides should always be clearly identifiable. This assignment is difficult to make, for example, by visual inspection.
  • an electrode winding according to claim 1 an energy storage cell, a battery module with such energy storage cells, a motor vehicle with such a battery module and a method for producing an electrode winding.
  • a first aspect of the solution relates to an electrode coil for an energy storage cell, comprising: (i) a first electrode with a first current conductor, which has a first electrically conductive material that is impermeable to ions during operation of the energy storage cell; (ii) wherein the first current conductor has two opposite sides, each coated with a first active material in which ions, in particular lithium ions, can be stored; (iii) a second electrode with a second current conductor, which has a second electrically conductive material that is impermeable to ions during operation of the energy storage cell; (iv) wherein the second current conductor has two opposite sides, each coated with a second active material in which the ions can be stored; (v) a separator arranged between the first electrode and the second electrode, whereby the first electrode and the second electrode are electrically insulated from one another; (vi) wherein the first current conductor has a first region which is designed to be permeable to ions, so that the ions can pass from one side to the
  • a condition A or B is satisfied by one of the following conditions: A is true (or exists) and B is false (or not exists), A is false (or not exists) and B is true (or exists), and both A and B are true (or exists).
  • the term “configured” or “set up” to fulfil a specific function (and respective variations thereof) as used here is to be understood as meaning that the corresponding device is already in a configuration or setting in which it can carry out the function or it is at least adjustable - i.e. configurable - so that it can carry out the function after the corresponding setting.
  • the configuration can be carried out, for example, by setting parameters of a process sequence or switches or similar to activate or deactivate functionalities or settings.
  • the device can have several predetermined configurations or operating modes so that configuration can be done by selecting one of these configurations or operating modes.
  • electrode coil refers in particular to a device which, as an assembly of a galvanic cell, in particular a battery cell, also serves to store chemical energy and release electrical energy.
  • the electrode coil has at least two electrodes, namely an anode and a cathode, and a separator, in particular an electrically insulating separator, which can at least partially accommodate an electrolyte.
  • the anode, separator and cathode are wound around an axis to form an electrode coil.
  • the separator is arranged between the anode and the cathode so that the anode and cathode are electrically insulated from one another.
  • the electrodes can have a current conductor, in particular made of Al for the cathode and of Cu for the anode, wherein a thin layer made of a mixture of an active material, binder (e.g. PVDF, PTFE, CMC, SBR, Li-PAA, PAA, etc.) and conductive additives (carbon black, CNTs, carbon fibers, etc.) can be applied to both sides of the current conductor.
  • the current conductor can in particular be designed as a film.
  • active material refers in particular to a material that can be electrochemically active and that is suitable for coating electrodes for electrode windings for battery cells and in which ions, in particular lithium ions, can be stored.
  • the active material for the cathode can in particular comprise NMC, NCA, NCMA, LCO, LFP, LMFP, LMO, LNMO or another material.
  • the active material for the anode can in particular comprise graphite, SiOx, SiC, Si, Sn, SnOx or another material.
  • separatator layer or a “separator” as used here is to be understood in particular as an electrically insulating device which separates and spaced apart an anode from a cathode.
  • a Separator layer applied to an anode layer and/or a cathode layer.
  • the separator layer is designed as an independent body.
  • the separator layer or the separator can also at least partially accommodate an electrolyte, wherein the electrolyte preferably contains lithium ions.
  • the electrolyte can also be electrochemically connected to adjacent layers of an electrode stack or electrode coil.
  • the shape of a separator essentially corresponds to the shape of an anode of the electrode stack.
  • a separator is designed to be thin-walled, particularly preferably as a microporous film.
  • the separator layer or the separator is wetted with an additive, which also increases the mobility of the separator layer or the separator.
  • the separator can have a ceramic coating, in particular a base film, the polyethylene and one-sided or two-sided coating with, for example, Al2O3, as well as a so-called binder.
  • the wetting is carried out with an ionic additive.
  • the separator layer or the separator extends at least in some areas over a boundary edge of at least one electrode. Particularly preferably, the separator layer or the separator extends beyond all boundary edges of adjacent electrodes.
  • electrolyte refers to a liquid or solid material through which ions can be conducted, thereby enabling current to be transported between electrodes of a battery, in particular between a cathode and an anode.
  • the electrolyte must be ionically conductive, i.e. conduct the electrical current by transporting charged atoms or molecules (ions).
  • the electrolyte is advantageously chemically stable against decomposition in a wide temperature window and electrochemically stable in the largest possible voltage window. Ideally, it is non-toxic and non-flammable and has at least a high flash point and low heat of combustion. Liquid systems may be preferred over polymer and solid electrolytes due to better conductivity.
  • the electrode winding according to the first aspect it can be achieved that during operation of the energy storage cell using an electrolyte, ions are transferred from one side to the other side of the opposite sides of the first current conductor can pass through the permeable first region. This allows an unequal existing capacity of the opposite sides to be balanced out, caused by an unequal area of a surface arranged radially further inwards in relation to the longitudinal axis compared to a surface arranged radially further outwards.
  • the first region is formed at a first end region of the first current conductor, radially adjacent to the longitudinal axis. This can increase the effect of the compensation, since the ratio of the areas in the first end region is larger than in areas arranged radially further outwards.
  • the first end region has a first edge region for electrical contacting, which is designed to be impermeable to ions.
  • the first edge region has additional material compared to a permeable region and can therefore be better connected electrically to another component, in particular by welding.
  • the first end region has a first edge region for electrical contacting, which is designed to be permeable to ions. This allows the first end region to be manufactured uniformly throughout.
  • the first region has recesses, in particular recesses with a circular or square cross-section. This makes it possible for the ions to pass through the first current conductor.
  • the second current conductor has a second region which is designed to be permeable to ions, so that the ions can pass from one to the other of the two opposite sides of the second current conductor.
  • This can ensure that during operation of the energy storage cell under Use of an electrolyte allows ions to pass from one side to the other side of the opposite sides of the second current conductor through the permeable first region.
  • This allows an unequal existing capacitance of the opposite sides to one another, caused by an unequal area of a surface arranged radially further inwards in relation to the longitudinal axis to a surface arranged radially further outwards, to be balanced out.
  • this creates an ion-permeable region in both the first current conductor and the second current conductor, whereby the capacitances between the electrodes can be better balanced.
  • the second region is formed at a second end region of the second current conductor, radially adjacent to the longitudinal axis. This can increase the effect of the compensation, since the ratio of the areas in the second end region is larger than in areas arranged radially further outwards.
  • the second end region has a second edge region for electrical contacting, which is designed to be impermeable to ions.
  • the second edge region has additional material compared to a permeable region and can therefore be better connected electrically to another component, in particular by welding.
  • the second end region has a second edge region for electrical contacting, which is designed to be permeable to ions. This allows the second end region to be manufactured uniformly throughout.
  • the second region has recesses, in particular recesses with a circular or square cross-section. This makes it possible for the ions to pass through the second current conductor.
  • a second aspect of the solution relates to an energy storage cell, in particular a lithium-ion battery cell, comprising a cylindrical cell housing in which an electrode coil according to the first aspect is arranged.
  • a third aspect of the solution concerns a battery unit with several energy storage cells according to the second aspect.
  • a fourth aspect of the solution relates to a system with an electric drive and a battery unit according to the third aspect.
  • the system can comprise a motor vehicle, a mobile device or also a stationary device, such as a charging storage unit in a building.
  • a fifth aspect of the solution relates to a method for producing an electrode coil for an energy storage cell, with the following steps: (i) producing a first electrode comprising the step of coating opposite sides of a first current conductor with a first active material in which ions can be stored, wherein the first current conductor has a first electrically conductive material that is impermeable to ions during operation of the energy storage cell and wherein the first current conductor has a first region that is permeable to ions so that the ions can pass from one to the other of the two opposite sides of the first current conductor; (ii) producing a second electrode comprising the step of coating opposite sides of a second current conductor with a second active material in which the ions can be stored, wherein the second current conductor (165) has a second electrically conductive material that is impermeable to ions during operation of the energy storage cell (100); (iii) arranging a separator, the first electrode and the second electrode in a sequence separator, first electrode, separator, second electrode; (
  • the first current collector is separated from a current collector roll provided for a plurality of current collectors for a plurality of electrode coils in a manufacturing step prior to coating, the current collector roll having a first region permeable to the ions at equal intervals.
  • Fig. 1 schematically shows a battery cell according to an embodiment
  • Figs. 2A to 2B each show schematically a section of a coated first electrode of an embodiment
  • Figs. 2C to 2D each schematically show a section of a coated second electrode of an embodiment
  • Fig. 3 is a flow chart illustrating a preferred embodiment of a method.
  • FIG. 1 shows a schematic of a battery cell 100 according to an embodiment.
  • the battery cell 100 has an electrically conductive cell housing 110.
  • An electrode coil 120 is arranged in the cell housing 110.
  • the electrode coil 120 has an electrode with a first, positive, polarity 140 and an electrode with a second, negative, polarity 160.
  • the electrode coil 120 and the battery cell 100 could also be constructed such that the first polarity is negative and the second polarity is positive.
  • the electrode coil 120 is arranged in the cell housing 110 such that electrodes with positive polarity 140 and negative polarity 160 are arranged alternately in the radial direction to a longitudinal axis L of the cell housing 110 or the electrode coil 120.
  • a separator 130 is arranged between the positively polarized electrode 140 and the negatively polarized electrode 160, which has an electrically insulating material so that the differently polarized electrodes 140, 160 are electrically insulated from one another.
  • the positively polarized electrode 140 has a first current conductor 145, which is coated on both sides with a first electrochemical active material 150.
  • the negatively polarized electrode 160 has a second current conductor 165, which is coated on both sides with a second electrochemical active material 170.
  • the first current conductor 145 and the second current conductor 165 can each be designed as a foil. In this context, a current conductor designed as a foil is also referred to below as a conductor foil.
  • the electrode winding 120 is arranged within the cell housing 110 such that the negative electrode 160 is electrically connected to the cell housing 110.
  • the electrode coil 120 is arranged within the cell housing 110 in an electrically insulating inner housing (not shown here), which electrically insulates the electrode coil 120 from the cell housing 110.
  • the positively polarized electrode 140 is electrically connected to a first metal plate 180.
  • the negatively polarized electrode 160 is electrically connected to a second metal plate 190.
  • the battery cell 100 schematically has an electrode winding 120 with only two turns.
  • the electrode winding 120 can also have significantly more turns, in particular between 20 and 100 turns.
  • an unfavorable ratio of the electrochemical active material 145 and the ions stored therein between the electrode of positive polarity 140 and the electrode of negative polarity 160 can arise. This is due to the fact that a surface of the first conductor foil 145 that is located radially further outward in relation to the longitudinal axis L has a larger surface than another surface that is located inward, whereby different capacitances can be formed on the respective surfaces.
  • the first conductor foil 145 has, in an innermost turn with respect to the longitudinal axis L, a first region 230 which is perforated and is thus permeable to ions. This allows the ratio of the stored ions between two opposite sides of the first conductor foil 145 to be adjusted. Embodiments of sections of the first conductor foil 145 and the first region 230 are described in more detail below in Figures 2A to 2B.
  • the second conductor foil 165 has, in an innermost turn with respect to the longitudinal axis L, a second region 260 which is perforated and is thus permeable to ions. This allows the ratio of the stored ions between two opposite sides of the second conductor foil 165 to be adjusted. Embodiments of sections of the second conductor foil 165 and the second region 260 are described in more detail below in Figures 2C to 2D.
  • Figures 2A to 2B show embodiments of a section of a first electrode 140 with positive polarity.
  • FIG 2A shows a schematic section 200 of a first electrode with positive polarity 140 of the electrode coil 120 from Figure 1 of a first embodiment.
  • the first electrode 140 has a first conductor foil 145 made of an electrically conductive material, in particular aluminum.
  • the first conductor foil 145 is coated on both sides with a first electrochemical active material 150, in which ions, in particular lithium ions, can be stored during operation of the battery cell.
  • a first edge region 235 protruding towards the coated regions is formed at an end region of the first conductor foil 145.
  • An electrical connection can be made at this first edge region 235, in particular by welding, to a first metal plate 180, via which an electrical contact can be made through a cell housing wall with an electrical consumer.
  • the first edge region 235 has no perforation and is impermeable to ions.
  • the first conductor foil 145 has a first region 230 that is permeable to the ions.
  • the first region 230 has a hole structure or a perforation that is designed such that ions can pass from one side of the first conductor foil 145 through the hole structure to the other side of the first conductor foil 145. This allows the ratio of the stored ions between two opposite sides of the first conductor foil 145 to be adjusted in the installed state.
  • Figure 2B shows a schematic section 210 of a coated first electrode with positive polarity 140 of a second embodiment.
  • the conductor foil 145 has a first region 230 with a hole structure.
  • the perforated first region 230 extends beyond the coated region, so that the first edge region 235 of the first conductor foil 145 is also perforated. This allows the electrical connection of the first metal plate 180 to a perforated edge region 235.
  • Figures 2C to 2D show embodiments of a section of a second electrode 160 with negative polarity.
  • FIG 2C shows a schematic section 240 of a second electrode with negative polarity 160 of the electrode coil 120 from Figure 1 of a first embodiment.
  • the second electrode 160 has a second conductor foil 165 made of an electrically conductive material, in particular copper.
  • the second conductor foil 165 is coated on both sides with a second electrochemical active material 170, in which ions, in particular lithium ions, can be stored during operation of the battery cell.
  • a second edge region 265 protruding towards the coated regions is formed at an end region of the second conductor foil 165.
  • An electrical connection can be made at this second edge region 265, in particular by welding, to a second metal plate 190, via which an electrical contact can be made through a cell housing wall with an electrical consumer.
  • the second edge region 265 has no perforation and is impermeable to ions.
  • the second conductor foil 165 has a second region 260 that is permeable to the ions.
  • the second region 260 has a hole structure or a perforation that is designed such that ions can pass from one side of the second conductor foil 165 through the hole structure to the other side of the second conductor foil 165. This allows the ratio of the stored ions between two opposite sides of the second conductor foil 165 to be adjusted in the installed state.
  • Figure 2D shows a schematic section 250 of a coated second electrode with negative polarity 160 of a second embodiment.
  • the second conductor foil 165 has, as in Figure 2C, a second region 260 with a hole structure.
  • the perforated second region 260 extends over the coated area, so that the second edge area 265 of the second conductor foil 165 is also perforated. This allows the electrical connection of the second metal plate 190 to a perforated edge area 265.
  • the first region 230 and/or second region 260 permeable to ions can be formed on one or more radially inner or innermost turns of the corresponding first conductor foil 145 or the second conductor foil with respect to the longitudinal axis L.
  • the first region 230 and/or second region 260 can be formed on turns that are arranged radially further away from the longitudinal axis L.
  • a perforated foil or expanded metal can be used as a conductor foil to reduce mechanical stresses in a winding core that arise as a result of the expansion/contraction of the active material during charge/discharge cycles.
  • Figure 3 shows a flow chart to illustrate a preferred embodiment of a method for producing an electrode coil 120.
  • a first electrode 140 is manufactured, comprising the step of coating opposite sides of a first current conductor 145 with a first active material 150 in which ions can be stored, wherein the first current conductor 145 has a first electrically conductive material that is impermeable to ions during operation of the energy storage cell 100 and wherein the first current conductor has a first region 230 that is permeable to ions so that the ions can pass from one to the other of the two opposite sides of the first current conductor 145.
  • a second electrode 165 is manufactured, comprising the step of coating opposite sides of a second current conductor 165 with a second active material 170 into which the ions can be stored, wherein the second current conductor 165 has a second electrically conductive material that is impermeable to ions during operation of the energy storage cell 100.
  • a separator 130, the first electrode 140 and the second electrode 160 are arranged in a sequence separator 130, first electrode 140, separator 130, second electrode 160.
  • this arrangement is wound around a longitudinal axis L.
  • the distance between the perforated areas is selected so that the roll can be cut to fit several planned electrode windings 120.
  • the length of the perforated area in the rolling direction is based on how many turns are to be in the area of the perforated foil.

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Abstract

The invention relates to an electrode winding for an energy storage cell, comprising: (i) a first electrode having a first current collector, which comprises an electrically conducting material that is impermeable to ions during operation of the energy storage cell; (ii) wherein the first current collector has two opposite sides, which are each coated with a first active material, in which ions, in particular lithium ions, can be embedded; (iii) a second electrode having a second current collector, which comprises a second electrically conductive material that is impermeable to ions during operation of the energy storage cell; (iv) wherein the second current collector has two opposite sides, which are each coated with a second active material, in which ions can be embedded; (v) a separator, that is arranged between the first electrode and the second electrode, by means of which the first electrode and the second electrode are electrically insulated from one another; (vi) wherein the first current collector has a first region which is permeable to ions, so that the ions can pass from one to the other of the two opposite sides of the first current collector.

Description

ELEKTRODENWICKEL FÜR EINE ENERGIESPEICHERZELLE, ENERGIESPEI¬ELECTRODE WINDING FOR AN ENERGY STORAGE CELL, ENERGY STORAGE
CHERZELLE UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG CHER CELL AND METHOD FOR PRODUCTION
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektrodenwickel für eine Energiespeicherzelle, eine Energiespeicherzelle und ein Verfahren, insbesondere ein computerimplementiertes Verfahren, zur Herstellung eines Elektrodenwickels. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Batteriemodul mit solchen Energiespeicherzellen und ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriemodul. The present invention relates to an electrode winding for an energy storage cell, an energy storage cell and a method, in particular a computer-implemented method, for producing an electrode winding. The present invention further relates to a battery module with such energy storage cells and a motor vehicle with such a battery module.
Auf dem Gebiet von Energiespeicherzellen, insbesondere Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen, sind vor allem zylindrische, prismatische und pouch-förmige Batteriezellen bekannt. Batteriezellen zur Speicherung elektrischer Energie spielen auf dem Gebiet der sogenannten Elektromobilität sowohl bei Fahrzeugen mit reinem Elektroantrieb als auch bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb eine zentrale Rolle. Beispielsweise kann ein Batteriemodul für eine 12V Starter-Batterie vier Batteriezellen aufweisen, wohingegen ein Hochvoltspeicher mehrere Batteriemodule aufweisen kann. Zylindrische Lithium-Ionen Batteriezellen können einen Elektrodenwickel, bei dem die Elektroden inklusive Separator in der Folge Separator- Anode-Separator- Kathode spiralförmig um einen Wickelkern aufgewickelt sind, aufweisen. In the field of energy storage cells, especially battery cells, especially lithium-ion battery cells, cylindrical, prismatic and pouch-shaped battery cells are known. Battery cells for storing electrical energy play a central role in the field of so-called electromobility, both in vehicles with purely electric drives and in vehicles with hybrid drives. For example, a battery module for a 12V starter battery can have four battery cells, whereas a high-voltage storage device can have several battery modules. Cylindrical lithium-ion battery cells can have an electrode winding in which the electrodes including the separator are wound spirally around a winding core in the sequence separator-anode-separator-cathode.
Die Elektroden können ein Gemisch aus Aktivmaterial, Binder und Leitadditiven aufweisen. Dieses Gemisch kann als dünne Schicht beidseitig auf einem Stromableiter aufgetragen werden. Die Beschichtung kann beidseitig entweder mit identischer Beladung (symmetrische Beschichtung) oder leicht unterschiedlicher Beladung (asymmetrische Beschichtung) erfolgen. Dabei ist es notwendig, dass das Verhältnis der Kapazität pro Fläche (in mAh/cm2) von Anode zu Kathode (N/P Verhältnis) größer als 1 ist, um ein sogenanntes „Lithium-Plating“ zu verhindern. Gleichzeitig sollte das N/P Verhältnis auch nicht zu groß sein, um irreversible Lithium-Verluste infolge von sogenannter SEI (engl.: solid electrolyte interface) Bildung auf der Anode möglichst gering zu halten. The electrodes can contain a mixture of active material, binder and conductive additives. This mixture can be applied as a thin layer to both sides of a current collector. The coating can be applied to both sides with either an identical load (symmetrical coating) or a slightly different load (asymmetrical coating). It is necessary that the ratio of the capacity per area (in mAh/cm 2 ) from anode to cathode (N/P ratio) is greater than 1 in order to prevent so-called "lithium plating". At the same time, the N/P ratio should not be too large in order to keep irreversible lithium losses due to so-called SEI (solid electrolyte interface) formation on the anode as low as possible.
Aufgrund der spiralförmigen Aufwicklung des Elektrodenwickels ergibt sich, dass die jeweils außen liegende Elektrode aufgrund des größeren Radius eine größere Kapazität liefert bzw. aufnehmen kann als die dazu gegenüberliegende, innere Elektrode. Dies führt zu einer Abweichung eines gewünschten N/P Verhältnisses. Die Abweichung von diesem N/P Verhältnis ist aus rein geometrischen Gründen insbesondere bei den innersten Windungen am größten. Um die Abweichung bei den innersten Windungen zu reduzieren kann die Vorder- und Rückseite zumindest einer Elektrode mit leicht unterschiedlicher Beladung beschichtet (asymmetrische Beschichtung) werden. Eine asymmetrische Beschichtung ist allerdings aus Prozesssicht aufwändiger herzustellen als eine symmetrische Beschichtung, weil die Beladung auf Vorder- und Rückseite unterschiedlich sein muss und die beiden Seiten stets klar zuordenbar sein sollten. Diese Zuordnung ist beispielsweise durch eine optische Überprüfung nur schwer möglich. Due to the spiral winding of the electrode coil, the outer electrode can deliver or absorb a larger capacity than the inner electrode opposite it due to the larger radius. This leads to a deviation from a desired N/P ratio. For purely geometric reasons, the deviation from this N/P ratio is greatest in the innermost turns. To reduce the deviation in the innermost turns, the front and back of at least one electrode can be coated with slightly different loading (asymmetrical coating). However, from a process perspective, an asymmetrical coating is more complex to produce than a symmetrical coating because the loading on the front and back must be different and the two sides should always be clearly identifiable. This assignment is difficult to make, for example, by visual inspection.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektrodenwickel für eine Energiespeicherzelle, eine Energiespeicherzelle, ein Batteriemodul, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren anzugeben, welcher bzw. welches hinsichtlich der vorstehend genannten Probleme verbessert ist. It is an object of the present invention to provide an electrode winding for an energy storage cell, an energy storage cell, a battery module, a motor vehicle and a method which is improved with regard to the above-mentioned problems.
Diese Aufgabe wird durch einen Elektrodenwickel gemäß Anspruch 1 , eine Energiespeicherzelle, einem Batteriemodul mit solchen Energiespeicherzellen, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriemodul und einem Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenwickels, gelöst. This object is achieved by an electrode winding according to claim 1, an energy storage cell, a battery module with such energy storage cells, a motor vehicle with such a battery module and a method for producing an electrode winding.
Ein erster Aspekt der Lösung betrifft einen Elektrodenwickel für eine Energiespeicherzelle, aufweisend: (i) Eine erste Elektrode mit einem ersten Stromableiter, der ein erstes elektrisch leitendes Material aufweist, das für Ionen im Betrieb der Energiespeicherzelle undurchlässig ist; (ii) wobei der erste Stromableiter zwei gegenüberliegende Seiten aufweist, die jeweils mit einem ersten Aktivmaterial beschichtet sind, in das Ionen, insbesondere Lithium-Ionen, eingelagert werden können; (iii) eine zweite Elektrode mit einem zweiten Stromableiter, der ein zweites elektrisch leitendes Material aufweist, das für Ionen im Betrieb der Energiespeicherzelle undurchlässig ist; (iv) wobei der zweite Stromableiter zwei gegenüberliegende Seiten aufweist, die jeweils mit einem zweiten Aktivmaterial beschichtet sind, in das die Ionen eingelagert werden können; (v) einen Separator, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wodurch die erste Elektrode und die zweite Elektrode zueinander elektrisch isoliert sind; (vi) wobei der erste Stromableiter einen ersten Bereich aufweist, der für Ionen durchlässig ausgebildet ist, so dass die Ionen von einer zur anderen der zwei gegenüberliegenden Seiten des ersten Stromableiters gelangen können. A first aspect of the solution relates to an electrode coil for an energy storage cell, comprising: (i) a first electrode with a first current conductor, which has a first electrically conductive material that is impermeable to ions during operation of the energy storage cell; (ii) wherein the first current conductor has two opposite sides, each coated with a first active material in which ions, in particular lithium ions, can be stored; (iii) a second electrode with a second current conductor, which has a second electrically conductive material that is impermeable to ions during operation of the energy storage cell; (iv) wherein the second current conductor has two opposite sides, each coated with a second active material in which the ions can be stored; (v) a separator arranged between the first electrode and the second electrode, whereby the first electrode and the second electrode are electrically insulated from one another; (vi) wherein the first current conductor has a first region which is designed to be permeable to ions, so that the ions can pass from one side to the other. other of the two opposite sides of the first current conductor.
Die hierein gegebenenfalls verwendeten Begriffe "umfasst", "beinhaltet", "schließt ein", "weist auf", "hat", "mit", oder jede andere Variante davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. So ist beispielsweise ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst oder aufweist, nicht notwendigerweise auf diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente einschließen, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder die einem solchen Verfahren oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind. The terms "comprises," "includes," "has," "includes," "has," "with," or any other variation thereof, as used herein, are intended to cover non-exclusive inclusion. For example, a method or apparatus that includes or has a list of elements is not necessarily limited to those elements, but may include other elements not expressly listed or that are inherent in such method or apparatus.
Ferner bezieht sich "oder", sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, auf ein inklusives oder und nicht auf ein exklusives „oder“. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch eine der folgenden Bedingungen erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden). Furthermore, unless explicitly stated to the contrary, "or" refers to an inclusive "or" and not an exclusive "or". For example, a condition A or B is satisfied by one of the following conditions: A is true (or exists) and B is false (or not exists), A is false (or not exists) and B is true (or exists), and both A and B are true (or exists).
Die Begriffe "ein" oder "eine", wie sie hier verwendet werden, sind im Sinne von „ein/eine oder mehrere“ definiert. Die Begriffe "ein anderer" und „ein weiterer“ sowie jede andere Variante davon sind im Sinne von „zumindest ein Weiterer“ zu verstehen. As used herein, the terms "a" or "an" are defined to mean "one or more". The terms "another" and "another" and any other variation thereof are defined to mean "at least one other".
Der Begriff "Mehrzahl", wie er hier verwendet wird, ist im Sinne von „zwei oder mehr“ zu verstehen. The term "plural" as used here is to be understood as meaning "two or more".
Unter dem Begriff „konfiguriert“ oder „eingerichtet“ eine bestimmte Funktion zu erfüllen, (und jeweiligen Abwandlungen davon) wie er hier verwendet ist zu verstehen, dass die entsprechende Vorrichtung bereits in einer Ausgestaltung oder Einstellung vorliegt, in der sie die Funktion ausführen kann oder sie zumindest so einstellbar - d.h. konfigurierbar - ist, dass sie nach entsprechender Einstellung die Funktion ausführen kann. Die Konfiguration kann dabei beispielsweise über eine entsprechende Einstellung von Parametern eines Prozessablaufs oder von Schaltern oder ähnlichem zur Aktivierung bzw. Deaktivierung von Funktionalitäten bzw. Einstellungen erfolgen. Insbesondere kann die Vorrichtung mehrere vorbestimmte Konfigurationen oder Betriebsmodi aufweisen, so dass das Konfigurieren mittels einer Auswahl einer dieser Konfigurationen bzw. Betriebsmodi erfolgen kann. The term "configured" or "set up" to fulfil a specific function (and respective variations thereof) as used here is to be understood as meaning that the corresponding device is already in a configuration or setting in which it can carry out the function or it is at least adjustable - i.e. configurable - so that it can carry out the function after the corresponding setting. The configuration can be carried out, for example, by setting parameters of a process sequence or switches or similar to activate or deactivate functionalities or settings. In particular, the device can have several predetermined configurations or operating modes so that configuration can be done by selecting one of these configurations or operating modes.
Unter dem Begriff "Elektrodenwickel" wie er hier verwendet wird ist insbesondere eine Einrichtung zu verstehen, welche als Baugruppe einer galvanischen Zelle, insbesondere einer Batteriezelle, auch der Speicherung chemischer Energie und zur Abgabe elektrischer Energie dient. Dazu weist der Elektrodenwickel wenigstens zwei Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, und einen Separator, insbesondere einen elektrisch isolierenden Separator, auf, der einen Elektrolyten wenigstens teilweise aufnehmen kann. Dabei sind Anode, Separator und Kathode um eine Achse herum zu einem Elektrodenwickel aufgewickelt. Dabei ist der Separator zwischen der Anode und der Kathode angeordnet, so dass die Anode und Kathode zueinander elektrisch isoliert sind. Dadurch ist bei dem Elektrodenwickel eine wiederholende Abfolge von Separator-Anode-Separator-Kathode ausgebildet. Vor der Abgabe von elektrischer Energie wird gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Während des Ladens der Zelle wird die dem Elektrodenwickel zugeführte elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und abgespeichert. Die Elektroden können einen Stromableiter, insbesondere aus AI für die Kathode und aus Cu für die Anode, aufweisen, wobei auf dem Stromableiter beidseitig eine dünne Schicht aus einem Gemisch aus einem Aktivmaterial, Binder (z.B. PVDF, PTFE, CMC, SBR, Li- PAA, PAA, etc.) und Leitadditiven (Carbon Black, CNTs, Kohlefasern, etc.) aufgebracht sein kann. Der Stromableiter kann insbesondere als Folie ausgebildet sein. The term "electrode coil" as used here refers in particular to a device which, as an assembly of a galvanic cell, in particular a battery cell, also serves to store chemical energy and release electrical energy. For this purpose, the electrode coil has at least two electrodes, namely an anode and a cathode, and a separator, in particular an electrically insulating separator, which can at least partially accommodate an electrolyte. The anode, separator and cathode are wound around an axis to form an electrode coil. The separator is arranged between the anode and the cathode so that the anode and cathode are electrically insulated from one another. This creates a repeating sequence of separator-anode-separator-cathode in the electrode coil. Before electrical energy is released, stored chemical energy is converted into electrical energy. During charging of the cell, the electrical energy supplied to the electrode coil is converted into chemical energy and stored. The electrodes can have a current conductor, in particular made of Al for the cathode and of Cu for the anode, wherein a thin layer made of a mixture of an active material, binder (e.g. PVDF, PTFE, CMC, SBR, Li-PAA, PAA, etc.) and conductive additives (carbon black, CNTs, carbon fibers, etc.) can be applied to both sides of the current conductor. The current conductor can in particular be designed as a film.
Unter dem Begriff „Aktivmaterial“ wie er hier verwendet wird ist insbesondere ein Material zu verstehen, das elektro-chemisch aktiv sein kann, und das für eine Beschichtung von Elektroden für Elektrodenwickel für Batteriezellen geeignet ist, und in das Ionen, insbesondere Lithium-Ionen eingelagert werden können. Dabei kann das Aktivmaterial für die Kathode insbesondere NMC, NCA, NCMA, LCO, LFP, LMFP, LMO, LNMO oder auch ein anderes Material aufweisen. Das Aktivmaterial für die Anode kann insbesondere Grafit, SiOx, SiC, Si, Sn, SnOx oder ein anderes Material aufweisen. The term "active material" as used here refers in particular to a material that can be electrochemically active and that is suitable for coating electrodes for electrode windings for battery cells and in which ions, in particular lithium ions, can be stored. The active material for the cathode can in particular comprise NMC, NCA, NCMA, LCO, LFP, LMFP, LMO, LNMO or another material. The active material for the anode can in particular comprise graphite, SiOx, SiC, Si, Sn, SnOx or another material.
Unter dem Begriff " Separatorschicht" bzw. einem "Separator" wie er hier verwendet wird ist insbesondere eine elektrisch isolierende Einrichtung zu verstehen, welche eine Anode von einer Kathode trennt und beabstandet. Vorzugsweise ist eine Separatorschicht auf eine Anodenschicht und/oder eine Kathodenschicht aufgetragen. Vorzugsweise ist die Separatorschicht als unabhängiger Körper ausgebildet. Die Separatorschicht bzw. der Separator kann auch einen Elektrolyten wenigstens teilweise aufnehmen, wobei der Elektrolyt vorzugsweise Lithium-Ionen enthält. Der Elektrolyt kann auch mit benachbarten Schichten eines Elektrodenstapels bzw. Elektrodenwickels elektrochemisch wirkverbunden sein. Vorzugsweise entspricht die Gestalt eines Separators im Wesentlichen der Gestalt einer Anode des Elektrodenstapels. Vorzugsweise ist ein Separator dünnwandig ausgebildet, besonders bevorzugt als mikroporöse Folie. Vorzugsweise ist die Separatorschicht bzw. der Separator mit einem Additiv benetzt, welches auch die Beweglichkeit der Separatorschicht bzw. des Separators erhöht. Ebenso kann der Separator eine keramische Beschichtung aufweisen, insbesondere einen Basisfilm, der Polyethylen und einseitiger oder beidseitiger Beschichtung mit beispielsweise AI2O3, sowie einem sogenannten Binder. Besonders bevorzugt erfolgt die Benetzung mit einem ionischen Additiv. Vorzugsweise erstreckt sich die Separatorschicht bzw. der Separator wenigstens bereichsweise über eine Begrenzungskante wenigstens einer Elektrode. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Separatorschicht bzw. der Separator über sämtliche Begrenzungskanten benachbarter Elektroden hinaus. The term "separator layer" or a "separator" as used here is to be understood in particular as an electrically insulating device which separates and spaced apart an anode from a cathode. Preferably, a Separator layer applied to an anode layer and/or a cathode layer. Preferably, the separator layer is designed as an independent body. The separator layer or the separator can also at least partially accommodate an electrolyte, wherein the electrolyte preferably contains lithium ions. The electrolyte can also be electrochemically connected to adjacent layers of an electrode stack or electrode coil. Preferably, the shape of a separator essentially corresponds to the shape of an anode of the electrode stack. Preferably, a separator is designed to be thin-walled, particularly preferably as a microporous film. Preferably, the separator layer or the separator is wetted with an additive, which also increases the mobility of the separator layer or the separator. Likewise, the separator can have a ceramic coating, in particular a base film, the polyethylene and one-sided or two-sided coating with, for example, Al2O3, as well as a so-called binder. Particularly preferably, the wetting is carried out with an ionic additive. Preferably, the separator layer or the separator extends at least in some areas over a boundary edge of at least one electrode. Particularly preferably, the separator layer or the separator extends beyond all boundary edges of adjacent electrodes.
Unter dem Begriff "Elektrolyt" wie er hier verwendet wird ist ein flüssiges oder festes Material zu verstehen, durch das Ionen geleitet werden können, wodurch ein Stromtransport zwischen Elektroden einer Batterie, insbesondere zwischen einer Kathode und einer Anode, ermöglicht wird. Anders als bei der elektronischen Leitfähigkeit (durch Elektronen) in den Elektrodenmaterialien, muss der Elektrolyt ionisch leitfähig sein, d. h. den elektrischen Strom durch Transport geladener Atome oder Moleküle (Ionen) leiten. Der Elektrolyt ist vorteilhaft in einem weiten Temperaturfenster chemisch und in einem möglichst großen Spannungsfenster elektrochemisch stabil gegen Zersetzung. Idealerweise ist er ungiftig und nicht brennbar und besitzt zumindest einen hohen Flammpunkt und eine geringe Verbrennungswärme. Flüssige Systeme können wegen einer besseren Leitfähigkeit gegenüber Polymer- und Festelektrolyten bevorzugt sein. The term "electrolyte" as used here refers to a liquid or solid material through which ions can be conducted, thereby enabling current to be transported between electrodes of a battery, in particular between a cathode and an anode. Unlike electronic conductivity (through electrons) in the electrode materials, the electrolyte must be ionically conductive, i.e. conduct the electrical current by transporting charged atoms or molecules (ions). The electrolyte is advantageously chemically stable against decomposition in a wide temperature window and electrochemically stable in the largest possible voltage window. Ideally, it is non-toxic and non-flammable and has at least a high flash point and low heat of combustion. Liquid systems may be preferred over polymer and solid electrolytes due to better conductivity.
Durch den Elektrodenwickel nach dem ersten Aspekt kann erreicht werden, dass im Betrieb der Energiespeicherzelle unter Einsatz eines Elektrolyten Ionen von einer Seite zur anderen Seite der gegenüberliegenden Seiten des ersten Stromableiters durch den durchlässigen ersten Bereich gelangen können. Dadurch kann eine ungleiche vorliegende Kapazität der gegenüberliegenden Seiten zueinander, hervorgerufen durch eine ungleiche Fläche einer in Bezug auf die Längsachse radial weiter innen angeordneten Fläche zu einer radial weiter außen angeordneten Fläche ausgeglichen werden. By means of the electrode winding according to the first aspect, it can be achieved that during operation of the energy storage cell using an electrolyte, ions are transferred from one side to the other side of the opposite sides of the first current conductor can pass through the permeable first region. This allows an unequal existing capacity of the opposite sides to be balanced out, caused by an unequal area of a surface arranged radially further inwards in relation to the longitudinal axis compared to a surface arranged radially further outwards.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des Elektrodenwickels beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten kombiniert werden können. Preferred embodiments of the electrode winding are described below, which can be combined with each other and with the other aspects described as desired, unless this is expressly excluded or is technically impossible.
Bei einigen Ausführungsformen ist der erste Bereich an einem ersten Endbereich des ersten Stromableiters, radial benachbart zur Längsachse, ausgebildet. Dadurch kann die Wirkung des Ausgleichs verstärkt werden, da im ersten Endbereich das Verhältnis der Flächen größer ist als bei radial weiter außen angeordneten Flächen. In some embodiments, the first region is formed at a first end region of the first current conductor, radially adjacent to the longitudinal axis. This can increase the effect of the compensation, since the ratio of the areas in the first end region is larger than in areas arranged radially further outwards.
Bei einigen Ausführungsformen weist der erste Endbereich einen ersten Randbereich zur elektrischen Kontaktierung auf, der für Ionen undurchlässig ausgebildet ist. Dadurch weist der erste Randbereich zusätzliches Material im Vergleich zu einem durchlässigen Bereich auf, und kann dadurch mit einem weiteren Bauteil elektrisch besser verbunden werden, insbesondere durch Schweißen. In some embodiments, the first end region has a first edge region for electrical contacting, which is designed to be impermeable to ions. As a result, the first edge region has additional material compared to a permeable region and can therefore be better connected electrically to another component, in particular by welding.
Bei einigen Ausführungsformen weist der erste Endbereich einen ersten Randbereich zur elektrischen Kontaktierung auf, der für Ionen durchlässig ausgebildet ist. Dadurch kann der erste Endbereich durchgehend einheitlich gefertigt werden. In some embodiments, the first end region has a first edge region for electrical contacting, which is designed to be permeable to ions. This allows the first end region to be manufactured uniformly throughout.
Bei einigen Ausführungsformen weist der erste Bereich Aussparungen, insbesondere Aussparungen mit kreisförmigem oder quadratischem Querschnitt, auf. Dadurch kann erreicht werden, dass die Ionen durch den ersten Stromableiter hindurch gelangen können. In some embodiments, the first region has recesses, in particular recesses with a circular or square cross-section. This makes it possible for the ions to pass through the first current conductor.
Bei einigen Ausführungsformen weist der zweite Stromableiter einen zweiten Bereich auf, der für Ionen durchlässig ausgebildet ist, so dass die Ionen von einer zur anderen der zwei gegenüberliegenden Seiten des zweiten Stromableiters gelangen können. Dadurch kann erreicht werden, dass im Betrieb der Energiespeicherzelle unter Einsatz eines Elektrolyten Ionen von einer Seite zur anderen Seite der gegenüberliegenden Seiten des zweiten Stromableiters durch den durchlässigen ersten Bereich gelangen können. Dadurch kann eine ungleiche vorliegende Kapazität der gegenüberliegenden Seiten zueinander, hervorgerufen durch eine ungleiche Fläche einer in Bezug auf die Längsachse radial weiter innen angeordneten Fläche zu einer radial weiter außen angeordneten Fläche ausgeglichen werden. Ferner ist dadurch sowohl beim ersten Stromableiter als auch beim zweiten Stromableiter ein für Ionen durchlässiger Bereich ausgebildet, wodurch die Kapazitäten zwischen den Elektroden besser angeglichen werden können. In some embodiments, the second current conductor has a second region which is designed to be permeable to ions, so that the ions can pass from one to the other of the two opposite sides of the second current conductor. This can ensure that during operation of the energy storage cell under Use of an electrolyte allows ions to pass from one side to the other side of the opposite sides of the second current conductor through the permeable first region. This allows an unequal existing capacitance of the opposite sides to one another, caused by an unequal area of a surface arranged radially further inwards in relation to the longitudinal axis to a surface arranged radially further outwards, to be balanced out. Furthermore, this creates an ion-permeable region in both the first current conductor and the second current conductor, whereby the capacitances between the electrodes can be better balanced.
Bei einigen Ausführungsformen ist der zweite Bereich an einem zweiten Endbereich des zweiten Stromableiters, radial benachbart zur Längsachse, ausgebildet. Dadurch kann die Wirkung des Ausgleichs verstärkt werden, da im zweiten Endbereich das Verhältnis der Flächen größer ist als bei radial weiter außen angeordneten Flächen. In some embodiments, the second region is formed at a second end region of the second current conductor, radially adjacent to the longitudinal axis. This can increase the effect of the compensation, since the ratio of the areas in the second end region is larger than in areas arranged radially further outwards.
Bei einigen Ausführungsformen weist der zweite Endbereich einen zweiten Randbereich zur elektrischen Kontaktierung auf, der für Ionen undurchlässig ausgebildet ist. Dadurch weist der zweite Randbereich zusätzliches Material im Vergleich zu einem durchlässigen Bereich auf, und kann dadurch mit einem weiteren Bauteil elektrisch besser verbunden werden, insbesondere durch Schweißen. In some embodiments, the second end region has a second edge region for electrical contacting, which is designed to be impermeable to ions. As a result, the second edge region has additional material compared to a permeable region and can therefore be better connected electrically to another component, in particular by welding.
Bei einigen Ausführungsformen weist der zweite Endbereich einen zweiten Randbereich zur elektrischen Kontaktierung auf, der für Ionen durchlässig ausgebildet ist. Dadurch kann der zweite Endbereich durchgehend einheitlich gefertigt werden. In some embodiments, the second end region has a second edge region for electrical contacting, which is designed to be permeable to ions. This allows the second end region to be manufactured uniformly throughout.
Bei einigen Ausführungsformen weist der zweite Bereich Aussparungen, insbesondere Aussparungen mit kreisförmigem oder quadratischem Querschnitt, auf. Dadurch kann erreicht werden, dass die Ionen durch den zweiten Stromableiter hindurch gelangen können. In some embodiments, the second region has recesses, in particular recesses with a circular or square cross-section. This makes it possible for the ions to pass through the second current conductor.
Ein zweiter Aspekt der Lösung betrifft eine Energiespeicherzelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, aufweisend ein zylindrisches Zellgehäuse, in dem ein Elektrodenwickel nach dem ersten Aspekt angeordnet ist. Ein dritter Aspekt der Lösung betrifft eine Batterieeinheit mit mehreren Energiespeicherzellen nach dem zweiten Aspekt. A second aspect of the solution relates to an energy storage cell, in particular a lithium-ion battery cell, comprising a cylindrical cell housing in which an electrode coil according to the first aspect is arranged. A third aspect of the solution concerns a battery unit with several energy storage cells according to the second aspect.
Ein vierter Aspekt der Lösung betrifft ein System mit einem Elektroantrieb und einer Batterieeinheit nach dem dritten Aspekt. Insbesondere kann das System ein Kraftfahrzeug, ein Mobilgerät oder auch ein stationäres Gerät, wie einen Ladespeicher in einem Gebäude, aufweisen. A fourth aspect of the solution relates to a system with an electric drive and a battery unit according to the third aspect. In particular, the system can comprise a motor vehicle, a mobile device or also a stationary device, such as a charging storage unit in a building.
Ein fünfter Aspekt der Lösung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenwickels für eine Energiespeicherzelle, mit folgenden Schritten: (i) Fertigen einer ersten Elektrode aufweisend den Schritt Beschichten von gegenüberliegenden Seiten eines ersten Stromableiters mit einem ersten Aktivmaterial, in das Ionen eingelagert werden können, wobei der erste Stromableiter ein erstes elektrisch leitendes Material aufweist, das für Ionen im Betrieb der Energiespeicherzelle undurchlässig ist und wobei der erste Stromableiter einen ersten Bereich aufweist, der für Ionen durchlässig ausgebildet ist, so dass die Ionen von einer zur anderen der zwei gegenüberliegenden Seiten des ersten Stromableiters gelangen können; (ii) Fertigen einer zweiten Elektrode aufweisend den Schritt Beschichten von gegenüberliegenden Seiten eines zweiten Stromableiters mit einem zweiten Aktivmaterial, in das die Ionen eingelagert werden können, wobei der zweite Stromableiter (165) ein zweites elektrisch leitendes Material aufweist, das für Ionen im Betrieb der Energiespeicherzelle (100) undurchlässig ist; (iii) Anordnen eines Separators, der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode in einer Abfolge Separator, erste Elektrode, Separator, zweite Elektrode; (iv) Wickeln dieser Anordnung um eine Längsachse. A fifth aspect of the solution relates to a method for producing an electrode coil for an energy storage cell, with the following steps: (i) producing a first electrode comprising the step of coating opposite sides of a first current conductor with a first active material in which ions can be stored, wherein the first current conductor has a first electrically conductive material that is impermeable to ions during operation of the energy storage cell and wherein the first current conductor has a first region that is permeable to ions so that the ions can pass from one to the other of the two opposite sides of the first current conductor; (ii) producing a second electrode comprising the step of coating opposite sides of a second current conductor with a second active material in which the ions can be stored, wherein the second current conductor (165) has a second electrically conductive material that is impermeable to ions during operation of the energy storage cell (100); (iii) arranging a separator, the first electrode and the second electrode in a sequence separator, first electrode, separator, second electrode; (iv) winding this arrangement about a longitudinal axis.
Bei einigen Ausführungsformen wird der erste Stromableiter in einem Fertigungsschritt vor dem Beschichten von einer Stromableiter-Rolle abgetrennt, die für eine Mehrzahl von Stromableitern für eine Mehrzahl von Elektrodenwickeln vorgesehen ist, wobei die Stromableiter-Rolle in gleichen Abständen einen ersten Bereich aufweist, der für die Ionen durchlässig ist. Dadurch können mehrere Stromableiter mit einem ersten Bereich, der jeweils für Ionen durchlässig ist, effektiver gefertigt werden. In some embodiments, the first current collector is separated from a current collector roll provided for a plurality of current collectors for a plurality of electrode coils in a manufacturing step prior to coating, the current collector roll having a first region permeable to the ions at equal intervals. As a result, a plurality of current collectors with a first region each permeable to ions can be manufactured more effectively.
Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Lösung erläuterten Merkmale und Vorteile gelten entsprechend auch für die weiteren beschriebenen Aspekte. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Figuren. The features and advantages explained with regard to the first aspect of the solution also apply to the other aspects described. Further advantages, features and possible applications emerge from the following description of preferred embodiments in connection with the figures.
Dabei zeigt This shows
Fig. 1 schematisch eine Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform; Fig. 1 schematically shows a battery cell according to an embodiment;
Figs. 2A bis 2B schematisch jeweils einen Ausschnitt einer beschichteten ersten Elektrode einer Ausführungsform; Figs. 2A to 2B each show schematically a section of a coated first electrode of an embodiment;
Figs. 2C bis 2D schematisch jeweils einen Ausschnitt einer beschichteten zweiten Elektrode einer Ausführungsform Figs. 2C to 2D each schematically show a section of a coated second electrode of an embodiment
Fig. 3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens. Fig. 3 is a flow chart illustrating a preferred embodiment of a method.
In den Figuren werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechenden Elemente verwendet. Throughout the figures, the same reference numerals are used for the same or corresponding elements.
In Figur 1 ist schematisch eine Batteriezelle 100 gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Die Batteriezelle 100 weist ein elektrisch leitendes Zellgehäuse 110 auf. Im Zellgehäuse 110 ist ein Elektrodenwickel 120 angeordnet. Der Elektrodenwickel 120 weist eine Elektrode mit einer ersten, positiven, Polung 140, und eine Elektrode mit einer zweiten, negativen, Polung 160 auf. Der Elektrodenwickel 120 und die Batteriezelle 100 könnten aber auch so aufgebaut sein, dass die erste Polung negativ ist und die zweite Polung positiv ist. Der Elektrodenwickel 120 ist im Zellgehäuse 110 so angeordnet, dass in radialer Richtung zu einer Längsachse L des Zellgehäuses 110 bzw. des Elektrodenwickels 120 abwechselnd Elektroden positiver Polung 140 und negativer Polung 160 angeordnet sind. Zwischen der positiv gepolten Elektrode 140 und der negativ gepolten Elektrode 160 ist ein Separator 130 angeordnet, der ein elektrisch isolierendes Material aufweist, so dass die unterschiedlich gepolten Elektroden 140, 160 zueinander elektrisch isoliert sind. Die positiv gepolte Elektrode 140 weist einen ersten Stromableiter 145 auf, der beidseitig mit einem ersten elektrochemischen Aktivmaterial 150 beschichtet ist. Die negativ gepolte Elektrode 160 weist einen zweiten Stromableiter 165 auf, der beidseitig mit einem zweiten elektrochemischen Aktivmaterial 170 beschichtet ist. Dabei können der erste Stromableiter 145 und der zweite Stromableiter 165 jeweils als Folie ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang wird ein als Folie ausgebildeter Stromableiter im Weiteren auch als Ableiterfolie bezeichnet. Der Elektrodenwickel 120 ist innerhalb des Zellgehäuses 110 so angeordnet, dass die negative Elektrode 160 mit dem Zellgehäuse 110 elektrisch verbunden ist. Figure 1 shows a schematic of a battery cell 100 according to an embodiment. The battery cell 100 has an electrically conductive cell housing 110. An electrode coil 120 is arranged in the cell housing 110. The electrode coil 120 has an electrode with a first, positive, polarity 140 and an electrode with a second, negative, polarity 160. The electrode coil 120 and the battery cell 100 could also be constructed such that the first polarity is negative and the second polarity is positive. The electrode coil 120 is arranged in the cell housing 110 such that electrodes with positive polarity 140 and negative polarity 160 are arranged alternately in the radial direction to a longitudinal axis L of the cell housing 110 or the electrode coil 120. A separator 130 is arranged between the positively polarized electrode 140 and the negatively polarized electrode 160, which has an electrically insulating material so that the differently polarized electrodes 140, 160 are electrically insulated from one another. The positively polarized electrode 140 has a first current conductor 145, which is coated on both sides with a first electrochemical active material 150. The negatively polarized electrode 160 has a second current conductor 165, which is coated on both sides with a second electrochemical active material 170. The first current conductor 145 and the second current conductor 165 can each be designed as a foil. In this context, a current conductor designed as a foil is also referred to below as a conductor foil. The electrode winding 120 is arranged within the cell housing 110 such that the negative electrode 160 is electrically connected to the cell housing 110.
Es ist auch denkbar, dass der Elektrodenwickel 120 innerhalb des Zellgehäuses 110 in einem elektrisch isolierenden Innengehäuse (hier nicht gezeigt) angeordnet ist, welches den Elektrodenwickel 120 vom Zellgehäuse 110 elektrisch isoliert. It is also conceivable that the electrode coil 120 is arranged within the cell housing 110 in an electrically insulating inner housing (not shown here), which electrically insulates the electrode coil 120 from the cell housing 110.
Die positiv gepolte Elektrode 140 ist mit einer ersten Metall platte 180 elektrisch verbunden. Die negativ gepolte Elektrode 160 ist mit einer zweiten Metallplatte 190 elektrisch verbunden. The positively polarized electrode 140 is electrically connected to a first metal plate 180. The negatively polarized electrode 160 is electrically connected to a second metal plate 190.
In Figur 1 weist die Batteriezelle 100 schematisch einen Elektrodenwickel 120 mit nur zwei Windungen auf. Der Elektrodenwickel 120 kann aber auch deutlich mehr Windungen aufweisen, insbesondere zwischen 20 und 100 Windungen. In Figure 1, the battery cell 100 schematically has an electrode winding 120 with only two turns. However, the electrode winding 120 can also have significantly more turns, in particular between 20 and 100 turns.
Durch die Geometrie des Elektrodenwickels 120, bei dem die Elektroden negativer und positiver Polung 140, 160 um eine Längsachse L spiralförmig aufgewickelt sind, kann sich ein ungünstiges Verhältnis des elektro-chemischen Aktivmaterials 145 und der darin jeweils eingelagerten Ionen zwischen der Elektrode positiver Polung 140 und der Elektrode negativer Polung 160 ergeben. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass eine in Bezug auf die Längsachse L radial weiter außen liegende Fläche der ersten Ableiterfolie 145 eine größere Fläche aufweist als ein weitere innen liegende Fläche, wodurch unterschiedliche Kapazitäten auf den jeweiligen Flächen ausgebildet werden können. Due to the geometry of the electrode winding 120, in which the electrodes of negative and positive polarity 140, 160 are wound spirally around a longitudinal axis L, an unfavorable ratio of the electrochemical active material 145 and the ions stored therein between the electrode of positive polarity 140 and the electrode of negative polarity 160 can arise. This is due to the fact that a surface of the first conductor foil 145 that is located radially further outward in relation to the longitudinal axis L has a larger surface than another surface that is located inward, whereby different capacitances can be formed on the respective surfaces.
Die erste Ableiterfolie 145 weist, bei einer in Bezug auf die Längsachse L innersten Windung, einen ersten Bereich 230 auf, der perforiert ist, und dadurch für Ionen durchlässig ist. Damit kann das Verhältnis der eingelagerten Ionen zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten der ersten Ableiterfolie 145 angepasst werden. Ausführungsformen zu Ausschnitten der ersten Ableiterfolie 145 und des ersten Bereichs 230 werden nachfolgend in den Figuren 2A bis 2B näher beschrieben. Die zweite Ableiterfolie 165 weist, bei einer in Bezug auf die Längsachse L innersten Windung einen zweiten Bereich 260 auf, der perforiert ist, und dadurch für Ionen durchlässig ist. Damit kann das Verhältnis der eingelagerten Ionen zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten der zweiten Ableiterfolie 165 angepasst werden. Ausführungsformen zu Ausschnitten der zweiten Ableiterfolie 165 und des zweiten Bereichs 260 werden nachfolgend in den Figuren 2C bis 2D näher beschrieben. The first conductor foil 145 has, in an innermost turn with respect to the longitudinal axis L, a first region 230 which is perforated and is thus permeable to ions. This allows the ratio of the stored ions between two opposite sides of the first conductor foil 145 to be adjusted. Embodiments of sections of the first conductor foil 145 and the first region 230 are described in more detail below in Figures 2A to 2B. The second conductor foil 165 has, in an innermost turn with respect to the longitudinal axis L, a second region 260 which is perforated and is thus permeable to ions. This allows the ratio of the stored ions between two opposite sides of the second conductor foil 165 to be adjusted. Embodiments of sections of the second conductor foil 165 and the second region 260 are described in more detail below in Figures 2C to 2D.
In den Figuren 2A bis 2B sind Ausführungsformen jeweils eines Ausschnitts einer ersten Elektrode 140 mit positiver Polung gezeigt. Figures 2A to 2B show embodiments of a section of a first electrode 140 with positive polarity.
In Figur 2A ist schematisch ein Ausschnitt 200 einer ersten Elektrode positiver Polung 140 des Elektrodenwickels 120 aus Figur 1 einer ersten Ausführungsform gezeigt. Die erste Elektrode 140 weist eine erste Ableiterfolie 145 aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere Aluminium, auf. Die erste Ableiterfolie 145 ist beidseitig mit einem ersten elektrochemischen Aktivmaterial 150 beschichtet, in das sich im Betrieb der Batteriezelle Ionen, insbesondere Lithium-Ionen, einlagern können. An einem Endbereich der ersten Ableiterfolie 145 ist ein zu den beschichteten Bereichen hervorstehender erster Randbereich 235 ausgebildet. An diesem ersten Randbereich 235 kann eine elektrische Verbindung, insbesondere durch Schweißen, mit einer ersten Metallplatte 180 erfolgen, über die ein elektrischer Kontakt durch eine Zellgehäusewand mit einem elektrischen Verbraucher hergestellt werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel weist der erste Randbereich 235 keine Perforation auf, und ist für Ionen undurchlässig. Figure 2A shows a schematic section 200 of a first electrode with positive polarity 140 of the electrode coil 120 from Figure 1 of a first embodiment. The first electrode 140 has a first conductor foil 145 made of an electrically conductive material, in particular aluminum. The first conductor foil 145 is coated on both sides with a first electrochemical active material 150, in which ions, in particular lithium ions, can be stored during operation of the battery cell. A first edge region 235 protruding towards the coated regions is formed at an end region of the first conductor foil 145. An electrical connection can be made at this first edge region 235, in particular by welding, to a first metal plate 180, via which an electrical contact can be made through a cell housing wall with an electrical consumer. In this exemplary embodiment, the first edge region 235 has no perforation and is impermeable to ions.
Die erste Ableiterfolie 145 weist einen ersten Bereich 230 auf, der für die Ionen durchlässig ist. Insbesondere weist der erste Bereich 230 eine Lochstruktur bzw. eine Perforation auf, die derart ausgebildet ist, dass Ionen von einer Seite der ersten Ableiterfolie 145 durch die Lochstruktur auf die andere Seite der ersten Ableiterfolie 145 gelangen können. Damit kann das Verhältnis der eingelagerten Ionen zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten der ersten Ableiterfolie 145 im eingebauten Zustand angepasst werden. The first conductor foil 145 has a first region 230 that is permeable to the ions. In particular, the first region 230 has a hole structure or a perforation that is designed such that ions can pass from one side of the first conductor foil 145 through the hole structure to the other side of the first conductor foil 145. This allows the ratio of the stored ions between two opposite sides of the first conductor foil 145 to be adjusted in the installed state.
In Figur 2B ist schematisch ein Ausschnitt 210 einer beschichteten ersten Elektrode mit positiver Polung 140 einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Die erste Ableiterfolie 145 weist, wie in Figur 2A, einen ersten Bereich 230 mit einer Lochstruktur auf. Dabei erstreckt sich der perforierte erste Bereich 230 bis über den beschichteten Bereich hinaus, so dass der erste Randbereich 235 der ersten Ableiterfolie 145 ebenfalls perforiert ist. Dadurch kann die elektrische Verbindung der ersten Metallplatte 180 mit einem perforierten Randbereich 235 erfolgen. Figure 2B shows a schematic section 210 of a coated first electrode with positive polarity 140 of a second embodiment. The first As in Figure 2A, the conductor foil 145 has a first region 230 with a hole structure. The perforated first region 230 extends beyond the coated region, so that the first edge region 235 of the first conductor foil 145 is also perforated. This allows the electrical connection of the first metal plate 180 to a perforated edge region 235.
In den Figuren 2C bis 2D sind Ausführungsformen jeweils eines Ausschnitts einer zweiten Elektrode 160 mit negativer Polung gezeigt. Figures 2C to 2D show embodiments of a section of a second electrode 160 with negative polarity.
In Figur 2C ist schematisch ein Ausschnitt 240 einer zweiten Elektrode negativer Polung 160 des Elektrodenwickels 120 aus Figur 1 einer ersten Ausführungsform gezeigt. Die zweite Elektrode 160 weist eine zweite Ableiterfolie 165 aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere Kupfer, auf. Die zweite Ableiterfolie 165 ist beidseitig mit einem zweiten elektro-chemischen Aktivmaterial 170 beschichtet, in das sich im Betrieb der Batteriezelle Ionen, insbesondere Lithium-Ionen, einlagern können. An einem Endbereich der zweiten Ableiterfolie 165 ist ein zu den beschichteten Bereichen hervorstehender zweiter Randbereich 265 ausgebildet. An diesem zweiten Randbereich 265 kann eine elektrische Verbindung, insbesondere durch Schweißen, mit einer zweiten Metallplatte 190 erfolgen, über die ein elektrischer Kontakt durch eine Zellgehäusewand mit einem elektrischen Verbraucher hergestellt werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel weist der zweite Randbereich 265 keine Perforation auf, und ist für Ionen undurchlässig. Figure 2C shows a schematic section 240 of a second electrode with negative polarity 160 of the electrode coil 120 from Figure 1 of a first embodiment. The second electrode 160 has a second conductor foil 165 made of an electrically conductive material, in particular copper. The second conductor foil 165 is coated on both sides with a second electrochemical active material 170, in which ions, in particular lithium ions, can be stored during operation of the battery cell. A second edge region 265 protruding towards the coated regions is formed at an end region of the second conductor foil 165. An electrical connection can be made at this second edge region 265, in particular by welding, to a second metal plate 190, via which an electrical contact can be made through a cell housing wall with an electrical consumer. In this exemplary embodiment, the second edge region 265 has no perforation and is impermeable to ions.
Die zweite Ableiterfolie 165 weist einen zweiten Bereich 260 auf, der für die Ionen durchlässig ist. Insbesondere weist der zweite Bereich 260 eine Lochstruktur bzw. eine Perforation auf, die derart ausgebildet ist, dass Ionen von einer Seite der zweiten Ableiterfolie 165 durch die Lochstruktur auf die andere Seite der zweiten Ableiterfolie 165 gelangen können. Damit kann das Verhältnis der eingelagerten Ionen zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten der zweiten Ableiterfolie 165 im eingebauten Zustand angepasst werden. The second conductor foil 165 has a second region 260 that is permeable to the ions. In particular, the second region 260 has a hole structure or a perforation that is designed such that ions can pass from one side of the second conductor foil 165 through the hole structure to the other side of the second conductor foil 165. This allows the ratio of the stored ions between two opposite sides of the second conductor foil 165 to be adjusted in the installed state.
In Figur 2D ist schematisch ein Ausschnitt 250 einer beschichteten zweiten Elektrode mit negativer Polung 160 einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Die zweite Ableiterfolie 165 weist, wie in Figur 2C, einen zweiten Bereich 260 mit einer Lochstruktur auf. Dabei erstreckt sich der perforierte zweite Bereich 260 bis über den beschichteten Bereich hinaus, so dass der zweite Randbereich 265 der zweiten Ableiterfolie 165 ebenfalls perforiert ist. Dadurch kann die elektrische Verbindung der zweiten Metallplatte 190 mit einem perforierten Randbereich 265 erfolgen. Figure 2D shows a schematic section 250 of a coated second electrode with negative polarity 160 of a second embodiment. The second conductor foil 165 has, as in Figure 2C, a second region 260 with a hole structure. The perforated second region 260 extends over the coated area, so that the second edge area 265 of the second conductor foil 165 is also perforated. This allows the electrical connection of the second metal plate 190 to a perforated edge area 265.
Der für Ionen durchlässige erste Bereich 230 und/oder zweite Bereich 260 kann an einer oder mehreren in Bezug auf die Längsachse L radial inneren bzw. innersten Windungen der entsprechenden ersten Ableiterfolie 145 oder der zweiten Ableiterfolie ausgebildet sein. Ebenso kann der erste Bereich 230 und/oder zweite Bereich 260 an Windungen ausgebildet sein, die radial weiter weg von der Längsachse L angeordnet sind. The first region 230 and/or second region 260 permeable to ions can be formed on one or more radially inner or innermost turns of the corresponding first conductor foil 145 or the second conductor foil with respect to the longitudinal axis L. Likewise, the first region 230 and/or second region 260 can be formed on turns that are arranged radially further away from the longitudinal axis L.
Als Ableiterfolie kann eine Lochfolie oder Streckmetall verwendet werden, um mechanische Spannungen in einem Wickelkern zu verringern, die infolge der Ausdeh- nung/Kontraktion des Aktivmaterials während Lade-/Entladezyklen entstehen. A perforated foil or expanded metal can be used as a conductor foil to reduce mechanical stresses in a winding core that arise as a result of the expansion/contraction of the active material during charge/discharge cycles.
In Figur 3 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Elektrodenwickels 120 gezeigt. Figure 3 shows a flow chart to illustrate a preferred embodiment of a method for producing an electrode coil 120.
In einem ersten Schritt 310 des Verfahrens erfolgt ein Fertigen einer ersten Elektrode 140 aufweisend den Schritt Beschichten von gegenüberliegenden Seiten eines ersten Stromableiters 145 mit einem ersten Aktivmaterial 150, in das Ionen eingelagert werden können, wobei der erste Stromableiter 145 ein erstes elektrisch leitendes Material aufweist, das für Ionen im Betrieb der Energiespeicherzelle 100 undurchlässig ist und wobei der erste Stromableiter einen ersten Bereich 230 aufweist, der für Ionen durchlässig ausgebildet ist, so dass die Ionen von einer zur anderen der zwei gegenüberliegenden Seiten des ersten Stromableiters 145 gelangen können. In a first step 310 of the method, a first electrode 140 is manufactured, comprising the step of coating opposite sides of a first current conductor 145 with a first active material 150 in which ions can be stored, wherein the first current conductor 145 has a first electrically conductive material that is impermeable to ions during operation of the energy storage cell 100 and wherein the first current conductor has a first region 230 that is permeable to ions so that the ions can pass from one to the other of the two opposite sides of the first current conductor 145.
In einem weiteren Schritt 320 des Verfahrens erfolgt ein Fertigen einer zweiten Elektrode 165 aufweisend den Schritt Beschichten von gegenüberliegenden Seiten eines zweiten Stromableiters 165 mit einem zweiten Aktivmaterial 170, in das die Ionen eingelagert werden können, wobei der zweite Stromableiter 165 ein zweites elektrisch leitendes Material aufweist, das für Ionen im Betrieb der Energiespeicherzelle 100 undurchlässig ist. In einem weiteren Schritt 330 des Verfahrens erfolgt ein Anordnen eines Separators 130, der ersten Elektrode 140 und der zweiten Elektrode 160 in einer Abfolge Separator 130, erste Elektrode 140, Separator 130, zweite Elektrode 160. In a further step 320 of the method, a second electrode 165 is manufactured, comprising the step of coating opposite sides of a second current conductor 165 with a second active material 170 into which the ions can be stored, wherein the second current conductor 165 has a second electrically conductive material that is impermeable to ions during operation of the energy storage cell 100. In a further step 330 of the method, a separator 130, the first electrode 140 and the second electrode 160 are arranged in a sequence separator 130, first electrode 140, separator 130, second electrode 160.
In einem weiteren Schritt 340 des Verfahrens erfolgt ein Wickeln dieser Anordnung um eine Längsachse L. In a further step 340 of the method, this arrangement is wound around a longitudinal axis L.
Bei einer Fertigung der ersten Ableiterfolie 145 und/oder der zweiten Ableiterfolie 165 als Rollenware, beispielsweise mit etwa 1000 m pro Rolle, ist es vorteilhaft, wenn der Abstand der perforierten Bereiche so gewählt wird, dass die Rolle passend für mehrere geplante Elektrodenwickel 120 zugeschnitten werden kann. Die Länge des perforierten Bereichs in Rollrichtung orientiert sich daran wie viele Windungen im Bereich der gelochten Folie zu liegen kommen sollen. When producing the first conductor foil 145 and/or the second conductor foil 165 as a roll, for example with about 1000 m per roll, it is advantageous if the distance between the perforated areas is selected so that the roll can be cut to fit several planned electrode windings 120. The length of the perforated area in the rolling direction is based on how many turns are to be in the area of the perforated foil.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird. While at least one exemplary embodiment has been described above, it should be noted that a wide variety of variations thereon exist. It should also be noted that the exemplary embodiments described are merely non-limiting examples and are not intended to limit the scope, applicability, or configuration of the devices and methods described herein. Rather, the foregoing description will provide one skilled in the art with guidance for implementing at least one exemplary embodiment, it being understood that various changes in the operation and arrangement of the elements described in an exemplary embodiment may be made without departing from the subject matter set forth in the appended claims, as well as their legal equivalents.
BEZUGSZEICHENLISTE LIST OF REFERENCE SYMBOLS
100 Batteriezelle 100 battery cells
110 Zellgehäuse 110 Cell housing
120 Elektrodenwickel 120 electrode coils
130 Separator 130 Separators
140, 160 Erste und zweite Elektrode 140, 160 First and second electrode
145, 165 Erster und zweiter Stromableiter 145, 165 First and second current conductor
150, 170 Erstes und zweites Aktivmaterial 150, 170 First and second active material
180, 190 Erste und zweite Metallplatte 180, 190 First and second metal plate
200, 210 Ausschnitte einer ersten Elektrode jeweils einer Ausführungsform200, 210 Sections of a first electrode of each embodiment
240, 250 Ausschnitte einer zweiten Elektrode jeweils einer Ausführungsform 240, 250 Sections of a second electrode of each embodiment
230, 260 Erster und zweiter Bereich 230, 260 First and second area
235, 265 Erster und zweiter Randbereich 235, 265 First and second edge area
300 Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens 300 Flowchart illustrating a preferred embodiment of a method
310 Bearbeiten einer ersten Elektrode 310 Editing a first electrode
320 Bearbeiten einer zweiten Elektrode 320 Editing a second electrode
330 Anordnen eines Separators zwischen den Elektroden 330 Placing a separator between the electrodes
340 Wickeln der Elektroden und des Separators um eine Längsachse 340 Winding the electrodes and separator around a longitudinal axis

Claims

ANSPRÜCHE Elektrodenwickel (120) für eine Energiespeicherzelle (100), aufweisend:CLAIMS Electrode winding (120) for an energy storage cell (100), comprising:
Eine erste Elektrode (140) mit einem ersten Stromableiter (145), der ein erstes elektrisch leitendes Material aufweist, das für Ionen im Betrieb der Energiespeicherzelle undurchlässig ist; wobei der erste Stromableiter (145) zwei gegenüberliegende Seiten aufweist, die jeweils mit einem ersten Aktivmaterial (150) beschichtet sind, in das Ionen eingelagert werden können; eine zweite Elektrode (160) mit einem zweiten Stromableiter (165), der ein zweites elektrisch leitendes Material aufweist, das für Ionen im Betrieb der Energiespeicherzelle undurchlässig ist; wobei der zweite Stromableiter (165) zwei gegenüberliegende Seiten aufweist, die jeweils mit einem zweiten Aktivmaterial (170) beschichtet sind, in das die Ionen eingelagert werden können; einen Separator (130), der zwischen der ersten Elektrode (140) und der zweiten Elektrode (160) angeordnet ist, wodurch die erste Elektrode (140) und die zweite Elektrode (160) zueinander elektrisch isoliert sind; wobei der erste Stromableiter (145) einen ersten Bereich (230) aufweist, der für die Ionen durchlässig ausgebildet ist, so dass die Ionen von einer zur anderen der zwei gegenüberliegenden Seiten des ersten Stromableiters (145) gelangen können. Elektrodenwickel (120) nach Anspruch 1 , wobei der erste Bereich (230) an einem ersten Endbereich des ersten Stromableiters (145), radial benachbart zur Längsachse (L), ausgebildet ist. Elektrodenwickel (120) nach Anspruch 2, wobei der erste Endbereich einen ersten Randbereich (235) zur elektrischen Kontaktierung aufweist, der für Ionen undurchlässig ausgebildet ist. Elektrodenwickel (120) nach Anspruch 2, wobei der erste Endbereich einen ersten Randbereich (235) zur elektrischen Kontaktierung aufweist, der für Ionen durchlässig ausgebildet ist. Elektrodenwickel (120) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Bereich (230) Aussparungen aufweist. Elektrodenwickel (120) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der zweite Stromableiter (165) einen zweiten Bereich (260) aufweist, der für Ionen durchlässig ausgebildet ist, so dass die Ionen von einer zur anderen der zwei gegenüberliegenden Seiten des zweiten Stromableiters (165) gelangen können. Elektrodenwickel (120) nach Anspruch 6, wobei der zweite Bereich (260) an einem zweiten Endbereich des zweiten Stromableiters (165), radial benachbart zur Längsachse (L), ausgebildet ist. Elektrodenwickel (120) nach Anspruch 7, wobei der zweite Endbereich einen zweiten Randbereich (265) zur elektrischen Kontaktierung aufweist, der für Ionen undurchlässig ausgebildet ist. Elektrodenwickel (120) nach Anspruch 7, wobei der zweite Endbereich einen zweiten Randbereich (265) zur elektrischen Kontaktierung aufweist, der für Ionen durchlässig ausgebildet ist. Elektrodenwickel (120) nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 9, wobei der zweite Bereich (260) Aussparungen aufweist. Energiespeicherzelle (100), aufweisend ein zylindrisches Zellgehäuse (110) in dem ein Elektrodenwickel (120) nach einem der vorherigen Ansprüche angeordnet ist. Batterieeinheit mit mehreren Energiespeicherzellen (100) nach Anspruch 11. System mit einem Elektroantrieb und einer Batterieeinheit nach Anspruch 12. Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenwickels (120) für eine Energiespeicherzelle (100), mit folgenden Schritten: Fertigen einer ersten Elektrode (140) aufweisend den Schritt Beschichten von gegenüberliegenden Seiten eines ersten Stromableiters (145) mit einem ersten Aktivmaterial (150), in das Ionen eingelagert werden können, wobei der erste Stromableiter (145) ein erstes elektrisch leitendes Material aufweist, das für Ionen im Betrieb der Energiespeicherzelle (100) undurchlässig ist und wobei der erste Stromableiter einen ersten Bereich (230) aufweist, der für Ionen durchlässig ausgebildet ist, so dass die Ionen von einer zur anderen der zwei gegenüberliegenden Seiten des ersten Stromableiters (145) gelangen können; A first electrode (140) with a first current conductor (145) which has a first electrically conductive material which is impermeable to ions during operation of the energy storage cell; wherein the first current conductor (145) has two opposite sides, each coated with a first active material (150) into which ions can be stored; a second electrode (160) with a second current conductor (165) which has a second electrically conductive material which is impermeable to ions during operation of the energy storage cell; wherein the second current conductor (165) has two opposite sides, each coated with a second active material (170) into which the ions can be stored; a separator (130) which is arranged between the first electrode (140) and the second electrode (160), whereby the first electrode (140) and the second electrode (160) are electrically insulated from one another; wherein the first current conductor (145) has a first region (230) which is designed to be permeable to the ions so that the ions can pass from one to the other of the two opposite sides of the first current conductor (145). Electrode coil (120) according to claim 1, wherein the first region (230) is formed at a first end region of the first current conductor (145), radially adjacent to the longitudinal axis (L). Electrode coil (120) according to claim 2, wherein the first end region has a first edge region (235) for electrical contacting which is designed to be impermeable to ions. Electrode coil (120) according to claim 2, wherein the first end region has a first edge region (235) for electrical contacting which is designed to be permeable to ions. Electrode winding (120) according to one of the preceding claims, wherein the first region (230) has recesses. Electrode winding (120) according to one of the preceding claims, wherein the second current conductor (165) has a second region (260) which is designed to be permeable to ions, so that the ions can pass from one to the other of the two opposite sides of the second current conductor (165). Electrode winding (120) according to claim 6, wherein the second region (260) is formed at a second end region of the second current conductor (165), radially adjacent to the longitudinal axis (L). Electrode winding (120) according to claim 7, wherein the second end region has a second edge region (265) for electrical contacting, which is designed to be impermeable to ions. Electrode winding (120) according to claim 7, wherein the second end region has a second edge region (265) for electrical contacting, which is designed to be permeable to ions. Electrode winding (120) according to one of the preceding claims 6 to 9, wherein the second region (260) has recesses. Energy storage cell (100), comprising a cylindrical cell housing (110) in which an electrode winding (120) according to one of the preceding claims is arranged. Battery unit with several energy storage cells (100) according to claim 11. System with an electric drive and a battery unit according to claim 12. Method for producing an electrode winding (120) for an energy storage cell (100), with the following steps: Manufacturing a first electrode (140) comprising the step of coating opposite sides of a first current conductor (145) with a first active material (150) in which ions can be stored, wherein the first current conductor (145) comprises a first electrically conductive material which is impermeable to ions during operation of the energy storage cell (100) and wherein the first current conductor has a first region (230) which is permeable to ions so that the ions can pass from one to the other of the two opposite sides of the first current conductor (145);
Fertigen einer zweiten Elektrode (165) aufweisend den Schritt Beschichten von gegenüberliegenden Seiten eines zweiten Stromableiters (165) mit einem zweiten Aktivmaterial (170), in das die Ionen eingelagert werden können, wobei der zweite Stromableiter (165) ein zweites elektrisch leitendes Material aufweist, das für Ionen im Betrieb der Energiespeicherzelle (100) undurchlässig ist; Manufacturing a second electrode (165) comprising the step of coating opposite sides of a second current collector (165) with a second active material (170) in which the ions can be stored, wherein the second current collector (165) comprises a second electrically conductive material which is impermeable to ions during operation of the energy storage cell (100);
Anordnen eines Separators (130), der ersten Elektrode (140) und der zweiten Elektrode (160) in einer Abfolge Separator (130), erste Elektrode (140), Separator (130), zweite Elektrode (160); Arranging a separator (130), the first electrode (140) and the second electrode (160) in a sequence separator (130), first electrode (140), separator (130), second electrode (160);
Wickeln dieser Anordnung um eine Längsachse (L). Verfahren nach Anspruch 14, wobei der erste Stromableiter (145) in einem Fertigungsschritt vor dem Beschichten von einer Stromableiter-Rolle abgetrennt wird, die für eine Mehrzahl von Stromableitern (145) für eine Mehrzahl von Elektrodenwickeln (120) vorgesehen ist, wobei die Stromableiter-Rolle in gleichen Abständen einen ersten Bereich (230) aufweist, der für die Ionen durchlässig ist. Winding this arrangement around a longitudinal axis (L). Method according to claim 14, wherein the first current conductor (145) is separated in a manufacturing step before coating from a current conductor roll which is provided for a plurality of current conductors (145) for a plurality of electrode windings (120), wherein the current conductor roll has a first region (230) at equal intervals which is permeable to the ions.
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