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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batteriezelle, wobei eine Elektrodenlage mit einem folienartigen Separator, einem anodischen Aktivmaterial, einem kathodischen Aktivmaterial, einem Stromableiter der Anode und einem Stromableiter der Kathode gebildet wird, und wobei mehrere derartige Elektrodenlagen gestapelt werden. Die Erfindung betrifft auch einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Elektrodenstapel sowie eine Batteriezelle, die mindestens einen erfindungsgemäßen Elektrodenstapel aufweist.
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Stand der Technik
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Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen.
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In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybrid Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybrid Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.
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Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen Stromableiter, auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Bei dem Aktivmaterial für die Kathode handelt es sich beispielsweise um ein Metalloxid. Bei dem Aktivmaterial für die Anode handelt es sich beispielsweise um Silizium. Aber auch Graphit ist als Aktivmaterial für Anoden verbreitet.
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Die Elektroden der Batteriezelle sind folienartig ausgebildet und unter Zwischenlage eines folienartigen Separators, welcher die Anode von der Kathode trennt, zu einer Elektrodeneinheit verbunden. Die beiden Elektroden der Elektrodeneinheit sind elektrisch mit Polen der Batteriezelle, welche auch als Terminals bezeichnet werden, verbunden. Die Elektroden und der Separator sind von einem in der Regel flüssigen Elektrolyt umgeben.
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Die Elektrodeneinheit kann zu einem Elektrodenwickel gewunden sein. Ein solcher Elektrodenwickel wird auch als Jelly-Roll bezeichnet. Eine Batteriezelle, die einen Elektrodenwickel mit einer Anode und einer Kathode umfasst, ist beispielsweise aus der
DE 10 2012 213 420 A1 bekannt.
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Die Elektrodeneinheit kann auch als Elektrodenstapel ausgebildet sein und mehrere gestapelte Elektrodenlagen umfassen. Dabei umfasst jede Elektrodenlage eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Separator.
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Ein solcher Elektrodenstapel sowie ein entsprechendes Herstellverfahren sind aus der
US 2013/0017435 bekannt. Dabei weisen die Anode und die Kathode das gleiche Aktivmaterial auf, insbesondere LI2MnO3. Ein derartiger Elektrodenstapel dient zum Einsatz in einer nonpolaren Batterie. Das Aktivmaterial wird beispielsweise mittels Siebdruck auf einen keramischen Separator aufgebracht.
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Aus der
US 2013/015105 sind eine Elektrodenlage sowie ein Herstellverfahren für die Elektrodenlage bekannt. Dabei werden die Aktivmaterialien der Anode und der Kathode insbesondere mittels Siebdruck auf einen Separator aufgebracht. Auf die Aktivmaterialien wird vorzugsweise eine Kupferschicht als Stromableiter der Anode und eine Aluminiumschicht als Stromableiter der Kathode aufgebracht.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batteriezelle vorgeschlagen, welches folgende Schritte umfasst:
- • Bilden einer Elektrodenlage, welche einen folienartigen Separator, ein anodisches Aktivmaterial, ein kathodisches Aktivmaterial, einen Stromableiter der Anode und einen Stromableiter der Kathode aufweist;
- • Stapeln mehrerer solcher Elektrodenlagen.
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Das Bilden der Elektrodenlage umfasst folgende Schritte:
- • Bereitstellen eines folienartigen Separators;
- • Aufbringen eines anodischen Aktivmaterials auf eine Seite des Separators und Aufbringen eines kathodischen Aktivmaterials auf die gegenüberliegende Seite des Separators;
- • Aufbringen einer Kupferschicht als Stromableiter der Anode auf das anodische Aktivmaterial und Aufbringen einer Aluminiumschicht als Stromableiter der Kathode auf das kathodische Aktivmaterial.
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Das Stapeln mehrerer Elektrodenlagen erfolgt dabei derart, dass jeweils die Kupferschichten von benachbarten Elektrodenlagen aneinander angrenzen, oder dass die Aluminiumschichten von benachbarten Elektrodenlagen aneinander angrenzen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das anodische Aktivmaterial mittels Siebdruck auf eine Seite des Separators aufgebracht. Ebenso wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens das kathodische Aktivmaterial mittels Siebdruck auf die gegenüberliegende Seite des Separators aufgebracht.
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Vorzugsweise wird die Kupferschicht als Stromableiter der Anode erst nach einem Aushärten des anodischen Aktivmaterials auf das anodische Aktivmaterial aufgebracht. Vorzugsweise wird auch die Aluminiumschicht als Stromableiter der Kathode erst nach einem Aushärten des kathodischen Aktivmaterials auf das kathodische Aktivmaterial aufgebracht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kupferschicht als Stromableiter der Anode mittels Siebdruck auf das anodische Aktivmaterial aufgebracht. Ebenso wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Aluminiumschicht als Stromableiter der Kathode mittels Siebdruck auf das kathodische Aktivmaterial aufgebracht.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden benachbarte Elektrodenlagen gestapelt, bevor die aneinander angrenzenden Kupferschichten der benachbarten Elektrodenlagen getrocknet sind. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden benachbarte Elektrodenlagen auch gestapelt, bevor die aneinander angrenzenden Aluminiumschichten der benachbarten Elektrodenlagen getrocknet sind.
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Vorteilhaft werden die gestapelten Elektrodenlagen, welche jeweils einen folienartigen Separator, ein anodisches Aktivmaterial, ein kathodisches Aktivmaterial, eine Kupferschicht als Stromableiter der Anode und eine Aluminiumschicht als Stromableiter der Kathode aufweisen, dabei gepresst und somit auch verdichtet.
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Der Separator, auf welchen das anodische Aktivmaterial sowie das kathodische Aktivmaterial aufgebracht werden, ist vorzugsweise aus einem keramischen Material gefertigt und somit verhältnismäßig stabil.
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Es wird auch ein Elektrodenstapel für eine Batteriezelle vorgeschlagen, welcher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, und somit mehrere gestapelte Elektrodenlagen umfasst.
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Ferner wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens einen erfindungsgemäßen Elektrodenstapel umfasst.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), in einer stationären Batterie, insbesondere zur Netzstabilisierung in Haushalten, in einer Batterie in einer marinen Anwendung, beispielsweise beim Schiffsbau oder in Jet-Skis, oder in einer Batterie in einer aeronautischen Anwendung, insbesondere beim Flugzeugbau. Auch weitere Anwendungen sind denkbar.
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Vorteile der Erfindung
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Durch Einsatz eines durch Stapeln mehrerer Elektrodenlagen hergestellten Elektrodenstapels ist das Volumen einer Batteriezelle deutlich besser ausnutzbar als bei Einsatz eines gewickelten Elektrodenwickels. Dadurch, dass Siebdruck vorzugsweise zum Aufbringen des anodischen Aktivmaterials auf den Separator sowie zum Aufbringen des kathodischen Aktivmaterial auf den Separator verwendet wird, erfolgt eine verhältnismäßig gleichmäßige und homogene Beschichtung ohne nennenswerte Randerhöhung. Dadurch ergibt sich auch eine verhältnismäßig gleichmäßige Energieverteilung. Ähnlich Vorteile ergeben sich auch dadurch, dass die Kupferschicht mittels Siebdruck auf das anodische Aktivmaterial aufgebracht wird und dass die Aluminiumschicht mittels Siebdruck auf das kathodische Aktivmaterial aufgebracht wird. Auch ein nachträgliches Kalandrieren der Elektrodenlagen oder des Elektrodenstapels ist nicht erforderlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle und
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2 eine schematische Schnittdarstellung eines Elektrodenstapels der Batteriezelle aus 1.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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In 1 ist eine Batteriezelle 2 schematisch dargestellt. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Zellengehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Das Zellengehäuse 3 kann aber auch aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt sein.
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Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12, welche an dem prismatischen Zellengehäuse 3 angeordnet sind. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden.
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Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist ein Elektrodenstapel 10 angeordnet, welcher zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, aufweist. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt, und zwischen der Anode 21 und der Kathode 22 ist ein folienartiger Separator 18 vorgesehen.
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Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial 41, welches folienartig ausgeführt ist. Das anodische Aktivmaterial 41 weist als Grundstoff vorliegend Silizium oder eine Silizium enthaltende Legierung auf. Die Anode 21 umfasst ferner einen Stromableiter 31, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das anodische Aktivmaterial 41 und der Stromableiter 31 der Anode 21 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden. Somit ist auch die Anode 21 folienartig ausgebildet.
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Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist mittels eines negativen Kollektors 51 elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
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Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial 42, welches folienartig ausgeführt ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 weist als Grundstoff ein Metalloxid auf, beispielsweise Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2). Die Kathode 22 umfasst ferner einen Stromableiter 32, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 und der Stromableiter 32 der Kathode 22 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden. Somit ist auch die Kathode 22 folienartig ausgebildet.
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Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist mittels eines positiven Kollektors 52 elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
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Die Anode 21 und die Kathode 22 sind durch den folienartig ausgebildeten Separator 18 voneinander getrennt. Der Separator 18 ist elektrisch isolierend ausgebildet, aber ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig. Das Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 ist vorliegend mit einem flüssigen Elektrolyt 15 gefüllt. Der Elektrolyt 15 umgibt dabei die Anode 21, die Kathode 22 und den Separator 18. Auch der Elektrolyt 15 ist ionisch leitfähig.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Elektrodenstapels 10 der Batteriezelle 2 aus 1. Der Elektrodenstapel 10 weist dabei mehrere Elektrodenlagen 8 auf. Jede der Elektrodenlagen 8 umfasst einen Separator 18, eine Anode 21 und eine Kathode 22. Jede Anode 21 einer Elektrodenlage 8 weist ein anodisches Aktivmaterial 41 und einen Stromableiter 31 auf. Jede Kathode 22 einer Elektrodenlage 8 weist ein kathodisches Aktivmaterial 42 und einen Stromableiter 32 auf.
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Die Stromableiter 31 der Anode 21 von jeder Elektrodenlage 8 sind mittels des negativen Kollektors 51 miteinander sowie mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden. Die Stromableiter 32 der Kathode 22 von jeder Elektrodenlage 8 sind mittels des positiven Kollektors 52 miteinander sowie mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
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Auf eine Seite des Separators 18 jeder Elektrodenlage 8 ist das anodische Aktivmaterial 41 mittels Siebdruck aufgebracht. Auf die gegenüberliegende Seite des Separators 18 jeder Elektrodenlage 8 ist das kathodische Aktivmaterial 42 mittels Siebdruck aufgebracht. Der Separator 18 ist dabei aus einem stabilen keramischen Material gefertigt.
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Auf das anodische Aktivmaterial 41 jeder Elektrodenlage 8 ist eine Kupferschicht als Stromableiter 31 der Anode 21 mittels Siebdruck aufgebracht. Die Kupferschicht ist dabei derart aufgebracht, dass ein Endabschnitt der Kupferschicht an einer ersten Stirnseite 61 über die übrigen Schichten der Elektrodenlage 8 hinaus ragt.
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Auf das kathodische Aktivmaterial 42 jeder Elektrodenlage 8 ist eine Aluminiumschicht als Stromableiter 32 der Kathode 22 mittels Siebdruck aufgebracht. Die Aluminiumschicht ist dabei derart aufgebracht, dass ein Endabschnitt der Aluminiumschicht an einer zweiten Stirnseite 62 über die übrigen Schichten der Elektrodenlage 8 hinaus ragt. Die zweite Stirnseite 62 ist dabei der ersten Stirnseite 61 gegenüberliegend angeordnet.
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Das Aufbringen der besagten Kupferschicht als Stromableiter 31 der Anode 21 auf das anodische Aktivmaterial 41 erfolgt dabei erst nach einem ausreichenden Aushärten des anodischen Aktivmaterials 41. Ebenso erfolgt das Aufbringen der besagten Aluminiumschicht als Stromableiter 32 der Kathode 22 auf das kathodische Aktivmaterial 42 erst nach einem ausreichenden Aushärten des kathodischen Aktivmaterials 42.
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Die einzelnen Elektrodenlagen 8 des Elektrodenstapels 10 sind derart gestapelt, dass jeweils die als Stromableiter 31 der Anode 21 dienende Kupferschicht einer Elektrodenlage 8 an die Kupferschicht der benachbarten Elektrodenlage 8 angrenzt, oder dass jeweils die als Stromableiter 32 der Kathode 22 dienende Aluminiumschicht einer Elektrodenlage 8 an die Aluminiumschicht der benachbarten Elektrodenlage 8 angrenzt.
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Jeweils zwei benachbarte Elektrodenlagen 8 des Elektrodenstapels 10 werden dabei gestapelt, bevor die aneinander angrenzenden als Stromableiter 31 der Anode 21 dienenden Kupferschichten getrocknet sind. Ebenso werden jeweils zwei benachbarte Elektrodenlagen 8 gestapelt, bevor die als Stromableiter 32 der Kathode 22 dienenden aneinander angrenzenden Aluminiumschichten getrocknet sind.
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Die einzelnen Elektrodenlagen 8 des Elektrodenstapels 10 sind ferner derart gestapelt, dass jeweils die ersten Stirnseiten 61 der Elektrodenlagen 8 in die gleiche Richtung weisen. Somit weisen auch die Endabschnitte der als Stromableiter 31 der Anode 21 dienenden Kupferschichten der Elektrodenlagen 8 in die gleiche Richtung.
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Die einzelnen Elektrodenlagen 8 des Elektrodenstapels 10 sind damit auch derart gestapelt, dass jeweils die zweiten Stirnseiten 62 der Elektrodenlagen 8 in die gleiche Richtung weisen. Somit weisen auch die Endabschnitte der als Stromableiter 32 der Kathode 22 dienenden Aluminiumschichten der Elektrodenlagen 8 in die gleiche Richtung.
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Die Endabschnitte der als Stromableiter 31 der Anode 21 dienenden Kupferschichten der Elektrodenlagen 8 sind dabei mittels des negativen Kollektors 51 miteinander verbunden. Der negative Kollektor 51 ist mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
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Die Endabschnitte der als Stromableiter 32 der Kathode 22 dienenden Aluminiumschichten der Elektrodenlagen 8 sind dabei mittels des positiven Kollektors 52 miteinander verbunden. Der positive Kollektor 52 ist mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
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Während der Herstellung des Elektrodenstapels 10 entstandene Hohlräume werden mit einem Isoliermaterial 70 aufgefüllt. Anschließend werden die Elektrodenlagen 8 sowie das in die Hohlräume gefüllte Isoliermaterial 70 plan geschliffen. Auch werden die Elektrodenlagen 8 noch gepresst und somit auch verdichtet.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012213420 A1 [0006]
- US 2013/0017435 [0008]
- US 2013/015105 [0009]
