DE102017216131A1

DE102017216131A1 - Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batteriezelle und Batteriezelle

Info

Publication number: DE102017216131A1
Application number: DE102017216131.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Reusch; Andreas Letsch; Daniel Sauerteig; Johannes Proell; Juergen Herold; Mathias Derra; Thomas Peter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2019-03-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batteriezelle, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen eines bandförmigen ersten Separatorelements (16); Bereitstellen mehrerer plattenförmiger Elektrodensegmente (56); Erzeugen eines bandförmigen Verbundelements (50) durch Ablegen der Elektrodensegmente (55) auf das erste Separatorelement (16); Aufbringen mindestens eines Klebefilms (131) auf das erste Separatorelement (16) des Verbundelements (50), wobei eine Höhe (H) des Klebefilms (131) größer ist als eine Stärke (S) der Elektrodensegmente (56); Aufbringen eines bandförmigen zweiten Separatorelements auf das Verbundelement (50) derart, dass die Elektrodensegmente (56) zumindest weitgehend zwischen den beiden Separatorelementen (16) eingeschlossen sind, und dass die Höhe (H) des Klebefilms (131) verringert wird. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, die mindestens einen Elektrodenstapel umfasst, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batteriezelle aus plattenförmigen Elektrodensegmenten und Stapeln der Segmente. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, die einen Elektrodenstapel aufweist, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Stand der Technik
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. 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 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. Die Elektroden der Batteriezelle sind folienartig ausgebildet und unter Zwischenlage eines Separators, welcher die Anode von der Kathode trennt, beispielsweise zu einem Elektrodenstapel gestapelt. Die Elektroden können auch zu einem Elektrodenwickel gewunden sein oder auf eine andere Art eine Elektrodeneinheit bilden.
Die beiden Elektroden der Elektrodeneinheit sind elektrisch mit Polen der Batteriezelle verbunden, welche auch als Terminals bezeichnet werden. Die Elektroden und der Separator sind von einem in der Regel flüssigen Elektrolyt umgeben. Die Batteriezelle weist ferner ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium gefertigt ist. Das Zellengehäuse ist in der Regel prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltet und druckfest ausgebildet. Aber auch andere Gehäuseformen, beispielsweise kreiszylindrisch, oder auch flexible Pouchzellen, sind bekannt.
Wesentliche Bestrebung bei der Entwicklung von neuen Batteriezellen ist, das elektrochemische Nutzvolumen in der Zelle zu erhöhen. Als geeignetste Bauform einer Elektrodeneinheit zur Maximierung des Nutzvolumens hat sich der Elektrodenstapel herausgestellt, da dieser sowohl ideal prismatisch als auch in einer beliebigen anderen Geometrie hergestellt werden kann.
Aus der DE 10 2015 202 894 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, die einen Elektrodenstapel mit einer Anode und einer Kathode aufweist. Die Anode und die Kathode umfassen dabei mehrere plattenförmig ausgebildete Segmente, die unter Zwischenlag von plattenförmigen Separatoren zu dem Elektrodenstapel übereinander geschichtet sind.
Aus der JP 2015-197977 A ist ein Verfahren zum Verbinden eines Separators und einer Elektrode bekannt. Der Separator umfasst dabei eine Schicht aus Polypropylen und eine Schicht aus Keramik, also aus einem hitzebeständigen Material.
Aus der DE 10 2009 013 345 A1 ist ein Elektrodenstapel für eine galvanische Zelle bekannt. Der Elektrodenstapel umfasst dabei plattenförmig ausgebildete Kathoden, Anoden und Separatoren, welche mittels Klebstoffs miteinander verbunden sind.
Die DE 10 2006 054 308 A1 offenbart eine Elektrodenanordnung für eine Batterie. Die Elektrodenanordnung umfasst ein flaches erstes Elektrodenelement, ein flaches zweites Elektrodenelement und ein flaches Separatorelement. Die Elektrodenelemente sind dabei mittels Klebstoffs mit dem Separatorelement verbunden.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batteriezelle vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst dabei mindestens die nachfolgend aufgeführten Schritte.
Zunächst wird ein bandförmiges erstes Separatorelement bereitgestellt. Das erste Separatorelement ist vorliegend flach und bandförmig ausgebildet. Das bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Ausdehnung des ersten Separatorelements in eine Längsrichtung viel größer, insbesondere mindestens zehnmal größer, ist als eine Ausdehnung des ersten Separatorelements in eine Querrichtung, welche rechtwinklig zu der Längsrichtung orientiert ist.
Ferner werden mehrere plattenförmige Elektrodensegmente bereitgestellt. Die Elektrodensegmente sind dabei flach und plattenförmig ausgebildet. Das bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Ausdehnung der Elektrodensegmente in Längsrichtung annähernd gleich groß, insbesondere mindestens halb so groß und höchstens doppelt so groß, ist wie eine Ausdehnung der besagten Segmente in Querrichtung.
Bei den Elektrodensegmenten kann es sich beispielsweise um Anodensegmente handeln, welche einen anodischen Stromableiter umfassen, auf den ein anodisches Aktivmaterial aufgebracht ist. Ebenso kann es sich bei den Elektrodensegmenten um Kathodensegmente handeln, welche einen kathodischen Stromableiter umfassen, auf den ein kathodisches Aktivmaterial aufgebracht ist.
Durch Ablegen der plattenförmigen Elektrodensegmente auf das bandförmige erste Separatorelement wird dann ein bandförmiges Verbundelement erzeugt.
Anschließend wird mindestens ein Klebefilm auf das erste Separatorelement des Verbundelements aufgebracht. Dabei ist eine Höhe des Klebefilms größer als eine Stärke der Elektrodensegmente. Die Höhe des Klebefilms ist eine Ausdehnung des Klebefilms in eine Stapelrichtung, welche rechtwinklig zu der Längsrichtung und rechtwinklig zu der Querrichtung orientiert ist. Die Stärke der Elektrodensegmente ist eine Ausdehnung der Elektrodensegmente in die Stapelrichtung.
Danach wird ein bandförmiges zweites Separatorelement auf das Verbundelement derart aufgebracht, dass die Elektrodensegmente zumindest weitgehend zwischen den beiden Separatorelementen eingeschlossen sind. Insbesondere sind die Elektrodensegmente derart zwischen den beiden Separatorelementen angeordnet, dass lediglich Kontaktfahnen der Elektrodensegmente zwischen den Separatorelementen heraus ragen. Das zweite Separatorelement wird dabei derart auf das Verbundelement aufgebracht, dass das zweite Separatorelement den Klebefilm in der Stapelrichtung komprimiert, wodurch die Höhe des Klebefilms verringert wird.
Bevorzugt wird das zweite Separatorelement dabei derart auf das Verbundelement aufgebracht, dass die Höhe des Klebefilms durch das Komprimieren zumindest annähernd auf die Stärke der Elektrodensegmente verringert wird. Die Höhe des Klebefilms entspricht somit der Stärke der Elektrodensegmente und die beiden Separatorelemente sind gleichmäßig voneinander beabstandet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das zweite Separatorelement mittels einer zylindrischen Walze auf das Verbundelement gepresst.
Bevorzugt wird das bandförmige Verbundelement von einer Transportvorrichtung in eine Transportrichtung bewegt, während das zweite Separatorelement auf das Verbundelement aufgebracht wird. Vorzugsweise rotiert die Walze dabei um eine Walzenachse, die in der Querrichtung verläuft. Die Querrichtung ist dabei rechtwinklig zu der Transportrichtung orientiert. Die Transportrichtung verläuft parallel zu der Längsrichtung.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der mindestens eine Klebefilm derart auf das erste Separatorelement aufgebracht, dass ein erster Abstand von einer Mitte des Klebefilms zu dem nächstgelegenen Elektrodensegment kleiner ist als ein zweiter Abstand von der Mitte des Klebefilms zu einer Längskante des ersten Separatorelements. Die Längskante verläuft dabei in die Längsrichtung und die Abstände erstrecken sich in der Querrichtung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der mindestens eine Klebefilm vorgehärtet wird, insbesondere durch eine UV-Strahlung, bevor das zweite Separatorelement auf das Verbundelement aufgebracht wird. Unter der UV-Strahlung ist eine elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Bereich zu verstehen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der mindestens eine Klebefilm gehärtet, insbesondere durch eine UV-Strahlung, während das zweite Separatorelement auf das Verbundelement aufgebracht wird.
Gemäß noch einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der mindestens eine Klebefilm gehärtet, insbesondere durch eine UV-Strahlung, nachdem das zweite Separatorelement auf das Verbundelement aufgebracht wurde.
Bevorzugt werden das bandförmige zweite Separatorelement und das Verbundelement zwischen den Elektrodensegmenten, bevorzugt in Querrichtung, geschnitten. Dann werden durch Aufbringen weiterer plattenförmiger Elektrodensegmente plattenförmige Stapelsegmente erzeugt. Sofern das Verbundelement Anodensegmente aufweist, werden nun Kathodensegmente aufgebracht. Sofern das Verbundelement Kathodensegmente aufweist, werden nun Anodensegmente aufgebracht.
Jedes Stapelsegment umfasst somit ein Anodensegment, ein Kathodensegment und zwei Separatorsegmente. Die Stapelsegmente werden dann zu dem Elektrodenstapel gestapelt.
Es wird auch eine Batteriezelle vorgeschlagen, die mindestens einen Elektrodenstapel umfasst, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt. Unter Consumer-Elektronik-Produkten sind insbesondere Mobiltelefone, Tablet-PCs oder Notebooks zu verstehen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine Verringerung der erforderlichen Prozesszeit beim Stapeln der Elektroden und des Separators zu dem Elektrodenstapel. Vorteilhaft sind die beiden Separatorelemente nach Aufbringen des zweiten Separatorelements auf das Verbundelement zumindest annähernd flach und nicht gebogen. Dadurch ist die Gefahr einer Beschädigung der Separatorelemente, insbesondere an den Ecken der Elektrodensegmente, vermieden. Ferner sind die Stapelsegmente homogen und mit gleichmäßiger Stärke ausgestaltet und in dem Elektrodenstapel sind Hohlräume vermieden. Durch die Anordnung des Klebefilms näher an dem Elektrodensegment als an der Längskante des Separatorelements wird verhindert, dass beim Komprimieren des Klebefilms Klebstoff seitlich zwischen den beiden Separatorelementen austritt.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle,
2 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Herstellung von Elektrodenstapeln für Batteriezellen,
3 eine Draufsicht auf ein bandförmiges Verbundelement während ein Klebefilm aufgebracht wird,
4 einen Schnitt durch das Verbundelement mit Klebefilm entlang der Schnittlinie A - A in 3,
5 das Verbundelement mit Klebefilm nach 4, während ein zweites Separatorelement aufgebracht wird,
6 das Verbundelement mit Klebefilm nach 4, nachdem ein zweites Separatorelement aufgebracht wurde, und
7 eine schematische Darstellung eines aus mehreren Stapelsegmenten gebildeten Elektrodenstapels.

Ausführungsformen der Erfindung
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.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Gehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Gehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Das Gehäuse 3 kann auch in Form einer flexiblen Pouch-Folie ausgebildet sein.
Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. 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.
Innerhalb des Gehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist eine Elektrodeneinheit angeordnet, welche vorliegend als Elektrodenstapel 10 ausgeführt ist. Der Elektrodenstapel 10 weist zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, auf. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und durch einen Separator 18 voneinander separiert. Der Separator 18 ist ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig.
Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial 41 und einen anodischen Stromableiter 31. Der anodische Stromableiter 31 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Der anodische Stromableiter 31 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial 42 und einen kathodischen Stromableiter 32. Der kathodische Stromableiter 32 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Der kathodische Stromableiter 32 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Anlage 60 zur Herstellung von Elektrodenstapeln 10 für Batteriezellen 2. Von einer ersten Separatorrolle 71 wird ein bandförmiges erstes Separatorelement 16 einer Transportvorrichtung 110 zugeführt. Bei der Transportvorrichtung 110 kann es sich um ein umlaufendes Band oder auch um ein lineares Mover-System oder dergleichen handeln. Auf der Transportvorrichtung 110 wird das erste Separatorelement 16 in eine Transportrichtung 64 transportiert.
Von einer Kathodenrolle 62 erfolgt die Zufuhr eines bandförmigen Kathodenelements 46. Die Zufuhr des bandförmigen Kathodenelements 46 erfolgt über mehrere hier nicht dargestellte Umlenkrollen an eine in einer Förderrichtung 68 umlaufende Fördereinheit 100. Die Fördereinheit 100 ist mit einem Antrieb 90 versehen, welcher einen Encoder und eine Antriebssteuerung umfasst.
Der Fördereinheit 100 ist ein Laser 96 oder eine sonstige, insbesondere messerartige Schneideinrichtung zugeordnet. Durch den Laser 96 oder die Schneideinrichtung erfolgt ein Schnitt durch das bandförmige Kathodenelement 46, wodurch plattenförmige Kathodensegmente 56 erzeugt werden. Die Kathodensegmente 56 werden dabei insbesondere in einer Querrichtung y geschnitten, welche rechtwinklig zu der Förderrichtung 68 verläuft und vorliegend senkrecht zu der Zeichenebene orientiert ist. Zusätzlich werden Konturschnitte durchgeführt, um Kontaktfahnen 36 der Kathode 22 an den Kathodensegmenten 56 zu erzeugen.
Die Kathodensegmente 56 werden an der Fördereinheit 100 beispielsweise mittels eines Vakuums fixiert, bevor die Kathodensegmente 56 auf das erste Separatorelement 16 auf der Transportvorrichtung 110 abgelegt werden. So entsteht ein bandartiges Verbundelement 50, wobei zwischen den einzelnen Kathodensegmenten 56 in der Transportrichtung 64 Lücken 51 erzeugt werden. Die Kathodensegmente 56 sind danach in der Transportrichtung 64 regelmäßig beabstandet voneinander auf dem ersten Separatorelement 16 angeordnet. Somit sind benachbarte Kathodensegmente 56 in dem Verbundelement 50 durch entsprechende Lücken 51 voneinander getrennt. Das Verbundelement 50 wird dabei von der Transportvorrichtung 110 weiter in die Transportrichtung 64 transportiert.
In der Transportvorrichtung 110 wird ein Vakuum erzeugt, mittels welchem die Kathodensegmente 56 durch das erste Separatorelement 16 hindurch angesaugt werden. So werden die Kathodensegmente 56 auf dem ersten Separatorelement 16 zusätzlich gehalten.
Auf das Verbundelement 50 werden Klebefilme 131, 132, 133 aufgebracht. Danach erfolgt die Zuführung eines bandförmigen zweiten Separatorelements 17 von einer zweiten Separatorrolle 72. Dieses wird auf das Verbundelement 50 auf der Transportvorrichtung 110 überführt und mittels einer Walze 119 auf das Verbundelement 50 gepresst. Das bandförmige erste Separatorelement 16 und die regelmäßig beabstandeten Kathodensegmente 56 sind somit von dem zweiten Separatorelement 17 überdeckt. Dabei sind die Kathodensegmente 56 weitgehend zwischen dem ersten Separatorelement 16 und dem zweiten Separatorelement 17 eingeschlossen.
Anschließend erfolgt innerhalb eines Übergabebereiches 74 die Überführung des Verbundelements 50 mit dem zweiten Separatorelement 17 an ein lineares Mover-System 76. Das lineare Mover-System 76 umfasst beispielsweise einzelne mit Unterdruck beaufschlagbare Schlitten, wobei aus 2 hervorgeht, dass dem linearen Mover-System 76 an dessen Unterseite angeordnete einzelne diskrete Stapelvorrichtungen 78 zugeordnet sind.
Nach Passage des Übergabebereiches 74 erfolgt bevorzugt mittels eines Lasers 96 ein Laserschnitt 80 der an das lineare Mover-System 76 übergebenen Anordnung aus Verbundelement 50 und zweiten Separatorelement 17. Es entstehen dreilagig ausgebildeten Stapel, welche zwei Separatorsegmente 53 sowie ein dazwischen liegendes Kathodensegment 56 umfassen. Diese dreilagig ausgebildeten Stapel werden seitlich über Greifvorrichtungen oder Vakuum auf einzelnen voneinander getrennten mit Vakuum beaufschlagbaren Schlitten des linearen Mover-Systems 76 fixiert.
Aus 2 geht hervor, dass dem linearen Mover-System 76 ein angetriebenes Rad 92 zugeordnet ist. Dieses wird mit einem bandförmigen Anodenelement 45 von einer Anodenrolle 61 beaufschlagt, welches auf dem Rad 92 bevorzugt durch einen Laser 96 zu Anodensegmenten 55 geschnitten wird. Die von dem bandförmigen Anodenelement 45 abgetrennten Anodensegmente 55 werden innerhalb eines Vakuumbereiches 86 auf dem angetriebenen Rad 92 fixiert und auf die von den einzelnen Schlitten des linearen Mover-Systems 76 herantransportierten dreilagig ausgebildeten Stapel aus zwei Separatorsegmenten 53 sowie dazwischen liegendem Kathodensegment 56 aufgebracht.
So erhaltene, beispielsweise von Greifern des linearen Mover-Systems 76 fixierten, vierlagige Stapelsegmente 58 werden in einem Auslaufbereich des linearen Mover-Systems 76 um 180° gewendet und auf die einzelnen Stapelvorrichtungen 78 abgelegt. Die Stapelsegmente 58 sind plattenförmig ausgebildet und umfassen zwei Separatorsegmente 53, ein Anodensegment 55 und ein Kathodensegment 56.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass das angetriebene Rad 92, welches oberhalb des linearen Mover-Systems 76 angeordnet ist, neben dem Vakuumbereich 86 auch einen Abblasbereich 88 aufweist. Auf dem Rad 92 erfolgt der Laserschnitt des Anodenelements 45 bevorzugt mittels des Lasers 96. Alternativ zu dem Laser 96 kann auch eine messerartige Schneidvorrichtung eingesetzt werden, um die plattenförmigen Anodensegmente 55 zu erzeugen. Das angetriebene Rad 92 ist mit einem Antrieb 90 versehen.
3 zeigt eine Draufsicht auf ein bandförmiges Verbundelement 50 während ein erster Klebefilm 131, ein zweiter Klebefilm 132 und ein dritter Klebefilm 133 aufgebracht werden. Die plattenförmigen Kathodensegmente 56 liegen in einer Längsrichtung x, welche rechtwinklig zu der Querrichtung y verläuft, voneinander beabstandet auf dem bandförmigen ersten Separatorelement 16. Die Kathodensegmente 56 sind in Längsrichtung x durch die Lücken 51 voneinander getrennt. Die Längsrichtung x verläuft dabei parallel zu der Transportrichtung 64, in die das Verbundelement 50 transportiert wird.
Das erste Separatorelement 16 weist zwei Längskanten 125 auf, welche parallel zueinander in der Längsrichtung x verlaufen. Die Kathodensegmente 56 liegen annähernd vollständig auf dem ersten Separatorelement 16 und sind annähernd vollständig von den Längskanten 125 beabstandet. Die Kathodensegmente 56 weisen Kontaktfahnen 36 der Kathode 22 auf, welche sich in Querrichtung y erstrecken. Lediglich die Kontaktfahnen 36 der Kathode 22 ragen in der Querrichtung y über eine der beiden Längskanten 125 des ersten Separatorelements 16 seitlich heraus.
Mittels einer nicht dargestellten ersten Düse wird der erste Klebefilm 131 zwischen einer der Längskanten 125 und je einem Kathodensegment 56 auf das erste Separatorelement 16 aufgebracht. Mittels einer nicht dargestellten zweiten Düse wird der zweite Klebefilm 132 zwischen der anderen Längskante 125 und dem Kathodensegment 56 auf das erste Separatorelement 16 aufgebracht. Der zweite Klebefilm 132 wird dabei nahe der Längskante 125 aufgebracht, über welche die Kontaktfahnen 36 der Kathode 22 heraus ragen. Mittels einer nicht dargestellten dritten Düse wird der dritte Klebefilm 133 zwischen je zwei benachbarten Kathodensegmenten 56 auf das erste Separatorelement 16 aufgebracht.
Der erste Klebefilm 131 und der zweite Klebefilm 132 erstrecken sich dabei in Längsrichtung x. Der dritte Klebefilm 133 erstreckt sich in Querrichtung y. Die Klebefilme 131, 132, 133 sind dabei von den Kathodensegmenten 56 beabstandet. Insbesondere ist der zweite Klebefilm 132 von den Kontaktfahnen 36 der Kathode 22 beabstandet.
4 zeigt einen Schnitt durch das Verbundelement 50 mit dem ersten Klebefilm 131 entlang der Schnittlinie A - A in 3. Der erste Klebefilm 131 weist in einer Stapelrichtung z eine Höhe H auf. Das Kathodensegment 56 weist in der Stapelrichtung z eine Stärke S auf. Die besagte Stapelrichtung z verläuft rechtwinklig zu der Längsrichtung x und rechtwinklig zu der Querrichtung y. Die Höhe H des ersten Klebefilms 131 ist dabei größer als die Stärke S des Kathodensegments 56.
Der erste Klebefilm 131 weist eine Ausdehnung in der Querrichtung y auf. Eine zentrale Stelle des ersten Klebefilms 131, an welcher sich beispielsweise der geometrische Schwerpunkt des Querschnitts des ersten Klebefilms 131 befindet, wird im Folgenden als Mitte M des ersten Klebefilms 131 bezeichnet.
Der erste Klebefilm 131 wird derart auf das erste Separatorelement 16 aufgebracht, dass ein erster Abstand D1 von der Mitte M des ersten Klebefilms 131 zu dem nächstgelegenen Kathodensegment 56 kleiner ist als ein zweiter Abstand D2 von der Mitte M des ersten Klebefilms 131 zu der nächstgelegenen Längskante 125 des ersten Separatorelements 16. Die Abstände D1, D2 erstrecken sich dabei in der Querrichtung y.
Vorliegend wird der erste Klebefilm 131 durch eine UV-Strahlung 135 von einer UV-Lampe 136 vorgehärtet bevor das zweite Separatorelement 17 auf das Verbundelement 50 aufgebracht wird.
5 zeigt das Verbundelement 50 mit dem ersten Klebefilm 131 nach 4 während das zweite Separatorelement 17 aufgebracht wird. Das zweite Separatorelement 17 wird mittels einer zylindrischen Walze 119 auf das Verbundelement 50 gepresst. Dabei rotiert die Walze 119 um eine Walzenachse 117, die in der Querrichtung y verläuft.
Die Walze 119 übt einen Druck in der Stapelrichtung z auf das zweite Separatorelement 17 aus, was durch entsprechende Pfeile in der 5 verdeutlich wird. Dabei komprimiert das zweite Separatorelement 17 den ersten Klebefilm 131 in der Stapelrichtung z, wodurch die Höhe H des ersten Klebefilms 131 verringert wird.
Insbesondere wird die Höhe H des ersten Klebefilms 131 dabei annähernd auf die Stärke S des nächstgelegenen Kathodensegments 56 verringert. Die Höhe H des ersten Klebefilms 131 entspricht somit nach Aufbringen des zweiten Separatorelements 17 der Stärke S des nächstgelegenen Kathodensegments 56. Der erste Abstand D1 von der Mitte M des ersten Klebefilms 131 zu dem nächstgelegenen Kathodensegment 56 bleibt kleiner ist als der zweite Abstand D2 von der Mitte M des ersten Klebefilms 131 zu der nächstgelegenen Längskante 125 des ersten Separatorelements 16.
Vorliegend wird der erste Klebefilm 131 durch eine UV-Strahlung 135 von einer UV-Lampe 136 gehärtet während das zweite Separatorelement 17 auf das Verbundelement 50 aufgebracht wird.
6 zeigt das Verbundelement 50 mit dem ersten Klebefilm 131 nach 4 nachdem das zweite Separatorelement 17 aufgebracht wurde. Der erste Abstand D1 von der Mitte M des ersten Klebefilms 131 zu dem nächstgelegenen Kathodensegment 56 bleibt kleiner ist als der zweite Abstand D2 von der Mitte M des Klebefilms 131 zu der nächstgelegenen Längskante 125 des ersten Separatorelements 16.
Vorliegend wird der erste Klebefilm 131 durch eine UV-Strahlung 135 von einer UV-Lampe 136 gehärtet, nachdem das zweite Separatorelement 17 auf das Verbundelement 50 aufgebracht wurde. Insbesondere wird die UV-Lampe 136 derart angeordnet, dass die UV-Strahlung 135 das zweite Separatorelement 17 durchdringt.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines aus mehreren Stapelsegmenten 58 gebildeten Elektrodenstapels 10. Die Stapelsegmente 58 sind dabei in der Stapelrichtung z zu dem Elektrodenstapel 10 gestapelt. Jedes Stapelsegment 58 weist, wie bereits erwähnt, ein Anodensegment 55, ein Kathodensegment 56 und zwei Separatorsegmente 53 auf. Dabei ist eines der Separatorsegmente 53 zwischen dem Kathodensegment 56 und dem Anodensegment 55 angeordnet, wobei vorliegend das Kathodensegment 56 zwischen den beiden Separatorsegmenten 53 angeordnet ist.
Die Anodensegmente 55 bilden zusammen die Anode 21 des Elektrodenstapels 10. Die Kathodensegmente 56 bilden zusammen die Kathode 22 des Elektrodenstapels 10. Die Separatorsegmente 53 bilden zusammen den Separator 18 des Elektrodenstapels 10. Die hier nicht dargestellten Kontaktfahnen 35 der Anode 21 sind miteinander verschweißt und elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden. Die hier nicht dargestellten Kontaktfahnen 36 der Kathode 22 sind ebenfalls miteinander verschweißt und elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015202894 A1 [0006]
JP 2015197977 A [0007]
DE 102009013345 A1 [0008]
DE 102006054308 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels (10) für eine Batteriezelle (2), umfassend folgende Schritte: - Bereitstellen eines bandförmigen ersten Separatorelements (16); - Bereitstellen mehrerer plattenförmiger Elektrodensegmente (55, 56); - Erzeugen eines bandförmigen Verbundelements (50) durch Ablegen der Elektrodensegmente (55, 56) auf das erste Separatorelement (16); - Aufbringen mindestens eines Klebefilms (131, 132, 133) auf das erste Separatorelement (16) des Verbundelements (50), wobei eine Höhe (H) des Klebefilms (131, 132, 133) größer ist als eine Stärke (S) der Elektrodensegmente (55, 56); - Aufbringen eines bandförmigen zweiten Separatorelements (17) auf das Verbundelement (50) derart, dass die Elektrodensegmente (55, 56) zumindest weitgehend zwischen den beiden Separatorelementen (16, 17) eingeschlossen sind, und dass die Höhe (H) des Klebefilms (131, 132, 133) verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das zweite Separatorelement (17) derart auf das Verbundelement (50) aufgebracht wird, dass die Höhe (H) des Klebefilms (131, 132, 133) zumindest annähernd auf die Stärke (S) der Elektrodensegmente (55, 56) verringert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zweite Separatorelement (17) mittels einer zylindrischen Walze (119) auf das Verbundelement (50) gepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Verbundelement (50) von einer Transportvorrichtung (110) in eine Transportrichtung (64) bewegt wird, während das zweite Separatorelement (17) auf das Verbundelement (50) aufgebracht wird, und wobei die Walze (119) um eine Walzenachse (117) rotiert, die in einer Querrichtung (y) verläuft, welche rechtwinklig zu der Transportrichtung (64) orientiert ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Klebefilm (131, 132, 133) derart auf das erste Separatorelement (16) aufgebracht wird, dass ein erster Abstand (D1) von einer Mitte (M) des Klebefilms (131, 132, 133) zu dem Elektrodensegment (55, 56) kleiner ist als ein zweiter Abstand (D2) von der Mitte (M) des Klebefilms (131, 132, 133) zu einer Längskante (125) des ersten Separatorelements (16).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Klebefilm (131, 132, 133) vorgehärtet wird, insbesondere durch eine UV-Strahlung (135), bevor das zweite Separatorelement (17) auf das Verbundelement (50) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Klebefilm (131, 132, 133) gehärtet wird, insbesondere durch eine UV-Strahlung (135), während das zweite Separatorelement (17) auf das Verbundelement (50) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Klebefilm (131, 132, 133) gehärtet wird, insbesondere durch eine UV-Strahlung (135), nachdem das zweite Separatorelement (17) auf das Verbundelement (50) aufgebracht wurde.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das bandförmige zweite Separatorelement (17) und das Verbundelement (50) zwischen den Elektrodensegmenten (55, 56) geschnitten werden, plattenförmige Stapelsegmente (58) durch Aufbringen weiterer plattenförmiger Elektrodensegmente (55, 56) erzeugt werden und die Stapelsegmente (58) zu dem Elektrodenstapel (10) gestapelt werden.
Batteriezelle (2), umfassend mindestens einen Elektrodenstapel (10) hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verwendung einer Batteriezelle (2) nach Anspruch 10 in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt.