-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle, vorzugsweise eine Li-lonen-Bi-Stapelzelle mit Feststoff.
-
Batteriezellen sind in der Regel die kleinste gekapselte elektrochemische Einheit elektrochemischer Energiespeicher, die auch als galvanische Zellen bezeichnet werden. Die vorliegende Erfindung ist vorzugsweise auch auf Bi-Stacks elektrochemischer Wandler oder kapazitive Elemente anwendbar.
-
Es gibt primäre, also nicht wieder aufladbare Lithiumbatterien und sekundäre, wieder aufladbare Lithiumbatterien und -zellen, respektive also der Zellsysteme. Ihre Materialkombinationen und Nominalspannungslagen sowie Energiedichten weisen ein weites Feld auf. Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf bestimmte Materialkombination beispielsweise der Kathode hinsichtlich einer Metalloxidart oder eines Olivinmaterials (polyanionisch) oder eines Manganphosphates, sondern kann eine Vielzahl von Materialkombinationen betreffen, wie auch geschichtete Phosphatmaterialien, verschiedene, auch gemischte Oxide, Spinelle und dergleichen. Sowie vorzugsweise unter Verwendung von Feststoffmaterialien oder Bi-Zellelektroden und diversen Kontaktierungen. Es geht vorzugsweise auch um Zink, Natrium, Magnesium oder Schwefel als grundsätzliches namensgebendes Element für Batteriezellsysteme.
-
Vorzugsweise können Lithiummetallschichten und Festkörper oder Feststoffe (Feststoffbatteriezelle) enthalten sein, aber auch Elemente eines Luftsystems oder einer Schwefel- oder Magnesiumbatterie und dergleichen.
-
Lithiumbatterien und Lithium-Ionen-Batterien oder Hybridsysteme, wie vorzugsweise eine Kombination aus Lithium-Metall und Li-Sekundärbatterie können in verschiedener Weise ausgebildet werden, vorzugsweise als Bi-, Stapel- oder Wickelzellen, letztere auch in kombinierter Stapel- oder Wickelanordnung. Eine einfache Ausführung wird vorzugsweise als negative Elektrode/ Separator/ Kathode ausgebildet. Es können also auch mehrere Stapel, Wickel, Elektroden/ Separator Anordnungen oder Kombinationen mit unterschiedlichen Eigenschaften in einer Batteriezelle integriert sein.
-
Über ein Aufstapeln können Zellen auch unterschiedlicher Systeme mit im Wesentlichen gleicher Form und grundsätzlich gleichen Eigenschaften bei vergleichbaren Elektroden und grundsätzlich unterschiedlicher Dicke bzw. Gewicht hergestellt werden, durch mindestens zwei- oder mehrfaches Stapeln. Hierdurch kann eine hohe Flexibilität in der Produktion erreicht werden. Eine solche Zelle kann aus einer gestapelten Anordnung des Elektroden- bzw. Separator Verbunds ausgebildet werden. Dabei können auch vorgefertigte Teile davon im Verbund angeordnet werden, wie etwa ein Feststoffverbund oder eine Schutzschicht, ein oder mehrere Wickel, oder eine funktionale Schicht wie eine Korrosionsschutzschicht. Diese werden bei der Herstellung der Zelle wahlweise oder in Kombination mit anderen Zellbestandteilen verarbeitet.
-
Vorzugsweise haben die vorgefertigten Elemente der Zelle unterschiedliche Dicken oder Abmaße. Im Sinne der Erfindung werden die am Speicher- und/ oder an kapazitiven Prozessen beteiligten funktionalen Bestandteile einer elektrochemischen Zelle hier als Stapel bezeichnet, inklusive eines oder mehrerer wahlweise vorgesehener Zusatzeinrichtungen wie sensorischer, antikorrosiver, isolierender, sicherheitsunterstützender oder die Zwischenschichten stabilisierender Elemente. Solche Elemente können beispielsweise unabhängig von der Zelle als solcher sein, wie eine Sensorik oder auch in die Zelle integriert sein, wie beispielsweise eine stabilisierende Hitzeschutzschicht.
-
Die zu einer Batteriezelle konfigurierbaren Stapel sind mitunter mit einem zusätzlichen Material umhüllt oder umwickelt, welches auch als Elektrolytreservoir dienen kann und/ oder der Sicherheit förderlich ist, beispielsweise durch isolierende Eigenschaften, als Kurzschluss- und/ oder auch als Deformationsschutz. Die Verpackung der Batteriezelle kann eine derartige Umhüllung bzw. Umwicklung darstellen. So kann beispielsweise ein Totleiter angeordnet sein, der im Falle von Kurzschlüssen den Strom ableitet und einer Erhitzung der Aktivmaterialien vorbeugt, in dem er die Wärmeenergie aufnimmt. In einer Batteriezelle können mehrere Stapel oder Wickel und Zusatzelemente und oder funktionale Schichten angeordnet sein. Vorteilhaft kann durch ein solches Stapelkonzept eine vergleichsweise verbesserte Raumausnutzung und durch Homogenität im Aufbau eine verbesserte Lebensdauer der Zelle erreicht werden. Solche Zellenanordnungen können gestapelt auch tellerförmig, halbrund, bienenwabenförmig, knopfzellförmig oder auch zylindrisch ausgeführt sein, wobei eine prismatische Ausführung die häufigste Anwendung darstellt ist.
-
Derartige Batteriezellen können in unterschiedlicher Funktion, Eigenschaft und Kombination zu Batteriebaugruppen, vorzugsweise über Module, oder Batterien verbaut werden und in ganz unterschiedlichen Marktanwendungen eingesetzt werden. Die Erfindung wird in Bezug auf Kraftfahrzeugeinsätze beschrieben, aber vorzugsweise ergeben sich Einsatzmöglichkeiten fast technisch unbegrenzter Natur, die ebenso stationären Charakters, aber eben auch Industriebatterien, das Militär, die Luft- und Raumfahrt, Geräte, Werkezeuge und sonstige Ausrüstung umfassen können.
-
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, die eine Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle betreffen. Dabei sind Schritte wie Formation, Klassifizieren/Sortieren/Grading oder Altern/Aging allgemein bekannt, werden aber für eine hohe Ausbeute nicht hinreichend detailliert. Vergleiche auch Broschüre: „PRODUKTIONSPROZESS EINER LITHIUM-IONEN-BATTERIEZELLE“, Aachen, Frankfurt am Main, im Oktober 2015 PEM und VDMA Eigendruck, 2. überarbeitete Auflage.
-
Aus der japanischen Offenlegungsschrift
JP 2008-027741 A ist ein Verfahren zum Herstellen einer Sekundärbatteriezelle mit nichtwässrigem Elektrolyt bekannt, bei welchem ein erstes Anladen unabhängig und gesondert von den späteren Formierungsschritten erfolgt. Die US-Patentanmeldungen
US 2016/ 0 118 644 A1 ,
US 2013/ 0 244 095 A1 und
US 2017/ 0 012 316 A1 beschreiben weitere Verfahren zum Herstellen von Lithium-Ionen-Zellen.
-
Die vorliegende Erfindung hat vorzugsweise eine höhere Ausbeute bei hoher Qualität der Batteriezellen in industrieller Produktion mit vorzugsweise einer Li-lonen-Bi-Stapelzelle in je nach Wahl unterschiedlichem elektrochemischen System, auch mit Feststoff, bei großformatigen Zellen zu erbringen. Dabei sollen die sogenannten neuen Zellformate im großformatigen Zellbereich im Verfahren abgebildet werden können, deren Format eine Länge von vorzugsweise 40 cm- 140 cm umfassen soll. Die Prozessschritte sollen zielführend fortgeschrieben werden, um die Aufgabe zu erfüllen.
-
Hiervon ausgehend stellt sich also die Erfindung die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Batteriezellen zur Verfügung zu stellen, welche gemäß Anspruch 1 gelöst wird. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle, vorzugsweise einer Li-lonen-Bi-Stapelzelle mit Feststoff vorgeschlagen, nach den Ansprüchen 1 ff. vorgeschlagen, wobei nach einem ersten Anladen der gefüllten Batteriezelle mit elektrischer Energie die Formierung in mindestens zwei Formierungsschritten durchgeführt wird. Vor und/ oder nach jedem der mindestens zwei Formierungsschritte wird dabei mindestens ein Entgasungsschritt mit einer von außen auf die Batteriezelle aufgebrachten energetischen Anregung und mindestens ein Alterungsschritt durchgeführt. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen.
-
Das vorgeschlagene Verfahren setzt insbesondere nach dem Prozessschritt des Befüllens der Batteriezelle mit einem Elektrolyten und dem Imprägnieren des Elektrolyten an, soweit dieser bei der Herstellung der Batteriezelle durchgeführt wird, denn der für die Batteriezelle erforderliche Gehalt an Elektrolyt kann bereits in der Anordnung mit wenigstens wechselweise angeordneten Kathoden und Anoden enthalten sein. Dies ist beispielsweise bei Ausführungsformen der Fall, bei welchen eine Art Feststoffelektrolyt zum Einsatz kommt.
-
Nach dem Befüllen wird hier zu den üblichen Schritten in der Fertigung von prismatischen Verbundfolienzellen (Einhausungsmaterial) auch Pouch-Zellen oder Li-Polymer am Markt genannt, wie Wetting - Formation (Formierung) - Grading - Klassifizieren und Sortieren vor der Auslieferung eine neuartige Prozessschrittkombination erfinderisch beschrieben, die einerseits viele sicherheitsrelevante Fragen und der der Leistungsfähigkeit der Batteriezellen effizient und mit hoher Ausbeute lösen und andererseits eine sehr hohe Qualität sicherstellen, die sich über die gesamte Lebensdauer der Batteriezelle determiniert.
-
Ein Feststoffelektrolyt bzw. Festelektrolyt ist vorzugsweise ein Material, in dem wenigstens eine so bewegliche Ionensorte vorhanden ist, dass ein elektrischer Strom fließen kann. Ein solches Material ist elektrisch leitend, hat aber im Gegensatz zu einem Metall keine oder nur eine geringe elektronische Leitfähigkeit. Beispiele für Feststoffelektrolyte bzw. Festelektrolyte sind in Plastik und/ oder Kunststoffen und deren in Derivaten oder Gemischen enthaltene Ionenquellen. Die Verpackung der Batteriezelle ist vorzugsweise wenigstens teilweise formflexibel ausgeführt, vorzugsweise als sogenannte Polymerzelle oder Pouchzelle.
-
Ist bei der Herstellung der Batteriezelle kein Befüllen dieser mit einem Elektrolyt erforderlich, so schließen sich die Verfahrensschritte des vorgeschlagenen Verfahrens mit dem ersten Anladen der Batteriezelle mit elektrischer Energie nach dem Herstellen der Elektrodenanordnung und dem Anordnen der Verpackung an der Elektrodenanordnung sowie vorzugsweise dem Imprägnieren des Elektrolyts im Beispiel von Li-lonen-Zellen an. Wenn ein Zellenkonzept wie vorzugsweise ein Bi-Zell-Konzept mit einer Länge von 60 cm mit einer Feststoffkomponente, die den notwendigen Elektrolyten enthält, bereits eingebaut ist, entfällt mithin ein Imprägnieren oder wird nur noch teilweise ausgeführt. Das erste Anladen der Batteriezelle mit elektrischer Energie erfolgt dabei bereits vor den späteren Formierungsschritten, in welchen das eigentliche Laden der Batteriezelle mit elektrischer Energie erfolgt. Das vorgeschlagene erste Anladen dient dem Beseitigen häufig vorhandener metallischer Verunreinigen von Anode und/ oder Kathode, welche bei deren Verbleib zu Qualitätseinbußen der Batteriezelle führen. Beim vorgeschlagenen ersten Anladen wird eine elektrische Energie auf die Batteriezelle aufgebracht, die bemessen ist, sich an den Anoden/ Kathoden befindende metallische Verunreinigungen noch vor dem Formieren der Batteriezelle mit dem Anoden- bzw. Kathodenwerkstoff der Zelle zu verschmelzen. Dadurch wird insbesondere die Leitfähigkeit des Anoden- bzw. Kathodenwerkstoffs und auf diese Weise die Qualität der späteren Batteriezelle verbessert.
-
Nach dem ersten Anladen wird bei vorgeschlagenen Verfahren die Formierung in mindestens zwei Formierungsschritten durchgeführt. Vor und/ oder nach jedem der mindestens zwei Formierungsschritte erfolgt mindestens ein Entgasungsschritt mit einer von außen auf die Batteriezelle aufgebrachten energetischen Anregung und mindestens einem Alterungsschritt. Bei der Formierung werden die Batteriezellen zyklenweise mit insbesondere steigender Stromstärke be- und entladen. Dabei bildet sich in Verbindung mit dem Elektrolyten eine Schutzschicht auf der Anode aus, die als Solid Electrolyte Interface (SEI) bezeichnet wird. Hier ist hervorzuheben, dass es in Kombination der erfinderischen Schritte und gemäß den Ansprüchen gelingt, besonders stabile solcher Schichten als SEI auszubilden, die auch noch vergleichsweise dünner ausfallen. Also auf der Anoden- wie Kathodenseite.
-
Eine geeignete Formierung stellt einen für die Lebensdauer der Zelle maßgeblichen Faktor dar. Üblicherweise werden dabei in einer Ladestation mehrere Zellen gleichzeitig formiert.
-
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren weist jeder der mindestens zwei Formierungsschritte mindestens einen vor- und/ oder nachgelagerten Entgasungsschritt auf, welcher wenigstens eine von außen auf die Batteriezelle aufgebrachte energetische Anregung beinhaltet. Eine derartige energetische Anregung kann verschiedene Ausprägungen aufweisen. Beispielsweise kann eine mechanische Einwirkung wie das Aufbringen eines Impulses auf die Batteriezelle oder beispielsweise ein Erwärmen der Batteriezelle eine geeignete energetische Anregung sein, die ein sich bei der Formierung bildendes Gas anregt, aus der Batteriezelle zu entweichen, so dass es hiervon abgeführt werden kann. Eine derartige energetische Anregung und die durch diese erreichte verbesserte Entgasung der Batteriezelle wirkt sich unmittelbar und vorteilhaft auf die Qualität der hergestellten Batteriezellen und den Wirkungsgrad des Herstellungsverfahrens aus und geht mit einer vorteilhaften, weil effizienteren Formierung einher. Nicht zuletzt stellt eine hierdurch erreichte verbesserte Entgasung auch einen wesentlichen Einflussfaktor für die Sicherheit der Batteriezellen dar, denn hierdurch werden im Beispiel der Li-lonen-Zellen vorzugsweise Li-Abscheidungen und Fehlstellen in der Interkalation vermindert bzw. sogar vermieden. Unter Interkalation wird dabei die reversible Einlagerung von Ionen, Atomen und/ oder Molekülen in chemischen Verbindungen verstanden, deren Molekülstruktur sich durch die Einlagerung nicht wesentlich ändert.
-
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird vor und/ oder nach jedem der mindestens zwei Formierungsschritte mindestens ein Alterungsschritt durchgeführt. Beim Altern werden zellinterne Kurzschlüsse identifiziert. Gleichzeitig können Veränderungen der Eigenschaften bzw. der Leistungsdaten der Batteriezelle überwacht werden. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann das Altern beispielsweise bei Temperaturen im Bereich der Raumtemperatur durchgeführt werden, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 20°C und 25°C.
-
Bei einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens wird vor einem ersten Formierungsschritt eine energetische Anregung auf die Batteriezelle aufgebracht, um die Verteilung des in der Batteriezelle enthaltenen Elektrolyts zu verbessern. Dieser Schritt dient insbesondere dazu, die für die Funktion der Batteriezelle erforderliche insbesondere vollständige Benetzung von Anode und Kathode durch den Elektrolyt zu verbessern. Eine hier vorgesehene energetische Anregung kann der energetischen Anregung entsprechen, wie sie vorausgehend zur Anregung des sich bei der Formierung bildendes Gases, aus der Batteriezelle zu entweichen, beschrieben worden ist. So kann beispielsweise ein die Verteilung des Elektrolyts anregendes geeignetes mechanisches Einwirken oder ein Erwärmen der Batteriezelle erfolgen. Eine derartige energetische Anregung wirkt sich vorteilhaft auf die Benetzung von Anode und Kathode durch den Elektrolyt und damit unmittelbar auf die Qualität der hergestellten Batteriezellen aus. Nach der Verbesserung der Benetzung der Elemente der Batteriezelle mit dem Elektrolyt kann ein Schritt zum Laden der Batteriezelle folgen.
-
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das erste Anladen mit 0,007 C vorzugsweise über 35 Minuten vorzugsweise innerhalb von 1 bis 4 Stunden nach Erreichen des Prozessstandes Batteriezelle. Ein derart eingestelltes Anladen ist besonders geeignet, um unerwünschte metallische Verunreinigungen zu beseitigen, was vorteilhaft zur Sicherheit und Qualität beiträgt.
-
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird der erste Formierungsschritt in wenigstens drei Stufen durchgeführt, die sich insbesondere in der Dauer und in der Strombeaufschlagung der Batteriezellen unterscheiden. Bei einer Ausführung des Verfahrens führt dieser erste Formierungsschritt zu einem Ladezustand von bis zu 30% bei 25°C. Durch den vorgeschlagenen ersten Formierungsschritt kann eine vorteilhaft dünne und stabile, vergleichsweise homogene Schutzschicht auf der Anode (SEI = Solid Electrolyte Interface) erzeugt werden, der sich positiv auf wesentliche Eigenschaften der Batteriezelle auswirkt, wie auf die Langlebigkeit, Sicherheit und deren Leistung. [7] Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird dieser erste Formierungsschritt durch Aufbringen einer energetischen Anregung während zumindest eines Zeitabschnitts des ersten Formierungsschritts auf die Batteriezelle unterstützt, um die Ausbildung einer vorteilhaften Schutzschicht auf der Anode weiter zu verbessern.
-
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens geht dem zweiten Formierungsschritt wenigstens ein Entgasungsschritt mit einer von außen auf die Batteriezelle aufgebrachten energetischen Anregung voraus, um das sich im und folgend auf den ersten Formierungsschritt in der Batteriezelle gebildete Gas aus der Batteriezelle zu entfernen und diese so in einen zur Durchführung des zweiten Formierungsschritts geeigneten Zustand zu bringen.
-
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird der zweite Formierungsschritt in mehreren, insbesondere zwei oder drei Schritten durchgeführt, die sich insbesondere in der Dauer und in der Stärke der Strombeaufschlagung sowie mit Pausen der Batteriezellen unterscheiden. Vorzugsweise mit CC (constant current) 0,007 - 3,75 V mit 10 Minuten, CC 0,15 C auf 3,95 V, 0,5C-0,8 C bei Mischoxidsystem Batteriezellen. Aus Sicherheitsgründen sollte in einer Ausführungsform vorzugsweise nach/bei 3,87 V ein Ruhespannungswert auf sein Verhalten geprüft werden, etwa vorzugsweise über 10 Minuten.
-
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird während des zweiten Formierungsschritts insbesondere der Spannungs- (dV/dt [mV/min]) und/ oder der Ladungsanstieg (dQ/dt [dAs/min]) in der Batteriezelle überwacht. Weichen diese Werte von den hierfür vorgesehenen Bereichen ab, so kann hieraus eine Beschädigung oder ein sonstiger Mangel der Batteriezelle erkannt werden. Damit ist es möglich, fehlerhafte Batteriezellen bereits während des zweiten Formierungsschrittes zu erkennen und auszusondern.
-
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt nach dem zweiten Formierungsschritt ein insbesondere zweistufiges Altern. Dabei unterscheiden sich die wenigstens zwei Alterungsschritte insbesondere in der Dauer und in der Alterungstemperatur. Auf diese Weise kann der zweite Alterungsschritt auf die während der ersten Alterung nach dem zweiten Formierungsschritt erfolgten Reifung der Batteriezellen aufbauen. Mindestens einer dieser Alterungsschritte kann dabei eine zumindest zeitweise Kühlung der Batteriezellen vorsehen, um den Alterungsvorgang in vorteilhafter Weise zu beeinflussen.
-
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird insbesondere unmittelbar vor einem Bewerten der Qualität der Batteriezellen zumindest ein weiterer Alterungsschritt durchgeführt. Auf diese Weise können im Verfahrensablauf zwei die Formierung abschließende Alterungsschritte vorgesehen sein, welche die Qualität der Batteriezellen mit beeinflussen.
-
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Abschluss der Formierung und wenigstens einem nachfolgenden Alterungsschritt die Qualität der Batteriezellen bewertet und die Batteriezellen entsprechend ihrer Bewertung verschiedenen Qualitätsklassen zugeordnet, welche für die weitere Verarbeitung und den Vertrieb bzw. späteren Einsatz der Batteriezellen wesentlich sind. Beim Bewerten der Qualität werden insbesondere verschiedene Leistungsparameter der Batteriezellen bestimmt, wie beispielsweise die Kapazität, der Innenwiderstand oder die Selbstentladung. Das Bewerten der Qualität von Batteriezellen im Herstellprozess wird auch als Grading bezeichnet.
-
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird beim Bewerten der Qualität der Batteriezellen wenigstens ein Lade- und wenigstens ein Entladeschritt durchgeführt, insbesondere wenigstens zwei Lade- und wenigstens zwei Entladeschritte, wobei sich die wenigstens zwei Lade- und die wenigstens zwei Entladeschritte in der Dauer und der Stromstärke beim Laden und Entladen unterscheiden. Dabei werden zwischen den Lade- und Entladeschritten Pausen mit einer vorbestimmten Dauer eingehalten, welche gleiche oder unterschiedliche Länge aufweisen. Die vorbestimmte Dauer einer derartigen Pause kann abhängig von den hergestellten Batteriezellen zwischen einer und 20 Minuten betragen, insbesondere zwischen drei und zehn Minuten, insbesondere auch fünf Minuten.
-
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Bewerten der Qualität der Batteriezelle und nach einem Zuordnen der Batteriezellen zu einer Qualitätsklasse ein weiterer, insbesondere gegenüber vorausgehenden Alterungsschritten längerer Alterungsschritt durchgeführt. Ein solcher Alterungsschritt kann auch mehrere Tage dauern. Dabei werden die Batteriezellen im geladenen Zustand bei erhöhter Temperatur gelagert, vorzugsweise in einer Temperatur über der Raumtemperatur, gemäß einer erfinderischen Ausführung in einem Temperaturfenster von 30° - 60°C, welches systemabhängig zu definieren ist. Dabei findet eine letzte Feinverteilung des Elektrolyten sowie die Umsetzung von Resten von Nebenprodukten und Verunreinigungen statt, wodurch sich die Batteriezelle stabilisiert.
-
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird im Verfahrensablauf mindestens einmal der Innenwiderstand und die Ruhespannung (OCV) der Batteriezelle erfasst und geprüft. Hieraus kann beispielsweise die Selbstentladungsrate einer Batteriezelle hergeleitet werden. Ferner zeigen diese Parameter den Fortschritt der Formierung einer Batteriezelle an. Zusätzlich kann anhand der erfassten Parameter auch auf mögliche Defekte einer Batteriezelle geschlossen werden.
-
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird beim Aufbringen der energetischen Anregung auf die Batteriezelle Energie in Form von kinetischer, thermischer oder elektrischer Energie oder in Form einer Kombination dieser Energiearten auf die Batteriezelle aufgebracht. Die Ausprägung der wenigstens einen Energieart, die zur energetischen Anregung der Energiezelle verwendet wird, hängt vom Einsatzfall und der Batteriezelle ab und kann entsprechend variabel gestaltet werden. Wie vorausgehend bereits angegeben, erfolgt eine energetische Anregung beispielsweise zur Unterstützung der Verteilung insbesondere des Elektrolyts in der Batteriezelle oder zur Unterstützung der Ableitung eines Gases aus der Batteriezelle, insbesondere zum Ableiten eines sich bei der Formierung der Batteriezelle bildenden Formierungsgases.
-
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Verpackung der Batteriezelle wenigstens teilweise formflexibel ausgeführt. Eine zumindest teilweise formflexible Verpackung erleichtert das Aufbringen insbesondere einer kinetischen Energie über die Verpackung auf die Batteriezelle, für das energetische Anregen, da über eine formflexible Verpackung eine kinetische Energie unmittelbar auf die in der Verpackung angeordnete Batteriezelle übertragbar ist. So kann beispielsweise eine wandernde Bewegung, wie ein Rollen Abrakeln, Kalandrieren, Chill-Rollen, Plätten, Mangeln beispielsweise auch in Kombination mit einer Übertragung von thermischer Energie oder Gasdruck bzw. Unterdruck wie bei einem Bestrahlen der Zelle oder einem Bügeln über die Verpackung auf die darin angeordneten Elemente der Batteriezelle übertragen werden.
-
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird beim Aufbringen einer energetischen Anregung wenigstens eine kinetische Energie in Form einer auf wenigstens einen Teil der Batteriezelle aufgebrachte Druckbelastung, die insbesondere bezüglich der Belastungsstärke, Belastungsdauer, Frequenz und des Belastungsorts veränderbar ist, auf die Batteriezelle aufgebracht. Entsprechend kann eine für die vorliegende Art der Batteriezelle geeignete energetische Anregung auf die Batteriezelle aufgebracht werden um beispielsweise die Verteilung von Elementen in der Batteriezelle zu unterstützen oder ein Gas daraus zu entfernen. Das unterstützt auch die Homogenität und die Zellausbeute.
-
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird beim Aufbringen einer energetischen Anregung wenigstens eine kinetische Energie in Form einer Vibrationsschwingung auf die Batteriezelle aufgebracht und bei einer anderen Ausführungsform oder in Kombination hiermit wird eine energetische Anregung in Form wenigstens einer thermischen und/ oder elektrischen Energie in Form von Wärme oder einer magnetischen Feldstärke auf die Batteriezelle aufgebracht. Die Auswahl einer geeigneten energetischen Anregung erfolgt dabei abhängig vom Typ und der Größe der Batteriezelle sowie vom Zweck, der mit der energetischen Anregung erreicht werden soll.
-
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Figur. Es zeigt
- 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Batteriezelle.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Batteriezelle 10, bei dem eine Anordnung 8 aus wechselweise angeordneten Kathoden und Anoden mit einem Elektrolyt in einer Verpackung 9 angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist beispielhaft für eine Elektromobilitätszelle beschrieben.
-
Nach dem Bereitstellen der Batteriezelle 10 und damit beispielsweise unmittelbar nach dem Befüllen und Imprägnieren des Elektrolyten erfolgt zunächst ein Anladen 21 der Batteriezelle 10 mit elektrischer Energie. Im Ausführungsbeispiel ist eine Ladedauer von 0,6 bis 1,8 Minuten mit 0,007 C innerhalb von einer bis vier Stunden vorgesehen. Dabei werden bestimmte metallische Verunreinigungen in der Batteriezelle beseitigt.
-
Bei der Durchführung des Verfahrens erfolgt insbesondere mehrfach ein Schritt 22, in welchem der Innenwiderstand und die Ruhespannung (OCV) der Batteriezelle erfasst und auf eine Abweichung gegenüber dem in diesem Verfahrensstand vorgesehen Innenwiderstand und Ruhespannung hin geprüft werden.
-
Nach dem Anladen 21 der Batteriezelle 10 erfolgt die Formierung der Batteriezelle 10 in zwei Formierungsschritten 23, 24. Vor und nach dem ersten Formierungsschritt 23 wird je ein Alterungsschritt 27 in Verbindung mit einer energetischen Anregung 26 der Batteriezelle 10 durchgeführt. Der Alterungsschritt 27 wird bei einer Temperatur im Bereich der Raumtemperatur durchgeführt, im Ausführungsbeispiel bei 25°C. Die energetische Anregung 26 wirkt sich unmittelbar und vorteilhaft auf die Qualität der Batteriezellen 10 aus und ermöglicht eine hohe Effizienz der Formierung, da dadurch beispielsweise Fehlstellen bei der Einlagerung von Ionen, Atomen oder Molekülen in die Elemente der Batteriezelle 10 verringert bzw. vermieden werden.
-
Dieser erste Formierungsschritt 23 wird im Ausführungsbeispiel in drei, zeitlich und in der Strombeaufschlagung unterschiedlichen Schritten durchgeführt, die zu einem Ladezustand von maximal 30% bei 25°C führen. Bei einer beispielhaften Li-lonen-Zelle (NCM 811, NCM 622, NCM 111, LMO, Andere) erfolgt eine Ladung auf 3,6V bis zu einem Ladestand (SOC) 20 bis 25%. Dabei bildet sich in Verbindung mit dem Elektrolyt eine Schutzschicht (SEI) auf der Anode aus, wesentliche Eigenschaften der Zelle unterstützt, wie Langlebigkeit, Sicherheit, Leistung. Im Ausführungsbeispiel wird dies durch einen Druck auf die Zelle unterstützt. Bei der beispielhaften Ausführungsform erfolgen die drei Teilschritte des Formierungsschritts 23 bis zu einer Ladung der Batteriezelle 10 mit CC 0,007C, CC 0,05C und CC 0,13C.
-
Nach dem ersten Formierungsschritt 23 folgt ein zweiter Formierungsschritt 24, dem ein Entgasungsschritt 25 mit einer energetischen Anregung 26 voraus geht. Im Ausführungsbeispiel wird dieser zweite Formierungsschritt 24 in zumindest zwei, oder drei Schritten ausgeführt. Dabei werden Faktoren wie der Spannungsverlauf (dV/dt) und/ oder der Ladungsanstieg (dQ/dt) monitort. Weichen überwachte Parameter von vorbestimmten Wertebereichen ab, so werden diese Batteriezellen 10 aussortiert. Auf diese Weise werden die Sicherheit und die Qualität der hergestellten Batteriezellen 10 erhöht. Beispielsweise wird bei einem Schritt 22 bei 3,87V (NMC) einer Lithium-Ionen-Zelle ein OCV drop Test über eine Zeit von 5 bis 20, insbesondere 10 Minuten durchgeführt. Je nach Zellsystem beispielsweise einer Lithium-Ionen-Zelle werden bei diesem Schritt 22 Informationen zum Anpassen des Formierungsregimes erhalten, was insbesondere die Ladeschlussspannungen betrifft.
-
Nach dem zweiten Formierungsschritt 24 folgt im beispielhaften Ausführungsbeispiel ein zweigestuftes Altern 27, welches sich in der Zeitdauer und den Temperaturen unterscheidet. Vorzugsweise kann auch ein Altern 27 mit einer Kühlung der Batteriezellen 10 erfolgen, beispielsweise bei Verwendung von Elektroden oder Komponenten von diversen Lithium-Ionen-Zellen mit speziellen Bindern oder Feststoffmaterialien.
-
Nach dem zweiten Formierungsschritt 24 und den beiden Alterungsschritten 27 folgt im beispielhaften Ausführungsbeispiel ein Qualitätsbewertungsschritt 28, der auch Grading genannt wird. Bei der Qualitätsbewertung werden üblicherweise mehrere Lade- und Entladeschritte durchgeführt, beispielsweise zwei Ladeschritte und zwei Entladeschritte, wobei sich jeder Schritt beispielsweise in der Belastungsrate beim Laden CC und beim Entladen DC unterscheiden kann. Zwischen den Schritten werden mehrere Pausenzeiten eingehalten, welche zwischen 3 und 10 Minuten betragen. Entsprechend den Ergebnissen des Qualitätsbewertungsschritts 28 werden die einzelnen Batteriezellen 10 verschiedenen Qualitätsklassen zugeordnet. Diesem Zuordnungsschritt 29, der auch Sorting genannt wird, gehen also zwei Alterungsschritte 27 voraus. Nach dem Zuordnungsschritt 29 folgt ein vorzugsweise ein mehrere Tage dauernder weiterer Alterungsschritt 27. Dieser weitere Alterungsschritt 27 dauert beispielsweise 10 Tage und erfolgt bei einer Temperatur von 25°C, wobei dies jeweils nach dem jeweiligen System und auch der verwendeten Materialien und oder Komponenten differieren kann.
