DE102021202303A1 - Process for manufacturing a power cell and power cell - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Energiezelle (2) angegeben, wobei die Energiezelle (2) nach einer Befüllung mit einem Elektrolyt (6) einer Alterung unterzogen wird und danach entgast wird, wobei die Alterung eine Temperaturbehandlung (T) umfasst. Weiter wird eine entsprechende Energiezelle (2) angegeben.A method for producing an energy cell (2) is specified, the energy cell (2) being subjected to aging after being filled with an electrolyte (6) and then being degassed, the aging comprising a temperature treatment (T). A corresponding energy cell (2) is also specified.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Energiezelle sowie eine entsprechende Energiezelle.The invention relates to a method for producing an energy cell and a corresponding energy cell.

Energiezellen werden auch als Batteriezellen oder Akkumulatorzellen bezeichnet und finden Verwendung als mobile Energiequelle. Eine Energiezelle kann grundsätzlich einzeln verwendet werden. Typischerweise sind jedoch mehrere oftmals gleichartige Energiezellen zu einem Batteriemodul zusammengesetzt. Durch entsprechende Verschaltung der Energiezellen miteinander sind dann Spannung und Strom des Batteriemoduls einstellbar. Energiezellen und auch Batteriemodule dienen beispielsweise als Sekundärzelle in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug zur Versorgung eines elektrischen Antriebsstrangs des Fahrzeugs mit Energie. Ein Beispiel für eine Energiezelle ist eine Lithium-Ionen-Zelle.Energy cells are also referred to as battery cells or accumulator cells and are used as a mobile energy source. In principle, an energy cell can be used individually. Typically, however, several energy cells, often of the same type, are combined to form a battery module. The voltage and current of the battery module can then be adjusted by appropriately connecting the energy cells to one another. Energy cells and also battery modules are used, for example, as secondary cells in an electric or hybrid vehicle to supply an electric drive train of the vehicle with energy. An example of a power cell is a lithium ion cell.

Problematisch ist bei einer Energiezelle, speziell bei einer Lithium-Ionen-Zelle, dass in dieser mit der Zeit über chemische Nebenreaktionen Gas erzeugt wird, welches nicht ohne weiteres entweichen kann, beispielsweise aufgrund der Bauform der Energiezelle. So sind z.B. Pouch-Zellen regelmäßig versiegelt, sodass ein Gasaustausch mit der Umgebung nicht möglich ist. Eine Energiezelle, in welcher sich mit der Zeit Gas ansammelt, kann plötzlich und unvorhersehbar versagen und z.B. reißen, um Gas abzulassen, und mitunter sogar explodieren oder abbrennen. Entsprechend stellen die chemischen Reaktion und speziell die Gasentwicklung ein Sicherheitsrisiko dar. Vor allem kann eine Energiezelle auch bereits versagen, obwohl der sogenannte SOH („state of health“, d.h. Lebenszustand) der Energiezelle noch oberhalb eines Garantiewerts (EOW = „end of warranty“) liegt, ab welchem die Energiezelle aussortiert würde, also wenn die Energiezelle an sich noch für funktionsfähig gehalten wird, z.B. aufgrund deren elektrischer Parameter.The problem with an energy cell, especially a lithium-ion cell, is that gas is generated over time via secondary chemical reactions, which gas cannot easily escape, for example due to the design of the energy cell. For example, pouch cells are regularly sealed so that gas exchange with the environment is not possible. A power cell that has accumulated gas over time can suddenly and unpredictably fail, e.g. rupturing to vent gas, and sometimes even exploding or burning up. Accordingly, the chemical reaction and especially the gas development represent a safety risk. Above all, an energy cell can already fail even though the so-called SOH (“state of health”) of the energy cell is still above a guaranteed value (EOW = “end of warranty”). ) is from which the energy cell would be sorted out, i.e. if the energy cell itself is still considered functional, e.g. due to its electrical parameters.

Das genannte Problem der Entwicklung von Gas verstärkt sich durch die Forderung immer höherer Leistungsdichten von Energiezellen. Eine höhere Leistungsdichte erfordert eine entsprechend veränderte Materialkomposition, durch welche die chemischen Reaktionen, welche zur Gasentwicklung führen, begünstigt werden, wodurch die Gasentwicklung entsprechend verstärkt wird.The aforementioned problem of the development of gas is intensified by the demand for ever higher power densities from energy cells. A higher power density requires a correspondingly changed material composition, which favors the chemical reactions that lead to gas evolution, whereby gas evolution is correspondingly increased.

In US 2015/0118524 A1 , US 2010/0024204 A1 und JP 2002/216851 A1 sind jeweils Verfahren beschrieben, bei welchem Gas aus einer Energiezelle entfernt wird.In US 2015/0118524 A1 , US 2010/0024204 A1 and JP 2002/216851 A1 each describe processes in which gas is removed from a power cell.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, die negative Auswirkung einer chemischen Nebenreaktion, speziell einer Gasentwicklung, in einer Energiezelle beim bestimmungsgemäßen Gebrauch zu vermeiden. Hierzu sollen ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Energiezelle sowie eine verbesserte Energiezelle angegeben werden.Against this background, it is an object of the invention to avoid the negative effect of a chemical side reaction, specifically gas evolution, in an energy cell when used as intended. To this end, an improved method for producing an energy cell and an improved energy cell are to be specified.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Energiezelle mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren gelten sinngemäß auch für die Energiezelle und umgekehrt.The object is achieved according to the invention by a method having the features according to claim 1 and by an energy cell having the features according to claim 10. Advantageous refinements, developments and variants are the subject matter of the dependent claims. The explanations in connection with the method also apply to the energy cell and vice versa.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung einer Energiezelle und ist somit ein Herstellungsverfahren. Die Energiezelle ist insbesondere eine Sekundärzelle. Bei dem Verfahren wird die Energiezelle nach einer Befüllung mit einem Elektrolyt einer Alterung unterzogen und danach entgast, d.h. es wird eine Entgasung durchgeführt. Die Alterung erfolgt dabei als Teil der Herstellung der Energiezelle, d.h. noch vor deren Fertigstellung und anschließender Auslieferung für den bestimmungsgemäßen Gebrauch. Die Alterung umfasst eine Temperaturbehandlung, welche dann konsequenterweise ebenfalls ein Teil des Herstellungsverfahrens ist und noch vor der Fertigstellung der Energiezelle erfolgt. Unter einer „Temperaturbehandlung“ wird insbesondere verstanden, dass die Energiezelle über einen bestimmten Zeitraum bei einer bestimmten Temperatur gelagert wird. Auf diese Weise wird eine Alterung der Energiezelle erzielt, bei welcher regelmäßig Gas entsteht, welches dann beim nachfolgenden Entgasen der Energiezelle abgelassen wird. Der Zeitraum und die Temperatur sind zweckmäßigerweise derart gewählt, dass möglichst viel Gas bereits während der Herstellung der Energiezelle erzeugt wird und dann beim Entgasen abgeführt wird, sodass entsprechend nach der Fertigstellung die Gasentwicklung beim bestimmungsgemäßen Gebrauch reduziert ist. Insbesondere wird die Temperaturbehandlung bei einer Temperatur durchgeführt, welche größer ist als die Raumtemperatur, d.h. größer als 25°.The method according to the invention is used to manufacture an energy cell and is therefore a manufacturing method. The energy cell is in particular a secondary cell. In the process, the energy cell is subjected to aging after being filled with an electrolyte and then degassed, i.e. degassing is carried out. The aging takes place as part of the production of the energy cell, i.e. before its completion and subsequent delivery for the intended use. The aging includes a temperature treatment, which is consequently also part of the manufacturing process and takes place before the energy cell is completed. A “temperature treatment” means in particular that the energy cell is stored at a specific temperature for a specific period of time. In this way, an aging of the energy cell is achieved, during which gas is regularly produced, which is then released during the subsequent degassing of the energy cell. The period of time and the temperature are expediently chosen such that as much gas as possible is already generated during the production of the energy cell and is then discharged during degassing, so that the gas development during intended use is correspondingly reduced after completion. In particular, the temperature treatment is carried out at a temperature which is higher than room temperature, i.e. higher than 25°C.

Die Erfindung basiert zunächst insbesondere auf der Beobachtung, dass speziell für Elektro- und Hybridfahrzeuge eine immer größere Reichweite gefordert wird, speziell eine Reichweite von wenigstens 500 km. Daraus ergibt sich ein Bedarf an Energiezellen mit besonders hoher Energiedichte. Die Energiedichte einer Energiezelle hängt maßgeblich von den chemisch aktiven Materialien ab, welche zur Herstellung der Energiezelle verwendet werden. Vorliegend ist die Energiezelle vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Zelle und nachfolgend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit von einer solchen Lithium-Ionen-Zelle ausgegangen. Die Ausführungen gelten jedoch analog auch für andere Energiezellen.The invention is initially based in particular on the observation that, especially for electric and hybrid vehicles, an ever greater range is required, specifically a range of at least 500 km. This results in a need for energy cells with a particularly high energy density. The energy density of an energy cell largely depends on the chemically active materials used to manufacture the energy cell. In the present case, the energy cell is preferably a lithium-ion cell, and such a lithium-ion cell is assumed below without loss of generality. The execution However, the same applies to other energy cells.

Um bei der Energiezelle speziell kathodenseitig eine möglichst hohe Energiedichte zu erzielen, wird vorzugsweise als Teil der Kathode ein nickelhaltiges Mischoxid verwendet. In einer geeigneten Ausgestaltung weist die Energiezelle entsprechend eine Kathode auf, welche aus einem nickelhaltigen Mischoxid hergestellt ist. Die Kathode weist insbesondere eine Unterlage, z.B. aus einem Metall, auf, auf welcher das Mischoxid aufgetragen ist. Das Mischoxid wird auch als „aktives Material“ bezeichnet. Analog weist die Energiezelle eine Anode auf, mit einer Unterlage, z.B. aus einem anderen Metall, auf welche analog ein anderes aktives Material aufgetragen ist. Das Mischoxid ist insbesondere NCM (auch als NMC bezeichnet) oder NCA, d.h. Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid beziehungsweise Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid. Besonders bevorzugt ist ein nickelhaltiges Mischoxid, welches einen Nickelanteil von wenigstens 60 % aufweist, vorzugsweise wenigstens 80 %. Ein solches Mischoxid wird auch als „Hi Ni-material“ bezeichnet. Die genannten Werte für den Nickelanteil beziehen sich dabei auf den Anteil von Nickel relativ zu anderen Metallen im Mischoxid, wobei das Lithium nicht berücksichtigt wird. Beispielsweise beträgt beim Mischoxid LiNixCoyAlzO2 der Nickelanteil x % und es gilt x + y + z = 100 %. Ein hoher Nickelanteil ermöglicht hohe Lade-/Entladekapazitäten, sodass im Vergleich zu einem Material mit geringerem Nickelanteil aber bei gleicher Massenbeladung (gemessen in mg/cm2) eine entsprechend höhere Energiedichte erzielt wird. Umgekehrt ist auch bei gleichbleibendem Bauraum mit höherem Nickelanteil eine größere Energiedichte realisiert.In order to achieve the highest possible energy density, especially on the cathode side, in the energy cell, a nickel-containing mixed oxide is preferably used as part of the cathode. In a suitable embodiment, the energy cell correspondingly has a cathode which is made from a nickel-containing mixed oxide. In particular, the cathode has a base, for example made of a metal, on which the mixed oxide is applied. The mixed oxide is also referred to as "active material". Analogously, the energy cell has an anode with a base, for example made of a different metal, on which another active material is analogously applied. The mixed oxide is in particular NCM (also referred to as NMC) or NCA, ie lithium nickel manganese cobalt oxide or lithium nickel cobalt aluminum oxide. A nickel-containing mixed oxide which has a nickel content of at least 60%, preferably at least 80%, is particularly preferred. Such a mixed oxide is also referred to as "Hi Ni material". The values given for the nickel content relate to the proportion of nickel relative to other metals in the mixed oxide, with lithium not being taken into account. For example, in the case of the mixed oxide LiNi x Co y Al z O 2 , the proportion of nickel is x% and x+y+z=100%. A high proportion of nickel enables high charging/discharging capacities, so that a correspondingly higher energy density is achieved compared to a material with a lower proportion of nickel but with the same mass loading (measured in mg/cm 2 ). Conversely, a greater energy density is also achieved with the same installation space with a higher proportion of nickel.

Weiter liegt der Erfindung die Beobachtung zugrunde, dass beim bestimmungsgemäßen Gebrauch einer Energiezelle bei hoher Temperatur, d.h. oberhalb von 25°C, in der Energiezelle eine Gasentwicklung erfolgt, welche zu Leistungseinbußen und einer Degradation der Energiezelle führt. Beispielsweise nimmt die Gesamtkapazität der Energiezelle ab oder deren elektrischer Widerstand erhöht sich. Dies ist insbesondere auf eine Reaktion zwischen Elektrode (Anode oder Kathode) und Elektrolyt zurückzuführen. Speziell Mischoxide mit hohem Nickelanteil als Material für die Kathode führen zu einer stärkeren Gasentwicklung als Materialien mit im Vergleich dazu geringerem Nickelanteil. Der Nickelanteil führt insbesondere zu Lithium-Verunreinigungen auf der Kathode (speziell auf deren Oberfläche), welche sich nur schwer vermeiden lassen. Mit steigendem Nickelanteil wächst entsprechend die Anzahl der Lithium-Verunreinigungen. Von Bedeutung sind insbesondere die folgenden beiden Lithium-Verunreinigungen: 1) LiOH (Lithiumhydroxid), und 2) Li2CO3 (Lithiumkarbonat). Beide Lithium-Verunreinigungen führen regelmäßig zu chemischen Reaktionen, welche eine Gasentwicklung zur Folge haben, insbesondere eine Entwicklung von CO2.The invention is also based on the observation that when an energy cell is used as intended at high temperature, ie above 25° C., gas is generated in the energy cell, which leads to performance losses and degradation of the energy cell. For example, the total capacity of the energy cell decreases or its electrical resistance increases. In particular, this is due to a reaction between the electrode (anode or cathode) and the electrolyte. In particular, mixed oxides with a high nickel content as the material for the cathode lead to greater gas development than materials with a comparatively lower nickel content. The nickel content in particular leads to lithium contamination on the cathode (especially on its surface), which is difficult to avoid. The number of lithium impurities increases with increasing nickel content. Of particular importance are the following two lithium impurities: 1) LiOH (lithium hydroxide), and 2) Li 2 CO 3 (lithium carbonate). Both lithium impurities regularly lead to chemical reactions which result in the evolution of gas, in particular the evolution of CO 2 .

Besonders Li2CO3 hat einen starken Einfluss auf die Gasentwicklung. So bildet Lithiumkarbonat zusammen mit Protonen im Ergebnis Kohlendioxid, Wasser und Lithiumionen gemäß nachfolgender Reaktionsgleichung: Li2CO3 + 2H+ →CO2 + H2O + 2Li+ Li 2 CO 3 in particular has a strong influence on gas evolution. As a result, lithium carbonate together with protons forms carbon dioxide, water and lithium ions according to the following reaction equation: Li2CO3 + 2H + →CO2 + H2O + 2Li +

Deutlich erkennbar ist die Entwicklung des Gases CO2, welches insbesondere auch eine Diffusion von Lithiumionen in der Energiezelle erschwert. Die in der Reaktion verwendeten Protonen werden dann insbesondere regeneriert durch eine Reaktion von Wasser mit Lithiumionen und LiPF6 (Lithiumhexafluorophosphat), welches zweckmäßigerweise als Bestandteil des Elektrolyts in der Energiezelle verwendet wird. Die Regeneration der Protonen folgt dabei der nachfolgenden Reaktionsgleichung: H2O + Li+PF6 - + 2Li+ → 2H+ + LiPOF4 + 2LiF The development of the gas CO 2 , which in particular also makes it difficult for lithium ions to diffuse in the energy cell, can be clearly seen. The protons used in the reaction are then regenerated in particular by a reaction of water with lithium ions and LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate), which is conveniently used as a component of the electrolyte in the power cell. The regeneration of the protons follows the following reaction equation: H 2 O + Li + PF 6 - + 2Li+ → 2H + + LiPOF 4 + 2LiF

Demnach entsteht sozusagen als Nebenprodukt der Gasentwicklung noch LiF (Lithiumfluorid), welches sich besonders an der Oberfläche der Elektrode ansammelt und nachteilig den elektrischen Widerstand der Energiezelle erhöht. Die Ansammlung von CO2 und LiF ist besonders problematisch bei solchen Energiezellen, welche versiegelt sind, sodass kein Druckausgleich oder Materialaustausch mit der Umgebung möglich ist, beispielsweise bei sogenannten Pouch-Zellen.Accordingly, LiF (lithium fluoride) is produced as a by-product of the gas development, so to speak, which accumulates particularly on the surface of the electrode and disadvantageously increases the electrical resistance of the energy cell. The accumulation of CO 2 and LiF is particularly problematic in energy cells that are sealed so that no pressure equalization or material exchange with the environment is possible, for example in so-called pouch cells.

Eine weitere Erkenntnis, welche der hier beschriebenen Erfindung zugrunde liegt, ist, dass die Entwicklung von Gas besonders zu Beginn der Lebensdauer der Energiezelle auftritt und mit fortschreitendem Alter schwächer wird, speziell bei Energiezellen mit Nickelanteil. Dies ist beispielsweise gezeigt in 13 von Broussely et al., „Main aging mechanisms in Li ion batteries“, Journal of Power sources 146 (2005) 90-96.A further finding on which the invention described here is based is that the evolution of gas occurs particularly early in the life of the energy cell and decreases with advancing age, especially in energy cells with a nickel content. This is shown, for example, in 13 by Broussely et al., "Main aging mechanisms in Li ion batteries", Journal of Power sources 146 (2005) 90-96.

Ein wesentlicher Vorteil des hier beschriebenen Verfahrens ist nun, dass die Gasentwicklung sozusagen in die Herstellung integriert wird, um dann noch während der Herstellung möglichst viel Gas aus der Energiezelle herauszuziehen und eine spätere Gasentwicklung nach Fertigstellung entsprechend zu reduzieren. Hierzu wird insbesondere der maßgebliche Mechanismus für die Gasentwicklung, nämlich die Alterung bei hoher Temperatur, in die Herstellung integriert. Dadurch wird sozusagen die ansonsten zu befürchtende Gasentwicklung am Beginn der Lebensdauer der Energiezelle vorweggenommen, indem die Energiezelle bereits als Teil des Herstellungsverfahrens gealtert und entgast wird.A significant advantage of the method described here is that the gas development is integrated into the production, so to speak, in order to extract as much gas as possible from the energy cell during production and to correspondingly reduce later gas development after completion. For this purpose, the key mechanism for gas development, namely aging at high temperatures, is integrated into the production process. As a result, the gas development that would otherwise be feared at the beginning of the life of the energy cell is anticipated, so to speak taken by already aging and degassing the power cell as part of the manufacturing process.

Die Alterung mit der Temperaturbehandlung orientiert sich dabei zweckmäßigerweise an den Vorgaben für die Energiezelle hinsichtlich des sogenannten „calendar aging“. Calendar aging umfasst sämtliche Alterungsprozesse, welche zu Leistungseinbußen und Degradation der Energiezelle unabhängig vom Laden und Entladen führen. Leistungseinbußen und Degradation, welche sich aus wiederkehrendem Laden und Entladen der Energiezelle ergeben, werden hingegen als „cyclelife performance“ bezeichnet. Vorliegend wird mit der Alterung mit Temperaturbehandlung insbesondere ein calendar aging simuliert. Vorgaben für die Energiezelle hinsichtlich des calendar aging sind insbesondere, dass die Energiezelle wenigstens 200 Tage bei einer Temperatur von wenigstens 50°C und einem SOC („state of charge“, d.h. Ladezustand) von wenigstens 90% überdauern können soll, d.h. dann noch funktionsfähig sein soll. Speziell eine hohe Temperatur und eine hohe Spannung (welche bei hohem SOC vorliegt) begünstigen die beschriebene Gasentwicklung, sodass die genannten Vorgaben durchaus herausfordernd sind. Die vorgenannten Vorgaben werden nun zweckmäßigerweise einzeln oder in Kombination während der Alterung als Teil des Herstellungsverfahrens umgesetzt.The aging with the temperature treatment is expediently based on the specifications for the energy cell with regard to so-called "calendar aging". Calendar aging includes all aging processes that lead to performance losses and degradation of the energy cell independent of charging and discharging. On the other hand, performance losses and degradation resulting from repeated charging and discharging of the energy cell are referred to as "cycle life performance". In the present case, calendar aging in particular is simulated with aging with temperature treatment. Requirements for the energy cell with regard to calendar aging are, in particular, that the energy cell should be able to last at least 200 days at a temperature of at least 50°C and an SOC (“state of charge”, i.e. state of charge) of at least 90%, i.e. then still be functional should be. In particular, a high temperature and a high voltage (which is present with a high SOC) favor the gas development described, so that the specified specifications are quite challenging. The above requirements are now conveniently implemented individually or in combination during aging as part of the manufacturing process.

In einer ersten geeigneten Ausgestaltung erfolgt die Temperaturbehandlung dann dadurch, dass die Energiezelle bei einer Temperatur von wenigstens 50°C gelagert wird. Hierzu wird die Energiezelle beispielsweise in einen Ofen oder ähnliches gelegt, damit auf 50°C erwärmt und dann bei dieser Temperatur über einen bestimmten Zeitraum gelagert. Eine Variation der Temperatur während des Zeitraums erfolgt insbesondere nicht. Eine Obergrenze für die Temperatur ist zunächst nicht von Bedeutung. Grundsätzlich ist die Temperatur für die Temperaturbehandlung nach oben hin dadurch beschränkt, dass vorrangig eine Gasentwicklung erfolgen soll und die Vorgaben hinsichtlich des calendar aging umgesetzt werden sollen, ohne aber dabei die Energiezelle darüber hinaus durch übermäßige Erwärmung zu beschädigen. Entsprechend kommt als Obergrenze eine bei bestimmungsgemäßen Gebrauch maximal zu erwartende Temperatur in Betracht, z.B. 60°C oder 100°C, oder ein Schmelzpunkt eines der Materialien der Energiezelle.In a first suitable embodiment, the temperature treatment then takes place by storing the energy cell at a temperature of at least 50°C. For this purpose, the energy cell is placed, for example, in an oven or the like, heated to 50°C and then stored at this temperature for a certain period of time. In particular, the temperature does not vary during the period. An upper limit for the temperature is initially not important. In principle, the upper limit for the temperature for the temperature treatment is that gas development should primarily take place and the specifications with regard to calendar aging should be implemented, but without damaging the energy cell through excessive heating. Accordingly, a maximum temperature that can be expected when used as intended, e.g. 60°C or 100°C, or a melting point of one of the materials of the energy cell can be considered as an upper limit.

In einer zweiten geeigneten Ausgestaltung wird die Alterung, genauer die Temperaturbehandlung T, über einen Zeitraum von 1 bis 5 Tagen durchgeführt. Dieser Ausgestaltung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass die hauptsächliche Gasentwicklung wie beschrieben am Beginn der Lebensdauer erfolgt, sodass es zunächst ausreichend ist, diesen Beginn mit der Alterung abzudecken, während der weiteren Lebensdauer ist dann die Gasentwicklung signifikant reduziert. Entsprechend muss die Alterung nicht über die vorgegebenen 200 Tage durchgeführt werden, sondern wird vorteilhaft auf 1 bis 5 Tage abgekürzt. Dadurch wird vor Allem auch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens verbessert.In a second suitable embodiment, the aging, more precisely the temperature treatment T, is carried out over a period of 1 to 5 days. This configuration is based in particular on the knowledge that the main gas evolution takes place, as described, at the beginning of the service life, so that it is initially sufficient to cover this beginning with aging, while the gas development is then significantly reduced during the further service life. Accordingly, the aging does not have to be carried out over the specified 200 days, but is advantageously shortened to 1 to 5 days. Above all, this also improves the economics of the process.

In einer dritten geeigneten Ausgestaltung wird die Energiezelle für die Alterung und die Temperaturbehandlung auf einen SOC, d.h. einen Ladezustand, von wenigstens 90% geladen. Mit anderen Worten: die Energiezelle weist eine Gesamtkapazität auf und wird auf wenigstens 90% dieser Gesamtkapazität aufgeladen. Speziell bei einer Lithium-Ionen-Zelle korrespondiert ein SOC von wenigstens 90% mit einer Spannung von 4,1 V, sodass dann geeigneterweise alternativ oder zusätzlich die Energiezelle für die Alterung und die Temperaturbehandlung auf eine Spannung von wenigstens 4,1 V geladen wird. Die Energiezelle wird insbesondere mit einem Ladegerät geladen.In a third suitable embodiment, the energy cell is charged to a SOC, i.e. a state of charge, of at least 90% for the aging and the temperature treatment. In other words: the energy cell has a total capacity and is charged to at least 90% of this total capacity. In the case of a lithium-ion cell in particular, an SOC of at least 90% corresponds to a voltage of 4.1 V, so that the energy cell is then suitably charged to a voltage of at least 4.1 V for aging and temperature treatment as an alternative or in addition. The energy cell is charged in particular with a charger.

Die vorgenannten Ausgestaltungen sind grundsätzlich einzeln sowie in beliebiger Kombination miteinander realisierbar.In principle, the aforementioned configurations can be implemented individually or in any combination with one another.

Von besonderer Bedeutung ist vorliegend insbesondere die Temperaturbehandlung. Diese und allgemein die Alterung sind aber typischerweise in ein umfangreicheres Verfahren zur Herstellung einer Energiezelle integriert. Ein solches Verfahren weist mehrere Schritte auf, welche in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt werden und dann schließlich zur fertigen Energiezelle führen. Zunächst wird die Energiezelle insbesondere zusammengesetzt, hierbei werden zwei Elektroden (eine Anode und eine Kathode) mit einem Separator zu einem Zellstapel zusammengesetzt und dieser Zellstapel wird in ein Zellgehäuse eingesetzt, welches den Zellstapel dann umgibt, insbesondere zum Schutz gegen Umwelteinflüsse. Außerdem wird die Energiezelle mit einem Elektrolyt befüllt und danach das Zellgehäuse versiegelt, womit dann das Zusammensetzen im Grunde abgeschlossen ist. Auf das Zusammensetzen kommt es vorliegend aber nicht an, relevant ist zunächst nur, dass die hier beschriebene, spezielle Alterung mit Temperaturbehandlung nach dem Befüllen mit Elektrolyt erfolgt und insbesondere auch nach dem Zusammensetzen der Energiezelle insgesamt, sodass alle Materialien bei der Alterung vorhanden sind und die beschriebenen chemischen Reaktionen und vor allem die Gasentwicklung wie beschrieben ablaufen.The temperature treatment in particular is of particular importance in the present case. However, this and aging in general are typically integrated into a more extensive process for manufacturing an energy cell. Such a method has several steps, which are carried out in a specific order and then finally lead to the finished energy cell. First, the energy cell is assembled in particular, in this case two electrodes (an anode and a cathode) are assembled with a separator to form a cell stack and this cell stack is inserted into a cell housing, which then surrounds the cell stack, in particular to protect against environmental influences. In addition, the energy cell is filled with an electrolyte and then the cell housing is sealed, which basically completes the assembly. The assembly is not important in the present case, it is only relevant that the special aging described here with temperature treatment takes place after filling with electrolyte and in particular after the assembly of the energy cell as a whole, so that all materials are available during the aging and the The chemical reactions described and, above all, the evolution of gas take place as described.

Geeigneterweise wird nach der Alterung mit Temperaturbehandlung die Energiezelle entgast, d.h. das Gas, welches durch die Alterung in der Energiezelle erzeugt wurde, wird abgelassen, insbesondere indem das Zellgehäuse hierfür geöffnet wird. Danach wird das Zellgehäuse wieder versiegelt, d.h. verschlossen. Die hier beschriebene Alterung mit Temperaturbehandlung ist zudem zweckmäßigerweise nicht die einzige Alterung, welche als Teil des Verfahrens durchgeführt wird. Vorzugsweise erfolgt zuvor bereits eine weitere, insbesondere eine erste Alterung. Im Anschluss an eine jeweilige Alterung wird die Energiezelle, genauer deren Zellgehäuse, zweckmäßigerweise jedes Mal entgast, d.h. insbesondere geöffnet, und wieder versiegelt. Beim Entgasen wird das Gas, welches bei der jeweiligen Alterung erzeugt wurde, aus der Energiezelle entfernt.After aging with temperature treatment, the energy cell is suitably degassed, ie the gas which was generated in the energy cell as a result of aging is discharged, in particular by opening the cell housing for this purpose. The cell housing is then sealed again i.e. closed. In addition, the aging with heat treatment described here is expediently not the only aging that is carried out as part of the process. A further, in particular a first, aging preferably takes place beforehand. Subsequent to a particular aging process, the energy cell, more precisely its cell housing, is expediently degassed each time, ie in particular opened and sealed again. During degassing, the gas that was generated during the respective aging process is removed from the energy cell.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung mit mehrfacher Alterung wird die Energiezelle sowohl in einem ersten Zyklus als auch in einem zweiten Zyklus jeweils entgast, sodass die Energiezelle während deren Herstellung wenigstens zweimal entgast wird. In einem jeweiligen Zyklus wird die Energiezelle zuerst in einem Ladeschritt geladen, z.B. mit einem Ladegerät, dann wird in einem Alterungsschritt eine Alterung durchgeführt, anschließend wird die Energiezelle in einem Entgasungsschritt entgast, z.B. indem eine Gastasche der Energiezelle abgetrennt wird, und abschließend in einem Versiegelungsschritt versiegelt. An Beginn und Ende eines jeweiligen Zyklus ist die Energiezelle somit jeweils versiegelt.In an advantageous embodiment with multiple aging, the energy cell is degassed both in a first cycle and in a second cycle, so that the energy cell is degassed at least twice during its manufacture. In each cycle, the energy cell is first charged in a charging step, e.g. with a charger, then aging is carried out in an aging step, then the energy cell is degassed in a degassing step, e.g. by separating a gas pocket of the energy cell, and finally in a sealing step sealed. The energy cell is thus sealed at the beginning and end of each cycle.

Die Alterung mit der Temperaturbehandlung erfolgt bevorzugterweise im Alterungsschritt des oben beschriebenen zweiten Zyklus. Nach der Alterung mit Temperaturbehandlung erfolgt vorzugsweise keine weitere Ladung der Energiezelle, sondern der Ladezustand, welcher nach dem zweiten Zyklus vorliegt, ist ein fertiger Ladezustand der Energiezelle, d.h. derjenige Ladezustand, mit welchem die fertiggestellte Energiezelle für den bestimmungsgemäßen Gebrauch ausgeliefert wird. In einer geeigneten Weiterbildung erfolgt auch im Alterungsschritt des ersten Zyklus eine Temperaturbehandlung, diese ist jedoch nicht zwingend gleichartig zur Temperaturbehandlung im zweiten Zyklus, sondern die Temperatur, der Zeitraum und/oder der SOC können auch unterschiedlich gewählt sein.The aging with the temperature treatment is preferably carried out in the aging step of the second cycle described above. After aging with heat treatment, the energy cell is preferably not charged further, but the state of charge that is present after the second cycle is a finished state of charge of the energy cell, i.e. the state of charge with which the finished energy cell is delivered for the intended use. In a suitable development, a temperature treatment also takes place in the aging step of the first cycle, but this is not necessarily the same as the temperature treatment in the second cycle, but the temperature, the period of time and/or the SOC can also be selected differently.

Das Verfahren ist grundsätzlich zur Herstellung jeglicher Zelltypen geeignet, besonders bevorzugt ist die Energiezelle jedoch eine Pouch-Zelle. Eine Pouch-Zelle ist besonders von einer Gasentwicklung gefährdet, da eine Pouch-Zelle zum einen vollständig versiegelt ist und kein Gasaustausch und Druckausgleich mit der Umgebung möglich sind, und da zum anderen das Zellgehäuse einer Pouch-Zelle eine lediglich dünne Folie ist, z.B. mit einer Stärke von weniger als 1 mm, welche entsprechend rissgefährdet ist. Bei einer Pouch-Zelle wird beispielsweise der Zellstapel aus Elektroden und Separator mit einem Zellgehäuse umgeben, welches als eine Tüte ausgebildet ist und zunächst an drei von vier Seiten verschlossen ist. Entsprechend weist das Zellgehäuse eine offene, vierte Seite auf, über welche dann bei der Herstellung insbesondere das Elektrolyt eingefüllt wird. Auf dieser offenen Seite weist das Zellgehäuse geeigneterweise eine Überlänge auf, welche nach dem Befüllen mit dem Elektrolyt bei einem späteren Entgasen als sogenannte Gastasche dient. Das Gas, welches bei der Alterung entsteht, sammelt sich in der Gastachse, welche zum Entgasen einfach abgetrennt wird. Dadurch wird am verbleibenden Zellgehäuse erneut eine offene Seite gebildet, welche wieder versiegelt wird. Bei mehrmaligem Entgasen, ist die Überlänge des Zellgehäuses zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass entsprechend mehrere Gastaschen abtrennbar sind, insbesondere jeweils genau eine Gastasche für jeden Zyklus.In principle, the method is suitable for the production of any cell type, but the energy cell is particularly preferably a pouch cell. A pouch cell is particularly at risk of gas development because a pouch cell is completely sealed and gas exchange and pressure equalization with the environment are not possible, and because the cell housing of a pouch cell is only a thin film, e.g a thickness of less than 1 mm, which is correspondingly at risk of cracking. In the case of a pouch cell, for example, the cell stack made up of electrodes and separator is surrounded by a cell housing which is designed as a bag and is initially closed on three of the four sides. Correspondingly, the cell housing has an open, fourth side, through which the electrolyte, in particular, is then filled during production. The cell housing suitably has an excess length on this open side, which after filling with the electrolyte serves as a so-called gas pocket during later degassing. The gas that is produced during aging collects in the gas axis, which is simply separated for degassing. As a result, an open side is again formed on the remaining cell housing, which is sealed again. In the case of repeated degassing, the excess length of the cell housing is expediently designed in such a way that a number of gas pockets can be separated, in particular exactly one gas pocket for each cycle.

Eine erfindungsgemäße Energiezelle ist vorzugsweise hergestellt nach einem Verfahren wie vorstehend beschrieben. Insbesondere ist die Energiezelle dadurch hergestellt, dass diese nach einer Befüllung mit einem Elektrolyt einer Alterung unterzogen wird und danach entgast wird, wobei die Alterung eine Temperaturbehandlung umfasst. Eine auf diese Weise hergestellte Energiezelle zeichnet sich insbesondere durch eine verringerte Gasentwicklung beim bestimmungsgemäßen Gebrauch aus.An energy cell according to the invention is preferably produced using a method as described above. In particular, the energy cell is produced in that, after being filled with an electrolyte, it is subjected to aging and then degassed, with the aging comprising a temperature treatment. An energy cell produced in this way is characterized in particular by reduced gas development when used as intended.

Bevorzugterweise wird die Energiezelle in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug verwendet. Dabei ist die Energiezelle insbesondere mit mehreren weiteren, gleichartigen Energiezellen, zu einer Batterie zusammengefasst, welche als Energiespeicher zur Versorgung eines elektrischen Antriebs des Elektro- oder Hybridfahrzeugs dient.Preferably, the power cell is used in an electric or hybrid vehicle. In this case, the energy cell is combined in particular with several other energy cells of the same type to form a battery, which serves as an energy storage device for supplying an electric drive of the electric or hybrid vehicle.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:

  • 1 ein Verfahrens zur Herstellung einer Energiezelle,
  • 2 die Energiezelle aus 1 in einer Querschnittansicht.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing. They each show schematically:
  • 1 a method for manufacturing an energy cell,
  • 2 the power cell off 1 in a cross-sectional view.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Energiezelle 2 gezeigt. Nicht explizit gezeigt ist, dass zunächst die Energiezelle 2 zusammengesetzt wird, hierbei werden zwei Elektroden (eine Anode 8 und eine Kathode 10) mit einem Separator zu einem Zellstapel zusammengesetzt und dieser Zellstapel wird in ein Zellgehäuse 4 eingesetzt, welches den Zellstapel dann umgibt (vgl. 2). Außerdem wird die Energiezelle 2 in einem Befüllschritt B mit einem Elektrolyt 6 befüllt und danach, ebenfalls im Befüllschritt B, das Zellgehäuse 4 versiegelt, womit dann das Zusammensetzen im Grunde abgeschlossen ist. Auf das Zusammensetzen kommt es vorliegend aber nicht an, relevant ist zunächst nur, dass eine spezielle Alterung mit Temperaturbehandlung T nach dem Befüllen mit Elektrolyt 6 und auch nach dem Zusammensetzen der Energiezelle 2 insgesamt erfolgt, sodass alle Materialien bei der Alterung vorhanden sind. Im Ausführungsbeispiel der 1 wird die Energiezelle 2 sowohl in einem ersten Zyklus Z1 als auch in einem zweiten Zyklus Z2 jeweils entgast, sodass die Energiezelle 2 während deren Herstellung wenigstens zweimal entgast wird. In einem jeweiligen Zyklus Z1, Z2 wird die Energiezelle 2 zuerst in einem Ladeschritt L1, L2 geladen, z.B. mit einem Ladegerät L dann wird in einem Alterungsschritt A1, A2 eine Alterung durchgeführt, anschließend wird die Energiezelle 2 in einem Entgasungsschritt E1, E2 entgast und abschließend in einem Versiegelungsschritt V1, V2 versiegelt. An Beginn und Ende eines jeweiligen Zyklus Z1, Z2 ist die Energiezelle 2 somit jeweils versiegelt. Die bereits genannte Alterung mit der Temperaturbehandlung T erfolgt im Ausführungsbeispiel der 1 im Alterungsschritt A2 des zweiten Zyklus Z2. Nach der Alterung mit Temperaturbehandlung T erfolgt vorliegend keine weitere Ladung der Energiezelle 2 mehr, sondern der Ladezustand, welcher nach dem zweiten Zyklus Z2 vorliegt, ist ein fertiger Ladezustand der Energiezelle 2. In der hier gezeigten Ausgestaltung erfolgt auch im Alterungsschritt A1 des ersten Zyklus Z1 eine Temperaturbehandlung, diese ist jedoch an sich optional und auch nicht zwingend gleichartig zur Temperaturbehandlung T im zweiten Zyklus Z2.In 1 an exemplary embodiment of a method for producing an energy cell 2 is shown. It is not explicitly shown that first the energy cell 2 is assembled, in this case two electrodes (an anode 8 and a cathode 10) are assembled with a separator to form a cell stack and this cell stack is inserted into a cell housing 4, which then surrounds the cell stack (cf . 2 ). In addition, the energy cell 2 is filled with an electrolyte 6 in a filling step B and then, likewise in the filling step B, the cell housing 4 is sealed, with which the assembly is then basically completed. In the present case, however, the assembly is not important, It is initially only relevant that special aging with temperature treatment T takes place after filling with electrolyte 6 and also after assembling energy cell 2 overall, so that all materials are present during aging. In the embodiment of 1 the energy cell 2 is degassed both in a first cycle Z1 and in a second cycle Z2, so that the energy cell 2 is degassed at least twice during its manufacture. In a respective cycle Z1, Z2, the energy cell 2 is first charged in a charging step L1, L2, e.g. with a charger L, then aging is carried out in an aging step A1, A2, and then the energy cell 2 is degassed in a degassing step E1, E2 and finally sealed in a sealing step V1, V2. The energy cell 2 is thus sealed in each case at the beginning and end of a respective cycle Z1, Z2. The already mentioned aging with the temperature treatment T takes place in the exemplary embodiment of FIG 1 in the aging step A2 of the second cycle Z2. After aging with temperature treatment T, the energy cell 2 is no longer charged, but the state of charge that is present after the second cycle Z2 is a finished state of charge of the energy cell 2. In the embodiment shown here, the aging step A1 of the first cycle Z1 also takes place a temperature treatment, but this is optional per se and not necessarily similar to the temperature treatment T in the second cycle Z2.

Von besonderer Bedeutung ist vorliegend die Temperaturbehandlung T im Alterungsschritt A2, alle übrigen Schritte sind grundsätzlich zunächst optional. Sinnvoll ist auch der Entgasungsschritt E2, bei welchem nach der Alterung mit Temperaturbehandlung T die Energiezelle 2 entgast wird, d.h. Gas, welches durch die Alterung in der Energiezelle 2 erzeugt wurde, wird abgelassen. Hierfür wird im Entgasungsschritt E2 das Zellgehäuse 4 geöffnet und danach im Versiegelungsschritt V2 wieder versiegelt.In the present case, the temperature treatment T in the aging step A2 is of particular importance; all other steps are basically initially optional. The degassing step E2, in which the energy cell 2 is degassed after aging with temperature treatment T, is also useful, i.e. gas that was generated in the energy cell 2 as a result of the aging is discharged. For this purpose, the cell housing 4 is opened in the degassing step E2 and then sealed again in the sealing step V2.

Im Ergebnis wird somit bei dem Verfahren die Energiezelle 2 nach der Befüllung mit dem Elektrolyt einer Alterung unterzogen und danach entgast. Die Alterung erfolgt dabei als Teil der Herstellung der Energiezelle 2, d.h. noch vor deren Fertigstellung F und anschließender Auslieferung für den bestimmungsgemäßen Gebrauch. Die Alterung umfasst eine Temperaturbehandlung T, welche dann konsequenterweise ebenfalls ein Teil des Herstellungsverfahrens ist und noch vor der Fertigstellung F erfolgt. Unter einer „Temperaturbehandlung“ wird hier verstanden, dass die Energiezelle 2 über einen bestimmten Zeitraum bei einer bestimmten Temperatur gelagert wird. Auf diese Weise wird eine Alterung der Energiezelle 2 erzielt, bei welcher regelmäßig Gas entsteht, welches dann beim nachfolgenden Entgasen der Energiezelle 2 abgelassen wird. Der Zeitraum und die Temperatur sind vorliegend derart gewählt, dass möglichst viel Gas bereits während der Herstellung der Energiezelle 2 erzeugt wird und dann beim Entgasen abgeführt wird, sodass entsprechend nach der Fertigstellung die Gasentwicklung beim bestimmungsgemäßen Gebrauch reduziert ist. Die Temperaturbehandlung T wird hier bei einer Temperatur durchgeführt, welche größer ist als die Raumtemperatur, d.h. größer als 25°.As a result, in the method, the energy cell 2 is subjected to aging after being filled with the electrolyte and is then degassed. The aging takes place as part of the production of the energy cell 2, i.e. before its completion F and subsequent delivery for the intended use. The aging includes a temperature treatment T, which is then consequently also part of the manufacturing process and takes place before the completion F. A “temperature treatment” is understood here to mean that the energy cell 2 is stored at a specific temperature for a specific period of time. In this way, an aging of the energy cell 2 is achieved, during which gas is regularly produced, which is then released during the subsequent degassing of the energy cell 2 . The period of time and the temperature are selected in such a way that as much gas as possible is already generated during the production of the energy cell 2 and is then discharged during degassing, so that the gas development during intended use is correspondingly reduced after completion. The temperature treatment T is carried out here at a temperature which is higher than room temperature, i.e. higher than 25°.

Die hier beispielhaft gezeigte Energiezelle 2 ist ohne Beschränkung der Allgemeinheit eine Lithium-Ionen-Zelle. Die Ausführungen gelten jedoch analog auch für andere Energiezellen 2. In 2 ist die Energiezelle 2 schematisch in einer Querschnittansicht gezeigt. Beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Energiezelle 2 bei hoher Temperatur, d.h. oberhalb von 25°C, erfolgt in der Energiezelle 2 eine Gasentwicklung, welche zu Leistungseinbußen und einer Degradation der Energiezelle 2 führt. Dies ist auf eine Reaktion zwischen einer Anode 8 oder Kathode 10 und dem Elektrolyt 6 zurückzuführen. Um bei der Energiezelle 2 speziell kathodenseitig eine möglichst hohe Energiedichte zu erzielen, wird als Teil der Kathode 10 ein nickelhaltiges Mischoxid 12 verwendet. Die Kathode 10 weist hier eine Unterlage 14 aus einem Metall, auf, auf welcher das Mischoxid 12 aufgetragen ist. Das Mischoxid 12 wird auch als „aktives Material“ bezeichnet. Analog weist die Anode 8 eine Unterlage 16 aus einem anderen Metall auf, auf welcher analog ein anderes aktives Material 18 aufgetragen ist. Zwischen den beiden aktiven Materialien 12, 18 ist in 2 der nicht explizit bezeichnete Separator sichtbar. Das Mischoxid 12 ist beispielsweise NCM oder NCA und weist hier speziell einen Nickelanteil von wenigstens 60 % auf. Speziell ein solches Mischoxid 12 mit hohem Nickelanteil als Material für die Kathode 10 führt zu einer stärkeren Gasentwicklung als Materialien mit im Vergleich dazu geringerem Nickelanteil. Als Gas entsteht vornehmlich CO2. In 2 ist lediglich ein Teil des Zellstapels gezeigt innerhalb des Zellgehäuses 4 gezeigt, tatsächlich ist der Zellstapel hier aus mehreren einzelnen Anoden-, Kathoden- und Separatorlagen zusammengesetzt. Die konkrete Bauform ist hier aber nicht weiter von Bedeutung.The energy cell 2 shown here as an example is a lithium-ion cell without restricting the generality. However, the explanations also apply analogously to other energy cells 2. In 2 the power cell 2 is shown schematically in a cross-sectional view. When the energy cell 2 is used as intended at a high temperature, ie above 25° C., gas is generated in the energy cell 2 , which leads to performance losses and degradation of the energy cell 2 . This is due to a reaction between an anode 8 or cathode 10 and the electrolyte 6 . In order to achieve the highest possible energy density, especially on the cathode side, in the energy cell 2 , a nickel-containing mixed oxide 12 is used as part of the cathode 10 . The cathode 10 here has a base 14 made of a metal, on which the mixed oxide 12 is applied. The mixed oxide 12 is also referred to as “active material”. Analogously, the anode 8 has a base 16 made of a different metal, on which another active material 18 is applied analogously. Between the two active materials 12, 18 is in 2 the separator that is not explicitly named is visible. The mixed oxide 12 is, for example, NCM or NCA and specifically has a nickel content of at least 60%. In particular, such a mixed oxide 12 with a high proportion of nickel as the material for the cathode 10 leads to greater gas development than materials with a comparatively lower proportion of nickel. The main gas produced is CO 2 . In 2 only part of the cell stack is shown inside the cell housing 4, in fact the cell stack here is composed of several individual anode, cathode and separator layers. However, the specific design is of no further importance here.

Bei dem hier beschriebenen Verfahrens ist nun die Gasentwicklung sozusagen in die Herstellung integriert, um dann noch während der Herstellung möglichst viel Gas aus der Energiezelle 2 herauszuziehen und eine spätere Gasentwicklung nach Fertigstellung F entsprechend zu reduzieren. Hierzu wird der maßgebliche Mechanismus für die Gasentwicklung, nämlich die Alterung bei hoher Temperatur, in die Herstellung integriert, nämlich im Alterungsschritt A2 mit der Temperaturbehandlung T. Dadurch wird sozusagen die ansonsten zu befürchtende Gasentwicklung am Beginn der Lebensdauer der Energiezelle 2 vorweggenommen, indem die Energiezelle 2 bereits als Teil des Herstellungsverfahrens gealtert und entgast wird.In the method described here, the gas development is integrated into the production, so to speak, in order to extract as much gas as possible from the energy cell 2 during the production and to reduce later gas development after completion F accordingly. For this purpose, the relevant mechanism for gas development, namely aging at high temperature, is integrated into production, namely in aging step A2 with temperature treatment T Energy cell 2 is already aged and degassed as part of the manufacturing process.

Die Alterung mit der Temperaturbehandlung T orientiert sich dabei vorliegend an den Vorgaben für die Energiezelle 2 hinsichtlich des sogenannten „calendar aging“, welches sämtliche Alterungsprozesse umfasst, welche zu Leistungseinbußen und Degradation der Energiezelle 2 unabhängig vom Laden und Entladen führen. Leistungseinbußen und Degradation, welche sich aus wiederkehrendem Laden und Entladen der Energiezelle ergeben, werden hingegen als „cyclelife performance“ bezeichnet. Vorliegend wird mit der Alterung mit Temperaturbehandlung T dann entsprechend ein calendar aging simuliert. Vorgaben für die Energiezelle 2 hinsichtlich des calendar aging sind vorliegend, dass die Energiezelle 2 wenigstens 200 Tage bei einer Temperatur von wenigstens 50°C und einem SOC („state of charge“, d.h. Ladezustand) von wenigstens 90% überdauern können soll, d.h. dann noch funktionsfähig sein soll. Speziell eine hohe Temperatur und eine hohe Spannung (welche bei hohem SOC vorliegt) begünstigen die Gasentwicklung.The aging with the temperature treatment T is based on the specifications for the energy cell 2 with regard to so-called “calendar aging”, which includes all aging processes that lead to performance losses and degradation of the energy cell 2 independently of charging and discharging. On the other hand, performance losses and degradation resulting from repeated charging and discharging of the energy cell are referred to as "cycle life performance". In the present case, calendar aging is then correspondingly simulated with the aging with temperature treatment T. Specifications for the energy cell 2 with regard to calendar aging are present that the energy cell 2 should be able to survive at least 200 days at a temperature of at least 50° C. and an SOC (“state of charge”, i.e. state of charge) of at least 90%, i.e. then should still be functional. In particular, a high temperature and a high voltage (which is present with a high SOC) favor gas development.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Temperaturbehandlung T dadurch, dass die Energiezelle 2 bei einer Temperatur von wenigstens 50°C gelagert wird. Hierzu wird die Energiezelle 2 beispielsweise in einen nicht explizit gezeigten Ofen oder ähnliches gelegt, damit auf 50°C erwärmt und dann bei dieser Temperatur über einen bestimmten Zeitraum gelagert. Die Alterung, genauer die Temperaturbehandlung T, wird über einen Zeitraum von 1 bis 5 Tagen durchgeführt. Dabei wird ausgenutzt, dass die hauptsächliche Gasentwicklung am Beginn der Lebensdauer erfolgt, sodass es zunächst ausreichend ist, diesen Beginn mit der Alterung abzudecken. Entsprechend muss die Alterung nicht über die vorgegebenen 200 Tage durchgeführt werden, sondern wird auf 1 bis 5 Tage abgekürzt. Außerdem wird die Energiezelle 2 vorliegend für die Alterung und die Temperaturbehandlung T auf einen SOC, d.h. einen Ladezustand, von wenigstens 90% geladen. Bei der hier gezeigten Lithium-Ionen-Zelle entspricht ein SOC von 90% einer Spannung von 4,1 V, sodass dann die Energiezelle 2 für die Alterung und die Temperaturbehandlung T entsprechend auf eine Spannung von wenigstens 4,1 V geladen wird. Die Ausgestaltungen hinsichtlich Temperatur, Zeitraum, SOC und Spannung sind grundsätzlich auch einzeln sowie in beliebiger Kombination miteinander realisierbar.In the exemplary embodiment shown, the temperature treatment T takes place in that the energy cell 2 is stored at a temperature of at least 50.degree. For this purpose, the energy cell 2 is placed, for example, in an oven or the like, which is not explicitly shown, so that it is heated to 50° C. and then stored at this temperature for a specific period of time. The aging, more precisely the temperature treatment T, is carried out over a period of 1 to 5 days. This exploits the fact that the main gas development takes place at the beginning of the service life, so that it is initially sufficient to cover this beginning with aging. Accordingly, the aging does not have to be carried out over the specified 200 days, but is shortened to 1 to 5 days. In addition, the power cell 2 is charged here for the aging and the temperature treatment T to a SOC, i.e. a state of charge, of at least 90%. In the lithium-ion cell shown here, an SOC of 90% corresponds to a voltage of 4.1 V, so that the energy cell 2 for the aging and the temperature treatment T is charged accordingly to a voltage of at least 4.1 V. The configurations with regard to temperature, period of time, SOC and voltage can in principle also be implemented individually and in any combination with one another.

Das Verfahren ist grundsätzlich zur Herstellung jeglicher Zelltypen geeignet, im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Energiezelle 2 jedoch speziell eine Pouch-Zelle. Eine Pouch-Zelle ist besonders von einer Gasentwicklung gefährdet, da eine Pouch-Zelle zum einen vollständig versiegelt ist und kein Gasaustausch und Druckausgleich mit der Umgebung möglich sind, und da zum anderen das Zellgehäuse 4 einer Pouch-Zelle eine lediglich dünne Folie ist, z.B. mit einer Stärke von weniger als 1 mm, welche entsprechend rissgefährdet ist. Bei einer Pouch-Zelle wird beispielsweise der Zellstapel aus Elektroden und Separator mit dem Zellgehäuse 4 umgeben, welches als eine Tüte ausgebildet ist und wie im Befüllschritt B in 1 gezeigt zunächst an drei von vier Seiten verschlossen ist. Entsprechend weist das Zellgehäuse 4 eine offene, vierte Seite 20 auf, über welche dann bei der Herstellung das Elektrolyt 6 eingefüllt wird. Auf dieser offenen Seite 20 weist das Zellgehäuse 4 eine Überlänge 22 auf, welche nach dem Befüllen mit dem Elektrolyt 6 bei einem späteren Entgasen als sogenannte Gastasche 24 dient. Das Gas, welches bei der Alterung entsteht, sammelt sich in der Gastachse 24, welche zum Entgasen einfach abgetrennt wird. Dadurch wird am verbleibenden Zellgehäuse 4 erneut eine offene Seite 20 gebildet, welche wieder versiegelt wird. Bei mehrmaligem Entgasen, ist die Überlänge des Zellgehäuses 4 dann - wie in 1 beispielhaft gezeigt - derart ausgebildet, dass entsprechend mehrere Gastaschen 24 abtrennbar sind, hier jeweils genau eine Gastasche 24 für jeden Zyklus Z1, Z2.In principle, the method is suitable for producing any type of cell, but in the exemplary embodiment shown, the energy cell 2 is specifically a pouch cell. A pouch cell is particularly at risk of gas development because a pouch cell is completely sealed and gas exchange and pressure equalization with the environment are not possible, and because the cell housing 4 of a pouch cell is only a thin film, e.g with a thickness of less than 1 mm, which is correspondingly at risk of cracking. In the case of a pouch cell, for example, the cell stack made up of electrodes and separator is surrounded by the cell housing 4, which is designed as a bag and, as in filling step B in 1 shown is initially closed on three of four sides. Correspondingly, the cell housing 4 has an open, fourth side 20 through which the electrolyte 6 is then filled during production. On this open side 20, the cell housing 4 has an excess length 22 which, after filling with the electrolyte 6, serves as a so-called gas pocket 24 during later degassing. The gas that is produced during aging collects in the gas axis 24, which is simply separated for degassing. As a result, an open side 20 is again formed on the remaining cell housing 4, which is sealed again. With repeated degassing, the excess length of the cell housing 4 is then - as in 1 shown as an example - designed in such a way that a plurality of gas pockets 24 can be separated, here in each case exactly one gas pocket 24 for each cycle Z1, Z2.

BezugszeichenlisteReference List

22
Energiezellepower cell
44
Zellgehäusecell case
66
Elektrolytelectrolyte
88th
Anodeanode
1010
Kathodecathode
1212
Mischoxid, aktives Material (der Kathode)Mixed oxide, active material (of the cathode)
1414
Unterlage (der Kathode)base (of the cathode)
1616
Unterlage (der Anode)base (of the anode)
1818
aktives Material (der Anode)active material (of the anode)
2020
offene Seiteopen side
2222
Überlängeexcess length
2424
Gastaschegas pocket
A1A1
Alterungsschrittaging step
A2A2
Alterungsschrittaging step
BB
Befüllschrittfilling step
E1E1
Entgasungsschrittdegassing step
E2E2
Entgasungsschrittdegassing step
Ff
Fertigstellungcompletion
LL
Ladegerätcharger
L1L1
Ladeschrittloading step
L2L2
Ladeschrittloading step
TT
Temperaturbehandlungtemperature treatment
V1V1
Versiegelungsschrittsealing step
V2v2
Versiegelungsschrittsealing step
Z1Z1
erster Zyklusfirst cycle
Z2Z2
zweiter Zyklussecond cycle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 2015/0118524 A1 [0005]US 2015/0118524 A1 [0005]
  • US 2010/0024204 A1 [0005]US 2010/0024204 A1 [0005]
  • JP 2002/216851 A1 [0005]JP 2002/216851 A1 [0005]

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung einer Energiezelle (2), - wobei die Energiezelle (2) nach einer Befüllung mit einem Elektrolyt (6) einer Alterung unterzogen wird und danach entgast wird, - wobei die Alterung eine Temperaturbehandlung (T) umfasst.Process for manufacturing a power cell (2), - wherein the energy cell (2) is subjected to aging after being filled with an electrolyte (6) and is then degassed, - wherein the aging includes a temperature treatment (T). Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperaturbehandlung (T) dadurch erfolgt, dass die Energiezelle (2) bei einer Temperatur von wenigstens 50 °C gelagert wird.procedure after claim 1 , wherein the temperature treatment (T) takes place in that the energy cell (2) is stored at a temperature of at least 50 °C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Alterung über einen Zeitraum von 1 bis 5 Tagen durchgeführt wird.Procedure according to one of Claims 1 or 2 , wherein the aging is carried out over a period of 1 to 5 days. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Energiezelle (2) für die Alterung und die Temperaturbehandlung (T) auf einen SOC von wenigstens 90% geladen wird.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , wherein the power cell (2) for the aging and the temperature treatment (T) is charged to a SOC of at least 90%. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Energiezelle (2) für die Alterung und die Temperaturbehandlung (T) auf eine Spannung von wenigstens 4,1 V geladen wird.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , wherein the power cell (2) for the aging and the temperature treatment (T) is charged to a voltage of at least 4.1 V. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Energiezelle (2) sowohl in einem ersten Zyklus (Z1) als auch in einem zweiten Zyklus (Z2) jeweils entgast wird, sodass die Energiezelle (2) wenigstens zweimal entgast wird, wobei in einem jeweiligen Zyklus (Z1, Z2) die Energiezelle (2) zuerst in einem Ladeschritt (L1, L2) geladen wird, dann in einem Alterungsschritt (A1, A2) eine Alterung durchgeführt wird, anschließend die Energiezelle (2) in einem Entgasungsschritt (E1, E2) entgast wird und abschließend in einem Versiegelungsschritt (V1, V2) versiegelt wird, wobei die Alterung mit der Temperaturbehandlung (T) im Alterungsschritt (A2) des zweiten Entgasungszyklus (Z2) erfolgt.Procedure according to one of Claims 1 until 5 , wherein the energy cell (2) is degassed both in a first cycle (Z1) and in a second cycle (Z2), so that the energy cell (2) is degassed at least twice, wherein in a respective cycle (Z1, Z2) the Energy cell (2) is first charged in a charging step (L1, L2), then aging is carried out in an aging step (A1, A2), then the energy cell (2) is degassed in a degassing step (E1, E2) and finally in a Sealing step (V1, V2) is sealed, wherein the aging with the temperature treatment (T) in the aging step (A2) of the second degassing cycle (Z2) takes place. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Energiezelle (2) eine Lithium-Ionen-Zelle ist und eine Kathode (10) aufweist, welche aus einem nickelhaltigen Mischoxid (12) hergestellt ist, insbesondere NCM oder NCA.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , wherein the energy cell (2) is a lithium-ion cell and has a cathode (10) which is made of a nickel-containing mixed oxide (12), in particular NCM or NCA. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das nickelhaltige Mischoxid (12) einen Nickelanteil von wenigstens 60 % aufweist, vorzugsweise wenigstens 80 %.procedure after claim 7 , wherein the nickel-containing mixed oxide (12) has a nickel content of at least 60%, preferably at least 80%. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Energiezelle (2) eine Pouch-Zelle ist.Procedure according to one of Claims 1 until 8th , wherein the energy cell (2) is a pouch cell. Energiezelle (2), welche dadurch hergestellt ist, dass diese nach einer Befüllung mit einem Elektrolyt (6) einer Alterung unterzogen wird und danach entgast wird, wobei die Alterung eine Temperaturbehandlung (T) umfasst.Energy cell (2), which is produced by subjecting it to aging after being filled with an electrolyte (6) and then degassing, the aging comprising a temperature treatment (T).
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