DE102022208174A1 - Process for producing lithium-ion battery cells - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriezellen (2), mit einem Formationsprozess, in dem zumindest eine Batteriezelle (2) einem Erstladevorgang unterworfen wird, in dem sich Lithium-Ionen in den Graphitstrukturen der Anode (A) der Batteriezelle einlagern unter Bildung einer Solide-Electrolyte-Interface (SEI) sowie unter Gasbildung, wobei während des Formationsprozesses die Batteriezelle (2) in einer Formationsstation mittels zumindest eines Druckelements (3) mit einer Druckkraft (FB, Fz) beaufschlagt wird. Erfindungsgemäß ist das Druckelement (3) ein piezoelektrisches Element (23).The invention relates to a method for producing lithium-ion battery cells (2), with a formation process in which at least one battery cell (2) is subjected to an initial charging process in which lithium ions are formed in the graphite structures of the anode (A) of the battery cell stored with the formation of a solid electrolyte interface (SEI) and with gas formation, wherein during the formation process the battery cell (2) in a formation station is subjected to a compressive force (FB, Fz) by means of at least one pressure element (3). According to the invention, the pressure element (3) is a piezoelectric element (23).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriezellen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Prozessanordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens nach Anspruch 9.The invention relates to a method for producing lithium-ion battery cells according to the preamble of claim 1 and a process arrangement for carrying out such a method according to claim 9.

Bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batteriezellen, insbesondere Batteriepouchzellen, werden in einem Formationsprozess erste Lade-/Entladevorgänge der Batteriezelle durchgeführt. Hierzu werden die Batteriezellen in eine Formationsstation geführt und über Kontaktstifte an einen Ladestromkreis angeschlossen. Während der Formation (das heißt während des Ladevorgangs) lagern sich Lithium-Ionen in den Graphitstrukturen der Anode der jeweiligen Batteriezelle ein. Hierbei wird die Solide-Electrolyte-Interface (SEI) gebildet, die eine Grenzschicht zwischen dem Elektrolyt und der Anode darstellt. Im Formationsprozess wird die Batteriezelle in der Formationsstation mittels zumindest einer Druckplatte mit einer Druckkraft beaufschlagt und dann bei konstanter Temperatur und relativ niedriger Ladegeschwindigkeit geladen. Im Erstladevorgang dehnt sich die Zelle aus. Die Druckplatte sorgt für eine gleichmäßige Kompression der Pouch-Zelle.When producing lithium-ion battery cells, in particular battery pouch cells, the first charging/discharging processes of the battery cell are carried out in a formation process. For this purpose, the battery cells are led into a formation station and connected to a charging circuit via contact pins. During formation (i.e. during the charging process), lithium ions are deposited in the graphite structures of the anode of the respective battery cell. This forms the solid electrolyte interface (SEI), which represents a boundary layer between the electrolyte and the anode. In the formation process, the battery cell in the formation station is subjected to a compressive force by means of at least one pressure plate and then charged at a constant temperature and a relatively low charging speed. During the initial charging process, the cell expands. The pressure plate ensures even compression of the pouch cell.

Wenn die von der Druckplatte ausgeübte Druckkraft nicht hoch genug ist, wird die Zellschwellung ungleichmäßig. Das Aktivmaterial, das eine stärkere Schwellung erfahren hat, verliert den Kontakt mit dem leitenden Kohlenstoff. Dies führt schließlich zu einem Verlust der elektrischen Leitfähigkeit. Daraus ergibt sich ein höherer Innenwiderstand und eine ungleichmäßige Aufladung der Zelle.If the pressure force exerted by the pressure plate is not high enough, the cell swelling will be uneven. The active material, which has experienced increased swelling, loses contact with the conductive carbon. This ultimately leads to a loss of electrical conductivity. This results in a higher internal resistance and an uneven charging of the cell.

Während des Erstladevorgangs bildet sich eine SEI (Solid Electrolyte Interphase). Dies führt auch zu einer Gasentwicklung. Das Gas wird in eine Gastasche der Pouch-Zelle geleitet. Wenn die von der Druckplatte ausgeübte Druckkraft übermäßig groß ist, wird Gas zwischen Elektrode und Separator eingeschlossen. Dieses Gas setzt den Elektrolyt unter Druck und führt zu einer Vergrößerung der Separator-Poren. Da sich die Separator-Poren vergrößern, kann sich leitfähiger Kohlenstoff zwischen Anode und Kathode bewegen und eine Leitungsbrücke bilden. An SEI (Solid Electrolyte Interphase) is formed during the initial charging process. This also leads to gas development. The gas is directed into a gas pocket in the pouch cell. If the pressure force exerted by the pressure plate is excessive, gas will be trapped between the electrode and the separator. This gas puts the electrolyte under pressure and causes the separator pores to enlarge. As the separator pores enlarge, conductive carbon can move between the anode and cathode and form a conduction bridge.

Die Elektronen bewegen sich durch diese Leitungsbrücke und führen zur Selbstentladung der Zelle.The electrons move through this conduction bridge and cause the cell to self-discharge.

Gaseinschlüsse und das Aufquellen der Zelle können eine unsymmetrische Reaktionskraft auf die Druckplatte verursachen. Dies führt zu einer elastischen Verformung, einer Verkippung beziehungsweise Schrägstellung der Druckplatte. Die Druckplatte ist in diesem Fall nicht mehr in der Lage, einen gleichmäßigen Druck auf die Pouch-Zelle auszuüben. Das bedeutet, dass die Druckplatte starr sein muss, um Verformungen zu verhindern und den vorgeschriebenen Druck auf die Oberfläche des Zellgehäuses auszuüben. Im Stand der Technik kann daher dauerhaft keine gleichmäßige Druckbeaufschlagung der Batteriezelle garantiert werden, weshalb jede Druckplatte regelmäßig mit einem Belastungssensor überprüft und kalibriert werden muss. Dies erhöht die Prozesszeit.Gas inclusions and cell swelling can cause an asymmetrical reaction force on the pressure plate. This leads to elastic deformation, tilting or inclination of the pressure plate. In this case, the pressure plate is no longer able to exert uniform pressure on the pouch cell. This means that the pressure plate must be rigid to prevent deformation and to apply the prescribed pressure to the surface of the cell housing. In the current state of the art, it is therefore not possible to guarantee consistent pressurization of the battery cell in the long term, which is why each pressure plate must be regularly checked and calibrated with a load sensor. This increases the process time.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Erstladeprozess im Stand der Technik die folgenden Nachteile aufweist: So führt eine zu niedrig eingestellte Druckkraft zu einer ungleichmäßigen Schwellung sowie zu einer Erhöhung des Innenwiderstands. Eine übermäßig große Druckkraft führt dazu, dass Beschichtungsspitzen in den Separator eindringen und die Poren vergrößern. Dies kann zu einem Kurzschluss oder einer Leitungsbrücke und damit zu einem Spannungsabfall führen. Eine übermäßig große Druckkraft kann auch zu Gaseinschlüssen führen, die die Poren vergrößern. Dadurch kann sich eine Leitungsbrücke bilden, die einen Spannungsabfall verursacht. Die Druckplatte kann aufgrund des eingeschlossenen Gasvolumens verformt werden, was zu einem ungleichmäßigen Druckbeaufschlagung des Zellgehäuses führt. Die Druckplatte muss daher regelmäßig auf Ebenheit und Parallelität überprüft werden. Normalerweise entwickelt sich zu Beginn des Ladevorgangs Gas. Die Gasentwicklung ist bis zu einer Batterieladung von etwa 10 % maximal. Danach nimmt die Gasentwicklung ab und es findet nur noch eine Schwellung statt. Die beiden unterschiedlichen Phänomene (Gasentwicklung und Zellschwellung) treten während der ersten Ladung bei unterschiedlichen Ladespannungen auf. Für die Gasentwicklung ist nur eine reduzierte, auf die Batteriezelle einwirkende Druckkraft erforderlich, während für die Zellquellung eine große Druckkraft erforderlich ist. Im Stand der Technik kann jedoch der derzeitige Betätigungsmechanismus der Druckplatte und des Elektromotors die Druckkraft nicht an diese beiden Phänomene anpassen. Dies führt zu Qualitätseinbußen während der Formation.In summary, it can be said that the initial charging process in the prior art has the following disadvantages: A pressure force that is set too low leads to uneven swelling and an increase in the internal resistance. Excessive pressure force will cause coating spikes to penetrate the separator and enlarge the pores. This can lead to a short circuit or a wire bridge and thus to a voltage drop. Excessive pressure can also lead to gas entrapment, which enlarges the pores. This can cause a wire bridge to form, causing a voltage drop. The pressure plate can be deformed due to the trapped gas volume, resulting in uneven pressurization of the cell housing. The pressure plate must therefore be checked regularly for flatness and parallelism. Normally, gas is developed at the beginning of the charging process. Gas development is maximum up to a battery charge of around 10%. Afterwards the gas production decreases and there is only swelling. The two different phenomena (gas evolution and cell swelling) occur during the first charge at different charging voltages. Only a reduced pressure force acting on the battery cell is required for gas evolution, while a large pressure force is required for cell swelling. However, in the prior art, the current operating mechanism of the pressure plate and the electric motor cannot adapt the pressure force to these two phenomena. This leads to a loss of quality during formation.

Die folgenden Lösungen sind bekannt, um die Effektivität der ersten Ladung zu erhöhen: Das Aufladen der Zelle erfolgt mit einer niedrigeren Stromrate, und zwar niedriger als der C-Wert von 0,3. Eine Entspannungszeit von etwa zwei Minuten zwischen Phase 1 (das heißt Gasentwicklung) und Phase 2 (das heißt Zellschwellung). Dies ermöglicht es dem eingeschlossenen Gas, in die Gastasche zu gelangen. Zudem kann die Prozesstemperatur auf 50°C erhöht werden, um den Ladeprozess und die SEI-Entwicklung zu beschleunigen. Jedoch führt die Entspannungszeit zwischen den Phasen 1 und 2 zu einer erhöhten Prozessdauer. Ferner wird mit einer erhöhten Temperatur zwar der Lade- und SEI-Entwicklungsprozess beschleunigt, jedoch erzeugt der Elektrolyt vermehrt Gas. Außerdem führt einer reduzierte Ladegeschwindigkeit zu einer Verringerung der Produktionsrate.The following solutions are known to increase the effectiveness of the first charge: The cell is charged at a lower current rate, lower than the C value of 0.3. A relaxation time of about two minutes between phase 1 (i.e. gas evolution) and phase 2 (i.e. cell swelling). This allows the trapped gas to pass into the gas pocket. In addition, the process temperature can be increased to 50°C to accelerate the charging process and SEI development. However, the relaxation time between phases 1 and 2 leads to increased process duration. Furthermore, with one Although the increased temperature accelerates the charging and SEI development process, the electrolyte produces more gas. In addition, a reduced loading speed leads to a reduction in the production rate.

Aus der WO 2021/183858 A1 ist ein Verfahren zur Druckbeaufschlagung auf elektrochemische Vorrichtungen bekannt. Aus der DE 10 2018 103 305 A1 ist ein Batteriemodul bekannt, wobei mit Hilfe eines Aktuators ein Anpressdruck auf die Batteriezellen des Batteriemoduls ausgeübt werden kann.From the WO 2021/183858 A1 a method for applying pressure to electrochemical devices is known. From the DE 10 2018 103 305 A1 A battery module is known, with the help of an actuator a contact pressure can be exerted on the battery cells of the battery module.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Prozessanordnung zur Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriezellen bereitzustellen, in dem der Formationsprozess im Vergleich zum Stand der Technik betriebssicherer sowie in kürzerer Prozessdauer durchführbar ist.The object of the invention is to provide a method and a process arrangement for the production of lithium-ion battery cells, in which the formation process can be carried out more reliably and in a shorter process time compared to the prior art.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The task is solved by the features of claim 1 or 9. Preferred developments of the invention are disclosed in the subclaims.

Die Erfindung geht von einem Formationsprozess bei der Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriezellen aus. Im Formationsprozess wird zumindest eine Batteriezelle einem ersten Ladevorgang unterworfen, in dem sich Lithium-Ionen in den Graphitstrukturen der Anode der Batteriezelle einlagern, und zwar unter Bildung einer Solide-Electrolyte-Interface (SEI) sowie unter Gasbildung. Während des Formationsprozesses wird die Batteriezelle in einer Formationsstation mittels zumindest eines Druckelementes mit einer Druckkraft beaufschlagt. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist das Druckelement ein piezoelektrisches Element beziehungsweise ein Piezoelement. Das Piezoelement kann in einem Regelkreis eingebunden sein, und zwar zusammen mit zumindest einem Kraftsensor, der die auf die Batteriezelle ausgeübte Ist-Druckkraft erfasst. Zudem ist im Regelkreis eine elektronische Steuereinheit eingebunden, die auf der Grundlage der erfassten Ist-Druckkraft und eines Sollwerts das Piezoelement ansteuert.The invention is based on a formation process in the production of lithium-ion battery cells. In the formation process, at least one battery cell is subjected to a first charging process in which lithium ions are deposited in the graphite structures of the anode of the battery cell, forming a solid electrolyte interface (SEI) and gas formation. During the formation process, the battery cell is subjected to a compressive force in a formation station by means of at least one pressure element. According to the characterizing part of claim 1, the pressure element is a piezoelectric element or a piezoelectric element. The piezo element can be integrated into a control loop, together with at least one force sensor that detects the actual pressure force exerted on the battery cell. In addition, an electronic control unit is integrated into the control circuit, which controls the piezo element based on the recorded actual pressure force and a setpoint.

Erfindungsgemäß kann die während der Formation auf die Batteriezellen wirkende Druckkraft aufgeteilt werden in eine insbesondere konstante Basis-Druckkraft und in eine variierende Zusatz-Druckkraft, die die konstante Basis-Druckkraft überlagert. Die Zusatz-Druckkraft kann mit Hilfe des Piezoelements erzeugt werden.According to the invention, the compressive force acting on the battery cells during formation can be divided into a particularly constant basic compressive force and a varying additional compressive force which is superimposed on the constant basic compressive force. The additional pressure force can be generated with the help of the piezo element.

Die Druckplatten mit den zwischengeordneten Batteriezellen können sich unabhängig voneinander bewegen. Sobald sie in Anlage mit den entsprechenden Zellen sind, wird eine minimale konstante Druckkraft (im Folgenden auch als Basis-Druckkraft bezeichnet) durch einen Spindeltrieb aufgebracht. Der Spindeltrieb ist so beschaffen, dass die Druckplatten auf die Zellen drücken, bis eine konstante Druckkraft auf die jeweilige Zelle ausgeübt wird. Anschließend wird der Spindeltrieb deaktiviert. Der Spindeltrieb wird solange betrieben, bis alle Druckplatten eine konstante Basis-Druckkraft auf die Batteriezellen ausüben. Die Zusatz-Druckkraft wird von dem Piezoelement erzeugt. Die auf die Batteriezellen wirkende Gesamt-Druckkraft wird durch Ansteuerung des Piezoelements variiert. Insbesondere wird die Gesamt-Druckkraft zwischen der Phase 1 (Gasentwicklung, geringe Druckkraft erforderlich) und der Phase 2 (Zellschwellung, große Druckkraft erforderlich) variiert. Das Piezoelement wird mittels einer elektronischen Steuereinheit angesteuert, das eine elektrische Spannung mit vorgegebener Frequenz an das Piezoelement anlegt. Dabei sind verschiedene Arten von Schwingungsbelastungen denkbar. So kann der Mittelwert der Schwingungsbelastung bei null liegen oder auf eine bestimmte Mindest-Druckkraft festgelegt sein. Das heißt, es besteht die Möglichkeit, die Zelle für kurze Millisekunden vollständig zu entspannen, oder es ist möglich, dass auch während der Entspannung immer ein Mindestdruck zugelassen wird.The pressure plates with the battery cells in between can move independently of each other. As soon as they are in contact with the corresponding cells, a minimum constant compressive force (hereinafter also referred to as basic compressive force) is applied by a spindle drive. The spindle drive is designed in such a way that the pressure plates press on the cells until a constant pressure force is exerted on the respective cell. The spindle drive is then deactivated. The spindle drive is operated until all pressure plates exert a constant basic pressure force on the battery cells. The additional pressure force is generated by the piezo element. The total pressure force acting on the battery cells is varied by controlling the piezo element. In particular, the total pressure force is varied between phase 1 (gas evolution, low pressure force required) and phase 2 (cell swelling, large pressure force required). The piezo element is controlled by an electronic control unit that applies an electrical voltage with a predetermined frequency to the piezo element. Different types of vibration loads are conceivable. The mean value of the vibration load can be zero or set to a certain minimum compressive force. This means that it is possible to completely relax the cell for short milliseconds, or it is possible that a minimum pressure is always permitted even during relaxation.

Es ist auch möglich, eine Entspannungsphase zwischen Phase 1 und Phase 2 bereitzustellen, in der keine Druckkraft angelegt ist. In diesem Fall wird die am Piezoelement das angelegte Spannung auf null gehalten. Die an mehreren Punkten positionierten Kraftsensoren können kontinuierlich Signale an die elektronische Steuereinheit ab. Darauf basierend wird die Spannung des Piezoelements variiert. Die Inline-Steuerung stellt sicher, dass während der verschiedenen Phasen der Aufladung (Schwellung) ein konstanter Druck auf die Pouch-Zelle wirkt. Der Druckplatten-Stapel der Formationsstation kann in einem Gehäuse eingehaust sein, in dessen Inneren die Temperatur mittels Heißluft erhöht werden kann. Auf diese Weise wird während der Ladephase eine gleichmäßige Temperatur im Inneren des Behälters erzeugt.It is also possible to provide a relaxation phase between phase 1 and phase 2 in which no compressive force is applied. In this case, the voltage applied to the piezo element is kept at zero. The force sensors positioned at several points can continuously send signals to the electronic control unit. Based on this, the voltage of the piezo element is varied. The inline control ensures that constant pressure acts on the pouch cell during the different phases of charging (swelling). The pressure plate stack of the formation station can be housed in a housing, inside of which the temperature can be increased using hot air. In this way, a uniform temperature is created inside the container during the charging phase.

Während der Formation sind die Batteriezellen Führungsstifte zwischen den Druckplatten platziert. Der Abstand zwischen den Druckplatten ist so groß, dass die Zelle mit einem Roboterarm zwischen den Druckplatten platziert werden kann. Jede der Druckplatten kann vier Durchgangslöcher mit Innengewinde aufweisen, die an den vier Druckplatten-Ecken positioniert sind. Die Druckplatten bewegen sich, sofern der Spindeltrieb vom Elektromotor angetrieben wird. Sobald die Druckplatten in Anlage mit den zwischengeordneten Batteriezellen kommen, wird durch eine weitere Bewegung der Druckplatten eine minimale Druckkraft (das heißt Basis-Druckkraft) auf die Zellen ausgeübt. Sobald die Basis-Druckkraft ein erforderliches Niveau erreicht hat, wird der Elektromotor deaktiviert, so dass die die Druckplatten nicht mehr weiter bewegen. Der Elektromotor kann drehmomentgesteuert sein. In diesem Fall kann der Elektromotor deaktiviert werden, sofern ein im Spindeltrieb aufgebautes Drehmoment größer als ein Grenzwert wird. Das bedeutet, dass die von den Druckplatten ausgeübte Basis-Druckkraft während der Formation konstant bleiben kann. Die Basis-Druckkraft reicht jedoch nicht aus, um eine ungleichmäßige Schwellung der Zelle zu verhindern. Sie reicht gerade aus, um die Druckplatten mit den zwischengeordneten Batteriezellen in Anlage zu bringen. Es ist auch möglich, dass die vom Spindeltrieb auf die Druckplatten ausgeübte Druckkraft gleich Null ist.During formation, the battery cell guide pins are placed between the pressure plates. The distance between the pressure plates is so large that the cell can be placed between the pressure plates using a robot arm. Each of the pressure plates may have four internally threaded through holes positioned at the four pressure plate corners. The pressure plates move as long as the spindle drive is driven by the electric motor. As soon as the pressure plates come into contact with the intermediate battery cells, further movement of the pressure plates exerts a minimal pressure force (i.e. basic pressure force) on the cells. As soon as the base Once the pressure force has reached the required level, the electric motor is deactivated so that the pressure plates can no longer move any further. The electric motor can be torque controlled. In this case, the electric motor can be deactivated if a torque built up in the spindle drive becomes greater than a limit value. This means that the base compressive force exerted by the pressure plates can remain constant during formation. However, the basic compressive force is not enough to prevent the cell from swelling unevenly. It is just enough to bring the pressure plates into contact with the intermediate battery cells. It is also possible that the pressure force exerted by the spindle drive on the pressure plates is zero.

Sobald die Basis-Druckkraft aufgebaut ist, wird das Piezoelement durch Anlegen einer Spannung angesteuert. Eine Änderung der Spannung führt zu einer Änderung der Zusatz-Druckkraft, die vom Piezoelement auf den Druckplatten-Stapel ausgeübt wird. Dabei sind verschiedene zyklische Belastungsmöglichkeiten möglich.As soon as the basic pressure force is built up, the piezo element is controlled by applying a voltage. A change in tension leads to a change in the additional compressive force exerted by the piezo element on the pressure plate stack. Various cyclic loading options are possible.

Die maximal erzeugbare Zusatz-Druckkraft des Piezoelements reicht aus, um eine gleichmäßige Schwellung sicherzustellen. Bei Erzeugung einer minimalen Zusatz-Druckkraft kann eingeschlossenes Gas aus der Batteriezelle abströmen. Es ist auch möglich, dass zwischen zwei Impulsen eine Entspannungszeit liegt, in der keine Zusatz-Druckkraft aufgebracht wird. Bevorzugt muss im erfindungsgemäßen Verfahren zwischen der Phase1 und der Phase 2 keine separate Relaxationszeit liegen. Die Phasen 1 und 2 sowie die Relaxationszeit werden in die zyklische Belastung integriert, die von der Piezoeinheit ausgeübt wird.The maximum additional pressure force that can be generated by the piezo element is sufficient to ensure uniform swelling. When a minimal additional pressure force is generated, trapped gas can flow out of the battery cell. It is also possible that there is a relaxation time between two pulses during which no additional pressure force is applied. In the method according to the invention, there preferably does not have to be a separate relaxation time between phase 1 and phase 2. Phases 1 and 2 as well as the relaxation time are integrated into the cyclic loading applied by the piezo unit.

Die Erstaufladung beginnt, sobald das Piezoelement den Druckplatten-Stapel mit der Zusatz-Druckkraft beaufschlagt. Das bedeutet, dass die Aufladung sowohl bei konstanter Basis-Druckkraft, als auch bei zyklisch variierender Zusatz-Druckkraft stattfindet, die der Basis-Druckkraft überlagert ist. Der Kraftsensor misst die Kraft und gibt ein Signal an die elektronische Steuereinheit zurück, die das Piezoelement ansteuert. Auf diese Weise wird der auf den Druckstapel mit zwischengeordneten Batteriezellen ausgeübte Druck auf dem angestrebten Wert gehalten.The initial charging begins as soon as the piezo element applies the additional pressure force to the pressure plate stack. This means that the charging takes place both with a constant basic pressure force and with cyclically varying additional pressure force that is superimposed on the basic pressure force. The force sensor measures the force and returns a signal to the electronic control unit, which controls the piezo element. In this way, the pressure exerted on the pressure stack with interposed battery cells is maintained at the desired value.

Die folgenden Unterschiede bestehen zwischen dem Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung: Es sind keine unterschiedlichen Phasen während der Formation (das heißt erster Ladevorgang) vorhanden. Die beiden Phasen 1 und 2 sowie die Entspannungszeit sind im piezoelektrischen Lastzyklus integriert. Es werden zwei Kraftkomponenten bereitgestellt, und zwar die Basis-Druckkraft (die auch null sein kann) und die sich zyklisch ändernde Zusatz-Druckkraft. Die Zusatz-Druckkraft wird während des Ladevorgangs durch die elektronische Steuereinheit kontrolliert. Der piezoelektrische Ladezyklus wird so gesteuert, dass die minimale Kraft des Piezoelements die Entfernung des eingeschlossenen Gases ermöglicht und die maximale Kraft ausreicht, um eine gleichmäßige Schwellung zu bewirken. Die Prozesstemperatur kann durch Heißluft in die Formationsstation oder durch Beheizen der Druckplatte mit Heizpatronen erreicht werden. Die Kraftsensoren können die Druckkraft an verschiedenen Positionen erfassen; jede Druckabweichung kann mittels der elektronischen Steuereinheit ausgeglichen werden, die das Piezoelement ansteuert. Beispielhaft können ein bis vier Piezoelemente sowie entsprechende Kraftsensoren eingesetzt werden. Die Druckplatten bewegen sich unabhängig voneinander mit Hilfe des Spindeltriebs. Sobald eine Soll-Druckkraft zwischen den Druckplatten erreicht ist, wird der Spindeltrieb deaktiviert.The following differences exist between the prior art and the present invention: There are no different phases during formation (i.e. initial loading). The two phases 1 and 2 as well as the relaxation time are integrated in the piezoelectric load cycle. Two force components are provided, namely the basic compressive force (which can also be zero) and the cyclically changing additional compressive force. The additional pressure force is controlled by the electronic control unit during the loading process. The piezoelectric charging cycle is controlled so that the minimum force of the piezo element allows the removal of the trapped gas and the maximum force is sufficient to cause uniform swelling. The process temperature can be achieved by blowing hot air into the formation station or by heating the printing plate with heating cartridges. The force sensors can detect the compressive force at different positions; Any pressure deviation can be compensated for by the electronic control unit that controls the piezo element. For example, one to four piezo elements and corresponding force sensors can be used. The pressure plates move independently of each other with the help of the spindle drive. As soon as a target pressure force between the pressure plates is reached, the spindle drive is deactivated.

Mit Hilfe des geschlossenen Regelkreises kann die Druckkraft während des Ladevorgangs zum Beispiel konstant gehalten werden, und zwar unabhängig von der Schwellung in verschiedenen Bereichen der Zelle. Die Druckplatten sind erfindungsgemäß ungeachtet der unterschiedlichen Dicken der Batteriezellen mit gleicher Druckkraft belastet.With the help of the closed control loop, the pressure force can be kept constant during the charging process, for example, regardless of the swelling in different areas of the cell. According to the invention, the pressure plates are loaded with the same pressure force regardless of the different thicknesses of the battery cells.

Erfindungsgemäß kann daher die Batteriezellen gleichmäßig komprimiert werden, und zwar auch bei ungleichmäßigen Schwellung. Zudem kann Gas entfernt werden, da erfindungsgemäß die Druckkraft nicht permanent übermäßig groß ist, um das Gas einzuschließen. Erfindungsgemäß sinkt die Produktionsrate nicht, da keine zusätzliche Entspannungszeit zwischen der ersten Phase der Aufladung (SEI-Entwicklung) und der zweiten Phase der Aufladung (Schwellung) erforderlich ist. Das Gas wird außerdem während einer geringeren Kraftamplitude der zyklischen Belastung entfernt. Dadurch kann es nicht zu einem OCV (Open Circuit Voltage Drop) aufgrund einer Leitungsbrücke kommen. Ferner wird eingeschlossenes Gas durch ausreichenden Kompressionsdruck, der während des oberen Kraftniveaus im Piezoelement entsteht, in die Gastasche bewegt - dies verursacht keinen Kapazitätsverlust. Der Kapazitätsverlust wird vielmehr durch Gas und ungleichmäßige Schwellung verursacht.According to the invention, the battery cells can therefore be compressed evenly, even with uneven swelling. In addition, gas can be removed since, according to the invention, the pressure force is not permanently excessively large in order to enclose the gas. According to the invention, the production rate does not decrease because no additional relaxation time is required between the first phase of charging (SEI development) and the second phase of charging (swelling). The gas is also removed during a lower force amplitude of the cyclic loading. This means that an OCV (Open Circuit Voltage Drop) cannot occur due to a line bridge. Furthermore, trapped gas is moved into the gas pocket by sufficient compression pressure created during the upper force level in the piezo element - this causes no loss of capacity. Rather, the loss of capacity is caused by gas and uneven swelling.

Die Zusatz-Druckkraft kann durch mehrere Piezoelemente erzeugt werden. Da die Zusatz-Druckkraft in einem geschlossenen Regelkreis gesteuert wird, ändert sich die Belastung unabhängig von Temperatur und Schwellung nicht. Dadurch wird der Coulomb'sche Wirkungsgrad nach der ersten Ladung und Entladung erhöht. Jede Zelle wird automatisch durch eine Druckplatte komprimiert, die sich mit Hilfe von Schrauben und Muttern vorwärts und rückwärts bewegt. Dies macht den Prozess automatisch und auch die minimale feste Kraft ist an jeder Ecke konstant. Die beiden Kraftkomponenten (zyklisch und konstant) können individuell gesteuert werden, so dass jede Ladungscharge aus unterschiedlichen Zellen bestehen kann, die unterschiedliche Ladeparameter benötigen. Die zyklische Kraft kann während des Ladezyklus variiert werden, was dem Ladeprozess mehr Flexibilität verleiht.The additional pressure force can be generated by several piezo elements. Since the additional pressure force is controlled in a closed loop, the load does not change regardless of temperature and swelling. This increases the Coulombic efficiency after the first charge and discharge. Each cell is automatically compressed by a pressure plate that moves forward and backward with the help of screws and nuts. This makes the process automatic and also the minimum fixed force is constant at each corner. The two force components (cyclic and constant) can be controlled individually so that each charge batch can consist of different cells that require different charging parameters. The cyclic force can be varied during the charging cycle, adding more flexibility to the charging process.

Nachfolgend sind wesentliche Erfindungsaspekte nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So kann die Formationsstation eine Basis-Druckeinheit und eine Zusatz-Druckeinheit aufweisen. Mit Hilfe der Basis-Druckeinheit kann die Batteriezelle mit einer insbesondere konstanten Basis-Druckkraft beaufschlagt werden. Mit Hilfe der Zusatz-Druckeinheit kann die Batteriezelle mit einer insbesondere einfach änderbaren Zusatz-Druckkraft beaufschlagt werden. Damit die Zusatz-Druckkraft in hoher Ansprechempfindlichkeit geändert werden kann, ist es bevorzugt, die Zusatz-Druckeinheit als eine Piezoeinheit mit darin integriertem Piezoelement zu realisieren, das in dem obigen Regelkreis eingebunden ist.Essential aspects of the invention are highlighted again in detail below: The formation station can have a basic printing unit and an additional printing unit. With the help of the basic pressure unit, the battery cell can be subjected to a particularly constant basic pressure force. With the help of the additional pressure unit, the battery cell can be subjected to an additional pressure force that can be easily changed. So that the additional pressure force can be changed with high responsiveness, it is preferred to implement the additional pressure unit as a piezo unit with an integrated piezo element, which is integrated in the above control circuit.

In einer technischen Umsetzung kann die Basis-Druckeinheit der Formationsstation einen Druckplatten-Stapel aufweisen. Der Druckplatten-Stapel ist aus einer Anzahl von in Kraftrichtung hintereinander angeordneten Druckplatten aufgebaut. Zwischen benachbarten Druckplatten kann jeweils eine Batteriezelle positioniert werden, um den Formationsprozess durchzuführen. Die Druckplatten können über einen Aktuator, insbesondere über zumindest einen Spindeltrieb, zwischen einem drucklosen Zustand und einem druckbeaufschlagten Zustand verstellt werden. Im druckbeaufschlagten Zustand sind die im Druckplatten-Stapel positionierten Batteriezellen mit der Basis-Druckkraft beaufschlagt.In a technical implementation, the base printing unit of the formation station can have a printing plate stack. The printing plate stack is made up of a number of printing plates arranged one behind the other in the direction of force. A battery cell can be positioned between adjacent pressure plates to carry out the formation process. The pressure plates can be adjusted between an unpressurized state and a pressurized state via an actuator, in particular via at least one spindle drive. In the pressurized state, the battery cells positioned in the pressure plate stack are subjected to the basic pressure force.

Der Spindeltrieb kann fertigungstechnisch einfach eine in Kraftrichtung verlaufende Gewindespindel aufweisen, die mit einem Elektromotor betreibbar ist. Die Gewindespindel kann in Gewindeeingriff mit jeder der Druckplatten sein. In diesem Fall können bei einer Drehbetätigung der Gewindespindel die Druckplatten in den druckbeaufschlagten Zustand überführt werden, indem die Druckplatten die Basis-Druckkraft auf die zwischengeordneten Batteriezellen ausüben.In terms of production technology, the spindle drive can simply have a threaded spindle running in the direction of force, which can be operated with an electric motor. The lead screw may be in threaded engagement with each of the pressure plates. In this case, when the threaded spindle is rotated, the pressure plates can be transferred to the pressurized state by the pressure plates exerting the basic pressure force on the intermediate battery cells.

Die als Zusatz-Druckeinheit wirkenden Piezoeinheit kann eine Trägerplatte aufweisen, die das zumindest eine Piezoelement trägt. Bevorzugt ist es, wenn die Trägerplatte ebenfalls in Gewindeeingriff mit der Gewindespindel ist und an einem Ende des Druckplatten-Stapels angeordnet ist. Bei Betätigung des Spindeltriebs können somit zunächst die Druckplatten in ihren druckbeaufschlagten Zustand gebracht werden, anschließend kann die Trägerplatte bis in Anlage mit dem Druckplatten-Stapelende gebracht werden. Der Formationsprozess (das heißt der Ladevorgang) startet, sobald das Piezoelement der Trägerplatte eine Zusatz-Druckkraft auf den Druckplatten-Stapel beaufschlagen kann. Der Elektromotor kann bevorzugt drehmomentgesteuert sein. Das heißt, dass der Druckaufbau im Druckplatten-Stapel durch den elektromotorischen Antrieb der Gewindespindel so lange erfolgt, bis eine Drehmomentgrenze erreicht ist. Mit Erreichen der Drehmomentgrenze wird der Elektromotor deaktiviert.The piezo unit acting as an additional pressure unit can have a carrier plate which carries the at least one piezo element. It is preferred if the carrier plate is also in threaded engagement with the threaded spindle and is arranged at one end of the printing plate stack. When the spindle drive is actuated, the printing plates can first be brought into their pressurized state, and then the carrier plate can be brought into contact with the end of the printing plate stack. The formation process (i.e. the loading process) starts as soon as the piezo element of the carrier plate can apply an additional pressure force to the printing plate stack. The electric motor can preferably be torque-controlled. This means that the pressure builds up in the printing plate stack by the electric motor drive of the threaded spindle until a torque limit is reached. When the torque limit is reached, the electric motor is deactivated.

Die Formationsstation kann zudem Führungsstifte aufweisen, die sich in Kraftrichtung erstrecken. Die Druckplatten, die Trägerplatte und/oder die Batteriezellen können entlang der Führungsstifte verkantungsfrei verlagert werden. In Doppelfunktion können die Führungsstifte zusätzlich elektrische Kontakte bilden, an denen die Batteriezellen in einem Ladestromkreis eingebunden werden können. Zudem kann die Formationsstation ein Anschlagelement aufweisen, gegen das der Druckplattenstapel beim Druckaufbau bis in den druckbeaufschlagten Zustand verstellt.The formation station can also have guide pins that extend in the direction of force. The pressure plates, the carrier plate and/or the battery cells can be moved along the guide pins without tilting. In a dual function, the guide pins can also form electrical contacts to which the battery cells can be integrated into a charging circuit. In addition, the formation station can have a stop element against which the printing plate stack is adjusted during pressure build-up until it reaches the pressurized state.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

  • 1 bis 7 jeweils Ansichten, anhand derer ein Verfahren beziehungsweise eine Prozessanordnung zur Fertigung einer Batteriezelle veranschaulicht ist;
  • 11 bis 17 jeweils Ansichten, anhand derer ein nicht von der Erfindung umfasstes Vergleichsbeispiel veranschaulicht ist.
An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the attached figures. Show it:
  • 1 until 7 each view illustrating a method or a process arrangement for producing a battery cell;
  • 11 until 17 each shows views which illustrate a comparative example not covered by the invention.

Im Hinblick auf ein einfacheres Verständnis der Erfindung wird zunächst Bezug auf die 11 bis 17 genommen, die einen nicht von der Erfindung umfassten Formationsprozess veranschaulichen. Demzufolge wird der Formationsprozess anhand einer Batteriepouchzelle 2 mit einem Zellgehäuse 1 aus Folienmaterial beschrieben. Die Batteriepouchzelle 2 ist in einer Formationsstation zwischen zwei Druckplatten 3 angeordnet und über nicht gezeigte Kontakte in einem Ladestromkreis eingebunden. Zur Vorbereitung der Formation wird die Zelle 2 mittels der beiden Druckplatten 3 mit einer Druckkraft F beaufschlagt. Während der Formation (erster Ladevorgang) lagern sich Lithium-Ionen in den Graphitstrukturen der Anode A ein. Hierbei wird die Solide-Electrolyte-Interface (SEI) gebildet, die eine Grenzschicht zwischen dem Elektrolyt und der Anode A darstellt. Im Formationsprozess kommt es zu einer Gasbildung in der Batteriezelle. Das Gas entweicht aufgrund der einwirkenden Druckkraft F in eine Gastasche 5 des Zellgehäuses 1 und sammelt sich dort. Anschließend wird der Bereich zwischen der Gastasche 5 und dem Zellgehäuse 1 gesiegelt sowie die Gastasche 5 vom Zellgehäuse 1 abgetrennt.With a view to a simpler understanding of the invention, reference is first made to 11 until 17 taken, which illustrate a formation process not covered by the invention. Accordingly, the formation process is described using a battery pouch cell 2 with a cell housing 1 made of film material. The battery pouch cell 2 is arranged in a formation station between two pressure plates 3 and integrated into a charging circuit via contacts not shown. To prepare the formation, the cell 2 is subjected to a compressive force F by means of the two pressure plates 3. During formation (first charging process), lithium ions are deposited in the graphite structures of anode A. This forms the solid electrolyte interface (SEI), which represents a boundary layer between the electrolyte and the anode A. During the formation process, gas is formed in the battery cell. The gas escapes due to the acting pressure force F into a gas pocket 5 of the cell housing 1 and collects there. The area between the gas pocket 5 and the cell housing 1 is then sealed and the gas pocket 5 is separated from the cell housing 1.

In der 12 und 13 ist eine Situation gezeigt, in der ein Gasvolumen 10 im Zellgehäuse 1 eingeschlossen ist und nicht mehr in die Gastasche 5 entweichen kann. Das Gasvolumen 10 verteilt sich in den Poren 12 (12) des Separator S sowie zwischen dem Separator S und den Elektroden A, K. Dies führt dazu, dass die untere Druckplatte 3 verkippt oder sich elastisch verformt. Mittels der verkippten beziehungsweise elastisch verformten unteren Druckplatte 3 ergeben sich im Zellgehäuse 1 Bereiche mit übermäßig großer Druckkraft und mit reduzierter Druckkraft. Eine reduzierte Druckkraft führt zu einer ungleichmäßigen Schwellung sowie zu einer Erhöhung des Innenwiderstands. Eine übermäßig große Druckkraft führt dazu, dass Beschichtungsspitzen 14 (16) in den Separator S eindringen und dessen Poren 12 vergrößern. Dies kann zu einem Kurzschluss oder einer Leitungsbrücke und damit zu einem Spannungsabfall führen. Aufgrund der vergrößerten Poren 12 kann sich eine Leitungsbrücke (17) bilden, die einen Spannungsabfall verursacht.In the 12 and 13 a situation is shown in which a gas volume 10 is enclosed in the cell housing 1 and can no longer escape into the gas pocket 5. The gas volume 10 is distributed in the pores 12 ( 12 ) of the separator S and between the separator S and the electrodes A, K. This causes the lower pressure plate 3 to tilt or to deform elastically. By means of the tilted or elastically deformed lower pressure plate 3, areas with excessively high pressure force and with reduced pressure force result in the cell housing 1. Reduced pressure force leads to uneven swelling and an increase in internal resistance. Excessive pressure force will cause coating tips 14 ( 16 ) penetrate into the separator S and enlarge its pores 12. This can lead to a short circuit or a wire bridge and thus to a voltage drop. Due to the enlarged pores 12, a conduction bridge ( 17 ) which causes a voltage drop.

In der 14 und 15 ist jeweils grob schematisch ein Aktivmaterial AM der Anode A mit leitfähigem Kohlenstoff C bei einer Druckkraft-Beaufschlagung gezeigt. In der 14 ist die auf das Aktivmaterial AM einwirkende Druckkraft F während des Erstladevorgang gezeigt. In der 15 ist ein Sachverhalt gezeigt, in dem bei zu kleiner Druckkraft F ein Schwellvorgang erfolgt. Demnach erfolgt der Schwellvorgang ungleichmäßig. Dies führt dazu, dass das Aktivmaterial AM Kontakt mit dem leitfähigen Kohlenstoff C verliert.In the 14 and 15 An active material AM of the anode A with conductive carbon C is shown roughly schematically when a compressive force is applied. In the 14 The compressive force F acting on the active material AM during the initial charging process is shown. In the 15 A situation is shown in which a swelling process occurs when the pressure force F is too small. Accordingly, the swelling process occurs unevenly. This causes the active material AM to lose contact with the conductive carbon C.

In der 16 ist ein Anoden-Separator-Kathoden-Schichtaufbau in einer Batteriezelle 2 angedeutet, der ebenfalls mit einer Druckkraft F beaufschlagt wird. Eine übermäßig große Druckkraft F führt dazu, dass ein Gasvolumen 10 nicht mehr in Richtung Gastasche 5 abströmt, sondern im Anoden-Separator-Kathoden-Schichtaufbau eingeschlossen wird. Das Gasvolumen 10 kann in die Separator-Poren 12 einströmen, wodurch diese sich vergrößern. Zudem führt eine übermäßig große Druckkraft F dazu, dass Beschichtungsspitzen 14 in den Separator S eindringen und dessen Poren 12 vergrößern.In the 16 an anode-separator-cathode layer structure in a battery cell 2 is indicated, which is also subjected to a compressive force F. An excessively large pressure force F means that a gas volume 10 no longer flows towards the gas pocket 5, but is enclosed in the anode-separator-cathode layer structure. The gas volume 10 can flow into the separator pores 12, causing them to enlarge. In addition, an excessively large pressure force F causes coating tips 14 to penetrate into the separator S and enlarge its pores 12.

Aufgrund der vergrößerten Separator-Poren 12 kann sich eine in der 17 angedeutete Migration von Kohlenstoffagglomeraten 16 durch den Separator S ergeben, da die Porengröße der vergrößerten Separator-Poren 12 nunmehr bei 50 nm liegen kann. Dies kann zu einem Kurzschluss oder einer Leitungsbrücke und damit zu einem OCV (Open Circuit Voltage Drop) aufgrund der Leitungsbrücke führen.Due to the enlarged separator pores 12, one can form in the 17 indicated migration of carbon agglomerates 16 through the separator S, since the pore size of the enlarged separator pores 12 can now be 50 nm. This can lead to a short circuit or a line bridge and thus to an OCV (Open Circuit Voltage Drop) due to the line bridge.

Im Gegensatz zu den 11 bis 17 ist in der 1 bis 3 eine erfindungsgemäße Formationsstation gezeigt. Diese weist einen Druckplatten-Stapel 7 aus insgesamt beispielhaft fünf Druckplatten 3 auf. Die Druckplatten 3 sind in einer Kraftrichtung hintereinander angeordnet, wobei zwischen benachbarten Druckplatten 3 jeweils eine Batteriezelle 2 zur Durchführung eines Formationsprozesses positioniert ist. Der Druckplatten-Stapel 7 ist zwischen einem ortsfesten Anschlagelement 9 und einer Trägerplatte 11 angeordnet, die Bestandteil einer später beschriebenen Piezoeinheit 13 ist.In contrast to the 11 until 17 is in the 1 until 3 a formation station according to the invention is shown. This has a printing plate stack 7 made up of, for example, a total of five printing plates 3. The pressure plates 3 are arranged one behind the other in a direction of force, with a battery cell 2 being positioned between adjacent pressure plates 3 to carry out a formation process. The printing plate stack 7 is arranged between a stationary stop element 9 and a carrier plate 11, which is part of a piezo unit 13 described later.

Die Druckplatten 3 können mit Hilfe eines Spindeltriebs 15 zwischen einem druckbeaufschlagten Zustand (4 oder 5) und einem drucklosen Zustand (1) in Kraftrichtung verlagert werden. Der Spindeltrieb 15 weist insgesamt vier Gewindespindeln 17 auf. Jede der Gewindespindeln 17 ist in Flucht zur Kraftrichtung ausgerichtet und mit einem Elektromotor 19 drehbetätigbar, der auf der von dem Druckplatten-Stapel 7 abgewandten Seite des Anschlagelementes 9 angeordnet ist. Die Gewindespindel 17 ist ohne Gewindeeingriff durch das Anschlagelement 9 sowie mit Gewindeeingriff durch die Druckplatten 3 und durch die Trägerplatte 11 geführt. Zudem weist die Formationsstation Führungsstifte 21 auf, die sich ebenfalls entlang der Kraftrichtung erstrecken. Die Batteriezellen 2 werden entlang der Führungsstifte 21 verkantungsfrei verlagert. Zudem bilden die Führungsstifte 21 elektrische Kontakte, an denen die Batteriezellen in einen Ladestromkreis einbindbar sind.The pressure plates 3 can be switched between a pressurized state ( 4 or 5 ) and an unpressurized state ( 1 ) can be shifted in the direction of force. The spindle drive 15 has a total of four threaded spindles 17. Each of the threaded spindles 17 is aligned with the direction of force and can be rotated by an electric motor 19, which is arranged on the side of the stop element 9 facing away from the pressure plate stack 7. The threaded spindle 17 is guided through the stop element 9 without threaded engagement and through the pressure plates 3 and through the carrier plate 11 with threaded engagement. In addition, the formation station has guide pins 21, which also extend along the direction of force. The battery cells 2 are displaced along the guide pins 21 without tilting. In addition, the guide pins 21 form electrical contacts at which the battery cells can be integrated into a charging circuit.

Wie bereits oben erwähnt, ist die Trägerplatte 11 Bestandteil einer Piezoeinheit 13. Die Piezoeinheit 13 weist neben der Trägerplatte 11 insgesamt vier Piezoelemente 23 auf, die mittels einer elektronischen Steuereinheit 25 ansteuerbar sind. Die elektronische Steuereinheit 25 ist in Signalverbindung mit Kraftsensoren 27, die am ortsfesten Anschlagelement 9 angeordnet sind. Mit Hilfe der Kraftsensoren 27 wird eine auf die Batteriezellen 2 beziehungsweise auf den Druckplatten-Stapel 7 ausgeübte Ist-Druckkraft Fist erfasst und ein entsprechendes Signal zur elektronischen Steuereinheit 25 geleitet. Die elektronische Steuereinheit 25 steuert auf der Grundlage der erfassten Ist-Druckkraft Fist und auf der Grundlage eines Sollwerts Fsoll die Piezoelemente 23 an.As already mentioned above, the carrier plate 11 is part of a piezo unit 13. In addition to the carrier plate 11, the piezo unit 13 has a total of four piezo elements 23, which can be controlled by an electronic control unit 25. The electronic control unit 25 is in signal connection with force sensors 27, which are arranged on the stationary stop element 9. With the help of the force sensors 27, an actual compressive force F exerted on the battery cells 2 or on the pressure plate stack 7 is detected and a corresponding signal is sent to the electronic control unit 25. The electronic control unit 25 controls the piezo elements 23 on the basis of the detected actual pressure force F actual and on the basis of a setpoint value F target .

Im Formationsprozess wirkt der Spindeltrieb 15 als eine Basis-Druckeinheit und die Piezoeinheit 13 als eine Zusatz-Druckeinheit. Mittels der Basis-Druckeinheit (Spindeltrieb 15) werden die Batteriezellen 2 mit einer insbesondere konstanten Basis-Druckkraft FB (4) beaufschlagt. Mit Hilfe der Piezoelemente 23 werden die Batteriezellen 2 zusätzlich mit einer über die elektronische Steuereinheit 25 einfach sowie mit hoher Ansprechempfindlichkeit änderbaren Zusatz-Druckkraft Fz (5) beaufschlagt. Beispielhaft kann während des Formationsprozesses die von den Piezoelementen 23 erzeugte Druckkraft Fz variiert werden, beispielhaft insbesondere sinusförmig oszilliert werden oder pulsartig bis auf null reduziert werden, und zwar mit einer vordefinierten Frequenz, so dass das Gas aus der Batteriezelle 2 in die Gastasche 5 entweichen kann.In the formation process, the spindle drive 15 acts as a basic printing unit and the piezo unit 13 acts as an additional printing unit. Using the basic Pressure unit (spindle drive 15), the battery cells 2 are supplied with a particularly constant base pressure force F B ( 4 ). With the help of the piezo elements 23, the battery cells 2 are additionally provided with an additional pressure force Fz (which can be easily changed via the electronic control unit 25 and with high responsiveness). 5 ). For example, during the formation process, the pressure force Fz generated by the piezo elements 23 can be varied, for example in particular oscillated sinusoidally or reduced in a pulsed manner to zero, at a predefined frequency, so that the gas can escape from the battery cell 2 into the gas pocket 5 .

In den 6 und 7 sind jeweils ein Ladestromkreis mit einem Piezoelement 23 und einem Ladegerät 24 angedeutet. Je nach Polarität der am Piezoelement 23 angelegten Spannung kann das Material des Piezoelements 23 expandieren (6) oder sich zusammenziehen (7). Anhand der 8 bis 10 sind Diagramme gezeigt, die unterschiedliche Kraft-ZeitVerläufe bei der Ansteuerung der Piezoelemente 23 während des Formationsprozesses andeuten. Gemäß der 8 wird mit Hilfe des Spindeltriebs 15 eine Minimumkraft beziehungsweise eine konstante Basis-Druckkraft FB, eingestellt, die über die Druckplatten 3 auf die Batteriezellen 2 wirkt. Im Unterschied dazu wird in der 8 von den Piezoelementen 23 keine konstante Zusatz-Druckkraft Fz bereitgestellt, sondern vielmehr eine sinusförmig oszillierende Zusatzkraft Fz, deren unterer Scheitel (Minimumwert) auf Höhe der konstanten Basis-Druckkraft FB liegt.In the 6 and 7 A charging circuit with a piezo element 23 and a charger 24 are indicated. Depending on the polarity of the voltage applied to the piezo element 23, the material of the piezo element 23 can expand ( 6 ) or contract ( 7 ). Based on 8th until 10 Diagrams are shown which indicate different force-time curves when controlling the piezo elements 23 during the formation process. According to the 8th With the help of the spindle drive 15, a minimum force or a constant basic pressure force F B is set, which acts on the battery cells 2 via the pressure plates 3. In contrast, in the 8th No constant additional compressive force Fz is provided by the piezo elements 23, but rather a sinusoidally oscillating additional force Fz, the lower peak (minimum value) of which is at the level of the constant basic compressive force F B.

Gemäß der 9 werden die Piezoelemente 23 pulsartig angesteuert, und zwar mit einem vordefinierten Zeitintervall Δt zwischen zwei Kraft-Impulsen, in dem die Piezoelemente 23 deaktiviert sind. In der 9 liegt die vom Spindeltrieb 15 erzeugte Basis-Druckkraft FB beispielhaft bei null, so dass vom Spindeltrieb 15 lediglich eine kraftfreie Anlage der Batteriezellen 2 mit den benachbarten Druckplatten 3 bereitgestellt wird. Während des Zeitintervalls Δt sind daher die Batteriezellen 2 vollständig kraftfrei.According to the 9 The piezo elements 23 are activated in a pulse-like manner, with a predefined time interval Δt between two force pulses, in which the piezo elements 23 are deactivated. In the 9 The base pressure force F B generated by the spindle drive 15 is, for example, zero, so that the spindle drive 15 only provides a force-free contact of the battery cells 2 with the adjacent pressure plates 3. During the time interval Δt, the battery cells 2 are therefore completely power-free.

In der 10 wird die von den Piezoelementen 23 erzeugte Zusatz-Druckkraft FZ sinusförmig variiert, wobei ein oberer Scheitel der Zusatz-Druckkraft FZ oberhalb der von dem Spindeltrieb 15 erzeugten Basis-Druckkraft FB liegt, während ein unterer Scheitel der sinusförmigen Zusatz-Druckkraft FZ kleiner als die Basis-Druckkraft FB ist.In the 10 the additional compressive force F Z generated by the piezo elements 23 is varied sinusoidally, with an upper peak of the additional compressive force F Z lying above the base compressive force F B generated by the spindle drive 15, while a lower peak of the sinusoidal additional compressive force F Z is smaller than the basic compressive force F B.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
ZellgehäuseCell casing
22
BatteriezellenBattery cells
33
Druckplattenprinting plates
55
Gastaschegas pocket
77
Druckplatten-StapelPrinting plate stack
99
Anschlagelementstop element
1010
eingeschlossenes Gasvolumentrapped gas volume
1111
Trägerplattecarrier plate
1212
Separator-PorenSeparator pores
1414
BeschichtungsspitzenCoating tips
1313
PiezoeinheitPiezo unit
1515
SpindeltriebSpindle drive
1616
KohlenstoffagglomerateCarbon agglomerates
1717
Gewindespindelthreaded spindle
1919
ElektromotorElectric motor
2121
FührungsstifteGuide pins
2323
PiezoelementePiezo elements
2424
Ladegerätcharger
2525
elektronische Steuereinheitelectronic control unit
2727
KraftsensorenForce sensors
FF
DruckkraftCompressive force
FZFZ
Zusatz-DruckkraftAdditional pressure force
FBFB
Basis-DruckkraftBasic compression force
FSollFSoul
SollwertSetpoint
FistFist
Ist-DruckkraftActual pressure force
AA
Anodeanode
KK
Kathodecathode
SS
Separatorseparator
AMAT THE
AktivmaterialActive material
CC
leitfähiger Kohlenstoffconductive carbon
ΔtΔt
Zeitintervalltime interval

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2021/183858 A1 [0009]WO 2021/183858 A1 [0009]
  • DE 102018103305 A1 [0009]DE 102018103305 A1 [0009]

Claims (9)

Verfahren zur Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriezellen (2), mit einem Formationsprozess, in dem zumindest eine Batteriezelle (2) einem Erstladevorgang unterworfen wird, in dem sich Lithium-Ionen in den Graphitstrukturen der Anode (A) der Batteriezelle einlagern unter Bildung einer Solide-Electrolyte-Interface (SEI) sowie unter Gasbildung, wobei während des Formationsprozesses die Batteriezelle (2) in einer Formationsstation mittels zumindest eines Druckelements (3), insbesondere einer Druckplatte, mit einer Druckkraft (FB, FZ) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckelement (3) ein piezoelektrisches Element (23) ist, und dass insbesondere das Piezoelement (23) in einem Regelkreis eingebunden ist mit zumindest einem Kraftsensor (27), der die auf die Batteriezelle (2) ausgeübte Ist-Druckkraft (Fist) erfasst, und mit einer elektronischen Steuereinheit (25), die auf der Grundlage der erfassten Ist-Druckkraft (Fist) und eines Sollwerts (Fsoll) das Piezoelement (23) ansteuert.Method for producing lithium-ion battery cells (2), with a formation process in which at least one battery cell (2) is subjected to an initial charging process in which lithium ions are deposited in the graphite structures of the anode (A) of the battery cell, forming a Solid electrolyte interface (SEI) and under gas formation, wherein during the formation process the battery cell (2) in a formation station is subjected to a compressive force ( FB , F Z ) by means of at least one pressure element (3), in particular a pressure plate, thereby characterized in that the pressure element (3) is a piezoelectric element (23), and in particular the piezo element (23) is integrated in a control loop with at least one force sensor (27), which measures the actual pressure force (2) exerted on the battery cell (2). F is ) is detected, and with an electronic control unit (25) which controls the piezo element (23) on the basis of the detected actual pressure force (F is ) and a setpoint (F should ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formationsstation eine Basis-Druckeinheit und eine Zusatz-Druckeinheit aufweist, und dass insbesondere mittels der Basis-Druckeinheit die Batteriezelle (2) mit einer insbesondere konstanten Basis-Druckkraft (FB) beaufschlagbar ist, und mittels der Zusatz-Druckeinheit die Batteriezelle (2) mit einer insbesondere änderbaren Zusatz-Druckkraft (Fz) beaufschlagbar ist, und dass insbesondere die Zusatz-Druckeinheit eine Piezoeinheit (13) mit darin integriertem Piezoelement (23) ist.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the formation station has a base pressure unit and an additional pressure unit, and that in particular by means of the base pressure unit the battery cell (2) can be acted upon with a particularly constant base pressure force (F B ), and by means of the additional Pressure unit, the battery cell (2) can be acted upon with a particularly changeable additional pressure force (Fz), and in particular the additional pressure unit is a piezo unit (13) with a piezo element (23) integrated therein. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis-Druckeinheit der Formationsstation einen Druckplatten-Stapel (7) mit einer Anzahl von in Kraftrichtung hintereinander angeordneten Druckplatten (3) aufweist, zwischen denen Batteriezellen (2) positionierbar sind, und dass die Druckplatten (3) über zumindest einen Spindeltrieb (15) zwischen einem drucklosen Zustand und einem druckbeaufschlagten Zustand verstellbar sind, in dem die Batteriezellen (2) mit der Basis-Druckkraft (FB) beaufschlagt sind.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the base printing unit of the formation station has a pressure plate stack (7) with a number of pressure plates (3) arranged one behind the other in the direction of force, between which battery cells (2) can be positioned, and that the pressure plates (3) have at least a spindle drive (15) can be adjusted between an unpressurized state and a pressurized state, in which the battery cells (2) are acted upon by the basic compressive force (F B ). Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spindelbetrieb (15) eine in Kraftrichtung verlaufende Gewindespindel (17) aufweist, die mit einem Elektromotor (19) betreibbar ist, und dass die Gewindespindel (17) in Gewindeeingriff mit jeder der Druckplatten (3) ist, so dass insbesondere bei einer Drehbetätigung der Gewindespindel (17) die Druckplatten (3) in den druckbeaufschlagten Zustand verstellbar sind, in dem die Druckplatten (3) die Basis-Druckkraft (FB) auf die zwischengeordneten Batteriezellen (2) ausüben.Procedure according to Claim 3 , characterized in that the spindle operation (15) has a threaded spindle (17) running in the direction of force, which can be operated with an electric motor (19), and that the threaded spindle (17) is in threaded engagement with each of the pressure plates (3), so that In particular, when the threaded spindle (17) is rotated, the pressure plates (3) can be adjusted into the pressurized state, in which the pressure plates (3) exert the basic pressure force (F B ) on the intermediate battery cells (2). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoeinheit (13) eine Trägerplatte (11) aufweist, die das Piezoelement (23) trägt, und dass die Trägerplatte (11) mittels des Spindeltriebs (15) bis in Anlage mit einem Druckplatten-Stapelende bringbar ist, und dass insbesondere die Trägerplatte (11) in Gewindeeingriff mit der Gewindespindel (17) ist.Procedure according to Claim 4 , characterized in that the piezo unit (13) has a carrier plate (11) which carries the piezo element (23), and that the carrier plate (11) can be brought into contact with a pressure plate stack end by means of the spindle drive (15), and that in particular the carrier plate (11) is in threaded engagement with the threaded spindle (17). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formationsstation Führungsstifte (21) aufweist, die sich in Kraftrichtung erstrecken, und dass die Druckplatten (3), die Trägerplatte (11) und/oder die Batteriezellen (2) entlang der Führungsstifte (21) verlagerbar sind, und dass insbesondere die Führungsstifte (21) zusätzlich elektrische Kontakte bilden, an denen die Batteriezellen (2) in einen Ladestromkreis eingebunden sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the formation station has guide pins (21) which extend in the direction of force, and that the pressure plates (3), the carrier plate (11) and / or the battery cells (2) along the guide pins ( 21) can be moved, and in particular the guide pins (21) additionally form electrical contacts on which the battery cells (2) are integrated into a charging circuit. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Formationsstation ein ortsfestes Anschlagelement (9) aufweist, gegen das sich der Druckplattenstapel (7) in den druckbeaufschlagten Zustand verstellt.Procedure according to one of the Claims 3 until 6 , characterized in that the formation station has a stationary stop element (9) against which the printing plate stack (7) is adjusted into the pressurized state. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Formationsprozesses die vom Piezoelement (23) erzeugte Druckkraft, insbesondere Zusatzdruckkraft (FZ), variiert wird, insbesondere sinusförmig oszilliert wird oder pulsartig bis auf null reduziert wird in einer vordefinierten Frequenz, so dass Gas aus der Batteriezelle (2) entweichen kann.Method according to one of the preceding claims, characterized in that during the formation process the compressive force generated by the piezo element (23), in particular additional compressive force (F Z ), is varied, in particular oscillated sinusoidally or reduced in pulses to zero at a predefined frequency, so on that gas can escape from the battery cell (2). Prozessanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Process arrangement for carrying out a method according to one of the preceding claims.
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