WO2016128176A1 - Design für feststoffzellen - Google Patents

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WO2016128176A1
WO2016128176A1 PCT/EP2016/050879 EP2016050879W WO2016128176A1 WO 2016128176 A1 WO2016128176 A1 WO 2016128176A1 EP 2016050879 W EP2016050879 W EP 2016050879W WO 2016128176 A1 WO2016128176 A1 WO 2016128176A1
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cell
conductor
symmetry
plane
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PCT/EP2016/050879
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Markus Kohlberger
Reiner Ramsayer
Ingo Kerkamm
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/54—Connection of several leads or tabs of plate-like electrode stacks, e.g. electrode pole straps or bridges
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a solid cell according to the preamble of claim 1 and a solid cell according to the preamble of the independent device claim.
  • Solid or solid or solid state batteries are currently of particular interest for both mobile and stationary applications. In these cells, liquid electrolytes are replaced by solid-state electrolytes. This may, for example, the risk of thermal
  • Solid Li ion batteries due to their internal structure and operation, namely by the deposit / deposition of lithium, in comparison to known Li-ion cells with liquid electrolyte increased expansion or increased shrinkage when loading and unloading the cell.
  • the expansion or shrinkage can be in the range of 10 to 40% elongation or shrinkage, depending on the cell structure.
  • such a solid cell has at least one cell layer with a first conductor layer and a second conductor layer, which are separated from each other at least by a separating layer.
  • the solid electrolyte may be made of a ceramic or of a glass-ceramic composite.
  • the anode and the cathode from the electrolyte through the release layer comprising, for example, a polymer-ceramic composite. Due to the separating layer, also called separator layer or separator, the charge transfer at the anode is improved and the cathode is connected electrochemically with the electrolyte.
  • the separator serves to reduce the electrical resistance.
  • the conductor layers namely the anode and the cathode, which are also referred to as current or anode or cathode current conductor are typically made of a thin film. On the anode side, this may be, for example, a copper or nickel foil, on the side of the cathode the conductor layer is usually an aluminum foil.
  • Typical interconnections are parallel or serial or series interconnections of the cell layers in the layer stack or multiple layer stacks with each other.
  • Typical interconnections are parallel or serial or series interconnections of the cell layers in the layer stack or multiple layer stacks with each other.
  • it is also known to interconnect cell winding in parallel or in series within the prismatic solid cell.
  • Solid state cells Solid state cells, cell stacks or pouch cells interconnecting the
  • a method for producing a solid cell in particular a Li-ion solid cell having all the features of claim 1, in particular the characterizing part proposed.
  • the object is further achieved by a solid cell, in particular a Li-ion solid cell, having the features of the independent
  • the inventive method for producing a solid cell in particular a Li ion solid cell, comprising at least one cell layer having a first conductor layer and a second conductor layer and at least one separation layer, wherein in each case the first conductor layer and the second conductor layer are electrically connected to a current conductor and / / or from the
  • Conductor layer and / or from the second conductor layer in each case a current conductor is designed includes the technical teaching that the cell layer has a plane of symmetry with an axis of symmetry, wherein the plane of symmetry is constructed symmetrically to the axis of symmetry, and that the current conductor arranged symmetrically to the axis of symmetry and are led out over the plane of symmetry on at least one side of the cell layer.
  • a solid cell should preferably be a solid state battery, or a
  • Solid state battery meaning a rechargeable battery
  • the solid cell has an anode, in particular in the form of a Li layer, an electrolyte layer which either comprises a ceramic or is made of glass or of a ceramic composite, and a cathode which has a comprises porous carbon layer.
  • the anode and the cathode are usually of the
  • the separator improves the charge transfer at the anode and the cathode is electrochemically connected to the electrolyte.
  • the separator also serves to reduce the electrical resistance.
  • the conductor layers of the anode and the cathode, which are connected to a current collector, or from which an anode current collector or cathode current conductor can be configured, are advantageously made of a thin film.
  • On the side of the anode it is advantageous, for example, to a copper or nickel foil.
  • On the side of the cathode is the
  • Conductor layer preferably configured in the form of an aluminum foil.
  • the cell layer In contrast to the known solid or solid state cells according to the invention, the cell layer, the at least one cathode side
  • Anode conductor layer (second conductor layer) comprises a (notional) plane of symmetry with an axis of symmetry. Since the plane of symmetry is constructed symmetrically to the axis of symmetry, the conductor layers, namely the
  • the cell layers or layer layers or cell layer levels stacked therefrom may be constructed by connecting the current conductors in a simple manner connected in parallel and / or in series with each other.
  • connection path for connecting or interconnecting the current conductors can be minimized (possibly even minimized absolutely).
  • the busbar or the current collector can advantageously serve as a departure to a consumer.
  • the current conductors which in each case are electrically connected to the conductor layers or the current conductors formed from the conductor layers, advantageously consist of a very thin foil
  • the current conductors of the cell layer or the layer stack are preferably used to form a parallel and / or series connection of the cell layers or layer stack advantageously by means of bonding, for example.
  • the electrical connection is advantageously carried out by means of an overlap.
  • Layer stack has a plane of symmetry that is symmetrical to a
  • Symmetryeachse is constructed, preferably the cell format of the solid cell or the cell layer or the layer stack is rectangular, square or round. With rectangular or square-shaped cell layers or layer stacks, the power density of the solid cell can be significantly increased.
  • Layer stack may also have any shape in which a plane of symmetry has an axis of symmetry, wherein the plane of symmetry is constructed symmetrically to the axis of symmetry. Accordingly, the side of the cell layer or the layer stack at which the current conductor on the
  • a current collector on one side of the Cell layer or of the layer stack and the other current collector on another, in particular adjacent side of the cell layer or the
  • Cell layers in a layer stack are connected in parallel with each other, preferably using a busbar or a current collector, it is advisable to arrange all the current conductors which are led out of the cell layers beyond the plane of symmetry from the anode conductor layer to one side of the cell layers of the layer stack. so that these are at least approximately congruent on one side of the layer stack one above the other in plan view of the layer stack.
  • the cathode conductor layer is then advantageously led out of the cell layer or the layer stack on another side of the cell layers or of the layer stack beyond the plane of symmetry.
  • this geometric arrangement of the current conductors on at least two sides of the cell layer or the layer stack offers.
  • such is suitable
  • the conductor layers configured from a continuous layer electrically connect the conductor layers of the cell layers stacked in the layer stack.
  • Layer stack of the solid cell is layered, deflections are advantageously formed between the conductor layers of electrically interconnected cell layers within a layer stack. These deflections in each case encompass the layers of the layer stack that are layered between two layers of a conductor layer.
  • the deflections are used as current conductors, wherein the current conductors are configured from the first conductor layer and / or the second conductor layer, and wherein the cell conductors of a layer stack or a plurality of layer stacks of one Solid cell can be connected in parallel or in series with each other electrically.
  • the current conductor formed from the conductor layer can also be formed within a cell layer module, namely a cell layer, as a current conductor from the anode conductor layer or the cathode conductor layer. In both cases, the current conductor of the foil material is the
  • the two cell layers are advantageously arranged relative to one another in such a way that they together form a plane of symmetry. Due to the jointly formed plane of symmetry and assuming that the current conductors of the two cell layers are led out to the same sides, results due to the jointly formed plane of symmetry, which is arranged as well as the current collector symmetrical to the axis of symmetry, in plan view of the layer stack, a congruent Overlay the current conductor of the two cell layers in the layer stack.
  • Layer stack lead out the current collector on the plane of symmetry of the cell layers, it is advantageous if at least one cell layer to another cell layer, which form the layer stack with each other, about an axis extending through the symmetry plane and orthogonal to the plane of symmetry symmetry axis is rotated, whereby a serial and / or parallel interconnection of the cell layers via the current conductor takes place.
  • a cathode current collector of a first cell layer can be brought to one side and advantageously at least approximately into coincidence with an anode current collector of a second cell layer, the layer stack being considered here in plan view of the plane of symmetry, so that the cell layers in the layer stack are, for example, via a current collector on one side of the layer stack can be connected in series with each other.
  • a stack of layers which is formed by cell layers which are rotated about an axis of symmetry orthogonal to the plane of symmetry, can also be easily constructed with a stack of layers constructed identically within a solid cell by connecting the current conductors of the one layer stack with the current conductors of the other layer stack in series.
  • the cell layers and thus the first
  • the current dischargers led out on the sides are then at 90 °, 180 ° or 270 ° to each other in the layer stack.
  • the symmetrical arrangement of the current conductors, which are led out of the cell layers centrally on the side beyond the plane of symmetry permits at least approximately complete coverage of the underlying or superimposed current conductors.
  • the current conductors can be variably aligned with each other, whereby a serial and / or parallel connection of the cell layers in a plane can be carried out in a simple manner.
  • This type of interconnection over at least two levels should be understood in the context of the present invention as a layer or plane jump.
  • Cell layers which together form a layer stack, are connected in parallel and / or in series with another layer stack.
  • the installation space created between the cell layers can advantageously be used to arrange the current collectors within this installation space and these with the current conductor of the cathode conductor layer and electrically connect the current conductor of the anode conductor layer.
  • the cell layer is a double-symmetrical design of the cell layer, namely with the plane of symmetry, which is symmetrical about the symmetry axis, and the symmetrical, ie in particular centrally, to the side over the plane of symmetry led out of the cell layer current conductor. Due to this configuration of the cell layer, not only can the cell layer be rotated between 0 and 360 ° about the axis of symmetry orthogonal to the plane of symmetry, but advantageously the Cell layer are mirrored over the plane passing through the symmetry plane symmetry axis. As a result, the accessibility to the contact joints, ie to the contact lugs or current conductors formed from the conductor layers, is advantageously simplified. If you want to interconnect the thus configured cell layers within a layer stack in series or series, it is sufficient that the
  • Cell layers by 90 ° to rotate about the symmetry plane orthogonal symmetry axis. By additionally mirroring the cell layer over the plane of symmetry, it is also advantageously possible to switch between a series connection and a parallel connection, for example within a layer stack or in one plane.
  • the double-symmetrical configuration of the cell layer advantageously permits a very flexible design of the cell layers interconnected on one level as well as the cell layers interconnected in a layer stack.
  • the object of the present invention is also achieved by a
  • Solid cell in particular a Li-ion solid cell, which is produced in particular by the novel process, with a first
  • Conductor layer and a second conductor layer and at least one separation layer wherein in each case the first conductor layer and the second conductor layer is electrically connected to a current conductor and / or in each case from the first
  • Conductor layer and / or the second conductor layer a current collector is designed.
  • the first conductor layer, the second conductor layer and the separation layer are arranged such that at least one plane of symmetry is formed having an axis of symmetry, wherein the plane of symmetry is symmetrical to the axis of symmetry, and that the current conductors symmetrical Arranged to the axis of symmetry and out beyond the plane of symmetry on at least one side out of the cell layer.
  • the solid cell according to the invention can be configured from only one cell layer, which is configured symmetrically as described.
  • the solid cell according to the invention advantageously has at least two cell layers and / or two layer stacks or cell layer plane stacks, which are electrically connected to one another via current conductors.
  • the two cell layers can advantageously lie in one plane, or can one above the other to a Layer stack to be stacked.
  • the layer stacks can advantageously comprise a plurality of cell layers stacked one above the other and electrically interconnected.
  • the layer stacks may, however, also be composed of a plurality of cell layers interconnected in one plane, which are connected via a layer jump to a next cell layer or cell layer plane lying in a lower or an upper plane, in which case the multiple layers thus formed in the sense of the present invention be understood as a cell layer level stack.
  • the cell layers, the layer stacks and the cell layers which form the layer stack or which are interconnected in a plane can be interconnected both in parallel and in series.
  • the Verschaltungsart within the solid cell can be flexibly changed or can be the Verschaltungsart within the cell layer, the interconnected cell layers in a plane or in several levels, or alternate between at least two layer stack variable between parallel and series connection.
  • Fig. 1 is a schematic view of a cell layer in plan view of the
  • FIG. 2A schematically in perspective view to a layer stack
  • FIG. 2B schematically in perspective view of a layer stack
  • Fig. 4 four interconnected in a plane cell layers, where two
  • Fig. 5 shows the interconnection diagram to those in the figure 4. interconnected
  • Fig. 6 is a schematic side view of a layer stack
  • FIG. 7 is a plan view of the layer stack of FIG. 6,
  • Fig. 8 is a plan view of a double-symmetrical ausgestaltet
  • FIG. 9 is a perspective view of a layer stack, in which the
  • Cell layers are rotated in layers by 90 ° about the axis of symmetry orthogonal through the plane of symmetry.
  • Figure 1 shows a schematic view of a cell layer 1 in plan view of the plane of symmetry SE, wherein the cell layer is designed for producing a solid cell according to the inventive method.
  • the cell layer 1 has a first conductor layer 2 and a second conductor layer 3. The first
  • Conductor layer 2 is separated from the second conductor layer 3 at least by a separating layer, not shown here.
  • the first conductor layer 2 is advantageously the cathode conductor layer, which is preferably made of aluminum foil.
  • the second conductor layer 3 is advantageously the anode conductor layer whose material is a copper or nickel foil.
  • Conductor layer 2 namely here advantageously the aluminum foil, is one
  • Symmetry axis AA is arranged symmetrically. As shown, the current conductors 4 and 5 are led out of the cell layer 1 beyond the plane of symmetry SE in the illustration on the upper side and on the left side. In the present case, the format of the cell layer 1 is square. The format of
  • Cell layer 1 can also be designed as a circle, triangle or any other shape in which the plane of symmetry SE is constructed symmetrically to the axis of symmetry AA. With the cell layer 1 shown in FIG. 1, a solid cell with only one cell layer 1 can already be produced. However, it is advantageous to interconnect the cell layer 1 with further cell layers 1 for producing a solid cell.
  • Figures 2A and 2B show schematically in a perspective view a plurality of cell layers 1, which are stacked to form a layer stack 10 and interconnected.
  • the symmetry axis AA is, as shown in FIGS. 2A and 2B, orthogonal to the planes of symmetry SE of the cell layers 1.
  • those formed from the first conductor layer 2 are
  • the current conductors 5 configured from the second conductor layer 3 are arranged on the left sides of the cell layers 1. Are the current diverter 4 formed from the first conductor layer 2, for example. Connected via a current collector 8 as shown in Figure 4, and are from the second conductor layer. 3 connected current conductor 5 connected together via a further current conductor 8, the cell layers 1 are connected in parallel in parallel to each other. Change the formed from the first conductor layer 2
  • FIG. 3 shows a plan view of four cell layers 1 interconnected in series in a plane.
  • the cell layers 1 are connected in series with one another, the current conductor 5, which is designed as a contact lug from the second conductor layer 3, to the current conductor 4, which is referred to as FIG. 3
  • Contact lug is configured, aligned and electrically connected to the second conductor layer.
  • the electrical connection of the two current conductors 4 and 5 takes place here by means of an overlap 6, which electrically contacts the current conductors 4 and 5 with each other.
  • a layer jump 7 the present at the overlap 6 between the two in the
  • FIG. 4 shows four cell layers 1 interconnected in a plane, wherein two cell layers 1 are connected in series and two cell layers 1 in parallel.
  • the two left cell layers 1 are connected in parallel to the two right cell layers 1, and the left upper cell layer 1 is connected in series with the lower cell layer 1.
  • the upper right cell layer 1 is as shown connected in series with the lower right cell layer 1.
  • the installation space centrally configured between the cell layers 1 serves to arrange the current collectors 8.
  • the upper current collector 8 is connected to the upper cell layers 1, namely to the current conductors 5 formed from the second conductor layer 3.
  • the lower current conductor 8 is connected to the first
  • Conductor layer 2 designed current conductor 4 connected.
  • FIG. 5 shows the circuit diagram of the cell layers 1 from FIG. 4 connected in series and parallel to one another.
  • FIG. 6 shows a cell layer stack 100 which is made up of a plurality of the cell layers interconnected in a cell layer plane 20 as shown in FIG.
  • a plurality of cell layer planes 20 are stacked and interconnected. Due to the mutual interconnection of the cell layers 1, namely the interconnection in
  • FIG. 7 shows a better illustration of the helical interconnection of the cell layer planes 20 interconnected via the layer transition 7
  • Cell layer plane stack 100 of Figure 6 in a plan view. As also described in advance for the cell layer plane 20 in FIG. 4, four cell layers 1 are interconnected in one cell layer plane 20. By changing the
  • Layer stack 10 advantageous and flexible can be implemented.
  • the interconnection of several cell layer planes 20, which are configured in a plane by interconnected cell layers 1, and wherein the cell layer planes 20 on the layer transition 7 to a Cell layer levels stack 100 interconnected, has the advantage that the large volume expansion, or volume shrinkage when loading or unloading the solid cell only very low on the load from the first conductor layer 2 and from the second conductor layer 3 designed Stromableiters 4 and 5 affects.
  • FIG. 8 shows a particularly advantageous variant of a cell layer plane 1, which is configured to produce a solid cell according to the method of the invention.
  • a cell layer plane 1 which is configured to produce a solid cell according to the method of the invention.
  • Symmetry plane SE symmetrical to the plane passing through the symmetry plane SE symmetry axis AA symmetrical, but also from the first conductor layer 2 and the second conductor layer 3 designed current conductors 4 and 5 are symmetrical, present to the upper side and to the left side of the cell layer, d. H. led out of the cell layer 1 centrally on the upper side and on the left side beyond the plane of symmetry SE.
  • Symmetry axis AA rotatable around. This results in an even more flexible possibility of interconnecting the cell layer 1 with other cell layers 1 in a layer stack 10 or in a cell layer plane 20. As already shown in the figures
  • 2A and 2B can be arranged by rotating the cell layer 1, in this case advantageously by 90 °, about the plane orthogonal to the plane of symmetry SE
  • Symmetry axis AA the interconnection between the cell layers 1 between series and parallel connection can be changed. This is possible both in the cell layer plane 20 and within a cell layer stack 10 or a cell layer plane stack 100.
  • FIG. 9 shows a cell layer stack 10, which is formed from a plurality of interconnected cell layers 1, in a side view.
  • the first conductor layer 2 is laid as a continuous film of a cell layer 1 to the next cell layer 1 and forms between the cell layers 1 deflections 9.
  • the deflections 9 are used advantageously as a current conductor for contacting to the outside or for interconnecting the layer stack 10 a further layer stack 10 within a solid cell.
  • the cell layers 1 are around the
  • Symmetry axis AA which is orthogonal to the plane of symmetry SE, rotated in layers by 90 °.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Feststoffzelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Feststoffzelle, mit wenigstens einer Zellschicht (1) mit einer ersten Leiterschicht (2) und einer zweiten Leiterschicht (3) und zumindest einer Trennschicht, wobei jeweils die erste Leiterschicht (2) und die zweite Leiterschicht (3) mit einem Stromableiter (4, 5) elektrisch verbunden werden und/oder aus der ersten Leiterschicht (2) und/oder der zweiten Leiterschicht (3) jeweils ein Stromableiter (4, 5) ausgestaltet wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Zellschicht (1) eine Symmetrieebene (SE) aufweist mit einer Symmetrieachse (AA), wobei die Symmetrieebene (SE) symmetrisch zu der Symmetrieachse (AA) aufgebaut ist, und dass die Stromableiter (4, 5) symmetrisch zu der Symmetrieachse (AA) angeordnet und über die Symmetrieebene (SE) hinaus an wenigstens einer Seite aus der Zellschicht (1) herausgeführt werden.

Description

Beschreibung Titel
Design für Feststoffzellen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Feststoffzelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Feststoffzelle nach dem Oberbegriff vom unabhängigen Vorrichtungsanspruch.
Stand der Technik
Feststoffzellen bzw. Feststoff- oder Festkörperbatterien sind derzeit sowohl für mobile als auch für stationäre Anwendungen von besonderem Interesse. Bei diesen Zellen sind flüssige Elektrolyten durch Festkörperelektrolyten (Solid-State- Electrolyte) ersetzt. Dadurch kann bspw. das Risiko eines thermischen
Durchgehens/Brennens (thermal runaway) sowie eine Explosion der
Feststoffzelle verringert und dabei die Sicherheit und die Zyklenbeständigkeit der Batterie erhöht werden.
Jedoch haben die Feststoffzellen, bspw. Festkörper- Li- Ionen- Batterien bedingt durch ihren inneren Aufbau und ihre Funktionsweise, nämlich durch die Ein-/ Ablagerung von Lithium, eine im Vergleich zu bekannten Li-Ionen-Zellen mit flüssigen Elektrolyten erhöhte Ausdehnung bzw. ein erhöhtes Schrumpfen beim Laden und Entladen der Zelle. Die Ausdehnung bzw. Schrumpfung kann je nach Zellaufbau im Bereich von 10 bis 40 % Dehnung bzw. Schrumpfung liegen.
Im einfachsten Fall weist eine solche Feststoffzelle wenigstens eine Zellschicht mit einer ersten Leiterschicht und einer zweiten Leiterschicht auf, die zumindest durch eine Trennschicht voneinander getrennt sind. Insbesondere kann dabei der Festkörperelektrolyt aus einem keramischen oder aus einem Glas-Keramik- Komposite ausgestaltet sein. Zudem ist es bekannt, die Anode und die Kathode von dem Elektrolyten durch die Trennschicht, die bspw. einen Polymer-Keramik- Verbundstoff umfasst, zu trennen. Durch die Trennschicht, auch Separator- Schicht oder Separator genannt, wird der Ladungstransfer an der Anode verbessert und die Kathode wird elektrochemisch mit den Elektrolyten verbunden. Zudem dient der Separator dazu, den elektrischen Widerstand zu verringern. Die Leiterschichten, nämlich die Anode und die Kathode, die auch als Stromableiter bzw. Anoden-Stromableiter oder Kathoden-Stromableiter bezeichnet werden, sind typischerweise aus einer dünnen Folie hergestellt. Auf Seiten der Anode kann es sich dabei bspw. um eine Kupfer- oder Nickelfolie handeln, auf der Seite der Kathode handelt es sich bei der Leiterschicht üblicherweise um eine Aluminiumfolie.
Um die Feststoffzelle an deren Anforderungen anzupassen, nämlich zur
Erhöhung der Spannung, Stromstärke bzw. Kapazität, ist es bekannt, mehrere Zellschichten zu einem Schichtstapel aufeinander zu schichten. Dabei ist eine Verschaltung der Zellschichten in dem Schichtstapel, und dabei insbesondere die Verschaltung der Schichten aus Stromsammler, Festkörperelektrolyten und Separator notwendig.
Typische Verschaltungen sind Parallel- oder Serien- bzw. Reihenverschaltungen der Zellschichten in dem Schichtstapel oder mehrerer Schichtstapel miteinander. Zur Erhöhung der Spannung, Stromstärke bzw. Kapazität von prismatischen Li- lonen-Zellen ist es auch bekannt, Zellwickel parallel oder in Reihe innerhalb der prismatischen Feststoffzelle zu verschalten.
Jedoch ist bei den bekannten Feststoffzellen die Parallel- oder
Serienverschaltung aufgrund der Geometrie und Ausgestaltung der Zellschichten bzw. der Schichtstapel und insbesondere aufgrund der Anordnung der
Stromableiter extrem aufwendig und dadurch herstellungskostenintensiv. Zudem benötigen die bekannten Verschaltungsvarianten viel Bauraum, der zudem noch erhöht werden muss, um die 10- bis 40%-ige Dehnung bzw. Schrumpfung der Zellschichten bzw. der Schichtstapel innerhalb der Feststoffzelle zu
gewährleisten. Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei Nutzung der Vorteile der
Festkörperzellen, Zellstapel oder Pouch-Zellen die Verschaltung der
Zellschichten oder der Schichtstapel zu vereinfachen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung einer Feststoffzelle, insbesondere einer Li- Ionen- Feststoffzelle mit sämtlichen Merkmalen des Anspruchs 1, insbesondere des kennzeichnenden Teils, vorgeschlagen. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Feststoffzelle, insbesondere eine Li- lonen- Feststoffzelle, mit den Merkmalen des unabhängigen
Vorrichtungsanspruchs, insbesondere dessen kennzeichnenden Teils.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Verfahrensansprüchen, den abhängigen Vorrichtungsansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen
Feststoffzelle und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Feststoffzelle, insbesondere eine Li- Ionen- Feststoffzelle, mit wenigstens einer Zellschicht mit einer ersten Leiterschicht und einer zweiten Leiterschicht und zumindest einer Trennschicht, wobei jeweils die erste Leiterschicht und die zweite Leiterschicht mit einem Stromableiter elektrisch verbunden werden und/oder aus der
Leiterschicht und/oder aus der zweiten Leiterschicht jeweils ein Stromableiter ausgestaltet wird, schließt die technische Lehre ein, dass die Zellschicht eine Symmetrieebene aufweist mit einer Symmetrieachse, wobei die Symmetrieebene symmetrisch zu der Symmetrieachse aufgebaut ist, und dass die Stromableiter symmetrisch zu der Symmetrieachse angeordnet und über die Symmetrieebene an wenigstens einer Seite aus der Zellschicht herausgeführt werden.
Als Feststoffzelle soll vorzugsweise eine Festkörperbatterie, bzw. ein
Festkörperakkumulator (gemeint ist eine wiederaufladbare Batterie) verstanden werden. Im Falle einer Li- Ionen- Batterie weist die Feststoffzelle eine Anode insbesondere in Form einer Li-Schicht auf, eine Elektrolytschicht, die entweder eine Keramik aufweist bzw. aus Glas oder aber aus einem Keramik- Komposite ausgestaltet ist, sowie eine Kathode, die eine poröse Kohlenstoffschicht umfasst. Bei diesem Aufbau sind die Anode und die Kathode in der Regel von dem
Elektrolyten durch eine Separatorschicht (Separator), welche bspw. einen Polymer- Keramik- Verbundstoff umfasst, getrennt. Durch den Separator wird der Ladungstransfer an der Anode verbessert und die Kathode wird elektrochemisch mit dem Elektrolyten verbunden. Darüber hinaus dient der Separator auch dazu, den elektrischen Widerstand zu verringern.
Die Leiterschichten der Anode und der Kathode, die mit einem Stromableiter verbunden werden, bzw. aus denen ein Anoden-Stromableiter bzw. Kathoden- Stromableiter ausgestaltet werden kann, sind vorteilhafterweise aus einer dünnen Folie hergestellt. Auf Seiten der Anode handelt es sich dabei vorteilhaft bspw. um eine Kupfer- oder Nickelfolie. Auf Seite der Kathode wird die
Leiterschicht vorzugsweise in Gestalt einer Aluminiumfolie ausgestaltet.
Im Gegensatz zu den bekannten Feststoff- bzw. Festkörperzellen weist erfindungsgemäß die Zellschicht, die wenigstens kathodenseitig eine
Kathodenleiterschicht (erste Leiterschicht) und anodenseitig eine
Anodenleiterschicht (zweite Leiterschicht) umfasst, eine (fiktive) Symmetrieebene mit einer Symmetrieachse auf. Da die Symmetrieebene symmetrisch zu der Symmetrieachse aufgebaut ist, werden die Leiterschichten, nämlich die
Kathodenleiterschicht und die Anodenleiterschicht, bzw. die daraus
ausgestalteten Stromableiter, symmetrisch zu der Symmetrieachse angeordnet. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus der Zellschicht und der symmetrischen Anordnung der Stromableiter, können die Zellschichten bzw. daraus symmetrisch aufgebaute Schichtstapel oder Zellschichtebenenstapel (im Folgenden auch als Schichtstapel bezeichnet) durch Verbinden der Stromableiter in einfacher Weise parallel und/oder in Reihe miteinander geschaltet werden. Die symmetrische Ausgestaltung der Zellschichten bzw. der Schichtstapel und die symmetrische Anordnung der Stromableiter, die über die Symmetrieebene hinaus an wenigstens einer Seite aus der Zellschicht herausgeführt werden, vereinfacht dabei auch das Design einer Stromschiene bzw. eines Stromsammlers (current collector) über den die Zellschichten oder auch die Schichtstapel parallel und/oder in Reihe miteinander verschaltet und elektrisch verbunden werden. Hierbei kann die Verbindungsstrecke zur Verbindung bzw. Verschaltung der Stromableiter minimiert (ggf. sogar absolut minimiert) werden. Die Stromschiene bzw. der Stromsammler kann dabei vorteilhaft als Abgang zu einem Verbraucher dienen. Da die Stromableiter, die jeweils elektrisch mit den Leiterschichten verbunden werden bzw. die aus den Leiterschichten gebildeten Stromableiter, vorteilhaft aus einer sehr dünnen Folie bestehen, werden vorzugsweise die Stromableiter der Zellschicht bzw. des Schichtstapels zur Ausgestaltung einer Parallel- und/oder Reihenverschaltung der Zellschichten bzw. Schichtstapel vorteilhaft mittels Bonding bspw. durch Ultraschallverschweißen elektrisch miteinander oder mit dem Stromsammler verbunden. Die elektrische Verbindung erfolgt dabei vorteilhaft mittels eines Überlapps. Da bei Herstellung der Feststoffzelle erfindungsgemäß die Zellschicht bzw. der
Schichtstapel eine Symmetrieebene aufweist, die symmetrisch zu einer
Symmetrieachse aufgebaut ist, ist vorzugsweise das Zellformat der Feststoffzelle bzw. der Zellschicht oder des Schichtstapels rechteckförmig, quadratförmig oder rundförmig. Bei rechteckförmigen oder quadratförmigen Zellschichten oder Schichtstapeln kann die Leistungsdichte der Feststoffzelle deutlich erhöht werden. Das Zellformat der Feststoffzelle bzw. der Zellschicht oder des
Schichtstapels kann darüber hinaus jegliche Form aufweisen, bei der eine Symmetrieebene eine Symmetrieachse aufweist, wobei die Symmetrieebene symmetrisch zu der Symmetrieachse aufgebaut ist. Entsprechend kann die Seite der Zellschicht oder des Schichtstapels, an der der Stromableiter über die
Symmetrieebene hinaus aus der Zellschicht hinausgeführt wird, linear und/oder kreisbogenförmig ausgestaltet sein.
Um die Reihen- bzw. Parallelverschaltung der Zellschichten bzw. der
Schichtstapel zu erleichtern, wird bevorzugt ein Stromableiter an einer Seite der Zellschicht oder des Schichtstapels und der andere Stromableiter an einer anderen, insbesondere benachbarten Seite der Zellschicht oder des
Schichtstapels aus der Zellschicht herausgeführt. Sollen bspw. mehrere
Zellschichten in einem Schichtstapel parallel miteinander verschaltet werden, wobei vorzugsweise eine Stromschiene oder ein Stromsammler verwendet wird, bietet es sich an, sämtliche Stromableiter, die von der Anodenleiterschicht über die Symmetrieebene hinaus aus den Zellschichten herausgeführt werden, an einer Seite der Zellschichten des Schichtstapels anzuordnen, so dass diese in Draufsicht auf den Schichtstapel zumindest näherungsweise deckungsgleich an einer Seite des Schichtstapels übereinander liegen. Die Stromableiter der
Kathodenleiterschicht, werden dann vorteilhafterweise auf einer anderen Seite der Zellschichten oder des Schichtstapels über die Symmetrieebene hinaus aus der Zellschicht oder dem Schichtstapel herausgeführt. Insbesondere bietet sich diese geometrische Anordnung der Stromableiter auf wenigstens zwei Seiten der Zellschicht bzw. des Schichtstapels an. Insbesondere eignet sich eine solche
Ausgestaltung von an zwei unterschiedlichen und insbesondere an vier unterschiedlichen Seiten über die Symmetrieebene hinaus aus den Zellschichten herausgeführten Stromableiter, wenn die Anodenleiterschicht und die
Kathodenleiterschicht als durchgängige Schicht, bspw. als flexible Bahnen, in die Zellschichten des Schichtstapels eingelegt werden. Bei dieser Ausgestaltung eines Schichtstapels mit mehreren Zellschichten verbinden die aus einer durchgängigen Schicht ausgestalteten Leiterschichten, die Leiterschichten der in dem Schichtstapel gestapelten Zellschichten elektrisch miteinander. Beim Einlegen der flexiblen Bahn, die vorteilhaft als durchgängige Schicht in den
Schichtstapel der Feststoffzelle geschichtet wird, werden vorteilhafterweise Umlenkungen zwischen den Leiterschichten von miteinander elektrisch verbundenen Zellschichten innerhalb eines Schichtstapels gebildet. Diese Umlenkungen umgreifen dabei jeweils die zwischen zwei Schichten einer Leiterschicht geschichteten Schichten des Schichtstapels.
In vorteilhafter Weise werden die Umlenkungen als Stromableiter verwendet, wobei die Stromableiter aus der ersten Leiterschicht und/oder der zweiten Leiterschicht ausgestaltet sind, und wobei über die Stromableiter vorteilhaft die Zellschichten eines Schichtstapels oder mehrere Schichtstapel einer Feststoffzelle parallel oder in Reihe elektrisch miteinander verbunden werden können. Der aus der Leiterschicht gebildete Stromableiter kann aber auch nur innerhalb eines Zellschichtmoduls, nämlich einer Zellschicht, als Stromableiter aus der Anodenleiterschicht oder der Kathodenleiterschicht gebildet werden. In beiden Fällen ist der Stromableiter aus dem Folienmaterial der
Anodenleiterschicht und der Kathodenleiterschicht ausgestaltet.
Werden wenigstens zwei Zellschichten zu einem Schichtstapel gestapelt, werden in vorteilhafter Weise die beiden Zellschichten derart zueinander angeordnet, dass diese gemeinsam eine Symmetrieebene bilden. Aufgrund der gemeinsam gebildeten Symmetrieebene und unter Voraussetzung, dass die Stromableiter der beiden Zellschichten zu den gleichen Seiten herausgeführt werden, ergibt sich aufgrund der gemeinsam gebildeten Symmetrieebene, die wie auch die Stromableiter symmetrisch zu der Symmetrieachse angeordnet ist, in Draufsicht auf den Schichtstapel, eine deckungsgleiche Überlagerung der Stromableiter der beiden Zellschichten in dem Schichtstapel.
Möchte man alternierend, d. h. abwechselnd auf mehreren Seiten des
Schichtstapels die Stromableiter über die Symmetrieebene aus den Zellschichten herausführen, ist es vorteilhaft, wenn wenigstens eine Zellschicht zu einer anderen Zellschicht, die den Schichtstapel miteinander bilden, um eine mittig durch die Symmetrieebene verlaufende und zu der Symmetrieebene orthogonal liegende Symmetrieachse gedreht wird, wodurch eine serielle und/oder parallele Verschaltung der Zellschichten über die Stromableiter erfolgt. Durch die Drehung der Zellschichten um die zu der Symmetrieebene orthogonal liegende
Symmetrieachse kann bspw. ein Kathodenstromableiter einer ersten Zellschicht auf eine Seite und vorteilhaft zumindest näherungsweise in Deckung mit einem Anodenstromableiter einer zweiten Zellschicht gebracht werden, wobei hier der Schichtstapel in Draufsicht auf die Symmetrieebene betrachtet wird, so dass die Zellschichten in dem Schichtstapel über beispielsweise einen Stromsammler auf einer Seite des Schichtstapels miteinander in Reihe geschaltet werden können. Ein derart aufgebauter Schichtstapel, der durch Zellschichten, die um eine durch die Symmetrieebene orthogonal liegende Symmetrieachse gedreht sind, gebildet wird, lässt sich in einfacher Weise auch mit einem dazu gleich aufgebauten Schichtstapel innerhalb einer Feststoffzelle durch Verbinden der Stromableiter des einen Schichtstapels mit den Stromableitern des anderen Schichtstapels in Reihe schalten.
In vorteilhafter Weise werden die Zellschichten, und damit auch der erste
Stromableiter zu dem zweiten Stromableiter, welche über die Symmetrieebene hinaus aus den Zellschichten geführt werden, um wenigstens 90° um die orthogonal durch die Symmetrieebene verlaufende Symmetrieachse gedreht. Ganz allgemein, ist eine Drehung der Zellschichten innerhalb des Schichtstapels um die orthogonal durch die Symmetrieebene verlaufende Symmetrieachse in einem Drehwinkelbereich von 0° bis 360° möglich. Das Drehen der Zellschichten um die Symmetrieachse dient vorteilhaft auch dazu, um bspw. Stromableiter, die auf einer Seite des Schichtstapels aus den Zellschichten herausgeführt werden, deckungsgleich übereinander zu bringen bzw. zu legen. Für ein besonders vorteilhaftes verschaltungsfreundliches Design der
Zellschichten, ist es vorteilhaft, wenn die Stromableiter symmetrisch, d. h.
insbesondere mittig an der Seite aus der Zellschicht herausgeführt werden. Beim Aufeinanderschichten zu Schichtstapeln liegen dann die an den Seiten herausgeführten Stromableiter um 90°, 180° oder 270° zueinander in dem Schichtstapel. Zudem erlaubt die symmetrische Anordnung der Stromableiter, die mittig an der Seite über die Symmetrieebene hinaus aus den Zellschichten herausgeführt werden, eine zumindest näherungsweise vollständige Deckung der unter- oder übereinander liegenden Stromableiter. Eine Verschaltung von zwei oder mehreren Zellschichten in Reihe und/oder parallel über die über die Symmetrieebene hinaus aus den Zellschichten herausgeführten Stromableiter kann vorteilhaft in einer, d. h. in der gleichen Ebene erfolgen, wodurch eine Feststoffzelle mit einem besonders flachen Design, aber mit erhöhter Spannung und Stromstärke/Kapazität ausgeführt werden kann. Dabei können vorteilhaft aufgrund der Symmetrie der Zellschichten die Stromableiter variabel zueinander ausgerichtet werden, wodurch eine serielle und/oder parallele Verschaltung der Zellschichten in einer Ebene auf einfache Art durchführbar ist. Natürlich ist es auch denkbar, die in einer Ebene verschalteten Zellschichten in eine weitere darunter oder darüber liegende Ebene weiter zu führen, nämlich die in einer Ebene verschalteten Zellschichten mit einer oder mehreren darüber liegenden Zellschichten parallel oder in Reihe zu verschalten. Diese Art der Verschaltung über zumindest zwei Ebenen soll im Sinne der vorliegenden Erfindung als Lagen- oder Ebenensprung verstanden werden. Natürlich können die so aus einer in die nächste Ebene verschalteten
Zellschichten, die gemeinsam einen Schichtstapel bilden, mit einem weiteren Schichtstapel parallel und/oder in Reihe geschaltet werden.
Werden vorzugsweise vier Zellschichten in einer Ebene miteinander verschaltet, wobei bspw. zwei Zellschichten parallel und zwei Zellschichten dazu in Reihe geschaltet werden, kann der zwischen den Zellschichten entstehende Bauraum vorteilhaft dazu genutzt werden, die Stromsammler innerhalb dieses Bauraums anzuordnen und diese mit dem Stromableiter der Kathodenleiterschicht und dem Stromableiter der Anodenleiterschicht elektrisch zu verbinden.
Die Verschaltung von mehreren Zellschichten in einer Ebene, in Parallel- und/oder in Reihenschaltung, die über Stromableiter, Kontaktstellen und/oder über den Stromsammler mit weiteren Zellschichten, die in unteren oder oberen Ebenen dazu liegen, erfolgt, ermöglicht flexible Verschaltungsvarianten innerhalb eines über mehrere Ebenen aus miteinander verschalteten Zellschichten gebildeten Schichtstapels. Zudem hat diese Verschaltung von mehreren
Zellschichten in einer Ebene, die über einen Lagensprung mit weiteren
Zellschichten in darüber oder darunter liegenden Ebenen verschaltet werden, den vorteilhaften Effekt, dass sich die Ausdehnung bzw. die Schrumpfung beim Laden oder Entladen der Feststoffzelle nur sehr gering auf die Kontaktstellen zwischen den einzelnen Zellschichten auswirkt, wobei die Kontaktstellen vorteilhaft durch die aus den Leiterschichten gebildeten Stromableiter
ausgestaltet sind.
Besonders vorteilhaft ist eine doppelsymmetrische Ausgestaltung der Zellschicht, nämlich mit der Symmetrieebene, die über die Symmetrieachse symmetrisch aufgebaut ist, und den dazu symmetrisch, d. h. insbesondere mittig, zur Seite hin über die Symmetrieebene aus der Zellschicht herausgeführten Stromableiter. Aufgrund dieser Ausgestaltung der Zellschicht, kann die Zellschicht nicht nur zwischen 0 und 360° um die orthogonal zu der Symmetrieebene liegende Symmetrieachse gedreht werden, sondern in vorteilhafter Weise kann die Zellschicht über die durch die Symmetrieebene verlaufende Symmetrieachse gespiegelt werden. Dadurch wird vorteilhaft die Zugänglichkeit zu den Kontakt- Fügestellen, d. h. zu den aus den Leiterschichten gebildeten Kontaktfahnen bzw. Stromableiter vereinfacht. Möchte man die so ausgestalteten Zellschichten innerhalb eines Schichtstapels in Serie bzw. Reihe verschalten, reicht es aus, die
Zellschichten um 90° um die durch die Symmetrieebene orthogonal verlaufende Symmetrieachse zu drehen. Durch ein zusätzliches Spiegeln der Zellschicht über die Symmetrieebene kann zudem vorteilhaft zwischen einer Serien- und Parallel- Verschaltung beispielsweise innerhalb eines Schichtstapels oder in einer Ebene gewechselt werden. Die doppelsymmetrische Ausgestaltung der Zellschicht erlaubt dabei in vorteilhafter Weise eine sehr flexible Gestaltung der sowohl auf einer Ebene miteinander verschalteten Zellschichten als auch der in einem Schichtstapel miteinander verschalteten Zellschichten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls gelöst durch eine
Feststoffzelle, insbesondere eine Li-lionen-Feststoffzelle, welche insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, mit einer ersten
Leiterschicht und einer zweiten Leiterschicht und zumindest einer Trennschicht, wobei jeweils die erste Leiterschicht und die zweite Leiterschicht mit einem Stromableiter elektrisch verbunden ist und/oder jeweils aus der ersten
Leiterschicht und/oder der zweiten Leiterschicht ein Stromableiter ausgestaltet ist. Bei der Feststoffzelle ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass die erste Leiterschicht, die zweite Leiterschicht und die Trennschicht derart zueinander angeordnet sind, dass wenigstens eine Symmetrieebene gebildet ist, die eine Symmetrieachse aufweist, wobei die Symmetrieebene symmetrisch zu der Symmetrieachse aufgebaut ist, und dass die Stromableiter symmetrisch zu der Symmetrieachse angeordnet und über die Symmetrieebene hinaus an wenigstens einer Seite aus der Zellschicht herausgeführt sind.
Die erfindungsgemäße Feststoffzelle kann aus nur einer Zellschicht ausgestaltet sein, die wie beschrieben symmetrisch ausgestaltet ist. Vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Feststoffzelle jedoch wenigstens zwei Zellschichten und/oder zwei Schichtstapel oder Zellschichtebenenstapel auf, die über Stromableiter elektrisch miteinander verbunden sind. Die beiden Zellschichten können dabei vorteilhaft in einer Ebene liegen, oder können übereinander zu einem Schichtstapel gestapelt sein. Die Schichtstapel können vorteilhaft mehrere übereinander gestapelte und elektrisch miteinander verbundene Zellschichten umfassen. Die Schichtstapel können aber auch aus mehreren in einer Ebene miteinander verbundenen Zellschichten, die über einen Lagensprung mit einer nächsten Zellschicht oder Zellschichtebene, welche in einer unteren oder einer oberen Ebene liegt, verbunden sind, wobei dann die so gebildeten mehreren Ebenen im Sinne der vorliegenden Erfindung als Zellschichtebenenstapel verstanden werden.
Innerhalb der Feststoffzelle können die Zellschichten, die Schichtstapel und die Zellschichten, die den Schichtstapel bilden, bzw. welche in einer Ebene miteinander verschaltet sind, sowohl in Parallel- als auch in Reihenschaltung miteinander verschaltet sein. Die Verschaltungsart innerhalb der Feststoffzelle kann dabei flexibel geändert werden bzw. kann sich die Verschaltungsart innerhalb der Zellschicht, den miteinander verbundenen Zellschichten in einer Ebene oder in mehreren Ebenen, oder zwischen wenigstens zwei Schichtstapel variabel zwischen Parallel- und Reihenschaltung abwechseln.
Um hier Wiederholungen bezüglich weiterer Vorteile der erfindungsgemäßen Feststoffzelle zu vermeiden, wird auf die Beschreibung der vorteilhaften
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen und es wird vollumfänglich auf diese zurückgegriffen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnehmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlichen Anordnungen und
Verfahrensschritte, können sowohl für sich, als auch in verschiedensten
Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Zellschicht in Draufsicht auf die
Symmetrieebene, die zur Herstellung einer Feststoffzelle nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgestaltet ist,
Fig. 2A schematisch in perspektivischer Ansicht zu einem Schichtstapel
mehrere aus Fig. 1 übereinander gestapelte Zellschichten, wobei die Zellschichten in Reihe geschaltet sind
Fig. 2B schematisch in perspektivischer Ansicht zu einem Schichtstapel
mehrere aus Fig. 1 übereinander gestapelte Zellschichten, wobei die Zellschichten parallel geschaltet sind,
Fig. 3 vier in Reihe in einer Ebene verschaltete Zellschichten,
Fig. 4 vier in einer Ebene verschaltete Zellschichten, wobei zwei
Zellschichten in Reihe und zwei Zellschichten parallel verschaltet sind,
Fig. 5 den Verschaltungsplan zu den in der Figur 4. verschalteten
Zellschichten,
Fig. 6 eine schematische Seitenansicht eines Schichtstapels, der aus
mehreren in Ebenen verschalteten Zellschichten, wie in Fig. 4 dargestellt, gebildet ist,
Fig. 7 eine Draufsicht auf den Schichtstapel aus Fig. 6,
Fig. 8 eine Draufsicht auf eine doppelsymmetrisch ausgestaltete
Zellschicht und
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht auf einen Schichtstapel, bei dem die
Zellschichten schichtweise um 90° um die orthogonal durch die Symmetrieebene verlaufende Symmetrieachse gedreht sind.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden. Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Zellschicht 1 in Draufsicht auf die Symmetrieebene SE, wobei die Zellschicht zur Herstellung einer Feststoffzelle nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgestaltet ist. Die Zellschicht 1 weist eine erste Leiterschicht 2 und eine zweite Leiterschicht 3 auf. Die erste
Leiterschicht 2 ist von der zweiten Leiterschicht 3 zumindest durch eine hier nicht dargestellte Trennschicht getrennt. Bei der ersten Leiterschicht 2 handelt es sich vorteilhaft um die Kathodenleiterschicht, die vorzugsweise aus Aluminiumfolie hergestellt ist. Bei der zweiten Leiterschicht 3 handelt es sich vorteilhaft um die Anodenleiterschicht, dessen Material eine Kupfer- oder Nickelfolie ist. Die erste
Leiterschicht 2, nämlich hier vorteilhaft die Aluminiumfolie, ist zu einem
Stromableiter 4 in Form einer Kontaktfahne ausgestaltet, der zu dem aus der zweiten Leiterschicht 3 in Form einer Kontaktfahne ausgestalteten
Stromableiter 5 zu der durch die Symmetrieebene SE verlaufenden
Symmetrieachse AA symmetrisch angeordnet ist. Die Stromableiter 4 und 5 werden wie dargestellt über die Symmetrieebene SE hinaus in der Darstellung an der oberen Seite und an der linken Seite aus der Zellschicht 1 herausgeführt. Vorliegend ist das Format der Zellschicht 1 quadratisch. Das Format der
Zellschicht 1 kann aber auch als Kreis, Dreieck oder als jegliche andere Form, bei der die Symmetrieebene SE symmetrisch zu der Symmetrieachse AA aufgebaut ist, ausgestaltet sein. Mit der in der Figur 1 dargestellten Zellschicht 1 lässt sich bereits eine Feststoffzelle mit nur einer Zellschicht 1 herstellen. Jedoch ist es von Vorteil, die Zellschicht 1 mit weiteren Zellschichten 1 zur Herstellung einer Feststoffzelle miteinander zu verschalten.
Die Figuren 2A und 2B zeigen schematisch in einer perspektivischen Ansicht mehrere Zellschichten 1, die zu einem Schichtstapel 10 übereinander gestapelt und miteinander verschaltet sind. Die Symmetrieachse AA liegt, wie in den Figuren 2A und 2B dargestellt, orthogonal zu den Symmetrieebenen SE der Zellschichten 1. In Figur 2A sind die aus der ersten Leiterschicht 2 gebildeten
Stromableiter 4 an den oberen Seiten der Zellschichten 1 ausgerichtet. Die aus der zweiten Leiterschicht 3 ausgestalteten Stromableiter 5 sind an den linken Seiten der Zellschichten 1 angeordnet. Werden die aus der ersten Leiterschicht 2 gebildeten Stromableiter 4, bspw. über einen Stromsammler 8 wie in Figur 4 dargestellt, verbunden, und werden die aus der zweiten Leiterschicht 3 gebildeten Stromableiter 5 über einen weiteren Stromableiter 8 miteinander verbunden, sind die Zellschichten 1 in einer Parallelschaltung parallel zueinander verschaltet. Wechseln sich die aus der ersten Leiterschicht 2 gebildeten
Stromableiter 4 mit aus der zweiten Leiterschicht 3 gebildeten Stromableiter 5 an wenigstens der oberen Seite der Zellschichten 1 und an wenigstens der linken
Seite der Zellschichten 1 ab, wie in Figur 2B Dargetsellt, und werden diese mit einem an der oberen Seite anliegenden Stromsammler 8 und mit einem an der linken Seite anliegenden Stromsammler 8 verbunden, sind die Zellschichten miteinander in einer Reihenschaltung in Reihe geschaltet. Diese Ausrichtung der Zellschichten 1 zur Verschaltung in Reihenschaltung in dem Schichtstapel 10 erfolgt vorteilhaft durch ein abwechselndes Drehen der Zellschichten 1 um die Symmetrieachse AA. Um die als Kontaktfahnen aus der ersten Leiterschicht 2 und der zweiten Leiterschicht 3 gebildeten Stromableiter 4 und 5 mit den
Stromsammlern 8 zu verbinden, werden diese bspw. mittels
Ultraschweißverfahren an die Stromableiter 8 gebondet.
Figur 3 zeigt in einer Draufsicht vier in Reihe in einer Ebene miteinander verschaltete Zellschichten 1. Vorliegend sind die Zellschichten 1 in Reihe miteinander verschaltet, wobei der Stromableiter 5, der als Kontaktfahne aus der zweiten Leiterschicht 3 ausgestaltet ist, zu dem Stromableiter 4, der als
Kontaktfahne aus der zweiten Leiterschicht ausgestaltet ist, ausgerichtet und mit diesem elektrisch verbunden wird. Die elektrische Verbindung der beiden Stromableiter 4 und 5 erfolgt vorliegend mittels eines Überlapps 6, der die Stromableiter 4 und 5 elektrisch miteinander kontaktiert. Generell kann ein Lagensprung 7, der vorliegend an dem Überlapp 6 zwischen den beiden in der
Figur 3 unteren Zellschichten 1 erfolgt, an allen Kontaktstellen, d. h. jeweils im Bereich des Überlapps 6 zwischen zwei Zellschichten 1 in die nächste Ebene erfolgen. Anstelle des Lagensprungs 7 kann an den Kontaktstellen auch ein Außenanschluss, bspw. an einen Verbraucher, erfolgen.
Figur 4 zeigt vier in einer Ebene verschaltete Zellschichten 1, wobei zwei Zellschichten 1 in Reihe und zwei Zellschichten 1 parallel verschaltet sind.
Vorliegend sind die beiden linken Zellschichten 1 parallel zu den beiden rechten Zellschichten 1 geschaltet, und die linke obere Zellschicht 1 ist in Reihe mit der unteren Zellschicht 1 geschaltet. Die obere rechte Zellschicht 1 ist wie dargestellt mit der unteren rechten Zellschicht 1 in Reihe geschaltet. Der zwischen den Zellschichten 1 zentral ausgestaltete Bauraum dient vorliegend zur Anordnung der Stromsammler 8. Der obere Stromsammler 8 ist dabei mit den oberen Zellschichten 1, nämlich mit den aus der zweiten Leiterschicht 3 gebildeten Stromableiter 5 verbunden. Der untere Stromableiter 8 ist mit den aus der ersten
Leiterschicht 2 ausgestalteten Stromableiter 4 verbunden.
Figur 5 zeigt den Verschaltungsplan der in Reihe und parallel zueinander geschalteten Zellschichten 1 aus Figur 4.
Figur 6 zeigt einen Zellschichtebenenstapel 100, der aus mehreren der wie in Figur 4 dargestellten in einer Zellschichtebene 20 miteinander verschalteten Zellschichten lausgestaltet ist. In dem Zellschichtebenenstapel 100 sind mehrere Zellschichtebenen 20 übereinander gestapelt und miteinander verschaltet. Durch die wechselseitige Verschaltung der Zellschichten 1, nämlich der Verschaltung in
Reihe und parallel zueinander, entsteht eine schraubenförmige Verschaltung der über den Lagensprung 7 miteinander verschalteten Zellschichtebenen 20.
Figur 7 zeigt zur besseren Darstellung der schraubenförmigen Verschaltung der über den Lagensprung 7 miteinander verschalteten Zellschichtebenen 20, den
Zellschichtebenenstapel 100 aus Figur 6 in einer Draufsicht. Wie auch vorab für die Zellschichtebene 20 in Figur 4 beschrieben, sind in einer Zellschichtebene 20 vier Zellschichten 1 miteinander verschaltet. Durch den Wechsel der
Verschaltung der Zellschichten 1, nämlich den Wechsel zwischen Reihen- und Parallel- Verschaltung, und durch die Verbindung der Zellschichtebenen 20, über den Lagensprung 7 mit einer weiteren Zellschichtebene 20, erfolgt wie dargestellt eine schraubenförmige Verschaltung der Zellschichten 1 und/oder der
Zellschichtebenen in dem Zellschichtebenenstapel 100. Natürlich sind auch andere Verschaltungsvarianten denkbar, wodurch insgesamt unterschiedliche Verschaltungsvarianten der Zellschichtebenen 20 und/oder der Zellschichten 1 innerhalb des Zellschichtebenenstapels 100, bzw. innerhalb des
Schichtstapels 10 vorteilhaft und flexibel umsetzbar sind. Die erfindungsgemäße Verschaltung von mehreren Zellschichtebenen 20, die in einer Ebene durch miteinander verschaltete Zellschichten 1 ausgestaltet sind, und wobei die Zellschichtebenen 20 über den Lagensprung 7 zu einem Zellschichtebenenstapel 100 miteinander verschaltet werden, hat den Vorteil, dass sich die große Volumendehnung, bzw. Volumenschrumpfung beim Laden bzw. beim Entladen der Feststoffzelle nur sehr gering auf die Belastung des aus der ersten Leiterschicht 2 und des aus der zweiten Leiterschicht 3 ausgestalteten Stromableiters 4 und 5 auswirkt.
Figur 8 zeigt eine besonders vorteilhafte Variante einer Zellschichtebene 1, die zur Herstellung einer Feststoffzelle nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgestaltet ist. Dabei ist wie in Figur 8 dargestellt, nicht nur die
Symmetrieebene SE symmetrisch zu der durch die Symmetrieebene SE verlaufenden Symmetrieachse AA symmetrisch, sondern auch die aus der ersten Leiterschicht 2 und der zweiten Leiterschicht 3 ausgestalteten Stromableiter 4 und 5 sind symmetrisch, vorliegend zu der oberen Seite und zu der linken Seite der Zellschicht, d. h. mittig an der oberen Seite und an der linken Seite über die Symmetrieebene SE hinaus aus der Zellschicht 1 herausgeführt. Durch diese
Anordnung ist nicht nur eine Spiegelung der Zellschicht 1 über die
Symmetrieachse AA möglich, sondern die Zellschicht 1 ist auch um die
Symmetrieachse AA herum drehbar. Daraus resultiert eine noch flexiblere Verschaltungsmöglichkeit der Zellschicht 1 mit anderen Zellschichten 1 in einem Schichtstapel 10 oder in einer Zellschichtebene 20. Wie bereits in den Figuren
2A und 2B dargestellt, kann durch Drehen der Zellschicht 1, hier vorteilhaft um 90°, um die orthogonal zu der Symmetrieebene SE angeordneten
Symmetrieachse AA innerhalb eines Zellschichtstapels 10 eine
Serienverschaltung der den Zellschichtstapel 10 bildenden Zellschichten 1 verwirklicht werden. Durch ein Spiegeln, d. h. ein Drehen über die
Symmetrieachse AA kann die Verschaltung zwischen den Zellschichten 1 zwischen Serien- und Parallel-Verschaltung geändert werden. Dies ist sowohl in der Zellschichtebene 20 als auch innerhalb eines Zellschichtstapels 10 bzw. eines Zellschichtebenenstapels 100 möglich.
Schließlich zeigt Figur 9 einen Zellschichtstapel 10, der aus mehreren miteinander verschalteten Zellschichten 1 gebildet ist, in einer Seitenansicht. Die erste Leiterschicht 2 ist dabei als durchgängige Folie von einer Zellschicht 1 zu der nächsten Zellschicht 1 gelegt und bildet zwischen den Zellschichten 1 Umlenkungen 9. Die Umlenkungen 9 dienen dabei vorteilhaft als Stromableiter zur Kontaktierung nach außen bzw. zur Verschaltung des Schichtstapels 10 einem weiteren Schichtstapel 10 innerhalb einer Feststoffzelle. Um die Zugänglichkeit zu diesen Verbindungsstellen zu vereinfachen, sind dabei innerhalb des Zellschichtstapels 10 die Zellschichten 1 um die
Symmetrieachse AA, die orthogonal zu der Symmetrieebene SE liegt, schichtweise um 90° weitergedreht.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Feststoffzelle, insbesondere eine Lithium- Ionen- Feststoffzelle, mit wenigstens einer Zellschicht (1) mit einer ersten Leiterschicht (2) und einer zweiten Leiterschicht (3) und zumindest einer Trennschicht, wobei jeweils die erste Leiterschicht (2) und die zweite Leiterschicht (3) mit einem Stromableiter (4, 5) elektrisch verbunden werden und/oder aus der ersten Leiterschicht (2) und/oder der zweiten Leiterschicht (3) jeweils ein Stromableiter (4, 5) ausgestaltet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zellschicht (1) eine Symmetrieebene (SE) aufweist mit einer
Symmetrieachse (AA), wobei die Symmetrieebene (SE) symmetrisch zu der Symmetrieachse (AA) aufgebaut ist, und dass die Stromableiter (4, 5) symmetrisch zu der Symmetrieachse (AA) angeordnet und über die Symmetrieebene (SE) hinaus an wenigstens einer Seite aus der Zellschicht (1) herausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Stromableiter (4, 5) an einer Seite der Zellschicht (1) und der andere Stromableiter (5, 4) an einer anderen, insbesondere benachbarten Seite der Zellschicht (1) aus der Zellschicht (1) herausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stromableiter (4, 5) symmetrisch zu den Seiten der Zellschicht (1) angeordnet werden, insbesondere mittig an den Seiten der Zellschicht (1), aus der Zellschicht (1) herausgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens zwei Zellschichten (1) zu einem Schichtstapel (10) gestapelt werden, wobei die zwei Zellschichten (1) derart zueinander angeordnet werden, dass wenigstens eine Symmetrieebene (SE) gebildet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine Zellschicht (1) zu einer anderen Zellschicht (1) um die mittig durch die Symmetrieebene (SE) verlaufende und zu der
Symmetrieebene (SE) orthogonal liegende Symmetrieachse (AA) gedreht wird, wodurch eine serielle und/oder parallele Verschaltung der
Zellschichten (1) über die Stromableiter (4, 5) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch Drehen um die Symmetrieachse (AA) um wenigstens 90° einer der Zellschichten (1), wenigstens der Stromableiter (4) der ersten Leiterschicht (2) der ersten Zellschicht (1) mit wenigstens dem Stromableiter (5) der zweiten Leiterschicht (3) der zweiten Zellschicht (1) auf die gleiche Seite und/oder zumindest näherungsweise in Deckung gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens zwei Zellschichten (1) in wenigstens einer Zellschichtebene (20) in Reihenschaltung und/oder in Parallelschaltung über die
Stromableiter (4, 5) miteinander elektrisch verbunden werden, wobei die Stromableiter (4, 5) insbesondere zueinander ausgerichtet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Feststoffzelle wenigstens drei Schichtstapel (10) und/oder wenigstens drei Zellschlchtebenenstapel (100) umfasst, wobei wenigstens ein
Schichtstapel (10) und/oder wenigstens ein Zellschlchtebenenstapel (100) parallel zu wenigstens zwei in Reihe geschalteten und elektrisch miteinander verbundenen Schichtstapeln (10) und/oder parallel zu wenigstens zwei in Reihe geschalteten und elektrisch miteinander verbundenen Zellschlchtebenenstapel (100) geschaltet und elektrisch mit den in Reihe geschalteten Schichtstapeln (10) und/oder elektrisch mit den in Reihe geschalteten Zellschlchtebenenstapel (100) verbunden wird. Feststoffzelle mit wenigstens einer Zellschicht (1), insbesondere eine Lithium- Ionen- Feststoffzelle, welche insbesondere nach dem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist, mit einer ersten Leiterschicht (2) und einer zweiten Leiterschicht (3) und zumindest einer Trennschicht, wobei jeweils die erste Leiterschicht (2) und die zweite Leiterschicht (3) mit einem Stromableiter (4, 5) elektrisch verbunden ist und/oder jeweils aus der ersten Leiterschicht (2) und/oder der zweiten Leiterschicht (3) ein
Stromableiter (4, 5) ausgestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterschicht (2), die zweite Leiterschicht (3) und die Trennschicht derart zueinander angeordnet sind, dass wenigstens eine Symmetrieebene (SE) gebildet ist, die ein Symmetrieachse (AA) aufweist, wobei die
Symmetrieebene (SE) symmetrisch zu der Symmetrieachse (AA) aufgebaut ist, und dass die Stromableiter (4, 5) symmetrisch zu der Symmetrieachse (AA) angeordnet und über die Symmetrieebene (SE) hinaus an wenigstens einer Seite aus der Zellschicht (1) herausgeführt sind.
Feststoffzelle nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens zwei Zellschichten (1), wenigstens zwei Schichtstapel (10) und/oder wenigstens zwei Zellschichtebenenstapel (100) über
Stromableiter (4, 5) elektrisch miteinander verbunden sind, wobei wenigstens ein erster Stromableiter (4) elektrisch verbunden mit der ersten Leiterschicht (2) einer ersten Zellschicht (1), eines ersten Schichtstapels (10) oder des ersten Zellschichtebenenstapels (100) ist, und wobei wenigstens ein zweiter Stromableiter (5) elektrisch verbunden mit der zweiten Leiterschicht (3) der ersten Zellschicht (1), des ersten
Schichtstapels (10) oder des ersten Zellschichtebenenstapel (100) ist und/oder die Stromableiter (4, 5) aus der ersten Leiterschicht und/oder der zweiten Leiterschicht gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stromableiter (4) mit einer ersten Leiterschicht (2) oder einer zweiten Leiterschicht (3) einer zweiten Zellschicht (1), eines zweiten Schichtstapels (10) oder eines zweiten Zellschichtebenenstapels (100) elektrisch verbunden ist, und dass der zweite Stromableiter (5) mit der zweiten Leiterschicht (3) oder der ersten Leiterschicht (2) der zweiten Zellschicht (1), des zweiten Schichtstapels (10) oder des zweiten
Zellschichtebenenstapels (100) elektrisch verbunden ist.
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