DE102009037727A1

DE102009037727A1 - Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenstapels

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Publication number: DE102009037727A1
Application number: DE102009037727A
Authority: DE
Inventors: Tim Schäfer; Andreas Dr. Gutsch
Original assignee: Li Tec Battery GmbH
Current assignee: Li Tec Battery GmbH
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2011-02-24
Also published as: WO2011020545A1; JP2013502671A; US20120208066A1; CN102576896A; EP2467893A1; KR20120055650A; BR112012003776A2

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenstapels (1) mit drei oder mehreren Lagen für eine elektrochemische Energiespeichereinrichtung, wobei der Elektrodenstapel (1) eine oder mehrere Separatorlagen (2, 2a, 2b) sowie zwei oder mehrere Elektrodenplatten (3, 3a, 4, 4a) aufweist, wobei Elektrodenplatten (3, 3a, 4, 4a) jeweils eine erste Polarität oder eine zweite Polarität aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenstapels, einen mit diesem Verfahren hergestellten Elektrodenstapel, eine elektrochemische Energiespeichereinrichtung mit wenigstens einem dieser Elektrodenstapel und eine Batterie mit wenigstens einer dieser elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen. Die Erfindung wird im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien beschrieben. Die Erfindung kann auch unabhängig von der Bauart der Batterie Verwendung finden kann.
Aus dem Stand der Technik sind elektrochemische Energiespeichereinrichtungen bekannt, deren tatsächliche Ladekapazität die rechnerische Ladekapazität bereits nach der Fertigung unterschreitet. Weiter sind elektrochemische Energiespeichereinrichtungen bekannt, deren Ladekapazität während des Betriebs abnimmt.
Aus der DE 199 43 961 A1 ist eine Flachzelle der eingangs genannten Art bekannt, bei welcher der Separator eine größere Fläche hat als die Kathode und die Anode. Die bekannte Flachzelle weist Gehäuseteile auf, in welche die Kathode bzw. die Anode eingebracht sind. Die Gehäuseteile werden durch einen Verschlusswerkstoff miteinander verbunden, um die Zelle fertig zu stellen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Elektrodenstapel für eine elektrochemische Energiespeichereinrichtung zur Verfügung zu stellen, dessen rechnerische Ladekapazität auch während des Betriebs des Elektrodenstapels bzw. einer zugehörigen elektrochemische Energiespeichereinrichtung weitgehend erhalten wird.
Das wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Anspruch 9 beschreibt einen Elektrodenstapel, welcher mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Anspruch 12 beschreibt eine elektrochemische Energiespeichereinrichtung mit wenigstens einem dieser Elektrodenstapel. Anspruch 13 beschreibt eine Batterie mit wenigstens einer elektrochemischen Energiespeichereinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Elektrodenstapel.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren leistet die Herstellung eines Elektrodenstapels mit drei oder mehreren Lagen für eine elektrochemische Energiespeichereinrichtung. Der Elektrodenstapel weist eine oder mehrere Separatorlagen auf. Weiter weist der Elektrodenstapel zwei oder mehrere Elektrodenplatten mit jeweils einer ersten Polarität oder einer zweiten Polarität auf. Erfindungsgemäß wird eine Separatorlage mittels einer Führungseinrichtung angeordnet, insbesondere auf einer Elektrodenplatte Eine Elektrodenplatte erster Polarität wird insbesondere auf der Separatorlage angeordnet. Eine Lage des Elektrodenstapels, insbesondere diese Elektrodenplatte erster Polarität wird mittels einer ersten Halteeinrichtung fixiert. Vorzugsweise erfolgen die einzelnen Schritte in der genannten bzw. alphabetischen Reihenfolge gemäß Anspruch 1c, besonders bevorzugt auch mehrfach nacheinander.
Unter einem Elektrodenstapel im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zu verstehen, welche insbesondere der Aufnahme und Abgabe von Energie dient. Dazu weist der Elektrodenstapel wenigstens drei Lagen auf, darunter wenigstens eine Elektrode einer ersten Polarität, eine Elektrode einer zweiten Polarität sowie einen zwischen diesen Elektroden angeordneten Separator. Vorzugsweise sind die Lagen des Elektrodenstapels dünnwandig ausgebildet. Besonders bevorzugt sind die einzelnen Lagen des Elektrodenstapels rechteckig ausgebildet. Eine Lage des Elektrodenstapels ist vorzugsweise als Elektrodenplatte oder Separatorlage ausgebildet. Der Elektrodenstapel erstreckt sich in einer Hauptstapelrichtung, welche senkrecht zu den Flächen einer Lage ist, welche benachbarte Lagen berühren.
Unter einer Elektrodenplatte im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche der Abgabe und/oder Aufnahme insbesondere elektrischer Energie dient. Einer Elektrodenplatte zugeführte elektrische Energie wird zunächst in chemische Energie gewandelt und als chemische Energie abgespeichert. Vorzugsweise werden einer Elektrodenplatte zeitweise Ionen zugeführt, welche auf Zwischengitterplätzen eingelagert werden. Vor Abgabe elektrischer Energie wird in einer Elektrodenplatte zunächst die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie gewandelt. Auch ist eine Elektrodenplatte vorgesehen, zeitweise Elektronen aufzunehmen und/oder abzugeben. Vorzugsweise ist eine Elektrodenplatte dünnwandig und im Wesentlichen rechteckig ausgebildet, wobei die Elektrodenplatte vier Begrenzungskanten aufweist.
Unter einem Separator bzw. einer Separatorlage im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere zwei Elektrodenplatten voneinander beabstandet. Vorzugsweise beabstandet eine Separatorlage zwei Elektrodenplatten unterschiedlicher Polarität. Vorzugsweise nimmt eine Separatorlage zeitweise einen Elektrolyt auf. Besonders bevorzugt nimmt eine Separatorlage wenigstens zeitweise Lithium-Ionen auf. Vorzugsweise wirkt eine Separatorlage im Wesentlichen als Isolator bezüglich Elektronen. Vorzugsweise ist eine Separatorlage dünnwandig und plattenförmig ausgebildet. Vorzugsweise entspricht die Geometrie einer Separatorlage der Gestalt einer benachbarten Elektrodenplatte. Besonders bevorzugt sind die Längen der Begrenzungskanten einer Separatorlage länger als die entsprechenden, insbesondere parallel verlaufenden Begrenzungskanten benachbarter Elektrodenplatten.
Unter Polarität einer Elektrodenplatte im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass diese Elektrodenplatte entweder mit dem Pluspol oder dem Minuspol einer dem Elektrodenstapel übergeordneten elektrischen Spannungsquelle elektrisch verbunden ist. Eine Elektrodenplatte ist dabei entweder mit dem Pluspol oder dem Minuspol der übergeordneten Spannungsquelle verbunden und weist entweder eine erste oder eine zweite Polarität auf. Eine Elektrodenplatte erster Polarität ist vorzugsweise als Anode, eine Elektrodenplatte zweiter Polarität vorzugsweise als Kathode ausgebildet. Dabei bezeichnet der Begriff ”Anode” die Elektrode, welche im geladenen Zustand negativ geladen ist.
Unter dem Begriff Anordnen im Sinne der Erfindung ist ein Vorgang zu verstehen, wobei eine Separatorlage oder eine Elektrodenplatte dem übergeordneten Elektrodenstapel zugeführt wird. Vorzugsweise wird eine Separatorlage bzw. eine Elektrodenplatte dem Elektrodenstapel so zugeführt, dass die Begrenzungskanten der einzelnen Lagen zueinander im Wesentlichen parallel angeordnet sind. Vorzugsweise wird eine Separatorlage bzw. eine Elektrodenplatte derart dem Elektrodenstapel zugeführt, dass die zugeführte Lage die benachbarte Lage im Wesentlichen vollflächig berührt.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer Führungseinrichtung eine Einrichtung zu verstehen, welche eine dem Elektrodenstapel zuzuführende Lage zeitweise formschlüssig und/oder kraftschlüssig hält, diese Lage am Elektrodenstapel zuführt und auf einer Lage des Elektrodenstapels anordnet. Die Führungseinrichtung ist vorgesehen, eine Lage nach deren Anordnung im Elektrodenstapel freizugeben. Vorzugsweise ist eine Führungseinrichtung als Greifeinrichtung ausgebildet. Vorzugsweise ist eine Führungseinrichtung automatisiert, insbesondere zur Erhöhung der Wiederholgenauigkeit. Vorzugsweise ist eine Führungseinrichtung rechnergesteuert. Vorzugsweise weist eine Führungseinrichtung ein Paar Walzen bzw. Rollen auf, zwischen welchen sich eine Separatorlage zeitweise befindet. Besonders bevorzugt ist der Abstand des Walzenpaares veränderlich.
Unter Fixieren im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass die unbeabsichtigte Verlagerung des Elektrodenstapels bzw. einer seiner Lagen nur nach Überwindung eines Widerstands erfolgen kann. Das Fixieren dient insbesondere dazu, dass eine automatisierte Führungseinrichtung bzw. Zuführeinrichtung dem Elektrodenstapel eine Separatorlage ordentlich zuführen kann. Insbesondere wenn sich die jüngst zugeführte Lage relativ zum Elektrodenstapel oder der gesamte Elektrodenstapel nicht in ihrer vorbestimmten Position befindet, besteht die Gefahr, dass eine zuzuführende, zumindest teilweise Lage aus dem Elektrodenstapel herausragt. Mit Fixieren einer Lage bzw. des Elektrodenstapels wird insbesondere die Einhaltung der vorbestimmten Positionen der einzelnen Lagen verbessert.
Unter einer Halteeinrichtung im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere zum Fixieren einer Lage des Stapels bzw. des gesamten Stapels dient. Vorzugsweise übt die Halteeinrichtung zeitweise eine Kraft auf eine Lage des Elektrodenstapels bzw. den gesamten Elektrodenstapel aus. Vorzugsweise ist die Halteeinrichtung automatisiert. Vorzugsweise ist die Halteeinrichtung zum Zusammenwirken mit der Führungseinrichtung vorgesehen. Vorzugsweise ist die Halteeinrichtung an die Gestalt einer Lage des Elektrodenstapels angepasst. Vorzugsweise ist die Halteeinrichtung so ausgebildet, dass die während eines Fixiervorgangs auf eine Lage des Elektrodenstapels einwirkende Kraft auf die von dieser Lage ertragbare Flächenpressung angepasst ist. Vorzugsweise ist die Halteeinrichtung vorgesehen, eine Elektrodenplatte zu fixieren. Vorzugsweise ist die Halteeinrichtung vorgesehen, zeitweise eine Kraft auf eine Elektrodenplatte auszuüben. Vorzugsweise ist die Breite einer Halteeinrichtung an die Breite einer Lage des Elektrodenstapels, insbesondere an eine Elektrodenplatte angepasst.
Mit der Herstellung eines Elektrodenstapels nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die relative Positionierung einer zweiten Lage des Elektrodenstapels zu einer ersten Lage verbessert, insbesondere die Parallelität der Begrenzungskanten der Lagen des Elektrodenstapels und die im Wesentlichen vollflächige gegenseitige Abdeckung benachbarter Lagen. Mit der erfindungsgemäßen Herstellung wird insbesondere vermieden, dass sich eine Elektrodenplatte zumindest teilweise über die benachbarten Separatorlagen hinaus erstreckt. Die sogenannte Kriechstrecke, d. h. der Abstand der spannungsführenden Teile, wird verlängert, indem eine Separatorlage sich vorzugsweise über benachbarte Elektrodenplatten erstreckt. So werden insbesondere elektrische Ströme zwischen den Begrenzungskanten zweier Elektrodenplatten unterschiedlicher Polarität, sogenannte parasitäre Ströme, durch die dazwischen liegende Separatorlage verringert. Ströme zwischen Begrenzungskanten von Elektrodenplatten unterschiedlicher Polarität führen insbesondere zu einer Verringerung der im Elektrodenstapel gespeicherten Energie.
Ströme zwischen den Begrenzungskanten von Elektrodenplatten unterschiedlicher Polarität führen insbesondere zu lokaler Erwärmung und fortschreitender Alterung der betroffenen Bereiche.
So wird mit der Herstellung eines Elektrodenstapels nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, dessen Fähigkeit zur Energiespeicherung verbessert, die gespeicherte Energie weitgehend erhalten, die Alterung der Elektrodenplatten verringert und die zugrunde liegende Aufgabe gelöst.
So wird der Austritt des Inhalts einer galvanischen Zelle verhindert und die zugrunde liegende Aufgabe gelöst.
Nachfolgend werden zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
Vorteilhaft dient das Verfahren zum Herstellen des Elektrodenstapels mit insbesondere fünf oder mehr Lagen. Dazu weist das Herstellverfahren weitere Schritte auf, welche zusätzlich den vorgenannten Schritten durchgeführt werden. So wird eine Separatorlage mittels der Führungseinrichtung insbesondere auf einer dieser Elektrodenplatten angeordnet. Weiter wird eine Elektrodenplatte zweiter Polarität insbesondere auf der Separatorlage angeordnet. Weiter wird eine Lage des Elektrodenstapels insbesondere die Elektrodenplatte zweiter Polarität mittels einer zweiten Halteeinrichtung fixiert. Weiter wird die erste oder zweite Halteeinrichtung aus dem Elektrodenstapel entfernt. Vorzugsweise wird die Halteeinrichtung entfernt, welche sich zwischen zwei Lagen im Inneren des Elektrodenstapels befindet. Vorzugsweise werden die Schritte d) bis g) in alphabetischer Reihenfolge und im Anschluss an Schritt c) durchgeführt. Vorzugsweise wird eine der beiden Halteeinrichtungen erst entfernt, wenn die andere der beiden Halteeinrichtungen eine Lage des Elektrodenstapels fixiert. Vorzugsweise sind während der Herstellung des Elektrodenstapels wiederkehrend beide Halteeinrichtungen zeitgleich mit dem Fixieren befasst. Vorzugsweise ist während der Herstellung des Elektrodenstapels und nach Anordnung der ersten Elektrodenplatte ständig wenigstens eine Halteinrichtung mit dem Fixieren einer Lage des Elektrodenstapels befasst. Vorteilhaft wird so während der Herstellung während der Herstellung des Elektrodenstapels ständig die Einhaltung der Position des Elektrodenstapels bzw. der fixierten Lage des Elektrodenstapels geleistet. Vorzugsweise üben eine oder beide dieser ersten oder zweiten Halteeinrichtungen zeitweise jeweils eine Normalkraft zumindest auf eine der Elektrodenplatte aus, wobei die Normalkraft senkrecht auf eine Fläche einer der Elektrodenplatten wirkt.
Vorzugsweise werden erst eine Elektrodenplatte erster Polarität danach eine Separatorlage, danach eine Elektrodenplatte zweiter Polarität, danach eine weitere Separatorlage im Elektrodenstapel angeordnet. So entsteht im Elektrodenstapel eine Abfolge aus Separatorlage-Elektrodenplatte erster Polarität-Separatorlage-Elektrodenplatte zweiter Polarität.
A3 Vorteilhaft übt die Führungseinrichtung zumindest während der Schritte a) und d) eine Zugkraft auf die Separatorlage aus. So wird die Gefahr der Bildung von Falten bei der Anordnung einer Separatorlage und/oder der Einschluss von Luft zwischen einer Separatorlage und einer benachbarten Elektrodenplatte verringert. Weiter dient diese Zugkraft insbesondere zur Verbesserung der möglichst vollflächigen Berührung der Separatorlage und der benachbarten Elektrodenplatte. Vorzugsweise ist die von der Führungseinrichtung auf die Separatorlage ausgeübte Zugkraft so bemessen, dass die Separatorlage möglichst nicht gedehnt wird.
A4 Vorteilhaft werden diese eine oder mehrere Elektrodenplatten während der Schritte b) oder e) dem Elektrodenstapel mit einem Richtungsvektor zugeführt, welcher parallel zu einer Lage des Elektrodenstapels verläuft. Vorzugsweise werden diese eine oder mehrere Elektrodenplatten von der Seite mit einem Richtungsvektor zugeführt, welcher senkrecht zur Hauptstapelrichtung des Elektrodenstapels angeordnet ist. Vorzugsweise werden diese eine oder mehrere Elektrodenplatten von der Seite zugeführt. Vorzugsweise werden Elektrodenplatten unterschiedlicher Polarität dem Elektrodenstapel von verschiedenen Seiten geführt. Vorzugsweise wird der Elektrodenstapel nach Zuführen einer Lage und vor Zuführen der nächsten Lage um einen vorbestimmten Weg entlang der Hauptstapelrichtung verlagert. So kann das Zuführen der nächsten Lage vorteilhaft entlang desselben Bewegungsvektors erfolgen. Vorzugsweise werden während der Verlagerung des Elektrodenstapels entlang seiner Hauptstapelrichtung gleichsam auch die Halteeinrichtungen verlagert. So kann eine Halteeinrichtung, insbesondere auch während der Verlagerung des Elektrodenstapels eine Kraft auf eine Lage, insbesondere eine Elektrodenplatte ausüben. Sofern die Herstellung eines Elektrodenstapels mit Hilfe einer Aufnahmeeinrichtung erfolgt, insbesondere mit einem Tisch, ist diese Aufnahmeeinrichtung bevorzugt höhenverstellbar. Nach Anordnen einer Lage des Elektrodenstapels wird die Aufnahmeeinrichtung um einen vorbestimmten Weg verlagert, insbesondere abgesenkt. Besonders bevorzugt entspricht dieser vorbestimmte Weg der Wandstärke der soeben zugeführten Separatorlage. Bevorzugt sind diese eine oder beide Halteeinrichtungen dieser Aufnahmeeinrichtung zugeordnet. Besonders bevorzugt sind diese eine oder beide Halteeinrichtungen mit dieser Aufnahmeeinrichtung verbunden.
A5 Vorteilhaft wird die Separatorlage während der Schritte a) und/oder d) mittels Umlenken der zuvor aufgelegten Separatorlage durch die Führungseinrichtung angeordnet. In diesem Fall endet die Separatorlage nicht in der Nähe einer Begrenzungskante der benachbarten Elektrodenplatte, sondern erstreckt sich bedeutsam über diese Begrenzungskante hinaus, wobei die Separatorlage im Wesentlichen mindestens doppelt so groß bemessen ist, wie eine benachbarte Elektrodenplatte. Dabei ist das die Separatorlage bildende Separatormaterial bandförmig ausgebildet, wobei die Oberfläche des Separatormaterials mindestens so groß wie das Doppelte der Oberfläche einer Elektrodenplatte bemessen ist. Das Separatormaterial erstreckt sich bandförmig entlang einer Hauptausdehnungsrichtung und weist eine vorbestimmte Breite auf. Diese vorbestimmte Breite entspricht im Wesentlichen der Länge oder Breite der benachbarten, im Wesentlichen insbesondere rechteckigen, Elektrodenplatte. Das Separatormaterial weist mehrere, im Wesentlichen rechteckige Separatorbereiche auf, welche vorgesehen sind, jeweils als eine Separatorlage zu wirken. Das Separatormaterial wird bevorzugt derart dem Elektrodenstapel zugeführt, dass ein erster Separatorbereich als eine erste Separatorlage und ein angrenzender zweiter Separatorbereich eine zweite Separatorlage bilden. Dieser erste und zweite Separatorbereich grenzen entlang eines Umlenkbereichs aneinander. Dieser Umlenkbereich ragt zwischen zwei benachbarten Elektrodenplatten hervor und liegt im Wesentlichen entlang einer Begrenzungskante einer benachbarten Elektrodenplatte an dieser an. Unter Umlenken der zuvor angeordneten Separatorlage im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass das bandförmige Separatormaterial aus der Ebene der zuvor angeordneten Separatorlage abgewinkelt und um die Begrenzungskante der anschließend angeordneten Elektrodenplatte zur Anlage mit der noch freien Oberfläche dieser Elektrodenplatte gebracht wird. Vorzugsweise wird das bandförmige Separatormaterial erst nach Fertigstellung des Elektrodenstapels abgetrennt. Vorzugsweise übt die Führungseinrichtung während des Umlenkens eine Zugkraft auf die Separatorlage bzw. das Separatormaterial aus. Während diese Zugkraft ausgeübt wird, üben die erste oder die zweite Halteeinrichtung eine Normalkraft auf die zuvor angeordnete Elektrodenplatte aus. So wird insbesondere eine unerwünschte Verlagerung einer Lage des Elektrodenstapels verhindert. Vorzugsweise wird die Separatorlage bzw. das Separatormaterial um diese erste oder zweite Halteeinrichtung umgelenkt. Dabei schließt diese erste oder zweite Halteeinrichtung mit der dem Umlenkbereich des Separatormaterials zugewandten Begrenzungskante der zuvor angeordneten Elektrodenplatte im Wesentlichen bündig ab.
A6 Vorteilhaft wird der Separatorlage bzw. dem Separatormaterial vor oder während deren Anordnung im Elektrodenstapel ein erster Fluidstrom zugeführt. Vorzugsweise strömt der erste Fluidstrom an der Separatorlage bzw. dem Separatormaterial entlang. Vorzugsweise dient dieser Fluidstrom dem Verdampfen eines Lösungsmittels, der Zufuhr eines Lösungsmittels und/oder der Zufuhr von Wärmeenergie. Besonders bevorzugt ist der Fluidstrom mit einem Elektrolyt beladen. Vorzugsweise weist dieser Elektrolyt Lithium-Ionen auf. Vorzugsweise der Fluidstrom ein Lösungsmittel, ein Gas von vorbestimmter Temperatur und/oder Partikel auf. Vorzugsweise ist der Fluidstrom als beladener Lösungsmittelnebel ausgebildet, welcher mit einem vorbestimmten im Wesentlichen rechten Winkel auf eine Fläche des Separatormaterials bzw. der Separatorlage gerichtet ist.
A7 Vorteilhaft wird eine Separatorlage von einer ersten Vorratseinrichtung abgewickelt und dem Elektrodenstapel zugeführt. Unter einer ersten Vorratseinrichtung im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, von welcher das Separatormaterial aufgenommen ist und abgegeben werden kann. Die Führungseinrichtung ist zwischen dem Elektrodenstapel und der ersten Vorratseinrichtung entlang des Separatormaterials angeordnet. Vorzugsweise weist die erste Vorratseinrichtung einen Antrieb auf, welcher insbesondere dazu dient, gemeinsam mit der Führungseinrichtung die Zugkraft auf die Separatorlage bzw. das Separatormaterial zu begrenzen. Vorzugsweise sind die Antriebe der Führungseinrichtung und der ersten Vorratseinrichtung gekoppelt. Vorzugsweise ist der ersten Vorratseinrichtung oder der Führungseinrichtung eine Trenneinrichtung zugeordnet. Diese ist vorgesehen, das Separatormaterial nach Fertigstellung eines Elektrodenstapels insbesondere abzuschneiden.
A8 Vorteilhaft wird eine Elektrodenplatte vor oder während deren Anordnung im Elektrodenstapel einer zweiten Vorratseinrichtung entnommen, insbesondere abgewickelt und insbesondere einer Trenneinrichtung vereinzelt. Unter einer zweiten Vorratseinrichtung im Sinne der Erfindung ist eine Vorratseinrichtung entsprechend einer ersten Vorratseinrichtung zu verstehen, wobei eine zweite Vorratseinrichtung aber vorgesehen ist, Elektrodenmaterial aufzunehmen und abzugeben. Vorzugsweise erfolgt das Vereinzeln einer Elektrodenplatte vor deren Anordnung im Elektrodenstapel mittels einer Trenneinrichtung, welche einzelne Elektrodenplatten vom Elektrodenmaterial abtrennt.
Vorzugsweise werden vereinzelte Elektrodenplatten auf einer Lagerfläche als Stapel zum Zuführen bereitgehalten. Vorzugsweise ist diese Lagerfläche in Stapeleinrichtungen höhenverstellbar. Vorzugsweise wird die Lagerfläche nach Entnahme einer Elektrodenplatte um einen vorbestimmten Weg angehoben. Vorzugsweise entspricht dieser vorbestimmte Weg der Wandstärke der Elektrodenplatte. Vorzugsweise wird diese Lagerfläche vor Zuführen einer Elektrodenplatte um diesen vorbestimmten Weg abgesenkt.
Bevorzugt erfolgt die Abgabe der Materialien für die Elektrodenplatten unterschiedlicher Polaritäten aus zwei verschiedenen zweiten Vorratseinrichtungen.
Vorzugsweise wird ein erfindungsgemäß hergestellter Elektrodenstapel in eine Trockeneinrichtung überführt, welche dem Elektrodenstapel Lösungsmittel entzieht. Vorzugsweise wird ein Elektrodenstapel nach seine Herstellung in eine Umhüllung überführt.
A9 Vorteilhaft weist ein nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Elektrodenstapel fünt oder mehrere im Wesentlichen rechteckige Lagen auf. Darunter sind zwei oder mehrere Separatorlagen. Diese zwei oder mehreren Separatorlagen sind zwischen je zwei Elektrodenplatten unterschiedlicher Polarität angeordnet. Der Elektrodenstapel ist dadurch gekennzeichnet, dass sich diese zwei oder mehreren Separatorlagen bereichsweise über jeweils benachbarte Elektrodenplatten erstrecken. Vorzugsweise erstrecken sich diese zwei oder mehrere Separatorlagen umlaufend über jeweils benachbarte Elektrodenplatten. Das dient inbesondere dazu, die Kriechstrecken zu verlängern und so elektrische Ströme zwischen Begrenzungskanten von Elektrodenplatten unterschiedlicher Polarität zu verringern. Indem sich eine Separatorlage umlaufend über benachbarte Elektrodenplatten unterschiedlicher Polarität erstreckt, ist die Isolationsstrecke zwischen diesen benachbarten Elektrodenplatten verlängert. So werden elektrische Ströme zwischen diesen benachbarten Elektrodenplatten verringert. Weiter ist der Elektrodenstapel dadurch gekennzeichnet, dass diese zwei oder mehreren Separatorlagen einstückig ausgebildet sind. Diese zwei oder mehreren Separatorlagen sind mittels eines Umlenkbereichs verbunden. Ein Umlenkbereich erstreckt sich im Wesentlichen entlang der gesamten Länge einer Begrenzungskante der von diesen Separatorlagen umfassten Elektrodenplatte. Mit dieser gänzlich umfassten Begrenzungskante können keine Kriechströme ausgetauscht werden. Vorzugsweise erstrecken sich diese zwei oder mehrere Separatorlagen bereichsweise um 0,01 mm bis 10 mm, vorzugsweise um 1 mm bis 3 mm zumindest über eine benachbarte Elektrodenplatte. Besonders bevorzugt erstrecken sich diese zwei oder mehreren Separatorlagen umlaufend ober die jeweils benachbarten Elektrodenplatten.
A10 Erfindungsgemäß wird vorzugsweise ein Separator bzw. eine oder mehrere Separatorlagen verwendet, welcher nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist, und welcher aus einem zumindest teilweise stoffdurchlässigen Träger besteht. Der Träger ist vorzugsweise auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet. Als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Träger wird vorzugsweise ein organisches Material verwendet, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist. Das organische Material, welches vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt ein Polyethylenterephthalat (PET) umfasst, ist mit einem anorganischen, vorzugsweise ionenleitenden Material beschichtet, welches weiter vorzugsweise in einem Temperaturbereich von –40°C bis 200°C ionenleitend ist. Das anorganische Material umfasst bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate mit wenigstens einem der Elemente Zr, Al, Li, besonders bevorzugt Zirkonoxid. Bevorzugt weist das anorganische, ionenleitende Material Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm auf. Ein solcher Separator wird beispielsweise unter dem Handelsnamen ”Separion” von der Evonik AG in Deutschland vertrieben.
A11 Vorzugsweise weist wenigstens eine Elektrode des Elektrodenstapels, besonders bevorzugt wenigstens eine Kathode, eine Verbindung mit der Formel LiMPO₄ auf, wobei M wenigstens ein Übergangsmetallkation der ersten Reihe des Periodensystems der Elemente ist. Das Übergangsmetallkation ist vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Mn, Fe, Ni und Ti oder einer Kombination dieser Elemente gewählt. Die Verbindung weist vorzugsweise eine Olivinstruktur auf, vorzugsweise übergeordnetes Olivin.
A12 Vorteilhaft weist eine erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeichereinrichtung einen oder mehrere Elektrodenstapel auf, welche mit erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind. Weiter weist eine erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeichereinrichtung eine Umhüllung auf. Diese ist vorgesehen, diesen einen oder mehrere Elektrodenstapel zu umgeben. Vorzugsweise ist die Umhüllung vorgesehen, die Lagen eines erfindungsgemäßen Elektrodenstapels gegeneinander vorzuspannen. Vorzugsweise übt die Umhüllung eine Normalkraft auf die Oberflächen der verschiedenen Lagen eines erfindungsgemäßen Elektrodenstapels aus und zwängt diese Lagen aneinander. Vorzugsweise ist die Umhüllung als Verbundfolie ausgebildet.
A13 Vorteilhaft weist eine Batterie zwei oder mehrere elektrochemische Energiespeichereinrichtungen mit einem oder mehreren Elektrodenstapeln auf, welche mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind. Vorzugsweise sind diese mehreren elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen untereinander mittels Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung verbunden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt:
1 schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels zu einem ersten Zeitpunkt,
2 schematisch den Zustand das Verfahren aus 1 zu einem späteren Zeitpunkt, und
3 schematisch die Herstellung eines Elektrodenstapels nach einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren.
1 zeigt schematisch die Herstellung eines Elektrodenstapels nach einem erfindungsgemäßen Verfahren. Der Elektrodenstapel und die übrigen Einrichtungen sind unter Vernachlässigung tatsächlicher Maße und Abstände dargestellt. Gezeigt ist das Verfahren zu einem ersten Zeitpunkt.
Dargestellt ist ein Elektrodenstapel 1, welcher auf einem Hubtisch 23 hergestellt wird. Der Elektrodenstapel 1 weist mehrere Separatorlagen 2, 2a, mehrere Elektroden 3, 3a erster Polarität sowie mehrere Elektroden 4, 4a zweiter Polarität auf.
Elektrodenplatten 4, 4a zweiter Polarität werden zum Zuführen auf der Lagerfläche 21 bereitgehalten und dem Elektrodenstapel 1 mittels einer nicht dargestellten Zuführeinrichtung zugeführt. Das Bereitstellen der Elektrodenplatten 3, 3a zweiter Polarität ist nicht dargestellt. Das Separatormaterial 2b wird von der Separatorrolle 8a abgewickelt und mittels der Führungseinrichtung 5 mit Führungsrollen dem Elektrodenstapel 1 zugeführt. Die zuletzt zugeführte Separatorlage 2 ist von einer Elektrodenplatte 3 erster Polarität abgedeckt. Diese Elektrodenplatte 3 ist mit einer Kraft beaufschlagt, welche von der ersten Halteeinrichtung 6 ausgeübt wird
Im dargestellten Zustand ist der Schritt des Fixierens einer Lage des Elektrodenstapels 1, insbesondere der Elektrodenplatte 3 mittels einer Halteeinrichtung 6 ausgeführt. Die Führungseinrichtung 5 hat soeben begonnen, die Separatorlage 2 auf der Elektrodenplatte 3 anzuordnen. Nachdem die Führungsrollen der Führungseinrichtung 5 einen vorgestimmten Weg entlang des Separatormaterials gerollt sind, werden die Rollen blockiert oder deren Abstand zueinander wird verringert. Anschließend legt die Führungseinrichtung 5 die nächste Separatorlage 2b ab. Dabei übt die Führungseinrichtung 5 eine Zugkraft auf diese nächste Separatorlage bzw. das Separatormaterial 2b aus. Mittels des Niederhalters 6 ist verhindert, dass diese Zugkraft den Elektrodenstapel 1 zerlegt. Das Abwickeln der künftigen Separatorlage 2b aus der Separatorrolle 8a erfolgt unter Abstimmung von deren Bewegung mit der Bewegung der Führungsrollen 5. Vor Erreichen der Führungseinrichtung 5 wird das Separatormaterial 2b mit einem Elektrolytnebel 7 besprüht.
2 zeigt das Verfahren aus 1 zu einem späteren Zeitpunkt. Unmittelbar zuvor wurde die Elektrodenplatte 4a zweiter Polarität auf dem Elektrodenstapel 1 angeordnet. Gegenwärtig wird auf die Elektrodenplatte 4a eine Normalkraft durch die zweite Halteeinrichtung 6a ausgeübt. In einem nächsten Schritt wird die Führungseinrichtung 5 die nächste Separatorlage 2b auf dem Elektrodenstapel anordnen. Dabei wird die Separatorlage 2b aus der Separatorlage 2aumgelenkt. Im Anschluss wird die erste Halteeinrichtung 6 aus dem Elektrodenstapel gezogen. Zur Anordnung der Elektrodenplatte 4a war der Hubtisch 23 um einen Weg entsprechend im Wesentlichen der summierten Wandstärken der Separatorlage 2a und der Elektrodenplatte 4a abgesenkt worden.
3 zeigt schematisch das Anordnen der Elektrodenplatten, hier 3d in dem Elektrodenstapel 1, welcher auf dem Hubtisch 23 aufgestapelt wird. Nicht dargestellt sind die Zufuhr der Elektrodenplatten zweiter Polarität und die Zufuhr der Separatorlagen. Es ist zweckmäßig und erfinderisch, die Zufuhr der Elektrodenplatten zweiter Polarität von der anderen Seite des Elektrodenstapels vorzusehen (siehe gestrichelte Elektrodenplatte plus Greifer).
Zum Zuführen der Elektrodenplatten erster Polarität wird das Plattenmaterial 3a von der Elektrodenrolle 8a abgewickelt. Die vereinzelte Elektrodenplatte 3b auf der höhenverstellbaren Lagerfläche 21 erfolgt mittels der Trennschere 9. Der Greifer 22 führt eine Elektrodenplatte 3c dem Hubtisch 23 bzw. dem Elektrodenstapel 1 zu. Die Höhen der Lagerfläche 21 und des Tisches 23 sind vorteilhaft so gewählt, dass der Weg des Greifers 22 keine Komponente in Hauptstapelrichtung des Elektrodenstapels 1 aufweist. Der Niederhalter 6 übt gegenwärtig eine Kraft senkrecht zur Oberfläche der Elektrodenplatte 3d in Richtung der Oberfläche des Hubtisches 23 aus.
Nach Entnahme der Elektrodenplatte 3b von der Lagerfläche 21 wird diese entsprechend der Wandstärke der Elektrodenplatte 3b angehoben. Nach Ablegen der Elektrodenplatte 3d wird der Hubtisch 23 entsprechend der Wandstärke die Elektrodenplatte 3d abgesenkt.
Die Bewegungen der Einrichtungen 8a, 9, 21, 22, 6 und 23 sind von einer übergeordneten Steuerung gesteuert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19943961 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenstapels (1) mit drei oder mehreren Lagen für eine elektrochemische Energiespeichereinrichtung, wobei der Elektrodenstapel (1) eine oder mehrere Separatorlagen (2, 2a, 2b) sowie zwei oder mehrere Elektrodenplatten (3, 3a, 4, 4a) aufweist, wobei Elektrodenplatten (3, 3a, 4, 4a) jeweils eine erste Polarität oder eine zweite Polarität aufweisen, mit den Schritten: a) Anordnen einer Separatorlage (2, 2a, 2b) mittels einer Führungseinrichtung (5), insbesondere auf einer Elektrodenplatte (3, 3a, 4, 4a), b) Anordnen einer Elektrodenplatte (3, 3a) erster Polarität, insbesondere auf der Separatorlage (2, 2a, 2b), c) Fixieren einer Lage des Elektrodenstapels (1), insbesondere dieser Elektrodenplatte (3, 3a) erster Polarität mittels einer ersten Halteeinrichtung (6).
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch zum Herstellen des Elektrodenstapels (1) mit insbesondere fünf oder mehr Lagen mit den weiteren Schritten: d) Anordnen einer Separatorlage (2, 2a, 2b) mittels der Führungseinrichtung, insbesondere auf einer dieser Elektrodenplatten (3, 3a, 4, 4a), e) Anordnen einer Elektrodenplatte (4, 4a) zweiter Polarität, insbesondere auf der Separatorlage (2, 2a, 2b), f) Fixieren einer Lage des Elektrodenstapels (1), insbesondere dieser Elektrodenplatte (4, 4a) zweiter Polarität mittels einer zweiten Halteeinrichtung (6a), g) Entfernen dieser ersten oder zweiten Halteeinrichtung (6, 6a) aus dem Elektrodenstapel (1).
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (5) zumindest während der Schritte a) und d) eine Zugkraft auf die Separatorlage (2, 2a, 2b) ausübt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine oder mehreren Elektrodenplatten (3, 3a, 4, 4a) während der Schritte b) und/oder e) mit einem Richtungsvektor zugeführt werden, welcher parallel zu einer Lage des Elektrodenstapels (1) verläuft.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorlage (2, 2a, 2b) während der Schritte a) und/oder d) mittels Umlenken der zuvor angeordneten Separatorlage (2, 2a, 2b) durch die Führungseinrichtung (5) angeordnet wird, wobei vorzugsweise die Führungseinrichtung (5) eine Zugkraft auf die Separatorlage (2, 2a, 2b) ausübt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Separatorlage (2, 2a, 2b) vor oder während deren Anordnung im Elektrodenstapel (1) ein erster Fluidstrom, insbesondere mit einem Elektrolyt zugeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Separatorlage (2, 2a, 2b) für die Herstellung des Elektrodenstapels (1) von einer ersten Vorratseinrichtung (8) abgewickelt und zugeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrodenplatte (3, 3a, 4, 4a) zu deren Anordnung im Elektrodenstapel (1) von einer zweiten Vorratseinrichtung (8a) abgewickelt, zugeführt und insbesondere mittels einer Trenneinrichtung (9) vereinzelt wird.
Elektrodenstapel (1), hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit fünf oder mehreren, insbesondere im Wesentlichen rechteckigen Lagen für eine elektrochemische Energiespeichereinrichtung, wobei der Elektrodenstapel (1) zwei oder mehrere Separatorlagen (2, 2a, 2b) sowie drei oder mehrere Elektrodenplatten (3, 3a, 4, 4a) aufweist, wobei die Lagen des Elektrodenstapels (1) im Wesentlichen deckungsgleich sind, und wobei eine oder mehrere Separatorlagen (2, 2a, 2b) zwischen je zwei benachbarten Elektrodenplatten (3, 3a, 4, 4a) unterschiedlicher Polarität angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich diese zwei oder mehreren Separatorlagen (2, 2a, 2b) bereichsweise über jeweils benachbarte Elektrodenplatten (3, 3a, 4, 4a) erstrecken, und dass diese zwei oder mehreren Separatorlagen (2, 2a, 2b) einstückig ausgebildet sind.
Elektrodenstapel (1) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine oder mehrere Separatorlagen (2, 2a, 2b) nicht oder nur schlecht elektronenleitend sind, und welche aus einem zumindest teilweise stoffdurchlässigen Träger bestehen, wobei der Träger vorzugsweise auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet ist, wobei als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Träger vorzugsweise ein organisches Material verwendet wird, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist, wobei das organische Material vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt ein Polyethylenterephthalat (PET) umfasst, wobei das organische Material mit einem anorganischen, vorzugsweise ionenleitenden Material beschichtet ist, welches weiter vorzugsweise in einem Temperaturbereich von –40°C bis 200°C ionenleitend ist, wobei das anorganische Material bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate wenigstens eines der Elemente Zr, Al, Li umfasst, besonders bevorzugt Zirkonoxid, und wobei das anorganische, ionenleitende Material bevorzugt Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm aufweist.
Elektrodenstapel (1) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Elektrodenplatte (3, 3a, 4, 4a), insbesondere wenigstens eine kathodische Elektrodenplatte eine Verbindung mit der Formel LiMPO₄ aufweist, wobei M wenigstens ein Übergangsmetallkation der ersten Reihe des Periodensystems der Elemente ist, wobei dieses Übergangsmetallkation vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Mn, Fe, Ni und Ti oder einer Kombination dieser Elemente gewählt ist, und wobei die Verbindung vorzugsweise eine Olivinstruktur aufweist, vorzugsweise übergeordnetes Olivin.
Elektrochemische Energiespeichereinrichtung mit einem oder mehreren Elektrodenstapeln (1) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11 und einer Umhüllung, welche diesen einen oder mehrere Elektrodenstapel (1) umgibt.
Batterie mit zwei oder mehreren elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen gemäß dem vorhergehenden Anspruch.