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WO2016120060A1 - Design für feststoffzellen - Google Patents

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WO2016120060A1
WO2016120060A1 PCT/EP2016/050454 EP2016050454W WO2016120060A1 WO 2016120060 A1 WO2016120060 A1 WO 2016120060A1 EP 2016050454 W EP2016050454 W EP 2016050454W WO 2016120060 A1 WO2016120060 A1 WO 2016120060A1
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WO
WIPO (PCT)
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layer
conductor
layers
conductor layer
solid
Prior art date
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Application number
PCT/EP2016/050454
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ingo Kerkamm
Reiner Ramsayer
Markus Kohlberger
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to CN201680007091.9A priority Critical patent/CN107210453A/zh
Publication of WO2016120060A1 publication Critical patent/WO2016120060A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • 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 to a solid cell according to the preamble of claim 8.
  • Solid or solid state batteries are currently of particular interest for both mobile and stationary applications.
  • the solid-state cells, or solid-state batteries are also referred to as "all-solid-state batteries.”
  • the solid cells contain only solid materials, in particular solid-state electrolytes, and have the advantages over conventional batteries containing liquid electrolytes because of the use of the solid-state electrolytes the solid cells have good safety-relevant properties and a high energy density> 400 Wh / kg.
  • Solid-state Li-ion batteries due to their internal structure and their mode of operation, have a higher Li-ion cell compared to known ones with liquid electrolytes increased expansion, or shrinkage during loading and unloading of the solid cell.
  • the expansion or shrinkage of the solid-state Li ion batteries can be in the range of 10-40% elongation.
  • the properties of the materials used such as, for example, the solid electrolyte used or, for example, the separators such that a classic structure of the solid cell in round / or prismatic format with a wound cell stack can not be realized.
  • the solid electrolyte may be made of a ceramic or of a glass-ceramic composite that can not be deformed or bent to the necessary extent in order to realize a construction of the cell in round or prismatic format.
  • the separators used in the classical solid state cells which, for example, consist of a ceramic layer with polymer layers deposited thereon, can only be deformed to a limited extent. Therefore currently only stacked cells (stacked cells) are possible. These stacked or stacked cells, the
  • pouch cells typically also referred to as pouch cells, however, have the disadvantage that the individual conductor layers, which are designed on the anode side and cathode side as a current conductor (for example, an Al film or a Cu film), in the production of the solid cell in the pouch stacking technique Layer by layer must be stacked. In this case, in particular the cutting of the films is complicated, since, for example. Terminal tabs (tabs) must be provided in order to connect the individual conductor layers with each other electrically.
  • a current conductor for example, an Al film or a Cu film
  • the inventive method for producing a solid cell in particular a lithium-ion solid cell having a first conductor layer and a second conductor layer and at least one separation layer, which are stacked to form a layer stack of at least two first conductor layers and at least two second conductor layers, wherein the first conductor layer is separated from the second conductor layer by the separation layer, and wherein the layers separated by the separation layer of the first conductor layer and / or the layers separated by the separation layer of the second
  • Conductor layer are electrically connected to each other in layers, includes the technical teaching that at least one of the conductor layers is made of a flexible sheet, wherein the flexible sheet as a continuous layer, the at least the two first conductor layers and / or the two second
  • a solid cell should preferably be a solid state battery, or a
  • Solid state accumulator meaning a rechargeable battery
  • an anode in the form of a lithium layer in the case of a lithium-ion battery an electrolyte layer which either a ceramic, or of glass or of a glass-ceramic composite has , and a cathode comprising a porous carbon layer.
  • the anode and cathode are typically separated from the electrolyte by a separator layer comprising, for example, a polymer-ceramic composite.
  • the separator improves the charge transfer at the anode and the cathode is electrochemically connected to the electrolyte.
  • the anode and cathode conductor layers also referred to as current or anode or cathode current conductors, 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.
  • At least one of the conductor layers i. H. either the anode current collector or the cathode current collector or else both current conductors are configured from a flexible web which is inserted as a continuous layer in the layer stack.
  • Conductor layer, or the second conductor layer as a continuous layer, the a flexible webs, should also as winding, or folding the
  • Conductor layers are understood in the layer stack. Accordingly, at least one of the conductor layers is advantageously designed as a windable or foldable flexible sheet or film. If, for example, the anode conductor layer, which, for example, can be a Cu current conductor, is designed as a continuous layer of a flexible web, this can be wound through in the pouch stacking technique during production of the solid cell, or inserted or folded into the layer stack.
  • the corresponding conductor layer (anode or cathode / or in each case both) must be provided with at least one or precisely only one electrical connection tab (tabs) in order to electrically connect the layer stack. As a result, the production and construction of the solid cell or the respective layer stack can be significantly simplified.
  • At least one conductor layer is premounted with the separator and optionally with the electrolyte as an assembly which, when the solid cell is stacked, is inserted in the conductor layer configured as a continuous layer from a flexible web is wrapped or folded.
  • the anode conductor layer which can be configured, for example, as a Cu film, at least in sections with a coating (for galvanic separation) designed.
  • the coating also serves advantageously to avoid short circuits.
  • the deflections advantageously embrace the layers of the layer stack which are layered between two layers of a conductor layer.
  • the conductor layer is coated in the region of the deflections.
  • both conductor layers ie, the anode conductor layers and the cathode conductor layer, which are used as an anode current collector, or as a cathode current collector, designed from a flexible sheet which is inserted as a continuous layer in the layer stack, or wound or folded.
  • the anode conductor layer is inserted into the layer stack substantially orthogonal to the cathode conductor layer, or wound or folded.
  • the solid cell is configured, for example, as a cuboid cell stack
  • the deflections for the anode conductor layer configured as a continuous layer of a flexible sheet are arranged on a surface of the cuboid and the surface of the cuboid opposite thereto, in which case
  • Deflections are designed for the other conductor layer at the intermediate surfaces.
  • the object of the present invention is also achieved by a
  • Solid cell in particular a lithium-ion solid cell, which
  • Separating layer which is stacked into a layer stack of at least two first conductor layers and at least two second conductor layers, wherein the first conductor layer is separated from the second conductor layer by the separation layer and wherein the layers separated by the separation layer of the first conductor layer and / or separated by the separation layer Layers of the second conductor layer are electrically connected in layers.
  • at least one of the conductor layers is made of a flexible sheet, wherein the flexible sheet as a continuous layer, which forms at least the two first conductor layers and / or the second two conductor layers together, in the
  • the method according to the invention can be configured in the form of intermediate taps in the solid cell according to the invention at the deflections Stromableiter.
  • the intermediate taps can For example, serve to connect several solid cells together.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a solid cell according to the prior
  • FIG. 3 shows a section of the embodiment of a solid cell according to the invention according to FIG. 2, FIG.
  • Fig. 5 is a schematic representation of the deflection of the conductor layer in assembling a layer stack
  • Fig. 6 is a schematic sketch of a solid cell, which is configured in Pouch stacking technique with two configured from a flexible sheet continuous conductor layers.
  • Figure 1 shows a solid cell 100 known in the art.
  • the solid cell 100 is in a pouch stacking technique, forming a compartment 20, i. forming a layer stack as a single cell, stacked in several layers 2, 3, 4, 5 and 6.
  • an upper conductor layer is formed, which may be, for example, an aluminum foil.
  • the layer 3 follows, which is formed by the solid electrolyte.
  • the layer 3 may be made of a ceramic or a glass-ceramic composite.
  • the layer 4, which forms the solid electrolyte is followed by the layer 4, which serves as a separator or separator to separate the anode from the cathode from each other.
  • Separator layer is configured, is in the usual way of a polymer-ceramic composite.
  • the layer 4 closes downwards, d. H.
  • the layer 5 which is designed as a lithium layer in a lithium-ion solid cell.
  • the layer 5 is followed by the anode current collector, which is shown in the form of the conductor layer 6.
  • the anode current conductor or the anode conductor layer 6 is, for example, a copper or nickel foil. If the layer 2 is electrically connected to the layer 6, voltage 50, for example. For the operation of an electrical device can be tapped.
  • FIG. 2 shows a section of a solid cell 1 produced by the method according to the invention.
  • the solid cell 1 according to the invention a plurality of layer stacks are involved in the function and layering of the individual layers 2, 3, 4, 5 and 6 of the solid cell 100, as in FIG represented, correspond.
  • a the conductor layers 2 or 6 of a flexible sheet 7.1 configured as a continuous layer 7.
  • the cathode current collector On the cathode side, the cathode current collector, namely the
  • the individual blanks of the stacked in the cell stack 30 conductor layers 2 via an electrically connecting element 8, for example.
  • An electrically conductive bridge each electrically connected.
  • the electrical connecting element 8 additionally serves to dissipate current on the cathode side to the outside.
  • the layers 6, which are formed from the continuous layer 7, are electrically connected to each other throughout.
  • Meandering insert the continuous layer 7 are stacked or arrangementally and preferably present intermittently
  • the flexible web 7.1 designed as a continuous layer 7 is preferably coated with a coating 10 in the region of the deflections 9.
  • the coating 10 is configured on the inner radius of the deflections 9 on the continuous layer.
  • the cathode conductor layer 2 of a flexible sheet 7.1 as a continuous layer. 7 meandering in the cell stack 30 inserted or wound or folded.
  • FIG. 3 shows a detail view of the uppermost compartments 20 of FIG. 3
  • the structure of the compartments 20, as shown in Figure 3, is equal to the structure of the known from the prior art solid cell 100, which is constructed in this case over the conductor layer 2 mirror-symmetrical.
  • the anode conductor layer 6 is formed of a flexible track 7.1 as a continuous layer 7, the first conductor layer 6.1 and the second conductor layer being shown in detail here by the meandering insertion of the flexible track 7.1 as a continuous layer 7 in the compartments 20 shown here 6.2 electrically over the
  • Deflection 9 are interconnected.
  • the deflection 9 encompasses two
  • Layers 2, 3, 4 and 5 can be advantageously configured in a mounting process as a prefabricated assembly, the meandering laying of the continuous layer 7, or during winding or folding the flexible sheet
  • 7.1 are formed as a continuous layer 7 formed flexible sheet 7.1 as a common assembly.
  • FIG. 4 shows an alternative construction of the solid cell 1 according to the invention, wherein all the layers 3, 4, 5 which are arranged between the conductor layers 2 or 6 in FIG
  • Subcompartments 20.1 constructed, by counter-folding, up, down and back up, as shown in Figure 5, configured as a flexible sheet 7.1 conductor layer 6, a continuous conductor layer 6 with the layers 3, 4 and 5, constructed thereon Putting the individual Operakompartimente 20.1 together with simultaneous insertion of the second conductor layer 2, the cell stack 30 are prepared for the solid cell 1.
  • the coating 10 which is preferably configured in the region of the deflections 9 on the conductor layer 2 or the conductor layer 6, be applied.
  • the coating 10 is configured on both sides of the conductor layer 2 or the conductor layer 6.
  • Figure 6 shows a schematic sketch of a solid cell 1, which is formed in Pouch stacking technique with two of a flexible sheet 7.1 designed as a continuous layer 7 conductor layers 2 and 6.
  • a solid cell 1 which is formed in Pouch stacking technique with two of a flexible sheet 7.1 designed as a continuous layer 7 conductor layers 2 and 6.
  • current deflectors in the form of intermediate taps 11 are configured on the deflections 9 of the conductor layers 2 and 6 and serve, for example, to connect a plurality of cell stacks 30 or serve to connect the solid cell 1 to an electrical consumer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein 1. Verfahren zur Herstellung einer Feststoffzelle (1), insbesondere einer Lithium-Ionen-Feststoffzelle, mit einer ersten Leiterschicht (2) und einer zweiten Leiterschicht (6) und zumindest einer Trennschicht (4), welche zu einem Schichtstapel aus mindestens zwei ersten Leiterschichten (2) und mindestens zwei zweiten Leiterschichten (6) gestapelt werden, wobei die erste Leiterschicht (2) durch die Trennschicht (4) von der zweiten Leiterschicht (6) getrennt wird, und wobei die durch die Trennschicht (4) getrennten Schichten der ersten Leiterschicht (2) und/oder die durch die Trennschicht (4) getrennten Schichten der zweiten Leiterschicht (6) schichtweise elektrisch miteinander verbunden werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest eine der Leiterschichten (2, 6) aus einer flexiblen Bahn ausgestaltet wird, wobei die flexible Bahn (7.1) als durchgängige Schicht (7), die zumindest die zwei ersten Leiterschichten (2) und/oder die zwei zweiten Leiterschichten (6) gemeinsam bildet, in den Schichtstapel eingelegt wird.

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 von Anspruch 8.
Stand der Technik
Feststoffzellen, bzw. Feststoffbatterien sind derzeit sowohl für mobile als auch für stationäre Anwendungen von besonderem Interesse. Die Feststoffzellen, bzw. die Feststoffbatterien werden auch als„All-Solid-State-Batterien" bezeichnet. Dabei enthalten die Feststoffzellen ausschließlich feste Materialien und insbesondere Festkörperelektrolyten und weisen gegenüber herkömmlichen, flüssige Elektrolyten enthaltene Batterien die Vorteile auf, dass aufgrund der Verwendung der Festkörperelektrolyten die Feststoffzellen gute sicherheitsrelevante Eigenschaften und eine hohe Energiedichte > 400 Wh/Kg aufweisen.
Dadurch, dass flüssige Elektrolyten durch Festkörperelektrolyten ersetzt werden, kann zum Beispiel das Risiko eines thermischen Durchgehens/Brennen
(Englisch:„thermal runaway") sowie eine Explosion der Feststoffzelle, d. h. der Batterie verringert, sowie die Sicherheit und die Zyklenbeständigkeit der Batterie erhöht werden.
Jedoch geht ein Ersetzen von flüssigen Elektrolyten durch Festkörperelektrolyten in der Regel mit einer Verringerung der Kapazität der Kathode einher, da
Materialien wie bspw. LiCo02 eine geringe Lithium-Ionen Leitfähigkeit aufweisen. Zudem haben bspw. Festkörper Li- Ionen- Batterien bedingt durch ihren inneren Aufbau und ihre Funktionsweise eine im Vergleich zu bekannten Li-Ionen-Zellen mit flüssigen Elektrolyten erhöhte Ausdehnung, bzw. Schrumpfung beim Laden und Entladen der Feststoffzelle. Die Ausdehnung, bzw. Schrumpfung der Festkörper Li- Ionen- Batterien kann dabei je nach Zellaufbau im Bereich von 10- 40 % Dehnung liegen.
Zudem sind die Eigenschaften der eingesetzten Materialien, wie bspw. dem eingesetzten Festkörperelektrolyten oder bspw. auch den Separatoren dergestalt, dass sich ein klassischer Aufbau der Feststoffzelle in Rund-/ oder Prismatischem- Format mit einem gewickelten Zellstapel nicht realisieren lässt. Insbesondere kann der Festkörperelektrolyt aus einem keramischen oder aus einem Glas- Keramik- Komposite ausgestaltet sein, dass sich nicht in dem notwendigen Maße umformen oder biegen lässt, um damit einen Aufbau der Zelle in Rund-/ oder Prismatischem- Format zu realisieren. Auch die bei den klassischen Festkörperzellen verwendeten Separatoren, die bspw. aus einer Keramikschicht mit daran angelagerten Polymerschichten bestehen, lassen sich nur bedingt verformen. Daher sind aktuell nur gestapelte Zellen (gestackte Zellen) möglich. Diese gestapelten, bzw. aufgestapelten Zellen, die
typischerweise auch als Pouchzellen bezeichnet werden, haben jedoch den Nachteil, dass die einzelnen Leiterschichten, die anodenseitig und kathodenseitig als Stromableiter ausgestaltet sind (bspw. eine AI-Folie bzw. eine Cu-Folie), bei der Herstellung der Feststoffzelle in der Pouch-Stapeltechnik Schicht für Schicht gestapelt werden müssen. Dabei ist insbesondere der Zuschnitt der Folien aufwändig, da bspw. Anschlusslaschen (tabs) vorgesehen werden müssen, um die einzelnen Leiterschichten miteinander elektrisch verbinden zu können.
Jedoch hat die Pouch-Stapeltechnik die Vorteile, dass sich zum einen
Festkörperzellen realisieren lassen, die mit einer Wickeltechnik aktuell nicht herstellbar sind, und zum anderen die einzelnen Schichten im Schichtstapel sauber flächig aufeinanderliegen.
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 Pouch- Stapeltechnik insbesondere das Schichten der Leiterschichten Schichtstapel zu vereinfachen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung einer Feststoffzelle, insbesondere einer Lithium- Ionen- Feststoffzelle mit sämtlichen Merkmalen des
Anspruchs 1, insbesondere des kennzeichnenden Teils, vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen
Verfahrensansprüchen angegeben. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Feststoffzelle, insbesondere eine Lithium- Ionen- Feststoffzelle mit sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 8, 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, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird, bzw. werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Feststoffzelle, insbesondere einer Lithium- Ionen- Feststoffzelle, mit einer ersten Leiterschicht und einer zweiten Leiterschicht und zumindest einer Trennschicht, welche zu einem Schichtstapel aus mindestens zwei ersten Leiterschichten und mindestens zwei zweiten Leiterschichten gestapelt werden, wobei die erste Leiterschicht durch die Trennschicht von der zweiten Leiterschicht getrennt wird, und wobei die durch die Trennschicht getrennten Schichten der ersten Leiterschicht und/oder die durch die Trennschicht getrennten Schichten der zweiten
Leiterschicht schichtweise elektrisch miteinander verbunden werden, schließt die technische Lehre ein, dass zumindest eine der Leiterschichten aus einer flexiblen Bahn ausgestaltet wird, wobei die flexible Bahn als durchgängige Schicht, die zumindest die zwei ersten Leiterschichten und/oder die zwei zweiten
Leiterschichten gemeinsam bildet, in den Schichtstapel eingelegt wird. Als Feststoffzelle soll vorzugsweise eine Festkörperbatterie, bzw. ein
Festkörperakkumulator (gemeint ist eine wiederaufladbare Batterie) verstanden werden, der im Falle einer Lithium- Ionen- Batterie eine Anode in Form einer Lithiumschicht verwendet, eine Elektrolytschicht, die entweder eine Keramik, bzw. aus Glas oder aber aus einem Glas- Keramik- Komposite aufweist, sowie eine Kathode, die eine porösen Kohlenstoffschicht umfasst. Die Anode und die Kathode sind in der Regel von dem Elektrolyten durch eine Separatorschicht, die 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. Zudem dient der
Separator dazu, den elektrischen Widerstand zu verringern. Die Leiterschichten der Anode und der Kathode, die auch als Stromleiter 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.
Im Gegensatz zu der bekannten Pouch-Stapeltechnik, zur Herstellung einer Feststoffzelle, wird erfindungsgemäß zumindest eine der Leiterschichten, d. h. entweder der Anoden-Stromableiter oder der Kathoden-Stromableiter oder aber auch beide Stromableiter aus einer flexiblen Bahn ausgestaltet, die als durchgängige Schicht in den Schichtstapel eingelegt wird. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass entweder die Leiterschicht für die Anode, bzw. die Leiterschicht für die Kathode oder auch beide Leiterschichten nicht wie üblich Schicht für Schicht zugeschnitten werden müssen, um diese Zuschnitte schichtweise in den
Schichtstapel der Feststoffzelle einzulegen, sondern die Leiterschicht für die Kathode und/oder die Anode als eine durchgängige Schicht, die Schichten in dem Schichtstapel bildend, in den Schichtstapel eingelegt wird. Dabei ist zudem vorteilhaft, dass zur elektrischen Verbindung von bspw. zwei Anoden- Leiterschichten auf eine aufwendige Ausgestaltung von Anschlusslaschen (tabs) verzichtet werden kann, da die Schicht, die gemeinsam bspw. zwei Anoden- Leiterschichten bildet, als flexible Bahn durchgängig ausgestaltet ist. Das gleiche gilt natürlich auch im Falle einer für die Kathode-Schichten verwendeten flexiblen Bahn als durchgängige Schicht. Das schichtweise Einlegen der ersten
Leiterschicht, bzw. der zweiten Leiterschicht als durchgängige Schicht, die aus einer flexiblen Bahnen besteht, soll auch als Wickeln, bzw. Falten der
Leiterschichten in den Schichtstapel verstanden werden. Demzufolge ist vorteilhaft zumindest eine der Leiterschichten als wickelbare, bzw. faltbare flexible Bahn oder Folie ausgeführt. Ist bspw. die Anoden- Leiterschicht, die bspw. ein Cu-Stromleiter sein kann, als durchgängige Schicht aus einer flexiblen Bahn ausgestaltet, kann diese bei der Herstellung der Feststoffzelle in Pouch- Stapeltechnik durchgewickelt, bzw. in den Schichtstapel eingelegt oder eingefaltet werden. Vorteilhafterweise muss nur die entsprechende Leiterschicht (Anode oder Kathode / oder jeweils beide) mit zumindest einer oder genau nur einer elektrischen Anschlusslasche (tabs) versehen sein, um den Schichtstapel elektrisch zu verbinden. Hierdurch kann die Herstellung und der Aufbau der Feststoffzelle bzw. des jeweiligen Schichtstapels deutlich vereinfacht werden.
Um das Stapeln der einzelnen Schichten zu dem Schichtstapel der Feststoffzelle zu vereinfachen, wird vorteilhaft zumindest eine Leiterschicht mit dem Separator und optional mit dem Elektrolyten als Baugruppe vormontiert, die beim Stapeln der Feststoffzelle in die aus einer flexiblen Bahn als durchgängige Schicht ausgestaltete Leiterschicht eingelegt, bzw. eingewickelt oder eingefaltet wird.
Um bei Ausgestaltung einer Feststoffzelle als Lithium-Ionen-Batterie, Lithium- Ablagerungen beim Laden zu vermeiden, bzw. das Entladen der Feststoffzelle zu verhindern, ist bevorzugt die Anoden- Leiterschicht, die bspw. als Cu-Folie ausgestaltet sein kann, zumindest abschnittsweise mit einer Beschichtung (zur galvanischen Trennung) ausgestaltet. Die Beschichtung dient dabei auch vorteilhaft dazu, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
Beim Einlegen der flexiblen Bahn, die als durchgängige Schicht in den
Schichtstapel der Feststoffzelle geschichtet wird, werden vorteilhaft
Umlenkungen zwischen den Schichten einer Leiterschicht gebildet. Vorteilhaft umgreifen dabei die Umlenkungen jeweils die zwischen zwei Schichten einer Leiterschicht geschichteten Schichten des Schichtstapels. Vorteilhaft wird dabei die Leiterschicht im Bereich der Umlenkungen beschichtet.
Um gänzlich den aufwändigen Zuschnitt für die Leiterschichten zu vermeiden, sind vorzugsweise beide Leiterschichten, d. h., die Anoden- Leiterschichten und die Kathoden- Leiterschicht, die als Anoden-Stromableiter, bzw. als Kathoden- Stromableiter verwendet werden, aus einer flexiblen Bahn ausgestaltet, die als durchgängige Schicht in den Schichtstapel eingelegt, bzw. gewickelt oder gefaltet wird.
Um bspw. eine ungewollte elektrische Verbindung zwischen der ersten
Leiterschicht und der zweiten Leiterschicht im Bereich der Umlenkungen zu vermeiden, wird die Anoden- Leiterschicht im Wesentlichen orthogonal zu der Kathoden- Leiterschicht in den Schichtstapel eingelegt, bzw. gewickelt oder gefaltet. Ist die Feststoffzelle bspw. als quaderförmiger Zellstapel ausgestaltet, sind die Umlenkungen für die als durchgängige Schicht aus einer flexiblen Bahn ausgestalteten Anoden- Leiterschicht an einer Fläche des Quaders und der daran gegenüberliegenden Fläche des Quaders angeordnet, wobei dann die
Umlenkungen für die andere Leiterschicht an den dazwischenliegenden Flächen ausgestaltet sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls gelöst durch eine
Feststoffzelle, insbesondere eine Lithium- Ionen- Feststoffzelle, welche
insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, mit einer ersten Leiterschicht und einer zweiten Leiterschicht und zumindest einer
Trennschicht, welche zu einem Schichtstapel aus mindestens zwei ersten Leiterschichten und mindestens zwei zweiten Leiterschichten gestapelt ist, wobei die erste Leiterschicht durch die Trennschicht von der zweiten Leiterschicht getrennt ist und wobei die durch die Trennschicht getrennten Schichten der ersten Leiterschicht und/oder durch die Trennschicht getrennten Schichten der zweiten Leiterschicht schichtweise miteinander elektrisch verbunden sind. Bei der Feststoffzelle ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass zumindest eine der Leiterschichten aus einer flexiblen Bahn ausgestaltet ist, wobei die flexible Bahn als durchgängige Schicht, die zumindest die zwei ersten Leiterschichten und/oder die zweiten zwei Leiterschichten gemeinsam bildet, in dem
Schichtstapel eingelegt ist.
Ergänzend zu der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens können bei der erfindungsgemäßen Feststoffzelle an den Umlenkungen Stromableiter in Form von Zwischenabgriffen ausgestaltet sein. Die Zwischenabgriffe können bspw. dazu dienen, um mehrere Feststoffzellen miteinander zu verbinden.
Natürlich können die in Form von Zwischenabgriffen ausgestalteten
Stromableiter auch die bei einer bekannten Feststoffzelle ausgestalteten
Stromableiter ersetzen.
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 Maßnahmen 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, räumlicher 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 ein Ausführungsbeispiel einer Feststoffzelle nach dem Stand der
Technik;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Feststoffzelle,
Fig. 3 einen Ausschnitt des Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Feststoffzelle gemäß Fig. 2,
Fig. 4 die Beschichtung der Anoden- Leiterschicht, die in eine Verfahrensschritt mit der Aktiv-Material-Aufbringung erfolgt,
Fig. 5 in einer schematischen Darstellung die Umlenkrichtung der Leiterschicht bei Assemblierung eines Schichtstapels und Fig. 6 eine schematische Skizze einer Feststoffzelle, die in Pouch- Stapeltechnik mit zwei aus einer flexiblen Bahn ausgestalteten durchgängigen Leiterschichten ausgestaltet ist.
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 aus dem Stand der Technik bekannte Feststoffzelle 100. Die Feststoffzelle 100 ist in Pouch-Stapeltechnik, ein Kompartiment 20 bildend, d.h. einen Schichtstapel als Einzelzelle bildend, in mehreren Schichten 2, 3, 4, 5 und 6 gestapelt. Kathodenseitig ist eine obere Leiterschicht ausgebildet, die bspw. eine Aluminiumfolie sein kann. An die Leiterschicht 2 schließt sich die Schicht 3 an, die von dem Festkörperelektrolyt gebildet wird. Dabei kann die Schicht 3 aus einer Keramik oder einem Glas-Keramik-Komposit ausgestaltet sein. An die Schicht 3, die den Festkörperelektrolyt bildet, schließt sich die Schicht 4 an, die als Trennschicht bzw. Separator dazu dient, die Anode von der Kathode voneinander zu trennen. Die Schicht 4, die als Trennschicht bzw.
Separatorschicht ausgestaltet ist, besteht in üblicher Weise aus einem Polymer- Keramik- Verbundstoff. An die Schicht 4 schließt sich nach unten hin, d. h.
Anodenseitig, die Schicht 5 an, die bei einer Lithium-Ionen-Feststoffzelle als Lithiumschicht ausgestaltet ist. An die Schicht 5 schließt sich der Anoden- Stromableiter an, der in Form der Leiterschicht 6 dargestellt ist. Bei dem Anoden- Stromableiter bzw. der Anoden- Leiterschicht 6 handelt es sich bspw. um eine Kupfer- oder Nickelfolie. Wird die Schicht 2 mit der Schicht 6 elektrisch verbunden, kann Spannung 50, bspw. für den Betrieb eines elektrischen Gerätes abgegriffen werden.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Feststoffzelle 1. Bei der erfindungsgemäßen Feststoffzelle 1 sind mehrere Schichtstapel, die in der Funktion und der Schichtung der einzelnen Schichten 2, 3, 4, 5 und 6 der Feststoffzelle 100, wie in Figur 1 dargestellt, entsprechen. Jedoch ist im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Feststoffzelle 100 bei der erfindungsgemäßen Feststoffzelle 1, eine der Leiterschichten 2 oder 6 aus einer flexiblen Bahn 7.1 als durchgängige Schicht 7 ausgestaltet. Vorliegend ist beispielhaft der Anoden-Stromableiter, d.h. die Leiterschicht 6 als durchgängige Schicht 7 in den aus mehreren
Kompartimenten 20 bzw. Schichtstapel bestehenden Pouch- bzw. Zellstapel 30 der Feststoffzelle 1 eingelegt. Wie in dem Schnitt der Feststoffzelle 1 in Figur 2 dargestellt, ist die durchgängige Schicht 7, d.h. die flexible Bahn 7.1
mäanderförmig in die Kompartimente 20 der Feststoffzelle 1, die aus den Schichten 2, 3, 4, 5 und der Leiterschicht 6 des Zellstapels 30 gebildet werden, als durchgängige Leiterschicht 6 eingelegt. Die mäanderförmige Anordnung der durchgängigen Schicht 7 in den Zellstapel 30 soll auch als Wickeln bzw. Falten der durchgängigen Schicht 7 in den Pouch- bzw. Zellstapel 30 verstanden werden. Kathodenseitig ist der Kathode-Stromableiter, nämlich die
Leiterschicht 2, wie auch aus dem Stand der Technik bekannt, als
Einzelzuschnitte schichtweise in dem Zellstapel 30 gestapelt. Dabei werden die Einzelzuschnitte der in dem Zellstapel 30 geschichteten Leiterschichten 2 über ein elektrisch verbindendes Element 8, bspw. eine elektrisch leitende Brücke, jeweils elektrisch miteinander verbunden. Vorliegend dient das elektrische verbindende Element 8 zusätzlich dazu, Kathodenseitig nach außen Strom abzuführen. Dagegen sind die Schichten 6, die aus der durchgängigen Schicht 7 gebildet sind, durchgängig miteinander elektrisch verbunden. Bei dem
mäanderförmigen Einlegen der durchgängigen Schicht 7 werden dabei stapel- bzw. kompartimentweise und vorzugsweise intermittierend vorliegend
abwechselnd links und rechts, wie in der Figur 2 dargestellt, Umlenkungen 9 ausgebildet. Um Kurzschlüsse zu vermeiden bzw. um Lithium-Ablagerungen beim Laden oder Entladen der Feststoffzelle 1 zu behindern, ist vorzugsweise die die als durchgängige Schicht 7 ausgestaltete flexible Bahn 7.1 im Bereich der Umlenkungen 9 mit einer Beschichtung 10 beschichtet. Die Beschichtung 10 ist vorliegend an dem inneren Radius der Umlenkungen 9 auf der durchgängigen Schicht ausgestaltet. Im Gegensatz zu der hier in der Figur 2 dargestellten Variante, nämlich der Ausgestaltung der Anoden- Leiterschicht 6 aus einer flexiblen Bahn 7.1 als durchgängige Schicht 7, kann als eine weitere Variante auch die Kathoden- Leiterschicht 2 aus einer flexiblen Bahn 7.1 als durchgängige Schicht 7 mäanderförmig in den Zellstapel 30 eingelegt bzw. gewickelt oder gefaltet werden. Figur 3 zeigt in einer Detailansicht die obersten Kompartimente 20 des
Zellstapels 30 aus Fig. 2. Der Aufbau der Kompartimente 20, wie in Figur 3 dargestellt, ist gleich dem Aufbau der aus dem Stand der Technik bekannten Feststoffzelle 100, die vorliegend über die Leiterschicht 2 spiegelsymmetrisch aufgebaut ist. Jedoch ist die Anoden- Leiterschicht 6 vorliegend aus einer flexiblen Bahn 7.1 als durchgängige Schicht 7 ausgebildet, wobei hier in der Detailansicht durch das mäanderförmige Einlegen der flexiblen Bahn 7.1 als durchgängige Schicht 7 in den hier dargestellten Kompartimenten 20 die erste Leiterschicht 6.1 und die zweite Leiterschicht 6.2 elektrisch über die
Umlenkung 9 miteinander verbunden sind. Dabei umgreift die Umlenkung 9 zwei
Schichten 5, zwei Schichten 4, zwei Schichten 3 und eine Leiterschicht 2 und bildet mit diesen Schichten 2 Kompartimente 20. Die zuvor genannten
Schichten 2, 3, 4 und 5 können vorteilhaft in einem Montageprozess als eine vorgefertigte Baugruppe ausgestaltet werden, die beim mäanderförmigen Legen der durchgängigen Schicht 7, bzw. beim Wickeln oder Falten der flexiblen Bahn
7.1, in die als durchgängige Schicht 7 ausgebildete flexible Bahn 7.1 als gemeinsame Baugruppe eingelegt werden.
Figur 4 zeigt einen alternativen Aufbau der erfindungsgemäßen Feststoffzelle 1, wobei sämtliche Schichten 3, 4, 5, die zwischen den Leiterschichten 2 oder 6 in
Schichten gestapelt werden, als Teilkompartimente 20.1 auf einer der
Leiterschichten 2 oder 6, die aus einer flexiblen Bahn 7.1 ausgestaltet ist, intermittierend aufgebaut werden. Sind bspw. auf der Leiterschicht 6 vorteilhaft ober- und unterhalb der Leiterschicht 6, die Schichten 3, 4 und 5 als
Teilkompartimente 20.1 aufgebaut, kann durch gegenläufige Faltung, nach oben, nach unten und wieder nach oben, wie in Figur 5 dargestellt, der als flexiblen Bahn 7.1 ausgestalteten Leiterschicht 6, eine durchgängige Leiterschicht 6 mit den darauf aufgebauten Schichten 3, 4 und 5, durch Aufeinanderlegen der einzelnen Teilkompartimente 20.1 bei gleichzeitigem Einlegen der zweiten Leiterschicht 2, der Zellstapel 30 für die Feststoffzelle 1 hergestellt werden.
Optional kann beim Aufbau der Schichten 3, 4 und 5 auf einer der
Leiterschichten 6 oder 2 gleichzeitig zwischen den als Teilkompartimente 20.1 ausgestalteten Schichten 3, 4 und 5 intermittierend zwischen den
Teilkompartimenten 20.1 die Beschichtung 10, die vorzugsweise im Bereich der Umlenkungen 9 auf der Leiterschicht 2 oder der Leiterschicht 6 ausgestaltet ist, aufgetragen werden. Vorliegend wird die Beschichtung 10 beidseitig der Leiterschicht 2 oder der Leiterschicht 6 ausgestaltet.
Figur 6 zeigt eine schematische Skizze einer Feststoffzelle 1, die in Pouch- Stapeltechnik mit zwei aus einer flexiblen Bahn 7.1 als durchgängige Schicht 7 ausgestalteten Leiterschichten 2 und 6 ausgebildet ist. Dabei sind die
Umlenkungen 9 der durchgängigen Schicht 7, die die Leiterschicht 2 ist, zu den Umlenkungen 9, die durch die durchgängige Schicht 7 der Leiterschicht 6 gebildet werden, orthogonal zueinander in den Zellstapel eingelegt. Vorliegend sind an den Umlenkungen 9 der Leiterschichten 2 und 6 Stromableiter in Form von Zwischenabgriffen 11 ausgestaltet, die bspw. dazu dienen, um mehrere Zellstapel 30 miteinander zu verbinden, bzw. die zum Anschließen der Feststoffzelle 1 an einen elektrischen Verbraucher dienen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Feststoffzelle (1), insbesondere einer Lithium- Ionen- Feststoffzelle, mit einer ersten Leiterschicht (2) und einer zweiten Leiterschicht (6) und zumindest einer Trennschicht (4), welche zu einem Schichtstapel aus mindestens zwei ersten Leiterschichten (2) und mindestens zwei zweiten Leiterschichten (6) gestapelt werden, wobei die erste Leiterschicht (2) durch die Trennschicht (4) von der zweiten
Leiterschicht (6) getrennt wird, und wobei die durch die Trennschicht (4) getrennten Schichten der ersten Leiterschicht (2) und/oder die durch die Trennschicht (4) getrennten Schichten der zweiten Leiterschicht (6) schichtweise elektrisch miteinander verbunden werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine der Leiterschichten (2, 6) aus einer flexiblen Bahn (7.1) ausgestaltet wird, wobei die flexible Bahn (7.1) als durchgängige Schicht (7), die zumindest die zwei ersten Leiterschichten (2) und/oder die zwei zweiten Leiterschichten (6) gemeinsam bildet, in den Schichtstapel eingelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Leiterschicht (2) und/oder die zweite Leiterschicht (6) mit der Trennschicht (4) als Baugruppe vormontiert werden, wobei die Baugruppe bei der Montage des Schichtstapels in die flexible Bahn (7.1) eingelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die flexible Bahn (7.1) vor dem Einlegen in den Schichtstapel zumindest abschnittsweise mit einer Beschichtung (10) ausgestaltet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die flexible Bahn (7.1) zwischen den zumindest zwei ersten
Leiterschichten (2) und/oder den zwei zweiten Leiterschichten (6) derart umgelenkt wird, das Umlenkungen (9) zwischen den zwei ersten
Leiterschichten (2) und/oder den zwei zweiten Leiterschichten (6) gebildet werden, wobei von jeder Umlenkung (9), die zwischen den zwei ersten Leiterschichten (2) und/oder den zwei zweiten Leiterschichten (6) angeordneten Schichten (3, 4, 5, 6) oder (2, 3, 4, 5) des Schichtstapel zumindest abschnittsweise umgriffen werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die flexible Bahn (7.1) als Anode und/oder als Kathode verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Leiterschicht (2) und die zweite Leiterschicht (6) jeweils aus einer flexiblen Bahn (7.1) ausgestaltet werden, die anodenseitig und kathodenseitig eine durchgängige Schicht (7) bilden, wobei beide
Leiterschichten (2, 6) in den Schichtstapel eingelegt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Leiterschicht (2) im Wesentlichen orthogonal zu der zweiten Leiterschicht (6) in den Schichtstapel eingelegt wird.
Feststoffzelle (1), insbesondere eine Lithium-Ionen-Feststoffzelle, welche insbesondere nach dem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist, mit einer ersten Leiterschicht (2) und einer zweiten
Leiterschicht (6) und zumindest einer Trennschicht (4), welche zu einem Schichtstapel aus mindestens zwei ersten Leiterschichten (2) und mindestens zwei zweiten Leiterschichten (6) gestapelt ist, wobei die erste Leiterschicht (2) durch die Trennschicht (4) von der zweiten Leiterschicht (6) getrennt ist, und wobei die durch die Trennschicht (4) getrennten Schichten der ersten Leiterschicht (2) und/oder die durch die Trennschicht (4) getrennten Schichten der zweiten Leiterschicht (6) schichtweise miteinander elektrisch verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine der Leiterschichten (2, 6) aus einer flexiblen Bahn (7.1) ausgestaltet ist, wobei die flexible Bahn (7.1) als durchgängige Schicht (7), die zumindest die zwei ersten Leiterschichten (2) und/oder die zwei zweiten Leiterschichten (6) gemeinsam bildet, in den Schichtstapel eingelegt ist.
Feststoffzelle (1) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die flexible Bahn (7.1) zwischen den zumindest zwei ersten
Leiterschichten (2) und/oder den zwei zweiten Leiterschichten (6) als Umlenkung (9) ausgestaltet ist, wobei die flexible Bahn (7.1) insbesondere im Bereich der Umlenkung (9) mit einer Beschichtung (10) ausgestaltet ist, und wobei die Umlenkung (9), die zwischen den zwei ersten
Leiterschichten (2) und/oder den zwei zweiten Leiterschichten (6) angeordneten Schichten (3, 4, 5, 6) oder (2, 3, 4, 5) des Schichtstapel zumindest abschnittsweise umgreift.
Feststoffzelle nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass an den Umlenkungen (9) Stromableiter in Form von
Zwischenabgriffen (11) ausgestaltet sind.
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