Verfahren und Vorrichtung zum Fließfertigen von Elektroden für eine Batterie

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fließfertigen von Elektroden für eine Batterie.

Stand der Technik

Zum Herstellen von Elektroden einer Batterie werden die Elektroden

beispielsweise aus Endlosmaterial herausgeschnitten und anschließend einzeln weiter bearbeitet, bevor Anoden und Kathoden mit dazwischen angeordneten Separatoren wechselweise gestapelt werden, um einen Zellstapel der Batterie auszubilden.

Beispielsweise zeigt die JP 2011 086506 eine Herstellungsvorrichtung für laminierte Batterien mit hoher Produktivität. Die US 2012 0210549 zeigt ein Verfahren zum Herstellen der elektrischen Doppelschichtkondensatorzelle.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Fließfertigen von Elektroden für eine Batterie und eine Vorrichtung zum Fließfertigen von Elektroden für eine Batterie, sowie schließlich ein

entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes ergeben sich aus der Beschreibung und sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Vorteile der Erfindung

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, Elektroden zum Herstellen von Batterien in einer Fließfertigung zusammenhängend zu bearbeiten und erst als letzten Bearbeitungsschritt vor dem Stapeln zu vereinzeln.

Es wird ein Verfahren zum Fließfertigen von Elektroden für eine Batterie vorgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein bahnförmiges

Ausgangsmaterial bereitgestellt wird, in einem Schritt des Strukturiere ns zumindest eine Streckgitterstruktur und ein Trennschnitt in das Ausgangsmaterial geschnitten werden, um benachbarte Elektrodenbereiche zu definieren, wobei das Ausgangsmaterial im Bereich der Streckgitterstruktur teilweise ungeschnitten bleibt, in einem Schritt des Streckens die Elektrodenbereiche

auseinandergezogen werden, um die Streckgitterstruktur zu strecken, und in einem Schritt des Vereinzeins die Elektrodenbereiche an der Streckgitterstruktur voneinander getrennt werden, um einzelne Elektroden zu erhalten.

Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.

Unter einem bahnförmigen Ausgangsmaterial kann ein Bandmaterial verstanden werden, das als Endlosmaterial bezeichnet werden kann. Das Ausgangsmaterial kann beidseitig zumindest teilweise mit einem Aktivmaterial beschichtet sein. Ein Trennschnitt durchtrennt einen vollständigen Schichtaufbau des

Ausgangsmaterials, also das Ausgangsmaterial und darauf angeordnete

Schichten Aktivmaterial. Durch zwei benachbarte Trennschnitte wird ein zukünftiges Maß einer Elektrode festgelegt. Ein Elektrodenbereich umfasst eine Fläche einer zukünftigen Elektrode und zumindest anteilig noch zu entfernende Hilfsstrukturen. Eine Streckgitterstruktur ist eine Hilfsstruktur und weist Stege und die Stege verbindende Knoten auf. Die Stege und Knoten verbinden zwei benachbarte Elektrodenbereiche einstückig. Die Stege und Knoten werden durch in versetzten Reihen angeordnete, zueinander beabstandete und von Reihe zu Reihe versetzte Schnitte durch das Ausgangsmaterial erzeugt. Beim Strecken der Streckgitterstruktur werden die Stege und Knoten deformiert und es öffnen sich zwischen den Stegen und Knoten näherungsweise rautenförmige

Durchbrüche, sogenannte Maschen. Durch die gestreckte Streckgitterstruktur hängen zwei benachbarte Elektrodenbereiche weiterhin zusammen und können gemeinsam zu weiteren Fertigungsschritten bewegt werden. Weitere

Hilfsstrukturen können Bereiche des Ausgangsmaterials sein, die beispielsweise ebenfalls zum Transport der zusammenhängenden Elektrodenbereiche von Fertigungsschritt zu Fertigungsschritt benötigt werden, jedoch nicht Teil der Batteriezelle werden sollen. Die Hilfsstrukturen werden beim Vereinzeln der Elektrodenbereiche von den Elektrodenbereichen entfernt, um die Elektroden zu erhalten.

Die Elektrodenbereiche können voneinander getrennt werden, indem die

Streckgitterstruktur zerrissen wird. Die Streckgitterstruktur kann so dünne Stege und Knoten aufweisen, dass Reste der Streckgitterstruktur nach dem Zerreißen an der Elektrode verbleiben können. Die Reste bestehen dabei aus so kleinen Partikeln, dass diese unproblematisch im Zellstapel verbleiben können. Durch das Zerreißen können die Elektrodenbereiche sehr einfach vereinzelt werden.

Die Elektrodenbereiche können voneinander getrennt werden, indem sie von der Streckgitterstruktur abgeschnitten werden. Die Streckgitterstruktur kann einfach durchtrennt werden, da die Stege sehr geringe Querschnitte aufweisen. Durch das Abschneiden können Partikelemissionen im Vergleich zum Abreißen verringert werden. Insbesondere kann durch den Schneidprozess eine kontrollierte Partikelemission erreicht werden.

Die Streckgitterstruktur kann in zumindest einen unbeschichteten Randbereich des Ausgangsmaterials geschnitten werden. Das Ausgangsmaterial kann beidseitig je einen Randbereich aufweisen. Im Randbereich ist kein Aktivmaterial angeordnet. Am Randbereich kann das Ausgangsmaterial gegriffen werden, ohne dabei einen Zugang für eine Bearbeitung des Aktivmaterials zu behindern. Am Randbereich können die Elektrodenbereiche gehalten werden und von Fertigungsschritt zu Fertigungsschritt transportiert werden.

Im Schritt des Strukturierens kann ferner eine Trennperforation in das

Ausgangsmaterial geschnitten werden. Die Trennperforation kann eine zukünftige Kontur der Elektroden abbilden. Beim Vereinzeln kann die

Trennperforation zerrissen werden, um einzelne Elektroden mit der Kontur zu erhalten. Eine Trennperforation kann aus entlang der Kontur nebeneinander angeordneten Schlitzen oder Löchern bestehen. Durch die Trennperforation wird das Ausgangsmaterial entlang der Kontur geschwächt und entlang der

Trennperforation reißen.

Die Trennperforation kann in den Randbereich geschnitten werden. Der

Randbereich kann zumindest teilweise abgerissen werden, um die Elektroden zu erhalten. Bis zum Fertigungsschritt des Vereinzeins können die

Elektrodenbereiche unter Verwendung des Rands transportiert werden. Nach dem Vereinzeln wird der Randbereich nicht mehr benötigt und kann entfernt werden.

Die Trennperforation kann in einem Teilschritt des Strukturiere ns in das

Ausgangsmaterial geschnitten werden, nachdem im Schritt des Streckens die Elektrodenbereiche auseinandergezogen worden sind. Der Schritt des

Strukturierens kann in Teilschritten erfolgen. In einem ersten Teilschritt kann die Streckgitterstruktur strukturiert werden. Anschließend kann die

Streckgitterstruktur gestreckt werden. Nachfolgend kann die Trennperforation in einem zweiten Teilschritt strukturiert werden. So kann verhindert werden, dass das an der Trennperforation geschwächte Ausgangsmaterial durch die Kräfte beim Strecken zerreißt. Zum nachfolgenden Transport von der Trennperforation zum nächsten Fertigungsschritt werden dann nur noch geringere Kräfte benötigt.

Die Trennperforation kann Umrisse von Kontaktfahnen der Elektroden abbilden. Die Umrisse der zumindest einen Kontaktfahne können so bedarfsgerecht ausgelegt werden. Die Doppelbenutzung des Randbereichs zum Transport von Fertigungsschritt zu Fertigungsschritt und als Material Vorrat für die

Kontaktfahnen kann bei der Auslegung der Kontaktfahne unberücksichtigt bleiben. Die Umrisse können auch an Stellen angeordnet werden, an denen zuvor Kraft zum Strecken der Streckgitterstruktur in den Randbereich eingeleitet worden ist.

Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante des hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen.

Die Vorrichtung kann ein elektrisches Gerät mit zumindest einer Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest einer Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, und zumindest einer Schnittstelle und/oder eine Kommunikationsschnitstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebetet sind, sein. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein sogenannter System-ASIC (englisch: application specific integrated Circuit) oder ein Mikrocontroller zum Verarbeiten von Sensorsignalen und Ausgeben von Datensignalen in Abhängigkeit von den Sensorsignalen sein. Die Speichereinheit kann beispielsweise ein Flash- Speicher, ein EPROM (englisch: erasable programmable read only memory) oder eine magnetische Speichereinheit sein. Die Schnitstelle kann als

Sensorschnitstelle zum Einlesen der Sensorsignale von einem Sensor und/oder als Aktorschnitstelle zum Ausgeben der Datensignale und/oder Steuersignale an einen Aktor ausgebildet sein. Die Kommunikationsschnitstelle kann dazu ausgebildet sein, die Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben. Die Schnitstellen können auch Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplatenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schrite des Verfahrens nach einer der vorstehend

beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.

Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen als Verfahren und Vorrichtung beschrieben sind. Die Merkmale können in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle;

Die Figuren 2a bis 2d zeigen eine Abfolge von Herstellungsschritten zum

Fließfertigen von Batterieelektroden gemäß einem Ausführungsbeispiel; und

Die Figuren 3a bis 3b zeigen eine Abfolge von ergänzenden

Herstellungsschritten zum Fließfertigen von Batterieelektroden gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende

Merkmale.

Ausführungsformen der Erfindung

Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden

Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen.

Mit anderen Worten finden in einem Akkumulator insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In- Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.

Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je ein

Elektrodensubstrat beziehungsweise einen Stromableiter, auf welchem ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Bei dem Aktivmaterial für die Kathode handelt es sich beispielsweise um ein Metalloxid. Bei dem Aktivmaterial für die Anode handelt es sich beispielsweise um Graphit oder Silizium. Weist die Anode elementares Lithium auf, welches sich durch eine hohe Energiedichte

auszeichnet und ist der Elektrolyt als Festkörper ausgeführt, spricht man von Lithium- Batterien beziehungsweise von Festkörperbatterien oder Post Lithium Ionen Technologie. Der hier vorgestellte Ansatz kann für beide Technologien Anwendung finden.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 100. Die

Batteriezelle 100 ist ein Einzelbaustein einer Batterie. Die Batterie kann dabei in Abhängigkeit von der Zellchemie der Batteriezelle 100 eine Primärbatterie oder eine wieder aufladbare Sekundärbatterie sein. Die Batteriezelle 100 weist zwei Elektroden 102 mit Aktivmaterial 104 und einen zwischen den Elektroden 102 angeordneten Separator 106 auf. Eine der Elektroden 102 wirkt als Anode. Die andere Elektrode 102 wirkt als Kathode. Die Aktivmaterialien 104 von Anode und Kathode sind verschieden. Beide Elektroden 102 sind beidseitig mit dem

Aktivmaterial 104 beschichtet.

Zur Ausbildung einer Batterie ist eine Mehrzahl von Elektroden 102 übereinander gestapelt. Dabei wechseln sich Anoden und Kathoden ab. Anode und Kathode sind beispielsweise auch unterschiedlich groß. Hier ist die Anode größer als die Kathode. Der Separator 106 ist größer als die Anode. Die Kathode wird beispielsweise umlaufend durch die Anode und den Separator 106 überragt. Die Elektroden 102 sind hier rechteckig. Beide Elektroden weisen als Kontur jeweils eine vorstehende Kontaktfahne 108 als Ableiter auf. Die Kontaktfahnen 108 sind nebeneinander an einer Schmalseite der Elektroden 102 angeordnet.

Die Figuren 2a bis 2d zeigen eine Abfolge von Herstellungsschritten zum

Fließfertigen von Elektroden 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die

Elektroden 102 können entweder der Anode oder der Kathode in Fig. 1 entsprechen. Die Elektroden 102 sind aus einem bandförmigen zumindest teilweise mit Aktivmaterial 104 beschichteten Ausgangsmaterial 200 hergestellt. Das Aktivmaterial 104 kann auf beiden Seiten des Ausgangsmaterials 200 angeordnet sein, damit auf jeder Seite der Elektrode 102 eine Batteriezelle ausgebildet werden kann. Das bandförmige Ausgangsmaterial 200 kann in beschichtetem Zustand von einer Rolle abgewickelt werden. Ebenso kann das bandförmige Ausgangsmaterial 200 vor den hier dargestellten

Fertigungsschritten mit dem Aktivmaterial 104 beschichtet werden. Das

Ausgangsmaterial 200 ist eine elektrisch leitende Folie, insbesondere eine Metallfolie. Hier ist das Aktivmaterial 104 in Form eines von zwei unbeschichteten Randbereichen 202 und 203 gesäumten Streifens auf das Ausgangsmaterial 200 aufgebracht.

In Fig. 2a ist dargestellt, wie das Aktivmaterial 104 in Elektrodenbereiche 204 strukturiert ist. Trennschnitte 206 durch das Aktivmaterial 104 und das

Ausgangsmaterial 200 sind beispielsweise durch Laserschneiden oder mechanisches Schneiden eingebracht. Die Randbereiche 202 sind dabei nicht zerschnitten, sodass die einzelnen Elektrodenbereiche 204 fest

Zusammenhängen. Ein Trennschnitt 206 trennt jeweils zwei benachbarte

Elektrodenbereiche 204 voneinander.

In Fig. 2b ist dargestellt, wie die Randbereiche 202 im Wesentlichen in

Verlängerung der Trennschnitte 206 mit Einschnitten 208 für eine

Streckgitterstruktur 210 strukturiert sind. Die Einschnitte 208 liegen dabei zumindest in zwei im Wesentlichen parallelen Reihen seitlich versetzt

zueinander. Hier sind die Einschnitte 208 in drei Reihen seitlich versetzt zueinander angeordnet, um als Streckgitterstruktur 210 eine Kreuzstruktur zu erzeugen. Zwischen den Reihen entstehen Stege 212. Durch den Versatz der Einschnitte 208 entstehen Knoten, welche die Stege 212 verbinden.

In Fig. 2c ist dargestellt, wie die Elektrodenbereiche 204 auseinandergezogen sind. Die Streckgitterstrukturen 210 wurden dabei gestreckt und die

Randbereiche 202 verlängert. Beim Strecken der Streckgitterstrukturen 210 haben sich die Einschnitte 208 zu Maschen geöffnet. Die Streifen 212 des Ausgangsmaterials 200 zwischen den Maschen sind plastisch dauerhaft verformt worden. Die Elektrodenbereiche 204 sind nach dem Auseinanderziehen durch einen permanenten Spalt 214 voneinander beabstandet. An den

zusammenhängenden Randbereichen 202 können die Elektrodenbereiche 204 sicher und schnell von Fertigungsschritt zu Fertigungsschritt transportiert werden.

In Fig. 2d ist dargestellt, wie werden die Elektrodenbereiche 204 final vereinzelt sind. Hier sind die Streckgitterstrukturen 210 zerrissen oder zerschnitten, um die einzelnen Elektroden 102 zu trennen.

In einem Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2c das Ausgangsmaterial 200 zwischen dem Randbereich 202 und dem Elektrodenbereich 204 zusätzlich mit einer Trennperforation 216 strukturiert. In Fig. 2d ist die Streckgitterstruktur 210 mit dem Randbereich 202 an der Trennperforation 216 abgerissen. Der andere Randbereich 203 bildet eine Kontaktfahne 108 zum elektrischen Kontaktieren der Elektrode 102 aus.

Die Figuren 3a bis 3b zeigen eine Abfolge von ergänzenden

Herstellungsschritten zum Fließfertigen von Elektroden 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Elektroden 102 können entweder der Anode oder der Kathode in Fig. 1 entsprechen und sind aus dem bandförmigen

Ausgangsmaterial 200 hergestellt.

In Fig. 3a ist dargestellt, dass das Ausgangsmaterial 200 des Randbereichs 203 nach dem Auseinanderziehen der Elektrodenbereiche 204 und dem Strecken der Streckgitterstrukturen 210 mit zusätzlichen Trennperforationen 216 strukturiert ist. Die zusätzlichen Trennperforationen 216 bilden eine zukünftige Kontur 218 der Kontaktfahne 108 ab.

In Fig. 3b ist die endgültige Kontur 218 der Elektrode 102 dargestellt Die

Trennperforationen 216 in beiden Randbereichen 202, 203 sind zerrissen. Durch das Abreißen des überschüssigen Ausgangsmaterials 200 der Randbereiche 202, 203 an den Trennperforationen 216 sind auch beide Streckgitterstrukturen 210 entfernt.

Mit anderen Worten zeigen die Figuren 2 und 3 den Ablauf eines Verfahrens zur Separation von Batterieelektroden aus einer durchgehend beschichteten

Elektrodenbahn durch Ausnutzung der plastischen Verformbarkeit des

Elektrodensubstrats beziehungsweise Stromableiters.

Diese Separation erfolgt vor einem Stapelprozess der Elektroden 102 und Separatoren aus kontinuierlich beziehungsweise durchgehend beschichteten Elektrodenbahnen, um einen elektrischen Kurzschluss der Anode und Kathode zu verhindern und den sich aus den elektrochemischen Eigenschaften ergebenden Anforderungen gerecht zu werden.

Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden beide Elektroden 102 sowie der Separator als Bahnware komplett kontinuierlich verarbeitet. Die geometrisch kleinere Elektrode 102, hier die Kathode, wird nur im Bereich des Aktivmaterials 104 vollständig inklusive Substrat geschnitten. Der Substratrand wird partiell mit einer Streckstruktur perforiert und dient nachfolgend als tragende Struktur zum Transport der Bahnware. Durch einen nachgelagerten Streckprozess, bei welchem die Eigenschaften der plastischen Verformbarkeit des Substrats ausgenutzt werden, wird die

Separation der Bahnware im Bereich des Aktivmaterials 104 erreicht, ohne die Bahnware vollständig zu trennen. Hierdurch wird für die nachfolgenden Prozesse eine kontinuierliche Verarbeitung der Bahnware ermöglicht. Vor dem weiteren Stapelprozess kann die Streckstruktur durch einen Reißprozess getrennt und die Bahnware auf diese Weise vereinzelt werden. Etwaige nicht benötigte Strukturen der Folie können vor dem Reißprozess perforiert werden, um gemeinsam mit der Streckstruktur entfernt werden zu können.

Wenn die Reste der Streckstruktur entfernt werden sollen und/oder ein

Ableiterfähnchen erstellt werden soll, ist dies ebenfalls mit einer Perforation möglich.

An den Elektroden können bei dem hier vorgestellten Ansatz typische Merkmale der Reste von Streckstrukturen an den Substraten verbleiben. Die

Produktionsprozesse zur Erzeugung der Streckstruktur und der Prozess zur Streckung werden in der Batteriefertigung bisher nicht verwendet.

Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie„aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie„eine“ oder„ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.