Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Festkörper-Energiespeicherzelle sowie eine zugehörige elektrochemische Festkörper-Energiespeicherzelle.

Energiespeicherzellen werden typischerweise in mobilen Einrichtungen wie beispielsweise Kraftfahrzeugen verwendet, um diese mit elektrischer Energie zu versorgen. Bekannte Energiespeicherzellen enthalten häufig flüssige Elektrolyte. Derzeit werden jedoch auch Energiespeicherzellen entwickelt, welche ausschließlich mit Feststoffen ausgebildet werden sollen. Hierfür werden in aktuellen Ausprägungen gestapelte Elektroden und Separatoren verwendet, die in Form von Einzelblättern zu einem Stapel verbunden werden. Zur Herstellung einer solchen Energiespeicherzelle ist es typischerweise erforderlich, einen solchen Stapel mit sehr hohen Drücken zu beaufschlagen, um einen sehr dichten Verbund zwischen den Grenzflächen der Einzellagen zu gewährleisten. Es hat sich herausgestellt, dass derartige hohe Drücke nur sehr schwer realisiert werden können.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Festkörper-Energiespeicherzelle bereitzustellen, welches im Vergleich zu bekannten Ausführungen alternativ oder besser ausgeführt ist, beispielsweise einfacher anwendbar ist. Es ist des Weiteren eine Aufgabe der Erfindung, eine zugehörige Festkörper- Energiespeicherzelle bereitzustellen. Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Festkörper-Energiespeicherzelle gemäß den jeweiligen Hauptansprüchen erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind beispielsweise in den jeweiligen Unteransprüchen beansprucht. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Festkörper-Energiespeicherzelle, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Bereitstellen einer Energiespeichereinheit, welche feste elektrochemisch aktive Lagen aufweist, Einbringen der Energiespeichereinheit in eine Hülle, und Verringern eines Umfangs der Hülle, dabei Zusammenpressen der Energiespeichereinheit.

Mittels eines solchen Verfahrens kann die Hülle verwendet werden, um auf einfache Weise einen Druck auf die Energiespeichereinheit auszuüben.

Im Vergleich zu bekannten Ausführungen, welche externe Maschinen zum Ausüben eines Drucks benötigen, kann durch die Verwendung der genannten Hülle mit der erwähnten Umfangsverringerung eine wesentlich einfachere und praktikablere Ausführung erreicht werden.

Die Energiespeichereinheit ist typischerweise dasjenige Element, welches in der fertigen Festkörper-Energiespeicherzelle die Speicherung von elektrischer Energie übernimmt. Die festen elektrochemisch aktiven Lagen bilden typischerweise in der fertigen Energiespeicherzelle den elektrochemisch aktiven Teil, so dass eine Speicherung von elektrischer Energie erfolgen kann. Insbesondere kann die Energiespeichereinheit elektrisch geladen und entladen werden. Die Hülle umschließt diese Energiespeichereinheit zumindest teilweise. Insbesondere kann die Hülle die Energiespeichereinheit entlang eines Umfangs umschließen. Die Hülle kann auf unterschiedliche Arten zur Umfangsverringerung ausgebildet sein, wobei auf typische Ausführungen weiter unten eingegangen wird. Insbesondere kann die Energiespeichereinheit zylinderförmig sein. Dies erlaubt ein radiales gleichmäßiges Zusammendrücken der Energiespeichereinheit durch die Hülle, welche insbesondere einen zumindest im Wesentlichen ringförmigen Querschnitt aufweisen kann.

Insbesondere kann die Hülle vor dem Einbringen einen ganz oder zumindest überwiegend kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Dadurch kann sie insbesondere besonders gut zu einem zylinderförmigen Querschnitt der Energiespeichereinheit korrespondieren. Statt eines kreisförmigen Querschnitts kann auch von einem ringförmigen Querschnitt gesprochen werden. Die kreisförmigen, zylinderförmigen oder ringförmigen Querschnitte bleiben typischerweise während des Verringerns des Umfangs und typischerweise auch in der fertigen Festkörper-Energiespeicherzelle erhalten. Dies erlaubt eine einfache Verfahrensführung, wobei durch eine Umfangsverringerung der Hülle ein gleichmäßiger Druck auf die Energiespeichereinheit ausgeübt werden kann.

Die Energiespeichereinheit kann insbesondere radial zusammengepresst werden. Dies kann insbesondere entlang einer axialen Ausdehnung der Energiespeichereinheit in gleichmäßiger oder zumindest im Wesentlichen gleichmäßiger Weise erfolgen.

Gemäß einer Ausführung sind die Lagen im Querschnitt spiralförmig. Gemäß einer alternativen Ausführung sind die Lagen im Querschnitt kreisförmig. Bei einer spiralförmigen Ausführung können diese insbesondere kontinuierlich von innen nach außen gewickelt werden. Bei einer kreisförmigen Ausführung können insbesondere mehrere jeweils in sich abgeschlossene Lagen aufeinandergelegt werden, wodurch ebenfalls eine radiale Vergrößerung erreicht wird. Gemäß einer Ausführung sind in der Hülle ein Vorsprung oder mehrere Vorsprünge ausgebildet, und der Umfang kann insbesondere durch Zusammendrücken eines Vorsprungs oder mehrerer Vorsprünge verringert werden.

Der Vorsprung oder die Vorsprünge können insbesondere radial nach außen abstehen. Dies erlaubt ein einfaches Greifen und Zusammendrücken der Vorsprünge. Insbesondere kann der Vorsprung oder können die Vorsprünge entlang des Umfangs zusammengedrückt werden. Dies erlaubt eine besonders einfache Umfangsverringerung.

Die Hülle kann insbesondere ganz oder teilweise aus einem plastisch deformierbaren Material ausgebildet sein. Dies führt insbesondere dazu, dass eine Umfangsverringerung, insbesondere einschließlich einer Veränderung der Vorsprünge, erhalten bleibt und nicht durch Elastizität wieder rückgängig gemacht wird. Dadurch wird der gewünschte Druck ausgeübt.

Gemäß einer Ausführung wird die Hülle mit einer sich axial erstreckenden Unterbrechung bereitgestellt, wobei an der sich axial erstreckenden Unterbrechung ein erstes freies Ende und ein zweites freies Ende sich gegenüberliegen. Der Umfang kann insbesondere durch Befestigung des ersten freien Endes und des zweiten freien Endes aneinander verringert werden. Dadurch kann ebenfalls in einfacher und praktikabler Weise eine Umfangsverringerung erreicht werden, wobei typischerweise in einem Ausgangszustand die Unterbrechung als Teil des Umfangs angesehen werden kann. Indem die beiden freien Enden aneinander befestigt werden, wird der Umfang somit insgesamt verringert. Insbesondere kann vor Befestigung ein Überlapp des ersten freien Endes und des zweiten freien Endes erzeugt werden. In diesem Zustand können die beiden freien Enden aneinander befestigt werden. Dadurch kann eine noch weitere Umfangsverringerung erreicht werden. Alternativ können die beiden freien Enden auch an gleicher radialer Position aneinander befestigt werden.

Insbesondere kann die Befestigung durch Schweißen erzeugt werden. Insbesondere können die beiden freien Enden mittels Schweißens miteinander verbunden werden. Dies hat sich als eine praktikable Befestigungsart erwiesen. Auch andere Arten sind jedoch möglich.

Gemäß einer Ausführung ist die Hülle ganz oder teilweise aus einem elastischen Material ausgebildet. Mittels eines solchen elastischen Materials kann eine einwärts gerichtete Kraft in vorteilhafter Weise erzeugt werden. Insbesondere kann das elastische Material nach der Umfangsverringerung eine einwärts gerichtete Kraft aufgrund der Elastizität ausüben.

Gemäß einer Ausführung weist die Energiespeichereinheit einen festen Kern auf, um welchen die Lagen gewickelt sind. Ein solcher fester Kem kann ein Inneres der Energiespeichereinheit definieren und eine Basis für das Aufwickeln oder sonstiges Aufbringen der bereits erwähnten Lagen bilden. Zudem kann der feste Kem als Gegenstück beim Ausüben einer einwärts gerichteten Kraft dienen. Der feste Kem kann insbesondere aus einem nicht deformierbaren Material ausgebildet sein.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine elektrochemische Festkörper- Energiespeicherzelle, welche mittels eines hierin beschriebenen Verfahrens hergestellt wurde. Bezüglich des Verfahrens können alle hierin beschriebenen Ausführungen verwendet werden. Die bereits erwähnten Vorteile können erreicht werden. Insbesondere kann es sich bei den elektrochemisch aktiven Lagen um Elektroden und Separatoren handeln. Elektroden sind typischerweise mit externen energieliefernden und/oder energieverbrauchenden Einheiten verbunden, so dass die elektrochemische Festkörper-Energiespeicherzelle geladen werden kann und Energie zur sinnvollen Verwendung abgeben kann. Separatoren trennen typischerweise die Elektroden voneinander.

Die Hülle kann insbesondere eine Zellhülle in der fertigen Energiespeicherzelle bilden. Somit ist kein zusätzliches Aufbringen einer Hülle erforderlich. Vielmehr kann die ohnehin im Rahmen des beschriebenen Verfahrens zum Aufbringen einer Kraft verwendete Hülle auch in der fertigen Energiespeicherzelle als Zellhülle verbleiben. Sie kann insbesondere eine Schutzfunktion für die Energiespeicherzelle ausüben.

Insbesondere kann gemäß einer Ausführung zur Kompensation eines Volumengangs eine Hülle als Struktur ausgeführt sein, die in einem Teilbereich Änderungen im Umfang zulässt. Um die notwendige Vorspannung in der Produktion zu erreichen, kann dieser Teilbereich erst nach dem Einfügen einer Energiespeichereinheit, die zum Beispiel ein Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel (Jelly Roll) ist, vorgespannt werden. Das Vorspannen erfolgt beispielsweise durch plastische Deformation oder eine Schweißverbindung, die unter Vorspannung ausgeführt wird. In einer alternativen Ausführung wird der komplette Zellmantel aus einem Material gefertigt, welches eine entsprechende Dehnung unter den geforderten Drücken aufweist. Die Energiespeichereinheit kann im Produktionsprozess in das Hüllenmaterial eingewickelt werden und unter Kompression kann eine Überiappschließung ausgeführt werden. Eine Energiespeichereinheit hat typischerweise ein Kernloch, in welchem sich ein Wickeldorn oder Kem befinden kann. Um zu verhindern, dass dieses Kernloch unter dem Druck des Systems kollabiert, kann insbesondere eine Energiespeichereinheit verwendet werden, welche auf einer Hülse gewickelt ist, welche in der Energiespeichereinheit verbleibt. Da typischerweise bei den vorliegenden Ausführungen keine Flüssigelektrolyte verwendet werden, können Deckelbaugruppen typischerweise entfallen. Die Abdichtung des Systems gegenüber Wasser kann auf Modul- bzw. Speicherebene gelöst werden.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 : einen Herstellungszustand einer Festkörper-Energiespeicherzelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 2: einen Herstellungszustand einer Festkörper-Energiespeicherzelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt eine elektrochemische Festkörper-Energiespeicherzelle 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem Herstellungszustand. Innenliegend ist dabei ein Kern 12 angeordnet, welcher aus einem festen Material besteht. Radial außenseitig dazu befindet sich eine zylinderförmige Energiespeichereinheit 20, welche spiralförmig gewickelten Lagen 22, 24 zusammengesetzt ist. Dabei enthält eine erste Lage 22 Elektroden und eine zweite Lage 24 einen Separator. Es sei verstanden, dass dies nur eine rein schematische Darstellung ist.

Radial außenseitig zur Energiespeichereinheit 20 befindet sich eine Hülle 30. Diese ist vorliegend aus einem plastisch deformierbaren Material ausgebildet und weist einen ersten Vorsprung 32 und eine zweiten Vorsprung 34 auf, welche jeweils nach außen abstehen. Die Hülle 30 wird um die Energiespeichereinheit 20 herum positioniert, so dass die Hülle 30 zumindest im Wesentlichen entlang des Umfangs der Energiespeichereinheit 20 anliegt. Anschließend werden die beiden Vorsprünge 32, 34 entlang des Umfangs zusammengedrückt, so dass sich insgesamt der Umfang der Hülle 30 verringert. Durch diese Umfangsverringerung wird eine radial einwärts gerichtete Kraft auf die Energiespeichereinheit 20 ausgeübt, welche zur Herstellung oder Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften dient. Aufgrund der bereits erwähnten plastisch deformierbaren Eigenschaften der Hülle 30 wird diese Kraft auch im fertigen Zustand beibehalten. Die Hülle 30 kann somit auch als Zellhülle für die fertige Energiespeicherzelle 10 verwendet werden.

Fig. 2 zeigt eine Festkörper-Energiespeicherzelle 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einem Herstellungszustand. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist dabei die Hülle 30 aus einem elastisch deformierbaren Material ausgebildet und weist keine Vorsprünge auf, sondern weist vielmehr eine Unterbrechung 35 auf, an welcher sich ein erstes freies Ende 36 und ein zweites freies Ende 38 gegenüberliegen. Der gesamte Umfang der Hülle 30 einschließlich der Unterbrechung 35 ist somit größer als bei einer materialmäßig durchgehenden Hülle 30. Die freien Enden 36, 38 können dann aneinander befestigt werden, wobei auch ein Überlapp verwendet werden kann. Der gesamte Umfang der Hülle 30 wird somit verringert, wodurch wiederum eine radial einwärts gerichtete Kraft auf die Energiespeichereinheit 20 ausgeübt wird. Auch dadurch wird die Energiespeichereinheit 20 komprimiert. Durch die elastisch deformierbare Eigenschaft der Hülle 30 stellt sich letztlich ein Gleichgewicht zwischen auswärts und einwärts gerichteten Drücken ein, welches zu einer Kompression der Energiespeichereinheit 20 führt. Im Vergleich zu bekannten Ausführungen, welche externe Maschinen zum Ausüben eines Drucks benötigen, wird durch die beschriebenen Ausführungen eine wesentlich einfachere Verfahrensführung erreicht.

Bezugszeichenliste

10 Festkörper-Energiespeicherzelle

12 Kem

20 Energiespeichereinheit

22 erste Lage

24 zweite Lage

30 Hülle

32 erster Vorsprung

34 zweiter Vorsprung

35 Unterbrechung

36 erstes freies Ende

38 zweites freies Ende