Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators und Akkumulator

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators. Außerdem betrifft die Erfindung einen Akkumulator.

Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind als Speicher für elektrische Energie weit verbreitet. Sie werden unter anderem auch im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt und dienen hier insbesondere als sogenannte Antriebs- oder Traktionsbatterien zum Antrieb von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen.

Ein Lithium-Ionen-Akkumulator weist als wesentliche Komponenten eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen Separator und ein Elektrolyt auf. Hinsichtlich des genauen Aufbaus ist hierbei eine Vielzahl von Ausführungen bekannt. Allen Ausführungen gemein ist aber, dass im Lithium-Ionen-Akkumulator freie und somit mobile Lithium-Ionen vorliegen, also Lithium-Ionen, die frei durch den Elektrolyten zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode hin- und herwandern können.

Ein mögliches Verfahren zur Herstellung eines Lithium-Ionen-Akkumulators ist zum Beispiel in „Heimes, Heiner Hans; Kampker, Achim; Lienemann, Christoph; Locke, Marc; Offermanns, Christian; Michaelis, Sarah; Rahimzei, Ehsan (2018): Produktionsprozess einer Lithium-Ionen- Batteriezelle, Frankfurt am Main, PEM der RWTH Aachen und VDMA Eigendruck“ skizziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators sowie einen vorteilhaft ausgebildeten Akkumulator anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Akkumulator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Akkumulator übertragbar und umgekehrt. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Das nachfolgend näher beschriebene erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Akkumulators, welcher als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet ist. Ein solcher Akkumulator weist hierbei zumindest eine Lithium-Ionen-Zelle auf. Für eine Vielzahl von Anwendungsfällen weist ein entsprechender Akkumulator jedoch mehrere Lithium-Ionen-Zellen auf, wobei die Lithium-Ionen-Zellen typischerweise gleichartig ausgebildet sind. In einigen Fällen ist der Akkumulator dann als sogenannte Antriebs- oder T raktionsbatterie zum Antrieb eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs ausgebildet.

Eine entsprechende Lithium-Ionen-Zelle, nachfolgend auch kurz Zelle genannt, weist wiederum eine erste Elektrode mit einer ersten Aktivmaterialschicht auf. Weiter weist die Lithium-Ionen- Zelle zweckdienlicherweise eine zweite Elektrode sowie einen Separator auf. Zudem ist in die Lithium-Ionen-Zelle ein Elektrolyt eingebracht, insbesondere eine Elektrolytlösung.

Zur Herstellung der ersten Elektrode und somit auch zur Herstellung des Akkumulators wird nun erfindungsgemäß zunächst ein erstes Materialband hergestellt, aus dem die erste Elektrode im Zuge eines Trennvorgangs dann herausgetrennt wird. Das erste Materialband wird dabei hergestellt, indem eine erste Suspension angemischt wird, welche ein erstes Aktivmaterial aufweist, indem die erste Suspension zur Ausbildung der ersten Aktivmaterialschicht auf eine erste Metallfolie aufgetragen wird und indem eine erste Polymerbeschichtung ausgebildet wird als eine erste Zwischenschicht zwischen dem ersten Aktivmaterial und dem Elektrolyten.

Jene Zwischenschicht dient hierbei zumindest in der fertiggestellten Zelle oder im fertiggestellten Akkumulator als eine sogenannte Passivierungsschicht. Eine damit vergleichbare Passivierungsschicht wird nach dem Stand der Technik im Zuge einer sogenannten Formation aus dem Elektrolyten ausgebildet. Zumindest im Falle der negativen Elektrode wird diese dann auch als Solid Electrolyte Interphase (SEI) bezeichnet. Die Zwischenschicht wird dagegen erfindungsgemäß vor der sogenannten Formation und insbesondere vor der sogenannten Zellassemblierung ausgebildet. Bevorzugt wird die Zwischenschicht hierbei als rein organische Schicht ausgebildet. Sie enthält dann insbesondere keine metallische Komponente.

Von Vorteil ist weiter eine Verfahrensvariante, bei der zur Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung ein erstes Monomer oder Monomer-Material in die erste Suspension eingebracht wird. Dies geschieht dann insbesondere vor der Auftragung der ersten Suspension auf die erste Metallfolie. Einer weiteren vorteilhaften Verfahrensvariante entsprechend wird zur Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung das erste Monomer auf die Aktivmaterialschicht aufgesprüht. Dies geschieht dann typischerweise nach der Auftragung der ersten Suspension auf die erste Metallfolie.

Auch wird in einigen Anwendungsfällen zur Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung das erste Monomer in die erste Suspension eingebracht, was insbesondere vor der Auftragung der ersten Suspension auf die erste Metallfolie geschieht, und zudem wird zur Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung das erste Monomer oder ein weiteres Monomer auf die Aktivmaterialschicht aufgesprüht, was insbesondere nach der Auftragung der ersten Suspension auf die erste Metallfolie geschieht. Wird ein weiteres Monomer aufgesprüht, so weist die erste Polymerbeschichtung im fertiggestellten Zustand dann typischerweise zwei unterschiedliche Schichten auf, die durch unterschiedliche Polymere ausgebildet sind.

Ist die Ausbildung einer ersten Polymerbeschichtung vorgesehen, die im fertiggestellten Zustand zwei unterschiedliche Schichten aufweist, so wird diese in einer weiteren alternativen Ausführungsvariante ausgebildet, indem das erste Monomer auf die Aktivmaterialschicht aufgesprüht wird, was insbesondere nach der Auftragung der ersten Suspension auf die erste Metallfolie geschieht, und indem in der Folge das weiter Monomer aufgesprüht wird.

Unabhängig davon, welche der zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten ausgeführt wird, wird als erstes Monomer bevorzugt Styrol, ein Acrylat oder ein Sulfonat eingesetzt. Auch für das weitere Monomer wird, sofern ein weiteres Monomer zum Einsatz kommt, bevorzugt Styrol, ein Acrylat oder ein Sulfonat eingesetzt.

Ist ein zuvor beschriebenes Aufsprühen vorgesehen, so wird zweckdienlicherweise eine Lösung aufgesprüht, bei der das erste Monomer oder das weitere Monomer in einem Lösungsmittel gelöst ist. Bei jenem Lösungsmittel handelt es sich beispielsweise um ein fluoriertes oder ein nicht protisches Lösungsmittel. Bevorzugt handelt es sich um ein Elektrolytlösungsmittel, also ein Lösungsmittel, welches im Elektrolyten der Zelle enthalten ist.

Der Elektrolyt der Zelle weist somit bevorzugt zumindest ein Lösungsmittel oder Lösemittel auf, insbesondere ein organisches Lösemittel. Als Lösungsmittel, insbesondere als Elektrolytlösungsmittel, kommt bspw. ein Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Diethylcarbonat, Dimethyl- carbonat, Ethylmethylcarbonat, Acetonitril, Glutaronitril, Adiponitril, Pimelonitril, gamma-Butyro- lacton, gamma-Valerolacton, Dimethoxyethan, 1 ,3-Dioxalan, Methylacetat und/oder Mischungen davon zum Einsatz.

Zudem weist der Elektrolyt zweckdienlicherweise wenigstens ein Lithium-Salz (auch: „Lithium- Leitsalz“) auf. Als ein solchen Lithium-Salz kommt beispielswiese wenigstens LiAsF6, LiCIO4, LiSbF6, LiPtCI6, Li(CF3)SO3 (LiTf), LiC (SO2CF3)3, ein phosphatbasiertes Lithium-Salz - z. B. LiPF6, LiPF3(CF3)3 (LiFAP) und LiPF4(C2O4) (LiTFOB) - ein boratbasiertes Lithium-Salz - bspw. LiBF4, LiB(C2O4)2 (LiBOB), LiBF2(C2O4) (LiDFOB), LiB(C2O4)(C3O4) (LiMOB), Li(C2F5BF3) (LiFAB) und Li2B12Fi2 (LiDFB),L - und/oder ein Lithium-Salz von Sulfonylimiden — z. B. LiN(SO2CF3)2 (LiTFSI) und UN (SO2C2F5)2 (LiBETI) - zum Einsatz. Ein besonders bevorzugtes Lithium-Leitsalz ist LiPF6 (Lithiumhexafluorphosphat) oder Mischungen von diesem.

Wie bereits zuvor dargelegt wird die erste Suspension zur Ausbildung der ersten Aktivmaterialschicht auf die erste Metallfolie aufgetragen. Hierdurch wird dann eine erste beschichtete Metallfolie hergestellt. Soll die erste Elektrode in der fertiggestellten Zelle oder im fertiggestellten Akkumulator als negative Elektrode dienen, so kommt als Aktivmaterial für die Aktivmaterialschicht beispielsweise Graphit oder Silicium zum Einsatz. Soll die erste Elektrode in der fertiggestellten Zelle oder im fertiggestellten Akkumulator als positive Elektrode dienen, so kommt als Aktivmaterial für die Aktivmaterialschicht zum Beispiel ein NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt- Oxid), LFP (Lithiumeisenphosphat) oder ein NCA (Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid) zum Einsatz. Alternativ kommen sogenannte Next-Generation Elektrodenmaterialien, insbesondere Next-Generation Kathodenmaterialien, zum Einsatz oder Hochvolt-Spinelle, wie LNMO (Lithiumnickelmanganoxid).

Unabhängig davon wird nun die erste Suspension zur Ausbildung der ersten Aktivmaterialschicht auf die erste Metallfolie aufgetragen, wobei die erste beschichtete Metallfolie hergestellt wird. Bevorzugt wird dann weiter für die Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung eine Spannung an die erste beschichtete Metallfolie angelegt. Dies gilt insbesondere, wenn zur Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung das erste Monomer und/oder ein weiteres Monomer auf die Aktivmaterialschicht aufgesprüht wird. Mit der angelegten Spannung wird dann die Diffu- sion/Migration des Monomers zur oder auf die Oberfläche der Aktivmaterialschicht erhöht.

Weiter bevorzugt werden für die Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung Trocken rau mbe- dingungen vorgegeben. Dabei wird typischerweise eine relative Luftfeuchtigkeit kleiner gleich 10 % vorgegeben und insbesondere wird eine relative Luftfeuchtigkeit kleiner gleich 10 % vorgegeben. Auf die Nutzung eines Schutzgases wird bevorzugt verzichtet. Zudem werden bevorzugt keine speziellen Druckbedingungen vorgegeben. D.h., dass der vorherrschende Druck im Bereich des Normaldrucks liegt.

Davon unabhängig wird zur Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung eine Polymerisation hervorgerufen. Dies geschieht je nach Anwendungsfall beispielsweise durch Aufsprühen eines Radikalstarters, wie zum Beispiel eines Peroxodisulfats, eines Bezolyperoxids oder eines Azo- bisisobutyronitrils. Alternativ oder zusätzlich erfolgt eine Wärmebehandlung.

Gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren wird nun also zur Herstellung der ersten Elektrode und somit auch zur Herstellung des Akkumulators zunächst das erste Materialband hergestellt, aus dem dann die erste Elektrode im Zuge des Trennvorgangs herausgetrennt wird. Ein solches Materialband, aus dem Elektroden im Zuge eines Trennvorgangs herausgetrennt werden, wird auch als „Elektrodencoil“ bezeichnet. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um eine beschichtete Folie, die typischerweise in aufgewickelter Form vorgehalten wird. Zuvor wurde dabei lediglich eine einseitige Beschichtung für das erste Materialband beschrieben. Je nach Anwendungsfall wird jedoch im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens ein erstes Materialband hergestellt, welches zweiseitig beschichtet ist, also auf einer Oberseite und auf einer Unterseite. Bevorzugt sind die Beschichtungen auf der Oberseite und der Unterseite dabei gleichartig ausgeführt.

Wie zuvor ebenfalls bereits angedeutet weist die Lithium-Ionen-Zelle typischerweise zusätzlich zur ersten Elektrode eine zweite Elektrode auf. Je nachdem ob die erste Elektrode in der fertiggestellten Zelle dann als negative Elektrode oder als positive Elektrode dient, dient die zweite Elektrode in der fertiggestellten Zelle dann zweckdienlicherweise als positive Elektrode bzw. als negative Elektrode.

Typisch ist dann weiter eine Variante des Verfahrens, bei der zur Herstellung des Akkumulators die zweite Elektrode hergestellt wird, indem ein zweites Materialband hergestellt wird, aus dem die zweite Elektrode im Zuge eines Trennvorgangs herausgetrennt wird. Dabei wird dann bevorzugt das zweite Materialband hergestellt, indem eine zweite Suspension angemischt wird, welche ein zweites Aktivmaterial aufweist, indem die zweite Suspension zur Ausbildung der zweiten Aktivmaterialschicht auf eine zweite Metallfolie aufgetragen wird und indem eine zweite Polymerbeschichtung ausgebildet wird als eine zweite Zwischenschicht zwischen dem zweiten Aktivmaterial und dem Elektrolyten. Bevorzugt wird dabei das zweite Materialband hergestellt in einer Weise, wie sie zuvor für das erste Materialband beschrieben wurde.

Die zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen sind sinngemäß auch auf den zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Akkumulator zu übertragen und umgekehrt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der schematischen Zeichnungen. Darin zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines Akkumulators mit mehreren Lithium-Ionen- Zellen,

Fig. 2 eine vereinfachte Schnittdarstellung einer der Lithium-Ionen-Zellen des Akkumulators, und

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung einer Anlage zur Herstellung des Akkumulators.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Ein nachfolgend exemplarisch beschriebenes Verfahren dient zur Herstellung eines Akkumulators 2, welcher als Lithium-Ionen-Akkumulator 2 ausgebildet ist. Ein solcher Akkumulator 2 weist in vielen Anwendungsfällen mehrere einheitlich ausgestaltete Lithium-Ionen-Zellen 4 oder kurz Zellen 4 auf. Die entsprechenden Zellen 4 sind dabei dann üblicherweise im Akkumulator 2 über eine Verschaltungseinrichtung 6 in nicht näher dargestellter Weise miteinander verschaltet. Dies ist in Fig. 1 angedeutet.

In jedem Fall aber weist ein solcher Akkumulator 2 zumindest eine Zelle 4 auf und eine mögliche Ausführung einer derartigen Zelle 4 ist in Fig. 2 in einer vereinfachten Schnittdarstellung gezeigt. Sie weist dabei ein Zellgehäuse 8 auf, welches mit einem Elektrolyt 10, genauer einer Elektrolytlösung 10, befüllt ist. In der Elektrolytlösung 10 sind eine erste Elektrode 12 und eine zweite Elektrode 14 angeordnet. Getrennt werden die Elektroden 12,14 durch einen Separator 16.

Beiden Elektroden 12,14 gemein ist gemäß Fig. 2 ein Aufbau mit einer Metallfolie 18, 20, einer Aktivmaterialschicht 22, 24 und einer Polymerbeschichtung 26, 28. Die Polymerbeschichtungen 26, 28 dienen hierbei zumindest in der fertiggestellten Zelle 4 oder im fertiggestellten Akkumulator 2 jeweils als eine sogenannte Passivierungsschicht.

Die Herstellung der beiden Elektroden 12,14 erfolgt dabei im Ausführungsbeispiel in analoger Weise, wobei für die Elektroden 12,14 typischerweise unterschiedliche Materialien zum Einsatz kommen. Beispielhaft wird nachfolgend die Herstellung der ersten Elektrode 12 beschrieben, die eine erste Metallfolie 18, eine erste Aktivmaterialschicht 22 und eine erste Polymerbeschichtung 26 aufweist. Die Herstellung der zweiten Elektrode 14, die eine zweite Metallfolie 20, eine zweite Aktivmaterialschicht 24 und eine erste Polymerbeschichtung 28 aufweist, kann dann davon abgeleitet werden.

Zur Herstellung der ersten Elektrode 12 und somit auch zur Herstellung des Akkumulators 2 wird dabei zunächst ein erstes Materialband 30 hergestellt. Dies ist in Fig. 3 angedeutet. Aus dem ersten Materialband 30 wird dann die erste Elektrode 12 im Zuge eines nicht dargestellten Trennvorgangs herausgetrennt.

Ein solcher Trennvorgang wird auch als Vereinzeln bezeichnet und ist zum Beispiel in „Heimes, Heiner Hans; Kampker, Achim; Lienemann, Christoph; Locke, Marc; Offermanns, Christian; Michaelis, Sarah; Rahimzei, Ehsan (2018): Produktionsprozess einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, Frankfurt am Main, PEM der RWTH Aachen und VDMA Eigendruck“ beschrieben.

Für die Herstellung des ersten Materialbands 30 wird zunächst eine erste Suspension angemischt, welche ein erstes Aktivmaterial aufweist. Die erste Suspension wird dann zur Ausbildung der ersten Aktivmaterialschicht 22 auf die erste Metallfolie 18 aufgetragen. Dieser Schritt ist in Fig. 3 durch einen Auftragungseinheit 32 angedeutet. Nach dem Aufträgen erfolgt gemäß Fig. 3 eine Trocknung mittels einer Trocknungseinheit 34. Im Folgenden wird eine erste Lösung mit einem ersten Monomer aufgesprüht. Dieser Schritt ist in Fig. 3 durch einen ersten Sprühkopf 36 angedeutet. Weiter wird mit einem zweiten Sprühkopf 38 ein Radikalstarter aufgesprüht und schließlich wird mit einer Heizeinheit 40 eine Wärmebehandlung vorgenommen.

Mit dem Radikalstarter und der Wärmebehandlung wird im Ausführungsbeispiel die Polymerisation des ersten Monomers angeregt. In einer alternativen Ausführung wird die Polymerisation allein durch Aufsprühen eines Radikalstarters oder allein durch eine Wärmebehandlung hervorgerufen. Gemäß Fig. 3 wird außerdem mittels einer Spannungseinheit 42 eine Spannung an die erste Metallfolie 32 angelegt. Mit der angelegten Spannung wird dann die Diffusion/Migration des ersten Monomers auf der Oberfläche der ersten Aktivmaterialschicht 22 erhöht. In einer alternativen Ausführung wird auf die Vorgabe einer Spannung verzichtet.

Einer weiteren alternativen Ausführung entsprechend ist die Verwendung von mehreren Monomeren vorgesehen, die in einer oder mehreren Lösungen in einem oder mehreren Sprühprozessen aufgesprüht werden.

Einer weiteren alternativen Ausführung entsprechend wird auf eine Trocknung mittels der Trocknungseinheit 34 verzichtet.

Mit dem zuvor beschrieben Verfahren wird nun also eine künstliche Passivierungsschicht in der Form einer Polymerbeschichtung ausgebildet. Die dafür notwendigen zusätzlichen Schritte sind dabei gemäß Fig. 3 in einen bereits existierenden Rolle-zu-Rolle-Bearbeitungsprozess integriert, nämlich in den Prozess „Beschichten“, der in „Heimes, Heiner Hans; Kampker, Achim; Lienemann, Christoph; Locke, Marc; Offermanns, Christian; Michaelis, Sarah; Rahimzei, Ehsan (2018): Produktionsprozess einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, Frankfurt am Main, PEM der RWTH Aachen und VDMA Eigendruck“ beschrieben ist.

In einer alternativen Ausführung wird die Polymerbeschichtung in einem zusätzlichen Rolle-zu- Rolle-Bearbeitungsprozess ausgebildet. Dieser zusätzliche Rolle-zu-Rolle-Bearbeitungsprozess wird dann vorzugsweise nach einem Prozess „Trocknen“ oder nach einem Prozess „Kalandern“ durchgeführt.

Bezugszeichenliste

Akkumulator

Lithium-Ionen-Zelle

Verschaltungseinrichtung

Zellgehäuse

Elektrolyt erste Elektrode zweite Elektrode

Separator erste Metallfolie erste Metallfolie erste Aktivmaterialschicht zweite Aktivmaterialschicht erste Polymerbeschichtung zweite Polymerbeschichtung erstes Materialband

Auftragungseinheit

Trocknungseinheit erster Sprühkopf zweiter Sprühkopf

Heizeinheit

Spannungseinheit