DE102018221341A1

DE102018221341A1 - Elektrodenstapel für eine galvanische Zelle

Info

Publication number: DE102018221341A1
Application number: DE102018221341.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Busche; Michael Butzin; Knut Hanke; Benedikt Rode
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2020-06-10
Also published as: FR3089688B1; FR3089688A1; WO2020120097A1

Abstract

Vorgestellt wird ein Elektrodenstapel für eine Galvanische Zelle mit einem Elektrodenblatt, wobei ein an einem Rand des Elektrodenstapels liegender Bereich einer Elektrodenschicht des Elektrodenblatt elektrisch isoliert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektrodenstapel für eine Galvanische Zelle sowie ein Verfahren zur Isolierung eines Elektrodenstapels für eine Galvanische Zelle.
Stand der Technik
Ein wichtiger Erfolgsfaktor für elektrifizierte Antriebe und viele weitere Anwendungen sind effiziente und robuste Speichersysteme. Neben der bereits weit verbreiteten Lithiumionen-Technologie nehmen auch sogenannte PLIT-Systeme an Bedeutung zu (PLIT = post Li-ion technologies).
Aus der DE 10 2016 203918 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels (10) für eine Batteriezelle bekannt.
Die DE 11 2011 105 286 T5 offenbart eine bipolare Festkörperbatterie mit einer verstärkenden Schicht, die an einer Oberfläche des Stromsammlers gebildet ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorgestellt wird ein Elektrodenstapel für eine Galvanische Zelle, insbesondere eine Festkörperbatterie, wobei der Elektrodenstapel mindestens eine Elektrode bzw. ein Elektrodenblatt aufweist, vorzugsweise ein Kathodenblatt und ein Anodenblatt. Dabei ist ein an einem Rand des Elektrodenstapels liegender Bereich einer Elektrodenschicht, insbesondere einer Trägerschicht des Elektrodenblatt mit einer elektrischen Isolierung versehen.
Somit wird eine elektrische Isolierung der Bereiche erreicht, in denen die größte Gefahr eines Kurzschlusses besteht. Direkter Metall-zu-Metall-Kontakt, der gefährliche Zellzustände bewirken könnte, wird verhindert.
Die elektrische Leitfähigkeit der für einen Kurzschluss kritischen Regionen wird reduziert. Wenn der isolierte Bereich einen ausreichend großen elektrischen Widerstand aufweist, kann eine elektrische Passivierung der Beschichtung erreicht werden.
Der Überstand der Anode relativ zur aktiven Kathodenfläche kann somit durch ein Passivieren des Randbereiches erreicht werden. Dies wird insbesondere durch eine Auflösung der elektrischen Anbindung von Trägerschicht und Beschichtung erreicht.
Das hat Vorteile insbesondere für:

- Das Stapeldesign: Eine übergroße aktive Anode kann realisiert werden mit Anoden- und Kathodenblättern der gleichen Größe, da der Randbereich der Kathode passiviert ist.
- Herstellungsverfahren: Elektrodenblätter gleicher Größe verringern die Randbedingungen für den Herstellungsprozess, da das Stapeldesign mit mechanischen Stopps realisiert werden kann.
- Kosten: Schlanke Herstellungsverfahren reduzieren die Durchlaufzeit, was sich wiederum positiv auf die Zellkosten auswirkt. Zudem können auch Maschineninvestitionen reduziert werden.

In einer besonders bevorzugten Variante wird eine Kathodenschicht, insbesondere eine Kathodenträgerfolie eines Kathodenverbunds im Randbereich des Elektrodenstapels durch Anodisieren isoliert, im Fall von Aluminium-Kathoden insbesondere durch Eloxal-Verfahren. Diese ermöglichen eine besonders effiziente und zuverlässige Isolierung, die sich in die herkömmlichen Herstellungsprozesse einbetten lässt.
In einer alternativen, bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die elektrische Isolierung durch Auftragen eines isolierenden Materials auf die Elektrodenschicht im Randbereich des Elektrodenstapels. Dieses Verfahren lässt sich ebenfalls im Rahmen der herkömmlichen Herstellungsverfahren effizient ergänzen.
In bevorzugten Ausgestaltungen können weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Isolierung ergänzt werden.
Figurenliste
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

1 schematisch einen beispielhaften Elektrodenstapel,
2 schematisch eine beispielhafte Schichtenfolge eines Elektrodenstapels mit Kathodenfähnchen,
3 schematisch eine beispielhafte Schichtenfolge im Randbereich eines Elektrodenstapels,
4 schematisch einen beispielhaften Elektrodenstapel mit isoliertem Randbereich einer Kathodenschicht und
5 schematisch einen beispielhaften Elektrodenstapel mit isolierendem Material aufgebracht auf den Rand einer Kathodenschicht.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der Elektrodenverbund in Galvanischen Zellen, insbesondere Akkumulatoren wie PLIT-Zellen ist üblicherweise ein Elektrodenstapel (Stack). Er besteht aus einer kontinuierlichen Abfolge von Anoden-, Separator- und Kathodenschichten. Da sich die Realisierung eines freistehenden Separators schwierig gestaltet, wird üblicherweise eine Separatorschicht mit einer der Elektroden verbunden.
In 1 ist ein Elektrodenstapel 1 in der Seitenansicht gezeigt. Aus dem Elektrodenstapel stehen das Kathodenfähnchen 11 und das Anodenfähnchen 12 hervor. Isolierungsprobleme treten beispielsweise auf im Bereich der Elektrodenfähnchen, wie beispielsweise an der mit 13 bezeichneten Stelle, oder im Bereich des unteren Randes oder der Seitenränder des Elektrodenstapels, wie beispielsweise an der mit 14 bezeichneten Stelle.
Auch bei einer Verbindung der Separatorschicht mit der Anodenschicht besteht weiter das Risiko eines Kurzschlusses, da auch hier kein ausreichender Überlapp des Separators erreicht wird. Das gleiche Problem tritt auch bei einem Elektrodenstapel auf, bei welchem die Kathode die größere Elektrode ist, insbesondere dann im Bereich des Anodenfähnchens und wiederum an den Rändern.
In 2 ist schematisch ein beispielhafter Elektrodenstapel 2 gezeigt, wie er beispielsweise in Schnittansicht an der in 1 mit 13 bezeichneten Stelle aussehen könnte. Der Elektrodenstapel 2 weist einen Kathodenverbund umfassend eine Kathodenschicht 22, insbesondere eine Kathodenträgerfolie, beispielsweise aus Aluminium, mit einem Kathodenfähnchen 221 sowie Kathodenbeschichtungen 21 und 23 auf. Weiterhin umfasst der Elektrodenstapel 2 die mit dem Kathodenverbund verbundene Separatorschicht 24, beispielsweise einen Festkörper-Elektrolyt, welche den Kathodenverbund von einer Anodenschicht 25, beispielsweise einer Lithiumfolie, trennt.
Dabei überlappt die Separatorschicht 24 nicht die Anodenschicht 25, da ihre Ausdehnung durch die Anbringung an dem kleineren Kathodenverbund auf dessen Größe begrenzt ist. Dies kann zu Isolierungsproblemen führen, insbesondere im Bereich des Kathodenfähnchens 221, wie mit dem Pfeil 201 angedeutet.
In 3 ist schematisch ein beispielhafter Elektrodenstapel 3 gezeigt, wie er beispielsweise in Schnittansicht an der in 1 mit 14 bezeichneten Stelle aussehen könnte. Der Elektrodenstapel 3 weist einen Kathodenverbund umfassend eine Kathodenschicht 32, insbesondere eine Kathodenträgerfolie, beispielsweise aus Aluminium, sowie Kathodenbeschichtungen 31 und 33 auf. Weiterhin umfasst der Elektrodenstapel 3 die mit dem Kathodenverbund verbundene Separatorschicht 34, beispielsweise einen Festkörper-Elektrolyt, welche den Kathodenverbund von einer Anodenschicht 35, beispielsweise einer Lithiumfolie, trennt.
Hier kann es aufgrund von Problemen beim Stapeln und den dabei vorgesehenen Toleranzen durch die Nähe der Anodenkante zu freiliegendem Aluminium zu Isolierungsproblemen kommen, insbesondere zwischen den Schichten 32 und 35, wie mit Pfeil 301 angedeutet.
Ausgelöst oder verstärkt werden kann die Gefahr eines Kurzschlusses beispielsweise durch folgende Effekte:

- Elektrisch leitende Partikel können beide Metallfolien kontaktieren.
- Es kann an der Kante bzw. am Rand zum Wachstum von Lithium-Dendriten kommen.
- Falls freistehendes Aluminium existiert, kann es um das Separatorblatt herumgebogen werden.

In 4 ist schematisch ein beispielhafter Elektrodenstapel 4 gezeigt, wie er beispielsweise in Schnittansicht an der in 1 mit 14 bezeichneten Stelle aussehen könnte. Der Elektrodenstapel 4 weist einen Kathodenverbund umfassend eine Kathodenschicht 42, insbesondere eine Kathodenträgerfolie beispielsweise aus Aluminium, sowie Kathodenbeschichtungen 41 und 43 auf. Am Rand des Elektrodenstapels ist die Kathodenschicht 42 in einem Randbereich 401 derart bearbeitet, dass eine elektrische Isolierung vorliegt, in diesem Beispiel insbesondere durch Anodisieren des Aluminiums. Durch Eloxal-Verfahren kann somit eine nichtleitende Oberflächenschicht am Rand der Kathodenschicht 42 erzeugt werden.
In 5 ist schematisch ein beispielhafter Elektrodenstapel 5 gezeigt, wie er beispielsweise in Schnittansicht an der in 1 mit 14 bezeichneten Stelle aussehen könnte. Der Elektrodenstapel 5 weist einen Kathodenverbund umfassend eine Kathodenschicht 52, insbesondere eine Kathodenträgerfolie beispielsweise aus Aluminium, sowie Kathodenbeschichtungen 51 und 53 auf. Am Rand des Elektrodenstapels 5 ist auf die Kathodenschicht 52 in einem Randbereich an der Grenze der Kathodenschicht 52 zu den Beschichtungen 51 und 53 ein isolierendes Material 501 aufgebracht.
Vorzugsweise wird das isolierende Material auf die Aluminiumschicht aufgebracht, bevor diese mit den Beschichtungen 51 und 53 beschichtet wird. Vorzugsweise wird das isolierende Material auf die Aluminiumschicht nur auf Stellen aufgetragen, die nach dem Stapeln am Rand des Elektrodenstapels liegen werden. Nach der Beschichtung der Kathodenschicht 52 erfolgt vorzugsweise das Zuschneiden des Kathodenblatts.
In einer bevorzugten Ausgestaltung können die vorgestellten Maßnahmen mit weiteren Maßnahmen kombiniert werden, um die gewünschte Isolierung zu verstärken bzw. sicherzustellen. So kann beispielsweise auch am seitlichen Rand des Elektrodenstapels eine Separatorschicht aufgetragen werden, wenn dieser durch geeignetes Zuschneiden eine Fase aufweist. Es kann auch zusätzlich ein Verfahren angewendet werden, bei welchem der Elektrodenstapel in eine Polymer-Lösung getaucht oder mit einer Polymerlösung besprüht und anschließend getrocknet wird. Auch können isolierende Haftstreifen auf die Elektrodenblätter insbesondere im Bereich der Elektrodenfähnchen aufgebracht werden. Letztere Variante kann insbesondere als Ergänzung der Isolierungsmaßnahmen bei einem am Rand über Anodisieren isolierten Elektrodenstapels eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016203918 A1 [0003]
DE 112011105286 T5 [0004]

Claims

Elektrodenstapel (4, 5, 6, 7) für eine Galvanische Zelle mit einem Elektrodenblatt, dadurch gekennzeichnet, dass ein an einem Rand des Elektrodenstapels liegender Bereich (501) einer Elektrodenschicht (52) des Elektrodenblatts elektrisch isoliert ist.
Elektrodenstapel (4, 5, 6, 7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenblatt ein Kathodenblatt, insbesondere ein Kathodenverbund ist, und die Elektrodenschicht eine Kathodenschicht (52), insbesondere eine Kathodenträgerfolie, des Kathodenblatts ist.
Elektrodenstapel (4, 5, 6, 7) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenschicht (42) Aluminium aufweisen.
Elektrodenstapel (4, 5, 6, 7) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung durch Oxidierung oder Reduktion erfolgte.
Elektrodenstapel (4, 5, 6, 7) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung durch Anodisieren erfolgte.
Elektrodenstapel (4, 5, 6, 7) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung durch ein Eloxal-Verfahren erfolgte.
Elektrodenstapel (4, 5, 6, 7) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Isolierung ein isolierendes Material aufgebracht ist.
Elektrodenstapel (4, 5, 6, 7) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Isolierung des an einem Rand des Elektrodenblatt liegenden Bereichs (701) der Elektrodenschicht (72) isolierendes Material auf eine Oberfläche der Elektrodenschicht (72) aufgebracht ist.
Elektrodenstapel (4, 5, 6, 7) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Material an der Grenze einer Kathodenschicht (72) zu Beschichtungen (71, 73) der Kathodenschicht (72) aufgetragen ist.
Elektrodenstapel (4, 5, 6, 7) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Galvanische Zelle eine Festkörperbatterie ist.
Verfahren zur Isolierung eines Elektrodenstapels (4, 5, 6, 7) für eine Galvanische Zelle mit einem Elektrodenblatt, dadurch gekennzeichnet, dass ein an einem Rand des Elektrodenstapels liegender Bereich (501) einer Elektrodenschicht (52) des Elektrodenblatts elektrisch isoliert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenblatt ein Kathodenblatt ist und die Elektrodenschicht (52) eine Kathodenschicht, insbesondere eine Kathodenträgerfolie.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung durch eine Oxidation oder Reduktion, insbesondere durch ein Anodisieren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung durch Auftragen eines isolierendes Material erfolgt.