DE102020116945A1

DE102020116945A1 - Energiespeicher und Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers

Info

Publication number: DE102020116945A1
Application number: DE102020116945.0A
Authority: DE
Inventors: Holger Gritzka
Original assignee: Investhg Ug Haftungsbeschraenkt
Current assignee: Investhg Ug Haftungsbeschraenkt
Priority date: 2020-06-26
Filing date: 2020-06-26
Publication date: 2021-12-30

Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers (100). Das Verfahren umfasst einen Schritt des Siebdruckens, auf einer Druckauflage, welche zur Auflage eines Zellelements (102, 102', 102") des Energiespeichers (100) ausgebildet ist, einer Gehäuseseitenwand (502, 502', 502") des Energiespeichers (100). Ein weiterer Verfahrensschritt besteht im Siebdrucken, auf zumindest einem Abschnitt der Gehäuseseitenwand (502, 502', 502"), einer metallischen Ableiterschicht (116, 117) zur elektrischen Kontaktierung einer oberen Elektrodenschicht (114) des Zellelements (102, 102', 102"). Unter einem weiteren Gesichtspunkt schafft die Erfindung einen Energiespeicher (100), aufweisend ein Zellelement (102, 102', 102") mit einer oberen Elektrodenschicht (114), eine Gehäuseseitenwand (502, 502', 502"), welche das Zellelement (102, 102', 102") umgibt, und eine metallische Ableiterschicht (116, 117), welche auf zumindest einen Abschnitt der Gehäuseseitenwand (502, 502', 502") gedruckt ist und die obere Elektrodenschicht (114) des Zellelements (102, 102', 102") elektrisch kontaktiert.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Energiespeicher, insbesondere einen Energiespeicher, der eine elektrochemische Zelle enthält. Unter einem weiteren Gesichtspunkt bezieht sich die Erfindung auf ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Energiespeicher.
Technischer Hintergrund
Eine elektrochemische Zelle umfasst eine Kathode, also eine positive Elektrode, eine Anode, also eine negative Elektrode, sowie einen Separator, der die positive Elektrode von der negativen Elektrode trennt. Bei einer konventionellen Batteriezelle sind in einem Gehäuse die positive Elektrode, die negative Elektrode, der Separator und ein flüssiger Elektrolyt aufgenommen, in dem die vorgenannte positive Elektrode, die negative Elektrode und der Separator zumindest teilweise aufgenommen sind. Bei einer Festkörperbatteriezelle ist der Separator mit einem festen Elektrolyten gebildet. Die Anode und Kathode können über Kontakte einen Stromkreis mit einem Verbraucher ausbilden. Eine elektrochemische Zelle kann für Energiespeicher in Form einer Primärbatterie oder einer Sekundärbatterie zum Einsatz kommen. Als Primärbatterie wird eine nicht wiederaufladbare Batterie bezeichnet, die für den einmaligen Gebrauch bestimmt ist. Als Sekundärbatterie oder Akkumulator wird eine Batterie bezeichnet, die wiederaufladbar ist.
Bei einem bekannten Rolle-zu-Rolle-Nassbeschichtungsverfahren zur Herstellung von Batteriezellen wird eine geringviskose Aufschlämmung mit einem jeweiligen Elektrodenmaterial für die Anode bzw. Kathode jeweils beidseitig und nacheinander auf einem metallischen Ableiter aufgebracht und das Lösungsmittel danach verdampft. Zur Zellassemblierung werden die so entstandenen Elektrodenrollen dann geschnitten und zusammen mit einem Separator abwechselnd (Anode, Separator, Kathode) solange gestapelt, bis eine gewünschte Kapazität erreicht ist. Danach wird der Stapel elektrisch verbunden und in ein Gehäuse, z.B. einen Folienbeutel, eingepackt. Anschließend wird noch ein flüssiger Elektrolyt eingefüllt und das Gehäuse verschlossen. Die resultierende Zelle hat eine Nominalspannung von ca. 3,2 V, je nach Kathodenmaterial.
Die US 5 035 965 A offenbart ein Herstellungsverfahren für eine flexible Dünnschichtzelle, bei dem auf einer Lithium-Aluminium-Folie als Material negativer Polarität ein Elektrolytmaterial und auf diesem ein Material positiver Polarität jeweils durch einen Siebdruckvorgang aufgebracht und in einem UV-Kalzinierofen getrocknet wird. Die Viskosität des in der Siebdruckvorrichtung verwendeten Polymers ist auf etwa 30 Pa s eingestellt. Unter gleichen Bedingungen wird in einem weiteren Siebdruck- und Trockenvorgang ein Ableiter aufgebracht. Die Dünnschichtzelleinheiten werden anschließend zwischen Gehäusematerialien mit Leitungsanschlüssen laminiert, unter Evakuierung fusionsgebondet und in vorbestimmte Größen geschnitten. Eine Mehrschichtstruktur kann hergestellt werden, indem vor dem Aufbringen des Ableiters Lithium-Aluminium-Folie auf das Material positiver Polarität fusionsgebondet wird und das Aufbringen und Trocknen des Elektrolytmaterials und des Materials positiver Polarität wiederholt werden.
Ein Nachteil der obigen Herstellungsverfahren besteht in der Vielzahl unterschiedlicher Fertigungsschritte, die mittels unterschiedlich spezialisierter Fertigungsvorrichtungen auszuführen sind. Dies bedingt nicht nur eine aufwendig gestaltete Fertigungsanlage, sondern darüber hinaus während des Herstellungsablaufs zeitaufwendige Bewegungen der Zwischenprodukte von einer Fertigungsvorrichtung in die andere.
Die FR 2 690 567 A1 schlägt ein Herstellungsverfahren für einen elektrochemischen Generator mit einer geringen Dicke von zwischen 10 µm und 100 µm vor, bei dem auf einem Glas-Epoxy-Verbundträger nach- und übereinander ein Kathodenstromableiter, eine Kathode, ein Elektrolytabscheider, eine Anode, ein Anodenstromableiter und ein Verkapselungsmaterial jeweils mittels eines Siebdruckvorgangs aufgebracht werden, gefolgt von dreistündigem Trocknen bei 100 °C unter Primärvakuum nach jeder Schicht. Der Elektrolytabscheider, der Anodenstromableiter und das Verkapselungsmaterial sind seitlich der Kathode und Anode schräg bis auf den Glas-Epoxy-Verbundträger hinabgeführt, wobei außenliegende Abschnitte der Stromableiter vom Verkapselungsmaterial unbedeckt bleiben.
Bei diesem Verfahren erfolgt die Herstellung zwar mittels einer Abfolge ähnlicher Verfahrensschritte. Es besteht jedoch das Problem, dass bei größerer Höhe der Anodenoberseite über dem Glas-Epoxy-Verbundträger der schräg nach unten verlaufende Anodenableiter nicht nur mehr Metall und seitlichen Bauraum benötigen, sondern aufgrund zunehmend freischwebenden Verlaufs auch an Stabilität einbüßt. Die daraus folgende Beschränkung der Höhe der Anodenoberseite über dem Glas-Epoxy-Verbundträger beschränkt bei gegebenem seitlichen Bauraum auch die erzielbare Kapazität des Energiespeichers, die sich typischerweise proportional zur Dicke insbesondere der Kathode verhält. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, bei geringgehaltenem Aufwand des Herstellungsverfahrens die bei gegebener seitlicher Ausdehnung erzielbare Kapazität des Energiespeichers zu erhöhen.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers gemäß Patentanspruch 1 wie auch durch einen Energiespeicher gemäß Patentanspruch 8.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst einen Schritt des Siebdruckens, auf einer Druckauflage, welche zur Auflage eines Zellelements des Energiespeichers ausgebildet ist, einer Gehäuseseitenwand des Energiespeichers. Ein weiterer Verfahrensschritt besteht im Siebdrucken, auf zumindest einem Abschnitt der Gehäuseseitenwand, einer metallischen Ableiterschicht zur elektrischen Kontaktierung einer oberen Elektrodenschicht des Zellelements.
Die Ausdrücke „auf“, „obere“ und „Auflage“ sind in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen durchweg bezogen auf eine Druckrichtung des Siebdruckens gemeint, die vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, mit der Richtung der Schwerkraft während der Siebdruckschritte übereinstimmt. So bezeichnet die obere Elektrodenschicht eine Elektrodenschicht des Zellelements, die weiter oben angeordnet ist, als eine andere Elektrodenschicht des Zellelements. Auch sonst beziehen sich im allgemeinen Sprachgebrauch auf die Schwerkraftrichtung bezogene Begriffe wie „oben“, „unten“, „Oberseite“, „Höhe“ oder „neben“ vorliegend stets auf die Druckrichtung. Entsprechend bezieht sich der Begriff „Gehäuseseitenwand“ auf eine Gehäusewand, die eine seitlich weisende Flächennormale hat und sich somit parallel zu der Druckrichtung erstreckt. Mit „Druckauflage“ ist eine Abstützung entgegen der Druckrichtung gemeint, z. B. in Form einer ebenen Tischplatte. In der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen bedeutet Siebdrucken auf einem Element nicht notwendigerweise, dass das siebgedruckte Material unmittelbar auf dem genannten Element aufgebracht wird, sondern kann auch bedeuten, dass zwischen dem genannten Element und dem siebgedruckten Material ein oder mehrere weitere Elemente angeordnet sind, die von dem genannten Element entgegen der Druckrichtung abgestützt werden. Beispielsweise kann das Siebdrucken der Gehäuseseitenwand auf der Druckauflage auch bedeuten, dass die Gehäuseseitenwand auf einem Gehäuseboden siebgedruckt wird, der auf der Druckauflage aufliegt und von ihr entgegen der Druckrichtung abgestützt wird.
Das Siebdrucken der Gehäuseseitenwand im ersten Verfahrensschritt ermöglicht, neben dem elektrisch zu kontaktierenden Zellelement, auf gleicher oder nur geringfügig abweichender Höhe mit der oberen Elektrodenschicht des Zellelements eine Oberseite der Gehäuseseitenwand zu schaffen, so dass die obere Elektrodenschicht mittels der im zweiten Verfahrensschritt auf die Oberseite der Gehäuseseitenwand siebgedruckten metallischen Ableiterschicht elektrisch kontaktiert werden kann, ohne dass die metallische Ableiterschicht hierzu über einen der Dicke des Zellelements entsprechenden Höhenunterschied bis zu einem unteren Ende, wie z. B. einer Trägerplatte, des Energiespeichers geführt werden müsste. Dies ermöglicht, ohne Gefährdung der Stabilität der Kontaktierung das Zellelement dicker auszuführen, um so eine höhere Energiekapazität des Energiespeichers zu erzielen. Da somit auch eine Schrägführung der metallischen Ableiterschicht über den genannten Höhenunterschied überflüssig ist, kann nicht nur das benötigte Material für die metallische Ableiterschicht, sondern auch der benötigte seitliche Bauraum verringert werden. Da beide Verfahrensschritte Siebdruckvorgänge sind, werden sie mit einer Vorrichtung ausgeführt, die auch für die Bildung weiterer Elemente des Energiespeichers wie z. B. Elektroden verwendbar ist. Dies ermöglicht den Verfahrensaufwand geringzuhalten.
Unter einem weiteren Gesichtspunkt schafft die Erfindung einen Energiespeicher, aufweisend ein Zellelement mit einer oberen Elektrodenschicht, eine Gehäuseseitenwand, welche das Zellelement umgibt, und eine metallische Ableiterschicht, welche auf zumindest einen Abschnitt der Gehäuseseitenwand gedruckt ist und die obere Elektrodenschicht des Zellelements elektrisch kontaktiert.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens erfolgt das Siebdrucken der metallischen Ableiterschicht auf im Wesentlichen der gesamten oberen Elektrodenschicht. Hierdurch wird ein besonders guter elektrischer Kontakt ermöglicht und zugleich die obere Elektrodenschicht, die z. B. ein Alkalimetal wie Lithium oder Natrium aufweisen kann, vor Korrosion geschützt. Vorzugsweise erstreckt das Siebdrucken der metallischen Ableiterschicht sich auf einen die obere Elektrodenschicht ringförmig umgebenden Abschnitt der Gehäuseseitenwand. Dies ermöglicht einen besonders dichten Abschluss mit der Gehäuseseitenwand, um Verluste gering zu halten und einen ionischen Strom zwischen dem Zellelement und z. B. einem weiteren Zellelement des Energiespeichers zu unterdrücken.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Siebdruckens, auf der metallischen Ableiterschicht, einer unteren Elektrodenschicht eines weiteren Zellelements des Energiespeichers, so dass die untere Elektrodenschicht des weiteren Zellelements elektrisch mit der oberen Elektrodenschicht verbunden ist. Dies ermöglicht, den Energiespeicher mit einem Zellstapel herzustellen, der eine Mehrzahl elektrisch in Reihe geschalteter Zellelemente umfasst, um so eine höhere elektrische Spannung des Energiespeichers bereitzustellen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Siebdruckens, auf der Gehäuseseitenwand, einer weiteren Gehäuseseitenwand des Energiespeichers. Dies ermöglicht, auf einfache Weise durch Wiederholen gleicher Schritte einen Energiespeicher mit einer beliebigen gewünschten Anzahl von Zellelementen herzustellen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Siebdruckens, auf der metallischen Ableiterschicht, eines Gehäusedeckels des Energiespeichers derart, dass neben dem Gehäusedeckel ein Kontaktierungsabschnitt der metallischen Ableiterschicht freiliegt. Dies ermöglicht, den Energiespeicher an dem Kontaktierungsabschnitt elektrisch mit äußeren Schaltkreisen zu verbinden, wobei aufgrund der Ausbildung der metallischen Ableiterschicht auf der Gehäuseseitenwand gegebenenfalls schädlicher Druck auf das Zellelement vermieden werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Siebdruckens, auf der Druckauflage, eines Gehäusebodens des Energiespeichers. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Herstellung des Energiespeichers, da z. B. Verfahrensschritte und entsprechende Vorrichtungen zum Zuschneiden einer Trägerplatte entfallen können.
Figurenliste
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Energiespeicher anhand einiger Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigen:

1 eine schematische Querschnittsansicht eines Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform,
2 eine schematische angeschnittene Vorderansicht einer Siebdruckvorrichtung beim Siebdrucken einer ersten Elektrodenteilschicht des Energiespeichers aus 1,
2A eine ausschnitthafte Vergrößerung der Elektrodenschicht aus 2,
3 die Vorrichtung aus 2 beim Ausbilden einer zweiten Elektrodenschicht des Energiespeichers,
4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform zur Herstellung eines Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform,
5A-S schematische Querschnittsansichten von Schritten eines Verfahrens, gemäß einer Ausführungsform, zur Herstellung eines Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform, zu sehen in 5R, und
6 eine schematische Querschnittsansicht eines Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen sind, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, gleiche oder äquivalente Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt, in einer schematischen Querschnittsansicht, einen Energiespeicher 100, der z. B. als eine Primär- oder Sekundärbatterie ausgebildet sein kann. Der Energiespeicher 100 umfasst ein elektrochemisches Zellelement 102. Das Zellelement 102 ist ein flächenhaft ausgedehnter, aus mehreren Schichten 110, 111, 112, 114 aufgebauter Schichtkörper, der eine erste Elektrodenschicht 101 und eine zweite Elektrodenschicht 114 aufweist. Zwischen der ersten Elektrodenschicht 101 und der zweiten Elektrodenschicht 114 befindet sich eine Separatorschicht 110 aus einem Festelektrolytmaterial.
Die erste Elektrodenschicht 101 besteht aus einer an die Separatorschicht 110 angrenzenden zweiten Elektrodenteilschicht 112 und eine an die von der Separatorschicht 110 abgewandte Seite der zweiten Elektrodenteilschicht 112 angrenzende erste Elektrodenteilschicht 111. Die zweite Elektrodenteilschicht 112 ist dünner als die erste Elektrodenteilschicht 111. Beispielsweise weist die erste Elektrodenteilschicht 111 eine Dicke von 150 µm auf, während die zweite Elektrodenteilschicht 112 eine Dicke von 150 µm aufweist. Beide Elektrodenteilschichten 111, 112 weisen ein aktives Material auf, welches geeignet ist, als Elektronendonor oder lonendonor oder als Elektronenrezeptor oder lonenrezeptor zu wirken. Insbesondere können während des Entladungsvorgangs des Energiespeichers 100 Elektronen durch eine chemische Reaktion in dem aktiven Material freigesetzt werden. Insbesondere können während eines Ladungsvorgangs des Energiespeichers 100 Elektronen oder Ionen durch eine chemische Reaktion in dem aktiven Material gebunden werden. Insbesondere kann es sich bei den chemischen Reaktionen um elektrochemische Reaktionen handeln. Die chemischen Reaktionen können reversibel ablaufen, je nachdem, ob der Energiespeicher entladen wird, um elektrische Energie bereitzustellen oder der Energiespeicher für die spätere Bereitstellung von elektrischer Energie aufgeladen wird. Die zweite Elektrodenteilschicht 112 enthält eine Beimischung des in der Separatorschicht 110 verwendeten Festelektrolytmaterials, so dass sie eine größere lonenleitfähigkeit als die erste Elektrodenteilschicht 111, jedoch eine geringere als die Separatorschicht 110 aufweist. Hierdurch ergibt sich ein abfallender Konzentrationsgradient an ionischem Leiter von der Separatorschicht 110 über die zweite Elektrodenteilschicht 112 zur ersten Elektrodenteilschicht 111, zugleich mit einem umgekehrten Konzentrationsgradienten an elektrischem Leiter.
Das Zellelement 102 ist von einer in seitlicher Richtung rings um das Zellelement 102 verlaufenden Gehäuseseitenwand 502 aus Polyethylen oder einem anderen geeigneten elektrischen Isolator umgeben. An der der zweiten Elektrodenteilschicht 112 abgewandten Seite der ersten Elektrodenteilschicht 111 ist eine erste metallischer Ableiterschicht 115 gebildet, die sich über die gesamte untere Fläche der ersten Elektrodenteilschicht 111 sowie der Gehäuseseitenwand 502 erstreckt. Die zweite Elektrodenschicht 114 weist ein metallisches Material, z. B. ein Alkalimetall wie Lithium oder Natrium auf. An der der Separatorschicht 110 abgewandten Seite der zweiten Elektrodenschicht 114 ist eine zweite metallische Ableiterschicht 116 gebildet, die sich über die gesamte obere Fläche der zweiten Elektrodenschicht 114 sowie der Gehäuseseitenwand 502 erstreckt. Die im Außenraum zugänglichen Seiten der metallischen Ableiterschichten 115, 116 bilden elektrische Anschlüsse des Energiespeichers 100, um dem Energiespeicher 100 elektrische Energie zu entnehmen oder, je nach Typ, zur Aufladung zuzuführen. Insbesondere innerhalb eines ersten Kontaktierbereichs 512 und eines zweiten Kontaktierbereichs 510, die auf einem zu diesem Zweck verdickten Abschnitt der Gehäuseseitenwand 502 eingerichtet sind, lassen sich die ersten metallischen Ableiterschicht 115 und die zweiten metallischen Ableiterschicht 116 von oben und unten elektrisch kontaktieren, ohne das Zellelement 102 zu beeinträchtigen, da mechanische Belastungen in die Gehäuseseitenwand 502 abgeleitet werden.
2 zeigt eine Siebdruckvorrichtung 212 zur Herstellung der ersten Elektrodenschicht 101 eines Energiespeichers 100 gemäß 1. Die Siebdruckvorrichtung 212 umfasst eine Druckauflage 210, wobei die Druckauflage 210 zur Auflage eines Zellelements 102 (siehe 1) oder eines mehrere Zellelemente 102 umfassenden Zellstapels 104 (vgl. 6) des Energiespeichers 100 ausgebildet ist. Die Siebdruckvorrichtung 212 umfasst ein Drucksieb 200, welches eine Vielzahl von Sieböffnungen 202 aufweist. Die Siebdruckvorrichtung 212 umfasst ferner eine erste Auftragungsvorrichtung 221 enthaltend eine erste Paste 121 und eine zweite Auftragungsvorrichtung 222 enthaltend eine zweite Paste 122, mittels derer die Pasten 121, 122 auf das Drucksieb 200 auftragbar sind. Eine Streichvorrichtung 214 mit einer über das Drucksieb 200 streichbaren Rakel 215 ist zum Streichen der Pasten 121, 122 über das Drucksieb 200 und durch die Sieböffnungen 202 in Richtung der Druckauflage 210 ausgebildet.
Die erste Paste 121 und die zweite Paste 122 weisen beide ein identisches aktives Material auf, welches geeignet ist, als Elektronendonor oder lonendonor oder als Elektronenrezeptor oder lonenrezeptor zu wirken. Die zweite Paste 122 ist darüber hinaus mit einem Anteil von z. B. 10% porösen Separatormaterials versetzt. Beide Pasten enthalten einen Binder mit einem Epoxidharz und Essigsäurediethylenglycolmonobutyletherester als Lösungsmittel. Die Zusammensetzung der ersten Paste 121 ist derart gewählt, dass ihre Ruheviskosität 250 Pa s und ihre Scherviskosität 50 Pa s beträgt. Der Lösungsmittelgehalt der zweiten Paste 122 ist höher als der Lösungsmittelgehalt der ersten Paste 121 und derart gewählt, dass die zweite Paste 122 eine Ruheviskosität von 100 Pa s aufweist.
Nachfolgend soll anhand des 4 gezeigten Flussdiagramms unter Bezugnahme auf 1 bis 3 ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers 100 gemäß 1 mit Hilfe der Siebdruckvorrichtung 212 aus 2 erläutert werden. Das Verfahren beginnt mit Schritt 400, in dem eine erste metallische Ableiterschicht 115, die z. B. aus Nickel besteht, auf der Druckauflage 210 der Siebdruckvorrichtung 212 angeordnet wird. Dieser Schritt kann wahlweise mittels eines Siebdruckvorgangs oder auf andere Weise, z. B. durch Bereitstellen einer kommerziell erhältlichen Nickelfolie erfolgen.
In Schritt 401 wird durch Siebdrucken mit der ersten Paste 121 auf der ersten metallischen Ableiterschicht 115 die erste Elektrodenteilschicht 111 des Energiespeichers 100 ausgebildet. Hierzu wird mittels der ersten Auftragungsvorrichtung 221 eine geeignete Menge der ersten Paste 121 auf das Drucksieb 200 aufgetragen. Anschließend wird, wie in 2 gezeigt, mittels der Rakel 215 der Streichvorrichtung 214 die aufgetragene erste Paste 121 derart waagerecht über das Drucksieb 200 und zugleich senkrecht durch die Sieböffnungen 202 in Richtung der Druckauflage 210 gestrichen, dass auf der ersten metallischen Ableiterschicht 115 die erste Elektrodenteilschicht 111 ausgebildet wird.
In Schritt 402 wird die erste Elektrodenteilschicht 111 durch Wärmebestrahlung über 6 min getrocknet. Aufgrund der hohen Viskosität der ersten Paste 121 weist die erste Elektrodenteilschicht 111 nach dem Trocknen 402 eine nahezu quaderförmige Gestalt mit einer Überhöhung 301 des Randes von weniger als 1 µm und einem Kantenwinkel 300 von weniger als 1° auf.
In Verzweigungsschritt 403 wird festgestellt, ob eine weitere Elektrodenteilschicht siebgedruckt werden soll. Da dies vorliegend der Fall ist („J“), wird nach Schritt 401 zurückverzweigt. In Schritt 401 wird nun durch Siebdrucken mit der zweiten Paste 122 auf der ersten Elektrodenteilschicht 111 die zweite Elektrodenteilschicht 112 des Energiespeichers 100 ausgebildet. Hierzu wird mittels der zweiten Auftragungsvorrichtung 222 eine geeignete Menge der zweiten Paste 122 auf das Drucksieb 200 aufgetragen. Anschließend wird, wie in 3 gezeigt, mittels der Rakel 215 der Streichvorrichtung 214 die aufgetragene zweite Paste 122 derart waagerecht über das Drucksieb 200 und zugleich senkrecht durch die Sieböffnungen 202 in Richtung der Druckauflage 210 gestrichen, dass auf der ersten Elektrodenteilschicht 111 die zweite Elektrodenteilschicht 112 ausgebildet wird.
Anschließend wird in Schritt 402 die zweite Elektrodenteilschicht 112 durch Wärmebestrahlung über 6 min getrocknet. Die auf diese Weise entstandene erste Elektrodenschicht 101 weist nach dem Trocknen 402 insgesamt ebenfalls eine nahezu quaderförmige Gestalt mit einer Überhöhung 301 des Randes von weniger als 5 µm und einem Kantenwinkel 300 von weniger als 5° auf.
In Verzweigungsschritt 403 wird erneut überprüft, ob noch eine weitere Elektrodenteilschicht siebgedruckt werden soll. Da dies nun nicht mehr der Fall ist („N“), wird das Verfahren mit Schritt 404 fortgesetzt. In Schritt 404 wird durch Siebdrucken mit einer dritten Paste auf der zweiten Elektrodenteilschicht 112 die Separatorschicht 110 des Energiespeichers 100 siebgedruckt. Die dritte Paste wird hierfür aus dem porösen Separatormaterial und Binder mit einem Epoxidharz und Essigsäurediethylenglycolmonobutyletherester als Lösungsmittel zubereitet, wobei die Zusammensetzung des Binders und der Lösungsmittelgehalt so eingestellt wird, dass die dritte Paste eine Ruheviskosität von 200 Pa s und eine Scherviskosität von 50 Pa s aufweist. Dieser Siebdruckvorgang wird vorzugsweise ebenfalls mittels der Siebdruckvorrichtung 212 aus 2 durchgeführt.
Anschließend wird in Schritt 405 die Separatorschicht 110 durch Wärmebestrahlung über 6 min getrocknet. Die auf diese Weise entstandene Separatorschicht 110 weist nach dem Trocknen 405 insgesamt ebenfalls eine nahezu quaderförmige Gestalt mit einer Überhöhung 301 des Randes von weniger als 5 µm und einem Kantenwinkel 300 von weniger als 5° auf.
In Schritt 406 wird durch Siebdrucken mit einer vierten Paste auf der Separatorschicht 110 die zweite Elektrodenschicht 114 des Energiespeichers 100 ausgebildet. Die vierte Paste wird hierfür aus dem vorgesehenen metallischen Material wie Lithium oder Natrium und Binder zubereitet. Dieser Siebdruckvorgang wird vorzugsweise ebenfalls mittels der Siebdruckvorrichtung 212 aus 2 durchgeführt. Anschließend wird in Schritt 409 die zweite Elektrodenschicht 114 durch Wärmebestrahlung über 6 min getrocknet.
In Schritt 410 wird durch Siebdrucken mit einer fünften Paste auf der zweiten Elektrodenschicht 114 die zweite metallische Ableiterschicht 116 des Energiespeichers 100 ausgebildet. Die fünfte Paste wird hierfür aus dem vorgesehenen metallischen Material wie Nickel und Binder zubereitet. Dieser Siebdruckvorgang wird vorzugsweise ebenfalls mittels der Siebdruckvorrichtung 212 aus 2 durchgeführt. Anschließend wird in Schritt 411 die zweite metallische Ableiterschicht 116 durch Wärmebestrahlung über 6 min getrocknet.
Als nächstes soll die Herstellung einer anderen Ausführungsform eines Energiespeichers 100 gemäß einem weiteren Verfahren anhand von 5A bis 5S beschrieben werden, in denen jeweils zugehörige Schritte A-S des Verfahrens schematisch dargestellt sind. Soweit es sich bei den Schritten um Siebdruckschritte handelt, können diese z. B. mittels der in 2 gezeigten Siebdruckvorrichtung 212 ausgeführt werden.
In einem in 5A dargestellten Schritt A wird auf einer nicht gezeigten Druckauflage, als welche die Druckauflage 210 der Siebdruckvorrichtung 212 verwendet werden kann, ein Gehäuseboden 501 des Energiespeichers 100 siebgedruckt. Hierfür wird eine durch Wärmestrahlung zu einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff, der im Folgenden als Polyethylen angenommen werden soll, polymerisierbare Paste verwendet. Der resultierende Gehäuseboden 501 ist eine im Wesentlichen quaderförmige Schicht von ca. 200 µm bis 500 µm Dicke.
In Schritt B - dargestellt in 5B - wird der Gehäuseboden 501 über einen Zeitraum von ca. 6 min mit Wärmestrahlung 599 behandelt, um die Polymerisation des Polyethylens durchzuführen.
In Schritt C - dargestellt in 5C - wird auf dem Gehäuseboden 501 eine 10 µm dicke erste metallische Ableiterschicht 115 aus Nickel durch Auflegen oder Siebdrucken mit einer entsprechenden Paste aufgebracht. In Randnähe des Gehäusebodens 501 bleibt dabei ein streifenförmiger umlaufender Gehäuseseitenwandbereich, in dem auch ein erster Kontaktierbereich 512 und diesem gegenüber einen zweiter Kontaktierbereich 510 zur Kontaktierung des Energiespeichers 100 liegen, des Gehäusebodens 501 unbedeckt - bis auf den ersten Kontaktierbereich 512, in dem sich die erste metallische Ableiterschicht 115 im Wesentlichen bis zum Rand des Gehäusebodens 501 erstreckt.
In Schritt D - dargestellt in 5D - wird die erste metallische Ableiterschicht 115 mit Wärmestrahlung 599 getrocknet. Die Dauer der Bestrahlung beträgt wie auch in nachfolgenden Bestrahlungsschritten ebenfalls ca. 6 min.
In Schritt E - dargestellt in 5E - wird eine erste Elektrodenteilschicht 111 mit einer Dicke von ca. 100 µm durch Siebdrucken auf die erste metallische Ableiterschicht 115 mit aufgetragen, wobei der erste Kontaktierbereich 512 ausgespart bleibt. Die hierfür verwendete Paste ist gleich zusammengesetzt und weist gleiche Eigenschaften auf wie die in Bezug auf 1 bis 3 bereits beschriebene erste Paste 121, weswegen auf eine nochmalige Erläuterung der Zusammensetzung hier verzichtet wird. In Schritt F - dargestellt in 5F - wird die erste Elektrodenteilschicht 111 mit Wärmestrahlung 599 getrocknet.
In Schritt G - dargestellt in 5G - wird eine zweite Elektrodenteilschicht 112 mit einer Dicke von ca. 50 µm durch Siebdrucken auf die erste Elektrodenteilschicht 111 aufgetragen. Die hierfür verwendete Paste ist gleich zusammengesetzt und weist gleiche Eigenschaften auf wie die in Bezug auf 1 bis 3 bereits beschriebene zweite Paste 122, enthält allerdings anstelle einer Beimischung eines porösen Separatormaterials einen entsprechenden Anteil eines ionischen Leiters. Die erste und zweite Elektrodenteilschicht 111, 112 bilden gemeinsam eine erste Elektrodenschicht 101 des Energiespeichers 100. In Schritt H - dargestellt in 5H - wird die zweite Elektrodenteilschicht 112 mit Wärmestrahlung 599 getrocknet.
In Schritt I - dargestellt in 51 - wird eine Separatorschicht 110 aus einem Festelektrolytmaterial mit einer Dicke von ca. 10 µm bis 30 µm durch Siebdrucken auf die zweite Elektrodenteilschicht 112 aufgetragen. Das Festelektrolytmaterial enthält den gleichen ionischen Leiter wie anteilsmäßig bereits die zweite Elektrodenteilschicht 112, so dass sich ein Konzentrationsgradient des ionischen Leiters von der zweiten Elektrodenteilschicht 112 in die Separatorschicht 110 ergibt. In Schritt J - dargestellt in 5J - wird die zweite Separatorschicht 110 mit Wärmestrahlung 599 getrocknet.
In Schritt K - dargestellt in 5K - wird im umlaufenden Gehäuseseitenwandbereich einschließlich eines innenliegenden Abschnitts des ersten Kontaktierbereichs 512 eine umlaufende Gehäuseseitenwand 502 durch Siebdrucken mit dem gleichen Material, das in Schritt A für den Gehäuseboden 501 verwendet wurde, auf den Gehäuseboden 501 bzw. die erste metallische Ableiterschicht 115 aufgebracht. Im außenliegenden Abschnitt des ersten Kontaktierbereichs 512 liegt die erste metallische Ableiterschicht 115 weiterhin frei. Die Oberkante der Gehäuseseitenwand 502 fluchtet in einem innenliegenden Abschnitt des zweiten Kontaktierbereichs 510 mit der Oberkante der Separatorschicht 110, während sie in den übrigen Abschnitten ca. 10 µm höher als die Oberkante der Separatorschicht 110 liegt. In Schritt L - dargestellt in 5L - wird die Gehäuseseitenwand 502 mit Wärmestrahlung 599 getrocknet.
In Schritt M - dargestellt in 5M - wird eine zweite Elektrodenschicht 114 durch Siebdrucken eines metallischen Materials, bei dem es sich um Lithium, Natrium oder ein anderes Alkalimetall handeln kann, auf die Separatorschicht 110 und den innenliegenden Abschnitt des zweiten Kontaktierbereichs 510 aufgebracht. Die zweite Elektrodenschicht 114 ist ca. 10 µm dick, so dass sie mit der Oberkante der Gehäuseseitenwand 502 bündig abschließt. In Schritt N - dargestellt in 5N - wird die zweite Elektrodenschicht 114 mit Wärmestrahlung 599 getrocknet. Alternativ zur Herstellung der zweiten Elektrodenschicht 114 durch Siebdrucken in Schritt M und N kann die zweite Elektrodenschicht 114 auch durch Sprühen aufgebracht werden.
In Schritt O - dargestellt in 5O - wird im zweiten Kontaktierbereich 510 eine ca. 10 µm dicke zweite metallische Ableiterschicht 116 aus Nickel durch Siebdrucken mit einer entsprechenden Paste aufgebracht. Die zweite metallische Ableiterschicht 116 liegt im außenliegenden Abschnitt des zweiten Kontaktierbereichs 510 direkt auf der Gehäuseseitenwand 502, im innenliegenden Abschnitt des zweiten Kontaktierbereichs 510 auf der zweiten Elektrodenschicht 114, wird jedoch im gesamten zweiten Kontaktierbereich 510 mechanisch durch die Gehäuseseitenwand 502 abgestützt. In Schritt P - dargestellt in 5P - wird eine Höhenausgleichsschicht 503 der Dicke 10 µm mit dem gleichen Material, das für den Gehäuseboden 501 und die Gehäuseseitenwand 502 verwendet wurde, auf die noch freiliegenden Abschnitte der zweiten Elektrodenschicht 114 und der Gehäuseseitenwand 502 siebgedruckt. In Schritt Q - dargestellt in 5Q - werden die zweite metallische Ableiterschicht 116 und die Höhenausgleichsschicht 503 mit Wärmestrahlung 599 getrocknet bzw. polymerisiert.
In Schritt R - dargestellt in 5R - wird ein quaderförmiger Gehäusedeckel 504 einer Dicke von ca. 200 µm durch Siebdrucken mit dem gleichen Material, das für den Gehäuseboden 501, die Gehäuseseitenwand 502 und die Höhenausgleichsschicht 503 verwendet wurde, auf die Höhenausgleichsschicht 503 und - unter Aussparen des außenliegenden Abschnitts des zweiten Kontaktierbereichs 510 - die zweite metallische Ableiterschicht 116 aufgebracht. In Schritt S - dargestellt in 5S - wird der Gehäusedeckel 504 mit Wärmestrahlung 599 getrocknet bzw. polymerisiert.
Der hergestellte Energiespeicher 100 kann durch die in den außenliegenden Abschnitten des ersten Kontaktierbereichs 512 und des zweiten Kontaktierbereichs 510 jeweils freiliegenden Enden der ersten metallischen Ableiterschicht 115 und der zweiten metallischen Ableiterschicht 116 von oben elektrisch kontaktiert werden, wobei mechanische Belastungen in das Gehäuse abgeleitet werden, ohne das Zellelement 102 zu beeinträchtigen.
6 zeigt einen weiteren Energiespeicher 100, der einen ähnlichen Aufbau hat, jedoch nicht nur ein einzelnes Zellelement 102, sondern einen Zellstapel 104 mit mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Zellelementen 102, 102', 102" aufweist. Der Energiespeicher 100 kann mit einem Herstellungsverfahren hergestellt werden, das weitgehend mit dem anhand von 5A bis 5S beschriebenen übereinstimmt. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden nachfolgend lediglich die Unterschiede dargestellt.
Nachdem Verfahrensschritte wie in 5A bis 5J gezeigt ausgeführt wurden, wird ähnlich wie in 5K gezeigt eine Gehäuseseitenwand 501 ausgebildet, die jedoch in Gänze die Separatorschicht 110 um 10 µm übberragt. Anschließend wird eine zweite Elektrodenschicht 114 ähnlich wie in 5M gezeigt auf die Separatorschicht 110, nicht jedoch auf die Gehäuseseitenwand 502 aufgebracht, so dass die Gehäuseseitenwand 502 und die Separatorschicht 110 nach oben bündig miteinander abschließen.
Danach wird eine dritte metallische Ableiterschicht 117 auf die zweite Elektrodenschicht 114 und einen ringförmig an diese angrenzenden innenliegenden Abschnitt der Gehäuseseitenwand 502 aufgebracht, was auf die gleiche Weise wie bei der in der vorhergehenden Ausführungsform für die zweite metallische Ableiterschicht 116 erfolgen kann. Hierauf werden, um ein zweites Zellelement 102' des Zellstapels zu bilden, die 5E bis 5J entsprechenden Verfahrensschritte wiederholt, wobei die erste Elektrodenteilschicht 111 des zweiten Zellelements 102' auf die dritte metallische Ableiterschicht 117 aufgebracht wird. Auf die beschriebene Weise können wie in 6 gezeigt drei oder mehr Zellemente 102, 102', 102" ausgebildet werden, die über dazwischenliegende metallische Ableiterschichten 117 elektrisch miteinander in Reihe geschaltet und bezüglich ionischer Leiter voneinander getrennt sind.
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

US 5035965 A [0004]
FR 2690567 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers (100), umfassend folgende Schritte: Siebdrucken, auf einer Druckauflage (210), welche zur Auflage eines Zellelements (102, 102', 102") des Energiespeichers (100) ausgebildet ist, einer Gehäuseseitenwand (502, 502', 502") des Energiespeichers (100); und Siebdrucken, auf zumindest einem Abschnitt der Gehäuseseitenwand (502, 502', 502"), einer metallischen Ableiterschicht (116, 117) zur elektrischen Kontaktierung einer oberen Elektrodenschicht (114) des Zellelements (102, 102', 102").
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Siebdrucken der metallischen Ableiterschicht (117) auf im Wesentlichen der gesamten oberen Elektrodenschicht (114) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Siebdrucken der metallischen Ableiterschicht (117) sich auf einen die obere Elektrodenschicht (114) ringförmig umgebenden Abschnitt der Gehäuseseitenwand (502, 502') erstreckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Schritt des Siebdruckens, auf der metallischen Ableiterschicht (117), einer unteren Elektrodenschicht (111) eines weiteren Zellelements (102', 102") des Energiespeichers (100), so dass die untere Elektrodenschicht (111) des weiteren Zellelements (102', 102") elektrisch mit der oberen Elektrodenschicht (114) verbunden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Schritt des Siebdruckens, auf der Gehäuseseitenwand (502, 502'), einer weiteren Gehäuseseitenwand (502', 502") des Energiespeichers (100).
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Schritt des Siebdruckens, auf der metallischen Ableiterschicht (116), eines Gehäusedeckels (504) des Energiespeichers (100) derart, dass neben dem Gehäusedeckel (504) ein Kontaktierungsabschnitt der metallischen Ableiterschicht (116) freiliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Schritt des Siebdruckens, auf der Druckauflage (210), eines Gehäusebodens (501) des Energiespeichers (100).
Energiespeicher (100), aufweisend: ein Zellelement (102, 102', 102") mit einer oberen Elektrodenschicht (114); eine Gehäuseseitenwand (502, 502', 502"), welche das Zellelement (102, 102', 102") umgibt; und eine metallische Ableiterschicht (116, 117), welche auf zumindest einen Abschnitt der Gehäuseseitenwand (502, 502', 502") gedruckt ist und die obere Elektrodenschicht (114) des Zellelements (102, 102', 102") elektrisch kontaktiert.
Energiespeicher (100) nach Anspruch 8, wobei sich die metallische Ableiterschicht (116, 117) über im Wesentlichen die gesamte obere Elektrodenschicht (114) und einen die obere Elektrodenschicht (114) ringförmig umgebenden Abschnitt der Gehäuseseitenwand (502, 502') erstreckt, ferner aufweisend: ein weiteres Zellelement (102', 102") mit einer unteren Elektrodenschicht (111), welche derart auf die metallische Ableiterschicht (117) gedruckt ist, dass die untere Elektrodenschicht (111) des weiteren Zellelements (102', 102") elektrisch mit der oberen Elektrodenschicht (114) verbunden ist.
Energiespeicher (100) nach Anspruch 8, ferner aufweisend einen Gehäusedeckels (504), welcher derart auf die metallische Ableiterschicht (116) gedruckt ist, dass neben dem Gehäusedeckel (504) ein Kontaktierungsabschnitt der metallischen Ableiterschicht (116) freiliegt.