DE102011003722A1

DE102011003722A1 - Strukturierter Ableiter für Batteriezellen

Info

Publication number: DE102011003722A1
Application number: DE102011003722A
Authority: DE
Inventors: Richard Aumayer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-02-07
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2012-08-09
Also published as: US20140023923A1; EP2673824A1; JP2014508382A; KR20140038939A; CN103339772A; WO2012107129A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ableiter für eine Batteriezelle, wobei der Ableiter im Wesentlichen aus einer leitfähigen Folie gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Folie Strukturelemente aufweist, welche die effektive Kontaktfläche zwischen der Folie und einer die Folie bedeckenden aktiven Masse gegenüber der Grundfläche der Folie vergrößern. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Ableiters sowie eine Batteriezelle, welche einen solchen Ableiter aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ableiter für eine Batteriezelle, wobei der Ableiter im Wesentlichen aus einer leitfähigen Folie gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Folie Strukturelemente aufweist, welche die effektive Kontaktfläche zwischen der Folie und einer die Folie bedeckenden aktiven Masse gegenüber der Grundfläche der Folie vergrößern. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Ableiters sowie eine Batteriezelle, welche einen solchen Ableiter aufweist.
Stand der Technik
Batteriezellen werden seit langer Zeit im Stand der Technik als Energiespeicher für elektrische Energie genutzt. Unter Batteriezellen sollen im Sinne dieser Erfindung sowohl Batterien als auch Akkumulatoren verstanden werden. Es sind Batteriezellen zur Speicherung elektrischer Energie bekannt, die aus einer oder mehreren Speicherzellen aufgebaut sind, in denen bei Anlegen eines Ladestroms elektrische Energie in einer elektrochemischen Ladereaktion zwischen einer Kathode und einer Anode in bzw. zwischen einem Elektrolyten in chemische Energie umgewandelt und somit gespeichert wird und in denen bei Anlegen eines elektrischen Verbrauchers chemische Energie in einer elektrochemischen Entladereaktion in elektrische Energie umwandelt wird. Akkumulatoren erlauben dabei mehrere Auflade und Entladezyklen, während Batterien in der Regel nur ein Mal aufgeladen werden und nach ihrer Entladung entsorgt werden müssen. In den letzten Jahren gewinnen Batteriezellen auf der Basis von Lithium-Verbindungen an Bedeutung. Solche lithiumbasierten Zellen weisen eine hohe Energiedichte und thermische Stabilität auf, liefern eine konstante Spannung bei geringer Selbstentladung und sind frei von dem sogenannten Memory-Effekt. Dabei ist es bekannt, Batteriezellen und insbesondere Lithium-Batteriezellen in der Form dünner Platten herzustellen. Bei solchen Zellen werden Kathoden- und Anodenmaterial, Stromsammler (im Folgenden Ableiter genannt) und Separatoren in Form dünner Folien auf geeignete Weise aufeinandergelegt (gestapelt) und in eine Hüllfolie verpackt. Die Kathoden- und Anoden werden dabei aus Ableiter und einer darauf ein- oder beidseitig aufgebrachten aktiven Masse gebildet. Die Ableiter der Kathode bzw. der Anode ragen an einer Kante der Zelle seitlich hervor und können so stromführend kontaktiert werden. Solche Lithium-Ionen-Batterien bzw. Akkumulatoren werden heutzutage in einer Vielzahl von Produkten als Energiespeicher eingesetzt. Bekannt ist die Verwendung solcher Energiespeicher beispielsweise im Bereich der tragbaren Computersysteme oder der Telekommunikation. Intensiv wird aktuell auch ihr Einsatz im Automotiv-Bereich als Antriebsbatterie in Kraftfahrzeugen diskutiert. Ein guter Kontakt zwischen den aktiven Massen und den Elektroden über eine Vielzahl von Ladezyklen ist dabei insbesondere für die lange Haltbarkeit der Batteriezellen notwendig.
Die Deutsche Patentschrift DE 69429153 T2 offenbart ein mit einer Leiterbahn versehenes poröses Metallblatt und ein Verfahren zur Herstellung desselben und insbesondere ein mit einer Leiterbahn versehenes poröses Metallblatt, das vorzugsweise als spiralförmige Elektrodenplatte einer Batterie benutzt wird. Um als eine spiralförmige Elektrodenplatte ein poröses Metallblatt zu benutzen, das gebildet wird durch Verwendung einer Kombination aus porösen Matten, etwa einer geschäumten Matte, einem Stück ungewebten Teilmaterials und einer Siebmatte oder nur durch einen dieser drei Mattentypen, wird eine aktive Substanz in Poren des porösen Metallblattes gefüllt. Auf diese Weise werden Leiterbahnen, die aus durchgehend massivem Metall bestehen und als ein Sammelelement zum Sammeln von elektrischem Strom dienen, längs des Umfangsrandes der spiralförmigen Elektrode gebildet.
Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung wird ein Ableiter für eine Batteriezelle vorgeschlagen, wobei der Ableiter im Wesentlichen aus einer leitfähigen Folie gebildet ist, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass die leitfähige Folie Strukturelemente aufweist, welche die effektive Kontaktfläche zwischen der Folie und einer die Folie bedeckenden aktiven Masse gegenüber der Grundfläche der Folie vergrößern.
Vorzugsweise ist die elektrisch leitfähige Folie hierbei eine Metallfolie.
Durch die durch die erfindungsgemäß vorzusehenden Strukturelemente hervorgerufene größere effektive Kontaktfläche zwischen der Folie und der aktiven Masse führt zu einer verbesserten Haftung zwischen Ableiter und aktiver Masse. Drüber hinaus sinkt der Übergangswiderstand zwischen Ableiter und aktiver Masse. Dies und die verbesserte Haftung tragen zu einer höheren Haltbarkeit und Lebensdauer der Zelle bei.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Strukturelemente als im Wesentlichen gleichmäßig über die Grundfläche der Folie verteilte Erhebungen ausgebildet. Hierdurch wird die Haftung zwischen der aktiven Massen und dem Ableiter weiter verbessert.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Strukturelemente eine maximale Erhebung aus der Ebene der Grundflächen der Folie auf, die kleiner der Summe aus der Dicke der Folie und der Dicke der darauf aufgebrachten aktiven Masse ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Strukturelemente zu beiden Seiten der Folie ausgebildet. Weiter bevorzugt verringert sich die Anzahl der Strukturelemente pro Fläche im Bereich der Ableitfahne, um die an dieser Stelle auftretende höhere Stromdichte bei der Ladung und/oder Entladung der Zelle aufnehmen zu können. Vorzugsweise ist das Verhältnis von Grundfläche zu Höhe der Strukturelemente derart, dass das Folienmaterial des Ableiters nur gedehnt wird und nicht reißt, so dass Löcher vermieden werden.
Erfindungsgemäß können die Strukturelemente mit einer Walze und/oder einem Stempel in die Folie eingebracht werden. Die Erhebungen der Walz und/oder des Stempels zur Ausprägung der Strukturelemente sind vorzugsweise an ihrer Spitze abgerundet, um das Entstehen von Löchern in der Folie im Bereich dieser Strukturelemente zu vermeiden.
Die durch dieser Strukturelemente vergrößerte Oberfläche des Ableiters führt zu einer verbesserten Haftung zwischen Ableiter und aktiven Material, wodurch der Übergangswiderstand zwischen Ableiter und aktiver Masse reduziert wird. Hierdurch wird die Haltbarkeit und Lebensdauer der Batteriezelle verbessert.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Strukturelemente eine maximale Erhebung aus der Ebene der Grundflächen der Folie auf, die größer oder gleich der Summe aus der Dicke der Folie und der Dicke der darauf aufgebrachten aktiven Masse ist. Besonders bevorzugt ist es hierbei, dass die Folie im Bereich dieser Strukturelemente Perforationen aufweist. Diese Art der erfindungsgemäß vorzusehenden Strukturelemente lässt sich beispielsweise mittels einer Walze, eines Stempels oder einer Stanze in das Folienmaterial des Ableiters einbringen, wobei die Erhebungen dieser Werkzeuge als Stifte ausgebildet sind, die in das Folienmaterial eindringen. Vorzugsweise sind diese Stifte an ihrer Spitze mit Schneiden ausgerüstet, um ein Eindringen in das Folienmaterial zu erleichtern. Weiter bevorzugt ist die Anzahl der Schneiden pro Stift ≥ 3.
Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass die Stifte das Folienmaterial mittels der Schneiden derart aufbiegen, dass die Höhe der aufgebogenen Abschnitte um so viel über der Dicke der fertig kalandrierten Elektrode liegt, wie das aktive Material im Kalandrierschritt zusammengepresst wird, beispielsweise 0,1 bis 0,2 mm. Im Kalandrierschritt werden diese aufgebogenen Abschnitte dann zumindest teilweise in Richtung der aktiven Masse umgebogen, was zu einer mechanischen Verklammerung der aktiven Masse auf dem Ableiter führt. Diese führt ebenfalls zu einer verbesserten Haftung zwischen Ableiter und aktiven Material, wodurch der Übergangswiderstand zwischen Ableiter und aktiver Masse reduziert wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Ableiter sowohl Strukturelemente aus, welche eine maximale Erhebung aus der Ebene der Grundflächen der Folie aufweisen, die kleiner der Summe aus der Dicke der Folie und der Dicke der darauf aufgebrachten aktiven Masse ist, als auch solche Strukturelemente, welche eine maximale Erhebung aus der Ebene der Grundflächen der Folie aufweisen, die größer oder gleich der Summe aus der Dicke der Folie und der Dicke der darauf aufgebrachten aktiven Masse ist und zu einem Perforation bzw. einem Aufbiegen des Folienmaterial in diesem Bereich führen. Durch diese Kombination wird sowohl eine vergrößerte Haftfläche zwischen Ableiter und aktiver Masse erreicht, als auch eine mechanische Verklammerung der aktiven Masse auf dem Ableiter.
Desweiteren wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Batteriezelle vorgeschlagen, aufweisend die Verfahrensschritte:

– Bereitstellen eine leitfähigen Folie;
– Einbringen von Strukturelementen in die Folie, wobei die Strukturelemente, wobei die Strukturelemente eine maximale Erhebung aus der Ebene der Grundflächen der Folie aufweisen, die kleiner der Summe aus der Dicke der Folie und der Dicke der darauf aufgebrachten aktiven Masse ist und die Folie im Bereich der Strukturelemente frei von Perforationen ist und/oder die Strukturelemente eine maximale Erhebung aus der Ebene der Grundflächen der Folie aufweisen, die größer oder gleich der Summe aus der Dicke der Folie und der Dicke der darauf aufgebrachten aktiven Masse ist und die Folie im Bereich der Strukturelemente Perforationen aufweist und die Strukturelemente regelmäßig verteilt über die Grundfläche der Folie angeordnet sind;
– Aufbringen einer aktiven Masse auf die strukturierte Folie; und
– Andrücken der aktiven Masse an die strukturierte Folie.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Strukturelemente mittels einer Walze, eines Stempels und/oder einer Stanze in die Folie eingebracht.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Andrücken der aktiven Masse an die strukturierte Folie in der Art, dass aus der aufgebrachten aktiven Masse herausragende Abschnitte der Strukturelemente in Richtung der aktiven Masse umgebogen werden.
Letztendlich wird die Aufgabe der Erfindung auch durch eine Batteriezelle gelöst, welche wenigstens einen Ableiter der zuvor beschriebenen Art aufweist welcher vorzugsweise mittels eines wie zuvor beschrieben Verfahrens hergestellt wurde.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels sowie einer Figur näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ableiters;
2 zeigt eine aus einem erfindungsgemäßen Ableiter und einer aktiven Masse gebildete Elektrode;
3 zeigt eine Detailansicht eines erfindungsgemäß vorzusehenden Strukturelementes;
4 zeigt eine Detailansicht eines weiteren erfindungsgemäß vorzusehenden Strukturelementes; und
5 zeigt eine aus einem erfindungsgemäßen Ableiter und einer aktiven Masse gebildete Elektrode vor und nach einem Kalandrierschritt.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ableiters 100. Der Ableiter ist aus einer leitfähigen Metallfolie 200 gebildet, auf welcher Strukturelemente 300 in regelmäßigen Abständen verteilt angeordnet sind. Die Strukturelemente 300 weisen eine maximale Erhebung aus der Ebene der Grundflächen der Folie 200 auf, die kleiner der Summe aus der in 2 gezeigten Dicke 220 der Folie 200 und der Dicke 410 der darauf aufgebrachten, aktiven Masse 400 ist. Der Ableiter 100 weist im oberen Bereich eine Ableitfahne 700 auf, über welche der Ableiter elektrisch kontaktiert werden kann. Im Bereich des Ableiters ist die Anzahl der Strukturelemente 300 pro Fläche geringer, als im Übrigen Bereich des Ableiters 100, um die an dieser Stelle auftretende höhere Stromdichte bei der Ladung und/oder Entladung der Batteriezelle, in der der Ableiter 100 vorgesehen ist, aufnehmen zu können. Das Verhältnis von Grundfläche zu Höhe der Strukturelemente 300 ist vorzugsweise derart, dass das Material auf dem die Folie 200 besteht nur gedehnt wird und nicht reißt, so dass Löcher vermieden werden. Die Strukturelemente 300 erheben sich zu beiden Seiten der Folie 200, so dass für auf beide Seiten aufgebrachtes aktives Material eine größere Haftfläche zur Verfügung steht. Zur Einbringung der Strukturelemente 300 in die Folie 200 kann diese mittels einer Walze und/oder eines Stempels strukturiert werden. Die Erhebungen der Walz und/oder des Stempels zur Ausprägung der Strukturelemente 300 sind vorzugsweise an ihrer Spitze abgerundet, um das Entstehen von Löchern in der Folie im Bereich dieser Strukturelemente zu vermeiden.
2 zeigt eine aus einem erfindungsgemäßen Ableiter und einer aktiven Masse 400 gebildete Elektrode 800. Auf einen beidseitig erfindungsgemäß mit Strukturelementen strukturierten Ableiter 100 mit einer Dicke 210 wird eine aktive Masse 400 mit einer Masse 410 aufgebracht. Die Strukturelemente 300 in der leitfähigen Folie 200 sind derart ausgebildet, dass ihre Höhe keiner der Höhe 410 der aufgebrachten Masse 400 ist, und zwar nach einem Kalandrierschritt in welchem das aktive Material 400 mit dem Ableiter 100 verpresst wird. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass zumindest teilweise auf die beiden Seiten des Ableiters unterschiedliche Massen aufgebracht werden. 3 zeigt eine Detailansicht eines erfindungsgemäß vorzusehenden Strukturelementes 300. Zur Einbringung der Strukturelemente 300 in das Folienmaterial kann es vorgesehen sein, dass die Folie 200 über eine Walze und/oder einem Stempel geführt werden, welche die Gestalt des Positiv der gewünschten Form des Strukturelementes 300 aufweisen und über abgerundete Spitzen verfügen. Hierbei ist das Verhältnis von Grundfläche zu Höhe h der Strukturelemente vorzugsweise derart, dass das Folienmaterial des Ableiters nur gedehnt wird und nicht reißt, so dass Löcher vermieden werden.
4 zeigt eine Detailansicht eines weiteren erfindungsgemäß vorzusehenden Strukturelementes 310. Bei diesem Strukturelement 310 ist die maximale Erhebung aus der Ebene der Grundflächen der Folie 200 größer oder gleich der Summe aus der Dicke 220 der Folie 200 und der Dicke 410 der darauf aufgebrachten aktiven Masse 400 ist. Im Bereich der Strukturelemente 310 ist die Folie 200 perforiert, so dass Flügel 330 des Strukturelementes 310 in bzw. über die aufzubringende aktive Masse 400 hinein- oder sogar darüber hinausreichen, wie das in 5 gezeigt ist. Die Strukturelemente lassen sich vorzugsweise mittels eines Stempels oder einer Walze in die Folie 200 einbringen. Nach und/oder während des Kalandrien der aus dem Ableiter 100 und der darauf aufgebrachten aktiven Masse gebildeten Elektrode werden die in die aktive Masse 400 hineinreichenden Flüge 330 in Richtung der aktiven Masse 400 umgebogen, so dass die aktive Masse mittels der umgebogenen Flügen 330 in der Art einer Klammer gehalten werden. Hierdurch wird die mechanische Haftung zwischen dem Ableiter 100 und der darauf aufgebrachten aktiven Masse 400 verbessert.
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 69429153 T2 [0003]

Claims

Ableiter (100) für eine Batteriezelle, wobei der Ableiter (100) im Wesentlichen aus einer leitfähigen Folie (200) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Folie (200) Strukturelemente (300, 310) aufweist, welche die effektive Kontaktfläche zwischen der Folie (100) und einer die Folie bedeckenden aktiven Masse (400) gegenüber der Grundfläche der Folie (200) vergrößern.
Ableiter (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Strukturelemente (300, 310) als im Wesentlichen gleichmäßig über die Grundfläche der Folie (200) verteilte Erhebungen ausgebildet sind.
Ableiter (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strukturelemente (300) eine maximale Erhebung aus der Ebene der Grundflächen der Folie (200) aufweisen, die kleiner der Summe aus der Dicke (220) der Folie (200) und der Dicke (410) der darauf aufgebrachten aktiven Masse (400) ist.
Ableiter (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Folie (200) im Bereich der Ableitfahne (700) eine geringere Anzahl von Strukturelementen (300, 310) pro Fläche aufweist, als im Übrigen Bereich des Ableiters (100).
Ableiter (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strukturelemente (310) eine maximale Erhebung aus der Ebene der Grundflächen der Folie (200) aufweisen, die größer oder gleich der Summe aus der Dicke (220) der Folie (200) und der Dicke (410) der darauf aufgebrachten aktiven Masse (400) ist.
Ableiter (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Folie (200) im Bereich der Strukturelemente (310) Perforationen aufweist.
Batteriezelle, aufweisend wenigstens einen Ableiter (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (600) für eine Batteriezelle, aufweisend die Verfahrensschritte: – Bereitstellen eine leitfähigen Folie (200); – Einbringen von Strukturelementen (300, 310) in die Folie (200), wobei die Strukturelemente (300, 310), wobei die Strukturelemente (300) eine maximale Erhebung aus der Ebene der Grundflächen der Folie (200) aufweisen, die kleiner der Summe aus der Dicke (220) der Folie (200) und der Dicke (410) der darauf aufgebrachten aktiven Masse (400) ist und die Folie (200) im Bereich der Strukturelemente (300) frei von Perforationen ist und/oder die Strukturelemente (310) eine maximale Erhebung aus der Ebene der Grundflächen der Folie (200) aufweisen, die größer oder gleich der Summe aus der Dicke (220) der Folie (200) und der Dicke (410) der darauf aufgebrachten aktiven Masse (400) ist und die Folie (200) im Bereich der Strukturelemente (310) Perforationen aufweist und die Strukturelemente (300, 310) regelmäßig verteilt über die Grundfläche der Folie (200) angeordnet sind; – Aufbringen einer aktiven Masse (400) auf die strukturierte Folie (200); und – Andrücken der aktiven Masse (400) an die strukturierte Folie (200).
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Strukturelemente (300, 310) mittels einer Walze, eines Stempels und/oder einer Stanze in die Folie (200) eingebracht werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das Andrücken der aktiven Masse (400) an die strukturierte Folie in der Art erfolgt, dass aus der aufgebrachten aktiven Masse (400) herausragende Abschnitte (330) der Strukturelemente (310) in Richtung der aktiven Masse (400) umgebogen werden.