DE102023108129A1

DE102023108129A1 - Anodenschicht für eine Folie für eine Energiespeicherzelle, Folie für eine Energiespeicherzelle, Energiespeicherzelle und Verfahren zur Herstellung einer Anodenschicht und einer Folie

Info

Publication number: DE102023108129A1
Application number: DE102023108129.2A
Authority: DE
Inventors: Roland Jung; Burkhard Lewerich
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2023-03-30
Filing date: 2023-03-30
Publication date: 2024-10-02

Abstract

Es wird eine Anodenschicht (1) für eine Folie für eine Energiespeicherzelle angegeben, umfassend
- einen ersten Bereich (2) mit einer ersten Materialzusammensetzung, und
- einen zweiten Bereich (3) mit einer zweiten Materialzusammensetzung, wobei
- sich die Anodenschicht (1) entlang einer Haupterstreckungsrichtung erstreckt,
- der erste Bereich (2) und der zweite Bereich (3) entlang der Haupterstreckungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind, und
- die erste Materialzusammensetzung eine Siliziumkonzentration aufweist, die größer als eine Siliziumkonzentration der zweiten Materialzusammensetzung ist.
Des Weiteren sind eine Folie für eine Energiespeicherzelle, eine Energiespeicherzelle und jeweils ein Verfahren zur Herstellung einer Anodenschicht und einer Folie angegeben.

Description

Es werden eine Anodenschicht für eine Folie für eine Energiespeicherzelle, eine Folie für eine Energiespeicherzelle, eine Energiespeicherzelle, ein Verfahren zur Herstellung einer Anodenschicht und ein Verfahren zur Herstellung einer Folie angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Anodenschicht anzugeben, die besonders effizient ist und die dazu führt, dass eine Energiespeicherzelle besonders viel Energie speichern und abgeben kann.
Diese Aufgabe wird durch die Anodenschicht des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Implementierungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Die Anodenschicht ist beispielsweise Teil einer Folie für eine Energiespeicherzelle. Bei der Energiespeicherzelle handelt es sich beispielsweise um einen Akkumulator. Die Energiespeicherzelle ist damit beispielsweise ein wiederaufladbares Speicherelement für elektrische Energie. Bei der Energiespeicherzelle handelt es sich beispielsweise um eine Lithium-Ionen (Li-Ion) Batteriezelle. Die Energiespeicherzelle ist beispielsweise in ein Fahrzeug integriert. Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug, wie zum Beispiel einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen, einen Transporter und/oder ein Motorrad. Alternativ kann das Fahrzeug ein Luftfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug sein. Bei dem Fahrzeug handelt es sich insbesondere um ein Batterie-Elektrofahrzeug (kurz „BEV“) oder um ein Plug-in Hybrid-Elektrofahrzeug (kurz „PHEV“), wobei die Energiespeicherzelle beispielsweise Teil der Batterie des Fahrzeugs ist.
Die Anodenschicht ist beispielsweise eine Anodenelektrode der Energiespeicherzelle. Die Anodenschicht ist insbesondere elektrisch leitend ausgebildet. Die Anodenschicht umfasst beispielsweise ein Gemisch umfassend mindestens ein aktives Anodenmaterial, einen Binder und ein Leitadditiv. Das aktive Anodenmaterial umfasst beispielsweise Graphit und/oder Silizium, wie SiO_x, SiC und/oder Si, oder ist damit gebildet. Der Binder umfasst oder besteht beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid („PVDF“), Polytetrafluorethylen („PTFE“), Carboxymethylcellulosen („CMC“), Styrol-Butadien-Kautschuk („SBR“), Lithium Polyacrylat Säure (englisch „Lithium Polyacrylate Acid“, kurz „LiPAA“) und/oder Polyacrylsäure (englisch „Polyacrylic Acid“, kurz „PAA“). Das Leitadditiv umfasst beispielsweise Kohlenstoff, wie Ruß (englisch „Carbon Black“), Kohlenstoffnanoröhren (englisch „Carbon nanotubes“, kurz „CNTs“) und/oder Kohlefasern, oder ist damit gebildet.
Die Anodenschicht umfasst beispielsweise eine erste Ableiterfolie. Die erste Ableiterfolie ist eine erste Trägerfolie für das Gemisch aus dem aktiven Anodenmaterial, dem Binder der Anodenschicht und dem Leitadditiv der Anodenschicht. Das Gemisch ist beispielsweise direkt auf der ersten Ableiterfolie angeordnet. Die erste Ableiterfolie ist zum Beispiel mit einem elektrisch leitenden Material gebildet, wie Kupfer, Cu.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Anodenschicht einen ersten Bereich mit einer ersten Materialzusammensetzung. Die erste Materialzusammensetzung ist beispielsweise charakteristisch für ein erstes Verhältnis des aktiven Anodenmaterials zu dem Leitadditiv und/oder dem Binder. Alternativ kann die erste Materialzusammensetzung beispielsweise charakteristisch für ein erstes Verhältnis eines ersten aktiven Anodenmaterials zu einem zweiten aktiven Anodenmaterial sein, z.B. ein erstes Verhältnis von Silizium zu Graphit. Insbesondere umfasst das aktive Anodenmaterial das erste aktive Anodenmaterial umfassend Silizium und das zweite aktive Anodenmaterial umfassend Graphit.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Anodenschicht einen zweiten Bereich mit einer zweiten Materialzusammensetzung. Die zweite Materialzusammensetzung ist beispielsweise charakteristisch für ein zweites Verhältnis des aktiven Anodenmaterials zu dem Leitadditiv und/oder dem Binder. Alternativ kann die zweite Materialzusammensetzung beispielsweise charakteristisch für ein zweites Verhältnis eines ersten aktiven Anodenmaterials zu einem zweiten aktiven Anodenmaterial sein, z.B. ein zweites Verhältnis von Silizium zu Graphit. Bei dem ersten Verhältnis und/oder dem zweiten Verhältnis kann es sich um ein Gewichtsverhältnis oder um ein Volumenverhältnis handeln.
Ein Material für den Binder ist für den ersten Bereich und den zweiten Bereich beispielsweise gleich. Weiterhin ist auch eine Menge, insbesondere eine Gewichtsmenge und/oder eine Volumenmenge, des Binders im ersten Bereich und im zweiten Bereich gleich. Alternativ ist eine Menge des Binders auf das erste Verhältnis und das zweite Verhältnis abgestimmt. In diesem Fall ist eine Menge des Binders im ersten Bereich und im zweiten Bereich verschieden voneinander, abhängig vom ersten Verhältnis und dem zweiten Verhältnis.
Ein Material oder Materialien des aktiven Anodenmaterials im ersten Bereich ist insbesondere gleich einem Material oder Materialien des aktiven Anodenmaterials im zweiten Bereich. Weiterhin ist das Leitadditiv im ersten Bereich insbesondere gleich dem Leitadditiv im zweiten Bereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich die Anodenschicht entlang einer Haupterstreckungsrichtung. Die Anodenschicht weist eine Länge und eine Breite auf, wobei die Länge um ein Vielfaches größer ist als die Breite. Die Haupterstreckungsrichtung ist entlang der Länge orientiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anodenschicht sind der erste Bereich und der zweite Bereich entlang der Haupterstreckungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet. Beispielsweise steht der erste Bereich in direktem Kontakt mit dem zweiten Bereich.
Der erste Bereich erstreckt sich über die gesamte Breite der Anodenschicht. Weiterhin erstreckt sich der zweite Bereich über die gesamte Breite der Anodenschicht. Der erste Bereich weist eine erste Länge auf und der zweite Bereich weist eine zweite Länge auf. Die erste Länge ist beispielsweise kleiner als die zweite Länge.
Die Anodenschicht kann mehrere erste Bereiche und mehrere zweite Bereiche aufweisen. Die ersten Bereiche und die zweiten Bereiche sind beispielsweise alternierend entlang der Haupterstreckungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anodenschicht weist die erste Materialzusammensetzung eine Siliziumkonzentration auf, die größer als eine Siliziumkonzentration der zweiten Materialzusammensetzung ist. Insbesondere ist das erste Verhältnis größer als das zweite Verhältnis ausgebildet.
Die Siliziumkonzentration der ersten Materialzusammensetzung ist beispielsweise um mindestens 5 % oder mindestens 10 % größer als die Siliziumkonzentration der zweiten Materialzusammensetzung. Die Siliziumkonzentration ist insbesondere charakteristisch für eine Massenkonzentration pro Flächeneinheit des Siliziums in der ersten Materialzusammensetzung und der zweiten Materialzusammensetzung. Beispielsweise ist das erste Verhältnis um mindestens 50 % oder mindestens 100 % größer als das zweite Verhältnis. Beispielsweise nimmt die Siliziumkonzentration vom ersten Bereich zu dem zweiten Bereich in einem ersten Zwischenbereich kontinuierlich ab. Der erste Zwischenbereich umfasst einen Endbereich des ersten Bereichs und einen Endbereich des zweiten Bereichs, wobei die Endbereiche einander zugewandt sind und in direktem Kontakt miteinander stehen. Eine Länge des Zwischenbereichs ist höchstens 50 %, höchstens 10 % oder höchstens 5 % der ersten Länge.
Da die siliziumhaltigen Materialien des aktiven Anodenmaterials typischerweise mehr Lithiumionen aufnehmen können als beispielsweise Graphit als zweites aktives Anodenmaterial, ist es zur Energiespeicherung in einer Energiespeicherzelle vorteilhaft eine Anodenschicht mit einer möglichst hohen Siliziumkonzentration zu wählen. In der Regel umfassen konventionelle Anodenschichten für Energiespeicherzellen ausschließlich eine typische Materialzusammensetzung, die isotrop über die konventionelle Anodenschicht verteilt ist. Die Siliziumkonzentration der konventionellen Anodenschicht entspricht hierbei einer Siliziumkonzentration des zweiten Bereichs.
Eine Idee ist, unter anderem, dass die Anodenschicht einen ersten Bereich umfasst, der eine höhere Siliziumkonzentration aufweist als ein zweiter Bereich. Damit kann die Energie und Kapazität einer damit gefertigten Li-lonen-Zelle mit Vorteil erhöht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Anodenschicht einen dritten Bereich mit der ersten Materialzusammensetzung. Der dritte Bereich weist insbesondere das erste Verhältnis auf. Weiterhin weist der dritte Bereich insbesondere die Siliziumkonzentration der ersten Materialzusammensetzung auf, die größer als die Siliziumkonzentration der zweiten Materialzusammensetzung ist.
Der dritte Bereich erstreckt sich über die gesamte Breite der Anodenschicht. Der dritte Bereich weist eine dritte Länge auf, wobei die dritte Länge beispielsweise kleiner als die erste Länge ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anodenschicht ist der zweite Bereich entlang der Haupterstreckungsrichtung zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich angeordnet. Beispielsweise steht der erste Bereich in direktem Kontakt mit dem zweiten Bereich und der zweite Bereich steht in direktem Kontakt mit dem dritten Bereich.
Beispielsweise nimmt die Siliziumkonzentration vom dritten Bereich zu dem zweiten Bereich in einem zweiten Zwischenbereich kontinuierlich ab. Der zweite Zwischenbereich umfasst einen Endbereich des zweiten Bereichs und einen weiteren Endbereich des dritten Bereichs, wobei die Endbereiche einander zugewandt sind und in direktem Kontakt miteinander stehen. Eine Länge des zweiten Zwischenbereichs ist höchstens 50 %, höchstens 10 % oder höchstens 5 % der zweiten Länge. Insbesondere ist der erste Zwischenbereich größer als der zweite Zwischenbereich ausgebildet. Alternativ sind der erste Zwischenbereich und der zweite Zwischenbereich gleich groß ausgebildet.
Die Anodenschicht kann mehrere erste Bereiche, mehrere zweite Bereiche und mehrere dritte Bereiche aufweisen. Die ersten Bereiche, die zweiten Bereiche und die dritten Bereiche sind beispielsweise alternierend entlang der Haupterstreckungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet, insbesondere in der angegebenen Reihenfolge. In diesem Fall stehen direkt benachbarte erste Bereiche und dritte Bereiche in direktem Kontakt miteinander. Derartige direkt benachbarte erste Bereiche und dritte Bereiche sind insbesondere einstückig miteinander ausgebildet.
Des Weiteren wird eine Folie für eine Energiespeicherzelle angegeben, die die hier beschriebene Anodenschicht umfasst. Demzufolge sind die Merkmale in Verbindung mit der Anodenschicht auch in Verbindung mit der Folie beschrieben und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Folie die hier beschriebene Anodenschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Folie eine erste Separatorschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Folie eine zweite Separatorschicht.
Die erste Separatorschicht und die zweite Separatorschicht sind beispielsweise mit einem elektrisch isolierenden Material gebildet oder sind daraus geformt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Folie eine Kathodenschicht. Die Anodenschicht und die Kathodenschicht sind zum Beispiel elektrisch voneinander isoliert, insbesondere über die erste Separatorschicht und die zweite Separatorschicht. Über die Anodenschicht und die Kathodenschicht kann die Folie, die insbesondere dazu ausgebildet ist von einer Energiespeicherzelle umfasst zu sein, elektrisch leitend kontaktiert werden.
Die Kathodenschicht ist beispielsweise eine Kathodenelektrode der Energiespeicherzelle. Die Kathodenschicht ist insbesondere elektrisch leitend ausgebildet. Die Kathodenschicht umfasst beispielsweise ein Gemisch umfassend ein aktives Kathodenmaterial, einen Binder und ein Leitadditiv. Das aktive Kathodenmaterial umfasst beispielsweise Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid („NMC“), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid („NCA“), Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Aluminium-Oxid („NCMA“), Lithium-Cobalt-Oxid („LCO“), Lithium-Eisen-Phosphat („LFP“), Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat („LMFP“), Lithium-Mangan-Oxid („LMO“) und/oder Lithium-Nickel-Mangan-Oxid („LNMO“) oder ist damit gebildet. Der Binder umfasst oder besteht beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid („PVDF“), Polytetrafluorethylen („PTFE“), Carboxymethylcellulosen („CMC“), Styrol-Butadien-Kautschuk („SBR“), Lithium Polyacrylat Säure (englisch „Lithium Polyacrylate Acid“, kurz „LiPAA“) und/oder Polyacrylsäure (englisch „Polyacrylic Acid“, kurz „PAA“). Das Leitadditiv umfasst beispielsweise Kohlenstoff, wie Ruß (englisch „Carbon Black“), Kohlenstoffnanoröhren (englisch „Carbon nanotubes“, kurz „CNTs“) und/oder Kohlefasern, oder ist damit gebildet.
Der Binder der Kathodenschicht und/oder das Leitadditiv der Kathodenschicht sind beispielsweise gleich dem Binder der Anodenschicht und/oder dem Leitadditiv der Anodenschicht. Alternativ sind der Binder der Kathodenschicht und/oder das Leitadditiv der Kathodenschicht verschieden von dem Binder der Anodenschicht und/oder dem Leitadditiv der Anodenschicht.
Die Kathodenschicht umfasst beispielsweise eine zweite Ableiterfolie. Die zweite Ableiterfolie ist beispielsweise eine zweite Trägerfolie für das Gemisch aus dem aktiven Kathodenmaterial, dem Binder der Kathodenschicht und dem Leitadditiv der Kathodenschicht. Das Gemisch ist beispielsweise direkt auf der zweiten Ableiterfolie angeordnet. Die zweite Ableiterfolie ist zum Beispiel mit einem elektrisch leitenden Material gebildet, wie Aluminium (AI).
Die erste Separatorschicht und die zweite Separatorschicht weisen beispielsweise ein Separatormaterial auf, das für Lithium Ionen durchlässig, aber für Elektronen undurchlässig ist. Insbesondere ist eine Lithiumionen-Durchlässigkeit im Vergleich zu einer Elektronendurchlässigkeit der ersten Separatorschicht und der zweiten Separatorschicht um ein Vielfaches größer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Folie sind die erste Separatorschicht, die Anodenschicht, die zweite Separatorschicht und die Kathodenschicht übereinander gestapelt angeordnet. Insbesondere sind die Schichten in der angegebenen Reihenfolge entlang einer Stapelrichtung übereinander gestapelt. Direkt benachbarte Schichten stehen beispielsweise in direktem Kontakt miteinander.
Die Anodenschicht und die Kathodenschicht weisen jeweils beispielsweise eine Dicke von mindestens 1 µm bis höchstens 500 µm auf. Die Dicken der Anodenschicht und der Kathodenschicht können verschieden groß ausgebildet sein. Die erste Separatorschicht, die zweite Separatorschicht und die weitere Separatorschicht weisen beispielsweise jeweils eine Dicke von mindestens 1 µm und höchstens 400 µm auf. Die Dicken der Separatorschichten können gleich oder verschieden groß ausgebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Folie umfasst die Kathodenschicht einen weiteren ersten Bereich und einen weiteren zweiten Bereich, wobei der weitere erste Bereich über dem ersten Bereich angeordnet ist und der weitere zweite Bereich über dem zweiten Bereich angeordnet ist. In Draufsicht auf die Folie überlappen sich beispielsweise der erste Bereich und der weitere erste Bereich vollständig, insbesondere kongruent. In Draufsicht auf die Folie überlappen sich beispielsweise der zweite Bereich und der weitere zweite Bereich vollständig, insbesondere kongruent.
Die Kathodenschicht kann weiterhin einen weiteren dritten Bereich umfassen, wobei der weitere dritte Bereich über dem dritten Bereich angeordnet ist. In Draufsicht auf die Folie überlappen sich beispielsweise der dritte Bereich und der weitere dritte Bereich vollständig, insbesondere kongruent.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Folie ist eine Massenbeladung des weiteren ersten Bereichs mit einem Kathodenmaterial größer als eine Massenbeladung des weiteren zweiten Bereichs mit dem Kathodenmaterial. Die Massenbeladung entspricht einer Menge des Gemischs der Kathodenschicht pro Flächeneinheit, insbesondere einer Gewichtsmenge und/oder einer Volumenmenge. Vorteilhafterweise kann damit ein Lithium-Plating in der Folie einer Energiespeicherzelle verhindert werden.
Des Weiteren wird eine Energiespeicherzelle angegeben, die die hier beschriebene Folie umfasst. Demzufolge sind die Merkmale in Verbindung mit der Folie sowie auch in Verbindung mit der Anodenschicht auch in Verbindung mit der Energiespeicherzelle beschrieben und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Energiespeicherzelle eine Elektrodenanordnung, die die hier beschriebene Folie mit der hier beschriebenen Anodenschicht umfasst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Energiespeicherzelle ein Gehäuse und eine Abdeckung, die die Elektrodenanordnung umgeben. Das Gehäuse und der Deckel bilden beispielsweise eine Kavität für die Elektrodenanordnung. Die Elektrodenanordnung ist beispielsweise vollständig, insbesondere dreidimensional, von dem Gehäuse und dem Deckel umgeben. Das Gehäuse erstreckt sich beispielsweise entlang einer Haupterstreckungsrichtung, die gleich einer Haupterstreckungsrichtung der Energiespeicherzelle ist. Beispielsweise bildet das Gehäuse die Anodenkontaktelektrode, die mit der Anodenschicht elektrisch leitend verbunden ist und die Abdeckung bildet die Kathodenkontaktelektrode, die mit der Kathodenschicht elektrisch leitend verbunden ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle ist die Folie um eine Wickelachse gewickelt, die senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Folie orientiert ist, wobei die aufgewickelte Folie die Elektrodenanordnung bildet. Insbesondere ist die Wickelachse parallel zu der Haupterstreckungsrichtung der Energiespeicherzelle orientiert. Beispielsweise umfasst die Elektrodenanordnung von der Wickelachse bis zu einer Außenfläche der Elektrodenanordnung in Abhängigkeit einer Wicklungszahl mehrere Lagen. Die Wicklungszahl gibt hierbei an, in wie vielen Lagen die Folie um die Wickelachse gewickelt ist. Insbesondere handelt es sich bei der Wickelachse um eine virtuelle Achse.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle bildet der erste Bereich der Anodenschicht mindestens eine äußerste Lage der aufgewickelten Folie. Beispielsweise bildet der erste Bereich ausschließlich die äußerste Lage. Alternativ kann sich der erste Bereich über die äußersten zwei, drei oder auch mehr Lagen erstrecken.
Bildet der der erste Bereich ausschließlich die äußerste Lage kann sich der erste Zwischenbereich beispielsweise über die daran angrenzende zweitäußerste Lage und/oder drittäußerste Lage erstrecken.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle bildet der dritte Bereich der Anodenschicht mindestens eine innerste Lage der aufgewickelten Folie. Die innerste Lage grenzt insbesondere direkt an die Wickelachse an. Beispielsweise bildet der dritte Bereich ausschließlich die innerste Lage. Alternativ kann sich der dritte Bereich über die innersten zwei, drei oder auch mehr Lagen erstrecken.
Bildet der der dritte Bereich ausschließlich die innerste Lage kann sich der zweite Zwischenbereich beispielsweise über die daran angrenzende zweitinnerste Lage und/oder drittinnerste Lage erstrecken.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle weist der erste Bereich der Anodenschicht eine Flächenkapazität auf, die größer ist als eine Flächenkapazität des zweiten Bereichs der Anodenschicht. Die Flächenkapazität des ersten Bereichs ist beispielsweise mindestens 5 % oder mindestens 10 % größer als die Flächenkapazität des zweiten Bereichs. Die Flächenkapazität weist die Einheiten mAh/cm² auf und ist charakteristisch für eine Menge an Lithium, die pro Flächeneinheit gespeichert werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle weist der dritte Bereich der Anodenschicht eine Flächenkapazität auf, die größer ist als eine Flächenkapazität des zweiten Bereichs der Anodenschicht. Die Flächenkapazität des dritten Bereichs ist beispielsweise mindestens 5 % oder mindestens 10 % größer als die Dicke des zweiten Bereichs.
Das Gehäuse, insbesondere die Kavität, ist beispielsweise mit einem Elektrolyt befüllt. Das Gehäuse ist mit der Abdeckung beispielsweise hermetisch verschlossen. Im Verlauf der Elektrolytbefüllung und/oder dem ersten teilweisen oder vollständigen Ladevorgang der Energiespeicherzelle erfolgt unter anderem eine irreversible Expansion der Anodenschicht der Folie. Dies führt zu einer Ausdehnung der Elektrodenanordnung, also der aufgewickelten Folie, wodurch die Elektrodenanordnung den im noch unbefüllten Zustand freien Raum bis zum Gehäuse einnimmt und ein fester Kontakt zwischen Elektrodenanordnung und Gehäuse hergestellt wird. Weiterhin wird der im noch unbefüllten Zustand freie Raum entlang der Wickelachse von der Elektrodenanordnung eingenommen.
Im darauffolgenden regulären Betrieb der Energiespeicherzelle expandiert und kontrahiert die Anodenschicht der Folie abhängig von Ladungszustand und Temperatur. Dies ist ein überwiegend reversibler Prozess mit einem irreversiblen Anteil, der sich über eine Lebensdauer der Energiespeicherzelle akkumuliert.
Die Summe dieser Ausdehnungseffekte wird im Folgenden mit dem Begriff „Schwellen“ bezeichnet. Die Folge des Schwellens ist die Ausbildung von mechanischen Spannungen, Verformungen und einer Reduktion der Porosität der Anodenschicht aufgrund der mechanischen Spannungen, die der Expansion entgegenwirken.
Typischerweise ist der Siliziumgehalt unter anderem dadurch limitiert, dass die Schwellung nicht zu groß werden darf, um die mechanische Stabilität und Integrität der Elektrodenanordnung sowie des Gehäuses über die gesamte Lebensdauer aufrecht zu erhalten. Aufgrund der spiralförmigen Wicklung der Folie ist der Effekt der Schwellung jedoch nicht homogen über die gesamte Länge der Elektrode verteilt. In den innersten und äußersten Lagen führt das Schwellen zu geringeren mechanischen Spannungen, was eine größere Dickenzunahme der Anodenschicht erlaubt. In den mittleren Lagen führt das Schwellen zu hohen mechanischen Spannungen, was nur eine geringe Ausdehnung der Anodenschicht erlaubt.
Mit Vorteil ist in den Bereichen der Folie, in denen eine größere Dickenzunahme möglich ist, also im Bereich des ersten Bereichs und des dritten Bereichs, die Siliziumkonzentration erhöht, um so mehr Energie in die Energiespeicherzelle zu bekommen ohne die Lagen der Anodenschicht in den Bereichen, in denen weniger Dickenzunahme möglich ist, dem zweiten Bereich, durch zu starke Porositätsabnahme zu schädigen. Damit ist die Anodenschicht der aufgewickelten Folie besser auf die mechanischen Gegebenheiten optimiert.
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer Anodenschicht angegeben, mit der die hier angegebene Anodenschicht hergestellt wird. Damit sind die Merkmale der Anodenschicht auch im Zusammenhang mit dem Verfahren offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine erste Trägerfolie bereitgestellt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden ein erstes Material mit der ersten Materialzusammensetzung und ein zweites Material mit der zweiten Materialzusammensetzung auf die erste Trägerfolie mittels eines kontinuierlichen Mischprozesses aufgebracht.
Das Aufbringen des ersten Materials und des zweiten Materials erfolgt insbesondere mittels einem Schneckenextruder. Beim Aufbringen des ersten Materials mit der ersten Materialzusammensetzung wird insbesondere mehr Silizium, beispielsweise mehr SiO_x, SiC und/oder Si, in den Schneckenextruder zugegeben.
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer Folie angegeben, mit der die hier angegebene Folie mit der hier angegebenen Anodenschicht hergestellt wird. Damit sind die Merkmale der Folie auch im Zusammenhang mit dem Verfahren offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die erste Separatorschicht, die Anodenschicht, die zweite Separatorschicht, und die Kathodenschicht bereitgestellt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die erste Separatorschicht, die Anodenschicht, die zweite Separatorschicht, und die Kathodenschicht entlang einer Stapelrichtung angeordnet. Die Stapelrichtung ist insbesondere senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Anodenschicht orientiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die gestapelten Schichten durch die erste Separatorschicht, die Anodenschicht, die zweite Separatorschicht, und die Kathodenschicht vereinzelt. Die Vereinzelung erfolgt beispielsweise durch einen Schnitt entlang der Stapelrichtung durch die erste Separatorschicht, die Anodenschicht, die zweite Separatorschicht, und die Kathodenschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Vereinzeln innerhalb des ersten Bereichs. Das heißt, dass der Schnitt insbesondere entlang der Stapelrichtung durch die erste Separatorschicht, den ersten Bereich der Anodenschicht, die zweite Separatorschicht, und die Kathodenschicht erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Vereinzeln an einer Grenzfläche des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs. Das heißt, dass der Schnitt insbesondere entlang der Stapelrichtung durch die erste Separatorschicht, die Grenzfläche des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs der Anodenschicht, die zweite Separatorschicht, und die Kathodenschicht erfolgt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 und 2 jeweils eine Anodenschicht gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel, und
3 eine Folie gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Anodenschicht 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 umfasst erste Bereiche 2 mit einer ersten Materialzusammensetzung und zweite Bereiche 3 mit einer zweiten Materialzusammensetzung. Die erste Materialzusammensetzung und die zweite Materialzusammensetzung sind jeweils auf einer ersten Ableiterfolie 5 angeordnet. Die erste Ableiterfolie 5 umfasst beispielsweise Kupfer (Cu).
Die erste Materialzusammensetzung und die zweite Materialzusammensetzung umfassen jeweils ein Gemisch umfassend mindestens einem aktiven Anodenmaterial, einem Binder und einem Leitadditiv. Insbesondere umfasst das aktive Anodenmaterial Silizium und das Leitadditiv Kohlenstoff. Die erste Materialzusammensetzung weist eine Siliziumkonzentration auf, die größer als eine Siliziumkonzentration der zweiten Materialzusammensetzung ist.
Ein erstes Verhältnis ist ein Verhältnis zwischen dem aktiven Anodenmaterial zu dem Leitadditiv in der ersten Materialzusammensetzung und ein zweites Verhältnis ist ein Verhältnis zwischen dem aktiven Anodenmaterial zu dem Leitadditiv in der zweiten Materialzusammensetzung. Alternativ kann ein erstes Verhältnis ein Verhältnis zwischen einem ersten aktiven Anodenmaterial und einem zweiten aktiven Anodenmaterial in der ersten Materialzusammensetzung sein und ein zweites Verhältnis ein zweites Verhältnis zwischen einem ersten aktiven Anodenmaterial und einem zweiten aktiven Anodenmaterial in der zweiten Materialzusammensetzung sein. Insbesondere handelt es sich bei dem ersten aktiven Anodenmaterial um Silizium und bei dem ersten aktiven Anodenmaterial um Graphit. Die Siliziumkonzentration ist insbesondere im ersten Verhältnis größer als im zweiten Verhältnis.
Die Anodenschicht 1 erstreckt sich entlang einer Haupterstreckungsrichtung. Weiterhin umfasst die Anodenschicht 1 zumindest zwei erste Bereiche und zumindest zwei zweite Bereiche 3. Die ersten Bereiche 2 und die zweiten Bereiche 3 sind nacheinander alternierend entlang der Haupterstreckungsrichtung angeordnet, wobei sich die ersten Bereiche 2 und die zweiten Bereiche 3 jeweils in einer gemeinsamen Haupterstreckungsebene erstrecken.
Die Anodenschicht 1 kann in einem entsprechenden Verfahren zur Herstellung einer Anodenschicht 1 vereinzelt werden. Gemäß 1 werden Vereinzelungsschnitte, die durch gestrichelte Linien dargestellt sind, zwischen zwei direkt benachbarten Bereichen durchgeführt, sodass die vereinzelten Anodenschichten 1 jeweils einen einzelnen ersten Bereich 2 und einen einzelnen zweiten Bereich 3 aufweisen. Die Vereinzelungsschnitte können analog auch entsprechend auf eine Folie 13 wie in 3 gezeigt angewendet werden.
Die Anodenschicht 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 umfasst zusätzlich zu den ersten Bereichen 2 mit der ersten Materialzusammensetzung und den zweiten Bereichen 3 mit der zweiten Materialzusammensetzung gemäß der Anodenschicht 1 der 1 dritte Bereiche 4 mit der ersten Materialzusammensetzung.
In 2 sind die Vereinzelungsschnitte im Unterschied zur Anodenschicht 1 der 1, die durch gestrichelte Linien dargestellt sind, innerhalb eines Bereichs mit der ersten Materialzusammensetzung durchgeführt, sodass die vereinzelten Anodenschichten 1 jeweils einen einzelnen ersten Bereich 2, einen einzelnen zweiten Bereich 3 und einen einzelnen dritten Bereich 4 aufweisen.
Der erste Bereich 2 weist eine erste Länge auf, der zweite Bereich 3 weist eine zweite Länge auf und der dritte Bereich 4 weist eine dritte Länge auf. Die erste Länge und die dritte Länge sind jeweils kleiner als die zweite Länge. Weiterhin ist die dritte Länge kleiner als die erste Länge.
Die Folie 13 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3 umfasst eine vereinzelte Anodenschicht 1 gemäß der 2, mit dem ersten Bereich 2, dem zweiten Bereich 3 und dem dritten Bereich 4. Weiterhin umfasst die Folie 13 eine erste Separatorschicht 11, eine zweite Separatorschicht 12 und eine Kathodenschicht 6.
Die erste Separatorschicht 11, die Anodenschicht 1, die zweite Separatorschicht 12 und die Kathodenschicht 6 sind übereinander gestapelt angeordnet, insbesondere in der angegebenen Reihenfolge entlang einer Stapelrichtung.
Die Kathodenschicht 6 umfasst einen weiteren ersten Bereich 7, einen weiteren zweiten Bereich 8 und einen weiteren dritten Bereich 9. Entlang der Stapelrichtung ist der weitere erste Bereich 7 über dem ersten Bereich 2 angeordnet, der weitere zweite Bereich 8 über dem zweiten Bereich 3 und der weitere dritte Bereich 9 über dem dritten Bereich 4. In Draufsicht auf die Folie 13 überlappen die jeweiligen Bereiche der Anodenschicht 1 mit den jeweiligen weiteren Bereichen 7, 8, 9 der Kathodenschicht 6 in lateralen Richtungen, die sich senkrecht zur Stapelrichtung erstrecken, vollständig, insbesondere kongruent.
Eine Massenbeladung des weiteren ersten Bereichs 7 und des weiteren dritten Bereichs 9 mit einem Kathodenmaterial ist größer als eine Massenbeladung des weiteren zweiten Bereichs 8 mit dem Kathodenmaterial.
Die Folie 13 wird beispielsweise um eine Wickelachse 12 gewickelt, die senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Folie orientiert ist. Startend vom dritten Bereich 4 und dem weiteren dritten Bereich 9 wird die Folie zu einer Elektrodenanordnung für eine Energiespeicherzelle aufgewickelt.
Referenzzeichenliste

1: Anodenschicht
2: erster Bereich
3: zweiter Bereich
4: dritter Bereich
5: Ableiterfolie
6: Kathodenschicht
7: weiterer erster Bereich
8: weiterer zweiter Bereich
9: weiterer dritter Bereich
10: erste Separatorschicht
11: zweite Separatorschicht
12: Wickelachse
13: Folie

Claims

Anodenschicht (1) für eine Folie für eine Energiespeicherzelle, umfassend - einen ersten Bereich (2) mit einer ersten Materialzusammensetzung, und - einen zweiten Bereich (3) mit einer zweiten Materialzusammensetzung, wobei - sich die Anodenschicht (1) entlang einer Haupterstreckungsrichtung erstreckt, - der erste Bereich (2) und der zweite Bereich (3) entlang der Haupterstreckungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind, und - die erste Materialzusammensetzung eine Siliziumkonzentration aufweist, die größer als eine Siliziumkonzentration der zweiten Materialzusammensetzung ist.
Anodenschicht (1) gemäß dem Anspruch 1, umfassend - einen dritten Bereich (4) mit der ersten Materialzusammensetzung, wobei - der zweite Bereich (3) entlang der Haupterstreckungsrichtung zwischen dem ersten Bereich (2) und dem dritten Bereich angeordnet ist.
Folie (13) für eine Energiespeicherzelle, umfassend - eine erste Separatorschicht (10), - die Anodenschicht (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, - eine zweite Separatorschicht (11), und - eine Kathodenschicht (6), wobei - die erste Separatorschicht (10), die Anodenschicht (1), die zweite Separatorschicht (11) und die Kathodenschicht (6) übereinander gestapelt angeordnet sind.
Folie (13) für eine Energiespeicherzelle gemäß dem Anspruch 3, bei der - die Kathodenschicht (6) einen weiteren ersten Bereich (7) und einen weiteren zweiten Bereich (8) umfasst, wobei - der weitere erste Bereich (7) über dem ersten Bereich (2) angeordnet ist, - der weitere zweite Bereich (8) über dem zweiten Bereich (3) angeordnet ist, und - eine Massenbeladung des weiteren ersten Bereichs (7) mit einem Kathodenmaterial größer ist als eine Massenbeladung des weiteren zweiten Bereichs (8) mit dem Kathodenmaterial.
Energiespeicherzelle, mit - einer Elektrodenanordnung umfassend die Folie (13) gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, und - einem Gehäuse und eine Abdeckung, die die Elektrodenanordnung umgeben, wobei - die Folie (13) um eine Wickelachse (12) gewickelt ist, die senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung orientiert ist, und - die aufgewickelte Folie (13) die Elektrodenanordnung bildet.
Energiespeicherzelle gemäß dem Anspruch 5, bei der - der erste Bereich (2) der Anodenschicht (1) mindestens eine äußerste Lage der aufgewickelten Folie (13) bildet, und - der dritte Bereich (4) der Anodenschicht (1) mindestens eine innerste Lage der aufgewickelten Folie (13) bildet.
Energiespeicherzelle gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, bei der - der erste Bereich (2) der Anodenschicht (1) eine Flächenkapazität aufweist, die größer ist als eine Flächenkapazität des zweiten Bereichs (3) der Anodenschicht (1), und - der dritte Bereich (4) der Anodenschicht (1) eine Flächenkapazität aufweist, die größer ist als eine Flächenkapazität des zweiten Bereichs (3) der Anodenschicht (1).
Verfahren zur Herstellung einer Anodenschicht (1) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, umfassend - Bereitstellen einer ersten Trägerfolie, - Aufbringen eines ersten Materials mit der ersten Materialzusammensetzung und eines zweiten Materials mit der zweiten Materialzusammensetzung auf die erste Trägerfolie mittels eines kontinuierlichen Mischprozesses.
Verfahren zur Herstellung einer Folie (13) gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, umfassend - Bereitstellen der ersten Separatorschicht (10), der Anodenschicht (1), der zweite Separatorschicht (11), und der Kathodenschicht (6), - Anordnen der ersten Separatorschicht (10), der Anodenschicht (1), der zweite Separatorschicht (11), und der Kathodenschicht (6) entlang einer Stapelrichtung, und - Vereinzeln der gestapelten Schichten durch die erste Separatorschicht (10), die Anodenschicht (1), die zweite Separatorschicht (11), und die Kathodenschicht (6), wobei - das Vereinzeln innerhalb des ersten Bereichs (2) erfolgt, oder - das Vereinzeln an einer Grenzfläche des ersten Bereichs (2) und des zweiten Bereichs (3) erfolgt.