生产锂离子原电池的方法及锂离子原电池与流程

在与生产锂离子电池相关的现有技术中，已知的是将电极材料施加至有待生产的电池单元的集电极箔片。这些集电极箔片然后被切成应有的尺寸。分隔件被安排在两个相应涂覆的集电极箔片之间。

在这种情况下，证明了确保分隔件不被破坏或损坏是一项挑战。这是由于否则电子就可以从第一电极材料直接穿过损坏的分隔件到第二电极材料。应当避免这种短路。

此外，目前，在不考虑锂离子电池或锂离子蓄电池单元的材料成本的情况下，在汽车领域中的生产成本具有的数量级约为100欧元/kwh。锂离子蓄电池(例如用于电动车辆或混合动力车辆的电池)的能量密度也仅约为0.3kwh/kg。蓄电池的这种高比重和高生产成本被认为是更快且更广泛实施电动性(electromobility)的障碍。

目前仍然在研发的固态锂电池(ssb)是降低蓄电池单元的特定材料成本的相对有前景的方法。然而，此外还期望的是实现生产成本的减少。

因此，本发明的目的是提供一种开篇所提及类型的改进方法以及一种相应改进的锂离子电池。

这个目的通过具有专利权利要求1所述特征的方法并且通过具有专利权利要求11所述特征的锂离子电池得以实现。在从属专利权利要求中指定了包含本发明的有利改良的有利改进方案。

在根据本发明的用于生产锂离子原电池的方法中，首先提供了分隔件。该分隔件用于在空间上将锂离子电池的第一电极材料与该锂离子电池的第二电极材料分隔开。该分隔件进一步防止电子从该第一电极材料穿过该分隔件到该第二电极材料。在该方法中，该第一电极材料通过涂覆施加至该分隔件的第一侧。换言之，分隔件最初以未涂覆的形式提供并且在随后的电池单元中使两个电极材料彼此分隔开，因此该分隔件用作涂覆载体。因此首先可以确保电极材料特别均匀且完全地分布在分隔件的第一侧上。此外，在生产锂离子电池的情况下，电极材料因此在进一步加工期间保护分隔件。就加工而言，这使得生产方法特别稳健并且可靠。因此提供了一种改进的方法。

可以例如通过将可流动或糊剂原材料施加至分隔件的一侧并且然后尤其通过在炉中烘干来减小这种原材料的液体含量而进行涂覆，以便提供电极材料。因此，电极材料的相对薄的并且因此节省原材料的层还能够特别均匀且大范围地施加至分隔件的一侧。

根据该方法的一个有利的改进方案，当第二电极材料同样通过涂覆施加至分隔件的与第一侧相反的第二侧时，在特定程度上实现了上述优点。以此方式，具体地，还可以在所述分隔件的第二侧上提供对分隔件的保护，并且也可以实现将电极材料特别均匀地分布在分隔件的第二侧上。

可以利用分隔件使锂离子在充电和相应的放电期间借助于流体电解质从原电池的第一电极材料迁移到第二电极材料中并且返回。

然而，对于在生产期间对分隔件的处理以及对于材料成本来说，已经证实如果固态电解质被用作分隔件是有利的。虽然这种固体离子导体能透过锂离子，但是其防止电子穿过该分隔件。

固态电解质尤其可以是被设计为离子导电聚合物的隔膜。就加工而言，这种自支撑隔膜具体地能够以特别容易且可靠的方式在至少一侧上、但是优选地在两侧上涂覆电极材料。

优选地，在分隔件安排中形成了多个折叠点，该分隔件安排包括该分隔件和通过涂覆施加的至少一个电极材料。在这种情况下，分隔件安排在相继的、尤其是线型的折叠点处以相互相反的方向折叠。通过这种z形折叠在锂离子电池的给定体积中能够提供电极材料特别大的表面。另外，由于分隔件穿过多个折叠点，因此能够确保分隔件安排的各个层能够相对于彼此非常精确地定位。这是由于分隔件将z形折叠的各个层固持在一起。

相比之下，如果分隔件在各自情况下安排在各个集电极箔片(电极材料安排在其上)之间，则在这种未折叠堆叠的情况下，因此可以实现由此各个层只有通过极困难的方式才能尽可能精确地放置在彼此之上的情况。凭借z形折叠(也就是说，在相继的折叠点处以相互相反的方向折叠)，因此大大简化了分隔件安排的进一步加工。

为了能够使分隔件安排或电池单元结构进行z形折叠，这些折叠点中的至少一个折叠点可以通过在折叠点处从分隔件至少部分地移除至少一个电极材料而形成。于是具体地，可以在折叠点处以特别容易的方式进行分隔件安排的弯曲。在这种情况下，可以在弯曲形状的折叠点或折叠的弯曲之外的区域中和折叠点的弯曲之内的区域中移除电极材料。通过举例的方式，例如可以通过激光在至少一个电极材料中形成沟槽或凹口，该分隔件尤其能够暴露在这个沟槽的区域中。分隔件安排于是在这个点处能够特别容易地转向或折叠。

此外或作为替代方案，可以在这些折叠点中的至少一个折叠点处将与邻接折叠点的区域相比层厚度减小的至少一个电极材料施加至分隔件。这种结构还使得可以实现由此分隔件安排能够在折叠点处更容易地折叠的情况。在该折叠点的设计中，减小的层厚度可以同样出现在折叠点的弯曲之外的区域中和折叠点的弯曲之内的区域中。

折叠点处电极材料的层厚度尤其可以减小至0。相应地，当涂覆分隔件的至少一侧时，在进一步加工期间用作折叠点的分隔件安排的区域可以保持未涂覆，以便有助于分隔件安排的后续折叠。这可以通过分隔件的第一侧或分隔件的第一侧和第二侧的连续性或区域性涂覆来实现。

分隔件安排在折叠点处的相应结构使得可以确保在折叠期间在相应的折叠点处不会出现过高的机械应力。

为了实现这一点，额外地，该分隔件的厚度可以在该至少一个折叠点处减小。然而，在这种情况下，确保了尽管分隔件仍存在于折叠点处，也使得分隔件保持相对于电子的电绝缘效果。

集电极层优选地施加至分隔件安排，该分隔件安排包括该分隔件和通过涂覆施加的至少一个电极材料。于是，没有必要在生产锂离子电池期间处理单独的集电极箔片，而是集电极层变成分隔件安排的组成部件。另外，能够特别好地确保集电极层与电极材料之间存在广泛的接触。这对于在锂离子电池的充电或放电期间良好地采集电流是便利的。此外，如果集电极层经由电极材料连接至分隔件，则简化了在生产锂离子电池期间对分隔件安排的处理。例如当意旨在折叠点处折叠包括集电极层的分隔件安排时就是这种情况。

相应的集电极层尤其可以通过涂覆施加至两个电极材料，这两个电极材料施加至分隔件。为了将集电极层施加到至少一个电极材料，尤其可以使用旋转柱体，在该旋转柱体面向电极材料的表面上安排了集电极层的原材料。

特别地，在使用铜作为面向电极材料(例如呈嵌入有锂离子的石墨的形式)的集电极层的情况下，物理气相沉积法此外已经被证明是用于施加集电极层的有利方法。通过举例的方式，集电极层因此可以通过喷涂、尤其是高速率喷涂(高速喷涂)施加至电极材料。这类似地适用于将铝作为集电极层面向用作电极材料的锂金属氧化物通过物理气相沉积法(也就是说例如通过喷涂或高速率喷涂)施加至电极材料时。

在高速率喷涂(高速喷涂)时，与正常速度喷涂的情况相比，能够在较短时间内产生具有特定厚度的集电极层。这在某种程度上是有利的，因此能够特别快地提供集电极层。另外，当提供集电极层时，就层厚度的均匀度而言不必提供任何特别严格的需求。通过举例的方式，高速率喷涂因此还特别适用于形成集电极层。

导电连接优选地产生在集电极层与导电体之间。于是能够以特别容易的方式实现电流经由导电体到锂离子电池的电端子的流动。

尤其可以在集电极层与嵌入导电粘合剂中的金属导体之间产生导电连接。金属导体因此牢固地附接至集电极层，并且能够由特别低的接触电阻实现电流的流动。金属导体尤其可以设计为具有大致圆形截面的电线或大致条状的扁平导体。

集电极层与导电体之间的导电连接优选地在折叠点处产生。因此，导电体可以与集电极层在折叠点处发生接触，并且因此确保在锂离子电池的充电或放电期间从安排在相应的折叠点之间的电极材料特别好地采集电子。

特别地，当借助于导电粘合剂通过黏合地结合金属导体来在折叠点处提供集电极层与导电体之间的导电连接时，同时能够确保在折叠状态下良好地附接分隔件安排。

至少一个电极材料还可以通过物理气相沉积法、尤其通过喷涂施加至分隔件。然而，当至少一个电极材料借助于至少一个旋转柱体施加至分隔件时，能够以几乎无限或连续的方法特别容易地进行涂覆加工。在这种情况下，分隔件还可以经由卷或柱体引导，使得能够以卷对卷方法实现涂覆。

为了提供具有所期望的电容量的锂离子电池，于是仅需要贯通分隔件，该分隔件尤其是在两侧涂覆有相应的电极材料。具有所期望长度的相应分隔件安排可以然后插入到锂离子电池的壳体中。如果锂离子电池被设计为已知的，如袋式电池或咖啡包式电池，那么壳体由柔性、箔片类型材料形成。在设计为具有刚性的、内部硬的壳体的锂离子电池的情况下，尤其可以在棱柱状的壳体或电池壳体中提供安排。特别地，折叠分隔件安排具体地能够特别好地容纳在棱柱状电池的电池壳体中或在袋式电池的电池壳体中，使得能够与锂离子电池的电端子或电接线柱发生良好的接触。

根据本发明的锂离子原电池通过根据本发明的方法产生。锂离子电池在这种情况下可以尤其被设计为固态电池。

本发明还包括对根据本发明的锂离子电池的改良，这些改良具有已经结合根据本发明的方法的改良而描述的特征。为此，在此不再次描述根据本发明的锂离子电池的相应改良。

以下描述了本发明的示例性实施例。为此目的，在附图中：

图1以高度示意性的方式示出了锂离子电池的在两侧涂覆有电极材料的隔膜；并且

图2示出了隔膜在多个折叠点处折叠的示意性侧视图，其中，借助于导电体与施加至相应电极材料的集电极层在折叠点处发生接触。

以下所解释的示例性实施例是本发明的优选实施例。在示例性实施例中，所描述的本实施例的部件各自表示本发明的独立特征，这些独立特征应当被彼此独立地考虑并且在各自情况下还彼此独立地发展本发明，并且因此也应当独立地或呈与所示出的不相同的组合地被认为是本发明的一部分。此外，所描述的实施例还能够根据本发明另外已经描述的进一步特征进行补充。

在附图中，功能相同的元件在各自情况下提供有相同的附图标记。

图1部分地且示意性地示出了用于锂离子原电池的分隔件安排10的结构。在这种情况下分隔件12被提供为隔膜。分隔件12用于在空间上将第一电极材料14(可以例如是锂离子电池的负极)与第二电极材料16(可以例如是锂离子电池的正极)分隔开。在此情况下，电极材料14、16都通过涂覆施加至分隔件12。因此，用作分隔件12的隔膜在两侧涂覆有相应的电极材料14、16。

通过举例的方式，第一电极材料14通过涂覆施加至分隔件12的第一侧18。相应地，在图1所示的改进方案中，第二电极材料16通过涂覆施加至分隔件12的第二侧20。第二侧20与分隔件12的第一侧18是相反的。第一电极材料14尤其可以是其中嵌入有锂离子的石墨等。相比之下，第二电极材料16可以例如是锂金属氧化物。

然而，在此情况下，呈第一电极材料14和第二电极材料16形式的这些电化学活性材料没有与其他常规方式一样施加至集电极箔片，然后将分隔件12安排在这些集电极箔片之间。分隔件12在第一侧18上涂覆有第一电极材料14、并且在相反侧20上涂覆有第二电极材料16。然后进一步加工如此形成的分隔件安排10。

分隔件12尤其可以被设计为固态电解质。于是，具有分隔件安排10的锂离子原电池是固态电池或固态蓄电池，其中，电极和电解质由固体材料构成。分隔件12在空间上将电极材料14、16分隔开并且确保离子(在此情况下，也就是说锂离子)能够穿过分隔件12。相比之下，分隔件12对电子而言不导电。在锂离子电池的充电或放电期间，电流因此通过相应的外电路(在此未示出)分别从第一电极材料14流动到第二电极材料16或从第二电极材料16流动到第一电极材料14。

在进一步加工分隔件安排10以便产生锂离子电池的情况下，相应的集电极层22、24优选地施加至相应的电极材料14、16。通过举例的方式，对于可以由第一电极材料14形成的负极，由铜制成的层可以作为集电极层22而被施加。相比之下，由铝制成的层可以作为集电极层24而被施加至由第二电极材料16形成的正极。

然后折叠如此形成的分隔件安排10(参见图2)，该分隔件安排还包括两个集电极层22、24。为此目的，在分隔件安排10中形成各自在一条直线上的多个折叠点26。分隔件安排10在堆叠方向28上相继的折叠点26处以相互相反的方向折叠。图2中的箭头展示了堆叠方向28。

为了便于通过在相应的折叠点26处使分隔件安排10弯曲或转向来进行分隔件安排10的这种z形折叠，可以在相应的折叠点26处提供相应结构。通过举例的方式，这种类型的沟槽或凹陷可以在相应的电极材料14、16中例如借助于激光产生。于是，相应的电极或电极材料14、16的厚度在该点处被降低。

电极材料14、16在此(也就是说，在相应的折叠点26处)尤其可以完全从分隔件12移除。该结构(例如沟槽)还可以延伸到分隔件12中。通过图2所展示的z形折叠有助于进一步加工分隔件安排10的这种结构优选地在相应的集电极层22、24施加至电极材料14、16之前形成。折叠点26处的相应结构使得可以确保在z形折叠期间在折叠点26处不会出现过高的机械应力。

在此情况下，借助于第一导电体30与安排在第一电极材料14上的集电极层22接触。嵌入导电粘合剂中的金属导体(例如电线形式)例如可以被用作这个第一导电体30。这种柔性导电粘合剂与堆叠的或折叠的分隔件安排10在折叠点26处接触。因此，第一导电体30确保了进一步接触。例如在锂离子电池的放电期间，电子经由导体30被按线路发送至电池单元(在此未示出)或锂离子电池的电端子或电接线柱。在充电期间，电子因此经由导体30供给。

同样地，第二导电体32在分隔件安排10的另外的线型折叠点26处与施加至第二电极材料16的集电极层24接触。另外的折叠点26与第一导电体30与集电极层22接触处的那些折叠点26相反。第二导电体32还可以形成为导电粘合剂并且因此包括嵌入导电粘合剂中的金属导体。第二导电体32因此确保了在充电期间(相应地)在锂离子电池或电池单元的另一个电接线柱处采集电子或确保了在放电期间相应地从接线柱供给电子。

可以例如通过高速率喷涂(高速喷涂)施加电极材料14、16、但是尤其是集电极层22、24。因此可以提供薄的集电极层22、24，这些集电极层在折叠点26处以特别容易的方式大范围地覆盖相应的电极材料14、16或至少覆盖分隔件12。

然而电极材料14、16尤其还可以借助于旋转柱体(即，以卷对卷方法)而被施加至分隔件12。在对分隔件安排10涂覆能够在堆叠方向28上测量的特定长度之后，涂覆有电极材料14、16的分隔件12于是仅需要被切穿(尤其在集电极层22、24已经施加至电极材料14、16之后)以便提供相应的具有特定的或所期望的电容量的锂离子电池。

总的来说，实例示出了本发明如何能够提供具有涂覆的隔膜的原电池。

附图标记清单

10分隔件安排

12分隔件

14电极材料

16电极材料

18侧

20侧

22集电极层

24集电极层

26折叠点

28堆叠方向

30导电体

32导电体