用于制造电池单格的方法与流程

本发明涉及一种用于制造电池单格的方法以及一种用于执行这样的方法的过程布置方案。

背景技术：

1、待制造的电池单格具有单格壳体，在单格壳体中装入有电极/隔膜组件，该电极/隔膜组件利用液态电解质浸润。电极具有放电器薄膜，该放电器薄膜在单侧或双侧利用活性材料层涂覆。

2、在以下过程顺序中制造电池单格：首先，在涂覆过程中，利用电极活性材料的黏性初始成分涂覆放电器薄膜连续幅面，亦即在形成电极连续幅面的情况下。随后，接有干燥过程，在该干燥过程中，干燥电极连续幅面。此后，接有压延过程，在该压延过程中，将涂覆在放电器薄膜连续幅面上的活性材料层压实到预限定的层厚度。在随后的切割过程中，将电极连续幅面切断以及裁剪成电极，并且执行堆叠或卷绕过程，以便形成电极/隔膜组件。将该电极/隔膜组件装入到单格壳体中。随后，接有电解质填充，在该电解质填充中，将电解质填充到单格壳体中。在组装电池单格之后，进行化成/熟化，在其中进行电池单格的第一次充电/放电过程。

3、在这样的从现有技术中已知的过程中，产生以下问题：根据第一个问题，隔膜的浸润是耗时的过程。隔膜必须由电解质彻底浸润，以便锂离子能够运动。浸润是与时间相关的过程。为了加速浸润，可以应用机械压力和热。然而，这可能损坏隔膜。

4、随着渐增的单格尺寸和更大的隔膜，在电解质填充之后的完全浸润可能持续一天或更长。不存在用于检查隔膜的浸润的方法。这意味着，如果浸润未完全完成，则损害单格的容量。

5、根据第二个问题，电极的浸润也是费时的过程。阴极和阳极在压延时被强烈压实。由此，减小孔隙尺寸。这意味着，电极越紧密，对于电解质来说渗入就越困难。如果电解质未渗入到电极的孔隙中，则锂离子也不可以到达电极的孔隙中。为了提高电极的浸润，可以将机械压力施加到电极/隔膜组件上，这可能导致隔膜中的裂纹。较大孔隙的堵塞和整个孔隙体积的减小在很大程度上导致较少量的供锂离子转移使用的电解质/颗粒边界面。在电解质和颗粒之间的边界面的减小可能损害电解质浸润。这同样加剧电化学功率的变差。

6、从de 10 2021 130 558 a1中已知一种具有陶瓷粒的含锂的电极。陶瓷粒作为陶瓷层邻接在锂金属电极的第一表面处。从ep 3 486 985a1中已知一种用于制造电池单格的方法。该方法包括提供电极/隔膜组件。隔膜对于溶解在溶剂中的电解质是可透过的。此外，该方法包括在电解质池中浸润该组件，其中，电解质池包含溶解在溶剂中的电解质。

技术实现思路

1、本发明的任务在于，提供一种用于制造电池单格的方法以及过程布置方案，与现有技术相比，借助于该过程布置方案减少了用于制造电池单格的过程时长。

2、该任务通过根据本发明的用于制造电池单格的方法来解决。

3、本发明从一种用于制造电池单格的方法出发，该电池单格具有布置在单格壳体中的电极/隔膜组件，该电极/隔膜组件至少具有利用电解质浸润的隔膜、阳极和阴极。在该方法中，尤其进行堆叠或卷绕过程，在该堆叠或卷绕过程中，将隔膜、阳极和阴极组合成电极/隔膜组件。根据本发明，在执行堆叠或卷绕过程之前，已经在浸润过程中利用电解质浸润隔膜、阳极和/或阴极。以这种方式，必要时可以部分地或完全地放弃在现有技术中在将电极/隔膜堆装入到单格壳体中之后进行的电解质填充。这样的电解质填充与更长的浸润持续时间相关，该浸润持续时间是必需的，以便电解质完全浸润隔膜、阳极和/或阴极。根据本发明，可以至少减少或完全省去这样的浸润持续时间。

4、在批量制造的情况中，提供隔膜、阳极和/或阴极分别作为连续幅面。在浸润过程中，引导该连续幅面通过电解质池。

5、为了解决以上描述的问题，可以在制造过程中进行以下改变：

6、根据本发明，可以引导隔膜通过电解质池，在该电解质池中由电解质浸润隔膜。此外，施加机械压力，以便将电解质压到隔膜中。该浸润过程在堆叠过程之前进行。

7、以相同的方式，也可以在堆叠或卷绕过程之前引导电极通过电解质池。在经过电解质池之后在堆叠过程之前压制电极。以这种方式，将机械力施加到电极上，以便更好地浸润电极。因此，根据本发明，机械力不是施加到电极/隔膜组件上，而是直接施加到电极上。这种做法更有效，并且在电极/隔膜组件之内在隔膜中不那么易出现裂纹。

8、可以在阴极活性材料的黏性初始成分中混合碳酸乙烯酯颗粒。为此，在干燥之后，将阴极活性材料的黏性初始成分冷却到室温或-7℃。以这种方式，碳酸乙烯酯结晶，并且分布在阴极活性材料中。这意味着，在阴极活性材料的黏性初始成分中，电解质以固态晶体的形式存在，所述固态晶体最后在熟化过程期间在高温下转化成液态电解质。以这种方式，在所有孔隙中由碳酸乙烯酯浸润阴极。碳酸乙烯酯具有约30℃的熔点。碳酸乙烯酯作为凝胶状结构存在，直至-7℃。低于该温度产生完全固态的相。碳酸乙烯酯是电解质的最重要的组成部分之一。

9、在电极的干燥阶段期间(也就是说，在湿式涂覆之后)，碳酸乙烯酯必要时可以蒸发。在这种情况中，可以利用其中嵌入碳酸乙烯酯颗粒的pvdf涂层覆盖阴极。该涂覆在电解质池中的浸润过程之后进行。这具有两个优点：附加的pvdf涂层负责隔膜和阴极之间的粘合功能。此外，电解质不从阴极的内部中的孔隙中滴落。如果在干式涂覆过程中制造阴极，则可以直接在活性材料粉末中使用碳酸乙烯酯。这也意味着，隔膜不具有pvdf涂层，这使隔膜更便宜。

10、附加地，可以利用其中嵌入氧化铝晶体的硬质碳涂覆阳极。硬质碳可以由于其随机分布的孔隙而支持浸润过程。氧化铝保护以防枝晶生长。这意味着，隔膜不一定必须具有氧化铝涂层，这使隔膜更便宜。

11、可以如下总结根据本发明的方面：可以在卷绕或堆叠过程之前利用电解质浸润隔膜。阴极的活性材料层可以包含碳酸乙烯酯颗粒和/或利用其中可以嵌入碳酸乙烯酯粉末的pvdf层覆盖。阴极涂覆可以在例如-7℃下进行，以便碳酸乙烯酯以固态的相留在pvdf层。该pvdf涂覆可以在电解质池中的浸润过程之前进行。浸润过程在室温下执行，以便在pvdf中的碳酸乙烯酯颗粒不在堆叠过程期间熔化。碳酸乙烯酯颗粒仅在熟化过程期间在高温下熔化。在干式涂覆中，利用固态的碳酸乙烯酯粉末涂覆阴极活性材料。在这种情况中，pvdf涂覆是可选的。

12、阳极可以利用其中嵌入氧化铝颗粒的硬质碳层施覆。该涂层在阳极的传统的湿式涂覆之后作为附加的层施加。可以在堆叠或卷绕过程之前在电解质池中利用电解质浸润阴极和阳极。在浸润过程之后，借助于轧辊组件将隔膜、阴极和阳极机械地置于压力下，以便电解质完全渗入到所有孔隙中。隔膜不一定必须具有pvdf涂层，以便隔膜可以附着在阴极处。在浸润时，电解质涂层如粘合剂那样起作用。此外，pvdf涂层目前处于阴极上。

13、因此，主要目标在于，在卷绕和堆叠过程之前，已经利用电解质浸润隔膜和电极。因此，不再必要的是，将机械压力施加到电极/隔膜组件上。此外，可以放弃电池单格的附加存放时间。在现有技术中，这样的存放时间是必需的，以便在填充电解质之后实现完全的电解质浸润。因此，根据本发明，可以在组装电池单格之后在没有存放时间的情况下直接开始化成/熟化过程。从现有技术中已知的电解质填充是可选的，因为电解质在堆叠过程之前已经浸润或浸透隔膜和电极。

14、例如，隔膜经过如下电解质池，该电解质池是包含ec和dmc的液态溶液。此外，电解质池可以包含对空间条件、尤其是湿度反应不敏感的锂盐，例如lifsi。也可能的是，仅使用没有锂盐的溶剂以及碳酸乙烯酯(ec)/碳酸二亚甲基酯(dmc)/乙烯亚甲基碳酸酯(emc)。在这种情况中，可以在堆叠之后在电解质注射方法中补充锂盐。

15、在浸润过程期间，电解质可以进入隔膜的孔隙中。在此，特殊的浸润轧辊帮助将液体导入到孔隙中。电解质池可以具有50℃至70℃的温度，以便实现更快速的浸润。该温度对隔膜的特性不具有影响。可以通过刮除轧辊去除多余的液体。随后，将利用电解质和(或没有)利用锂盐填充的孔隙的被填充的隔膜输送给堆叠或卷绕过程。

16、可能的是，在堆叠过程之前使隔膜设有pvdf涂层，以便电解质不从隔膜滴落。此外，pvdf涂层引起电极处的更好附着。在这种情况中，阴极上的pvdf涂层不是必需的。在堆叠或卷绕之前隔膜的pvdf涂覆是仅仅一种选项。

17、安装在电解质池中的浸润轧辊可以由钛组成，并且设有特殊的表面结构。该表面结构在隔膜或电极表面上产生微凹部，使得隔膜或电极表面可以容纳更多液体。浸润轧辊可以与压电转换器连接。该压电转换器将电气信号转换成机械振动。因此，可以使轧辊在径向方向上加载以约5khz的机械振动。轧辊以约10-15μm的幅度振动。通过该振动，液体可以较深地渗入到隔膜或电极的孔隙中。浸润轧辊未被假设用于压延；但施加压力，以便液体可以渗入到孔隙中。这意味着，浸润轧辊具有两个主要功能：第一，浸润轧辊在电极或隔膜上产生微结构凹部，以便将更多液体保持在表面上。这帮助将隔膜与电极表面粘合。第二，通过压缩力产生的机械压力和浸润轧辊的振动可以有助于液体到达隔膜的孔隙中。在浸润轧辊之上直接存在由橡胶构成的刮除轧辊。刮除轧辊将多余的电解质从表面去除。刮除轧辊同样可以借助于压电转换器进行振动。在这里，振动的幅度和频率可以小于在浸润轧辊中，因为该轧辊的主要功能在于将多余的液体从隔膜的表面去除。如果轧辊和隔膜振动，则多余的电解质从轧辊和隔膜或电极回到电解质池中。仅去除未渗入到隔膜的孔隙中并且未固定地附着在隔膜的表面处的液体。该橡胶轧辊是可选的。仅仅当液体从隔膜中出来并且浸润箱和下一个涂覆过程之间的区域时，才需要橡胶轧辊。

18、备选地或附加地，也可以适配用于制造阴极的过程，以便实现加速的电解质浸透：如此，可以在阴极活性材料的黏性初始成分中混合作为结合剂的pvdf，此外可以混合用于导电能力的cnt(碳纳米管)以及作为溶剂的nmp和碳酸乙烯酯颗粒。优选地，整个过程低于ec的凝固温度执行，也就是说，在约-7℃下。在混合之后，将阴极活性材料的黏性初始成分涂抹到放电器薄膜(也就是说铝基质)上，以便形成阴极。在约120℃下干燥湿润的电极，这导致聚集在阴极活性材料的孔隙中的ec熔化。在干燥之后，再次将阴极冷却到例如-10℃，以便使ec颗粒重新结晶。然后，在室温下导引阴极通过电解质池，在该电解质池中eg以固态的相留在阴极的孔隙中。在电解质浸润过程中，通过轧辊压力压制阴极，使得电解质到达阴极的孔隙中。

19、阴极可以施覆有pvdf层。在干燥方法中施加pvdf层，其方式为，引导阴极穿过轧辊和pvdf颗粒之间。pvdf层也用作用于阴极的保护介质和用于粘合隔膜的粘合剂。阴极在被浸润的状态下与被浸润的隔膜和被浸润的阳极堆叠。ec在熟化过程期间在高温下再次熔化并且聚集在阴极的孔隙中。

20、存在不同的涂覆技术，以便将连续的pvdf层施加到阴极涂层上。例如，可以执行干式涂覆，在其中，利用压延轧辊将pvdf涂抹到阴极表面上。为了实现更好的附着，可选地可以熔化并然后冷却pvdf涂层。针对干式涂覆，也可以使用旋转喷涂方法，在其中，借助于离心力在高温(直至最高100℃)和高速下将pvdf粉末喷涂到阴极电极上。

21、备选地或附加地，也可以适配用于制造阳极的过程，以便实现加速的电解质浸透：如此，可以利用由硬质碳构成的薄层涂覆阳极，该薄层嵌入有作为阳极的两个表面上的第二层的一部分的氧化铝。第一层可以由具有结合剂和能导电的碳的石墨组成。然后，根据与阴极或隔膜相同的方法在浸润过程中浸润阳极。

22、下面再次总结本发明与现有技术的显著区别：如此，在卷绕或堆叠过程之前利用电解质浸润隔膜。可以在阴极活性材料的初始成分中混合碳酸乙烯酯颗粒。备选地或附加地，阴极的活性材料层可以利用其中嵌入碳酸乙烯酯粉末的pvdf层覆盖。阴极涂覆在-7℃下进行，以便碳酸乙烯酯以固态的相留在pvdf层中。该pvdf涂覆可以在电解质池中进行的浸润过程之前进行。浸润过程在室温下执行，以便在pvdf中的碳酸乙烯酯颗粒不在堆叠过程期间熔化。碳酸乙烯酯颗粒仅在熟化过程期间在高温(约60℃)下熔化。在干式涂覆中，利用固态的碳酸乙烯酯粉末涂覆阴极活性材料。在这种情况中，pvdf涂覆是可选的。

23、下面总结本发明的优点：实现电极和隔膜的更快速浸润，因为所浸润的电极和隔膜在堆叠过程之前进行。隔膜不需要pvdf涂层并且也不需要氧化铝。这使隔膜更便宜。而是，将pvdf涂层移转到阴极的外面上，而将氧化铝涂层移转到阳极上。减少设施和成本，所述设施和成本是必需的，以便在从现有技术中已知的电解质填充之后使单格保持静止以彻底浸润。目前，浸润持续12小时至一天。阴极上的pvdf涂层有助于使隔膜与阴极均匀粘合，并且由此减少阴极和隔膜之间的空气夹杂。电极和隔膜的加湿在电极和隔膜的层面上而非在电极/隔膜组件的层面上进行。因此，可以控制电极/隔膜层面上的机械力和温度，而不损坏电极/隔膜组件。阳极具有其中嵌入氧化铝颗粒的硬质碳层。这实现更快速的锂沉积、更快速的浸润和更好的防枝晶保护。此外，通过由于在熟化过程期间嵌入在阴极活性材料中的碳酸乙烯酯熔化而造成的有意产生，在阴极中产生较高的孔隙度。

技术特征：

1.一种用于制造电池单格的方法，所述电池单格具有布置在单格壳体中的电极/隔膜组件，所述电极/隔膜组件至少具有利用电解质(e)浸润的隔膜、阳极和阴极，所述方法具有堆叠或卷绕过程，在所述堆叠或卷绕过程中，将所述隔膜、所述阳极和所述阴极组合成所述电极/隔膜组件，其特征在于，在所述堆叠或卷绕过程之前，已经在浸润过程中利用所述电解质(e)浸润所述隔膜、所述阳极和/或所述阴极，从而尤其是能够至少减少或省去在将电解质填充到所述单格壳体中之后开始的用于进行所述隔膜、所述阳极和/或所述阴极的电解质浸润的浸润持续时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供所述隔膜、所述阳极和/或所述阴极分别作为连续幅面(s,k,a)，在所述浸润过程中，引导所述连续幅面通过电解质池(5)，并且尤其是在所述电解质池(5)中布置有浸润轧辊对(9)，所述连续幅面(s,k,a)行进通过所述浸润轧辊对的轧辊间隙，并且尤其是在所述轧辊间隙中，所述浸润轧辊对(9)将机械压力施加到所述连续幅面(s,k,a)上，以便支持电解质进入所述连续幅面(s,k,a)的孔隙中，并且/或者所述浸润轧辊在外周缘处具有表面结构(11)，借助于所述表面结构在所述连续幅面(s,k,a)中产生微凹部以提高电解质容纳。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，尤其是在制造方向上在所述浸润轧辊对(9)下游提供有刮除轧辊对(13)，所述刮除轧辊对布置在所述电解质池(5)中的电解质液位之上，并且所述连续幅面(s,k,a)在所述电解质池(5)的出口方向上行进通过所述刮除轧辊对的轧辊间隙，由此，多余的电解质(e)从所述连续幅面(s,k,a)被刮除，并且尤其是在重力作用下回到所述电解质池(5)中，并且/或者尤其是能够借助于压电转换器(15)使所述浸润轧辊和/或所述刮除轧辊振动，并且尤其是所述浸润轧辊的振动如此设定，使得支持所述连续幅面(s,k,a)的电解质容纳，或者尤其是所述刮除轧辊的振动如此设定，使得支持所述连续幅面(s,k,a)的电解质刮除。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了执行堆叠过程，提供有切割站，在所述切割站中，将所述连续幅面(s,k,a)裁剪成电极片和隔膜片，并且在所述浸润过程中分别引导所述电极片和/或隔膜片通过电解质池(5)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述浸润过程之后并且在所述堆叠或卷绕过程之前利用pvdf层涂覆所述隔膜，以便防止所述电解质(e)从所述隔膜中的滴落和/或确保与所述电极的附着，并且尤其是通过旋转喷涂或通过将pvdf颗粒涂抹到所述隔膜上进行所述隔膜的pvdf涂覆，并且随后借助于压力轧辊将涂抹到所述隔膜上的pvdf颗粒压实在隔膜表面上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法具有以下过程顺序：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，针对在所述涂覆过程中在所述阴极活性材料(23)中混合的碳酸乙烯酯在所述干燥过程期间部分地从所述阴极活性材料层(23)中蒸发的情况，能够在所述浸润过程之后执行以下措施：

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，用于制造所述阴极连续幅面(k)的涂覆过程是干式涂覆过程，在其中，在所述阴极活性材料(23)的粉末状初始成分中混合碳酸乙烯酯，并且/或者附加地能够在所述浸润过程之后利用pvdf涂覆所述阴极连续幅面(k)，以便碳酸乙烯酯和所述电解质(e)在进一步的过程进程中不从所述电极孔隙中滴落。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述pvdf涂覆过程能够实现为干式过程，在其中，引导所述阴极连续幅面(k)与pvdf粉末(25)一起通过至少一个压延轧辊对(29,31)的轧辊间隙，亦即在形成所述pvdf层(25)的情况下。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法具有以下过程顺序：

技术总结
本发明涉及一种用于制造电池单格的方法，该电池单格具有布置在单格壳体中的电极/隔膜组件，该电极/隔膜组件至少具有利用电解质(E)浸润的隔膜、阳极和阴极，该方法具有堆叠或卷绕过程，在该堆叠或卷绕过程中，将隔膜、阳极和阴极组合成电极/隔膜组件。根据本发明，在堆叠或卷绕过程之前，已经在浸润过程中利用电解质(E)浸润隔膜、阳极和/或阴极。

技术研发人员：K·贾马达
受保护的技术使用者：大众汽车股份公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23