DE-102024131977-A1 - Herstellungssystem und Herstellungsverfahren für Elektroden von Batteriezellen

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Herstellungssystem (100) für Elektroden von Batteriezellen, umfassend: - eine erste Walzenanordnung (110), die eingerichtet ist, um eine Elektrodenbahn (EB) zu kalandrieren; - eine Heizanordnung (120), die eingerichtet ist, um die Elektrodenbahn (EB) nach dem Kalandrieren zu erwärmen; und - eine zweite Walzenanordnung (130) mit wenigstens einer zweiten Walze (132), wobei die wenigstens eine zweite Walze (132) wenigstens einen ersten Walzenbereich mit einem ersten Walzendurchmesser (D1) und wenigstens einen zweiten Walzenbereich mit einem zweiten Walzendurchmesser (D2) umfasst, wobei der zweite Walzendurchmesser (D2) größer als der erste Walzendurchmesser (D1) ist, und wobei der wenigstens eine erste Walzenbereich einem ersten Bahnbereich (B1) der Elektrodenbahn (EB) und der wenigstens eine zweite Walzenbereich einem zweiten Bahnbereich (B2) der Elektrodenbahn (EB) entspricht, wobei der erste Bahnbereich (B1) und der zweite Bahnbereich (B2) unterschiedliche Beschichtungen und/oder eine unterschiedliche Materialbeschaffenheit aufweisen.

Inventors

• Florian Albrecht
• Katja Tenhaeff
• Michael Schuessler
• Daniel PRITZL

Assignees

• BAYERISCHE MOTOREN WERKE AKTIENGESELLSCHAFT

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241104

Claims (10)

1. Herstellungssystem (100) für Elektroden von Batteriezellen, umfassend: - eine erste Walzenanordnung (110), die eingerichtet ist, um eine Elektrodenbahn (EB) zu kalandrieren; - eine Heizanordnung (120), die eingerichtet ist, um die Elektrodenbahn (EB) nach dem Kalandrieren zu erwärmen; und - eine zweite Walzenanordnung (130) mit wenigstens einer zweiten Walze (132), wobei die wenigstens eine zweite Walze (132) wenigstens einen ersten Walzenbereich mit einem ersten Walzendurchmesser (D1) und wenigstens einen zweiten Walzenbereich mit einem zweiten Walzendurchmesser (D2) umfasst, wobei der zweite Walzendurchmesser (D2) größer als der erste Walzendurchmesser (D1) ist, und wobei der wenigstens eine erste Walzenbereich einem ersten Bahnbereich (B1) der Elektrodenbahn (EB) und der wenigstens eine zweite Walzenbereich einem zweiten Bahnbereich (B2) der Elektrodenbahn (EB) entspricht, wobei der erste Bahnbereich (B1) und der zweite Bahnbereich (B2) unterschiedliche Beschichtungen und/oder eine unterschiedliche Materialbeschaffenheit aufweisen.
2. Herstellungssystem (100) nach Anspruch 1 , weiter umfassend einen Bahnzug-Einstellmechanismus, der eingerichtet ist, um einen Bahnzug (BZ) der Elektrodenbahn (EB) an der zweiten Walzenanordnung (130) einzustellen, insbesondere wobei der Bahnzug-Einstellmechanismus eingerichtet ist, um den Bahnzug (BZ) der Elektrodenbahn (EB) in einem Bereich zwischen 0,1 und 1,5 N/mm Bahnbreite einzustellen.
3. Herstellungssystem (100) nach Anspruch 1 oder 2 , wobei die Heizanordnung (120) umfasst: - wenigstens eine erste Heizvorrichtung (122A) und wenigstens eine zweite Heizvorrichtung (122B), die auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrodenbahn (EB) angeordnet sind; und/oder - wenigstens eine Infrarot-Heizvorrichtung; und/oder - wenigstens eine Induktions-Heizvorrichtung; und/oder - wenigstens eine Gas-Heizvorrichtung.
4. Herstellungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , wobei die Heizanordnung (120) eingerichtet ist, um: - eine Oberfläche der Elektrodenbahn (EB) auf eine Temperatur von 80°C oder mehr zu erwärmen; und/oder - die Elektrodenbahn (EB) für eine Heizdauer von 0,5s oder mehr zu erwärmen; und/oder - die Elektrodenbahn (EB) mit einer Infrarotwellenlänge in einem Bereich zwischen 1 und 5 11 m zu erwärmen.
5. Herstellungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , wobei der erste Bahnbereich (B1) der Elektrodenbahn (EB) einem Bereich mit einer Elektrodenbeschichtung entspricht.
6. Herstellungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , wobei: - der zweite Bahnbereich (B2) der Elektrodenbahn (EB) einem Bereich ohne Elektrodenbeschichtung entspricht; und/oder - der zweite Bahnbereich (B2) der Elektrodenbahn (EB) einem Bereich mit einem Ableiter entspricht
7. Herstellungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , wobei: - die wenigstens eine zweite Walze (132) einen Grundkörper mit einem konstanten Durchmesser (D1) aufweist, und wobei der wenigstens eine zweite Walzenbereich mit dem zweiten Walzendurchmesser (D2) durch ein auf dem Grundkörper aufgebrachtes Applikationsmaterial (134) bereitgestellt wird, insbesondere wobei das Applikationsmaterial (134) ein Klebeband umfasst oder ist; oder - die wenigstens eine zweite Walze eine Segmentwalze umfasst oder ist.
8. Herstellungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , wobei eine Differenz zwischen dem zweiten Walzendurchmesser (D2) und dem ersten Walzendurchmesser (D1) ein Vielfaches einer Beschichtungsdicke einer Elektrodenbeschichtung (AM1, AM2) der Elektrodenbahn (EB) ist, insbesondere im ersten Bahnbereich (B1) der Elektrodenbahn (EB).
9. Herstellungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , wobei das Herstellungssystem (100) eine Rolle-zu-Rolle-Anlage umfasst oder ist.
10. Herstellungsverfahren (400) für Elektroden von Batteriezellen, umfassend: - Kalandrieren (410) einer Elektrodenbahn (EB) durch eine erste Walzenanordnung (110); - Erwärmen (420) der kalandrierten Elektrodenbahn (EB) durch eine Heizanordnung (120); und - Bearbeiten (430) der kalandrierten Elektrodenbahn (EB) vor oder nach dem Erwärmen durch wenigstens eine zweite Walze (132) einer zweiten Walzenanordnung, wobei die wenigstens eine zweite Walze (132) wenigstens einen ersten Walzenbereich mit einem ersten Walzendurchmesser (D1) und wenigstens einen zweiten Walzenbereich mit einem zweiten Walzendurchmesser (D2) umfasst, wobei der zweite Walzendurchmesser (D2) größer als der erste Walzendurchmesser (D1) ist, und wobei der wenigstens eine erste Walzenbereich einem ersten Bahnbereich (B1) der Elektrodenbahn (EB) und der wenigstens eine zweite Walzenbereich einem zweiten Bahnbereich (B2) der Elektrodenbahn (EB) entspricht, wobei der erste Bahnbereich (B1) und der zweite Bahnbereich (B2) unterschiedliche Beschichtungen und/oder eine unterschiedliche Materialbeschaffenheit aufweisen.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Herstellungssystem für Elektroden von Batteriezellen und ein Herstellungsverfahren für Elektroden von Batteriezellen. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere eine Homogenisierung von Anodeneigenschaften, wie z.B. Camber und Dicke, in der Batteriezellproduktion. Stand der Technik Die Herstellung von Anoden für Batteriezellen, insbesondere für Lithium-Ionen-Batterien, erfolgt in mehreren Prozessschritten, die darauf abzielen, die elektrochemische Leistung und Lebensdauer der Zellen zu optimieren. Beispielhafte Prozessschritte umfassen das Auftragen einer Anodenslurry, die aus einem aktiven Material, Bindemitteln und Lösungsmitteln besteht, auf eine Kupferfolie. Darauf folgt das Trocknen der beschichteten Folie, das Kalandrieren zur Homogenisierung der Schichtdicke und Dichte, sowie das Schneiden der Anode in die gewünschte Größe. Im Anschluss erfolgt ein Vakuumtrocknen oder alternativ eine JR-Trocknung (Jelly-Roll-Trocknung), bei der die Anoden im aufgewickelten Zustand getrocknet werden. Während des Trocknungsprozesses und/oder der Lagerung der Anoden, insbesondere im aufgewickelten Coil-Zustand, kann es jedoch zu einem Spannungsaufbau in der Elektrode kommen, der die Elektrodeneigenschaften negativ beeinflusst. Zu den unerwünschten Effekten zählen eine lokale Erhöhung des Camber und damit ein ungleichmäßiger Camber-Verlauf, das Auftreten von Elektrodenwelligkeit sowie eine Zunahme der Dicke und damit ein ungleichmäßiger Dickenverlauf. Darüber hinaus wird durch den Spannungsaufbau das Verformungsvermögen der Anode verringert, was im späteren Zellbetrieb benötigt wird, um Beschädigungen in der Batteriezelle zu vermeiden. Beispielsweise erhöht das reduzierte Verformungsvermögen der Anode das Risiko von Folienrissen während Lade- und Entladevorgängen und kann die Lebensdauer und Sicherheit der Batteriezelle beeinträchtigen. Offenbarung der Erfindung Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Herstellungssystem für Elektroden von Batteriezellen und ein Herstellungsverfahren für Elektroden von Batteriezellen anzugeben, die eine Qualität der Elektroden verbessern können. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Batteriezellen zu erhöhen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Gemäß einem unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Herstellungssystem für Elektroden von Batteriezellen, wie zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, angegeben. Das Herstellungssystem umfasst:- eine erste Walzenanordnung, die eingerichtet ist, um eine Elektrodenbahn zu kalandrieren;- eine Heizanordnung, die eingerichtet ist, um die Elektrodenbahn nach dem Kalandrieren zu erwärmen; und- eine zweite Walzenanordnung mit wenigstens einer zweiten Walze, wobei die wenigstens eine zweite Walze wenigstens einen ersten Walzenbereich mit einem ersten Walzendurchmesser und wenigstens einen zweiten Walzenbereich mit einem zweiten Walzendurchmesser umfasst, wobei der zweite Walzendurchmesser größer als der erste Walzendurchmesser ist, und wobei der wenigstens eine erste Walzenbereich einem ersten Bahnbereich der Elektrodenbahn und der wenigstens eine zweite Walzenbereich einem zweiten Bahnbereich der Elektrodenbahn entspricht, wobei der erste Bahnbereich und der zweite Bahnbereich unterschiedliche Beschichtungen und/oder eine unterschiedliche Materialbeschaffenheit aufweisen. Erfindungsgemäß erfolgt nach dem Kalandrieren ein Heizprozess der Elektrodenbahn, um gezielt einen Springback, d.h. eine Wiederzunahme der Dicke der Elektrodenbahn, zu erzeugen. Danach erfolgt ein weiterer Prozessschritt, bei dem bestimmte Bereiche der Elektrodenbahn durch eine Walze mit lokal vergrößertem Durchmesser gelängt werden. Beispielsweise kann eine Krafteinleitung in einen Bereich mit einer unbeschichteten Ableiterfolie erfolgen, so dass dieser Bereich eine plastische Längung erfährt. Hierdurch kann insbesondere ein Ausgleich einer Längendifferenz zwischen beschichtetem und unbeschichtetem Bereich erfolgen. Die Kombination beider Maßnahmen, also Heizen und lokale Längung, führt zu einer Verringerung des Camber und einer Reduzierung des Spannungsaufbaus. Dies resultiert in einer verbesserten Elektrodenqualität sowie einer erhöhten Zuverlässigkeit und verlängerten Lebensdauer der Batteriezellen. Der Begriff „Camber“ bezieht sich im Kontext der Herstellung von Batteriezellen, insbesondere bei Anoden und Kathoden, auf eine Biegung oder Krümmung einer flachen, dünnen Materialschicht wie einer Elektrode. Diese Krümmung tritt oft ungewollt während der Verarbeitung auf und kann durch mechanische oder thermische Spannungen entstehen, die im Material während des Fertigungsprozesses, z.B. beim Kalandrieren, Trocknen oder Lagern, aufgebaut werden. Die Elektrode der vorliegenden Offenbarung ist eine leitfähige Komponente, die entweder als Anode (posi