DE102018200553A1

DE102018200553A1 - Elektrodenanordnung und Verfahren zum Herstellen einer solchen

Info

Publication number: DE102018200553A1
Application number: DE102018200553.2A
Authority: DE
Inventors: Berengar Krieg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-15
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2019-07-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung (10) für eine Batteriezelle, mit einer Anodenanordnung (12), einer Kathodenanordnung (14) und einem zwischen Anodenanordnung (12) und Kathodenanordnung (14) angeordneten Separator (16), wobei die Anodenanordnung (12) einen Anodenableiter (22) aufweist, der eine Mehrzahl an voneinander durch unbeschichtete Freibereiche (18) beabstandete Anodenmaterialschichten (24) trägt, wobei der Anodenableiter (22) mit den Anodenmaterialschichten (24) Anodenbereiche (20) ausbildet, und wobei die Kathodenanordnung (14) einen Kathodenableiter (30) aufweist, der eine Mehrzahl an voneinander durch unbeschichtete Freibereiche (26) beabstandete Kathodenmaterialschichten (32) trägt, wobei der Kathodenableiter (30) mit den Kathodenmaterialschichten (32) Kathodenbereiche (28) ausbildet, wobei der Separator (16) und der Anodenableiter (22) und der Kathodenableiter (30) entlang der Anodenbereiche (12), entlang der Kathodenbereiche (14) und entlang der anodenseitigen und kathodenseitigen Freibereiche (18, 26) verläuft, und wobei die Elektrodenanordnung (10) ferner derart gewickelt ist, dass der Separator (16) und der Anodenableiter (22) und der Kathodenableiter (30) nur bei anodenseitigen Freibereichen (18) und kathodenseitigen Freibereichen (26) gebogene Biegebereiche (34) aufweisen, wobei die die Biegebereiche (34) aufweisenden Freibereiche (18, 26) derart ausgestaltet sind, dass eine während eines Betriebs der Elektrodenanordnung (10) auftretende Volumenänderung der Anodenbereiche (20) und der Kathodenbereiche (28) durch eine Verformung des Separators (16), des Anodenableiters (22) und des Kathodenableiters (30) an den Freibereichen (18,26) ausgleichbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Elektrodenanordnung mit einer besonders guten Energiedichte und einer hohen Stabilität und ein Verfahren, mit welchem eine derartige Elektrodenanordnung besonders vorteilhaft hergestellt werden kann.
Stand der Technik
Elektrochemische Energiespeicher, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, sind in vielen täglichen Anwendungen weit verbreitet. Sie werden beispielsweise in Computern, wie etwa Laptops, Mobiltelefonen, Smartphones und bei anderen Anwendungen eingesetzt. Auch bei der zur Zeit stark vorangetriebenen Elektrifizierung von Fahrzeugen, wie etwa Kraftfahrzeugen, etwa bei elektrischen Fahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, bieten derartige Batterien Vorteile.
In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden heutzutage als elektrische Energiespeicher (EES) oft auf Lithiumchemie basierende Akkumulatoren eingesetzt, da diese im Vergleich zu Nickel- oder Blei-basierten Akkumulatoren eine besonders große verfügbare Energiedichte bei geringem Gewicht aufweisen.
Diese Batteriesysteme sind typischer Weise aus vielen Einzelzellen aufgebaut, die im Batteriesystem sowohl seriell als auch parallel verschaltet werden. Beispielsweise sind etwa Systeme aus 96 bis 104 seriell verschalteter Zellen als auch Systeme aus 96 in Reihe geschalteter Pakete aus bis zu 74 parallel geschalteter Zellen bekannt.
Bezüglich der Anordnung der Zellen gibt es verschiedene Zell-Formate, die beispielsweise in elektrischen oder elektrifizierten Fahrzeugen eingesetzt werden können. Neben Rund- und Pouchzellen finden prismatische Hardcase-Zellen häufige Anwendung. Meist wird bei prismatische Hardcase-Zellen in einem Aluminiumgehäuse ein Elektrodenwickel verbaut. Ferner sind auch als Jelly Roll bezeichnete Elektrodenwickel bekannt.
US 2014/0050957 Al, beispielsweise, beschreibt eine Elektrodenanordnung. Eine derartige Elektrodenanordnung umfasst einen Separator, der zwischen Anodenplatten und Kathodenplatten angeordnet ist. Die Anodenplatten werden ausgebildet durch das Beschichten eines Anodenstromableiters mit einem Anoden-Aktivmaterial und die Kathodenplatten werden ausgebildet durch das Beschichten eines Kathodenstromableiters mit einem Kathoden-Aktivmaterial. Die Kathodenplatten und die Anodenplatten sind voneinander beabstandet und der Separator ist in einer gewickelten Anordnung ausgestaltet, wobei eine Wicklung in einem nicht beschichteten Bereich des Separators beziehungsweise der Stromableiter realisiert ist.
US 2015/0372340 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle und eine derart hergestellte Batteriezelle. Gemäß dieser Druckschrift werden Elektrodenelemente auf ein Substrat derart aufgebracht, dass diese jeweils zueinander beabstandet sind. Ferner kann diese Ausgestaltung in einer gewickelten Ausgestaltung gefertigt sein.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für eine Batteriezelle, mit einer Anodenanordnung, einer Kathodenanordnung und einem zwischen Anodenanordnung und Kathodenanordnung angeordneten Separator, wobei die Anodenanordnung einen Anodenableiter aufweist, der eine Mehrzahl an voneinander durch unbeschichtete Freibereiche beabstandete Anodenmaterialschichten trägt, wobei der Anodenableiter mit den Anodenmaterialschichten Anodenbereiche ausbildet und wobei die Kathodenanordnung einen Kathodenableiter aufweist, der eine Mehrzahl an voneinander durch unbeschichtete Freibereiche beabstandete Kathodenmaterialschichten trägt, wobei der Kathodenableiter mit den Kathodenmaterialschichten Kathodenbereiche ausbildet, wobei der Separator und der Anodenableiter und der Kathodenableiter entlang der Anodenbereiche, entlang der Kathodenbereiche und entlang der anodenseitigen und kathodenseitigen Freibereiche verläuft, und wobei die Elektrodenanordnung ferner derart gewickelt ist, dass der Separator und der Anodenableiter und der Kathodenableiter nur bei anodenseitigen Freibereichen und kathodenseitigen Freibereichen gebogene Biegebereiche aufweisen, wobei die die Biegebereiche aufweisenden Freibereiche derart ausgestaltet sind, dass eine während eines Betriebs der Elektrodenanordnung auftretende Volumenänderung der Anodenbereiche und der Kathodenbereiche durch eine Verformung des Separators, des Anodenableiters und des Kathodenableiters an den Freibereichen ausgleichbar ist.
Eine wie vorstehend beschrieben ausgestaltete Elektrodenanordnung kann eine hohe Energiedichte bei einfacher Herstellbarkeit und dabei hoher Langzeitstabilität ermöglichen.
Die Elektrodenanordnung dient insbesondere dem Einsatz in einer Batteriezelle etwa für ein Batteriemodul und kann somit mit anderen gleich oder andersartig aufgebauten Batteriezellen parallel und/oder seriell verschaltet sein.
Die Elektrodenanordnung umfasst eine Anodenanordnung, eine Kathodenanordnung und einen zwischen Anodenanordnung und Kathodenanordnung angeordneten Separator.
Bezüglich der Anodenanordnung ist es vorgesehen, dass diese einen Anodenableiter aufweist, der eine Mehrzahl an voneinander durch unbeschichtete Freibereiche beabstandete Anodenmaterialschichten trägt, wobei der Anodenableiter mit den Anodenmaterialschichten Anodenbereiche ausbildet. Somit liegen die Anodenbereiche beziehungsweise die Bereiche mit Aktivmaterial der Anode jeweils in lokal begrenzten Bereichen vor und sind von anderen Anodenbereichen getrennt, so dass anodenseitig, also auf der Seite des Separators, wo die Anodenbereiche vorliegen, die Anodenanordnung beziehungsweise der Anodenableiter Freibereiche aufweist. Unter einem Freibereich ist somit insbesondere ein derartiger Bereich zu verstehen, in welchem der Ableiter nicht mit Aktivmaterial beziehungsweise Anodenmaterial versehen ist, also hier gerade kein Anodenbereich vorliegt.
Entsprechend ist es bezüglich der Kathodenanordnung vorgesehen, dass diese einen Kathodenableiter aufweist, der eine Mehrzahl an voneinander durch unbeschichtete Freibereiche beabstandete Kathodenmaterialschichten trägt, wobei der Kathodenableiter mit den Kathodenmaterialschichten Kathodenbereiche ausbildet. Somit liegen die Kathodenbereiche beziehungsweise die Bereiche mit Aktivmaterial der Kathode jeweils in lokal begrenzten Bereichen vor und sind von anderen Kathodenbereichen getrennt, so dass kathodenseitig, also auf der Seite des Separators, wo die Kathodenbereiche vorliegen, die Kathodenanordnung beziehungsweise der Kathodenableiter Freibereiche aufweist. Unter einem Freibereich ist somit insbesondere wiederum ein derartiger Bereich zu verstehen, in welchem der Ableiter nicht mit Aktivmaterial beziehungsweise Kathodenmaterial versehen ist, also hier gerade kein Kathodenbereich vorliegt.
In an sich bekannter Weise kann der Kathodenableiter aus Aluminium, wie etwa einer Aluminiumfolie, ausgestaltet sein, wohingegen der Anodenableiter etwa aus Kupfer, wie etwa einer Kupferfolie ausgestaltet sein kann. Ferner kann das Anodenmaterial etwa umfassen Graphit, amorphes Silizium oder Lithiumtuitanate, wohingegen das Kathodenmaterial etwa umfassen kann Lithium-Cobalt(III)-oxid oder Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein.
Der Separator und der Anodenableiter und der Kathodenableiter sind dabei durchgehend ausgestaltet und liegen somit sowohl benachbart zu den Kathodenbereichen beziehungsweise Anodenbereichen vor als auch benachbart zu den Freibereichen. Ferner kann der Separator wie auch die Ableiter insbesondere folienartig ausgestaltet sein. Beispielsweise umfasst der Separator oder ist ausgebildet aus einer Polymerfolie, wie etwa einer Polyethylenfolie, in welche ein Leitsalz eingearbeitet ist oder welche einen Elektrolyten, etwa in Poren, aufnehmen kann.
Es ist ferner vorgesehen, die Elektrodenanordnung ferner derart gewickelt ist, dass der Separator und der Anodenableiter und der Kathodenableiter nur bei anodenseitigen Freibereichen und kathodenseitigen Freibereichen gebogene Biegebereiche aufweisen. In anderen Worten ist es vorgesehen, dass der Separator, der Anodenableiter und der Kathodenableiter nur in den Bereichen gebogen sind, also von einer ebenen beziehungsweise geraden Ausrichtung abweichen, in denen kein Elektrodenmaterial vorliegt beziehungsweise in denen kein Anodenbereich und kein Kathodenbereich vorliegt. Dadurch ist es in anderen Worten realisiert, dass in den Bereichen, wo ein Elektrodenmaterial vorliegt, also ein Anodenmaterial und/oder Kathodenmaterial beziehungsweise in den Bereichen, in denen ein Anodenbereich und/oder Kathodenbereich vorliegt, der Separator in einer ebenen beziehungsweise geraden Ausrichtung vorliegt. Somit ist es vorgesehen, dass die Kathode beziehungsweise Anode in ihren beschichteten Bereichen nicht gebogen bzw. gekrümmt in der Zelle vorliegen.
Bei einer hier beschriebenen Elektrodenanordnung ist es ferner vorgesehen, dass die die Biegebereiche aufweisenden Freibereiche derart ausgestaltet sind, dass eine während eines Betriebs der Elektrodenanordnung auftretende Volumenänderung, insbesondere Dickenänderung, der Anodenbereiche und der Kathodenbereiche, insbesondere der jeweiligen Aktivmaterialien, durch eine Verformung des Separators, des Anodenableiters und des Kathodenableiters an den Freibereichen ausgleichbar ist.
In anderen Worten wird ein Anodenbereich oder ein Kathodenbereich und dabei insbesondere das Anodenmaterial und das Kathodenmaterial auch dann nicht oder zumindest nicht signifikant gebogen beziehungsweise mechanisch beansprucht, wenn das Anodenmaterial beziehungsweise das Kathodenmaterial während des Betriebs eine Volumenänderung durchlebt. Ein derartiger Ausgleich der Volumenänderung des Aktivmaterials ist dabei durch die Ausgestaltung und/oder Anordnung des Separators und der Ableiter realisiert, in denen ein Biegebereich vorliegt.
Die Volumenänderung kann dabei erfolgen beispielsweise bei Lade- und/oder Entladevorgängen der Batteriezelle mit einer derartigen Elektrodenanordnung, bei denen sich insbesondere die Dicke der Aktivmaterialschicht verändern kann. Grundsätzlich können auch, wenn auch deutlich weniger ausgeprägt, Änderungen der Länge der Aktivmaterialschicht in Betracht gezogen werden. Ein derartiger Vorgang der Volumenänderung kann auch als Atmen der Elektrodenbereiche beziehungsweise der Aktivmaterialien oder auch als ein Atmen der Batteriezelle bezeichnet werden.
Eine wie vorstehend beschrieben ausgestaltete Elektrodenanordnung kann gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik signifikante Vorteile bieten.
So enthalten klassische prismatische Hardcase Zellen einen Elektrodenwickel, der aus quasi endlosen Elektrodenbahnen und den dazwischen liegenden Separatorlagen durch Aufwickeln hergestellt wird. Ziel dabei ist es einen möglichst großen Bereich von parallel liegenden Flächen zu erhalten. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann es jedoch im Gegensatz zu den Lösungen aus dem Stand der Technik vermieden werden, dass die beschichteten Elektroden beziehungsweise der ein Aktivmaterial aufweisende Bereich der Elektrodenanordnung in teilweise recht engen Radien gebogen werden kann und in diesem Bereich während des Betriebs durch das Atmen der Zelle durch Laden und Entladen die Biegeradien ständig geändert werden können. Dadurch kann es sicher verhindert werden, dass es sowohl während der Produktion aber auch während des Betriebs zum Aufbrechen des Aktivmaterials mit Neuformierung der SEI-Schicht als auch zu Ablösung des Aktivmaterials von dem Ableiter kommen kann, mindestens im Bereich der Radien des Wickels. Dadurch kann ein Kapazitätsverlust der Zelle auf lange Sicht verhindert werden.
Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung insbesondere gegenüber einem Elektrodenwickel, bei dem Aktivmaterial auch im Biegeradius vorliegt, durch die Reduzierung des Platzbedarfs der beiden Radien am Rand des Elektrodenwickels der oftmals rechteckige Querschnitt einer prismatischen Zelle optimaler genutzt werden, da ein Totvolumen reduziert werden kann.
Gegenüber einer aus einzelnen Lagen geschichteten Elektrodenanordnung, eines sogenannten Stacks, kann ebenfalls ein Volumenvorteil dargestellt werden, da bei der Stack-Anordnung der Separator umlaufend einige mm, wie etwa 1,5mm bis 3mm über die Elektrodenflächen hinausragen muss, um auch bei Lagetoleranzen und Schrumpfen des Separators durch Wärmeeinwirkung einen Kontakt von Anoden- und Kathodenlagen zuverlässig zu verhindern.
In den Randbereichen des gewickelten Stacks summieren sich tangential zur Haupt-Elektrodenfläche nur die Dicken der unbeschichteten Ableitfolien der Elektroden und des Separators. Diese liegen jeweils typischerweise in der Größenordnung von 10-15 µm. Pro Wicklung addiert sich im Randbereich pro Seite die Dicke der Ableiter und des Separators. Das bedeutet, dass bei Elektrodenpaketen von etwa 25 bis 30 Lagen eine Dicke von weniger als einem mm erreicht wird.
Darüber hinaus kann etwa gegenüber der Herstellung eines Elektrodenstapels ohne Wicklung der Prozessschritt eingespart werden, wonach etwa beschichtete Elektrodenfolien zurechtgeschnitten werden müssen, wobei pro Elektrodenlage mindestens ein Schnitt notwendig ist. Dadurch kann neben dem Einsparen dieses Prozessschrittes auch verhindert werden dass durch den Schneideprozess Partikel in der Zelle verbleiben, was bezüglich der Langzeitstabilität Nachteile aufweisen kann. Somit kann die Ausschussrate reduziert werden, etwa da ein Kurzschluss noch bei der Formierung der Zelle sicher verhindert werden kann.
Der gewickelte Stapel vereint die einfache und kostengünstige Herstellung durch Aufwickeln mit den Vorteilen des Stacks also der höheren Volumennutzung im Inneren der Zelle und der Vermeidung des Biegens bzw. Verformens der Elektroden sowohl während der Produktion als auch während des Betriebs. Bei vorteilhaft gewählter Kombination von Dicke des Separators, Dicke der Komponenten der Elektrodenbereiche und Anzahl der Lagen kann sich ein Volumenvorteil gegenüber bloßen gestapelten und nicht gewickelten Zellen ergeben.
Zudem kann im Vergleich zum Wickeln gemäß dem Stand der Technik mürberes Aktivmaterial verwendet werden, da bei entsprechender Ausgestaltung der Produktionsanlagen der Separator nur in Bereichen ohne Beschichtung gebogen werden und damit ein Aufbrechen oder Beschädigen des Aktivmaterials verhindert werden kann.
Zudem kommt es im Stand der Technik beim Atmen der Zellen durch Lade- und Entladevorgänge, also der vorbeschriebenen Volumenänderung, insbesondere Dickenänderung der Lagen orthogonal zur Elektrodenfläche, im Bereich der Biegeradien des Elektrodenwickels zu mechanischem Stress, der zum Aufbrechen der Aktivmaterialien und dadurch zu verstärkter Zell-Alterung führt, was zu Kapazitätsverlust und Erhöhung des Innenwiderstands führen kann. Dies kann erfindungsgemäß verhindert oder zumindest reduziert werden, indem die die Biegebereiche aufweisenden Freibereiche der Ableitfolien und der Separator derart ausgestaltet sind, dass eine während eines Betriebs der Elektrodenanordnung auftretende Volumenänderung, insbesondere Dickenänderung, der Anodenbereiche und der Kathodenbereiche durch eine Verformung des Separators und der unbeschichteten Ableiterabschnitte ausgleichbar ist. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Verformbarkeit von Separator und der Ableiter erfolgen.
Bevorzugt kann es diesbezüglich vorgesehen sein, dass eine während eines Betriebs der Elektrodenanordnung auftretende Volumenänderung der Anodenbereiche und der Kathodenbereiche ausgleichbar ist durch die Länge der Freibereiche und damit der Länge der unbeschichteten Bereiche der Ableiter und der Länge des korrespondierenden Bereichs des Separators. In dieser Ausgestaltung ist es somit vorgesehen, dass die Länge der Freibereiche und des Separators derart gewählt ist, dass diese länger ist, als für einen Grundzustand, also den Zustand mit geringstem Volumen der jeweiligen Elektrodenbereiche während eines Betriebs, nötig. Die überschüssige Länge kann dabei durch den Biegeradius des Separators beziehungsweise der Ableiter gezeigt werden, so dass bei einer Volumenänderung des Aktivmaterials beziehungsweise bei einem Atmen desselben sich lediglich der Biegeradius des Separators und der unbeschichteten Ableiterabschnitte ändert. Dies kann insbesondere bei folienartigen Separatoren und Ableitmaterialien problemlos ermöglicht werden, ohne dass eine mechanische Beeinflussung eines Aktivmaterials erfolgt. In dieser Ausgestaltung kann ein Ausgleich der Volumenänderung des Aktivmaterials besonders einfach während der Herstellung der Elektrodenanordnung durch die Anordnung der Aktivmaterialbereiche ermöglicht werden, was ohne weitere Prozessschritte problemlos möglich ist.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass eine Volumenänderung der Anodenbereiche und der Kathodenbereiche in einem Bereich von größer als 0% bis kleiner oder gleich 10%, etwa in einem Bereich von größer als 5% bis kleiner oder gleich 8% ausgleichbar ist, wie vorstehend beschrieben durch eine Verformung des Separators und der Ableiter an den Freibereichen. Es hat sich herausgestellt, dass das Aktivmaterial, beispielsweise bei Lithium-Ionen-Zellen, in diesem Bereich atmet beziehungsweise eine Volumenveränderung in diesem Bereich stattfindet. Somit kann insbesondere in dieser Ausgestaltung eine hohe Volumenausnutzung und damit eine hohe Energiedichte kombiniert werden mit einer hohen Langzeitstabilität der Elektrodenanordnung beziehungsweise einer Batteriezelle.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass die Länge der Freibereiche entlang der Länge der Elektrodenanordnung variieren, beispielsweise eine sukzessive größer werdende Länge aufweisen. Die Länge der Elektrodenanordnung ist dabei das Maß, welches parallel zu den Ableitern beziehungsweise dem Separator verläuft und die Freibereiche beziehungsweise Anodenbereiche und Kathodenbereich überspannt, etwa bei ungewickeltem Zustand der Elektrodenanordnung. Dies kann bevorzugt sowohl für die anodenseitigen Freibereiche als auch für die kathodenseitigen Freibereiche gelten. In dieser Ausgestaltung kann es insbesondere berücksichtigt werden, dass die Elektrodenanordnung gewickelt wird. Dadurch ist die Lücken-Breite beziehungsweise die Länge der Freibereiche für Abschnitte im Inneren des Wickels kleiner zu wählen als bei Abschnitten der äußeren Lagen, da während des Wickel-Vorganges immer mehr Schichten von Aktivmaterial zu überbrücken sind. Somit kann insbesondere in dieser Ausgestaltung auch bei einer gewickelten Ausgestaltung es besonders vorteilhaft ermöglicht werden, dass die Ableiter und der Separator nur in den Freibereichen gebogen beziehungsweise gewickelt ist und das Aktivmaterial somit nur gerade verläuft, was etwa eine besonders vorteilhafte Langzeitstabilität ermöglichen kann.
Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass wenigstens einer von dem Kathodenableiter und dem Anodenableiter beidseitig mit Aktivmaterial beschichtet ist. In anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass der Kathodenableiter beidseitig mit Aktivmaterial der Kathode, also mit Kathodenmaterial, beschichtet ist, und/oder dass der Anodenableiter beidseitig mit Aktivmaterial der Anode, also mit Anodenmaterial, beschichtet ist. In dieser Ausgestaltung kann die Energiedichte besonders hoch sein, was die Anwendbarkeit der Elektrodenanordnung verbessern kann.
Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass sämtliche zwischen zwei Anodenbereichen oder zwischen zwei Kathodenbereichen positionierte Freibereiche der Ableiter Biegebereiche aufweisen. In dieser Ausgestaltung sind somit nur Freibereiche zwischen den entsprechenden Elektrodenbereichen dort vorgesehen, wo der Separator und die Ableiter gewickelt werden, wobei die vorstehend beschriebene Toleranz für die Volumenänderung des Aktivmaterials einbezogen wird. Dadurch kann andererseits überall dort, wo der Separator gerade verläuft, Aktivmaterial vorliegen. In dieser Ausgestaltung kann wiederum eine besonders hohe Energiedichte vorliegen.
Das Vorsehen weiterer Freibereiche ohne entsprechende Biegebereiche soll jedoch nicht grundsätzlich ausgeschlossen sein.
Es kann ferner bevorzugt sein, dass die Anodenbereiche und die Kathodenbereiche gegenüberliegend angeordnet sind und dass die anodenseitigen Freibereiche und die kathodenseitigen Freibereiche gegenüberliegend angeordnet sind und dabei insbesondere und durch den Separator beabstandet sind. In dieser Ausgestaltung sind somit insbesondere die Grenzen zwischen Anodenmaterial und anodenseitigem Freibereich beziehungsweise zwischen Kathodenbereich und kathodenseitigem Freibereich unmittelbar gegenüberliegend angeordnet, so dass sowohl kathodenseitig als auch anodenseitig es gleichermaßen bevorzugt ermöglicht werden kann, dass nur in den Freibereichen der Separator und die Ableiter gewickelt beziehungsweise gebogen sind und somit dass das Kathoden-Aktivmaterial wie auch das Anoden-Aktivmaterial in allen Bereichen bis auf die gebogenen Bereiche des Separators vorliegt, wie dies vorstehend beschrieben ist. Dadurch kann insbesondere in dieser Ausgestaltung eine hohe Energiedichte ermöglicht werden.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der Elektrodenanordnung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenanordnung, die Figur sowie die Figurenbeschreibung verwiesen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenanordnung, insbesondere einer Elektrodenanordnung, wie diese vorstehend beschrieben ist. Das Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf:

a) Bereitstellen eines Separators;
b) Bereitstellen einer Anodenanordnung, wobei die Anodenanordnung einen Anodenableiter aufweist, der eine Mehrzahl an voneinander durch unbeschichtete Freibereiche beabstandete Anodenmaterialschichten trägt, wobei der Anodenableiter mit den Anodenmaterialschichten Anodenbereiche ausbildet,
c) Bereitstellen einer Kathodenanordnung, wobei die Kathodenanordnung einen Kathodenableiter aufweist, der eine Mehrzahl an voneinander durch unbeschichtete Freibereiche beabstandete Kathodenmaterialschichten trägt, wobei der Kathodenableiter mit den Kathodenmaterialschichten Kathodenbereiche ausbildet, und
d) Wickeln des Separators gemeinsam mit der Anodenanordnung und der Kathodenanordnung derart, dass Biegebereiche nur in Freibereichen entstehen;

e) die die Biegebereiche aufweisenden Freibereiche derart ausgestaltet werden, dass eine während eines Betriebs der Elektrodenanordnung auftretende Volumenänderung der Anodenbereiche und der Kathodenbereiche durch eine Verformung des Separators, des Anodenableiters und des Kathodenableiters an den Freibereichen ausgleichbar ist.

Durch ein wie vorstehend beschrieben ausgestaltetes Verfahren kann eine Elektrodenanordnung ausgebildet werden, welche eine hohe Energiedichte, insbesondere einer prismatischen Hardcase-Zelle oder auch einer Pouch-Zelle, vereinen kann mit einer einfachen Herstellbarkeit und einer hohen Langzeitstabilität.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird zunächst gemäß Verfahrensschritt a) ein Separator bereitgestellt. Dieser kann insbesondere folienartig beziehungsweise als Separatorfolie ausgestaltet sein, wie dies vorstehend beschrieben ist.
Ferner erfolgt gemäß Verfahrensschritt b) das Vorsehen einer Anodenanordnung, wobei die Anodenanordnung einen Anodenableiter aufweist, der eine Mehrzahl an voneinander durch unbeschichtete Freibereiche beabstandete Anodenmaterialschichten trägt, wobei der Anodenableiter mit den Anodenmaterialschichten Anodenbereiche ausbildet, und gemäß Verfahrensschritt c) das Vorsehen einer Kathodenanordnung, wobei die Kathodenanordnung einen Kathodenableiter aufweist, der eine Mehrzahl an voneinander durch unbeschichtete Freibereiche beabstandete Kathodenmaterialschichten trägt, wobei der Kathodenableiter mit den Kathodenmaterialschichten Kathodenbereiche ausbildet.
Dabei können beispielsweise zunächst die Ableiter an den Separator gelegt und anschließend die Ableiter mit Aktivmaterial beschichtet werden, etwa wenn der Ableiter einseitig beschichtet werden soll. Bei einer zweiseitigen Beschichtung des Ableiters kann dieser zunächst beidseitig mit Aktivmaterial beschichtet und dann an den Separator gelegt werden. Entsprechend können durch ein lokal begrenztes Beschichten der jeweiligen Ableiters mit Aktivmaterial die Elektrodenbereiche ausgestaltet werden.
Dabei kann es ferner vorgesehen sein, dass die Längen der Freibereiche entlang der Länge der Elektrodenanordnung variieren, insbesondere mit einer sukzessiv größer werdenden Länge ausgebildet werden. Auch bezüglich der Ausgestaltung der Anodenbereiche beziehungsweise der Kathodenbereiche wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
Anschließend erfolgt gemäß Verfahrensschritt d) das Wickeln des Separators gemeinsam mit der Anodenanordnung und der Kathodenanordnung beziehungsweise den Kathodenbereichen und den Anodenbereichen, also etwa nach oder während den Verfahrensschritten b) und c). Diesbezüglich kann eine Wicklung etwa derart stattfinden, dass der Separator gemeinsam mit der Anodenanordnung und der Kathodenanordnung im oder gegen den Uhrzeigersinn gewickelt werden, wie dies grundsätzlich bekannt ist. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass eine Wicklung und damit ein Verbiegen beziehungsweise ein Verformen des Separators und der Ableitfolien nur in den Bereichen stattfindet, in denen anodenseitig und kathodenseitig ein Freibereich vorliegt.
Bezüglich der Wicklung und der diesbezüglichen Ausgestaltung der Freibereiche, wie etwa der Länge der Freibereiche, ist es gemäß Verfahrensschritt d) vorgesehen, dass die Freibereiche derart ausgebildet werden, dass eine während eines Betriebs der Elektrodenanordnung auftretende Volumenänderung, beispielsweise Dickenänderung, der Anodenbereiche und der Kathodenbereiche durch eine Verformung des Separators und der Ableitfolien ausgleichbar ist.
Insbesondere diese Ausgestaltung verhindert es in sicherer Weise, dass das Aktivmaterial gebogen wird und so mechanischen Beanspruchungen unterworfen wird. Dadurch kann eine besonders hohe Langzeitstabilität ermöglicht werden.
Bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass wenigstens einer von dem Kathodenableiter und dem Anodenableiter beispielsweise beidseitig mit Aktivmaterial beschichtet wird. Hierzu kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass der Kathodenableiter und/oder der Anodenableiter als Folie ausgestaltet ist und an einer Beschichtungseinheit entlang geführt wird. Dabei kann die Beschichtungseinheit das Aktivmaterial beispielsweise lokal begrenzt auf den Ableiter auftragen, um die Anodenbereiche beziehungsweise die Kathodenbereiche auszubilden.
Beispielsweise kann eine Beschichtungseinheit sich oberhalb des entlanggeführten Ableiters befinden, und das Aktivmaterial auf den Ableiter austragen.
Um ein lokal begrenztes Auftragen zu ermöglichen, kann es etwa vorgesehen sein, dass zwischen dem Ableiter und der Beschichtungseinheit eine Blendenanordnung verfahren wird, die bezüglich des Ableiters ortsfest verfahren wird und so nur bestimmte Bereiche des Ableiters freigibt, wohingegen andere Bereiche des Ableiters bedeckt sind. Die freigegebenen Bereiche können mit Aktivmaterial beschichtet werden und so die Elektrodenbereiche ausbilden, wohingegen die verdeckten Bereiche die Freibereiche ausbilden können.
Alternativ kann es für eine lokal begrenzte Beschichtung des Ableiters vorgesehen sein, dass die Beschichtungseinheit mit einem Schließmechanismus versehen ist, der ein Beschichten des entlanglaufenden Ableiters nur temporär und dadurch lokal begrenzt ermöglicht.
Somit kann es vorgesehen sein, dass die Kathodenbereiche ausgebildet werden durch das lokal begrenzte Beschichten eines Kathodenableiters mit einer Kathodenmaterialschicht und dass die Anodenbereiche ausgebildet werden durch das lokal begrenzte Beschichten eines Anodenableiters mit einer Anodenmaterialschicht, wobei ein lokal begrenztes Beschichten des Kathodenableiters oder des Anodenableiters erfolgt unter Verwendung einer einen Verschlussmechanismus aufweisenden Beschichtungseinheit oder unter Verwendung einer den Kathodenableiter oder den Anodenableiter teilweise bedeckenden Blendenanordnung.
Insbesondere bei einer beidseitigen Beschichtung des Ableiters kann es bevorzugt sein, dass zwei Beschichtungseinheiten vorgesehen sind und der Ableiter zwischen einer ersten Beschichtungseinheit und einer zweiten Beschichtungseinheit gedreht beziehungsweise umgelenkt wird. Dadurch kann es ermöglicht werden, dass der Ableiter stets von seiner Oberseite beschichtet wird, was prozesstechnisch von Vorteil ist.
Bei einem Drehen beziehungsweise auch bei einem weiteren Umlenken des zumindest einseitig beschichteten Ableiters ist es von Vorteil, dass auch hier das Aktivmaterial beziehungsweise die Anodenbereiche und Kathodenbereiche geschont werden und nicht verbogen beziehungsweise verformt werden. Daher kann es vorgesehen sein, dass in wenigstens einem der Verfahrensschritte b) und c) ein Umlenken, beispielsweise ein Umdrehen, des zumindest teilweise beschichteten Anodenableiters beziehungsweise Kathodenableiters erfolgt unter Verwendung einer rotierbaren Umlenkeinheit, welche Abstützungen aufweist, die in ihrer radialen Position bezüglich der Rotationsachse veränderbar sind. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann unabhängig von dem spezifischen Abstand der Elektrodenbereiche, also der Anodenbereiche oder der Kathodenbereiche untereinander, es ermöglicht werden, dass diese stets in einer Ebene verlaufen und ein Biegen auch bei einem Verfahren des zumindest teilweise beschichteten Ableiters während der Herstellung der Elektrodenanordnung vermieden werden kann.
Insbesondere bei den vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen aber nicht beschränkt hierauf kann es von Vorteil sein, dass die Verfahrensschritte b) und c) erfolgen durch das Aneinanderlegen des Separators mit einem teilweise mit einer Anodenmaterialschicht beschichteten Anodenableiter und mit einem teilweise mit einer Kathodenmaterialschicht beschichteten Kathodenableiter. Dabei kann beispielsweise, wenn der Separator und die Ableiter als Folienmaterial ausgestaltet sind es erreicht werden, dass ein durchgehender Prozess durchgeführt wird, indem etwa die Ableitermaterialien von Rollen abgewickelt und mit Aktivmaterial beschichtet werden und anschließend sich gegenüberliegend an einen ebenfalls von einer Rolle abgewickelten Separator gelegt werden. Dieser Verbund kann anschließend gewickelt werden.
Zwischen diesen Prozessschritten können gegebenenfalls weitere Prozesse wie Trocknen, Kalandrieren oder weitere Oberflächenbehandlungen der Aktivmaterialien nach Stand der Technik notwendig sein.
Bezüglich der Beschichtung kann es wie vorstehend beschrieben von Vorteil sein, dass die Länge der Freibereiche für Abschnitte im Inneren des Wickels kleiner zu wählen als bei Abschnitten der äußeren Lagen, da hier während des Wickel-Vorganges immer mehr Schichten von Aktivmaterial zu überbrücken sind.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des Verfahrens zum Herstellen einer Elektrodenanordnung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der Elektrodenanordnung, die Figuren sowie die Figurenbeschreibung verwiesen.
Figurenliste
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert, wobei die beschriebenen Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung sein können, insoweit sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen

1 eine schematische Schnittansicht durch eine Elektrodenanordnung;
2 eine schematische Ansicht einer Anordnung zum Durchführen eines Verfahrens zum Herstellen einer Elektrodenanordnung;
3 eine vergrößerte Ansicht einer Umlenkeinrichtung; und
4 eine detaillierte Ansicht zweier Beschichtungseinheiten zum Beschichten eines Ableiters.

In der 1 ist eine schematische Ansicht einer Ausgestaltung einer Elektrodenanordnung 10 für eine Batteriezelle gezeigt. Im Detail ist gezeigt, dass die Elektrodenanordnung 10 eine Anodenanordnung 12, eine Kathodenanordnung 14 und einen zwischen Anodenanordnung 12 und Kathodenanordnung 14 angeordneten Separator 16 aufweist. Die
Die Anodenanordnung 12 umfasst einen Anodenableiter 22, der eine Mehrzahl an voneinander durch unbeschichtete Freibereiche 18 beabstandete Anodenmaterialschichten 24 trägt, wobei der Anodenableiter 22 mit den Anodenmaterialschichten 24 Anodenbereiche 20 ausbildet. Die Kathodenanordnung 14 umfasst einen Kathodenableiter 30, der eine Mehrzahl an voneinander durch unbeschichtete Freibereiche 26 beabstandete Kathodenmaterialschichten 32 trägt, wobei der Kathodenableiter 30 mit den Kathodenmaterialschichten 32 Kathodenbereiche 28 ausbildet.
Die Elektrodenanordnung 10 ist dabei derart ausgestaltet, dass der Separator 16 und der Anodenableiter 22 und der Kathodenableiter 30 durchlaufend entlang der gesamten Wicklung verlaufen. Es ist ferner gezeigt, dass die Anodenbereiche 20 und die Kathodenbereiche 28 gegenüberliegend angeordnet sind und dass die anodenseitigen Freibereiche 18 und die kathodenseitigen Freibereiche 26 16 gegenüberliegend angeordnet sind.
Es ist ferner gezeigt, dass die Elektrodenanordnung 10 derart gewickelt ist, dass der Separator 16, der Anodenableiter 22 und der Kathodenableiter 30 nur bei anodenseitigen Freibereichen 18 und kathodenseitigen Freibereichen 26 gebogene Biegebereiche 34 aufweist. In anderen Worten werden die Bereiche der mit Aktivmaterial beschichteten und insbesondere als Folien ausgestalteten Anodenableiter 22 und Kathodenableiter 30 nicht gebogen oder geknickt, sondern nur an ihren unbeschichteten Stellen.
Dabei ist es insbesondere gezeigt, dass durch den Biegeradius der Biegebereiche 34 des Separators 16, des Anodenableiters 22 und des Kathodenableiters 30 die Länge der Freibereiche 18, 26, in welchen die Biegebereiche 34 vorgesehen sind, derart ausgestaltet ist, dass eine während eines Betriebs der Elektrodenanordnung 10 auftretende Volumenänderung der Anodenbereiche 20 und der Kathodenbereiche 28 durch eine Verformung des Separators 16 und des Anodenableiters 22 und des Kathodenableiters 30 ausgleichbar ist, indem der Biegeradius dieser sich verändert.
Unter der Annahme, dass der Kathodenableiter 30 und der Anodenableiter 22 jeweils ca. 15 µm dick und jeweils doppelseitig mit einer Dicke von ca. 150 µm an Aktivmaterial beschichtet sind und ein 12µm dicker Separator 16 Verwendung findet, ist theoretisch bei bis zu 30 Lagen, wobei sich eine Zelldicke von ca. 18 cm ergeben kann, mit diesem Aufbauprinzip ein Volumenvorteil zu erreichen, verglichen mit einem klassischen Stack mit 1,5 mm Separatorüberlapp umlaufend. Das ermöglicht eine hohe Energiedichte auf Zell-Level.
In der 2 ist eine Ausgestaltung einer Anordnung 40 gezeigt, mittels welcher eine vorstehend beschriebene Elektrodenanordnung 10 ausbildbar ist.
Die Anordnung 40 umfasst eine erste Rolle 42, auf der der als Folie ausgebildete Kathodenableiter 30 aufgerollt ist. dieser kann etwa durch Walzen 44 und eine Umlenkeinrichtung 46 an einer Beschichtungseinheit 48 entlang geführt wird. Mittels der Beschichtungseinheit 48 kann auf den Kathodenableiter 30 eine Kathodenmaterialschicht 32 insbesondere als lokal begrenzte Bereiche ausbildend Kathodenbereiche 28 aufgebracht werden, wie dies nachstehend im Detail beschrieben ist. Dabei wird zunächst eine erste Seite des Kathodenableiters 30 beschichtet. Es ist ferner eine zweite Beschichtungseinheit 50 vorgesehen, durch welche auf die zweite Seite des Kathodenableiters 30 eine Kathodenmaterialschicht 32 insbesondere als lokal begrenzte Bereiche ausbildend Kathodenbereiche 28 aufgebracht werden kann. Damit eine Beschichtung jeweils auf der Oberseite des Kathodenableiters 30 aufgebracht werden kann, wird der Kathodenableiter 30 durch die Umlenkeinrichtung 46 umgelenkt beziehungsweise umgedreht werden. Nach der Beschichtungseinheit 50 kann können gegebenenfalls weitere Prozesse wie Trocknen, Kalandrieren oder weitere Oberflächenbehandlungen der Aktivmaterialien nach Stand der Technik notwendig sein.
Eine derartige Umlenkeinrichtung 46 ist in der 3 im Detail gezeigt. Dabei ist zu erkennen, dass ein Umlenken des zumindest teilweise beschichteten Kathodenableiters 30 erfolgt unter Verwendung der Umlenkeinrichtung 46, welche Abstützungen 52 aufweist, welche in ihrer radialen Position veränderbar sind, wie dies durch die Pfeile 54 dargestellt sein soll. Beispielsweise können die Abstützungen 52 in radial verlaufenden Führungen 53 angeordnet und dort verfahrbar sein. Dadurch kann es ermöglicht werden, dass die Kathodenbereiche 28, also die Bereiche, in denen das Aktivmaterial vorliegt, auch bei einem Prozessieren nicht gebogen wird. Dies kann dadurch ermöglicht werden, dass die Abstützungen nur mit nicht beschichteten Bereichen des Kathodenableiters 30 beziehungsweise den Freibereichen 26 wechselwirken.
Zurückkommend zu 2 umfasst die Anordnung 40 umfasst ferner eine zweite Rolle 56, auf der der als Folie ausgebildete Anodenableiter 22 aufgerollt ist. dieser kann etwa durch Walzen 58 und eine Umlenkeinrichtung 46 an einer Beschichtungseinheit 60 entlang geführt wird. Mittels der Beschichtungseinheit 60 kann auf den Anodenableiter 22 eine Anodenmaterialschicht 24 insbesondere als lokal begrenzte Bereiche ausbildend Anodenbereiche 20 aufgebracht werden, wie dies nachstehend im Detail beschrieben ist. Dabei wird zunächst eine erste Seite des Anodenableiters 22 beschichtet. Es ist ferner eine zweite Beschichtungseinheit 62 vorgesehen, durch welche auf die zweite Seite des Anodenableiters 22 eine Anodenmaterialschicht 24 insbesondere als lokal begrenzte Bereiche ausbildend Anodenbereiche 20 aufgebracht werden kann. Damit eine Beschichtung jeweils auf der Oberseite des Anodenableiters 22 aufgebracht werden kann, kann der Anodenableiter 22 durch die Umlenkeinrichtung 46 umgelenkt beziehungsweise umgedreht werden. Diese kann ausgestaltet werden, wie dies in 3 gezeigt ist.
Nach der Beschichtungseinheit 62 kann können gegebenenfalls weitere Prozesse wie Trocknen, Kalandrieren oder weitere Oberflächenbehandlungen der Aktivmaterialien nach Stand der Technik notwendig sein.
Es sind ferner weitere Rollen 64, 66 vorgesehen, von welchen der insbesondere folienartige Separator 16 abgewickelt werden kann. Durch eine Vielzahl an Umlenkeinrichtungen 46, die jeweils ausgebildet sein können, wie in 3 gezeigt, kann es realisiert werden, dass die teilweise beschichteten Ableiter 22, 30 an den Separator 16 gelegt werden, in dieser Ausgestaltung kann diese Anordnung zu einer Wickelstation 68 geführt werden, in welcher die Elektrodenanordnung 10 gewickelt wird.
In der 4 ist ferner eine Ausgestaltung der Beschichtungseinheiten 48, 50 gezeigt. Dabei ist zu erkennen, dass der Kathodenableiter 30 etwa durch Walzen 44 und eine Umlenkeinrichtung 46 an den Beschichtungseinheit 48 entlang geführt wird. Um das Aktivmaterial nur lokal begrenzt aufzubringen ist es vorgesehen, dass die Beschichtungseinheiten jeweils eine Blendenanordnung 70 aufweisen, welche etwa in einem umlaufenden Band 72 angeordnete Abdeckbereiche 74 aufweist. Die Blendenanordnung 70 wird bezüglich des Kathodenableiters 30 ortsfest verfahren, so dass nur bestimmte Bereiche des Kathodenableiters 30 freiliegen, wohingegen andere Bereiche des Kathodenableiters 30 durch die Abdeckbereiche 74 überdeckt sind. Die freiliegenden Bereiche, also die nicht durch Abdeckbereiche 784 bedeckten sondern nach oben zugänglichen Bereiche, können mit Aktivmaterial beschichtet werden und so die Kathodenbereiche 28 ausbilden, wohingegen die verdeckten Bereiche die Freibereiche 26 ausbilden können. Entsprechend kann ein Beschichten des Anodenableiters 22 erfolgen.
Beispielsweise durch eine derartige Ausgestaltung kann es auf einfache Weise ermöglicht werden, dass beispielsweise die Länge der Freibereiche 18, 26 derart gewählt wird, dass die die Biegebereiche 34 aufweisenden Freibereiche 18, 26 derart ausgestaltet sind, dass eine während eines Betriebs der Elektrodenanordnung 10 auftretende Volumenänderung der Anodenbereiche 20 und der Kathodenbereiche 28 durch eine Verformung der Freibereiche 18, 26 und des Separators 16 ausgleichbar ist.
Mit dem hier vorgestellten gewickelten Elektrodenstapel beziehungsweise der Elektrodenanordnung 10 und dem skizzierten Fertigungsverfahren ist es möglich, kostengünstig einen Hauptbestandteil der Batteriezelle herzustellen, der im Alterungsverhalten vergleichbar mit einem gestapelten Aufbau ist und für nicht zu dicke Zellen mit einer begrenzten Anzahl von Elektrodenlagen gegenüber gestapelten Zellen einen Volumenvorteil besitzt. Die Elektrodenanordnung 10 kann hierzu in ein Zellgehäuse eingesetzt, elektrisch angebunden und etwa mit einem Elektrolyten versehen werden.
Es wird eine kostengünstigere Produktion ermöglicht, da ein fortlaufendes Wickeln einer Elektrodenanordnungmöglich ist. Höhere oder gleiche Volumenausnutzung in einem Zellgehäuse wird ermöglicht gegenüber dem bloßen Übereinanderlegen von Elektrodenanordnungen durch den möglichen des Entfall Separator-Überlapps. Ferner wird eine geringere zyklische Alterung im Vergleich zum klassischen Wickel / Jelly-Roll möglich. Ferner wird eine bessere Eignung für mürbe Aktivmaterialbeschichtungen ermöglicht und ein geringere Alterung als bei herkömmlichen gewickelten Ausgestaltungen, da das Aktivmaterial nach dem Aufbringen auf die Ableiter 22, 30 insbesondre im Produktionsprozess nicht mehr gebogen/gewalkt wird und bei Atmen der Zelle Kräfte nur senkrecht zur Aktivmaterialausdehnung auftreten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2014/0050957 [0006]
US 2015/0372340 A1 [0007]

Claims

Elektrodenanordnung für eine Batteriezelle, mit einer Anodenanordnung (12), einer Kathodenanordnung (14) und einem zwischen Anodenanordnung (12) und Kathodenanordnung (14) angeordneten Separator (16), wobei die Anodenanordnung (12) einen Anodenableiter (22) aufweist, der eine Mehrzahl an voneinander durch unbeschichtete Freibereiche (18) beabstandete Anodenmaterialschichten (24) trägt, wobei der Anodenableiter (22) mit den Anodenmaterialschichten (24) Anodenbereiche (20) ausbildet, und wobei die Kathodenanordnung (14) einen Kathodenableiter (30) aufweist, der eine Mehrzahl an voneinander durch unbeschichtete Freibereiche (26) beabstandete Kathodenmaterialschichten (32) trägt, wobei der Kathodenableiter (30) mit den Kathodenmaterialschichten (32) Kathodenbereiche (28) ausbildet, wobei der Separator (16) und der Anodenableiter (22) und der Kathodenableiter (30) entlang der Anodenbereiche (12), entlang der Kathodenbereiche (14) und entlang der anodenseitigen und kathodenseitigen Freibereiche (18, 26) verläuft, und wobei die Elektrodenanordnung (10) ferner derart gewickelt ist, dass der Separator (16) und der Anodenableiter (22) und der Kathodenableiter (30) nur bei anodenseitigen Freibereichen (18) und kathodenseitigen Freibereichen (26) gebogene Biegebereiche (34) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die die Biegebereiche (34) aufweisenden Freibereiche (18, 26) derart ausgestaltet sind, dass eine während eines Betriebs der Elektrodenanordnung (10) auftretende Volumenänderung der Anodenbereiche (20) und der Kathodenbereiche (28) durch eine Verformung des Separators (16), des Anodenableiters (22) und des Kathodenableiters (30) an den Freibereichen (18,26) ausgleichbar ist.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine während eines Betriebs der Elektrodenanordnung (10) auftretende Volumenänderung der Anodenbereiche (20) und der Kathodenbereiche (28) ausgleichbar ist durch die Länge der Freibereiche (18, 26).
Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Volumenänderung der Anodenbereiche (20) und der Kathodenbereiche (28) in einem Bereich von größer als 0% bis kleiner oder gleich 10% ausgleichbar ist.
Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Längen der Freibereiche (18, 26) entlang der Länge der Elektrodenanordnung (10) variieren.
Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche zwischen zwei Anodenbereichen (20) oder zwischen zwei Kathodenbereichen (28) positionierte Freibereiche (18, 26) Biegebereiche (34) aufweisen.
Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenbereiche (20) und die Kathodenbereiche (28) gegenüberliegend angeordnet sind und dass die anodenseitigen Freibereiche (18) und die kathodenseitigen Freibereiche (26) gegenüberliegend angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenanordnung (10), aufweisend die Verfahrensschritte auf: a) Bereitstellen eines Separators (16); b) Bereitstellen einer Anodenanordnung (12), wobei die Anodenanordnung (12) einen Anodenableiter (22) aufweist, der eine Mehrzahl an voneinander durch unbeschichtete Freibereiche (18) beabstandete Anodenmaterialschichten (24) trägt, wobei der Anodenableiter (22) mit den Anodenmaterialschichten (24) Anodenbereiche (20) ausbildet; c) Bereitstellen einer Kathodenanordnung, wobei die Kathodenanordnung (14) einen Kathodenableiter (30) aufweist, der eine Mehrzahl an voneinander durch unbeschichtete Freibereiche (26) beabstandete Kathodenmaterialschichten (32) trägt, wobei der Kathodenableiter (30) mit den Kathodenmaterialschichten (32) Kathodenbereiche (28) ausbildet; und d) Wickeln des Separators (16) gemeinsam mit der Anodenanordnung (12) und der Kathodenanordnung (14) derart, dass Biegebereiche (34) nur in Freibereichen (16, 26) entstehen; wobei e) die die Biegebereiche (34) aufweisenden Freibereiche (18, 26) derart ausgestaltet werden, dass eine während eines Betriebs der Elektrodenanordnung (10) auftretende Volumenänderung der Anodenbereiche (20) und der Kathodenbereiche (28) durch eine Verformung des Separators (16), des Anodenableiters (22) und des Kathodenableiters (30) an den Freibereichen (18,26) ausgleichbar ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenbereiche (28) ausgebildet werden durch das lokal begrenzte Beschichten des Kathodenableiters (30) mit einer Kathodenmaterialschicht (32) und dass die Anodenbereiche (20) ausgebildet werden durch das lokal begrenzte Beschichten des Anodenableiters (22) mit einer Anodenmaterialschicht (24), wobei ein lokal begrenztes Beschichten des Kathodenableiters (30) oder des Anodenableiters (22) erfolgt unter Verwendung einer einen Verschlussmechanismus aufweisenden Beschichtungseinheit (48, 50, 60 ,62) oder unter Verwendung einer den Kathodenableiter (30) oder den Anodenableiter (22) teilweise bedeckenden Blendenanordnung (70).
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem der Verfahrensschritte b) und c) ein Umlenken, beispielsweise ein Umdrehen, des zumindest teilweise beschichteten Anodenableiters (22) oder des zumindest teilweise beschichteten Kathodenableiters (30) erfolgt unter Verwendung einer rotierbaren Umlenkeinheit (46), welche Abstützungen (52) aufweist, die in ihrer radialen Position bezüglich der Rotationsachse veränderbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte b) und c) erfolgen durch das Aneinanderlegen des Separators (16) mit einem teilweise mit einer Anodenmaterialschicht (24) beschichteten Anodenableiter (22) und mit einem teilweise mit einer Kathodenmaterialschicht (32) beschichteten Kathodenableiter (30).