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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Feinschlüssen in einer Elektrodenanordnung, einen Teststand sowie eine Fertigungslinie.
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Im Folgenden wird der Begriff „Lithiumionen-Batterie“ synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und Zellen verwendet, wie beispielsweise Lithium-Batterie, Lithium-Zelle, Lithiumionen-Zelle, Lithium-Polymer-Zelle, Lithiumionen-BatterieZelle und Lithiumionen-Akkumulator. Insbesondere sind wieder aufladbare Batterien (Sekundärbatterien) inbegriffen. Auch werden die Begriffe „Batterie“ und „elektrochemische Zelle“ synonym zu den Begriffen „Lithiumionen-Batterie“ und „Lithiumionen-Zelle“ genutzt. Die Lithiumionen-Batterie kann auch eine Festkörperbatterie sein, beispielsweise eine keramische oder polymerbasierte Festkörperbatterie.
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Elektrodenanordnungen sind Abfolgen von mindestens zwei verschiedenen Elektroden, zumindest einer positiven (Kathode) und zumindest einer negativen Elektrode (Anode). Jede dieser Elektroden weist zumindest ein Aktivmaterial auf, wahlweise zusammen mit Zusätzen wie Elektrodenbindern und Leitfähigkeitszusätzen.
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Zwischen jeder Kathode und Anode ist ein Separator zur elektrischen und mechanischen Isolation angeordnet. Der Separator ist jedoch für Ionen durchlässig, beispielsweise für Lithiumionen im Fall eines Separators einer Lithiumionenbatterie.
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Zur Herstellung von galvanischen Elementen, beispielsweise Lithiumionenbatterien, werden die Elektrodenanordnungen und Separatoren anschließend in ein Gehäuse verpackt, das mit Elektrolyt aufgefüllt wird. Aufgrund der Anwesenheit des Elektrolyten können Ionen während der Ladung bzw. Entladung des galvanischen Elements durch den Separator hindurchwandern.
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Eine allgemeine Beschreibung zur Lithiumionen-Technologie findet sich in Kapitel 9 (Lithium-Ionen-Zelle, Autor Thomas Wöhrle) des „Handbuchs Lithium-Ionen-Batterien“ (Herausgeber Reiner Korthauer, Springer, 2013) sowie in Kapitel 9 (Lithium-ion cell, Autor Thomas Wöhrle) des Buchs „Lithium-Ion Batteries: Basics and Applications“ (Editor Reiner Korthauer, Springer, 2018).
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Während der Herstellung des galvanischen Elements muss sichergestellt werden, dass die zumindest eine Kathode und die zumindest eine Anode durch den bzw. die Separatoren zuverlässig voneinander getrennt bleiben. Ist der Separator beschädigt oder nicht korrekt ausgerichtet, kann ein sogenannter Feinschluss auftreten, das heißt ein innerer Kurzschluss zwischen Kathode und Anode. In diesem Fall ist das galvanische Element nicht einsatzfähig und muss verworfen werden.
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Im Stand der Technik wird zur Detektion von derartigen Feinschlüssen der sogenannte „HiPot-Test“ verwendet. Beim HiPot-Test werden sehr hohe Spannungen von etwa 500 Volt an die Elektroden der zu überprüfenden Elektroden/Separator-Anordnung bzw. galvanischen Zelle angelegt. Stellt der Separator keine ausreichende Isolation her, beispielsweise durch eine verschobene Anordnung oder durch mechanische Beschädigungen des Separators, tritt bei diesen sehr hohen Spannungen trotz Separator ein Stromfluss auf, der detektiert werden kann, auch als Spannungsdurchschlag bezeichnet. In diesem Fall kann von einer Beschädigung der galvanischen Zelle ausgegangen werden. Wird der HiPot-Test nicht bestanden, werden die Elektroden/Separator-Anordnungen nicht weiterverarbeitet und verworfen.
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In modernen galvanischen Elementen, insbesondere in Lithiumionenbatterien, kommen verstärkt sogenannte „Non-Woven“-Separatoren zum Einsatz. Derartige Separatoren weisen einen Vliesstoff mit zumeist offener Porosität auf. Darunter versteht man, dass der Separator zumindest teilweise Poren aufweist, die sich entlang einer einzelnen Achse über die gesamte Dicke des Separators erstrecken. Entsprechend liegt eine gewinkelte oder Labyrinth-Porenstruktur allenfalls in geringem Umfang vor, zumindest nicht ausschließlich. Derartige Non-Woven-Separatoren sind kommerziell verfügbar und sind aus chemisch, mechanisch und elektrochemisch hochstabilen Fasern gebildet, beispielsweise aus Polyester (
DE 10 2009 0026 80 A1 ) oder Polyamid (
US 7 112 389 B1 ).
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Es hat sich gezeigt, dass bei Verwendung derartiger Separatoren mit offener Porosität unter Anwendung des herkömmlichen HiPot-Tests in vielen Fällen ein Feinschluss detektiert wird, selbst wenn der Separator nicht beschädigt und korrekt angeordnet ist. Es besteht daher ein Bedarf an alternativen Testverfahren, in denen auch bei Verwendung von stabilen Separatoren mit offener Porosität ein Feinschluss zuverlässig erkannt werden kann.
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Aus der
DE 102 07 070 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von galvanischen Elementen bekannt, bei denen Einzelzellen, aus denen Zellstapel für das galvanische Element gebildet werden sollen, als kleinste Einheit zunächst mittels einer Impedanzmessung überprüft werden. Dabei ist eine zerstörungsfreie 100%-Prüfung möglich. Als Einzelzellen kommen bei dieser Prüfung laminierte Zellen zum Einsatz. In derartigen laminierten Zellen, beispielsweise bekannt aus der
EP 1 261 048 B1 , sind die einzelnen Bestandteile, also Elektrode, Ableiter und Separator, beispielsweise mittels eines Kunststoffs fest und dauerhaft miteinander verbunden und können nicht zerstörungsfrei getrennt werden. Das vorgestellte Verfahren zeigt die Möglichkeit auf, dass Impedanzmessungen auch ohne Elektrolyt durchgeführt werden können, da durch Reststoffe aus dem Laminationsprozess eine ausreichende Kontaktierung der Elektroden und der Separatoren erzielt wird, um eine endliche Impedanz messbar zu machen. Jedoch eignet sich das Verfahren daher lediglich für laminierte Zellen bzw. Elektroden/Separatoren-Stapel aus mehreren laminierten Zellen. Elektrodenwickel können aus solchen laminierten Zellen nicht hergestellt werden, ohne eine Beschädigung zu riskieren.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitere Möglichkeit zur zuverlässigen Detektion von Feinschlüssen in Elektrodenanordnungen bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Detektion von Feinschlüssen in einer Elektrodenanordnung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Zunächst wird die Elektrodenanordnung mit mindestens einer Anode und mindestens einer Kathode bereitgestellt, wobei zwischen jeder Anode und Kathode ein Separator mit offener Porosität eingelegt ist. Anschließend wird die Impedanz der Elektrodenanordnung gemessen und die gemessene Impedanz mit einem Referenzwert verglichen. Ein Feinschluss wird detektiert, wenn die gemessene Impedanz vom Referenzwert abweicht. Die Elektrodenanordnung ist nicht laminiert und die Messung der Impedanz erfolgt vor dem Einbringen von Elektrolyt und einem Einbau der Elektrodenanordnung in ein galvanisches Element.
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Erfindungsgemäß werden keine laminierten Elektroden bzw. laminierten Zellen verwendet. Mit anderen Worten sind weder die Anode, die Kathode noch der Separator fest miteinander verbunden, sondern liegen lose aufeinander angeordnet vor. Ein Zusammenhalt der Komponenten wird daher insbesondere ausschließlich durch Haftreibung der einzelnen Bestandteile der Elektrodenanordnung gewährleistet.
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Die Erfinder haben erkannt, dass selbst in diesem Fall noch vor Einbau der Elektrodenanordnung in ein galvanisches Element und insbesondere vor Einfüllen von Elektrolyt eine endliche Impedanz gemessen werden kann, mittels der ein Feinschluss der Elektrodenanordnung zuverlässig detektiert werden kann. Das ist insoweit überraschend, als aufgrund der fehlenden Anbindung zwischen den Elektroden und den Separatoren Abstände und Lufteinschlüsse vorliegen können, die sehr hohe Grenzflächenwiderstände erzeugen und somit unendliche und somit nicht messbare Werte der Impedanz erwartet werden sollten. Auch liegen keine Rückstände von Laminationsprozessen vor, beispielsweise Restfeuchte, die eine entsprechende Leitfähigkeit hervorrufen sollte.
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Ein sekundärer positiver Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass Non-Woven-Separatoren auch in unlaminierten Anordnungen sicher auf Feinschluss getestet und freigegeben werden können. Dadurch braucht für einen Feinschlusstest nicht zwingend eine Lamination von Non-Woven Separatoren zu erfolgen, die oft unvorteilhaft durch den Laminationsprozess beeinträchtigt werden, insbesondere durch Einwirken von hohem Druck und Temperatur.
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Die offene Porosität des zumindest einen Separators ermöglicht es jedoch, auch in diesem Fall eine endliche Impedanz zu messen. Die Erfinder haben erkannt, dass die nicht vollständige elektrische Isolation derartiger Separatoren, anders als im konventionellen HiPoT-Test, unter Messbedingungen in einer Impedanzmessung vorteilhaft ausgenutzt werden können. Dabei sind für eine Impedanzmessung nur geringere Spannungen als für einen HiPot-Test notwendig, sodass sich zusätzlich der Energiebedarf und somit die Kosten des Testverfahrens reduzieren. Im konventionellen HiPoT-Test führt die nicht vollständige elektrische Isolation durch Separatoren mit offener Porosität zu einem Spannungsdurchschlag.
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Der Referenzwert kann im Vorfeld anhand von Elektrodenanordnungen, die eine korrekte Funktionalität aufweisen, vorbestimmt werden. Beispielsweise ist der Referenzwert ein Mittelwert der gemessenen Impedanzen von im Vorfeld vermessenen Elektrodenanordnungen mit korrekter Funktionalität. Der Referenzwert kann auch lediglich eine Untergrenze oder eine Obergrenze eines bekannten Bereichs von Impedanzwerten sein. Bei Bilayerzellen mit einer Elektrodenfläche von etwa 1800 mm2, einer Dicke von etwa 500 µm kann ein Referenzwert in der Größenordnung von etwa 40 kΩ erwartet werden, bei Messung mit einer Wechselspannung von etwa 1 kHz. Großflächige PHEV1-Wickelzellen mit einer Elektrodenfläche von etwa 8000 cm2 lassen einen Referenbereich von 80 bis 120 mΩ erwarten
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Auch kann erfindungsgemäß eine statistische Auswertung früherer Impedanzmessungen von bekannten Elektrodenanordnungen durchgeführt werden, um einen Messbereich zu definieren, in dem gemessene Impedanzwerte im Fall funktionsfähiger Elektrodenanordnungen liegen. In dieser Variante ist der Referenzwert ein Referenzbereich.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Messung der Impedanz vor Einbau der Elektrodenanordnung in ein Gehäuse und insbesondere vor Einfüllen eines Elektrolyten in das Gehäuse. Auf diese Weise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, die Elektrodenanordnung zu überprüfen, noch bevor diese in weiteren Arbeitsschritten verarbeitet wird. Somit können fehlerhafte Elektrodenanordnungen und mechanische Beschädigungen beispielsweise des Separators frühzeitig im Prozess erkannt und aussortiert werden. Dadurch verringert sich der Ausschuss in der Herstellung galvanischer Zellen und somit deren Herstellungskosten. Da sich leichte innere Feinschlüsse auch erst während der Lebensdauer der Zelle in der Anwendung bemerkbar machen können, erhöht sich auch die Zuverlässigkeit der Zelle.
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Das galvanische Element ist insbesondere eine Lithiumionenbatterie.
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In einer Variante wird ein Feinschluss nur detektiert, wenn die gemessene Impedanz um mehr als einen vorbestimmten Toleranzbereich vom Referenzwert abweicht. Beispielsweise kann als Toleranzbereich eine Abweichung von bis zu ±15% vom Referenzwert gewählt werden.
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Der Toleranzbereich kann analog zum Referenzwert durch vorherige Messung der Impedanz an Elektrodenanordnungen mit korrekter Funktionalität ermittelt werden. Insbesondere können mittels des Toleranzbereiches fertigungsbedingte Schwankungen berücksichtigt werden, die jedoch die korrekte Funktionalität der Elektrodenanordnung noch nicht in übermäßigem Maß negativ beeinflussen.
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Ist der Referenzwert lediglich eine Ober- oder Untergrenze, kann der Toleranzbereich eine Abweichung um einen vorgegebenen Prozentsatz über der Obergrenze bzw. unterhalb der Untergrenze sein, beispielsweise eine Abweichung von 5% über der Obergrenze bzw. unterhalb der Untergrenze.
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Ist der Referenzwert ein Mittelwert, der aus einer statistischen Analyse vorheriger Messungen ermittelt wurde, kann der Toleranzbereich ein vorgegebenes Vielfaches der Standardabweichung der Messwerte um den Referenzwert sein. Der zumindest eine Separator ist insbesondere ein Vliesstoff oder ein Papier. Vorzugsweise handelt es sich beim Separator insbesondere um einen „Non-Woven“-Separator. Derartige Separatoren können aus Kunststofffasern hergestellt werden, die mittels Extrusion aus Polymerschmelzen oder durch andere bekannte Verfahren der Faserherstellung gewonnen wurden. Als Fasern können Endlosfasern oder Stapelfasern zur Bildung der Vliesstoffe eingesetzt werden. Non-Woven-Separatoren, die zumindest teilweise aus Biopolymeren gebildet sind, sind aus der
DE 10 2014 205 234 A bekannt.
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Die als Separatoren eingesetzten Vliesstoffe können orientiert oder als Wirrgelege ausgebildet sein. Zur Vliesstoffherstellung können alle bekannten Verfahren, insbesondere Trockenverfahren, aerodynamische Verfahren wie Schmelz-Blasverfahren und Spunbond-Verfahren, Nassverfahren und Extrusionsverfahren verwendet werden. Die Vliesstoffe können in bekannter Weise mechanisch, chemisch oder thermisch verfestigt sein. Insbesondere müssen keine aufwendigen weiteren Verarbeitungsschritte, beispielsweise ein Strukturieren der Fasern, durchgeführt werden, um Non-Woven-Separatoren aus den Kunststofffasern herzustellen. Non-Woven-Separatoren können die mechanische, chemische, elektrochemische und thermische Stabilität der Elektrodenanordnung erhöhen.
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Ferner kann der zumindest eine Separator Fasern aus einem Kunststoff umfassen, der ausgewählt ist aus der Gruppe Polyimid, Polyester, Aramid, Copolymeren und Mischungen davon. Separatoren mit Fasern aus diesen Kunststoffen weisen eine, insbesondere im Vergleich zu Polyethylen und Polypropylen, erhöhte Schmelztemperatur und Durchstossfestigkeit auf, wodurch sich die Temperaturbeständigkeit und Zuverlässigkeit der Separatoren erhöht. Zusätzlich können diese Kunststoffe mit bekannten Verfahren aus Polymerschmelzen extrudiert werden.
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Der Separator hat insbesondere eine Dicke im Bereich von 8 bis 25 µm, bevorzugt von 10 bis 15 µm. Mit solch dünnen Separatoren können hohe spezifische Energien und Energiedichten in galvanischen Elementen erzielt werden, die eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung umfassen. Bei dünnen Separatoren ist es besonders wahrscheinlich, dass ein HiPot-Test falsch positiv Feinschlüsse anzeigt, sodass in diesem Fall das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft als Alternative genutzt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl auf Kleinstpouchzellen mit einer Elektrodenfläche von 2 x 4 cm als auch auf großflächige PHEV1-Zellen mit einer Elektrodenfläche von bis zu 15 x 480 cm (Wickel-PHEV1-Zelle) oder größer angewendet werden. Die zumindest eine Kathode und die zumindest eine Anode können somit in einer Variante eine Elektrodenfläche von mindestens 800 mm2 aufweisen, bevorzugt mindestens 5.000 mm2, weiter bevorzugt mindestens 7.000 mm2, mindestens 8.000 mm2 oder mindestens 10.000 mm2.
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Beispielhafte Elektrodenflächen liegen im Bereich von 800 mm2 bis 800.000 mm2, insbesondere im Bereich von 5.000 mm2 bis 20.000 mm2 oder 7.200 mm2 bis 16.200 mm2. Dementsprechend kann es sich bei den Elektroden der Elektrodenanordnung um vergleichsweise großflächige Elektroden handeln. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch für derartige Elektrodenflächen.
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Beispielhafte Abmessungen der Elektroden liegen im Bereich von 100 x 50 mm bis 200 x 100 mm, insbesondere von 120 x 60 mm bis 180 x 90 mm.
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Die Elektrodenanordnung umfasst insbesondere mindestens 5 Anoden und mindestens 5 Kathoden, bevorzugt mindestens 8 Anoden und mindestens 8 Kathoden. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Verfahren gerade auch für Elektrodenanordnungen mit einer hohen Anzahl von einzelnen Elektroden verwendet werden, die jeweils noch nicht fest miteinander verbunden und/oder von einem Elektrolyten durchtränkt sind. Dadurch wird es möglich, die noch lose verbundenen Elektrodenanordnungen wieder zumindest teilweise aufzutrennen, falls ein Feinschluss mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens detektiert wird. Auf diese Weise kann die fehlerhafte Kathode oder Anode bzw. der fehlerhafte Separator identifiziert werden, während die anderen Bestandteile der Elektrodenanordnung wiederverwendet werden können.
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In einer weiteren Variante, die bevorzugt zur Massenherstellung von Lithiumbatterien eingesetzt wird, kann jede einzelne Bilayerzelle aus genau einer Kathode und einer Anode mit genau einem Separator mit dem erfindungsgemäßen Verfahren getestet werden, bevor die Bilayerzellen zu einem Stapel zusammengesetzt werden. Als fehlerhaft erkannte Bilayerzellen können aussortiert und verworfen werden.
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Des Weiteren kann das galvanische Element ein Zellstapel oder ein Zellwickel sein. Da die einzelnen Elektroden der Elektrodenanordnung erfindungsgemäß noch nicht miteinander verbunden sind, insbesondere keine laminierten Einzelzellen verwendet werden, kann das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur für Zellstapel, sondern auch für Zellwickel benutzt werden. Somit können im Gegensatz zur Verwendung von laminierten Einzelzellen auch Zellwickel mittels Impedanzmessung zuverlässig überprüft werden.
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Die Messung der Impedanz kann mittels eines Wechselstroms oder einer Wechselspannung mit einer Frequenz im Bereich von 500 Hz bis 1,5 kHz erfolgen, insbesondere mit einer Frequenz von 1 kHz. Bei diesen Frequenzen kann sowohl eine kurze Messzeit als auch eine hohe Zuverlässigkeit der Impedanzmessung erzielt werden.
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Für die Messung der Impedanz kann der Real- und Imaginärteil der Impedanz und/oder der absolute Betrag der Impedanz verwendet werden. Mit anderen Worten kann ein phasensensitiver Wert und/oder ein Absolutwert der Impedanz verwendet werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird des Weiteren gelöst durch einen Teststand zur Überprüfung einer Elektrodenanordnung, der dazu eingerichtet ist, das zuvor beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Der Teststand kann insbesondere in eine Fertigungslinie zur Herstellung von galvanischen Elementen integriert sein, beispielsweise in eine Formationsanlage.
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Insbesondere weist der Teststand ein Sensormodul mit Kontakten zur Kontaktierung von Ableiterfahnen der Elektrodenanordnung auf.
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Ferner kann der Teststand ein Speichermodul und ein Auswertemodul umfassen. Das Speichermodul kann eine Historie von gemessenen Impedanzwerten speichern, um anhand der gespeicherten Werte eine statistische Auswertung durchführen zu können, beispielsweise um einen Referenzbereich für die Impedanzmessung zu bestimmen. Im Speichermodul kann auch der Referenzwert sowie der Toleranzbereich hinterlegt sein. Das Auswertemodul kann die vom Sensormodul gemessene Impedanz mit dem Referenzwert vergleichen.
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Zusätzlich kann der Teststand ein Kommunikationsmodul aufweisen, das zum Datenaustausch mit weiteren Bestandteilen der Fertigungslinie eingerichtet ist. Somit können festgestellte Feinschlüsse an weitere Vorrichtungen der Fertigungslinie gemeldet werden, die anschließend fehlerhafte Elektrodenanordnungen aussortieren oder weiterverarbeiten können.
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Die Erfindung wird des Weiteren gelöst durch eine Fertigungslinie mit einem Teststand der zuvor beschriebenen Art.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden sollen, und den Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Teststand in einer erfindungsgemäßen Fertigungslinie, und
- - 2 ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist ein Ausschnitt einer Fertigungslinie 10 zur Herstellung von galvanischen Elementen gezeigt.
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Die Fertigungslinie 10 umfasst ein Förderband 12, auf welchem sich eine Vielzahl von Elektrodenanordnungen 14 befinden.
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Die Elektrodenanordnungen 14 weisen lose aufeinander angeordnet mindestens eine Anode, mindestens eine Kathode und zwischen jeder Anode und Kathode einen Separator auf, wobei die gleiche Anzahl an Kathoden und Anoden in der Elektrodenanordnung 14 enthalten ist.
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In der gezeigten Ausführungsform umfasst jede der Elektrodenanordnungen 14 mindestens 50 Kathoden und mindestens 50 Anoden, bevorzugt mindestens 80 Kathoden und mindestens 80 Anoden, die als Zellstapel die Elektrodenanordnung 14 bilden. Grundsätzlich könnte es sich bei den Elektrodenanordnungen 14 jedoch auch um Zellwickel handeln.
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Jede Elektrodenanordnung 14 weist eine Kathoden-Ableiterfahne 16 und eine Anoden-Ableiterfahne 18 auf. Die Kathoden-Ableiterfahne 16 bzw. die Anoden-Ableiterfahne 18 ist als Sammelglied einzelner Ableiter der Kathoden bzw. Anoden ausgeführt, sodass über die Kathoden-Ableiterfahne 16 alle Kathoden und über die Anoden-Ableiterfahne 18 alle Anoden der jeweiligen Elektrodenanordnung 14 elektrisch kontaktiert werden können.
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Die Kathoden und die Anoden weisen jeweils zumindest ein Aktivmaterial auf.
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Grundsätzlich können für das Kathoden-Aktivmaterial alle aus dem Stand der Technik bekannten Materialien eingesetzt werden. Darunter fallen zum Beispiel LiCoO2, Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Verbindungen (unter der Abkürzung NCM bzw. NMC bekannt), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA), Lithium-Eisenphosphat und andere Olivinverbindungen sowie Lithium-Mangan-Oxid-Spinell (LMO). Auch sogenannte Over-Lithiated Layered Oxides (OLO) können eingesetzt werden.
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Das Kathoden-Aktivmaterial kann auch Mischungen aus zwei oder mehreren der genannten lithiumhaltigen Verbindungen enthalten.
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In der gezeigten Ausführungsform ist das Kathoden-Aktivmaterial NMC622 (LiNi0,6Mn0,2) n0,2Co0,2O2).
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Zusätzlich kann das Kathoden-Aktivmaterial weitere Zusätze aufweisen, beispielsweise Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltige Verbindungen, insbesondere Leitruß, Graphit, Carbon Nano Tubes (CNT) und/oder Graphen. Solche Zusätze können als Leitfähigkeitsmodifikatoren zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit innerhalb der Elektrode dienen.
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Ferner kann die Kathode ein Bindemittel (Elektroden-Binder) aufweisen, welches das Aktivmaterial und ggf. das Leitmaterial (wie Leitruß) zusammenhält und zudem an die Kollektorfolie bindet. Der Elektodenbinder kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluoropropylen-Co-Polymer (PVdF-HFP), Polyethylenoxid (PEO), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyacrylat, Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Carboxymethylcellulose (CMC), Mischungen und Copolymeren davon besteht.
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Das Anoden-Aktivmaterial kann ausgewählt sein aus der Gruppe, die aus Lithium-Metalloxiden, wie etwa Lithium-Titan-Oxid, Metalloxiden, wie Fe2O3, ZnO, ZnFe2O4, kohlenstoffhaltigen Materialien, wie etwa Graphit, synthetischer Graphit, Naturgraphit, Graphen, Mesokohlenstoff, dotierter Kohlenstoff, Hardcarbon, Softcarbon, Fullerenen, Mischungen aus Silizium und Kohlenstoff, Silizium, Siliziumsuboxid („SiO“), Siliziumlegierungen, Lithiumlegierungen und Mischungen davon besteht. Auch eine reine Lithium-Anode ist möglich.
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Als Elektrodenmaterial für die negative Elektrode können auch Niobpentoxid, Zinnlegierungen, Titandioxid, Titanate, Zinndioxid und Silizium eingesetzt werden.
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In der gezeigten Ausführungsform ist das Anoden-Aktivmaterial Graphit.
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Zusätzlich zum Anoden-Aktivmaterial kann die Anode weitere Komponenten und Zusätze aufweisen, wie beispielsweise einen Träger, ein Bindemittel oder Leitfähigkeitsverbesserer. Als weitere Komponenten und Zusätze können alle üblichen im Stand der Technik bekannten Verbindungen und Materialien eingesetzt werden.
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Die Separatoren sind „Non-Woven“-Separatoren mit offener Porosität und können Fasern aus einem Kunststoff umfassen, der ausgewählt ist aus der Gruppe Polyimid, Polyester, Aramid, Copolymeren und Mischungen davon.
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In der gezeigten Ausführungsform ist der Separator ein aus Polyesterfasern gebildeter Vliesstoff (Non-Woven).
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Die Fertigungslinie 10 umfasst ferner einen erfindungsgemäßen Teststand 20 zur Überprüfung der Elektrodenanordnungen 14.
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Der Teststand 20 umfasst ein Sensormodul 22, das mittels Kontakten 24 die Kathoden-Ableiterfahne 16 und die Anoden-Ableiterfahne 18 einer zu testenden Elektrodenanordnung 14 elektrisch kontaktieren und eine Impedanzmessung durchführen kann.
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Der Teststand 20 umfasst ferner ein Speichermodul 26, ein Auswertemodul 28 und ein Kommunikationsmodul 30.
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Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Detektion von Feinschlüssen in den Elektrodenanordnungen 14 beschrieben.
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Zunächst werden die Elektrodenanordnungen 14 bereitgestellt (Schritt S1 in 2).
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Das Förderband 12 ist dazu eingerichtet, die auf dem Förderband 12 angeordneten Elektrodenanordnungen 14 in die in 1 mit einem Pfeil A eingezeichnete Richtung zu bewegen.
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Somit wird jede der Elektrodenanordnungen 14 nacheinander auf die Höhe des zuvor beschriebenen Teststands 20 geführt, sodass die Kathoden-Ableiterfahne 16 und die Anoden-Ableiterfahne 18 der Elektrodenanordnung mittels der Kontakte 24 des Sensormoduls 22 elektrisch kontaktiert werden können.
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Anschließend führt das Sensormodul 22 eine Impedanzmessung der Elektrodenanordnung mit einem Wechselstrom einer Frequenz von 1 kHz durch (Schritt S2 in 2).
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Der gemessene Wert wird vom Sensormodul 22 an das Speichermodul 26 übermittelt, in welchem auch ein zuvor festgelegter Referenzwert hinterlegt ist.
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Daraufhin vergleicht das Auswertemodul 28 den im Speichermodul 26 enthaltenen gemessenen Wert mit dem Referenzwert. Weicht der gemessene Wert um mehr als einen ebenfalls im Speichermodul 26 gespeicherten, zuvor festgelegten Toleranzbereich vom Referenzwert ab, wird in der gezeigten Ausführungsform ein Feinschluss der Elektrodenanordnung 14 detektiert (Schritt S3 in 2).
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Ist dies der Fall, kann der Teststand 20 mittels des Kommunikationsmoduls 30 mit weiteren (nicht dargestellten) Vorrichtungen der Fertigungslinie 10 kommunizieren, welche die fehlerhafte Elektrodenanordnung 14 aussortieren. Dazu kann das Kommunikationsmodul 30 zur drahtlosen und/oder drahtgebundenen Kommunikation mit den weiteren Vorrichtungen der Fertigungslinie 10 eingerichtet sein.
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In Tabelle 1 ist ein Vergleich der erfindungsmäßen Impedanzmessung mit dem konventionellen „HiPoT“-Test gezeigt. Verglichen werden Elektrodenanordnungen mit je einer Kathode, einer Anode und einem Separator.
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Die Elektrodenanordnungen werden vor dem erstmaligen Laden in einem galvanischen Element mittels beider Testverfahren vermessen.
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Beim HiPoT-Test wird eine hohe Spannung von 500 V an die Elektrodenanordnung angelegt. Wird daraufhin ein Stromfluss detektiert, wird die entsprechende Elektrodenanordnung als fehlerhaft eingestuft.
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Wie in Tabelle 1 zu erkennen ist, werden im Fall des HiPoT-Tests alle zehn Elektrodenanordnungen vor dem Befüllen mit Elektrolyt und Formation als fehlerhaft eingestuft, während die gleichen Elektrodenanordnungen vom erfindungsgemäßen Verfahren mittels einer Impedanzmessung als funktionsfähig erkannt werden.
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Nachdem die Elektrodenanordnung in einem Gehäuse zu einem galvanischen Element verbaut, Elektrolyt eingefüllt und das galvanische Element formiert wurde, konnte in allen Fällen die korrekte Funktionalität der Elektrodenanordnung bestätigt werden.
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Somit erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren bei Verwendung eines Separators mit offener Porosität eine frühere und gleichzeitig zuverlässige Detektion von Feinschlüssen als es mit dem konventionellen HiPoT-Test möglich ist.
Tabelle 1: Vergleich HiPoT- und erfindungsgemäße Impedanzmessung.
| Testverfahren | HiPoT | Erfindungsgemäßes Verfahren |
| Zellaufbau | Kathode: NMC622 Anode: Graphit Separator: Polyester, Non-Woven | Kathode: NMC622 Anode: Graphit Separator: Polyester, Non-Woven |
| Anzahl | 10 | 10 |
| Feinschlussdetektion vor Formation | 10/10 | 0/10 |
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Die mit den getesteten Elektrodenanordnungen hergestellten galvanischen Elemente wurden nach Formation und einer Standzeit von 14 Tagen daraufhin überprüft, ob sich die Zellspannung im Vergleich zur erwarteten Selbstentladung weiter verringert. Alle zuvor mit dem erfindungsgemäßen Verfahren überprüften Zellen zeigten keinen Spannungsabfall und damit eine korrekte Funktionsweise.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009002680 A1 [0009]
- US 7112389 B1 [0009]
- DE 10207070 A1 [0011]
- EP 1261048 B1 [0011]
- DE 102014205234 A [0025]