電極スタックを製造する方法
電気化学式のエネルギー蓄積装置のための３つ又はそれ以上の層を備える電極スタック（１）を製造する方法において、電極スタック（１）が１つ又は複数のセパレータ層（２，２ａ，２ｂ）及び２つ又はそれ以上の電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）を有しており、電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）がそれぞれ第１の極性又は第２の極性を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極スタックを製造する方法、この方法により製造される電極スタック、このような電極スタックを少なくとも１つ備えた電気化学式のエネルギー蓄積装置、このような電気化学式のエネルギー蓄積装置を少なくとも１つ備えたバッテリに関する。本発明はリチウムイオンバッテリとの関連で説明する。本発明は、バッテリの型式に関わりなく適用することもできる。
【背景技術】
【０００２】
実際の充電容量が製造後に計算上の充電容量を下回っている、電気化学式のエネルギー蓄積装置が、従来技術により知られている。また、充電容量が作動中に減少していく電気化学式のエネルギー蓄積装置が知られている。
【０００３】
特許文献１には、セパレータがカソードやアノードよりも広い面積を有する、冒頭に述べたタイプの平板型セルが記載されている。この公知の平板型セルは、カソード及び／又はアノードが中に格納されたハウジング部分を有している。このハウジング部分は、セルを完成させるために、閉止材料によって相互に結合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ドイツ特許出願公開第１９９４３９６１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、電極スタックないしこれに付属する電気化学式のエネルギー蓄積装置の作動中にも、計算上の充電容量が引き続き維持される、電気化学式のエネルギー蓄積装置のための電極スタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このことは本発明によると、独立請求項の開示によって実現される。本発明の好ましい応用例は、従属請求項の対象となっている。請求項９は、本発明の方法によって製造される電極スタックを記載している。請求項１２は、このような電極スタックを少なくとも１つ備えた電気化学式のエネルギー蓄積装置を記載している。請求項１３は、本発明の電極スタックを備えた電気化学式のエネルギー蓄積装置を少なくとも１つ備えたバッテリを記載している。
【０００７】
本発明の方法は、電気化学式のエネルギー蓄積装置のための３つ又はそれ以上の層を有する電極スタックの製造に関する。電極スタックは１つ又はそれ以上のセパレータ層を有している。また電極スタックは、第１の極性又は第２の極性をそれぞれ有する、２つ又はそれ以上の電極プレートを有している。本発明によると、セパレータ層が特に電極プレート上に案内装置によって配置される。第１の極性の電極プレートが特にセパレータ層の上に配置される。電極スタックの１層、特にこの第１の極性の電極プレートが、第１の保持装置によって固定される。個々のステップは上述した順序又は請求項１のｃに続けてアルファベットの順序で行われるのが好ましく、次々と複数回行われるのが特に好ましい。
【０００８】
本発明でいう電極スタックは、特にエネルギーの蓄積と放出に用いられる装置を意味している。そのために電極スタックは少なくとも３つの層を有しており、その中には少なくとも１つの第１の極性の電極、第２の極性の電極、及びこれらの電極の間に配置されたセパレータがある。電極スタックの各層は薄壁状に構成されているのが好ましい。電極スタックの個々の層は、方形に構成されているのが特に好ましい。電極スタックの１つの層は、電極プレート又はセパレータ層として構成されているのが好ましい。電極スタックは、隣接する層に接触する層の面に対して垂直方向である主スタッキング方向に延びている。
【０００９】
本発明でいう電極プレートとは、特に電気エネルギーの放出及び／又は蓄積に用いられる装置を意味する。電極プレートに供給される電気エネルギーは、まず化学エネルギーに変換されて、化学エネルギーとして蓄積される。電極プレートには、中間格子板に格納されるイオンが一時的に供給されるのが好ましい。電気エネルギーの放出前に、電極プレートではまず蓄積されている化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。一時的に電子を蓄積及び／又は放出する電極プレートも設けられている。電極プレートは薄壁状であり、実質的に方形に構成されているのが好ましく、電極プレートは４つの仕切エッジを有している。
【００１０】
本発明でいうセパレータ又はセパレータ層とは、特に２つの電極プレートを相互に隔てる装置を意味している。１つのセパレータ層が、極性の異なる２つの電極プレートを隔てるのが好ましい。セパレート層は一時的に電解質を収容するのが好ましい。セパレータ層は、少なくとも一時的にリチウムイオンを収容するのが特に好ましい。セパレータ層は、電子に関して実質的にアイソレータとして作用するのが好ましい。セパレータ層は薄壁状かつプレート状に構成されているのが好ましい。セパレータ層の幾何学形状は、隣接する電極プレートの形状に対応しているのが好ましい。セパレータ層の仕切エッジの長さは、隣接する電極プレートの、特に平行に延びる対応する仕切エッジよりも長いのが特に好ましい。
【００１１】
本発明でいう電極プレートの極性とは、当該電極プレートが、当該電極プレートの上位の電気的な電圧源のプラス極又はマイナス極のいずれかと電気接続されていることを意味している。このとき電極プレートは、上位の電圧源のプラス極又はマイナス極のいずれかと接続されており、第１又は第２の極性を有している。第１の極性の電極プレートはアノードとして構成されるのが好ましく、第２の極性の電極プレートはカソードとして構成されるのが好ましい。ここで「アノード」という語は、充電された状態のときに負電荷をもつ電極を表している。
【００１２】
本発明でいう配置とは、１つのプロセスを意味しており、このときセパレータ層又は電極プレートが上位の電極スタックに供給される。セパレータ層又は電極プレートは、個々の層の仕切エッジが互いにほぼ平行に配置されるように、電極スタックに供給されるのが好ましい。セパレータ層又は電極プレートは、供給される層が隣接する層にほぼ全面的に接するように、電極スタックに供給されるのが好ましい。
【００１３】
本発明の意味において案内装置とは、電極スタックに供給される層を一時的に形状接合式及び／又は摩擦接合式に保持し、当該層を電極スタックへ供給して、電極スタックの層の上に配置する装置を意味している。案内装置は、層が電極スタックに配置された後にこれを解放するように設けられている。案内装置は把持装置として構成されているのが好ましい。案内装置は、特に反復精度を高めるために、自動化されているのが好ましい。案内装置はコンピュータ制御式であるのが好ましい。案内装置は、セパレータ層が一時的に挟まれる１組のローラ又はロールを有しているのが好ましい。その１組のローラの間隔が可変であるのが特に好ましい。
【００１４】
本発明でいう固定とは、電極スタック又はその層の意図しない変位が、抵抗を克服した後でなければ行われないことを意味している。固定は特に、自動式の案内装置又は供給装置が電極スタックにセパレータ層を適正に供給できるようにする役目を果たす。特に、直近に供給された層が電極スタックに対して相対的に事前設定された位置にないと、又は電極スタック全体が事前設定された位置にないと、供給されるべき層が電極スタックから少なくとも部分的に突き出すという危険がある。層又は電極スタックの固定により、個々の層の特に事前設定された位置の保持が改善される。
【００１５】
本発明でいう保持装置とは、特にスタックの層の固定又はスタック全体の固定に用いられる装置を意味している。保持装置は、電極スタックの層又は電極スタック全体に対して力を一時的に及ぼすのが好ましい。保持装置は自動化されているのが好ましい。保持装置は案内装置と連動するように設けられているのが好ましい。保持装置は、電極スタックの層の形状に合わせて適合化されているのが好ましい。保持装置は、固定プロセス中に電極スタックの層に作用する力が、当該層の耐えられる面押圧力に適合するように構成されているのが好ましい。保持装置は、電極プレートを固定するように設けられているのが好ましい。保持装置は、電極プレートへ一時的に力を及ぼすように設けられているのが好ましい。保持装置の幅は、電極スタックの層の幅に合わせて、特に電極プレートに合わせて、適合化されているのが好ましい。
【００１６】
本発明の方法に基づく電極スタックの製造により、電極スタックの第１の層に対する第２の層の相対的な位置決めが改善され、特に、電極スタックの各層の仕切エッジの平行性、及び隣接する層の実質的に全面的な相互被覆が改善される。本発明に基づく製造により、特に、電極プレートが隣接するセパレータ層から少なくとも部分的に突き出して延びることが回避される。セパレータ層が好ましくは隣接する電極プレートを超えて延びることによって、いわゆる沿面距離、すなわち電圧を通す各部分の間隔が長くなる。そのようにして特に、極性の異なる２つの電極プレートのそれぞれの仕切エッジの間の電流、いわゆる寄生電流が、その間に位置するセパレータ層によって低減される。極性の異なる電極プレートの各仕切エッジ間の電流は、特に、電極スタックに蓄積されたエネルギーの減少につながる。
【００１７】
極性の異なる電極プレートの各仕切エッジ間電流は、特に、該当する領域の局所的な加熱とエージングの進行につながる。
【００１８】
以上のようにして、本発明の方法に基づく電極スタックの製造により、エネルギー蓄積能力が改善され、蓄積されたエネルギーが大部分維持され、電極プレートのエージングが低減されて、根本的な課題が解決される。
【００１９】
以上のようにして、ガルバニ電池の内容物が漏出することが防止され、根本的な課題が解決される。
【００２０】
次に、本発明の好ましい応用例について説明する。
【００２１】
本方法は、特に５つ又はそれ以上の層を備える電極スタックを製造するのに用いられるのが好ましい。そのために本製造方法は、上述した各ステップに加えて実行される別のステップを有している。従って、セパレータ層が案内装置により、特にこれらの電極プレートのうちの１つの上に配置される。また第２の極性の電極プレートが、特にセパレータ層の上に配置される。さらに電極スタックの１つの層、特に第２の極性の電極プレートが、第２の保持装置によって固定される。さらに、第１又は第２の保持装置が電極スタックから取り外される。電極スタック内で２つの層の間にある保持装置が取り外されるのが好ましい。ステップｄ）からｇ）が、ステップｃ）に引き続いてアルファベット順に実行されるのが好ましい。２つの保持装置のうちの一方は、２つの保持装置のうちの他方が電極スタックの層を固定したときに初めて取り外されるのが好ましい。電極スタックの製造中に、両方の保持装置が反復して同時に固定を行うのが好ましい。電極スタックの製造中に、かつ第１の電極プレートの配置後に、少なくとも１つの保持装置が電極スタックの１つの層の固定を常時行うのが好ましい。そのようにして、電極スタックの製造中に、電極スタック又は電極スタックの固定された層の位置が常時保持されるという利点が得られる。これらの第１又は第２の保持装置のうちの一方又は双方を通じて、少なくとも電極プレートのうちの１つに対して、法線力がその都度一時的に及ぼされるのが好ましく、このとき法線力は電極プレートのうちの１つの面に対して垂直方向に作用する。
【００２２】
最初に第１の極性の電極プレートが配置され、次いでセパレータ層が配置され、次いで第２の極性の電極プレートが配置され、次いで別のセパレータ層が電極スタックに配置されるのが好ましい。そのようにして電極スタックにおいて、セパレータ層−第１の極性の電極プレート−セパレータ層−第２の極性の電極プレートという配列が成立する。
【００２３】
Ａ３ 案内装置は、少なくともステップａ）及びｄ）の間に、セパレータ層に対して引張力を及ぼすのが好ましい。それにより、セパレータ層を配置するときに折目が形成される危険、及び／又はセパレータ層と隣接する電極プレートとの間に空気が封入される危険が少なくなる。さらにこの引張力は、特に、セパレータ層と隣接する電極プレートとができる限り全面的に接触するようにするために用いられる。案内装置からセパレータ層に及ぼされる引張力は、セパレータ層ができる限り伸長しないように寸法決めされているのが好ましい。
【００２４】
Ａ４ この１つ又は複数の電極プレートは、ステップｂ）又はｅ）の間に、電極スタックの層と平行に延びる方向ベクトルで電極スタックへ供給されるのが好ましい。この１つ又は複数の電極プレートは、電極スタックの主スタッキング方向に対して垂直に配置された方向ベクトルで、側方から供給されるのが好ましい。この１つ又は複数の電極プレートは、側方から供給されるのが好ましい。極性の異なる電極プレートが異なる側から電極スタックに供給されるのが好ましい。電極スタックは１つの層の供給後に、かつ次の層の供給前に、事前設定された距離だけ主スタック方向に沿って変位するのが好ましい。それにより、次の層の供給を同一の運動ベクトルに沿って行えるという利点がある。主スタック方向に沿った電極スタックの変位中に、保持装置も同様に変位するのが好ましい。それにより保持装置は、特に電極スタックの変位中にも層へ、特に電極プレートへ、力を及ぼすことができる。電極スタックの製造が特にテーブルを備える収容装置を用いて行われる場合、この収容装置は高さ調節可能であるのが好ましい。電極スタックの１つの層が配置されてから、収容装置が事前設定された距離だけ変位し、特に降下する。この事前設定された距離は、その前に供給されるセパレータ層の壁厚に相当しているのが特に好ましい。このような一方又は双方の保持装置が、同じ収容装置に付属しているのが好ましい。このような一方又は双方の保持装置は、同じ収容装置と結合されているのが特に好ましい。
【００２５】
Ａ５ セパレータ層は、ステップａ）及び／又はｄ）の間に、その前に載置されたセパレータ層の折返しにより、案内装置によって配置されるのが好ましい。この場合、セパレータ層は隣接する電極プレートの仕切エッジの近傍で終わるのではなく、当該仕切エッジを大きく超えて延び、そのセパレータ層は隣接する電極プレートの少なくとも２倍の大きさに寸法決めされる。このときセパレータ層を形成するセパレータ材料は帯状に構成されており、セパレータ材料の表面は少なくとも電極プレートの表面の２倍の大きさに寸法決めされる。セパレータ材料は主伸張方向に沿って帯状に延びており、事前設定された幅を有している。このような事前設定された幅は、実質的に特に方形である隣接する電極プレートの幅の長さに実質的に相当する。セパレータ材料は、それぞれがセパレータ層として作用するように設けられた、実質的に方形である複数のセパレータ領域を有している。セパレータ材料は、第１のセパレータ領域が第１のセパレータ層として形成され、これに接する第２のセパレータ領域が第２のセパレータ層を形成するように、電極スタックに供給されるのが好ましい。これら第１及び第２のセパレータ領域は、折返し領域に沿って互いに接している。この折返し領域は隣接する２つの電極プレートの間で突き出しており、隣接する電極プレートの仕切エッジにほぼ沿って当該電極プレートに当接する。本発明でいうその前に配置されたセパレータ層の折返しとは、帯状のセパレータ材料をその前に配置されたセパレータ層の平面から折り曲げ、これに接するように配置された電極プレートの仕切エッジを中心として、当該電極プレートのまだ露出している表面に当接させることを意味している。帯状のセパレータ材料は、電極スタックの製作後に初めて切断されるのが好ましい。案内装置は、折返し中に、セパレータ層又はセパレータ材料に対して引張力を及ぼすのが好ましい。この引張力が及ぼされている間に、第１又は第２の保持装置がその前に配置された電極プレートに対して法線力を及ぼす。そのようにして、特に電極スタックの層の望ましくない変位が防止される。セパレータ層又はセパレータ材料は、この第１又は第２の保持装置を中心として折り返されるのが好ましい。このときこの第１又は第２の保持装置は、セパレータ材料の折返し領域に面する、その前に配置された電極プレートの仕切エッジと、実質的に同一平面上で終わっている。
【００２６】
Ａ６ セパレータ層又はセパレータ材料には、電極スタックへの配置の前又は途中に、第１の流体流が供給されるのが好ましい。第１の流体流は、セパレータ層又はセパレータ材料に沿って流れるのが好ましい。この流体流は、溶剤の気化、溶剤の供給、及び／又は熱エネルギーの供給に用いられるのが好ましい。流体流は電解質で帯電しているのが特に好ましい。この電解質はリチウムイオンを有しているのが好ましい。流体流は、溶剤、事前設定された温度の気体及び／又は粒子を有しているのが好ましい。流体流は、事前設定されたほぼ直角の角度でセパレータ材料又はセパレータ層の面に向けられる、帯電した溶剤ミストとして構成されているのが好ましい。
【００２７】
Ａ７ セパレータ層は、第１の供給装置から巻かれた状態から引き出されて電極スタックへ供給されるのが好ましい。本発明でいう第１の供給装置とは、セパレータ材料が収容されていて送出することができる装置を意味している。案内装置は、電極スタックと第１の供給装置との間でセパレータ材料に沿って配置される。第１の供給装置は、特に案内装置と共同してセパレータ層又はセパレータ材料に対する引張力を制限する役目をする駆動装置を有しているのが好ましい。案内装置の駆動装置と、第１の供給装置とが結合されているのが好ましい。第１の供給装置又は案内装置には、切断装置が付属しているのが好ましい。この切断装置は、電極スタックの完成後にセパレータ材料を特に切り離すように設けられる。
【００２８】
Ａ８ 電極プレートは電極スタックへの配置の前又は途中で第２の供給装置から取り出され、特に巻かれた状態から引き出され、特に切断装置で切断されるのが好ましい。本発明でいう第２の供給装置とは、第１の供給装置に対応する供給装置を意味しているが、第２の供給装置は、電極材料を収容して放出するように設けられている。電極プレートの切り離しは、それが電極スタックに配置される前に、個々の電極プレートを電極材料から切断する切断装置によって行われるのが好ましい。
【００２９】
切り離された電極プレートは、保管面の上に積み重ねられて供給に備えて準備されるのが好ましい。この保管面は、スタック装置内で高さ調節可能であるのが好ましい。保管面は、１つの電極プレートの取出後に事前設定された距離だけ上昇するのが好ましい。この事前設定された距離は、電極プレートの壁厚に相当しているのが好ましい。この保管面は、電極プレートの供給前にこの事前設定された距離だけ降下するのが好ましい。
【００３０】
極性の異なる電極プレートの材料の載置は、２つの異なる第２の供給装置から行われるのが好ましい。
【００３１】
本発明により製造される電極スタックは、電極スタックから溶剤を除去する乾燥装置へ移送されるのが好ましい。電極スタックは、形成された後に被覆部へ移送されるのが好ましい。
【００３２】
Ａ９ 本発明の方法に基づいて製造される電極スタックは、５つ又はそれ以上の実質的に方形の層を有しているのが好ましい。そのうち２つ又はそれ以上はセパレータ層である。これらの２つ又はそれ以上のセパレータ層は、極性の異なるそれぞれ２つの電極プレートの間に配置されている。この電極スタックは、これらの２つ又はそれ以上のセパレータ層が、ある領域でそれぞれ隣接する電極プレートを超えて延びることを特徴としている。これらの２つ又はそれ以上のセパレータ層は、それぞれ隣接する電極プレートを超えて回り込むように延びるのが好ましい。このことは特に、沿面距離を長くし、それにより極性の異なる電極プレートの仕切エッジ間の電流を減らすのに役立つ。セパレータ層が、極性の異なる隣接する電極プレートを超えて周回するように延びることにより、隣接するこれらの電極プレート間の絶縁区間が長くなる。従って、隣接するこれらの電極プレート間の電流が少なくなる。さらにこの電極スタックは、これらの２つ又はそれ以上のセパレータ層が一体的に構成されていることを特徴とする。これらの２つ又はそれ以上のセパレータ層は、折返し領域によって結合されている。折返し領域は、実質的に、これらのセパレータ層で包囲される電極プレートの仕切エッジの長さ全体に沿って延びている。このような全面的に包囲される仕切エッジにより、漏れ電流が交換されることがない。これらの２つ又はそれ以上のセパレータ層は、部分領域で０．０１ｍｍから１０ｍｍ、好ましくは１ｍｍから３ｍｍ、少なくとも１つの隣接する電極プレートを超えて延びているのが好ましい。これらの２つ又はそれ以上のセパレータ層は、それぞれ隣接する電極プレートを超えて周回するように延びているのが特に好ましい。
【００３３】
Ａ１０ 本発明によると、電子伝導性でなく、もしくは電子伝導性が低く、少なくとも部分的に物質透過性の支持体からなる、セパレータ又は１つ又はそれ以上のセパレータ層が使用されるのが好ましい。この支持体は、少なくとも一方の側に、無機材料がコーティングされているのが好ましい。少なくとも部分的に物質透過性の支持体としては、好ましくは不織布として構成された有機材料を使用するのが好ましい。その有機材料は、好ましくはポリマーを含み、特に好ましくはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を含み、イオン伝導性の無機材料でコーティングされているのが好ましく、さらに好ましくはこの無機材料は−４０℃から２００℃の温度範囲でイオン伝導性である。無機材料は、Ｚｒ，Ａｌ，Ｌｉのうちの少なくとも１つの元素を含む、酸化物、燐酸塩、硫酸塩、チタン酸塩、珪酸塩、アルミノ珪酸塩の群に属する少なくとも１つの化合物、特に好ましくは酸化ジルコンを含んでいるのが好ましい。イオン伝導性の無機材料は、１００ｎｍ未満の最大直径をもつ粒子を有しているのが好ましい。そのようなセパレータは、たとえばドイツのＥｖｏｎｉｋ ＡＧ社により商品名“Ｓｅｐａｒｉｏｎ”で販売されている。
【００３４】
Ａ１１ 電極スタックの少なくとも１つの電極は、特に好ましくは少なくとも１つのカソードは、式ＬｉＭＰＯ４で表される化合物を有しているのが好ましく、ここでＭは元素周期表の第１列の少なくとも１つの遷移金属カチオンである。遷移金属カチオンは、Ｍｎ，Ｆｅ，Ｎｉ及びＴｉ又はこれらの元素の組み合わせからなる群から選択されるのが好ましい。この化合物はオリビン構造を有しているのが好ましく、上位のオリビンを有しているのが好ましい。
【００３５】
Ａ１２ 本発明による電気化学式のエネルギー蓄積装置は、本発明の方法により製造された１つ又は複数の電極スタックを有しているのが好ましい。さらに、本発明による電気化学式のエネルギー蓄積装置は被覆部を有している。被覆部は、この１つ又は複数の電極スタックを取り囲むように設けられる。被覆部は、本発明に係る電極スタックの各層に相互に初期応力をかけるように設けられるのが好ましい。被覆部は、本発明による電極スタックのさまざまな層の表面に対して法線力を及ぼすのが好ましく、これらの層を相互に押し合わせる。被覆部は複合シートとして構成されているのが好ましい。
【００３６】
Ａ１３ バッテリは、本発明の方法により製造された１つ又は複数の電極スタックを備える２つ又はそれ以上の電気化学式のエネルギー蓄積装置を有しているのが好ましい。これらの複数の電気化学式のエネルギー蓄積装置は、直列回路及び／又は並列回路によって相互に接続されているのが好ましい。
【００３７】
本発明のその他の利点、構成要件、及び利用可能性は、図面に関連付けた以下の説明から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】電極スタックを製造する本発明の方法を、第１の時点で模式的に示す図である。
【図２】図１の方法の状態を後の時点で模式的に示す図である。
【図３】本発明のさらに別の方法による電極スタックの製造を、模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１は、本発明の方法に基づく電極スタックの製造を模式的に示している。電極スタック及びその他の装置は、実際の寸法や間隔を無視して図示されている。図示されているのは第１の時点での方法である。
【００４０】
昇降テーブル２３の上で製造される電極スタック１が示されている。電極スタック１は、複数のセパレータ層２，２ａと、第１の極性の複数の電極３，３ａと、第２の極性の複数の電極４，４ａとを有している。
【００４１】
第２の極性の電極プレート４，４ａは、供給のために保管面２１の上に準備されており、図示しない供給装置によって電極スタック１へ供給される。第２の極性の電極プレート３，３ａの準備は図示していない。セパレータ材料２ｂはセパレータロール８ａから巻かれた状態から引き出され、案内ロールを備えた案内装置５によって電極スタック１へ供給される。最後に供給されたセパレータ層２は、第１の極性の電極プレート３で覆われている。この電極プレート３は、第１の保持装置６により及ぼされる力で付勢されている。
【００４２】
図示した状態では、電極スタック１の層の固定のステップが、特に電極プレート３の固定のステップが、保持装置６により実行されている。案内装置５は、ちょうどセパレータ層２を電極プレート３の上に配置し始めたところである。案内装置５の案内ロールがセパレータ材料に沿って事前設定された距離を転動してから、各ロールがロックされ、又はその相互間隔が狭められる。引き続き、案内装置５は次のセパレータ層２ｂを載せていく。このとき案内装置５は、この次のセパレータ層又はセパレータ材料２ｂに対して引張力を及ぼす。抑え具６により、この引張力が電極スタック１を崩すことが防止される。セパレータロール８ａからの以後のセパレータ層２ｂの巻かれた状態からの引き出しは、その運動を案内ロール５の運動と連係させながら行われる。案内装置５に達する前に、セパレータ材料２ｂには電解質ミスト７が吹付けられる。
【００４３】
図２は、図１の方法を後の時点で示している。この直前に、第２の極性の電極プレート４ａが電極スタック１の上に配置されている。このとき、電極プレート４ａに対して第２の保持装置６ａにより法線力が及ぼされている。次のステップでは、案内装置５が次のセパレータ層２ｂを電極スタックの上に配置する。このときセパレータ層２ｂはセパレータ層２ａから折り返される。引き続き、第１の保持装置６が電極スタックから引き出される。電極プレート４ａを配置するために、昇降テーブル２３は、セパレータ層２ａと電極プレート４ａとの合計の壁厚に実質的に相当する距離だけ降下している。
【００４４】
図３は、昇降テーブル２３の上に積層された電極スタック１の、本例では符号３ｄで示す電極プレートの配置を模式的に示している。第２の極性の電極プレートの供給、及びセパレータ層の供給は図示していない。電極スタックの他方の側からの、第２の極性の電極プレートの供給を行うのが好都合かつ発明的である（破線で示す電極プレートと把持具を参照）。
【００４５】
第１の極性の電極プレートを供給するために、プレート材料３ａが電極ロール８ａから巻かれた状態から引き出される。高さ調節可能な保管面２１の上で、分離ハサミ９によって電極プレート３ｂの切り離しが行われる。把持具２２が電極プレート３ｃを昇降テーブル２３又は電極スタック１へ供給する。保管面２１とテーブル２３の高さは、把持具２２の経路が電極スタック１の主スタッキング方向の成分を有さないように選択されるのが好ましい。抑え具６は、このとき、昇降テーブル２３の表面の方向で、電極プレート３ｄの表面に対して垂直方向の力を及ぼしている。
【００４６】
電極プレート３ｂが保管面２１から取り出された後、保管面は電極プレート３ｂの壁厚に応じて上昇する。電極プレート３ｄが載せられた後、昇降テーブル２３は電極プレート３ｄの壁厚に応じて降下する。
【００４７】
装置８ａ，９，２１，２２，６及び２３の運動は、上位の制御部によって制御される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極スタックを製造する方法、この方法により製造される電極スタック、このような電極スタックを少なくとも１つ備えた電気化学式のエネルギー蓄積装置、このような電気化学式のエネルギー蓄積装置を少なくとも１つ備えたバッテリに関する。本発明はリチウムイオンバッテリとの関連で説明する。本発明は、バッテリの型式に関わりなく適用することもできる。
【背景技術】
【０００２】
実際の充電容量が製造後に計算上の充電容量を下回っている、電気化学式のエネルギー蓄積装置が、従来技術により知られている。また、充電容量が作動中に減少していく電気化学式のエネルギー蓄積装置が知られている。
【０００３】
特許文献１には、セパレータがカソードやアノードよりも広い面積を有する、冒頭に述べたタイプの平板型セルが記載されている。この公知の平板型セルは、カソード及び／又はアノードが中に格納されたハウジング部分を有している。このハウジング部分は、セルを完成させるために、閉止材料によって相互に結合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ドイツ特許出願公開第１９９４３９６１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、電極スタックないしこれに付属する電気化学式のエネルギー蓄積装置の作動中にも、計算上の充電容量が引き続き維持される、電気化学式のエネルギー蓄積装置のための電極スタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このことは本発明によると、独立請求項の開示によって実現される。本発明の好ましい応用例は、従属請求項の対象となっている。請求項９は、本発明の方法によって製造される電極スタックを記載している。請求項１２は、このような電極スタックを少なくとも１つ備えた電気化学式のエネルギー蓄積装置を記載している。請求項１３は、本発明の電極スタックを備えた電気化学式のエネルギー蓄積装置を少なくとも１つ備えたバッテリを記載している。
【０００７】
本発明の方法は、電気化学式のエネルギー蓄積装置のための３つ又はそれ以上の層を有する電極スタックの製造に関する。電極スタックは１つ又はそれ以上のセパレータ層を有している。また電極スタックは、第１の極性又は第２の極性をそれぞれ有する、２つ又はそれ以上の電極プレートを有している。本発明によると、セパレータ層が特に電極プレート上に案内装置によって配置される。第１の極性の電極プレートが特にセパレータ層の上に配置される。電極スタックの１層、特にこの第１の極性の電極プレートが、第１の保持装置によって固定される。個々のステップは上述した順序又は請求項１のｃに続けてアルファベットの順序で行われるのが好ましく、次々と複数回行われるのが特に好ましい。
【０００８】
本発明でいう電極スタックは、特にエネルギーの蓄積と放出に用いられる装置を意味している。そのために電極スタックは少なくとも３つの層を有しており、その中には少なくとも１つの第１の極性の電極、第２の極性の電極、及びこれらの電極の間に配置されたセパレータがある。電極スタックの各層は薄壁状に構成されているのが好ましい。電極スタックの個々の層は、方形に構成されているのが特に好ましい。電極スタックの１つの層は、電極プレート又はセパレータ層として構成されているのが好ましい。電極スタックは、隣接する層に接触する層の面に対して垂直方向である主スタッキング方向に延びている。
【０００９】
本発明でいう電極プレートとは、特に電気エネルギーの放出及び／又は蓄積に用いられる装置を意味する。電極プレートに供給される電気エネルギーは、まず化学エネルギーに変換されて、化学エネルギーとして蓄積される。電極プレートには、中間格子板に格納されるイオンが一時的に供給されるのが好ましい。電気エネルギーの放出前に、電極プレートではまず蓄積されている化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。一時的に電子を蓄積及び／又は放出する電極プレートも設けられている。電極プレートは薄壁状であり、実質的に方形に構成されているのが好ましく、電極プレートは４つの仕切エッジを有している。
【００１０】
本発明でいうセパレータ又はセパレータ層とは、特に２つの電極プレートを相互に隔てる装置を意味している。１つのセパレータ層が、極性の異なる２つの電極プレートを隔てるのが好ましい。セパレート層は一時的に電解質を収容するのが好ましい。セパレータ層は、少なくとも一時的にリチウムイオンを収容するのが特に好ましい。セパレータ層は、電子に関して実質的にアイソレータとして作用するのが好ましい。セパレータ層は薄壁状かつプレート状に構成されているのが好ましい。セパレータ層の幾何学形状は、隣接する電極プレートの形状に対応しているのが好ましい。セパレータ層の仕切エッジの長さは、隣接する電極プレートの、特に平行に延びる対応する仕切エッジよりも長いのが特に好ましい。
【００１１】
本発明でいう電極プレートの極性とは、当該電極プレートが、当該電極プレートの上位の電気的な電圧源のプラス極又はマイナス極のいずれかと電気接続されていることを意味している。このとき電極プレートは、上位の電圧源のプラス極又はマイナス極のいずれかと接続されており、第１又は第２の極性を有している。第１の極性の電極プレートはアノードとして構成されるのが好ましく、第２の極性の電極プレートはカソードとして構成されるのが好ましい。ここで「アノード」という語は、充電された状態のときに負電荷をもつ電極を表している。
【００１２】
本発明でいう配置とは、１つのプロセスを意味しており、このときセパレータ層又は電極プレートが上位の電極スタックに供給される。セパレータ層又は電極プレートは、個々の層の仕切エッジが互いにほぼ平行に配置されるように、電極スタックに供給されるのが好ましい。セパレータ層又は電極プレートは、供給される層が隣接する層にほぼ全面的に接するように、電極スタックに供給されるのが好ましい。
【００１３】
本発明の意味において案内装置とは、電極スタックに供給される層を一時的に形状接合式及び／又は摩擦接合式に保持し、当該層を電極スタックへ供給して、電極スタックの層の上に配置する装置を意味している。案内装置は、層が電極スタックに配置された後にこれを解放するように設けられている。案内装置は把持装置として構成されているのが好ましい。案内装置は、特に反復精度を高めるために、自動化されているのが好ましい。案内装置はコンピュータ制御式であるのが好ましい。案内装置は、セパレータ層が一時的に挟まれる１組のローラ又はロールを有しているのが好ましい。その１組のローラの間隔が可変であるのが特に好ましい。
【００１４】
本発明でいう固定とは、電極スタック又はその層の意図しない変位が、抵抗を克服した後でなければ行われないことを意味している。固定は特に、自動式の案内装置又は供給装置が電極スタックにセパレータ層を適正に供給できるようにする役目を果たす。特に、直近に供給された層が電極スタックに対して相対的に事前設定された位置にないと、又は電極スタック全体が事前設定された位置にないと、供給されるべき層が電極スタックから少なくとも部分的に突き出すという危険がある。層又は電極スタックの固定により、個々の層の特に事前設定された位置の保持が改善される。
【００１５】
本発明でいう保持装置とは、特にスタックの層の固定又はスタック全体の固定に用いられる装置を意味している。保持装置は、電極スタックの層又は電極スタック全体に対して力を一時的に及ぼすのが好ましい。保持装置は自動化されているのが好ましい。保持装置は案内装置と連動するように設けられているのが好ましい。保持装置は、電極スタックの層の形状に合わせて適合化されているのが好ましい。保持装置は、固定プロセス中に電極スタックの層に作用する力が、当該層の耐えられる面押圧力に適合するように構成されているのが好ましい。保持装置は、電極プレートを固定するように設けられているのが好ましい。保持装置は、電極プレートへ一時的に力を及ぼすように設けられているのが好ましい。保持装置の幅は、電極スタックの層の幅に合わせて、特に電極プレートに合わせて、適合化されているのが好ましい。
【００１６】
本発明の方法に基づく電極スタックの製造により、電極スタックの第１の層に対する第２の層の相対的な位置決めが改善され、特に、電極スタックの各層の仕切エッジの平行性、及び隣接する層の実質的に全面的な相互被覆が改善される。本発明に基づく製造により、特に、電極プレートが隣接するセパレータ層から少なくとも部分的に突き出して延びることが回避される。セパレータ層が好ましくは隣接する電極プレートを超えて延びることによって、いわゆる沿面距離、すなわち電圧を通す各部分の間隔が長くなる。そのようにして特に、極性の異なる２つの電極プレートのそれぞれの仕切エッジの間の電流、いわゆる寄生電流が、その間に位置するセパレータ層によって低減される。極性の異なる電極プレートの各仕切エッジ間の電流は、特に、電極スタックに蓄積されたエネルギーの減少につながる。
【００１７】
極性の異なる電極プレートの各仕切エッジ間電流は、特に、該当する領域の局所的な加熱とエージングの進行につながる。
【００１８】
以上のようにして、本発明の方法に基づく電極スタックの製造により、エネルギー蓄積能力が改善され、蓄積されたエネルギーが大部分維持され、電極プレートのエージングが低減されて、根本的な課題が解決される。
【００１９】
以上のようにして、ガルバニ電池の内容物が漏出することが防止され、根本的な課題が解決される。
【００２０】
次に、本発明の好ましい応用例について説明する。
【００２１】
本方法は、特に５つ又はそれ以上の層を備える電極スタックを製造するのに用いられるのが好ましい。そのために本製造方法は、上述した各ステップに加えて実行される別のステップを有している。従って、セパレータ層が案内装置により、特にこれらの電極プレートのうちの１つの上に配置される。また第２の極性の電極プレートが、特にセパレータ層の上に配置される。さらに電極スタックの１つの層、特に第２の極性の電極プレートが、第２の保持装置によって固定される。さらに、第１又は第２の保持装置が電極スタックから取り外される。電極スタック内で２つの層の間にある保持装置が取り外されるのが好ましい。ステップｄ）からｇ）が、ステップｃ）に引き続いてアルファベット順に実行されるのが好ましい。２つの保持装置のうちの一方は、２つの保持装置のうちの他方が電極スタックの層を固定したときに初めて取り外されるのが好ましい。電極スタックの製造中に、両方の保持装置が反復して同時に固定を行うのが好ましい。電極スタックの製造中に、かつ第１の電極プレートの配置後に、少なくとも１つの保持装置が電極スタックの１つの層の固定を常時行うのが好ましい。そのようにして、電極スタックの製造中に、電極スタック又は電極スタックの固定された層の位置が常時保持されるという利点が得られる。これらの第１又は第２の保持装置のうちの一方又は双方を通じて、少なくとも電極プレートのうちの１つに対して、法線力がその都度一時的に及ぼされるのが好ましく、このとき法線力は電極プレートのうちの１つの面に対して垂直方向に作用する。
【００２２】
最初に第１の極性の電極プレートが配置され、次いでセパレータ層が配置され、次いで第２の極性の電極プレートが配置され、次いで別のセパレータ層が電極スタックに配置されるのが好ましい。そのようにして電極スタックにおいて、セパレータ層−第１の極性の電極プレート−セパレータ層−第２の極性の電極プレートという配列が成立する。
【００２３】
Ａ３ 案内装置は、少なくともステップａ）及びｄ）の間に、セパレータ層に対して引張力を及ぼすのが好ましい。それにより、セパレータ層を配置するときに折目が形成される危険、及び／又はセパレータ層と隣接する電極プレートとの間に空気が封入される危険が少なくなる。さらにこの引張力は、特に、セパレータ層と隣接する電極プレートとができる限り全面的に接触するようにするために用いられる。案内装置からセパレータ層に及ぼされる引張力は、セパレータ層ができる限り伸長しないように寸法決めされているのが好ましい。
【００２４】
Ａ４ この１つ又は複数の電極プレートは、ステップｂ）又はｅ）の間に、電極スタックの層と平行に延びる方向ベクトルで電極スタックへ供給されるのが好ましい。この１つ又は複数の電極プレートは、電極スタックの主スタッキング方向に対して垂直に配置された方向ベクトルで、側方から供給されるのが好ましい。この１つ又は複数の電極プレートは、側方から供給されるのが好ましい。極性の異なる電極プレートが異なる側から電極スタックに供給されるのが好ましい。電極スタックは１つの層の供給後に、かつ次の層の供給前に、事前設定された距離だけ主スタック方向に沿って変位するのが好ましい。それにより、次の層の供給を同一の運動ベクトルに沿って行えるという利点がある。主スタック方向に沿った電極スタックの変位中に、保持装置も同様に変位するのが好ましい。それにより保持装置は、特に電極スタックの変位中にも層へ、特に電極プレートへ、力を及ぼすことができる。電極スタックの製造が特にテーブルを備える収容装置を用いて行われる場合、この収容装置は高さ調節可能であるのが好ましい。電極スタックの１つの層が配置されてから、収容装置が事前設定された距離だけ変位し、特に降下する。この事前設定された距離は、その前に供給されるセパレータ層の壁厚に相当しているのが特に好ましい。このような一方又は双方の保持装置が、同じ収容装置に付属しているのが好ましい。このような一方又は双方の保持装置は、同じ収容装置と結合されているのが特に好ましい。
【００２５】
Ａ５ セパレータ層は、ステップａ）及び／又はｄ）の間に、その前に載置されたセパレータ層の折返しにより、案内装置によって配置されるのが好ましい。この場合、セパレータ層は隣接する電極プレートの仕切エッジの近傍で終わるのではなく、当該仕切エッジを大きく超えて延び、そのセパレータ層は隣接する電極プレートの少なくとも２倍の大きさに寸法決めされる。このときセパレータ層を形成するセパレータ材料は帯状に構成されており、セパレータ材料の表面は少なくとも電極プレートの表面の２倍の大きさに寸法決めされる。セパレータ材料は主伸張方向に沿って帯状に延びており、事前設定された幅を有している。このような事前設定された幅は、実質的に特に方形である隣接する電極プレートの幅の長さに実質的に相当する。セパレータ材料は、それぞれがセパレータ層として作用するように設けられた、実質的に方形である複数のセパレータ領域を有している。セパレータ材料は、第１のセパレータ領域が第１のセパレータ層として形成され、これに接する第２のセパレータ領域が第２のセパレータ層を形成するように、電極スタックに供給されるのが好ましい。これら第１及び第２のセパレータ領域は、折返し領域に沿って互いに接している。この折返し領域は隣接する２つの電極プレートの間で突き出しており、隣接する電極プレートの仕切エッジにほぼ沿って当該電極プレートに当接する。本発明でいうその前に配置されたセパレータ層の折返しとは、帯状のセパレータ材料をその前に配置されたセパレータ層の平面から折り曲げ、これに接するように配置された電極プレートの仕切エッジを中心として、当該電極プレートのまだ露出している表面に当接させることを意味している。帯状のセパレータ材料は、電極スタックの製作後に初めて切断されるのが好ましい。案内装置は、折返し中に、セパレータ層又はセパレータ材料に対して引張力を及ぼすのが好ましい。この引張力が及ぼされている間に、第１又は第２の保持装置がその前に配置された電極プレートに対して法線力を及ぼす。そのようにして、特に電極スタックの層の望ましくない変位が防止される。セパレータ層又はセパレータ材料は、この第１又は第２の保持装置を中心として折り返されるのが好ましい。このときこの第１又は第２の保持装置は、セパレータ材料の折返し領域に面する、その前に配置された電極プレートの仕切エッジと、実質的に同一平面上で終わっている。
【００２６】
Ａ６ セパレータ層又はセパレータ材料には、電極スタックへの配置の前又は途中に、第１の流体流が供給されるのが好ましい。第１の流体流は、セパレータ層又はセパレータ材料に沿って流れるのが好ましい。この流体流は、溶剤の気化、溶剤の供給、及び／又は熱エネルギーの供給に用いられるのが好ましい。流体流は電解質で帯電しているのが特に好ましい。この電解質はリチウムイオンを有しているのが好ましい。流体流は、溶剤、事前設定された温度の気体及び／又は粒子を有しているのが好ましい。流体流は、事前設定されたほぼ直角の角度でセパレータ材料又はセパレータ層の面に向けられる、帯電した溶剤ミストとして構成されているのが好ましい。
【００２７】
Ａ７ セパレータ層は、第１の供給装置から巻かれた状態から引き出されて電極スタックへ供給されるのが好ましい。本発明でいう第１の供給装置とは、セパレータ材料が収容されていて送出することができる装置を意味している。案内装置は、電極スタックと第１の供給装置との間でセパレータ材料に沿って配置される。第１の供給装置は、特に案内装置と共同してセパレータ層又はセパレータ材料に対する引張力を制限する役目をする駆動装置を有しているのが好ましい。案内装置の駆動装置と、第１の供給装置とが結合されているのが好ましい。第１の供給装置又は案内装置には、切断装置が付属しているのが好ましい。この切断装置は、電極スタックの完成後にセパレータ材料を特に切り離すように設けられる。
【００２８】
Ａ８ 電極プレートは電極スタックへの配置の前又は途中で第２の供給装置から取り出され、特に巻かれた状態から引き出され、特に切断装置で切断されるのが好ましい。本発明でいう第２の供給装置とは、第１の供給装置に対応する供給装置を意味しているが、第２の供給装置は、電極材料を収容して放出するように設けられている。電極プレートの切り離しは、それが電極スタックに配置される前に、個々の電極プレートを電極材料から切断する切断装置によって行われるのが好ましい。
【００２９】
切り離された電極プレートは、保管面の上に積み重ねられて供給に備えて準備されるのが好ましい。この保管面は、スタック装置内で高さ調節可能であるのが好ましい。保管面は、１つの電極プレートの取出後に事前設定された距離だけ上昇するのが好ましい。この事前設定された距離は、電極プレートの壁厚に相当しているのが好ましい。この保管面は、電極プレートの供給前にこの事前設定された距離だけ降下するのが好ましい。
【００３０】
極性の異なる電極プレートの材料の載置は、２つの異なる第２の供給装置から行われるのが好ましい。
【００３１】
本発明により製造される電極スタックは、電極スタックから溶剤を除去する乾燥装置へ移送されるのが好ましい。電極スタックは、形成された後に被覆部へ移送されるのが好ましい。
【００３２】
Ａ９ 本発明の方法に基づいて製造される電極スタックは、５つ又はそれ以上の実質的に方形の層を有しているのが好ましい。そのうち２つ又はそれ以上はセパレータ層である。これらの２つ又はそれ以上のセパレータ層は、極性の異なるそれぞれ２つの電極プレートの間に配置されている。この電極スタックは、これらの２つ又はそれ以上のセパレータ層が、ある領域でそれぞれ隣接する電極プレートを超えて延びることを特徴としている。これらの２つ又はそれ以上のセパレータ層は、それぞれ隣接する電極プレートを超えて回り込むように延びるのが好ましい。このことは特に、沿面距離を長くし、それにより極性の異なる電極プレートの仕切エッジ間の電流を減らすのに役立つ。セパレータ層が、極性の異なる隣接する電極プレートを超えて周回するように延びることにより、隣接するこれらの電極プレート間の絶縁区間が長くなる。従って、隣接するこれらの電極プレート間の電流が少なくなる。さらにこの電極スタックは、これらの２つ又はそれ以上のセパレータ層が一体的に構成されていることを特徴とする。これらの２つ又はそれ以上のセパレータ層は、折返し領域によって結合されている。折返し領域は、実質的に、これらのセパレータ層で包囲される電極プレートの仕切エッジの長さ全体に沿って延びている。このような全面的に包囲される仕切エッジにより、漏れ電流が交換されることがない。これらの２つ又はそれ以上のセパレータ層は、部分領域で０．０１ｍｍから１０ｍｍ、好ましくは１ｍｍから３ｍｍ、少なくとも１つの隣接する電極プレートを超えて延びているのが好ましい。これらの２つ又はそれ以上のセパレータ層は、それぞれ隣接する電極プレートを超えて周回するように延びているのが特に好ましい。
【００３３】
Ａ１０ 本発明によると、電子伝導性でなく、もしくは電子伝導性が低く、少なくとも部分的に物質透過性の支持体からなる、セパレータ又は１つ又はそれ以上のセパレータ層が使用されるのが好ましい。この支持体は、少なくとも一方の側に、無機材料がコーティングされているのが好ましい。少なくとも部分的に物質透過性の支持体としては、好ましくは不織布として構成された有機材料を使用するのが好ましい。その有機材料は、好ましくはポリマーを含み、特に好ましくはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を含み、イオン伝導性の無機材料でコーティングされているのが好ましく、さらに好ましくはこの無機材料は−４０℃から２００℃の温度範囲でイオン伝導性である。無機材料は、Ｚｒ，Ａｌ，Ｌｉのうちの少なくとも１つの元素を含む、酸化物、燐酸塩、硫酸塩、チタン酸塩、珪酸塩、アルミノ珪酸塩の群に属する少なくとも１つの化合物、特に好ましくは酸化ジルコンを含んでいるのが好ましい。イオン伝導性の無機材料は、１００ｎｍ未満の最大直径をもつ粒子を有しているのが好ましい。そのようなセパレータは、たとえばドイツのＥｖｏｎｉｋ ＡＧ社により商品名“Ｓｅｐａｒｉｏｎ”で販売されている。
【００３４】
Ａ１１ 電極スタックの少なくとも１つの電極は、特に好ましくは少なくとも１つのカソードは、式ＬｉＭＰＯ４で表される化合物を有しているのが好ましく、ここでＭは元素周期表の第１列の少なくとも１つの遷移金属カチオンである。遷移金属カチオンは、Ｍｎ，Ｆｅ，Ｎｉ及びＴｉ又はこれらの元素の組み合わせからなる群から選択されるのが好ましい。この化合物はオリビン構造を有しているのが好ましく、上位のオリビンを有しているのが好ましい。
【００３５】
Ａ１２ 本発明による電気化学式のエネルギー蓄積装置は、本発明の方法により製造された１つ又は複数の電極スタックを有しているのが好ましい。さらに、本発明による電気化学式のエネルギー蓄積装置は被覆部を有している。被覆部は、この１つ又は複数の電極スタックを取り囲むように設けられる。被覆部は、本発明に係る電極スタックの各層に相互に初期応力をかけるように設けられるのが好ましい。被覆部は、本発明による電極スタックのさまざまな層の表面に対して法線力を及ぼすのが好ましく、これらの層を相互に押し合わせる。被覆部は複合シートとして構成されているのが好ましい。
【００３６】
Ａ１３ バッテリは、本発明の方法により製造された１つ又は複数の電極スタックを備える２つ又はそれ以上の電気化学式のエネルギー蓄積装置を有しているのが好ましい。これらの複数の電気化学式のエネルギー蓄積装置は、直列回路及び／又は並列回路によって相互に接続されているのが好ましい。
【００３７】
本発明のその他の利点、構成要件、及び利用可能性は、図面に関連付けた以下の説明から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】電極スタックを製造する本発明の方法を、第１の時点で模式的に示す図である。
【図２】図１の方法の状態を後の時点で模式的に示す図である。
【図３】本発明のさらに別の方法による電極スタックの製造を、模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１は、本発明の方法に基づく電極スタックの製造を模式的に示している。電極スタック及びその他の装置は、実際の寸法や間隔を無視して図示されている。図示されているのは第１の時点での方法である。
【００４０】
昇降テーブル２３の上で製造される電極スタック１が示されている。電極スタック１は、複数のセパレータ層２，２ａと、第１の極性の複数の電極３，３ａと、第２の極性の複数の電極４，４ａとを有している。
【００４１】
第２の極性の電極プレート４，４ａは、供給のために保管面２１の上に準備されており、図示しない供給装置によって電極スタック１へ供給される。第２の極性の電極プレート３，３ａの準備は図示していない。セパレータ材料２ｂはセパレータロール８ａから巻かれた状態から引き出され、案内ロールを備えた案内装置５によって電極スタック１へ供給される。最後に供給されたセパレータ層２は、第１の極性の電極プレート３で覆われている。この電極プレート３は、第１の保持装置６により及ぼされる力で付勢されている。
【００４２】
図示した状態では、電極スタック１の層の固定のステップが、特に電極プレート３の固定のステップが、保持装置６により実行されている。案内装置５は、ちょうどセパレータ層２を電極プレート３の上に配置し始めたところである。案内装置５の案内ロールがセパレータ材料に沿って事前設定された距離を転動してから、各ロールがロックされ、又はその相互間隔が狭められる。引き続き、案内装置５は次のセパレータ層２ｂを載せていく。このとき案内装置５は、この次のセパレータ層又はセパレータ材料２ｂに対して引張力を及ぼす。抑え具６により、この引張力が電極スタック１を崩すことが防止される。セパレータロール８ａからの以後のセパレータ層２ｂの巻かれた状態からの引き出しは、その運動を案内ロール５の運動と連係させながら行われる。案内装置５に達する前に、セパレータ材料２ｂには電解質ミスト７が吹付けられる。
【００４３】
図２は、図１の方法を後の時点で示している。この直前に、第２の極性の電極プレート４ａが電極スタック１の上に配置されている。このとき、電極プレート４ａに対して第２の保持装置６ａにより法線力が及ぼされている。次のステップでは、案内装置５が次のセパレータ層２ｂを電極スタックの上に配置する。このときセパレータ層２ｂはセパレータ層２ａから折り返される。引き続き、第１の保持装置６が電極スタックから引き出される。電極プレート４ａを配置するために、昇降テーブル２３は、セパレータ層２ａと電極プレート４ａとの合計の壁厚に実質的に相当する距離だけ降下している。
【００４４】
図３は、昇降テーブル２３の上に積層された電極スタック１の、本例では符号３ｄで示す電極プレートの配置を模式的に示している。第２の極性の電極プレートの供給、及びセパレータ層の供給は図示していない。電極スタックの他方の側からの、第２の極性の電極プレートの供給を行うのが好都合かつ発明的である（破線で示す電極プレートと把持具を参照）。
【００４５】
第１の極性の電極プレートを供給するために、プレート材料３ａが電極ロール８ａから巻かれた状態から引き出される。高さ調節可能な保管面２１の上で、分離ハサミ９によって電極プレート３ｂの切り離しが行われる。把持具２２が電極プレート３ｃを昇降テーブル２３又は電極スタック１へ供給する。保管面２１とテーブル２３の高さは、把持具２２の経路が電極スタック１の主スタッキング方向の成分を有さないように選択されるのが好ましい。抑え具６は、このとき、昇降テーブル２３の表面の方向で、電極プレート３ｄの表面に対して垂直方向の力を及ぼしている。
【００４６】
電極プレート３ｂが保管面２１から取り出された後、保管面は電極プレート３ｂの壁厚に応じて上昇する。電極プレート３ｄが載せられた後、昇降テーブル２３は電極プレート３ｄの壁厚に応じて降下する。
【００４７】
装置８ａ，９，２１，２２，６及び２３の運動は、上位の制御部によって制御される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学式のエネルギー蓄積装置のための３つ又はそれ以上の層を備える電極スタック（１）を製造する方法において、
前記電極スタック（１）は、１つ又は複数のセパレータ層（２，２ａ，２ｂ）及び２つ又はそれ以上の電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）を有しており、前記電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）はそれぞれ第１の極性又は第２の極性を有しており、
ａ）前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）が、案内装置（５）によって特に前記電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）の上に配置されるステップと、
ｂ）第１の極性の電極プレート（３，３ａ）が、特に前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）の上に配置されるステップと、
ｃ）前記電極スタック（１）の層が、特に第１の極性の前記電極プレート（３，３ａ）が、第１の保持装置（６）によって固定されるステップとを有している方法。
【請求項２】
特に５つ又はそれ以上の層を備える電極スタック（１）を製造する先行請求項に記載の方法において、
ｄ）前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）が、前記案内装置（５）によって特に前記電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）のうちの１つの上に配置されるステップと、
ｅ）第２の極性の電極プレート（４，４ａ）が、特に前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）の上に配置されるステップと、
ｆ）前記電極スタック（１）の層が、特に第２の極性の前記電極プレート（４，４ａ）が、第２の保持装置（６ａ）によって固定されるステップと、
ｇ）第１又は第２の保持装置（６，６ａ）が、前記電極スタック（１）から取り外されるステップとを有している方法。
【請求項３】
前記案内装置（５）が、少なくとも前記ステップａ）及びｄ）の間に、前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）に対して引張力を及ぼすことを特徴とする、先行請求項に記載の方法。
【請求項４】
１つ又は複数の前記電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）が、前記ステップｂ）及び／又はｅ）の間に、前記電極スタック（１）の層と平行に延びる方向ベクトルで供給されることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）が、前記ステップａ）及び／又はｄ）の間に、その前に配置されたセパレータ層（２，２ａ，２ｂ）の折返しによって前記案内装置（５）により配置され、このとき好ましくは前記案内装置（５）が前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）に対して引張力を及ぼすことを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）が、前記電極スタック（１）に配置される前又は途中で、第１の流体流、特に電解質を含む流体流を供給されることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記電極スタック（１）の製造のための前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）が、第１の供給装置（８）から巻かれた状態から引き出されて供給されることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）が、前記電極スタック（１）への配置のために第２の供給装置（８ａ）から巻かれた状態から引き出されて供給され、特に切断装置（９）によって切断されることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
電気化学式のエネルギー蓄積器のための５つ又はそれ以上の特に実質的に方形の層を備える、先行請求項のうちいずれか１項に記載の方法に基づいて製造される電極スタック（１）であって、
前記電極スタック（１）が、２つ又はそれ以上のセパレータ層（２，２ａ，２ｂ）及び３つ又はそれ以上の電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）を有しており、
前記電極スタック（１）の各層がほぼ一致し、
１つ又は複数の前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）が、極性の異なるそれぞれ２つの隣接する前記電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）の間に配置されている電極スタックにおいて、
２つ又はそれ以上の前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）が、ある領域でそれぞれ隣接する前記電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）を超えて延びており、
２つ又はそれ以上の前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）が一体的に構成されていることを特徴とする電極スタック。
【請求項１０】
１つ又は複数の前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）が電子伝導性ではなく、又は電子伝導性が低く、少なくとも部分的に物質透過性の支持体でできており、
前記支持体が、好ましくは少なくとも一方の側において無機材料でコーティングされており、
少なくとも部分的な物質透過性の前記支持体として、好ましくは不織布として構成された有機材料が使用され、
前記有機材料が、好ましくはポリマー及び特に好ましくはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を含んでおり、
前記有機材料が、好ましくはイオン伝導性の無機材料でコーティングされており、該無機材料はさらに好ましくは−４０℃から２００℃の温度範囲でイオン伝導性であり、
前記無機材料が、好ましくはＺｒ，Ａｌ，Ｌｉのうちの少なくとも１つの元素の、酸化物、燐酸塩、硫酸塩、チタン酸塩、珪酸塩、アルミノ珪酸塩の群に属する少なくとも１つの化合物、特に好ましくは酸化ジルコンを含んでおり、
イオン伝導性の前記無機材料が、好ましくは１００ｎｍ未満の最大の直径をもつ粒子を有していることを特徴とする、請求項９に記載の電極スタック（１）。
【請求項１１】
少なくとも１つの前記電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）、特に少なくとも１つのカソードの電極プレートが式ＬｉＭＰＯ４で表される化合物を有しており、
ここでＭは元素周期表の第１列の少なくとも１つの遷移金属カチオンであり、
前記遷移金属カチオンは、好ましくはＭｎ，Ｆｅ，Ｎｉ及びＴｉ又はこれらの元素の組み合わせからなる群から選択されており、
前記化合物が好ましくはオリビン構造を有しており、好ましくは上位のオリビンを有していることを特徴とする、請求項９又は１０のいずれか１項に記載の電極スタック（１）。
【請求項１２】
請求項９から１１のいずれか１項に記載された、１つ又は複数の電極スタック（１）と、１つ又は複数の前記電極スタック（１）を取り囲む被覆部とを有している電気化学式のエネルギー蓄積装置。
【請求項１３】
先行請求項に記載された２つ又はそれ以上の電気化学式のエネルギー蓄積装置を有しているバッテリ。
【請求項１】
電気化学式のエネルギー蓄積装置のための３つ又はそれ以上の層を備える電極スタック（１）を製造する方法において、
前記電極スタック（１）は、１つ又は複数のセパレータ層（２，２ａ，２ｂ）及び２つ又はそれ以上の電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）を有しており、前記電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）はそれぞれ第１の極性又は第２の極性を有しており、
ａ）前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）が、案内装置（５）によって特に前記電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）の上に配置されるステップと、
ｂ）第１の極性の電極プレート（３，３ａ）が、特に前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）の上に配置されるステップと、
ｃ）前記電極スタック（１）の層が、特に第１の極性の前記電極プレート（３，３ａ）が、第１の保持装置（６）によって固定されるステップとを有している方法。
【請求項２】
特に５つ又はそれ以上の層を備える電極スタック（１）を製造する先行請求項に記載の方法において、
ｄ）前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）が、前記案内装置（５）によって特に前記電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）のうちの１つの上に配置されるステップと、
ｅ）第２の極性の電極プレート（４，４ａ）が、特に前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）の上に配置されるステップと、
ｆ）前記電極スタック（１）の層が、特に第２の極性の前記電極プレート（４，４ａ）が、第２の保持装置（６ａ）によって固定されるステップと、
ｇ）第１又は第２の保持装置（６，６ａ）が、前記電極スタック（１）から取り外されるステップとを有している方法。
【請求項３】
前記案内装置（５）が、少なくとも前記ステップａ）及びｄ）の間に、前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）に対して引張力を及ぼすことを特徴とする、先行請求項に記載の方法。
【請求項４】
１つ又は複数の前記電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）が、前記ステップｂ）及び／又はｅ）の間に、前記電極スタック（１）の層と平行に延びる方向ベクトルで供給されることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）が、前記ステップａ）及び／又はｄ）の間に、その前に配置されたセパレータ層（２，２ａ，２ｂ）の折返しによって前記案内装置（５）により配置され、このとき好ましくは前記案内装置（５）が前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）に対して引張力を及ぼすことを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）が、前記電極スタック（１）に配置される前又は途中で、第１の流体流、特に電解質を含む流体流を供給されることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記電極スタック（１）の製造のための前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）が、第１の供給装置（８）から巻かれた状態から引き出されて供給されることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）が、前記電極スタック（１）への配置のために第２の供給装置（８ａ）から巻かれた状態から引き出されて供給され、特に切断装置（９）によって切断されることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
電気化学式のエネルギー蓄積器のための５つ又はそれ以上の特に実質的に方形の層を備える、先行請求項のうちいずれか１項に記載の方法に基づいて製造される電極スタック（１）であって、
前記電極スタック（１）が、２つ又はそれ以上のセパレータ層（２，２ａ，２ｂ）及び３つ又はそれ以上の電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）を有しており、
前記電極スタック（１）の各層がほぼ一致し、
１つ又は複数の前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）が、極性の異なるそれぞれ２つの隣接する前記電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）の間に配置されている電極スタックにおいて、
２つ又はそれ以上の前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）が、ある領域でそれぞれ隣接する前記電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）を超えて延びており、
２つ又はそれ以上の前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）が一体的に構成されていることを特徴とする電極スタック。
【請求項１０】
１つ又は複数の前記セパレータ層（２，２ａ，２ｂ）が電子伝導性ではなく、又は電子伝導性が低く、少なくとも部分的に物質透過性の支持体でできており、
前記支持体が、好ましくは少なくとも一方の側において無機材料でコーティングされており、
少なくとも部分的な物質透過性の前記支持体として、好ましくは不織布として構成された有機材料が使用され、
前記有機材料が、好ましくはポリマー及び特に好ましくはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を含んでおり、
前記有機材料が、好ましくはイオン伝導性の無機材料でコーティングされており、該無機材料はさらに好ましくは−４０℃から２００℃の温度範囲でイオン伝導性であり、
前記無機材料が、好ましくはＺｒ，Ａｌ，Ｌｉのうちの少なくとも１つの元素の、酸化物、燐酸塩、硫酸塩、チタン酸塩、珪酸塩、アルミノ珪酸塩の群に属する少なくとも１つの化合物、特に好ましくは酸化ジルコンを含んでおり、
イオン伝導性の前記無機材料が、好ましくは１００ｎｍ未満の最大の直径をもつ粒子を有していることを特徴とする、請求項９に記載の電極スタック（１）。
【請求項１１】
少なくとも１つの前記電極プレート（３，３ａ，４，４ａ）、特に少なくとも１つのカソードの電極プレートが式ＬｉＭＰＯ４で表される化合物を有しており、
ここでＭは元素周期表の第１列の少なくとも１つの遷移金属カチオンであり、
前記遷移金属カチオンは、好ましくはＭｎ，Ｆｅ，Ｎｉ及びＴｉ又はこれらの元素の組み合わせからなる群から選択されており、
前記化合物が好ましくはオリビン構造を有しており、好ましくは上位のオリビンを有していることを特徴とする、請求項９又は１０のいずれか１項に記載の電極スタック（１）。
【請求項１２】
請求項９から１１のいずれか１項に記載された、１つ又は複数の電極スタック（１）と、１つ又は複数の前記電極スタック（１）を取り囲む被覆部とを有している電気化学式のエネルギー蓄積装置。
【請求項１３】
先行請求項に記載された２つ又はそれ以上の電気化学式のエネルギー蓄積装置を有しているバッテリ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２０１３−５０２６７１（Ｐ２０１３−５０２６７１Ａ）
【公表日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２５０５９（Ｐ２０１２−５２５０５９）
【出願日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／００４６４８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２０５４５
【国際公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（５１１１７３５５０）リ−テック・バッテリー・ゲーエムベーハー (85)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／００４６４８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２０５４５
【国際公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（５１１１７３５５０）リ−テック・バッテリー・ゲーエムベーハー (85)
【Ｆターム（参考）】
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