用于制造锂离子电池单元的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的用于制造锂离子电池单元的方法以及根据权利要求9的用于实施这种方法的过程装置。

背景技术

在制造锂离子电池单元，尤其软包电池单元时，在化成过程中进行电池单元的初次充电/放电过程。为此将电池单元送入化成站并通过接触销连接到充电电路上。在化成期间(即在充电过程期间)锂离子存入到相应电池单元的阳极的石墨结构中。在此形成固体电解质界面(SEI)，即电解质和阳极之间的边界层。在化成过程中电池单元在化成站中通过至少一个压板被加载压力并且然后在温度不变并且充电速度相对较低的情况下充电。在初次充电过程中，电池单元膨胀。压板保证对软包单元的均匀压缩。

如果由压板施加的压力不够大，则单元膨胀不均匀。经历更强膨胀的活性材料失去与导电的碳的接触。这最终导致导电性降低。由此导致更高的内阻和单元的不均匀充电。

在初次充电过程中形成SEI(固体电解质相界面)。这也导致产生气体。气体导入软包单元的气囊中。如果由压板施加的压力过大，则气体被封在电极和分离器之间。该气体对电解质施加压力并导致分离器的孔增大。由于分离器的孔扩大，能导电的碳可以在阳极和阴极之间移动并形成传导桥。电子通过该传导桥移动并导致单元的自放电。

气泡和单元的膨胀会导致对压板上的不对称反作用力。这导致压板的弹性变形、倾斜或歪斜。压板在这种情况中不再能对软包单元施加均匀的压力。这意味着压板必须是刚性的，以防止变形并对单元壳体的表面施加预先规定的压力。因此在现有技术中不能永久保证对电池单元均匀的压力加载，因此必须定期用负载传感器检查和校准每个压板。这增加了过程时间。

总之可以说现有技术中的初次充电过程具有以下缺点：例如设置的压力过低导致膨胀不均匀以及内阻增加。过高的压力导致涂层尖端进入分离器并扩大孔。这会导致短路或传导桥并由此导致电压下降。压力也过大也会导致将孔增大的气泡。由此会形成传导桥，其导致电压下降。压板会因包封的气体体积变形，这导致单元壳体的不均匀压力加载。因此必须定期检查压板的平整度和平行度。通常在充电过程开始时产生气体。直到在蓄电池电量约为10％时，气体产生最大。之后气体的产生减少并且仅发生膨胀。这两种不同的现象(气体产生和单元膨胀)在初次充电期间在不同充电电压下出现。对于气体的生成，只需要较低的作用到电池单元上的压力，而对于单元膨胀则需要较大的压力。然而在现有技术中压板和电机的目前操纵机制不能使压力适配这两种现象。这导致化成期间的质量下降。

已知下述解决方案来提高初次充电的效果：单元的充电以较低的电流速率进行，确切而言低于0.3的C值。在阶段1(即气体产生)和阶段2(即单元膨胀)之间有约两分钟的松弛时间。这样使包封的气体进入气囊。此外，过程温度可提高至50℃，以加速充电过程和SEI形成。然而，阶段1和阶段2之间的松弛时间会导致过程持续时间增加。此外，尽管温度升高加快充电和SEI形成过程，但电解质产生更多气体。此外，充电速度减小导致生产率下降。

由文献WO 2021/183858 A1已知用于对电化学装置加载压力的方法。由文献DE102018103305 A1已知一种电池模块，其中，借助执行器对电池模块的电池单元施加压紧力。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于制造锂离子电池单元的方法以及过程装置，其中，相较于现有技术，可以运行更安全地以及在更短过程持续时间内实施化成过程。

所述技术问题通过权利要求1或9的特征解决。本发明优选的改进设计方案在从属权利要求中公开。

本发明基于制造锂离子电池单元时的化成过程。在化成过程中，至少一个电池单元经受初次充电过程，其中锂离子存入到电池单元阳极的石墨结构中，确切而言在形成固体电解质界面(SEI)以及形成气体的情况下存入。在化成过程期间，电池单元在化成站中通过至少一个按压元件加载压力。根据权利要求1的特征部分，所述按压元件是压电式的元件或者说压电元件。压电元件可以接入控制回路中，确切而言与至少一个力传感器一起接入，力传感器检测施加在电池单元上的实际压力。此外，在控制回路中还接入了电子控制单元，该电子控制单元基于检测到的实际压力和目标值控制压电元件。

根据本发明，化成期间作用在电池单元上的压力可分为尤其恒定的基本压力和叠加在不变的基本压力上的变化的附加压力。附加压力可以通过压电元件产生。

压板连同其间布置的电池单元可以相互独立地移动。一旦它们与相应的单元贴靠，则由主轴驱动装置施加最小的恒定压力(以下也称为基本压力)。主轴驱动装置构造为使得压板压到单元上，直到在相应的单元上施加恒定的压力。然后主轴驱动装置停用。主轴驱动装置运行直至所有压板都对电池单元施加恒定的基本压力。额外压力由压电元件产生。作用在电池单元上的总压力可以通过控制压电元件改变。尤其总压力在阶段1(气体产生，需要较小的压力)和阶段2(单元膨胀，需要较大的压力)之间变化。压电元件通过电子控制单元控制，电子控制单元将带有预先规定的频率的电压施加到压电元件上。在此可以想到各种类型的振动载荷。因此振动载荷的平均值可以为零或固定在确定的最小压力上。这就是说单元可以完全释放压力几毫秒或者说完全松弛几毫秒，或者在松弛期间始终允许最小压力。

也可行的是，在阶段1和阶段2之间提供松弛阶段，其中不加载压力。在此情况中，施加在压电元件上的电压保持为零。在多个点定位的力传感器可以持续给电子控制单元发信号。压电元件的电压以此为基础变化。内联式(Inline)控制保证在充电(膨胀)的不同阶段期间恒定的压力作用到软包单元上。化成站的压板垛可以封装在壳体内，壳体内部中温度可以通过热空气提高。以此方式，在充电阶段期间，在容器内部产生均匀的温度。

在电池单元化成期间，在压板之间放置导引销。压板之间的距离的尺寸使得单元可以通过机械臂放置在压板之间。每个压板都具有定位在压板的四个角部上带内螺纹的四个通孔。若由电动机驱动主轴驱动装置，压板就移动。一旦压板与其间布置的电池单元贴靠，则通过压板的继续移动将最小压力(即基本压力)施加到单元上。一旦基本压力达到需要的水平，则电动机停用，使得压板不再继续移动。电动机可以是扭矩控制的。在此情况中，如果在主轴驱动装置中产生的扭矩大于极限值，则电动机停用。这意味着由压板施加的基本压力在化成期间可以保持恒定。然而基本压力不足以防止单元的不均匀膨胀。其正好足以使压板与其间布置的电池单元贴靠。也可能的是，由主轴驱动装置施加在压板上的压力为零。

一旦形成基本压力，则通过施加电压来控制或者说启动压电元件。电压的变化导致由压电元件施加到压板垛上的附加压力的变化。在此可以有不同的循环的加载方案。

压电元件可产生的最大附加压力足以确保均匀膨胀。在产生最小的附加压力时，包封的气体会流出电池单元。也可行的是，在两个脉冲之间有松弛时间，在松弛时间中不施加附加压力。优选在根据本发明的方法中在阶段1和阶段2之间没有单独的松弛时间。阶段1和阶段2以及松弛时间集成到由压电单元施加的循环负载中。

一旦压电元件给压板垛加载附加压力，则初次充电开始。这意味着，充电既在恒定的基本压力下，也在叠加在基本压力上的附加压力循环变化时进行。力传感器测量力并给电子控制单元返回信号，电子控制单元控制或启动压电元件。以此方式，施加在压力垛连同其间布置的电池单元上的压力保持在期望的值上。

以下区别存在于现有技术与本发明之间：在化成期间(即初次充电过程)没有不同的阶段。两个阶段1和2以及松弛时间集成在压电的载荷循环中。提供两个力分量，确切而言基本压力(也可以为零)和循环变化的附加压力。附加压力在充电期间由电子控制单元控制。压电式充电循环被这样控制，使压电元件的最小力实现去除包封的气体并且最大力足以导致均匀膨胀。过程温度可以通过将热空气引入化成站中或通过利用电热芯加热压板实现。力传感器可以检测不同位置的压力；所有压力偏差都可以通过控制压电元件的电子控制单元补偿。例如可以使用一至四个压电元件以及相应的力传感器。压板借助主轴驱动装置相互独立移动。一旦达到压板之间的目标压力，则主轴驱动装置就停用。

借助闭合的控制回路，压力可以在充电过程期间例如保持恒定，确切而言与单元的不同区域中的膨胀无关。根据本发明，尽管电池单元的厚度有不同，但压板以相同的压力加载。

因此，根据本发明，即使在膨胀不均匀的情况下，电池单元也能被均匀压缩。此外，可以去除气体，因为根据本发明压力不是长期过大以包封气体。根据本发明生产率不会降低，因为在充电的第一阶段(SEI产生)和充电的第二阶段(膨胀)之间不需要额外的松弛时间。此外在循环负载的较低的力幅度期间去除气体。由此不发生因传导桥而产生的OCV(Open Circuit Voltage Drop，开路压降)。此外，通过在较高的力水平期间在压电元件中产生的足够压缩力将包封的气体移入气囊中，这不会导致电容损失。相反，电容损失是由气体和不均匀膨胀造成的。

附加压力可由多个压电元件产生。由于附加压力在闭合的控制回路中控制，因此与温度和膨胀无关，负载不变化。由此提高在初次充放电后的库仑效率。每个单元都自动由压板压缩，压板借助螺栓和螺母前后移动。这使得过程自动并且在每个角部上的最小的固定的力是恒定的。两个力分量(循环的和恒定的)可以单独控制，使得每个充电批次可以由需要不同充电参数的不同单元构成。循环的力可以在充电循环期间变化，这使充电过程更灵活。

下面再次详细强调本发明的主要方面：化成站可以具有基本按压单元和附加按压单元。借助基本按压单元，可以用尤其恒定的基本压力加载电池单元。借助附加按压单元，可以用尤其能简单地改变的附加压力加载电池单元。为了能以较高的响应灵敏度改变附加压力，优选附加按压单元设计成压电单元，该压电单元带有集成在其中的压电元件，所述压电元件接入上述控制回路中。

在一种技术实施方案中，化成站的基本按压单元可以具有压板垛。压板垛由多个沿力方向相继布置的压板构成。在相邻的压板之间可以分别定位一个电池单元，以执行化成过程。压板可以通过执行器，尤其通过至少一个主轴驱动装置，在无压力状态和压力加载状态之间调节。在压力加载状态中，定位于压板垛中的电池单元被加载基本压力。

主轴驱动装置可以在制造技术上简单地具有沿力方向延伸的可通过电动机驱动的螺纹主轴。螺纹主轴可以与每个压板螺纹咬合。在这种情况中，在螺纹主轴旋转操作时，压板可以转化为压力加载状态，其中压板对其间布置的电池单元施加基本压力。

作为附加按压单元作用的压电单元可以具有承载所述至少一个压电元件的承载板。优选承载板也与螺纹主轴螺纹啮合并布置在压板垛的端部。因此在操纵主轴驱动装置时，压板首先被带入其压力加载状态，然后承载板被驱动直至与压板垛端部贴靠。一旦承载板的压电元件能对压板垛加载附加压力，则化成过程(即充电过程)就开始。电动机优选可以是扭矩控制的。就是说压板垛中的压力形成由螺纹主轴的电动机式驱动进行，直到达到扭矩极限。随着达到扭矩限制，电动机停用。

化成站还可以具有沿力方向延伸的导引销。压板、承载板和/或电池单元可以沿导引销不倾斜地移动。在双重功能中，导引销还可以形成电触点，在充电电路中电池单元可以在电触点处接入。此外，化成站还可以具有止挡元件，在压力升高时，压板垛可以抵着该止挡元件调节到压力加载状态。

附图说明

下面根据附图说明本发明的实施例。附图中：

图1至图7分别示出了用于说明用于制造电池单元的方法或过程装置的视图；

图8至图10分别示出了表明在化成过程期间控制压电元件时不同的力-时间曲线的图；

图11至图17分别示出了用于说明不由本发明包括的比较例的视图。

具体实施方式

在更简单理解本发明方面，首先参考图11至图17，其说明未由本发明包括的化成过程。据此根据带有由膜材料制成的单元壳体1的软包电池单元2说明化成过程。软包电池单元2在化成站中布置在两个压板3之间并通过未示出的触点接入充电电路。为了准备化成，单元2通过两个压板3加载压力F。在化成期间(初次充电过程期间)锂离子存入到阳极A的石墨结构中。在此形成固体电解质界面(SEI)，即电解质和阳极A之间的边界层。在化成过程中电池单元中产生气体。气体由于作用的压力F进入单元壳体1的气囊5中并在那里聚集。然后气囊5和单元壳体1之间的区域被密封，气囊5与单元壳体1分离。

图12和图13中示出的情况中，气体体积10被包封在单元壳体1中并且不能再进入气囊5中。气体体积10分布在分离器S的孔12(图12)中以及分离器S和其电极A、K之间。这导致下部的压板3倾斜或者弹性变形。通过倾斜或弹性变形的下部压板3，在单元壳体1中形成具有过大压力和较小压力的区域。较小压力导致膨胀不均匀以及内阻增加。过高的压力导致涂层尖端14(图16)进入分离器S并扩大孔12。这会导致短路或传导桥并由此导致电压下降。由于孔12增大，会形成传导桥(图17)，其导致电压下降。

图14和图15中分别整体上示出阳极A的活性材料AM连同能导电的碳C在加载压力时的示意图。图14中示出在初次充电过程期间作用在活性材料AM上的压力F。图15中示出在压力F过小时发生膨胀过程的情况。因此膨胀过程进行得不均匀。这导致活性材料AM失去与能导电的碳C的接触。

图16中示出电池单元2中的阳极-分离器-阴极层结构，该层结构也被压力F加载。过大的压力F导致气体体积10不再向气囊5的方向流出，而是被包封在阳极-分离器-阴极层结构中。气体体积10会流入分离器孔12中，由此增大孔。此外，过大的压力F导致涂层尖端14进入分离器S并扩大孔12。

由于分离器孔12增大，会出现如图17所示碳附聚物16迁移通过分离器S，因为增大的分离器孔12的孔尺寸现在可以是50nm。这会导致短路或传导桥并由于传导桥而导致开路压降OCV(Open CircuitVoltage Drop)。

与图11至图17不同，图1至图3示出根据本发明的化成站。其具有由总共例如5个压板3构成的压板垛7。压板3在力方向上相继布置，其中，相邻的压板3之间分别定位有一个电池单元2用于执行化成过程。压板垛7布置在固定的止挡元件9和承载板11之间，承载板11是稍后所述的压电单元13的一部分。

压板3可以借助主轴驱动装置15在压力加载状态(图4或图5)和无压力状态(图1)之间沿力方向移位。主轴驱动装置15总共具有四个螺纹主轴17。每个螺纹主轴17都与力的方向对齐并可以通过电动机19旋转操纵，电动机19布置在止挡元件9的背离压板垛7的一侧上。螺纹主轴17在没有螺纹咬合的情况下穿过止挡元件9并且在有螺纹咬合的情况下穿过压板3和承载板11。此外，化成站具有导引销21，其也沿力的方向延伸。电池单元2沿导引销21不倾斜地移位。此外导引销21形成电触点，电池单元可以在电触点上接入充电电路中。

如上所述，承载板11是压电单元13的一部分。除承载板11外，压电单元13总共具有四个压电元件23，其可通过电子控制单元25控制。电子控制单元25与布置在位置固定的止挡元件9上的力传感器27信号连接。借助力传感器27检测施加在电池单元2或压板垛7上的实际压力F

在化成过程中，主轴驱动装置15作为基本按压单元，压电单元13作为附加按压单元。通过基本按压单元(主轴驱动装置15)对电池单元2加载尤其恒定的基本压力F

图6和图7中分别示出带有压电元件23和充电设备24的充电电路。根据施加在压电元件23上的电压极性，压电元件23的材料可以膨胀(图6)或收缩(图7)。根据图8至图10，示出了表明在化成过程期间控制压电元件23时不同的力-时间曲线的图。根据图8，借助主轴驱动装置15设置通过压板3作用在电池单元2上的最小力或恒定的基本压力F

根据图9，压电元件23脉冲式控制，确切而言在两个力脉冲之间具有预定义的时间间隔Δt，在该时间间隔内压电元件23停用。在图9中，主轴驱动装置15产生的基本压力F

在图10中，压电元件23产生的附加压力F

附图标记列表

1 单元壳体

2 电池单元

3 压板

5 气囊

7 压板垛

9 止挡元件

10 包封的气体体积

11 承载板

12 分离器孔

14 涂层尖端

13 压电单元

15 主轴驱动装置

16 碳附聚物

17 螺纹主轴

19 电动机

21 导引销

23 压电元件

24 充电设备

25 电子控制单元

27 力传感器

F 压力

F

F

F

F

A 阳极

K 阴极

S 分离器

AM 活性材料

C 能导电的碳

Δt 时间间隔