AT514871B1 - Batteriezelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (120, 120') mit einer negativen Elektrode (122, 122'), mit einer positiven Elektrode (123, 123') und einem zwischen negativer Elektrode (122, 122') und positiver Elektrode (123, 123') angeordneten Separator (124, 124'), wobei zumindest ein negativer Stromabnehmer (121, 121') sowie zumindest ein positiver Stromabnehmer (125, 125') vorgesehen sind, die mit der negativen Elektrode (122, 122') beziehungsweise mit der positiven Elektrode (123, 123') in leitendem Kontakt stehen, wobei zumindest ein Stromabnehmer (125, 125') fluiddurchlässig ausgebildet ist, und der zumindest eine fluiddurchlässige Stromabnehmer (125, 125') im Wesentlichen flächig an einer Elektrode (123, 123') angeordnet ist, wobei an der der Elektrode (123, 123') abgewandten Oberfläche des zumindest einen fluiddurchlässigen Stromabnehmers (125, 125') zumindest ein Distanzelement (111) aus einem flexiblen und/oder komprimierbaren Material angeordnet ist, wobei das Distanzelement (111) als Rahmen, vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere aus geschäumtem Polyurethan, ausgebildet ist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einer negativen Elektrode, mit einer positiven Elektrode und einem zwischen negativer Elektrode und positiver Elektrode angeordneten Separator, wobei zumindest ein negativer Stromabnehmer sowie zumindest ein positiver Stromabnehmer vorgesehen sind, die mit der negativen Elektrode beziehungsweise mit der positiven Elektrode in leitendem Kontakt stehen, wobei zumindest ein Stromabnehmer fluiddurchlässig ausgebildet ist, und der zumindest eine fluiddurchlässige Stromabnehmer im Wesentlichen flächig an einer Elektrode angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiters eine wiederaufladbare Batterie mit zumindest einer Batteriezelle sowie deren Verwendung in einem Antriebssystem eines Fahrzeuges.

[0002] Wiederaufladbare Batterien, sogenannte Akkumulatoren, werden insbesondere in der Automobilindustrie für alternative Antriebssysteme eingesetzt, wobei hier hohe Anforderungen an Leistung, Betriebssicherheit und Wartung gestellt werden. Insbesondere Lithium-Akkumulatoren, beispielsweise in der Ausführung als Lithium-Luft-Akkumulatoren, weisen hierbei die gewünschte hohe Energiedichte auf, wobei bei diesem Typ zumindest eine negative Elektrode aus Lithium besteht, während die positive Elektrode üblicherweise aus einem porösen Material wie beispielsweise Kohlenstoff gefertigt ist. Diese beiden Elektroden werden durch einen für Ionen eines Reaktanten durchlässigen, aber elektrisch isolierenden Separator getrennt. Dieser Reaktant kann gasförmig oder flüssig sein, und wird im Rahmen dieser Offenbarung allgemein als "Fluid" bezeichnet. Üblicherweise wird der Reaktant den Elektroden über plattenförmige Elemente mit Kanälen zugeführt. Diese plattenförmigen Elemente sind sogenannte "Flow-Field-Platten", sie sind aufwendig herzustellen und weisen zudem ein hohes Gewicht auf.

[0003] Die EP 2 495 803 A1 beschreibt eine Lithiumluftbatterie der eingangs erwähnten Art, wobei der Stromabnehmer der Luftelektrode als schwamm-, netz- oder gitterartige Metallanode ausgebildet ist. Weitere Metall-Luftbatterien können auch der US 2012/0183880 A1 entnommen werden.

[0004] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Batteriezelle zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile des bekannten Stands der Technik beseitigt und kostengünstig und einfach herzustellen ist.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an der der Elektrode abgewandten Oberfläche des zumindest einen fluiddurchlässigen Stromabnehmers zumindest ein Distanzelement aus einem flexiblen und/oder komprimierbaren Material angeordnet ist, wobei das Distanzelement als Rahmen, vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere aus geschäumtem Polyurethan, ausgebildet ist.

[0006] Da sich das Volumen der Batteriezelle während des Betriebs, insbesondere im Laufe von Lade- und Entladezyklen deutlich ändert, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der zumindest eine fluiddurchlässige Stromabnehmer im Wesentlichen flächig an einer Elektrode angeordnet ist, wobei an der der Elektrode abgewandten Oberfläche des zumindest einen fluiddurchlässigen Stromabnehmers zumindest ein Distanzelement aus einem flexiblen und/oder komprimierbaren Material angeordnet ist. Bei dem flexiblen und/oder komprimierbaren Material kann es sich beispielsweise um Kunststoff, geschäumten Kunststoff, geschäumtes Polyurethan oder ähnliches handeln. Damit können besagte Volumenänderungen über dieses Distanzelement abgefangen bzw. ausgeglichen werden, wobei der Stromabnehmer, der in leitendem Kontakt mit der Elektrode steht, von seiner Umgebung isolierend beabstandet ist.

[0007] Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das zumindest eine Distanzelement als Rahmen, vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere aus geschäumtem Polyurethan, ausgebildet. Dieser Rahmen hat die Aufgabe, den fluiddurchlässigen Stromabnehmer gegen seine Umgebung abzustützen und gleichzeitig eine permanente und sichere Kontaktierung des Stromabnehmers mit der ihm zugeordneten Elektrode zu gewährleisten. Durch die Ausführung als Rahmen, der die Oberfläche der Elektrode überwiegend frei lässt, wird auch eine optimale Zuleitung des Reaktanten zur Elektrode gesichert. Grundsätzlich kann das Distanzelement beliebig ausgeführt sein, beispielsweise durch ein oder mehrere benachbart angeordnete längliche Objekte mit beliebigem Querschnitt, z.B. kreisförmig, rechteckig, polygonal oder andere.

[0008] Aufgrund des fluiddurchlässigen Stromabnehmers kann auf die Verwendung von plattenförmigen Elementen mit hohem Gewicht verzichtet werden, und eine gleichmäßige Zufuhr des Reaktanten an die Elektrode ist gewährleistet. Hier ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass der zumindest eine fluiddurchlässige Stromabnehmer gitterförmig, netzartig oder flächig mit schlitzförmigen und/oder gelochten Öffnungen ausgebildet ist. Durch diese Ausbildung des Stromabnehmers wird dessen Gewicht signifikant reduziert, während dennoch auf einfache Weise die Zufuhr des fluidalen Reaktanten an die Elektrode ermöglicht wird. Insbesondere bei Elektroden aus porösem Material dient hierbei der fluiddurchlässige, beispielsweise gitterartige Stromabnehmer gleichzeitig auch der mechanischen Stützung der Elektrode.

[0009] In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der zumindest eine fluiddurchlässige Stromabnehmer aus Aluminium gefertigt. Dieses Material ist insbesondere bei der Verwendung in Lithium-Luft-Batterien von Vorteil, weil es ein für diesen Zelltyp günstiges elektrochemisches Potential aufweist und zudem über eine ausreichende mechanische Festigkeit bei geringer Materialstärke verfügt.

[0010] In einerweiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Reaktant über zumindest einen Reaktantenkanal an den zumindest einen fluiddurchlässigen Stromabnehmer zuführbar ist. Dabei wird in einer Variante der Erfindung zumindest eine Kanalwand des Reaktantenkanals durch den fluiddurchlässigen Stromabnehmer gebildet. Damit wird über einen einfachen Kanal das Fluid, das in der Zelle als Reaktant fungiert, zu dem zumindest einem fluiddurchlässigen Stromabnehmer geleitet, ohne dass aufwendige Zuführungen für das Fluid notwendig sind.

[0011] Der erfindungsgemäße Aufbau ist insbesondere für Batteriezellen von Lithium-Luft-Batterien geeignet, wobei hier erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die negative Elektrode aus Lithium mit zumindest einem metallischen negativen Stromabnehmer, vorzugsweise aus Kupfer, besteht, die positive Elektrode aus einem porösen Material, vorzugsweise aus Kohlenstoff, besteht, wobei der zumindest eine positive Stromabnehmer fluiddurchlässig ausgebildet ist, und ein gasförmiger Reaktant, vorzugsweise Sauerstoff oder Luft, an den zumindest einen positiven Stromabnehmer zuführbar ist.

[0012] Die Aufgabe wird des Weiteren durch eine wiederaufladbare Batterie mit zumindest einem Zellengehäuse gelöst, in dem zumindest eine erfindungsgemäße Batteriezelle, vorzugsweise zwei Batteriezeilen angeordnet sind. Ist in dem Zellengehäuse lediglich eine erfindungsgemäße Batteriezelle angeordnet, so stützt das zumindest eine Distanzelement, vorzugsweise der geschäumte Polyurethan-Rahmen, die positive Elektrode mit dem ihr zugeordneten fluiddurchlässigen Stromabnehmer gegen das Zellengehäuse ab. Dadurch werden einerseits Volumenänderungen bei Be- und Entladevorgängen ausgeglichen, andererseits ein Reaktantenkanal freigehalten, über den der Reaktant der positiven Elektrode zugeführt werden kann.

[0013] Besonders bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die wiederaufladbare Batterie eine erste und eine zweite Batteriezelle aufweist, die vorzugsweise durch zumindest ein gemeinsames Distanzelement voneinander beabstandet sind. Die beiden Batteriezellen sind somit in einem gemeinsamen Zellengehäuse angeordnet, wobei das zumindest eine Distanzelement den fluiddurchlässigen Stromabnehmer der ersten Batteriezelle gegen die zweite Batteriezelle abstützt. Auch hier wird neben dem Ausgleichen von Volumenänderungen und der Beabstan-dung der beiden Batteriezellen voneinander ein Freihalten des Reaktantenkanals sichergestellt. Vorzugsweise verläuft zumindest ein Reaktantenkanal zwischen erster und zweiter Batteriezelle.

[0014] Durch die Anordnung zweier Batteriezellen können insbesondere bei paralleler Verschaltung höhere Stromdichten erhalten werden. Alternativ hierzu können auch die zwei in dem gemeinsamen Zellengehäuse angeordneten Batteriezellen seriell miteinander verschaltet sein.

[0015] E in weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen wiederaufladbaren Batterie mit zwei Batteriezellen in einem Zellengehäuse besteht auch darin, dass über eine gemeinsame Reaktantenzufuhr sowie zugehöriger Reaktantenabführung zwei Batteriezellen mit dem reaktiven Fluid versorgt werden, wodurch sich die üblicherweise aufwendige Rohrverbindung zweier Nachbarzellen verringert.

[0016] Die erfindungsgemäße wiederaufladbare Batterie hat sich insbesondere in ihrer Verwendung in einem Antriebssystem eines Fahrzeugs bewährt.

[0017] I m Folgenden wird anhand von nicht-einschränkenden Ausführungsbeispielen mit zugehörigen Figuren die Erfindung näher erläutert. Darin zeigen [0018] Fig. 1 in einer schematischen Querschnittsdarstellung eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen wiederaufladbaren Batterie, [0019] Fig. 2 in einer schematischen Querschnittsdarstellung eine zweite Ausführung einer wiederaufladbaren Batterie mit zwei Batteriezellen und [0020] Fig. 3 in einer Frontalansicht den fluiddurchlässigen Stromabnehmer aus den Fig. 1 und Fig. 2.

[0021] Wie in der Fig. 1 dargestellt, weist die erste Ausführung der erfindungsgemäßen wiederaufladbaren Batterie 100 ein Zellengehäuse 110 auf, in dem eine Batteriezelle 120 angeordnet ist. Diese Batteriezelle 120 weist einen am Zellengehäuse 110 angeordneten negativen Stromabnehmer 121 aus Kupfer auf, der in unmittelbarem elektrisch leitenden Kontakt mit der negativen, aus Lithium bestehenden Elektrode 122 angeordnet ist. Die positive Elektrode 123, die aus einem porösen Material, insbesondere aus Kohlenstoff gefertigt ist, ist über einen Separator 124 bekannter Art von der negativen Elektrode 122 getrennt. An die positive Elektrode 123 schließt ein positiver Stromabnehmer 125 an, der fluiddurchlässig ausgebildet ist.

[0022] Dieser fluiddurchlässige Stromabnehmer 125 ist plattenförmig ausgebildet und weist gemäß Fig. 3 schlitzförmige Ausnehmungen 126 auf, durch die ein Reaktant, im vorliegenden Fall Sauerstoff oder gereinigte Umgebungsluft, zu der positiven Elektrode 123 zugeführt wird. Dieser positive Stromabnehmer 125 ist hierbei aus einer Aluminiumlegierung gefertigt.

[0023] I m Wesentlichen ist der fluiddurchlässige Stromabnehmer 125 gemäß anderen Varianten flächig, gitterförmig oder netzartig ausgebildet und weist je nach Ausführung schlitzförmige oder gelochte Öffnungen auf. Damit ist es im Gegensatz zu bekannten Lösungen nicht notwendig, eine massive Platte mit darin ausgeführten Flow-Field-Strukturen vorzusehen, über die ein Reaktant zuführbar ist, sondern die erfindungsgemäßen dünnen, durchlässigen Elemente kommen zur Anwendung.

[0024] Des Weiteren ist dieser positive Stromabnehmer 125 über ein Distanzelement 111 vom Zellengehäuse 110 beabstandet, wobei dieses Distanzelement 111 Volumenänderungen der Batteriezelle 120 während des Betriebs ausgleicht und gleichzeitig den fluiddurchlässigen Stromabnehmer 125 gegen die positive Elektrode 123 presst, um einen sicheren elektrischen Kontakt zu gewährleisten. Durch die Beabstandung des Stromabnehmers 125 vom Zellengehäuse 110 wird ein Hohlraum gebildet, der als Reaktantenkanal 112 fungiert, über den der Reaktant über den fluiddurchlässigen positiven Stromabnehmer 125 der positiven Elektrode 123 zugeführt wird. Gleichzeitig kann vorgesehen sein, dass der Reaktant zusätzlich als Kühlelement für die Batteriezelle 120 fungiert, indem er deren Wärme aufnimmt und abführt.

[0025] In der Fig. 2 ist eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen Batterie 100 dargestellt, wobei zwei Batteriezellen 120, 120' in einem gemeinsamen Zellengehäuse 110 angeordnet sind. Die beiden Batteriezellen 120, 120' sind hierbei parallel miteinander verschaltet, wobei die Anordnung der beiden Batteriezellen 120, 120' derart erfolgt, dass die beiden positiven fluiddurchlässigen Stromabnehmer 125, 125' über das Distanzelement 111 beabstandet einander zugewandt angeordnet sind.

[0026] Der zwischen den beiden positiven Stromabnehmern 125, 125' gebildete Hohlraum fungiert wiederum als Reaktantenkanal 112, über den der Reaktant den beiden positiven Elektroden 123, 123' zugeführt wird. Auf diese Weise wird eine äußerst kompakte Anordnung zweier Batteriezellen 120, 120' in einem gemeinsamen Zellengehäuse 110 erhalten, wobei durch die parallele Verschaltung der beiden Batteriezellen 120, 120' eine hohe Stromdichte der Batterie 100 erhalten wird.

[0027] Die beiden Batteriezellen 120, 120' werden über das Distanzelement 111 voneinander getrennt, wobei dieses Distanzelement 111 als Rahmen aus geschäumtem Polyurethan ausgebildet ist, das die Volumenänderungen während des Betriebs der erfindungsgemäßen Batterie 100 ausgleicht. Unter einem Rahmen ist hier eine Ausführung zu verstehen, die insbesondere an den Rändern der Batteriezellen 120, 120' (bzw. Stromabnehmer 125, 125') verläuft, evtl, mit Querverstrebungen zur Erhöhung der Stütz- und Distanzwirkung.

[0028] Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben bezeichneten Ausführungsbeispiele begrenzt ist. Insbesondere kann der fluiddurchlässige Stromabnehmer unterschiedlich ausgebildet sein, erfindungswesentlich ist, dass er die Zufuhr eines Reaktanten an die ihm zugeordnete Elektrode erlaubt, wobei dieser Reaktant flüssig oder gasförmig sein kann. Diese Durchlässigkeit kann auf unterschiedliche Weise erhalten werden, insbesondere sind netzartige, gitterförmige oder andere Strukturen, die eine Durchdringung des Stromabnehmers mit Reaktant erlauben, geeignet. Auch muss dieser Stromabnehmer nicht notwendigerweise plattenförmig ausgebildet sein. In einer Variante der Erfindung, die hier nicht näher dargestellt ist, können die Batteriezellen auch zylinderförmig ausgeführt sein. Dementsprechend wären dann zylinderartige Strukturen als Stromabnehmer für im Wesentlichen zylindrische Batteriezellen vorgesehen.

Claims (11)

1. Patentansprüche 1. Batteriezelle (120, 120') mit einer negativen Elektrode (122, 122’), mit einer positiven Elektrode (123, 123') und einem zwischen negativer Elektrode (122, 122') und positiver Elektrode (123, 123') angeordneten Separator (124, 124'), wobei zumindest ein negativer Stromabnehmer (121, 121') sowie zumindest ein positiver Stromabnehmer (125, 125') vorgesehen sind, die mit der negativen Elektrode (122, 122') beziehungsweise mit der positiven Elektrode (123, 123') in leitendem Kontakt stehen, wobei zumindest ein Stromabnehmer (125, 125') fluiddurchlässig ausgebildet ist, und der zumindest eine fluiddurchlässige Stromabnehmer (125, 125’) im Wesentlichen flächig an einer Elektrode (123, 123') angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der der Elektrode (123, 123') abgewandten Oberfläche des zumindest einen fluiddurchlässigen Stromabnehmers (125, 125') zumindest ein Distanzelement (111) aus einem flexiblen und/oder komprimierbaren Material angeordnet ist, wobei das Distanzelement (111) als Rahmen, vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere aus geschäumtem Polyurethan, ausgebildet ist.
2. 2. Batteriezelle (120, 120') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine fluiddurchlässige Stromabnehmer (125, 125') gitterförmig, netzartig oder flächig mit schlitzförmigen und/oder gelochten Öffnungen (126) ausgebildet ist.
3. 3. Batteriezelle (120, 120') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine fluiddurchlässige Stromabnehmer (125, 125') aus Aluminium gefertigt ist.
4. 4. Batteriezelle (120, 120') nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Reaktant über zumindest einen Reaktantenkanal (112) an den zumindest einen fluiddurchlässigen Stromabnehmer (125, 125') zuführbar ist.
5. 5. Batteriezelle (120, 120') nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kanalwand des Reaktantenkanals (112) durch den fluiddurchlässigen Stromabnehmer (125, 125') gebildet ist.
6. 6. Batteriezelle (120, 120’) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die negative Elektrode (122, 122') aus Lithium mit zumindest einem metallischen negativen Stromabnehmer (121, 121'), vorzugsweise aus Kupfer, besteht, die positive Elektrode (123, 123') aus einem porösen Material, vorzugsweise aus Kohlenstoff, besteht, wobei der zumindest eine positive Stromabnehmer (125, 125') fluiddurchlässig ausgebildet ist, und ein gasförmiger Reaktant, vorzugsweise Sauerstoff oder Luft, an den zumindest einen positiven Stromabnehmer (125, 125') zuführbar ist.
7. 7. Wiederaufladbare Batterie (100) mit zumindest einem Zellengehäuse (110), in dem zumindest eine, vorzugsweise zwei Batteriezellen (120 ,120') nach einem der Ansprüche 1 bis 6 angeordnet sind.
8. 8. Wiederaufladbare Batterie (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine erste Batteriezelle (120) und eine zweite Batteriezelle (120') aufweist, die vorzugsweise durch zumindest ein gemeinsames Distanzelement (111) voneinander beabstandet sind.
9. 9. Wiederaufladbare Batterie (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Reaktantenkanal (112) zwischen erster (120) und zweiter Batteriezelle (120') verläuft.
10. 10. Wiederaufladbare Batterie (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Batteriezellen (120 ,120') parallel oder seriell miteinander verschaltet sind.
11. 11. Verwendung einer wiederaufladbaren Batterie (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10 in einem Antriebssystem eines Fahrzeuges. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen