CN102403514B - 电池中经改进的放电结构 - Google Patents
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Abstract
电池中经改进的放电结构。本发明涉及用于导出电池、例如锂离子电池中的电能的经改进的放电结构。尤其是，本发明涉及一种电极，该电极具有导电的载体箔，该载体箔具有用于连接到电路上的连接区域，并且其中所述载体箔为了改进经由所述连接区域的放电而具有至少一个导电的结构元件，通过该结构元件减小所述载体箔上的点与所述连接区域之间的电阻。
Description
技术领域
本发明涉及用于导出电池、例如锂离子电池中的电能的经改进的放电结构（Ableitestruktur）。尤其是，本发明涉及一种电极，该电极具有导电的载体箔，该载体箔具有用于连接到电路的连接区域，并且在所述电极中载体箔为了改进经由连接区域的放电而具有至少一个导电的结构元件，通过该结构元件减小载体箔上的点与连接区域之间的电阻。
背景技术
为了制造电池、例如锂离子电池，在导电放电器上施加活性层。作为活性层例如可以在充当放电器的载体箔上施加含石墨膏或者嵌入锂的纳米结晶非晶硅或者锂混氧化物——如Li4Ti5O12、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、磷酸铁锂（LiFePO4）或二氧化锡（SnO2）。作为载体箔例如可以使用铜箔或者铝箔。使用由例如镍构成的网或泡沫作为载体箔也是已知的。这样涂层的载体箔被作为阳极和/或阴极组装成电池并且装入到封装中，其中在阳极与阴极之间设置分隔件。在此，封装可以实施为袋（Pouch，袋），其中夹层状地逐层（例如，阳极-分隔件-阴极）放置并且一般构造方形的包装。替代地，可以卷起阳极-分隔件-阴极单元，由此例如得到膝上型计算机领域中已知的电池单元。
用电解质填充如此获得的封装。适当的电解质例如是无水的、对质子惰性的溶剂（例如，碳酸亚乙酯、碳酸二乙酯等等）中的盐（如LiPF6或LiBF4）。同样适合的有由聚偏二氟乙稀（PVDF）或者聚偏二氟乙稀-六氟丙烯（PVDF-HFP）以及Li3PO4N氮磷酸锂构成的聚合物。这些既可以以液态形式也可以作为胶状物或固态存在和引入。
可以通过必须具有对于待处理电流强度而言足够的横截面的导电放电器来接触这样的电池单元。
对于高效的总系统而言，通常以高的布线开销将多个小电池单元连接在一起。替代地存在如下可能性：为了避免这样的布线开销，制造相应大面积的电极。
现在，在这样的电池的充电和放电时存在以下困难：在电极的面中累加产生的电流从电极的所有区域在放电器的方向上流动。由此，在放电器的方向上电极中的电流密度连续升高。
电流传导往往导致损耗，所述损耗体现为电池的局部发热。尤其是在理想装置中的缺陷位置——例如不均匀的涂层、层中的过大颗粒、电极的不均匀压紧等等——还引起电极中的不均匀电流。因此可能出现电池的局部过热或区域状过热，所述过热可以导致电池的提前老化、容量损失或者热损坏。
发明内容
利用当前的发明提出一种电极——尤其是用在电池中，所述电极具有导电的载体箔，该载体箔具有用于连接到电路上的连接区域，其特征在于，所述载体箔为了改善经由连接区域的放电而具有至少一个结构元件，该结构元件具有比导体箔提高了的导电能力，通过该结构元件减小载体箔上的点与连接区域之间的电阻。
令人惊讶地已经证实：通过设置这样的结构元件可以显著地减小或者甚至避免电池的局部过热或区域状过热的危险。
导电的结构在可自由选择的优选方向上提高电极的导电能力，从而可以在尤其大的电极面上将电压降保持得小。局部缺陷的影响也大大减小，因为通过所述结构元件充分确定规格的电流路径可以截获电流尖峰。
在导电结构的适当构造中，同样可以影响电极中的温度场。载体箔中的温度传导能力通常较小。通过载体箔上的根据本发明的导电结构可以使电极中的温度分布开，只要所述导电结构被构造为具有高导热能力的结构。
另一优点在于，可以使用具有更小导电能力或厚度的箔。在传统的箔中，必须如此选择箔的厚度，即使得在连接放电器以前箔的厚度已经足够限制电流。在电极的任意表面区域中积累等量的电流。但放电器仅仅设置在电极的确定区域中，从而箔在放电器附近也必须传输在远离放电器的表面区域中积累的电流量。在电极表面的理论平分（Halbierung）的情况下，承载放电器的那一半表面的厚度必须是另一半表面的厚度的两倍，以便可以确保充分的电流传输。因此在实践中整个平面地使用相应地规格确定为更大的箔厚度，以便避免连接区域中的电流限制。这可能对于例如用于计算机技术领域中的较小电池单元而言不是很重要，但对于例如用作汽车领域中的驱动电池的大电池单元而言不可忽略，因为由此提高了重量，而不提供更大的存储器容量。
在本发明的一个扩展方案中，导电的结构元件通过栅格状或脉状的线路元件和/或导电的载体箔的厚度的渐变过程形成。
在本发明的另一扩展方案中，结构元件借助于印刷技术和/或借助于接合技术电镀地施加到载体箔上。
电镀施加意味着：在载体箔的表面上沉积金属层。这既可以自催化地实现也可以在施加作为直流电流或脉冲电流的适当的沉积电流的情况下实现。原理上，在此可以使用印刷电路板制造领域中已知的所有电镀方法来施加所述结构。在此，可以以任意厚度来沉积所述结构。优选地，以5 μm至500 μm之间的厚度沉积所述结构。具有这样厚度的沉积层一方面保证了所述结构的足够的导电能力，另一方面可以将由于结构而施加的重量保持得小。
在这样的情形中可以形成所述导电结构的合适材料例如是铜、钯、银、金、锡或者这些金属与其他金属的合金。
除纯粹施加方法以外，也可以使用蚀刻方法，其中首先将金属层施加到载体箔上，随后在必要时借助于光阻和掩膜对该金属层进行结构化、重新蚀刻。
同样可以规定，例如借助于光阻和掩膜在例如铜箔上施加合适的结构并且在去除步骤（蚀刻步骤）中从载体箔蚀刻掉多余的材料。由此减小了载体箔的重量并且同时构造出导电的结构元件。
但也可以利用现今在印刷电路板制造领域中同样已知的印刷技术在载体箔上施加所述结构。在此，尤其是如丝网印刷、移印、刮印、胶印、喷镀、旋涂或盖印的方法是合适的。作为材料在此可以使用导电墨或者导电聚合物。
在本发明的另一扩展方案中可以规定，使用印刷技术和电镀沉积的组合来构造导电的结构元件。在此，在第一步骤中借助于印刷技术将结构施加到箔上，在另一方法步骤中借助于沉积电流电镀地在所述结构上镀上金属。由此在载体箔上相应地实现足够导电的结构元件。
此外，也可以借助于接合技术将导电的结构施加到载体箔上。在此单独地预制导电的结构并且随后将其接合到载体箔上。在这里，例如如在使用导电粘合剂情况下的粘接、熔焊、钎焊、压紧或压入的技术是适合的。
在本发明的另一扩展方案中，载体箔是由铜、铝、镍或这些金属中的至少一种的合金构成的箔、网或泡沫。
在本发明的另一扩展方案中，通过接合到载体箔上的另外的箔形成导电的结构元件，该另外的箔至少在载体箔的部分区域上延展，尤其是在放电器周围的区域中延展。尤其是可以根据本发明规定，通过以下方式将多个箔接合在一起来构成载体箔，即得出从载体箔的远离放电器的端部至放电器的载体箔的整个厚度的渐变过程。
在此，电阻从远离的端部至放电器逐渐减小。
在本发明的另一扩展方案中规定，将导电的结构元件施加到第一载体箔上并且将另一载波箔施加到设有导电的结构元件的第一载体箔上，从而形成夹层结构。在此，将载体箔和导电的结构元件导电地接合在一起，例如通过利用导电的粘合剂的粘接或通过焊接。例如在此可以在两个铜载体箔之间嵌入作为导电的结构元件的金线。
此外，利用本发明提出一种电池，该电池具有如以上所述构造的电极作为阳极和/或阴极。尤其是提出锂离子电池，其至少作为阳极具有如以上所述的根据本发明的电极。
此外，利用本发明提出一种用于制造电池的方法，至少具有以下步骤：
- 提供具有连接区域的导电的载体箔；
- 在所述载体箔上施加具有提高的导电能力的至少一个结构元件；
- 在设有结构元件的载体箔上施加活性层，其中结构元件与连接区域导电地连接以构成电极；
- 将至少两个电极接合在一起以构成电池堆（Batteriestapel），其中电极分别交替地实施为阳极和阴极并且在各个电极之间设有分隔件；
- 将相应的阳极和阴极彼此电连接，以构成电池的负极和正极。
具有根据本发明的电极或根据本发明的方法制造的电池可以尤其有利地用作汽车领域中的驱动电池。
附图说明
以下根据附图和示例进一步阐述本发明。
图1示出电池组的一般结构；
图2示出根据现有技术的电池电极中的电流；
图3示出根据现有技术的电池电极中的温度分布；
图4示出在存在缺陷位置时根据现有技术的电池电极中的温度分布；
图5示出根据本发明的具有导电结构元件的电池电极；
图6示出根据本发明的具有载体箔的电池电极，该载体箔具有渐变过程。
具体实施方式
图1示出电池组的一般结构。该电池组由通过分隔件7彼此分开的阳极1A和阴极1K组成。分隔件7的作用是电绝缘，但对于离子而言是可穿过的。用作分隔件7的适当材料例如是微孔的塑料、玻璃纤维网或者聚乙烯网。阴极1K和阳极1A由载体箔2和所施加的阴极材料或阳极材料构成。作为载体箔2例如可以使用铜箔、镍箔或铝箔。作为阴极材料例如可以使用锂混氧化物（如Li4Ti5O12、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4）或者磷酸铁锂（LiFePO4）。作为阳极材料例如可以使用含石墨膏、纳米结晶非晶硅或者二氧化锡（SnO2）。电极具有充当放电器的连接区域3，通过该连接区域实现电极与电路的电接触。阳极1A、阴极1K和分隔件的所示顺序可以夹层状地重复，以便实现更大功率的电池单元。电池单元借助于电池封装与环境隔离。
图2概略地示出根据现有技术的电池的电极1内的电流，在这里针对阳极示出。在电极面中产生或者积累的电子流由箭头9表示。在阳极的情形中，电流从该面朝着连接区域3的方向流动，在阴极的情形中相应相反地从连接区域3朝着电极面的方向流动。在连接区域3附近具有提高的电流密度，因为必须通过该区域——类似于瓶颈——引导电极1的全部电功率。
图3示出根据现有技术的电池电极中的温度分布。随着距连接区域3越来越近，等温线10的密度提高。在连接区域3附近提高的电流密度由于电极1的电阻而导致该区域中增强的热辐射，该热辐射在极端情形中可以导致电池的热过载。在这样的热过载的情况下，可能出现电解质的热损坏、电极材料的热损坏或者载体箔的热损坏，这可能导致电池单元的功能的全部丧失。
如在图4中所示，尤其是在电极1中存在缺陷位置11时，可能也出现电极面内的热效应。这样的缺陷位置11例如可以由于以活性材料不均匀地对载体箔2涂层、活性材料中过大的颗粒或者电极1不均匀地压紧分隔件7而出现。这样的缺陷位置11也形成具有提高的电阻或提高的电流密度的区域，由此在那里可能出现热效应。
图5示出根据本发明的具有导电结构元件5、6的电池电极。在载体箔2上施加有栅格状和/或脉状导电的结构元件5、6。结构元件5、6可以借助于印刷技术和/或借助于接合技术电镀地施加到载体箔2上。通过脉状和/或栅格状地施加到载体箔2上的导电的结构元件5、6得出从电极面朝着连接区域3（在阳极的情形中）或者从连接区域3出发朝着电极面（在阴极的情形中）的高导电能力的路径。由此避免在连接区域3附近的电流密度尖峰，由此又可以避免该区域中的热负荷。因为导电的结构元件5、6除良好的导电能力以外通常也具有良好的导热能力，所以结构元件5、6也可以实现局部出现的热尖峰的排出或分布，从而一方面可以通过减小的电阻、另一方面通过局部出现的热能分布到其他区域中来避免热过载。因此，根据本发明既将电负荷也将热负荷更均与地分布到电极的整个面上。由此，不仅降低连接区域附近的负荷，而且也降低电极中由于可能产生的缺陷位置而出现的点状负荷。
图6示出根据本发明的具有载体箔2的电池电极，该载体箔具有渐变过程12。载体箔2的渐变过程12在此根据本发明应当如下理解：载体箔2的电阻和/或热阻在朝着连接区域3的方向上减小。这例如可以通过如下方式实现：随着距连接区域3越来越近，在载体箔2上施加具有低电阻的层。这可以如以上所述那样借助于电镀技术、印刷技术或接合技术实现。就此而言，在这样的根据本发明的设计中，导电的结构元件被构造成面状。在此尤其是可以规定，在载体箔2上随着朝向连接区域3的距离减小相叠地接合更多箔层，其方式例如是，彼此粘接或焊接这些箔层。由此得出从电极的边缘区域直至连接区域3的电阻的逐渐减小的过程。根据本发明，此外还可以规定，为了产生导电能力的这种渐变过程，将具有不同导电能力的箔接合成载体箔2，从而在电极的边缘区域中使用比连接区域3的周围环境中具有更高电阻的载体箔。为此例如可以借助于粘接或焊接由相同材料——但是所述材料具有不同厚度——接合成箔。
Claims (13)
1.一种电极，其中所述电极具有导电的载体箔，该载体箔具有用于连接到电路上的连接区域，其特征在于，在所述载体箔上为了改进经由所述连接区域的放电而附加地施加至少一个导电的结构元件，通过所述结构元件减小所述载体箔上的点与所述连接区域之间的电阻，其中载体箔的电阻被构造为朝向连接区域的方向减小，其方式是，将具有不同导电能力的箔接合成载体箔，从而在电极的边缘区域中使用比连接区域的周围环境中具有更高电阻的载体箔。
2.根据权利要求1所述的电极，其中所述结构元件通过栅格状或脉状的线路元件形成。
3.根据权利要求1或2所述的电极，其中导电的载体箔的厚度具有渐变过程。
4.根据权利要求1或2所述的电极，其中结构元件借助于接合技术电镀地施加到所述载体箔上。
5. 根据权利要求4所述的电极，其中结构元件借助于印刷技术电镀地施加到所述载体箔上。
6.根据权利要求1或2所述的电极，其中所述载体箔是由铜、铝、镍或这些金属中的至少一种的合金制成的箔、网或泡沫。
7.根据权利要求1或2所述的电极，其中所述结构元件通过接合到所述载体箔上的另外的箔形成。
8.一种电池，具有根据权利要求1至7之一所述的电极。
9.根据权利要求8所述的电池，其中所述电池是锂离子电池。
10.一种用于制造电池的方法，至少具有以下步骤：
- 提供具有连接区域的导电的载体箔；
- 在所述载体箔上附加地施加至少一个导电的结构元件；
- 在设有所述结构元件的载体箔上施加活性层，其中所述结构元件与所述连接区域导电地连接以构成电极；
- 将至少两个电极接合在一起以构成电池堆，其中所述电极分别交替地实施为阳极和阴极并且在各个电极之间设有分隔件；
- 将相应的阳极和阴极彼此电连接，以构成所述电池的负极和正极，
- 其中载体箔的电阻被构造为朝向连接区域的方向减小，其方式是，将具有不同导电能力的箔接合成载体箔，从而在电极的边缘区域中使用比连接区域的周围环境中具有更高电阻的载体箔。
11.根据权利要求10所述的方法，其中借助于接合技术将所述结构元件电镀地施加到所述载体箔上。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中借助于印刷技术将所述结构元件电镀地施加到所述载体箔上。
13.一种根据权利要求1至7之一所述的电极在机动车辆的驱动电池中的应用。
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