CN102687312A - 电化学电池和制造该类电池的方法 - Google Patents

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Abstract

一种电化学电池(1)，其具有至少一个设置在电化学电池的壳体(4)内部的电极堆栈(2)，其中，电极堆栈(2)具有至少一个第一电极层(5)和一个第二电极层(6)，其中，在第一电极层(5)和第二电极层(6)之间设置隔离层(7)，并且其中，第一电极层(5)相比于第二电极层(6)具有较小的平面扩展，并且其中，在毗邻第一电极层(5)处设置特别是在力学上稳定的边缘层(8)。

Description

电化学电池和制造该类电池的方法
描述
本发明涉及一种电化学电池，其带有电极堆栈，特别是具有多层活性材料的电极堆栈。本发明还涉及一种制造上述电化学电池的方法。本发明还涉及一种具有最少一个上述电化学电池的电池组(Batterie)。
对于锂离子电池，众所周知的是，其阳极和阴极是交替(abwechselnd)设置的，其中，阳极和阴极之间总是设有隔离物(Separator)。特别是对于锂离子电池，一般情况下阴极相比于阳极具有一个较小的平面扩展(
Figure BDA00001499268600011
Ausdehnung)。其结果是，在阴极的边缘区域可能形成缝隙，以至于阳极在这一区域可以被弯曲，特别是在对电化学电池施加外部的压力时更是如此。在被多次弯曲的位置处，电化学电池可能表现出老化迹象(Alterungserscheinungen)。
本发明的任务是，提供改进的电化学电池。
本发明的基本任务是通过具有至少一个电极堆栈的电化学电池达成的，该电极堆栈设置于电化学电池的壳体(Umhüllung)内部，其中，电极堆栈具有至少一个阴极层和一个阳极层，其中，第一电极层和第二电极层之间安设隔离层，并且其中，阴极层相比于阳极层具有一个较小的平面扩展。这种电化学电池更进一步的特点是，毗邻第一电极层设置边缘层。边缘层最好被设计为在力学上是稳定的。
在本发明的范畴中，电极堆栈被理解为一种设备，该作为伽伐尼电池的组件的设备还用于存储化学能并输出电能。此外，电极堆栈具有：多个片状元件；至少两个电极，即特别是阳极和阴极；以及，至少部分地吸收了电解质的隔离物。最好是将至少一个阳极、一个隔离物和一个阴极相叠地安放或者说堆叠，其中，隔离物至少部分地设置于阳极和阴极之间。这种阳极、隔离物、阴极的序列，可以在电极堆栈内部任意多次地重复。片状元件最好是绕成电极卷轴(Elektrodenwickel)。在下文中，“电极堆栈”这一概念也适用于电极卷轴。在输出电能之前，储存的化学能被转化为电能。在充电过程中，被馈送给电极堆栈更准确地说伽伐尼电池的电能，被转化为化学能并加以保存。电极堆栈最好是具有多个电极对和隔离物。特别优选的是，一些电极相互之间，特别是共同，形成电连接。
在本发明的框架中壳体被理解为至少部分将外界与电极堆栈隔开的界限。壳体最好是气密性的和液密性的，以至于不可能发生和周围环境的物质交换。电极堆栈被设置于壳体内部。至少一个导电体，特别是两个导电体延伸到壳体之外，并用于连接电极堆栈。向外延伸的导电体此处最好是构成电化学电池的正极端口(Pluspolanschluss)和负极端口(Minuspolanschluss)。然而，也可以有更多的导电体，特别是四个导电体延伸出壳体。此处，当电化学电池具有两个互相串联的电极堆栈时，那么不同电极堆栈中的两个电极相互连接。
此处，导电体是一种由导电的材料制成的元件。它用于在两个就几何意义而言彼此分开的点之间导电。在本发明中，导电体与电极堆栈相连。特别地，导电体与电极堆栈中所有同类的电极相连，无论与阴极或是与阳极相连。当然，导电体不能与一个电极堆栈的阴极和阳极同时连接，因为这可导致短路。然而，导电体可以与来自不同电极堆栈的不同电极连接，例如将两个电极堆栈串联。至少一个导电体延伸出壳体，并且因此可以用于将电化学电池与外界相连。导电体可以和一个或者更多的电极整体成型。导电体特别是不能用活性电极材料来涂覆，以此可以看出导电体和电极之间的界限。
通过在第一电极层设置边缘层，可以在力学上加强阴极层。通过这种加强，实现在恒定的压力下降低电极层，特别是阴极层的表面压力
Figure BDA00001499268600021
因此，阴极层和边缘层最好设置在一个共同的平面上。与第一电极层接触且特别是在第一电极层的边缘区域与阴极层重叠的隔离层，其可以得到边缘层的支撑。由此特别地，设置在隔离层的与第一电极层相背离的侧面上的阳极层，也得到边缘层的间接支撑。由此，特别是减少了可能在隔离层的重叠区域中产生的，并且特别是还可能在第二电极层的边缘区域产生的弯曲(Abbiegung)。此外，特别是当从外部对电化学电池施加力，特别是施加压力之后，能够出现这种弯曲。特别是在制造电化学电池时也可能出现这种情况。
边缘层最好设置在第一电极层的至少一个侧面上。特别地，边缘层设置在导电体会由此处连接到阴极层的、第一电极层的侧面上。导电体因此最好不用活性电极材料涂覆。就此而言，导电体可以具有比第一电极层的截面厚度(Querschnittsdicke)更小的截面厚度。因为在导电体的区域内使用边缘层，由此可使导电体的截面厚度与一确定的边缘层的截面厚度相结合，成为与在导电体和第一电极层之间的接口区域的阴极层的截面厚度相当的截面厚度。
边缘层最好至少设置在第一电极层的两个相对的侧面上。基本上，边缘层同样可以被分成多个边缘层部分，特别是多个互不相连的边缘层部分。因此可以特别地确保，当阴极层与第二电极层中心对齐时，它们在第二电极层的两个轴向的突出处可借助边缘层得到支撑。
边缘层最好是环绕阴极层设置。由此，围绕阴极层的环绕区域可以被强化。特别地，阳极层因此在边缘层的环绕区域内得到支撑。边缘层可以形成环绕并特别地支撑阴极层的框架。
电极层连同边缘层最好构成复合层。该复合层在此最好具有与连续的阴极层所拥有的力学特性相同的力学特性。因此，所有由第一电极层的小的平面扩展所造成的缺点可以被弥补。
复合层的长度最好与第二电极层的长度相当。复合层的宽度最好与第二电极层的宽度相当。
复合层的外围最好与第二电极层的外围相当。在此，“相当(entsprechen)”意味着一种广义的大小概念。其中，特别是理解为制造技术上的有前提的容许误差(Toleranz)。更进一步，在两个长度规格之间的矫正百分比区域内的误差是全部可以接受的。相对于几何表面积，误差最好是相对小的，特别是小于5％。
边缘层最好具有基本上与第一电极层的截面厚度相当的截面厚度。边缘层最好具有大致与第一电极层的硬度相当的硬度。凭借特别相似的力学特性、特别相似的弹性和/或可塑性特性，边缘层可以模拟被扩展的阴极层。特别地，第一层可以是阴极层，以及第二层可以是阳极层。
此外，本发明通过制造通用的电化学电池的方法来解决，其中在电极层的至少一个侧面上设置边缘层。边缘层和第一电极层可以设置在一个共同的平面上。边缘层可以设置在第一电极层的至少一个侧面上，特别是设置在导电体会由此连接第一电极层的第一电极层的侧面上。边缘层最好是可以至少设置在第一电极层的两个相对的侧面上。进一步优选的是，边缘层可以环绕第一电极层设置。优选的是，将第一电极层和边缘层结合构成复合层。在这里参考前述优点。
本发明更多的优点、特征和应用可能性在以下结合附图来说明。此处展示：
图1：以截面图显示使用平面构造方式的、依据本发明的电化学电池；
图2：以截面图显示在设置边缘层之前根据图1的电化学电池的详细视图；
图3：以截面图显示在设置边缘层之后根据图1的电化学电池的详细视图；
图4：a)显示在设置边缘层之前根据图1的电化学电池的阴极；
b)显示在设置边缘层之前根据图1的电化学电池的阴极；
以及
图5：a)显示在设置边缘层之前根据图1的可选的阴极；
b)显示在设置边缘层之后根据图1的可选的阴极；
c)显示根据图1的电化学电池的阳极。
图1中，显示依据本发明的电化学电池1。电化学电池1包括容纳在壳体4内部的电极堆栈2。壳体4基本上由两个用包装薄膜(Verpackungsfolie)制造的模制件(Formteil)构成。这些模制件在热成型过程中成为它们被描述的形式。此处，壳体4具有针对外加力量的有限的抵抗能力，因此壳体4尽可能被设计成是有弹性的，以至于所施加的外加力量可以被转移到电极堆栈。由此可以看出，电化学电池1的边缘区域FR上的力可能比在中央区域Fz上出现的力更大。
图1中不可见的是，多个穿过壳体4延伸的导电体3与电极堆栈2的导电连接。
图2以剖面图形式显示了根据图1的被放大的电化学电池的电极堆栈2。该电极堆栈2具有多个第一电极层5和多个第二电极层6。电极层5、6被设计成是平面的并且平行于平面E设置。第一电极层5和第二电极层6彼此交替地设置。在每个第一电极层5(上述情况下是阴极层)和每个第二电极层6(上述情况下是阳极层)之间设置有隔离层7。
可以看出，导电体3设置于电极层5、6之外。导电体3的延长部分，在电极层5、6之内构成电极13、14。此处，在阴极层5内设置阴极13，在阳极层6内设置阳极14。导电体3可以与独立的电极13、14形成一体；导电体3还可以是与电极13、14分离的，并与它们形成导电连接。
阴极层5相比于阳极层6具有较小的平面扩展。因此，可以看出阳极层6在边缘区域11中超出阴极层5。由此，在每两个阳极层6之间会形成缝隙12，其一侧受到阴极层5的侧面9的限制。由于该缝隙12，当垂直于层的每个平面E向阳极层6施加来自外部的力时，不会受到任何抗力的阻碍，以至于阳极层6在边缘区域11可以向缝隙12内弯曲，这通过虚线指示。这些能够导致电极堆栈上的老化迹象(Alterungserscheinungen)。
图3展示了在设置了边缘层8之后根据图2的电极堆栈2的剖面图。其中，可以看出缝隙12全部由聚氨酯制成的边缘层8填满。边缘层8在此被应用到阴极层5的一个侧面9处，并且设置在同一个平面E上作为阴极层。就此而言，阴极层5和边缘层8构成复合层10，它设置在两个分开的阳极层6之间。因为缝隙12从现在起由边缘层8填满，所以边缘层8起到提供抗力的作用，并且可以阻止阳极层6向边缘区域11中弯曲。边缘层8还具有与阴极层5的硬度相当的硬度。
边缘层8在此起到力学稳定的作用，特别是作用在阳极层6上。
图4a)展示了在设置边缘层之前的阴极层5。阴极层5具有长度L1和宽度B1。在侧面9中，导电体3连接到阴极。
从图4b)可以看出，在阴极层5的侧面9处应用边缘层8。而在阴极层5的另一个侧面没有装配边缘层8。由此可以看出，由阴极层5和边缘层8构成的复合层10从现在起具有长度L2，此时宽度没有变化，与阴极层5的宽度相当。
图5b)展示了如图4所示的本发明方案的改进方案。根据图5b)，在阴极层5上设置了环绕阴极层5的边缘层11，使得由此构成了复合层10。不仅复合层10的长度L2，而且复合层10的宽度B2，都比阴极层5的长度L1和宽度B1大。
图5c)中，展示了依据本发明的电化学电池的阳极层6的示例。此处，长度L2相当于复合层10的长度L2。阳极层6的宽度B2相当于复合层10的宽度B2。
附图标记列表
1    电化学电池
2    电极堆栈
3    导电体
4    壳体
5    阴极层
6    阳极层
7    隔离层
8    边缘层
9    侧面
10   复合层
11   边缘区域
12   缝隙
13   阴极
14   阳极
15   活性阴极材料
16   活性阳极材料
E    平面
B    宽度
L    长度
F    力

Claims (18)

1.一种电化学电池(1)，其具有至少一个设置在所述电化学电池的壳体(4)内部的电极堆栈(2)，其中，所述电极堆栈(2)具有至少一个第一电极层(5)和一个第二电极层(6)，其中，在所述第一电极层(5)和所述第二电极层(6)之间设置有隔离层(7)，并且其中，所述第一电极层(5)相比于所述第二电极层(6)具有较小的平面扩展，
其特征在于，
在毗邻所述第一电极层(5)处设置有边缘层(8)，所述边缘层特别地在力学上是稳定的。
2.如权利要求1所述的电化学电池，
其特征在于，
所述第一电极层(5)和所述边缘层(8)设置在同一平面(E)上。
3.如权利要求1或2所述的电化学电池，
其特征在于，
所述边缘层(8)至少设置于所述第一电极层(5)的一个侧面(9)处，特别是设置在导电体(3)会通过其与所述第一电极层(5)相连的第一电极层的侧面处。
4.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，
其特征在于，
所述边缘层(8)至少设置在所述第一电极层(5)的两个相对的侧面(9)上。
5.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，
其特征在于，
所述边缘层(8)环绕所述第一电极层(5)设置。
6.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，
其特征在于，
所述第一电极层(5)连同所述边缘层(8)一起形成复合层(10)。
7.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，
其特征在于，
所述复合层(10)的长度(L3)与所述第二电极层(6)的长度(L2)相当。
8.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，
其特征在于，
所述复合层的宽度与所述第二电极层(6)的宽度相当。
9.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，
其特征在于，
所述边缘层(8)具有基本上与所述第一电极层(5)的截面厚度相当的截面厚度。
10.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，
其特征在于，
所述边缘层(8)具有大约与所述第一电极层(5)的硬度相当的硬度。
11.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，
其特征在于，
所述第一电极层是阴极层(5)，而所述第二电极层是阳极层(6)。
12.一种电池组，具有至少一个如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池(1)。
13.一种用于制造电化学电池(1)的方法，其中，所述电化学电池(1)具有至少一个设置在所述电化学电池的壳体(4)内部的电极堆栈(2)，其中，所述电极堆栈(2)具有至少一个第一电极层(5)和一个第二电极层(6)，其中，在所述第一电极层(5)和所述第二电极层(6)之间设置有隔离层(7)，并且其中，所述第一电极层(5)相比于所述第二电极层(6)具有较小的平面扩展，
其特征在于，
至少在所述第一电极层的一个侧面上设置边缘层(8)。
14.如权利要求13所述的方法，
其特征在于，
所述边缘层(8)和所述第一电极层(5)设置在同一平面(E)上。
15.如权利要求13或14所述的方法，
其特征在于，
所述边缘层(8)至少设置于所述第一电极层(5)的一个侧面(9)处，特别是设置在导电体(3)会通过其与所述第一电极层(5)相连的第一电极层的侧面处。
16.如权利要求13至15中至少一项所述的方法，
其特征在于，
所述边缘层(8)至少设置在所述第一电极层(5)的两个相对的侧面(9)处。
17.如权利要求13至16中至少一项所述的方法，
其特征在于，
所述边缘层(8)环绕所述第一电极层(5)设置。
18.如权利要求13至17中至少一项所述的方法，
其特征在于，
所述第一电极层(5)连同所述边缘层(8)一起组成复合层(10)。
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