CN105849962A - 电极组件、用于制造该电极组件的方法以及电化学电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电极组件(110)，电极组件(110)包括层状结构，层状结构具有至少一个第一电极(112)、至少一个第二电极(130)以及插在第一电极(112)与第二电极(130)之间的至少一个分离器(116)。在这里，第一电极(112)具有至少一个第一导电带(114)，第一导电带(114)以第一之字形折叠进行折叠，第一之字形折叠具有形成一层位于另一层之上的多个第一层(120、122)的效果，并且第一之字形折叠的彼此相对的第一折叠边缘(134、136)限定第一之字形折叠的第一折叠方向(138)。另外，第二电极(130)具有至少一个第二导电带(132)，第二导电带(132)以第二之字形折叠进行折叠，第二之字形折叠具有形成一层位于另一层之上的多个第二层(128、140)的效果，并且第二之字形折叠的彼此相对的第二折叠边缘(142)限定第二之字形折叠的第二折叠方向(144)。根据本发明，第一层(120、122)和第二层(128、140)彼此平行布置，第一折叠方向(138)和第二折叠方向(144)相对于彼此形成最小为60°且最大为120°的角度，以及分离器(116)采取至少一个绝缘带(118)的形式，两个相邻的第一层(120、122)以总是形成双层的方式而一层分别位于另一层之上，以及第二层(128、140)分别插在两个双层(124、126)之间。本发明还涉及用于制造这种电极组件(110)的方法，并涉及一种电化学电池，该电化学电池包括至少一个这种电极组件(110)、至少一种电解液、用于第一电极(112)的至少一个第一集电器以及用于第二电极(130)的至少一个第二集电器。

Description

电极组件、用于制造该电极组件的方法以及电化学电池
技术领域
本发明涉及电极组件、用于制造该电池组件的方法以及电化学电池，其中，电化学电池包括至少一个这种电极组件。另外，本发明还涉及用于制造电化学电池的方法以及二次电池，其中，二次电池包括至少一个这种电化学电池。
背景技术
现有技术公开了多种蓄电池，这些蓄电池通常被理解为指至少两个电化学电池的电互连，该至少两个电化学电池也被称为自发电池，这些蓄电池优选地用来存储化学能并传递电能。除在生命周期中仅可以使用一次的、所谓的“一次电池”外，还存在各种所谓的“二次电池”，“二次电池”可以多次充电和放电。这要求使用适当的活性材料，该活性材料能够在至少两种电子态之间可逆地转换，以便能够以这样的方式将化学能转化成电能，并能够将电能转化成化学能。
“电化学电池”是通常用来表示包括彼此部分分离开的两个电极的设备的术语，确切的说，该两个电极是第一电极和第二电极，第一电极和第二电极每个都具有不同的极性，并因而也被称为“阴极”和“阳极”。在电化学电池中，一方面，两个电极通过至少一种离子传导电解液的方式彼此接触，同时，对离子可透的分离器将两个电极电隔离开，以避免短路。换言之，电化学电池通常具有所谓的“电极组件”，该电极组件也被称为电极分离器组件并包括至少一个第一电极、至少一个第二电极以及至少一个分离器，电极组件至少设置有至少一种电解液以及用于两个电极中的每个的至少一个集电器。
现有技术还公开了多种电极组件。例如，DE 10 2009 013 727 A1描述了一叠平坦的电化学电池，每一叠都具有阴极板和阳极板，阴极板和阳极板分别由位于它们之间的分离器膜隔离。通过DE 10 2011 102 847 A1公开了可对比的布置。
因为在很多情况下分离器采用绝缘条带的形式(例如可以配置成膜)，所以描述了分离器在电池中放置成呈所谓的“之字形折叠”或“Z型折叠”形式的电化学电池，之字形折叠具有形成一层位于另一层之上的多个层的效果，在各层之间分别交替插入了阴极板和阳极板。可以在例如G.Reinhart、T.Zeilinger,J.Kurfer、M.Westermeier、C.Thiemann、M.Glonegger、M.Wunderer、C.Tammer、M.Schweier和M.Heinz，Researchand Demonstration for the Production of Large Area-Lithium Ion–Cells、G.Schuh et al.，publisher，Future Trends in Production Engineering,Springer,2013,Proceedings of the First Conference of the German Academic Societyfor Production Engineering,Berlin,2011第3页到第11页中找到电化学电池的这种配置。
EP 1 278 25 B1公开了另一电极组件，在该电极组件中，分离器和阳极分别采用绝缘带和电传导带的形式，分离器和阳极一起布置成之字形折叠，分离器和阳极这种共同形成的之字形折叠形成了由分离器和阳极共同形成的多个层，并且一层位于另一层之上，阴极板分别插入到共同形成的层之间。
DE 38 29 541 A1公开了具有层状结构的电极组件，该电极组件包括两个电极和分离器，每个电极都具有伴随折叠方向的之字形折叠的导电带。之字形折叠具有分别形成一层位于另一层之上的多个层的效果，两个层彼此平行布置，并且两个折叠方向彼此垂直。
具体地，在锂离子蓄电池的情况下，通常使用金属材料的电极，该金属材料例如为铜或铝，其中，活性材料层分别施加到所述电极上，并且活性材料包括含锂的阳极材料或含锂的阴极材料。可在B.Ketterer,U.Karl,D.and S.Ulrich,Lithium-Ionenbatterien:Stand der Technik undAnwendungspotential in Hybrid,Plugin-Hybrid und Elektrofahrzeugen[Lithium-ion batteries:prior art and application potential in hybrid,plugin-hybrid and electric vehicles],Karlsruhe Research Center,ScientificReports,FZKA 7503,October 2009,第7页到第13页中找到通常在锂离子蓄电池领域中使用的材料的综述。相比之下，锂离子蓄电池目前通常具有石墨阳极，石墨阳极具体区别在于电极电势较低以及在锂离子嵌入期间的体积膨胀相对低。可替代的阳极材料为钛氧化物，优选为LiTiO2或者Li4Ti5O12。
如上述B.Ketterer进一步公开的，用作用于锂离子电池的活性材料的公知阴极材料通常包括无机过渡金属氧化物的插层复合物，其中，根据插层复合物中用于锂离子扩散的主结构的维度，可以将插层复合物再分成一维管状结构、二维层状结构和三维框架状结构。在具有管状结构的复合物之之间是具有橄榄石结构的过渡金属复合物，例如LiFePO4。二维层状结构具体包括LiMo2，其中，M＝Co、Mi、Fe或Mn，具体地使用复合物LiNi0.85Co0.1Al0.05O2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2或LiNi1/2Mn1/2O2。具有诸如LiMn2O4的尖晶石结构的复合物提供用于锂离子嵌入的三维网络。
EP 0 869 570 B1公开了至少在折叠边缘的区域中暴露施加到电传导带的至少一侧的活性材料的涂覆层。电传导带上的活性材料的涂覆层中的合成间隙具体地使得电传导带能够进行折叠和铺设而没有任何破坏，其中，会由于例如折叠边缘的区域中活性材料的分离而引起破坏。
一般需要的这样的电池组件，即旨在同时以设置的稳定性用更高的电压提供更多电力或能量。在锂离子蓄电池的情况下，已知的电极组件具有一些缺点，具体因为通常甚至仅在很短的工作时间后可产生诸如高内阻的故障，从而具体地所使用的材料发生膨胀反应。从例如锂离子蓄电池所知，金属锂或诸如铁的其他材料以被称为“树枝石”的树状结构形式沉积，或者以片状结构沉积，会引发短路，并随后导致使电极组件以及电池组件位于其中的电化学电池完全失效。例如，作为精细划分的结构，树枝石可以以针状物的方式刺穿电极组件，并以这种方式引发短路。然而，可替代地和/或另外，还可围绕折叠边缘形成树枝石，从而可同样形成短路。以片状形式沉积的锂还可形成可能从电极到电解液的不希望的电导连接。以这样的方式，还会显著降低具有至少一个这种有缺陷的电极组件的电池的寿命。
发明目的
本发明的目的在于提供至少部分克服现有技术已知的缺点和限制的电极组件、用于制造该电极组件的方法以及电化学电池。
具体地，本发明旨在提供电极组件以及包括这种电极组件的电化学电池，其中，电池组件尽可能地抑制例如由于活性材料的片状沉积和树枝晶的形成所引起的可能的结构改变，并且通过更好的稳定性而适合于在具有更高电力和能量的二次电池中使用。
另外，具体地，本发明旨在提出用于制造电极组件的方法，该方法允许以尽可能少量的方法步骤高效生产电极组件和/或电化学电池。
发明内容
通过具有独立专利权利要求的特征的电极组件、用于制造该电极组件的方法以及电化电池来实现这个目标。在从属专利权利要求中呈现可以单独实现或组合实现的优选配置。
在下文中，以非排他的形式使用术语“具有”、“包括(comprise)”或“包含(include)”或它们的任何语法上的变型。因此，这些术语可以既表示除这些术语引入的特征外不存在其它特征的情形，也可表示存在一个或多个其它特征的情形。例如，表达“A具有B”、“A包括B”或者“A包含B”既可指在A中除了B不存在其它元件的情形(即，指A排他性地由B组成)，也可指除B之外在A中还存在一个或多个其他的元件，例如元件C、元件C和元件D或者甚至更多元件。
本发明在第一方面包括电极组件，电极组件具有层状结构，该层状结构具有至少一个第一电极、至少一个第二电极以及插在第一电极与第二电极之间的至少一个分离器。在这里，将“第一电极”理解为第一电传导材料，根据本发明，该第一电极采取至少一个第一电传导带的形式。类似的要求也适用于“第二电极”，作为第二电传导材料的第二电极采取至少一个电传导带的形式。在这里，两个电极关于其极性而不同，以使得第一电极是阳极时第二电极代表阴极。相反地，如果第一电极是阴极，则相应地第二电极代表阳极。与习惯定义一致，术语“阳极”在这里用来指可进行氧化的电极，凭借阳极，电子可以通过集电器从阳极流走，存在于电解液中的阴离子却可以向阳极移动，具体地，以便允许阴离子嵌入到活性材料中的晶格间隙位置处，其中，活性材料包括阳极。相反，术语“阴极”在这里用来指可以进行还原的电极，凭借阴极，电子可以通过集电器向阴极流动，存在于电解液中的阳离子却可以同样向阴极移动。只要两个电极具有彼此不同的极性，则对于根据本发明的电极组件来说，两个电极(即第一电极或第二电极)中的哪个实际上代表阴极或阳极并不重要。
根据本发明，两个电极中的每个都分别具有电传导带。这理解为指电传导材料的平坦柔性体，该平坦柔性体可以具体设置成卷形物的形式。通过给定这种类型的形式，带的尺寸可以以这样的方式确定，即带的长度远大于带的宽度，同时带的宽度远大于带的厚度。在这里，带的长度可以超过带的宽度10倍、100倍、1000倍或更多倍，而带的宽度可以超过带的厚度10倍、20倍、50倍、100倍或更多倍。具体地，带可以采取分别包括电传导材料的金属箔、薄条带、网形金属和/或编织纱网结构的形式，其中，电传导材料具体为金属或合金。在优选的配置中，第一导电带包括第一金属带，该第一金属带包括至少一种第一金属或第一合金，具体为铜。在该配置中，第二导电带可具有第二金属带，该第二金属带可包括至少一种第二金属，第二金属与第一金属或第一合金不同，具体为铝或与第一金属或第一合金不同的合金。
另外，电极组件包括分离器，该分离器插在第一电极与第二电极之间，并且采用至少一种电绝缘带的形式。在这里，“分离器”被理解为指使第一电极与第二电极彼此隔离的电绝缘设备，并且具体地为了这个目的而以使两个电极彼此不能够建立直接接触的方式使它们保持分离一段距离，优选地用以避免由两个电极之间的直接电传导连接造成的短路。在这里，如上文或下文所述，绝缘带的形式可优选地与电传导带中的至少一个的形式相对应，或者绝缘带的形式也可以具有更大的宽度，绝缘带可以突出超过至少一个电传导带。具体地，绝缘带包括塑料材料和/或陶瓷材料，其中，塑料材料例如为聚烯烃，在具体优选的配置中，塑料材料和/或陶瓷材料可具有孔隙，该孔隙例如设计为用来接收电化学电池所需的电解液，并且用于流过锂离子。
在优选配置中，分离器可具有例如为Al2O3和/或SiO2的陶瓷材料的至少一种组成部分，该陶瓷材料具体地可具有高机械强度、高耐热性以及相对高温度时的低收缩率。由于电极组件操作过程中的高电流，电极组件有时可能极大地变热，分离器易于收缩，具体地，如果分离器是由聚烯烃材料形成，则由于分离器收缩，两个电极之间可能发生直接接触，并因此电极组件可能过热，从而可能起火。陶瓷分离器优选地可由柔性陶瓷复合材料形成。复合材料也可称为层压材料，可以由彼此粘合的各种材料形成，具体地，由陶瓷材料和聚合物材料形成。例如，可设置有陶瓷注入物和/或陶瓷覆盖物的聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate，PET)的非纺织物可以适合于这种形式。
陶瓷分离器优选地可在绝缘条带的一侧和/或两侧上利用粒子液体润湿，这样具体可提高陶瓷分离器的柔性，并且提高陶瓷分离器对电极组件的两个电极中的至少一个的粘附。
该至少一个分离器优选地可至少部分在至少一个具体为相邻电极的划定的边缘之上延伸，具体优选地，在具体为相邻电极的整个边缘之上延伸。在这个配置中，可减小电极组件的电极边缘之间的任何电流。
根据本发明，第一导电带以第一之字形折叠形式来铺设。“之字形折叠”也可以称为Z形折叠，在这里理解为指例如G.Reinhart中表示的第一电极的配置(见上文)，其中，第一导电条带在一些部分以一层位于另一层之上的第一层的形式分别进行折叠，其中形成了彼此相对的第一折叠边缘。因此，之字形折叠特征为：被称为第一层的、第一条带的第一部分位于衬层上或位于先前的第一层上，条带在该部分的一端处共翻转180°，以便以这样的方式形成同一条带的下一层，从而形成第一层和进一层之间的条带宽度上方的折叠边缘。至少在条带的一部分上(具体为整个条带上)优选地以相同的方式设置这种布置，以使得第一导电带采取一层平行位于另一层之上的多个第一层的形式。
电极组件还包括第二导电带，第二导电带成第二之字形折叠形式铺设，从而，通过与第一之字形折叠类似，通过第二之字形折叠形成一层平行位于另一层之上的多个第二层，彼此直接相邻的、第二导电条带中的两层分别形成位于第二导电条带的宽度上方的第二折叠边缘。
根据本发明，第一导电条带和第二导电条带因而以第一层与第二层彼此平行对准的方式引入到电极组件中。如果由第一之字形折叠的彼此相对的第一折叠边缘限定第一之字形折叠的第一折叠方向，并且由第二之字形折叠的彼此相对的第二折叠边缘限定第二之字形折叠的第二折叠方向，则根据本发明，第一折叠方向和第二折叠方向彼此之间形成的角度处于最小60°到最大120°的范围中，优选地处于最小80°到最大100°的范围中，具体优选地，该角度采用90°的值。
在本发明的具体优选配置中，第一导电带的两个相邻的第一层以由此形成双层的形式一层分别位于另一层上，对于第二导电带的第二层来说能够单独插在两个双层之间。具体地，在具体优选的配置中(但并不受这种配置限制)，可以在任何情况下均一起引导第一导电带和绝缘带，以使得第一导电带可以仅与一个绝缘带一起形成一层位于另一层上的多个第一层。可替代地或者除此之外，可以以可形成一层位于另一层上的多个第二层的方式将两个绝缘带与第二导电带一起引导，在这里可仅在绝缘带的两层之间引导第二导电带。本段中描述的配置具体可确保两个电传导电极带以可以避免电传导电极带之间电接触的方式，优选地可通过一个或两个绝缘带将彼此隔离。
然而，还可想到电极组件中的两层可关于彼此布置的方式来建立的其他配置。优选地，电极组件可以包括多个第一电极和多个第二电极，不同极性的电极可通过至少一个分离器分别彼此隔开。具体地，电极组件中的层状结构在任何情况下均可具有电极，其中，电极分别跟随有将电极与下一电极隔开的分离器，该下一电极优选地设置有不同的极性。优选地，在这个电极组件中，具有相同极性的多个电极可以电传导方式分别彼此连接，并且优选地彼此并联连接至，也可彼此串联连接。
在具体优选配置中，根据本发明的电极组件的第一导电带和/或第二导电带可以分别具有第一侧和第二侧，电传导带的第一侧和/或第二侧可至少部分地设置有活性材料。具体地，这种配置可以设置成未被至少一层绝缘带隔离的、一层位于另一层之上的电传导带不可涂覆有活性材料。因此，第一导电带的第一侧、第二导电带的第一侧以及第二导电带的第二侧可以至少部分设置有活性材料，而第一导电带的第二侧可以不具有活性材料。电极组件的导电带的涂覆层可优选地以这样的方式配置，即在分别设置有活性材料的第一侧上的各区域之间和/或第二侧上的各区域之间设置间隙，优选地可以至少在第一折叠边缘和第二折叠边缘以及在接触区域处存在间隙。“接触区域”理解为指第一导电带上和/或第二导电带上的、设置为之后在任何情况下均与集电器接触的区域，其中该接触区域可以建立与第一电极的电接触以及与第二电极的电接触。在一个具体配置中，接触区域可以位于第一导电带和/或第二导电带可具有的外围区域处。具体地用作接触区域，外围区域可至少部分地具有间隙；然而，外围区域中的间隙也可具有优势，例如，用于避免活性材料会与第二导电带和/或第一导电带的外围分离的可能性。
在本发明的情况中，根据阴极或阳极是否可涂覆有活性材料，“活性材料”被理解为指包含锂无机过渡金属氧化物或者石墨。因此，对于适当的活性材料，优选地参考关于B.Ketterer中呈现的材料(参见上文)，通过在其他电化学电池的使用中所知的、适合于根据本发明的电极组件配置的其他材料也是可行的。
在另一方面，本发明涉及制造电极组件的方法，该电极组件具有层状结构，该层状结构具有至少一个第一电极、至少一个第二电极以及插在第一电极和第二电极之间插的至少一个分离器。根据本发明的方法至少包括下文描述的步骤a)至步骤d)，可以根据配置增加其他步骤。步骤a)至步骤d)优选地以所示的顺序执行，然而，步骤a)和步骤b)也可以交换执行。根据步骤a)，第一电极设置成第一导电带的形式，并且，根据步骤b),第二电极设置成第二导电带的形式。
根据本发明，取决于所选择的配置，步骤c)和步骤d)按这个顺序或按相反的顺序重复多次，从而以第一之字形折叠的形式形成一层位于另一层之上的多个第一层以及以第二之字形折叠的形式形成一层位于另一层之上的多个第二层。在这里，第一层和第二层放置成使得第一层和第二层彼此平行布置。第一之字形折叠的、彼此相对的第一折叠边缘限定第一之字形折叠的第一折叠方向，而第二之字形折叠的、彼此相对的第二折叠边缘限定第二之字形折叠的第二折叠方向。根据本发明，在这里，第一之字形折叠的第一折叠方向以及第二之字形折叠的第二折叠方向彼此之间形成角度，该角度为最少60°且最大120°，优选为最少80°且最大100°，具体优选地为90°。
在具体优选的配置中，两个相邻的第一层可以以分别形成双层的形式一层分别位于另一层上，对于第二层，具体为单个第二层来说，可爱任何情况下插在两个双层之间。因此，在这个配置中，在步骤d)随后独自执行一次前，可以连续执行步骤c)两次。还可以想到其他配置。然而，以这样的方式，可获得能够具体具有以下所列优势的电极组件。
根据本发明，分离器也设置成绝缘带的形式，以分离器的绝缘带将第一导电带与第二导电带隔开的方式，将绝缘带插在第一导电带和第二导电带之间。以这样的方式，避免了第一导电带和第二导电带之间的任何不利电接触。
在具体优选的配置中，在这里，可与第一导电带和/或第二导电带一起设置至少一个绝缘带，并且，具体地，根据步骤c)或根据步骤d)，令至少一个绝缘带与分别提供的导电带一起折叠。在第一个优选配置中，可将第一导电带仅与至少一个绝缘带中的一个一起引导。在第二个同样优选的配置中，为了这个目的，可仅在绝缘带中的两个之间引导第二导电带。当第一导电带形成双层时这些配置是特别有优势的，其中第二导电带的第二层分别插在该双层之间。然而，还可设想到其他配置。
对于关于根据本发明的方法的其他细节，参照了上文或下文中更具体描述的、能够由本方法制造的电极组件。根据所选择的配置，具体地，可以所有可能的成分、层厚度和尺寸来使用其他惯常的阳极层、分离器层、阴极层和电解液。具体地，可以使用如在锂离子电池或锂离子聚合物电池中使用的阳极、阴极、分离器和电解液的惯常组合。
在另一方面中，本发明涉及电化学电池，该电化学电池包括上文或下文中描述的至少一个电极组件，和/或由根据本发明的方法制造的电极组件。电化学电池还包括至少一种电解液、用于第一电极的至少一个第一集电器以及用于第二电极的至少一个第二集电器。另外，电化学电池还可具有其他组合部件，具体为壳体，壳体可以围绕电化学电池，使电化学电池至少部分地、优选为完全地与用于附接电触点的开口分离。在这里“壳体”理解为指在正常情况下为固体的材料，壳体具体用于使电化学电池至少部分地与其周围环境隔开。另外，壳体还可执行其他功能，例如优选地当电解液至少部分地呈液态时，接收电解液，以使得能够以容易的方式将呈这种状态的电解液引入到壳体中，例如倾倒入壳体中。如在开始时已描述的，术语“电解液”是用来指离子可以在电极之间移动的固体物质或液体物质。在可替代的、同样优选的配置中，例如通过灌注有电解液的分离器，电解液可以与分离器一起设置，例如在这样的分离器中电解液被引入到分离器可具有的孔隙中。
在优选的配置中，第一集电器和/或第二集电器可以附接在设置有活性材料的区域之间的间隙处。具体地，用于第一电极的第一集电器可具体附接在第一导电带的第一折叠边缘处和/或第一导电带的外围区域中，而用于第二电解液的第二集电器可以附接在第二导电带的第二折叠边缘处和/或第二导电带的外围区域中。
在优选配置中，电化学电池可以与绝缘材料一起卷绕，具体地，以便有利地增强了混合物粘合，并增加了系统寿命和可靠性。这种配置还可有利地阻碍诸如锂或铁的材料以树枝状晶体的形式从活性材料中沉淀出来。
在另一方面，本发明涉及制造电化学电池的方法，该电化学电池设置了上文或下文中所述的至少一个电极组件，该电机组件包括至少一个第一电极、至少一个第二电极以及插在第一电极与第二电极之间的至少一个分离器。根据本发明，为了这个目的，该至少一个电极组件设置有至少一种电解液、用于第一电极的至少一个集电器以及用于第二电极的至少一个第二集电器。在具体优选的配置中，注入有电解液的分离器可以用于这个目的。同样优选地配置是该至少一个电极组件可以由壳体至少部分地围绕，壳体可具有用于第一集电器的连接部分以及用于第二集电器的连接部分。具体地，在该至少一个电极组件可以由壳体至少部分地围绕的配置中，可以以液态提供电解液，并且以容易的方式将电解液引入到壳体中。
在另一配置中，本发明涉及二次电池，该二次电池包括上文所述或下文所述的方式的至少一个电化学电池。在具体优选的配置中，在这里的二次电池还可由壳体至少部分地围绕，其中，壳体可具有电连接部分。
不仅关于电化学电池，而且还关于用于制造电化学电池的方法以及二次电池，为了获得更多细节，参照了在上文或下文中给出的电极组件的详细描述。
根据本发明的电极组件、具有这种电极组件的电化学电池以及包括至少一个这种电化学电池的二次电池可以具有一系列优点。在这里，可具体有利的是，根据本发明的方法包括折叠至少一个第一电极、至少一个第二电极以及插在第一电极与第二电极之间的至少一个分离器，从而能够以容易的方式保持所需的叠放顺序。两个电极设置成导电带的形式以及分离器设置成至少一个绝缘带的形式使得不必制造和定位单个电极，因此可以避免制造过程中误差的主要来源，其中制造过程中误差源例如可以影响颗粒形成的形式、层粗糙度和/或断裂。更确切地说，根据本发明的方法允许由两个导电带形成一层位于另一层之上的第一层和第二层的堆叠，而不用总是必须将单个电极片切割成应有的尺寸、清洗、供应、定位并保护其免受静电充电的影响。以这样的方式，可以免除对额外的烘干步骤的需要，烘干步骤通常包含烘干和清洗单个电极片。
因此，根据本发明的折叠方法会提高电极组件的过程可靠性和制造率，并且增加了产量。同时将导电带和至少一个绝缘分离器带放在一起可以显著降低以上所述的电极组件中的误差源和误差源带来的后果，其中，活性材料可已以薄层的形式施加至导电带上。
根据本发明的配置，将第一之字形折叠的第一折叠方向和第二之字形折叠的第二折叠方向布置成相对于彼此成最小为60°且最大为120°的角度，优选地成直角，该设置能够将单个电极更好地固定在电极组件内，并且降低当温度增加时层状结构中单个部件滑脱的可能性。具体地，在电极组件制造过程中不需要诸如附着粘合操作或层压操作的额外方法步骤情况下，两个折叠方向彼此之间的有利固定和/或大体直角布置可以避免微裂隙。这样，具体地，可通过避免电极和/或活性材料中的微裂隙来提供具有改善了可靠性的、耐用的电极组件。在包括这种电极组件的电化学电池中以及在具有这种电化学电池的二次电池中也可以发现电极组件的这些优点。
总之，本发明的以下配置为优选配置：
1.一种电极组件，包括层状结构，该层状结构具有至少一个第一电极、至少一个第二电极以及插在第一电极与第二电极之间的至少一个分离器，第一电极具有至少一个第一导电带，第一导电带以第一之字形折叠进行折叠，第一之字形折叠具有形成一层位于另一层之上的多个第一层的效果，其中，第一之字形折叠的、彼此相对的第一折叠边缘限定第一之字形折叠的第一折叠方向，第二电极具有至少一个第二导电带，第二导电带以第二之字形折叠进行折叠，第二之字形折叠具有形成一层位于另一层之上的多个第二层的效果，其中，第二之字形折叠的、彼此相对的第二折叠边缘限定第二之字形折叠的第二折叠方向，第一层和第二层彼此平行布置，第一折叠方向和第二折叠方向相对于彼此形成最小为60°且最大为120°的角度，并且分离器采取至少一个绝缘带的形式。
2.根据前述配置所述的电极组件，第一个折叠方向与第二折叠方向之间的角度是90°。
3.根据前述配置中的一项所述的电极组件，两个相邻的第一层以总是形成双层的方式使一个第一层分别位于另一个第一层之上，并且第二层分别插在两个双层之间。
4.根据前述配置中的一项所述的电极组件，第一导电带与至少一个绝缘带中的仅一个一起形成一层位于另一层之上的多个第一层。
5.根据前述配置中的一项所述的电极组件，至少一个绝缘带与第二导电带一起形成一层位于另一层之上的多个第二层。
6.根据前述配置所述的电极组件，第二导电带仅在绝缘带中的两层之间被引导成三层带。
7.根据前述配置中的一项所述的电极组件，第一导电带包括第一金属带，第一金属带包括至少一种第一金属。
8.根据前述配置所述的电极组件，第一金属带包括铜。
9.根据前述配置中的一项所述的电极组件，第二导电带包括第二金属带，第二金属带包括至少一种第二金属，该至少一种第二金属与第一金属不同。
10.根据前述配置所述的电极组件，第二金属带包括铝。
11.根据前述配置中的一项所述的电极组件，绝缘带包括塑料材料和/或陶瓷材料。
12.根据前述配置所述的电极组件，塑料材料和/或陶瓷材料具有孔隙。
13.根据前述配置中的一项所述的电极组件，第一导电带和/或第二导电带分别具有第一侧和第二侧，其中，第一侧和/或第二侧以这样的方式至少部分地设置有活性材料，即，一层位于另一层之上的、没有通过至少一层绝缘带彼此隔离的带不具有活性材料。
14.根据前述配置所述的电极组件，活性材料包括无机物锂盐和/或石墨。
15.根据前述两项配置中的一项所述的电极组件，第一导电带的第一侧、第二导电带的第一侧以及第二导电带的第二侧至少部分地设置有活性材料，而第一导电带的第二侧未设置有活性材料。
16.根据前述三项配置中的一项所述的电极组件，在设置有活性材料的第一侧上的区域和/或第二侧上的区域之间设置空隙，空隙至少位于第一折叠边缘处和第二折叠边缘处以及位于接触区域处。
17.根据前述配置所述的电极组件，第一导电带和/或第二导电带具有外围区域，该外围区域至少部分地具有间隙。
18.一种用于制造电极组件的方法，电极组件包括层状结构，其中层状结构具有至少一个第一电极、至少一个第二电极以及插在第一电极与第二电极之间的至少一个分离器，该方法具有以下步骤：
a)设置呈第一导电带形式的第一电极；
b)设置呈第二导电带形式的第二电极；
c)折叠第一导电带以形成第一层；
d)折叠第二导电带以形成第二层；
步骤c)和d)以这样的方式重复多次，该方式为以第一之字形折叠的形式形成一层位于另一层之上的多个第一层，其中第一之字形折叠的彼此相对的第一折叠边缘限定第一之字形折叠的第一折叠方向，并且以第二之字形折叠的形式形成一层位于另一层之上的多个第二层，其中第二之字形折叠的彼此相对的第二折叠边缘限定第二折叠方向，第一层和第二层彼此平行布置，第一折叠方向和第二折叠方向相对于彼此形成最小为60°且最大为120°的角度，并且以至少一个绝缘带的形式设置分离器，其中以将第一导电带与第二导电带隔开的方式将分离器插在第一导电带和第二导电带之间。
19.根据前述配置所述的方法，第一折叠方向与第二折叠方向之间的角度被选为90°。
20.根据涉及方法的前述配置中的一项所述的方法，两个相邻的第一层以总是形成双层的方式一个第一层分别位于另一第一层之上，并且第二层分别插在两个双层之间。
21.根据涉及方法的前述配置中的一项所述的方法，至少一个绝缘带与第一导电带设置在一起和/或至少一个绝缘带与第二导电带设置在一起。
22.根据涉及方法的前述配置中的一项所述的方法，第一导电带与至少一个绝缘带中的仅一个一起引导。
23.根据涉及方法的前述配置中的一项所述的方法，第二导电带在绝缘带中的仅两个之间引导为三层带。
24.一种电化学电池，包括根据涉及电池组件的配置中的一项所述的至少一个电池组件、至少一种电解液、用于第一电极的至少一个第一集电器以及用于第二电极的至少一个第二集电器。
25.根据前述配置所述的电化学电池，第一集电器和/或第二集电器附接于设置有活性材料的区域之间的间隙处。
26.根据前述配置所述的电化学电池，第一集电器附接于第一导电带的第一折叠边缘处和/或第一导电带的外围区域中，并且第二集电器附接于第二导电带的第二折叠边缘处和/或第二导电带的外围区域中。
27.根据涉及电化学电池的前述配置中的一项所述的电化学电池，分离器至少部分地灌注有电解液。
28.根据涉及电化学电池的前述配置中的一项所述的电化学电池，电化学电池至少部分地由壳体围绕。
29.根据前述配置所述的电化学电池，电解液已经以液体形式引入到壳体中。
30.一种用于制造根据涉及电化学电池的配置中一项所述的电化学电池的方法，设置包括层状结构的至少一个电极组件，该层状结构具有至少一个第一电极、至少一个第二电极以及插在第一电极和第二电极之间的至少一个分离器，电极组件设置有至少一种电解液、用于第一电极的至少一个第一集电器以及用于第二电极的至少一个第二集电器。
31.根据前述配置所述的方法，使用至少部分地灌注有电解液的分离器。
32.根据涉及用于制造电化学电池的方法的前述配置中的一项所述的方法，至少一个电极组件至少部分地由壳体围绕，壳体具有用于第一集电器的连接部分以及用于第二集电器的连接部分。
33.根据前述配置所述的方法，电解液以液体形式引入到壳体中。
34.一种二次电池，包括根据涉及电化学电池的配置中的一项所述的至少一个电化学电池。
35.根据前述配置所述的二次电池，二次电池至少部分地由壳体围绕，并且具有电连接部分。
附图说明
本发明进一步细节和特征通过以下对优选示例性实施方式的描述而显露出来，具体地结合所附权利要求。在这里，相应的特征可通过本身单独实现或彼此结合来实现。本发明不限于示例性实施方式。在附图中示意性地表示示例性实施方式。在单个附图中，相同的参考标号从而表示相同的或功能性相同的和/或关于它们的功能彼此对应的元件。
具体地，在附图中：
图1示出了根据发明的电极组件的第一实施方式的立体图，其中两个集电器可以附接在彼此相对放置的电极组件的两侧上；图像关于单个层垂直展开，以使得可以更好地观察单个层；
图2示出了根据图1的实施方式中的相应第一侧和第二侧的、具有用于第一电极的活性材料(图2a)和用于第二电极的活性材料(图2b)的涂覆层的示意图；
图3示出了没有展开间隔的、根据图1的实施方式；
图4示出了根据本发明的电极组件的第二实施方式的立体图，可以将两个集电器附接至与第一导电带和第二导电带彼此垂直的两个折叠边缘；已展开垂直于单个层的视图；
图5示出了根据图4的实施方式中的相应第一侧和第二侧的、具有用于第一电极的活性材料(图5a)和用于第二电极的活性材料(图5b)的涂覆层的示意图；
图6示出了没有展开间隔的、根据图4的实施方式；
图7示出了根据本发明的电极组件的另一实施方式的立体图，仅在两个绝缘带之间引导第二导电带；已展开垂直于单个层的视图。
具体实施方式
在图1中，立体地示出了根据本发明的电极组件110的示例性实施方式。电极组件110包括由第一电极112构成的层状结构，其中第一电极112在下文中也被称为“阳极”，并且以采用绝缘带118形式的分离器116与第一导电带114一起的形式引导。在任何情况下，第一导电带114的相邻层120、122均形成双层124，在下文中也称为“阴极”的第二电极130的第二层128插在每个双层124和与该第一双层相邻的另一双层126之间作为第二导电带132的一部分。在本实施方式中，第一电极112的第一导电带114与分离器116的绝缘带118一起折叠成第一之字形折叠形式，从而在此处形成了一层位于另一层之上的多个第一层120、122以及彼此相对的第一之字形折叠的多个第一折叠边缘134、136。在这里，彼此相对的第一折叠边缘134、136限定了第一之字形折叠的第一折叠方向138。以相似的方式，第二导电带折叠成第二之字形折叠，该第二之字形折叠形成一层位于另一层之上的多个第二层128、140，其中这里也彼此相对的第二折叠边缘142限定了第二折叠方向144。根据本发明，第一层120、122和第二层128、140均彼此平行布置，而本示例性实施方式中的第一折叠方向138和第二折叠方向144相对于彼此成90°的角度。
为了制造图1中所示的电极组件110，如图2a所示，首先第一电极112设置为呈第一导电带114形式的、与呈绝缘带118形式的分离器116一起的阳极。在这里，第一导电带114具有第一侧146，第一侧146在区域148涂覆有活性材料，其中区域148通过间隙150分别与彼此分离。如在该具体优选的配置中所示，涂覆间隙150在宽度上沿着第一导电带114不同，小的涂覆间隙152具体适合于第一导电带114的折叠以形成一层位于另一层之上的多个层120、122，以便避免第一折叠边缘134、136中的活性材料分离。当形成电极组件110的层状结构时，同样需要大涂覆间隙154以用于折叠，不过随后大涂覆间隙154也可用于将集电器附接至第一电极112。与第一侧146相比，本示例性实施方式中的第一导电带114的第二侧156没有涂覆活性材料。
对于制造根据本示例性实施方式的电极组件110，为了这个目的，将第一电极112的第一侧146铺设于分离器116上，其中分离器116完全覆盖第一侧146，而第一电极114的未涂覆的第二侧156布置在顶部上，并因而可以随意接近。之后，将包括第一导电带114和分离器116的这个组件以这样的方式折叠，即两个相邻的第一层120、122的未涂覆的第二侧156可以直接接触，并且绝缘带118布置在顶部。然后，将第二导电带130的第二层128垂直于绝缘带118地布置在分离器116的顶部上的绝缘带118上，其中该第二导电带130在本文中用作阴极而没有限制一般性，并且如图2b中所示，第二导电带130具有两个形成为完全一样的侧158、160，在由涂覆间隙150分离的区域148中施加了相应的活性材料。
由于图3中所示的第二电极130与集电器的接触类型，这里仅设置小涂覆间隙152就已足够。折叠在两侧158、160以这样的方式涂覆有活性材料的阴极带132，从而阴极130碰到两侧158、160上的绝缘分离器带118。
随后折叠从第一导电带114和绝缘带118一起的带，因而阳极带114的两个未涂覆的第二层156一次铺设为一层位于另一层之上，并且分离器带118依次位于层积的顶部。然后，通过折叠阴极带132，阴极带132再次垂直于分离器带118地布置到位于顶部的分离器带118上。
只要具有足够的带，就可通过重复所描述的步骤，持续电极组件110的层状结构，否则可以在这之前因为任何理由而终止该方法。在图3中通过举例示出根据本发明的层状结构。当第一集电器可以附接至第一电极112的第一折叠边缘134、136时，分别未涂覆的外围条带162可以适用于附接用于阴极130的第二集电器，其中分别未涂覆的外围条带162可从电极组件110的致密结构向阴极带132的一侧突出数毫米。如图3所示，以这样的方式，可将彼此相对布置的两个集电器附接在电极布置110上。
另外，在这个示例性实施方式中，阴极和阳极的角色可以转换。使用仅在第一侧上涂覆的阴极，而不是仅在第一侧上涂覆的阳极，而然后，阳极在第二侧上具有如图2b中所示的用于阴极的涂覆层，并且阴极的第二侧没有涂覆活性材料。
图4到图6示出了根据本发明的电极组件的第二示例性实施方式以及制造该电机组件的方法，这个实施方式与图1到图3所示的示例性实施方式的区别之处仅在于最终附接集电器的可能性。所示的用来形成层状结构的方法是相同的，以使得在这方面参照对第一配置的描述。如上文对第一示例性实施方式所述，在这个示例性实施方式中也可以转换阴极和阳极的角色。
具体地，如通过图6所示，在这个示例性实施方式中，第一折叠边缘134、136为一个边缘位于另一个边缘之上，并且提供了附接第一集电器的可能。如与图1到图3中所示的示例性实施方式相比不同，在这里，第二集电器与第二折叠边缘142垂直地附接在至少一个第二折叠边缘142处，以使这里两个集电器在电极组件110上彼此垂直附着。然而，如图5所示，在这里，如果第二导电带132的第一侧158和第二侧160均分别具有包含活性材料的涂覆层，则这样的布置是有利的，其中，通过小涂覆间隙152和大涂覆间隙154交替地使设置有活性材料的区域148彼此分离。另外，在这里，第二导电带132的折叠需要两种不同的涂覆间隙152、154，大涂覆间隙154设置在将要附接集电器的那些位置处，这对于以上提及的理由是特别有利的。
最终，在图7中，以透视图表示法示意性地示出根据本发明的电极组件110的另一示例性实施方式。在这个实施方式中，使用了三层带164，三层带164包括一层位于另一层之上的三个层，该三个层由绝缘带118、根据图2b优选地在两侧158、160上均涂覆的第二导电带132、以及另一绝缘带118组成。阳极带114垂直布置在这个三层带164上，承载有活性材料的涂覆层的区域148朝向分离器带118定向并被分离器带118覆盖，其中区域148以根据图2的相同方式出现在阳极带114的第一侧146上。然后，以阳极带114的未涂覆侧156彼此相压并接触的方式折叠单独引导的阳极带114。然后，由分离器带118、阴极带132和另一分离器带118构成的三层带164布置在其上，由此，预先布置在顶部的阳极带114随后转为被分离器116完全覆盖。同样，在这个实施方式中，通过重复所描述的方法步骤直至终止可以延续电极组件110的层状结构。可使用阴极带132的未涂覆的外围区域162以在电极组件110形成之后将集电器附接至阴极带132，其中，阴极带132的未涂覆的外围区域162从电极组件110中横向突出数毫米。同样，在这个示例性实施方式中，如上文已经对第一示例性实施方式描述的，可以转换阴极和阳极的角色，为了这个目的需要执行诸如图2中所示的涂覆过程。
附图标记的说明
110 电极组件
112 第一电极(阳极)
114 第一导电带(阳极带)
116 分离器
118 绝缘带(分离器带)
120 第一层
122 相邻的第一层
124 双层
126 另一双层
128 第二层
130 第二电极(阴极)
132 第二导电带(阴极带)
134 第一折叠边缘
136 另一第一折叠边缘
138 第一折叠方向
140 另一第二层
142 第二折叠边缘
144 第二折叠方向
146 第一导电带的第一侧
148 区域
150 (涂覆)间隙
152 小间隙
154 大间隙
156 第一导电带的第二侧
158 第二导电带的第一侧
160 第二导电带的第二侧
162 外围区域
164 三层带

Claims (10)

1.一种电极组件(110)，包括层状结构，所述层状结构具有至少一个第一电极(112)、至少一个第二电极(130)以及插在所述第一电极(112)与所述第二电极(130)之间的至少一个分离器(116)，所述第一电极(112)具有至少一个第一导电带(114)，所述第一导电带(114)以第一之字形折叠进行折叠，所述第一之字形折叠具有形成一层位于另一层之上的多个第一层(120、122)的效果，其中，所述第一之字形折叠的彼此相对的第一折叠边缘(134、136)限定所述第一之字形折叠的第一折叠方向(138)，所述第二电极(130)具有至少一个第二导电带(132)，所述第二导电带(132)以第二之字形折叠进行折叠，所述第二之字形折叠具有形成一层位于另一层之上的多个第二层(128、140)的效果，其中，所述第二之字形折叠的彼此相对的第二折叠边缘(142)限定所述第二之字形折叠的第二折叠方向(144)，所述第一层(120、122)和所述第二层(128、140)彼此平行布置，所述第一折叠方向(138)和所述第二折叠方向(144)相对于彼此形成最小为60°且最大为120°的角度，以及所述分离器(116)采取至少一个绝缘带(118)的形式，两个相邻的第一层(120、122)以总是形成双层(124、126)的方式一层分别位于另一层之上，以及所述第二层(128、140)分别插在两个双层(124、126)之间。
2.根据前述权利要求所述的电极组件(110)，其中，所述第一导电带(114)与所述至少一个绝缘带(118)中的仅一个一起形成一层位于另一层之上的多个第一层(120、122)，和/或其中所述第二导电带(132)在所述绝缘带(118)中的仅两个之间引导为三层带(164)，其中所述第二导电带(132)与所述绝缘带(118)一起形成一层位于另一层之上的多个第二层(128、140)。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的电极组件(110)，其中，所述第一导电带(114)和/或所述第二导电带(132)分别具有第一侧(146、158)和第二侧(156、160)，其中，所述第一侧(146、158)和/或所述第二侧(156、160)以这样的方式至少部分设置有活性材料，即，没有通过至少一层绝缘带(118)彼此隔开的、一层位于另一层之上的导电带不具有所述活性材料。
4.根据前述权利要求所述的电极组件(110)，其中，所述第一导电带(114)的所述第一侧(146)、所述第二导电带(132)的所述第一侧(158)以及所述第二导电带(132)的所述第二侧(160)至少部分地设置有所述活性材料，而所述第一导电带(114)的所述第二侧(156)未设置有所述活性材料。
5.根据两个前述权利要求中的任一项所述的电极组件(110)，其中，在所述第一侧(146、158)和/或所述第二侧(156、160)上的区域(148)之间设置有间隙(150)，所述间隙(150)至少位于所述第一折叠边缘(134、136)处、所述第二折叠边缘(142)处以及接触区处，其中，所述区域(148)设置有所述活性材料。
6.一种用于制造电极组件(110)的方法，所述电极组件(110)包括层状结构，其中，所述层状结构具有至少一个第一电极(112)、至少一个第二电极(130)以及插在所述第一电极(112)与所述第二电极(130)之间的至少一个分离器(116)，所述方法具有以下步骤：
a)设置呈第一导电带(114)形式的第一电极(112)；
b)设置呈第二导电带(132)形式的第二电极(130)；
c)折叠所述第一导电带(114)以形成第一层(120、122)；
d)折叠所述第二导电带(132)以形成第二层(128、140)；
其中，步骤c)和步骤d)以这样的形式重复多次，这样的方式为形成呈第一之字形折叠形式的、一层位于另一层之上的多个第一层(120、122)，以及形成呈第二之字形折叠形式的、一层位于另一层之上的多个第二层(128、140)，其中所述第一之字形折叠的彼此相对的第一折叠边缘(134)限定所述第一之字形折叠的第一折叠方向(138)，所述第二之字形折叠的彼此相对的第二折叠边缘(142)限定所述第二之字形折叠的第二折叠方向(144)，所述第一层(120、122)和所述第二层(128、140)彼此平行布置，所述第一折叠方向(138)和所述第二折叠方向(144)相对于彼此形成最小为60°且最大为120°的角度，两个相邻的第一层(120、122)以总是形成双层(124、126)的方式一层分别位于另一层之上，第二层(128、140)分别插在两个双层(124、126)之间，以及以至少一个绝缘带(118)的形式设置所述分离器(116)，所述分离器(116)以将所述第一导电带(114)与所述第二导电带(132)隔开的方式插在所述第一导电带(114)和所述第二导电带(132)之间。
7.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述至少一个绝缘带(118)与所述第一导电带(114)一起引导和/或与所述第二导电带(132)一起引导。
8.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述第一导电带(114)与所述至少一个绝缘带(118)中的仅一个一起引导，或者所述第二导电带(132)在所述绝缘带(118)中的仅两个之间引导为三层带(164)。
9.一种电化学电池，包括根据涉及电极组件(110)的权利要求中的任一项所述的至少一个所述电极组件(110)、至少一种电解液、用于所述第一电极(112)的至少一个第一集电器以及用于所述第二电极(130)的至少一个第二集电器。
10.根据前述权利要求所述的电化学电池，其中，所述分离器(116)至少部分地灌注有所述电解液，或者所述电解液已经以液体形式引入到至少部分地围绕所述电化学电池的壳体中。
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