CN106463680B - 电化学储能器和电池组 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电化学储能器，该电化学储能器包括至少两个电极，在所述至少两个电极之间布置有分离器(1.2.2)，其特征在于，所述分离器(1.2.2)采用机械柔性设计方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种电化学储能器。本发明还涉及一种电池组。
背景技术
由DE 10 2010 018 731 A1已知一种锂硫电池组，其包括含锂的第一电极、含硫和/或硫化锂的第二电极、处于这些电极之间的分离器以及分离器中的电解质。其中，这个分离器包括由聚合物纤维构成的未交织的纤维网。
此外，由US 2011/0281156 A1已知一种用于电池组的电极，其配设有碳纳米管，其中这些碳纳米管具有硅基质，电池组在这个电池组内部的电化学过程中的体积变化可以借助这个硅基质进行补偿。
发明内容
本发明的目的是提供一种与现有技术相比有所改进的电化学储能器以及一种有所改进的电池组。
一种电化学储能器包括至少两个电极，在所述至少两个电极之间布置有分离器。根据本发明，所述分离器采用机械柔性的设计方案。
所述电极构建为阳极和阴极，其中所述分离器将所述电极彼此空间分离且电分离。在此情况下，所述分离器有利地采用可透离子的设计方案，使得所述阳极的活性材料，如锂离子，能够在所述电化学储能器的放电过程中扩散到阴极，在充电过程中回到阳极。所述电化学过程致使所述电极发生体积变化，这一点也称作电极的“呼吸”。所述分离器的机械柔性的设计方案能够对所述电极的体积变化进行补偿，使得所述分离器可以以相应地较现有技术有所减小的尺寸设计，因为在布置所述电化学储能器时不需要附加的结构空间来对所述体积变化进行补偿。此外，可以在所述电化学储能器内部对单电池实施同等程度的挤压。
所述分离器的机械柔性的设计方案使得所述分离器能够根据在所述至少两个电极之间进行的电化学过程而被动地在所述电极之间发生位置变化。在此情况下，例如在增大阴极体积时朝体积在此有所减小的所述阳极的方向移动所述分离器。
作为替代或补充方案，所述分离器采用弹性的设计方案，其中所述分离器可以根据在所述电极之间进行的电化学过程而改变其形状和/或体积。其中，大体被动地根据所述电极的体积变化而实现所述分离器的形状和/或体积变化，其中所述分离器的位置可以发生变化或者保持固定。亦即，例如在所述阴极的体积因所述电化学存储器放电而增大时，所述分离器则以其朝向所述阴极的一侧相应地朝所述阳极的方向发生变形。因此，所述阴极能够在电化学储能器内部膨胀，而单电池或电化学储能器则不发生外部变形。在此情况下，可以仅以较低的体积损耗将所述分离器朝所述阳极的方向变形，其中所述分离器的朝向所述阳极的一侧在阳极区域内例如以凸起的方式扩展，或者，在所述阴极侧上这样压缩所述分离器的体积，使得所述分离器在所述阳极侧上不会或仅较低程度地以凸起的方式扩展。但在此情况下需要注意的是，继续确保所述电极之间的离子交换。
根据一种优选实施例，所述分离器由玻璃纤维膜构成。所述玻璃纤维膜具有相应的孔隙度，根据另一种优选实施例，液态有机电解质可以被注入所述玻璃纤维膜，借助所述电解质可以输送所述阳极的活性材料穿过所述分离器。作为替代方案，所述分离器也可以由多孔陶瓷膜或多孔聚合物膜构成。
所述电化学储能器的电极分别由衬底构成并且涂布有复合材料，其包括导电基质和活性材料，所述活性材料以指定的方式嵌入所述导电基质。
所述导电基质例如由多孔且机械柔性的碳结构、如石墨或炭黑构成。所述碳结构的机械柔性使得能够以尽可能没有损害的方式且在所述电极的电接触没有损失的情况下接纳所述电极(特别是所述活性材料)的之前所述的体积变化。这样就能在所述电极中进一步改进对所述活性材料的体积变化的补偿。
作为替代或补充方案，所述电极中的至少一个电极(特别是所述阳极)的导电基质包括硅结构。与所述碳结构相比，硅具有较低的导电性，但具有能够插入更大量的活性材料的特性，所述活性材料特别是金属离子，如锂离子，进而特别适于涂布所述阳极。
所述硅结构特别优选包括纳米级管状结构，从而结合所述机械柔性的碳结构能够提高所述导电基质的机械柔性。这样就能相对现有技术显著改进所述电化学存储器的效率和寿命。
此外，本发明还涉及一种电池组，包括至少一个电化学储能器，借助所述电化学储能器能够相对现有技术提高电池组的效率和寿命。
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
附图说明
图中：
图1示出电池组的单电池的分解示意图，
图2A为单电池在充电状态下根据现有技术的电极布置方案的截面示意图，
图2B为单电池在充电状态下根据现有技术的电极布置方案的截面示意图，
图3A为单电池在充电状态下根据本发明的电极布置方案的截面示意图，以及
图3B为在充电状态下根据本发明的电极布置方案的截面示意图。
具体实施方式
所有附图中相同的部件用同一参考符号表示。
图1示出用于未详细绘示的电池组的单电池1。所述电池组尤指可充电的电池组，如锂硫电池组。在此情况下，单电池1为电化学储能器。
单电池1指的是所谓的软包电池(Pouch cell或Coffee bag cell)，其中多个这类单电池1相互串联和/或并联地电连接，以构成所述电池组，且其中通过作为单电池1的电接头的板形导体1.1进行所述连接。
这种单电池1设计为扁平、大体上矩形的电能储能元件，所述储能元件包括由多层交替堆叠的膜式阳极1.2.1、分离器1.2.2和阴极1.2.3构成的电极膜装置1.2，所述电极膜装置被由两个壳式成型的膜区段构成的膜式外壳1.3围绕。
阳极1.2.1在此构建为负极，阴极1.2.3构建为正极。阳极1.2.1和阴极1.2.3下面也统称电极。
如下图2A至3B所示，单电池1的电极分别由衬底构成并涂布有导电基质2，活性材料3以指定的方式嵌入所述基质。
图2A和2B分别为现有技术中具有阳极1.2.1、阴极1.2.3和分离器1.2.2的单电池1的局部截面图。其中，单电池1在图2A中处于充电状态，在图2B中处于放电状态。
在充电状态下，阳极活性材料3.1嵌入阳极导电基质2.1。阴极活性材料3.2嵌入阴极导电基质2.2。如果所述电池组构建为锂硫电池组，则阳极活性材料3.1包括锂离子。在采用钠硫电池组时，阳极活性材料3.1包括钠离子。阴极活性材料3.2在此为硫。阴极导电基质2.2由导电碳结构K，如石墨或炭黑，构成。阳极导电基质2.1由导电碳结构K和硅结构S构成。
在放电状态下，阳极活性材料3.1与阴极活性材料3.2复合并且与所述阴极活性材料一起嵌入阴极导电基质2.2。因此，在放电状态下，阴极活性材料3.2和阳极活性材料3.1构成阴极导电基质2.2内部有所增大的体积。因此，单电池1必须具有相应的尺寸，以便补偿活性材料3.1、3.2的体积变化。为此，碳结构K和硅结构S具有相应大小的空腔或孔隙，活性材料3.1、3.2可以在所述空腔或孔隙中膨胀。
下面结合锂硫电池组对所述电化学过程进行简要说明：
在电池组放电过程中，锂被氧化为锂离子和电子。所述锂离子通过分离器1.2.2迁移到阴极1.2.3，而同时所述电子通过外部电路从阳极1.2.1被传导到阴极1.2.3，其中在阴极1.2.3和阳极1.2.1之间可以连接耗能装置，通过电子流对所述耗能装置进行供能。在阴极1.2.3上通过还原反应容置锂离子，其中硫被还原成硫化锂。
电池组放电过程中的电化学反应为普遍公知的，且可以以锂硫电池为例对其进行如下说明：
阳极1.2.1：Li→Li++e-；
阴极1.2.3：S8+2Li++e-→Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2→Li2S
在电池组的充电过程中，将能源连接到所述电极。其中，硫化锂中的锂被氧化为锂阳离子和电子，其中所述锂阳离子通过分离器1.2.2，而所述电子通过外部电路迁移回阳极1.2.1。
在电池组放电过程中可以额外产生聚硫化物，在充电过程中，所述聚硫化物有可能不完全被转化为元素硫。所述聚硫化物可以基于固定的孔隙大小而从阴极1.2.3出来通过分离器1.2.2迁移到阳极1.2.1并在这个阳极上形成硫化锂层，所述硫化锂层大幅降低所述电池组的电容和寿命。此外，逐渐分解阴极活性材料3.2。
此外，基于导电基质2.1、2.2的固定的孔隙大小，所述电极的电接触受损，从而降低所述电池组的效率。
为了解决这个问题，本发明提出，以机械柔性的方式构建分离器1.2.2。此外，碳结构K和硅结构S采用机械柔性的设计方案，其中硅结构S为此包括由硅构成的纳米级管状结构。
下面在图3A和3B中对所述电化学储能器的本发明的设计方案进行详细说明。
为此，图3A和3B为本发明中具有阳极1.2.1、阴极1.2.3和分离器1.2.2的单电池1的局部截面图。其中，单电池1在图3A中处于充电状态，在图3B中处于放电状态。
在此，在单电池1的充电状态下，阴极导电基质2.2的体积膨胀与图2A所示实施例相比有所减小。通过碳结构K的机械柔性的设计方案，所述碳结构与阴极活性材料3.2所给定的体积相匹配。在此情况下，阳极导电基质2.1的体积膨胀与图2A所示实施例中的阳极导电基质2.1的体积膨胀对应。
在单电池1的放电状态下，阴极活性材料3.2例如被还原成硫化锂，由此根据图3B所示实施例增大其体积。在此情况下，与图3A所示单电池1的充电状态相比，阴极导电基质2.2的体积与阴极活性材料3.2增大的体积对应地有所增大。因为在单电池1的放电状态下，阳极1.2.1中存在更少的阳极活性材料3.1，如锂离子，所以阳极导电基质2.1通过其体积与阳极活性材料3.1的体积相匹配。亦即，碳结构K和硅结构S可以将其体积与其所嵌入的活性材料3.1、3.2的体积相匹配。在此情况下，碳结构K的孔隙大小也可以这样发生变化，使得阴极活性材料3.2在碳结构K中不可逆地被吸附，从而防止或者至少减少阴极活性材料3.2的分解。
与图2A所示实施例相比，在图3A所示实施例中，即在单电池1的充电状态下，分离器1.2.2朝阳极1.2.1的方向被移动，使得阳极区较阴极区有所减小。因为阳极活性材料3.1在充电状态下的体积膨胀较阴极活性材料3.2的体积膨胀有所增大，所以基于所述分离器的机械柔性的设计方案使分离器1.2.2被动地朝阳极1.2.1的方向移动。
与所述充电状态相比，在图3B所示实施例中，即在单电池1的放电状态下，分离器1.2.2朝阴极1.2.3的方向被移动，使得所述阴极区较所述阳极区有所减小。
作为补充方案，在这些电极的活性材料3.1、3.2膨胀时，也可以压缩分离器1.2.2的体积。但在此情况下，需要注意的是，仅能将分离器1.2.2的体积压缩到在这些电极之间能够继续进行离子交换的程度。
为此，分离器1.2.2可以由多孔玻璃纤维膜、多孔陶瓷膜或多孔聚合物膜构成。
通过分离器1.2.2的被动的位置变化可以对活性材料3.1、3.2的体积变化进行补偿，使得单电池1的尺寸可以较现有技术有所减小，从而所需结构空间更小。导电基质2.1、2.2的附加机械柔性也能够进一步补偿活性材料3.1、3.2的体积变化，从而尽量将所述电极的机械负荷保持在较小的程度。因此，本文所提出的电化学储能器的特征在于，在寿命较长的同时，效率较高。
Claims (6)
1.一种电化学储能器，该电化学储能器包括至少两个电极，在所述至少两个电极之间布置有分离器(1.2.2)，
其中，所述分离器(1.2.2)为机械柔性的，
其中，所述分离器(1.2.2)在所述电极之间的位置能够根据在所述电极之间进行的电化学过程而变化，
其特征在于，所述电极分别包括由复合材料构成的涂层，其中所述复合材料包括导电基质(2)和活性材料(3)，并且所述电极中的至少一个电极的导电基质(2)包括硅结构(S)，
其中，所述硅结构(S)为机械柔性的并且包括由硅构成的纳米级管状结构，所述硅结构(S)能够使其体积与所嵌入的活性材料的体积相匹配。
2.根据权利要求1所述的电化学储能器，
其特征在于，所述分离器(1.2.2)为弹性的，其中所述分离器(1.2.2)的形状和/或体积能够根据在所述电极之间进行的电化学过程而变化。
3.根据权利要求1或2所述的电化学储能器，
其特征在于，所述分离器(1.2.2)由玻璃纤维膜构成。
4.根据权利要求1或2所述的电化学储能器，
其特征在于，在所述分离器(1.2.2)中布置有电解质。
5.根据权利要求1或2所述的电化学储能器，
其特征在于，所述导电基质(2)包括多孔且机械柔性的碳结构(K)。
6.一种电池组，该电池组包括至少一个根据权利要求1至5中任一项所述的电化学储能器。
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