CN106463763A - 用于原电池的电极线圈以及用于制造所述电极线圈的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于原电池的电极线圈，该电极线圈具有第一电极（4）、第二电极（6）、隔板和参考电极（8）。所述第一电极（4）和所述第二电极（6）通过所述隔板来彼此隔离，其中所述参考电极（8）布置在所述第一电极（4）与所述第二电极（6）之间，并且其中所述参考电极（8）被粘接到所述第一电极（4）或者所述第二电极（6）上。此外，本发明涉及一种具有这样的电极线圈的原电池以及一种用于制造这样的电极线圈的方法。

Description

用于原电池的电极线圈以及用于制造所述电极线圈的方法

技术领域

本发明涉及一种用于原电池（galvanisches Element）的电极线圈，其中所述电极线圈具有第一电极、第二电极、隔板和参考电极。

此外，介绍了一种具有这样的电极线圈的原电池以及一种用于制造这样的电极线圈的方法。

背景技术

WO 2012/049201 A1公开了一种具有参考电极的锂离子单池，其中所述参考电极布置在阳极与阴极之间，例如布置两个隔板薄膜之间或者布置所述阳极或者阴极的高度上，并且在空间上与所述阳极或者阴极间隔开并且电绝缘。所述参考电极通过具有涂层或者覆膜的金属箔或者扩展的金属箔来构成。

WO 2009/036444 A2公开了一种用于用在HEV、PHEV或者EV车辆中的锂离子电池，其中所述锂离子电池具有用于对负的电极电位进行监控的参考电极。所述参考电极的活性材料可以直接地或者在与胶合剂和有传导能力的添加剂相混合的情况下被施加到金属电流导体上。所述参考电极可以被多孔的绝缘涂层所包围。所述参考电极在此被分配给壳体壁。

DE 10 2011 120 512 A1公开了一种具有参考电极的所谓的袋式单池（Pouchzelle），所述参考电极布置在阳极与阴极上。

WO 2013/006415 A2公开了一种卷绕的电池单池，该卷绕的电池单池用于电子设备例如移动无线电设备、笔记本电脑或者类似物，其中使用一种参考电极，该参考电极具有镍芯和围绕着所述镍芯的锂条并且具有包围的隔板层。所述参考电极在此不仅可以布置在所述卷绕的电池单池的外围中而且可以布置在所述卷绕的电池单池的中心中。

发明内容

按照第一方面，提供了一种用于原电池的电极线圈，其中所述电极线圈具有第一电极、第二电极、隔板和参考电极。所述第一电极和所述第二电极通过所述隔板来彼此隔离。所述参考电极在此布置在所述第一电极与所述第二电极之间。所述参考电极被粘接到所述第一电极或者所述第二电极上。

原电池典型地包括两个电极以及由此两个极。在本发明的范围内，所述第一电极例如可以是阴极电极或者简称阴极。所述阴极在此表示一种电极，该电极在连接到负载上时、也就是例如在电动车运行时接纳电子。所述阴极在这方面也被称为正极。所述阴极典型地由集流器所构成，所述集流器在一侧或者在两侧用活性的阴极材料来涂覆，所述阴极在本公开文件的范围内被称为具有第一活性材料的第一层。所述集流器例如可以由铝或者镍组成。

所述阴极的活性材料优选包含一种材料，该材料可以将锂以离子的形式或者金属的形式可逆地移入（嵌入）并且又使其移出（脱嵌）。例如，所述阴极包含纯粹或者掺杂形式的金属氧化物，例如锂-钴氧化物、锂-钴二氧化物（LiCoO₂）、锂-镍-钴-混合氧化物、锂-锰-氧化物（LMO）、锂-锰氧化物尖晶石（LiMn₂O₄）、锂-镍-锰-钴-混合氧化物、锂-镍-锰-钴-铝-混合氧化物、锂-镍-钴-铝-氧化物（NCA）或者锂-金属-磷酸盐、例如锂-铁磷酸盐（LiFePO₄）或者硫或者硫化合物。所述阴极必要时包含另外的层、例如保护层，所述保护层例如具有锂-聚阴离子-化合物，例如LiFePO₄或者高温稳定的多孔的陶瓷的保护层、例如Al₂O₃。

所述第二电极可以是阳极或者换句话说是阳极电极。用阳极来表示一种电极，该电极在连接到负载上时、也就是例如在电动车运行时发出电子。所述阳极在这种情况下也被称为负极。所述阳极在原理上可以由任意的、对于锂离子阳极的制造来说已知的材料所构成。所述阳极典型地由集流器——该集流器例如由铜制成——组成，所述集流器可以在一侧或者在两侧用阳极活性的材料来涂覆，所述阳极在本公开文件的范围内被称为具有第二活性材料的第二层。阳极活性的材料可以包括锂、镁、铁、镍、铝、锌或者这些元素的化合物或者每种可以发出电子并且产生离子流的材料。作为阳极活性的材料，例如硅、锗、锂、含碳的材料例如石墨或者无定形的碳或者金属合金是有利的。具有锂-合金份额的混合电极也是常见的。所述阳极必要时包含保护层，例如高温稳定的多孔的陶瓷的保护层、例如Al₂O₃。

所述参考电极按照一种实施方式包括参考集流器（Referenzstromsammler），所述参考集流器构造为金属箔或者构造为金属格栅。格栅提供以下优点：可以得到所述参考电极的较小的总厚度。另一个优点是，离子也可以穿流过所述格栅，从而扩大了所述原电池的功率密度。因为没有电流流往所述参考电极或者从所述参考电极流出，所以甚至所述电极的较小的作用横截面也能够实现足够的测量敏感性。

所述参考集流器可以由任意的用于电极集流器的材料制成。优选的材料是铝、铜或者镍，其中这取决于用于参考电极的活性材料的种类。

按照一种实施方式，所述参考电极包括具有第三活性材料的第三层，所述第三活性材料具有LiFePO₄和/或Li₄Ti₅O₁₂。这些材料在所述原电池的典型的充电/放电曲线中提供较宽的电位平台（Potentialplateau）。LiFePO₄例如显示出大约3.4V的电位平台。Li₄Ti₅O₁₂显示出大约1.6V的电位平台。具有第三活性材料的第三层例如作为粘稠的浆体（slurry）布置在所述参考集流器的两侧上并且得到硬化，其中将合适的传导添加物和粘结剂添加给所述浆体。在硬化之后，所述浆体得到干燥。

按照一种实施方式，所述参考电极通过绝缘层与相应的电极间隔开，所述参考电极被粘接到所述相应的电极上。所述绝缘层用于使所述参考电极与相应的电极电绝缘，所述参考电极被粘接到所述相应的电极上。所述绝缘层优选是多孔的层，该多孔的层例如可以由陶瓷的材料、尤其由Al₂O₃制成。陶瓷的材料的优点是，这些陶瓷的材料基本上耐热。作为替代方案或者补充方案，作为绝缘层为此可以使用在化学上惰性的聚合物、尤其是聚烯烃（Poleolefine）、例如聚丙烯（PP）或者聚乙烯（PE）。聚合物层的优点是，所述聚合物层可以构造得非常薄。例如由PP构成的隔板（分离阳极和阴极）可以制造到大约12μm薄。这种尺寸对所述绝缘层来说也是合适的。对于所述原电池不是按照卷芯的已知的种类来卷绕而是包括直接在所述电极上进行的涂覆工艺这种情况来说，更小的厚度也是可行的。优选的尺寸根据尤其在机械坚固性方面的实际可用性而定，在现实的场应力的情况下必须表现出所述机械坚固性。

此外，所述多孔的陶瓷的保护层也可以构造得非常薄，例如可以借助于浆体涂覆将所述阳极或者阴极上的陶瓷的Al₂O₃保护层涂覆直至5μm薄。

优选地，所述参考电极用化学上惰性的胶粘剂来粘接到所述第一或者第二电极上，其中所述胶粘剂具有聚硅氧烷和/或丙烯酸。在此，不需要大面积的胶粘剂涂覆，紧固可以通过粘接点来进行，所述粘接点相应地例如不超过所述参考电极的活性表面的10%。所述参考电极的典型的尺寸例如为1mm宽和几厘米长。

所述参考集流器从具有活性材料的边缘开始被绝缘了大约1-2cm，以用于避免与所述第一或者第二电极的集流器的短路。

按照另一个方面，提供一种原电池，该原电池具有至少一个这样的电极线圈。在电池中可以优选在空间上合并多个这样的原电池或者原电池单池并且在线路技术上将其彼此连接起来。例如可以将多个原电池在串联或者并联成模块的情况下用于能够提供所要求的功率数据。“电池”这个概念在本说明书中像在常见的语言用法中一样也普遍地用于蓄电池。

按照另一个方面，介绍了一种用于制造用于原电池的电极线圈、尤其是前面所描述的电极线圈的方法。相应地，在所述方法的范围内所描述的特征相应地适用于所述系统，并且反之在所述系统的范围内所描述的特征相应地适用于所述方法。

所述方法在此具有以下步骤：

a）提供第一电极、第二电极、隔板和参考电极；

b）制造线圈装置，其中所述第一电极和所述第二电极通过所述隔板来彼此隔离，并且其中所述参考电极布置在所述第一电极与所述第二电极之间；并且

c）围绕着卷绕轴线来卷绕所述线圈装置，以用于制造所述电极线圈。

在此规定，在步骤b）中将所述参考电极粘接到所述第一电极上或者粘接到所述第二电极上。

在步骤b）中对所述线圈装置进行的制造例如可以在连续的过程中进行，在所述连续的过程中将材料幅面（Materialbahnen）聚合到压延机上并且卷绕起来。作为替代方案可以规定，将多个分切的材料幅面放到彼此上面，其中而后将这些材料幅面卷绕起来。所述卷绕可以借助于卷绕中插板（Wickelschwert）来进行，所述卷绕中插板布置在所述卷绕轴线中，围绕着所述卷绕轴线来卷绕所述线圈装置，其中在卷起之后例如移走所述卷绕中插板，以便不损害所述电极线圈的能量密度。作为替代方案，所述线圈装置为此可以在没有卷绕中插板的情况下被卷起。

在所述卷绕之后的另一个方法步骤中可以规定，将所述电极线圈压平，以便例如可以接纳在棱柱形的、尤其是长方体形的容器中。

根据一种优选的实施方式中，在步骤b）中，所述第一电极和所述第二电极关于所述卷绕轴线彼此错开地布置，使得所述第一电极的第一集流器和所述第二电极的第二集流器关于所述卷绕轴线彼此反向地伸出一本体，所述本体包括具有所述第一电极的第一活性材料的第一层和具有所述第二电极的第二活性材料的第二层以及所述隔板。所述参考电极的参考集流器在此同样沿着所述卷绕轴线的方向伸出所述本体。在此，因此产生一种装置，对于该装置来说关于所述卷绕轴线相应地在端侧伸出所述集流器，其中在一侧上此外也伸出所述参考集流器。所述本体形成所述电极线圈的在化学上活性的部分。

按照一种优选的实施方式，相应的电极的集流器设有空隙，所述参考电极被粘接到所述相应的电极上。所述参考集流器在所述方法的步骤d）中布置在所述空隙中。特别优选地，在所述参考集流器与所述相应的电极——所述参考电极被粘接到该相应的电极——的集流器之间设置了1到2cm的间距，以便避免短路的风险。在一种作为替代方案的实施方式中可行的是，所述相应的电极——所述参考电极没有被粘接到该相应的电极上——的集流器设有空隙，其中在步骤b）中同样将所述参考集流器布置在所述相应的空隙中，以用于获得电绝缘。

所述阳极与阴极之间的参考电极允许对单独的电极电位进行测量。在没有参考电极的情况下，只能测量关于电极电位差的结论。更加精确的、关于各个电极电位的结论可以引起电池的使用寿命和安全性的改进。

所提出的、通过将所述参考电极粘接到电极上的制造方法成本低廉并且允许大量生产。集成在电极线圈（也被称为卷芯）的目前的制造方法中也是可行的。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在下面的描述中进行详细解释。

其中示出：

图1是原电池在没有壳体的情况下的透视图；

图2是线圈装置的透视图；

图3是线圈装置的剖视图；

图4是线圈装置的俯视图；

图5是具有参考电极的装置的透视图；并且

图6a和6b是按照不同的实施方式的参考电极的剖面。

在以下对本发明的实施例所作的说明中，相同的或者类似的组件和元件用相同的或者类似的附图标记来表示，其中放弃在单个情况中对这些组件或者元件的重复性描述。附图仅仅示意性地示出了本发明的主题。

具体实施方式

图1为了明了起见在没有壳体的情况下以透视图示出了原电池1。该原电池1也可以被称为电池单池。

所述原电池1包括四个紧密地并排布置的电极线圈2以及一个盖板组（Deckelgruppe）5，其中所述盖板组5包括两个端子7，由此从外面来与所述原电池1进行电接触。

此外，为所述覆盖组5分配了填充口9和破裂膜片11。所述填充口9和所述破裂膜片11基本上处于所述端板13的中心中，而所述端子7则在所述端板13上放在边缘处。为了进行装配，将四个电极线圈2装入到单池壳体（未示出）中并且通过所述填充口9来给所述单池壳体装填液态的电解质，此后将所述填充口关闭。

所述四个电极线圈2相应地通过对于线圈装置3的卷绕来制造，其中下面参照图2到4对所述线圈装置3进行详细描述。在图1中已经示出了一种可能的卷绕轴线20。第一集流器12与第二集流器14关于所述卷绕轴线20反向地布置。所述第一集流器12和所述第二集流器14在此伸出本体10，所述本体形成所述电极线圈2的在化学上活性的部分。在所述第一集流器12的一侧上，此外布置了参考集流器16。所述参考集流器16在此布置得与所述第一集流器12有一间距15并且有利地处于所述端子7的附近。

图2示出了一种线圈装置3，该线圈装置包括第一电极4、第二电极6和参考电极8。所述第一电极4例如可以是阴极并且所述第二电极6可以是阳极。

所述第一电极4包括具有第一活性材料、也就是具有阴极活性材料的第一层26和所述第一集流器12，该第一集流器在所示出的实施方式中设有空隙18，在该空隙中布置了所述参考电极8的参考集流器16。

所述第二电极6包括具有第二活性材料、也就是具有阳极活性材料的第二层28和所述第二集流器14。所述第一电极4 和所述第二电极6关于所述卷绕轴线20（这里未示出）彼此错开地布置。所述第一集流器12和所述第二集流器14关于所述卷绕轴线20相对于彼此错开地布置，并且伸出所述本体10，该本体包括第一层26、第二层28以及在图4中示出的隔板30，所述第一层具有第一电极4的第一活性材料，所述第二层具有第二电极6的第二活性材料。所述第一电极4由此相对于所述本体10具有第一超出部22。所述第二电极6相对于所述本体10具有第二超出部24。

图3示出了在图2中示出的线圈装置3在绘图平面中的剖面，因而未示出所述第一电极4。所述参考电极8在用箭头表示的位置处被粘接到所述第二电极6上。作为替代方案，可以进行全面的粘接。优选如在图3中示出的那样粘接在刚好两个尽可能隔得远的位置上，从而一方面花费较少的材料并且另一方面存在方向稳定的紧固。作为替代方案，可以以类似的方式将所述参考电极8粘接到所述第一电极4（未示出）上。

图4示出了在图2中示出的线圈装置3的俯视图，其中该线圈装置作为层系统来示意性地示出并且无法推断出各个层的实际厚度。从图4中仅仅得知所述层的次序。

所述线圈装置3包括所述第一电极4，该第一电极由所述第一集流器12构成，所述第一集流器在两侧用具有第一活性材料的第一层26来涂覆。所述第一电极4与隔板30邻接，另外该隔板与所述参考电极8邻接。所述参考电极8同样包括一个层系统，该层系统具有所述第一集流器12并且如参照图5和6a、6b所示出和所描述的那样在所述第三层36的两侧具有第三活性材料。所述参考电极8在其背向所述隔板30和所述第一电极4的一侧上用绝缘层34来覆盖，该绝缘层在不存在胶粘剂32的位置处使所述参考电极8与所述第二电极6电绝缘。在图4中示出了在存在所述胶粘剂32的位置处的剖面。所述第二电极6包括所述第二集流器14，该第二集流器在两侧被具有第二活性材料的第二层28所包围。所述第二电极6通过所述隔板30与所述第一电极4分开。所述隔板30在此是所熟知的隔板，所述隔板对于每个电池来说都全面地被卷绕在阳极与阴极之间。所述参考电极8通过所述隔板30与所述第一电极4分开，并且通过形成第二隔板的绝缘层34与所述第二电极6分开。

图5示出了具有参考电极8和绝缘层34的装置的透视图，所述绝缘层具有胶粘剂32。所述参考电极8包括参考集流器16，该参考集流器在两侧用具有第三活性材料的第三层36来涂覆。所述参考集流器16以第三超出部38伸出所述具有第三活性材料的第三层36。又示出了优选两个具有胶粘剂32的粘接面，所述胶粘剂用于将所述参考电极8紧固在所述第一电极4或者第二电极6上。

图6a示出了按照第一种实施方式的参考电极8的横截面，其中所述参考集流器16通过金属箔40来构成。图6b示出了按照另一种实施方式的参考电极8的相应的横截面，在该另一种实施方式中所述参考集流器16通过金属格栅42来构成。

本发明不局限于在这里所描述的实施例和在其中所强调的方面。相反，在通过权利要求来说明的范围之内可以实现大量的变型方案，所述大量的变型方案在本领域技术人员的行事范围内。

Claims (10)

1.用于原电池（1）的电极线圈（2），该电极线圈具有第一电极（4）、第二电极（6）、隔板（30）和参考电极（8），其中所述第一电极（4）和所述第二电极（6）通过所述隔板（30）来彼此隔离，其中所述参考电极（8）布置在所述第一电极（4）与所述第二电极（6）之间，其特征在于，所述参考电极（8）被粘接到所述第一电极（4）上或者被粘接到所述第二电极（6）上。

2.按照权利要求1所述的电极线圈（2），其特征在于，所述参考电极（8）包括一参考集流器（16），该参考集流器构造为金属箔（40）或者构造为金属格栅（42）。

3.按照前述权利要求中任一项所述的电极线圈（2），其特征在于，所述参考电极（8）包括一具有第三活性材料的第三层（36），所述第三活性材料具有LiFeO₄和/或Li₄Ti₅O₁₂。

4.按照前述权利要求中任一项所述的电极线圈（2），其特征在于，所述参考电极（8）通过绝缘层（34）与相应的电极（4、6）间隔开，所述参考电极被粘接到所述相应的电极上。

5.按照权利要求4所述的电极线圈（2），其特征在于，所述绝缘层（34）具有陶瓷材料、尤其是Al₂O₃和/或在化学上惰性的聚合物、尤其是聚烯烃、例如聚丙烯或者聚乙烯。

6.按照前述权利要求中任一项所述的电极线圈（2），其特征在于，所述参考电极（8）利用在化学上惰性的胶粘剂（32）来粘接到所述第一电极（4）或者所述第二电极（6）上，所述胶粘剂具有聚硅氧烷和/丙烯酸。

7.原电池（1），该原电池具有至少一个按照权利要求1至6中任一项所述的电极线圈（2）。

8.用于制造原电池（1）用的电极线圈（2）、尤其是按照权利要求1至6中任一项所述的电极线圈（2）的方法，该方法具有以下步骤：

a）提供第一电极（4）、第二电极（6）、隔板（30）和参考电极（8）；

b）制造线圈装置（3），其中所述第一电极（4）和所述第二电极（6）通过所述隔板（30）来彼此隔离，并且其中所述参考电极（8）布置在所述第一电极（4）与所述第二电极（6）之间；并且

c）围绕卷绕轴线（20）来卷绕所述线圈装置（3），以用于制造所述电极线圈（2）；

其特征在于，在步骤b）中将所述参考电极（8）粘接到所述第一电极（4）上或者粘接到所述第二电极（6）上。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤b）中将所述第一电极（4）和所述第二电极（6）关于所述卷绕轴线（20）彼此错开地布置，使得所述第一电极（4）的第一集流器（12）和所述第二电极（6）的第二集流器（14）关于所述卷绕轴线（20）彼此反向地伸出一本体（10），该本体包括第一层（26）和第二层（28）以及所述隔板（30），所述第一层具有所述第一电极（4）的第一活性材料，所述第二层具有所述第二电极（6）的第二活性材料，并且其中所述参考电极（8）的参考集流器（16）沿着所述卷绕轴线（20）的方向伸出所述本体（10）。

10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，相应的电极（4、6）的集流器（12、14）设有空隙（18），所述参考电极（8）被粘接到所述相应的电极上，并且其中在步骤b）中将所述参考集流器（16）布置在所述空隙（18）中。