CN106471666A - 电能存储元件以及用于制造电能存储元件的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

在根据本发明的电能存储元件中，多个均由作为电极的阴极和阳极以及电解质形成的电化学电池彼此上下堆叠地布置。它们在一侧上被由特别是铝的导电材料形成的顶板封闭，且在相反侧上由特别是的铝导电材料形成的底板封闭。底板涂覆有阴极或阳极，且顶板以互补的方式涂覆有阳极或阴极。阳极和阴极分别形成在导电载体箔或膜的相反地布置的表面上，导电载体箔或膜优选由铝、铜、钢或导电塑料组成。载体箔或膜上具有没有电极材料的外围边缘，边缘通过密封用粘合剂将相邻的电化学电池彼此连接，使得它们相对于彼此和周围环境密闭地密封。阳极由具有尖晶石结构的钛酸锂(LTO)形成，且高压的阴极由具有尖晶石结构的锰酸锂镍(LNMO)或橄榄石结构的磷酸锂(LP)形成。在凝胶状电解质的情况下，在电解质和电化学电池的电极之间分别设置分隔层，且在固体电解质的情况下，不设置分隔层。

Description

电能存储元件以及用于制造电能存储元件的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种大型规格、扁平、安全地构造且具有用于包括整体壳体的双极性电极构造的特定细胞化学技术的电能存储元件。本发明还涉及一种用于制造这些电能存储元件的方法和设备。
背景技术
先前使用的是导致系统级的能量密度降低的常规锂电池组电池(battery cell)(具有金属壳体的圆形、棱柱形或具有塑模盖的扁平电池)。双极性电池组(battery)也是已知的。
通常，这些电池彼此连接成模块(约60V，约12个电池)。随后将各个模块连接以形成高压(high-voltage，HV)能量存储部，并且与外围传感器系统、监测系统(能量存储管理系统)、冷却系统和壳体共同形成安全能量存储元件。例如，设置有至外部的接口，以用于车辆通信、能量传输、冷却和与车辆的机械连接。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种可实现增加的能量密度并且可灵活地且廉价地制造的电能存储元件。
根据本发明，通过具有权利要求1的特征的电能存储元件来实现上述目的。可使用根据权利要求7的方法和根据权利要求11的设备来制造该电能存储元件。可使用从属权利要求中指定的特征来实现本发明的有利实施例和改进示例。
在根据本发明的电能存储元件中，多个均由作为电极的阴极和阳极以及电解质形成的电化学电池彼此上下堆叠地布置。堆叠的电化学电池在一侧被由特别为铝、铜或钢的导电材料制成的顶板封闭，并且在相反侧被由特别为铝、铜或钢的导电材料制成的底板封闭。底板涂覆有阴极或阳极，并且顶板以互补的方式涂覆有阳极或阴极。
阳极和阴极分别形成在导电载体膜的相反地布置的表面上，导电载体膜优选包括铝、铜、钢或导电塑料。载体膜具有外围边缘，外围边缘不具有电极材料，并借助插接或粘接密封件或通过密封用粘合剂以相对于环境密封的方式将相邻的电化学电池彼此连接。可将可UV固化和可热固化的单组分或双组分粘合剂用作密封用粘合剂。除了密封剂之外，还可使用分隔元件或密封元件，以用于在电极、电解质和必要时的环境之间产生屏障效应。
阳极包括具有尖晶石结构的钛酸锂LTO，且高压的阴极由具有尖晶石结构的锰酸锂镍LNMO或具有橄榄石结构的磷酸锂(LP)形成。在凝胶电解质的情况下，在电化学电池的电解质和电极之间应当存在相应的分隔层，但与此相反，在固体电解质的情况下，不应当存在分隔层。
优选地，阳极可由作为LTO的Li4Ti5O12形成，且阴极可由作为LNMO的LiNi0.5Mn1.5O4或作为LiCoPO4或LiNiPO4的磷酸锂形成。
由于通过刮涂、印刷或涂覆或者在不同处理中以空间分解的方式的布置来形成电化学电池的具有预定几何形状的部件，因此可避免有问题地将电解质和分隔层引入电化学电池中(潜在地更大面积的电极堆叠体)。分隔层/电解质复合物一方面应当具有足够的离子导电性，而另一方面应该能够防止阳极和阴极之间的直接接触并因此防止二者之间的短路。例如，能够将电解质组合到分隔层中，这是通过将电介质放置到部分多孔的分隔件中实现的，分隔件为独立式板状元件或为印刷在两个电极中至少一者上的膜。例如，分隔层可由多孔性惰性材料(例如Al2O3)或离子导电材料(例如，锂离子传导玻璃材料)形成并由及聚合物基体(例如聚偏二氟乙烯(PVDF)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或羧甲基纤维素(CMC))形成。
电解质可由和有机碳酸酯一起被包埋在聚合物基体中的特别为LiPF6、LiTFSI或LiClO4的锂离子传导盐形成，有机碳酸酯特别为碳酸乙二酯、碳酸二乙酯或碳酸丙二酯，聚合物基体特别由聚氧化乙烯(PEO)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、丙烯酸酯或亚胺(imidine(imidin))形成。然而，其也可由聚电解质、具有可电离阴离子和/或阳离子基团的聚合物或离子液体(特别为N-烷基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(PYR14TFSI))形成，且由作为锂离子传导盐的LiTFSI或作为晶体离子导体的Li7P3S11或Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3形成。
如果需要分隔层，那么其可使用优选颗粒形式的诸如Al2O3等陶瓷材料或诸如所谓的LAPT材料等导电锂离子玻璃并使用有机粘结剂来形成。为此，颗粒大小优选为约500nm至30μm。分隔层中可包含聚偏二氟乙烯(PVDF)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、聚乙烯醇(PVA)或羧甲基纤维素(CMC)。
在制造根据本发明的电能存储元件时，在载体膜的两个相反地布置的表面上涂覆阳极材料和阴极材料，且阴极材料和阳极材料布置在相反侧，使得保留有不具有相应的电极材料的外围边缘或通过使用化学、机械或热移除工艺从该边缘去除电极材料。两个电极中的至少一者涂覆或浸渍有分隔层、液体或凝胶电解质并随后涂覆或浸渍有电解质材料。由于在固体电解质的情况下不需要分隔层，所以各个电极可直接涂覆有电解质材料。
可通过用刮涂、印刷、喷涂、点胶、粉末涂覆或静电处理来形成分隔层和/或电解质。
接着，通过分割获得均形成电化学电池的独立元件，并且将它们彼此上下堆叠，使得阴极或阳极总是朝向上方布置，且将最底部的电化学电池布置在已涂覆有阴极或阳极的底板，在形成在底板上的电极的方向上布置的相应的互补电极面向形成在底板上的该电极的方向。在所要堆叠的电化学电池达到期望数量之后，将顶板放置在最上面的电化学电池上，顶板上具有与最上面的电化学电池的最上面电极互补的电极。然后，可通过密封件或通过密封用粘合剂来实现电化学电池相对于环境的封闭，必要时还额外地在不具有电极材料的外边缘处利用分隔层来进行密闭。
因此，电能存储元件包括多个电极，多个电极表示导电载体膜与布置在两侧的活性材料复合物的组合。可以设想，一个相应的侧面涂覆有例如可被改性(掺杂、涂覆)的所谓的5V高压阴极材料(例如LNMO或LiCoPO4或LiNiPO4)的阴极材料，并且一侧可涂覆有LTO阳极材料。电极在两侧具有没有被电化学活性材料覆盖的外围边缘。将密封件或密封用粘合剂以及分隔层(必要时)布置至未被涂覆的边缘。可将分隔层布置到电极的一侧(例如，阳极侧)或各个电化学电池的两侧的涂层。
电解质位于电极之间，且因锂离子而导电并浸渍有电化学活性材料或与电化学活性材料接触。电解质可由具有导电盐或离子液体或聚电解质或凝胶电解质的有机溶剂的混合物形成。
作为实施例，可将例如包括Al2O3颗粒和粘合剂(例如，聚偏二氟乙烯(PVDF))的分隔件和例如作为凝胶电解质或固体电解质的电解质以适当的方式布置至这两个电极中的一者。在使用固体电解质时，可省去电解质和相应电极之间的分隔层。另外，固体电解质也可以是电极涂层的组分(例如，粉末形式的硫代磷酸锂的混合物)，此外还可以使用凝胶/液体电解质。作为凝胶/液体电解质，可使用特别为碳酸亚乙酯、碳酸二乙酯或碳酸丙二酯的有机碳酸酯，有机碳酸酯和特别为LiPF6、LiTFSl或LiClO4的锂离子传导盐一起被包埋到聚合物基体(特别为聚氧化乙烯(PEO)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、丙烯酸酯或亚胺)。
然而，其也可以由聚电解质、具有可电离阴离子和/或阳离子基团的聚合物或离子液体(特别为N-烷基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(PYR14TFSI))形成且由作为锂离子传导盐的LiTFSI或作为晶体离子导体的Li7P3S11或Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3)形成。
在双极性结构中，将电极堆叠成使得电化学电池的阳极侧和阴极侧的电极分别是彼此上下布置的相反电极，并由此可以获得串联连接的多个电化学电池/原电池。最底层到最顶层可形成底板和顶板，二者可被构造成铝板并且可形成电能存储元件的电流收集器。为此，底板和顶板同样可涂覆有相应的电极材料，并且底板可设置有分隔层、电解质和密封用粘合剂。以使内部结构密封地封闭的方式对电极或底板或顶板的边缘进行密封，以防止相邻电极的膜边缘的接触并且封闭固定在电极上的载体膜的未被涂覆的边缘。
可在结构内单独地监测由多个彼此上下重叠的电化学电池形成的各个子堆叠体的温度和电压，以改善和/或全部操作的安全性。以这种方式监测的电化学电池(双极性电池)的数量可以是不同的。除了电压监测之外，在各个层内也可进行电荷补偿或电荷适应。为此，一同监测的电化学电池的数量应在1个电池至最多5个电池的范围内。
作为实施例，传导电子的载体膜可与薄绝缘导线单独地接触。可以在电子能量存储元件外部通过导线来测量各个电化学电池的电压，以检测各个电化学电池的可能过载并且必要时通过所谓的对称(symmetry)装置吸收该过载。为此，导线被密封材料紧紧地包围。温度的测量可通过电池和接触片处的现场传感器并通过对外部施加的激励及其系统响应的分析来进行。以下步骤可用于分析外部施加的激励：在从mHz至kHz的预定频率范围中将约4A的正弦电流施加至各个相邻电极对的外部电触点，并且测量相关的电压响应。在与SOC无关且与老化无关的特定频率范围或相位范围中分析系统响应，并确定电极对的各自平均温度。
另外，电能存储元件可包括监测模块、接口模块、外壳(jacket)模块和/或温度控制或冷却模块。
可使用监测模块检测电化学电池或电池组(子堆)处的测量参数。因此，能够检查并监测与安全相关的极限。
接口模块可包括用于能量传输、车辆通信、排气以及冷却介质(必要时)的部件。
如果电能存储元件直接暴露于环境影响，那么护套模块可以是电能存储元件的可选附加壳体。护套模块可同时满足保护功能和更广泛的接口功能。护套模块可具有用于接口模块和检查口的开口。该设计取决于电能存储元件(固定式存储模块、车辆集成)的集成方式。
温度控制或冷却模块能够通过蒸发器冷却、液体冷却或对流冷却对电能存储元件进行有效的温度控制。由于大面积构造和相关的交换表面，在某些情况下可因内部电阻较小而省去复杂和/或昂贵的冷却。功耗可由电池承担并且可以通过热传导和热传递被耗散至空气或者护套模块。
接口模块、监测模块和护套模块应当被构造成使得它们以最佳方式利用构造空间并且可与电能存储元件一同安装在共同的壳体中。由于高度的系统集成，可理想地利用构造空间。系统的体积利用率可高于80％。
例如，电能存储元件可被构造成安装至车辆下体中和太阳能模块中(实施例3)。
可以以不同的变型方式进行电能存储元件的冷却/温度控制。可以通过空气、液体冷却介质或蒸发器来实现冷却。一个或多个负载(优选电气负载)的废弃热量可用于低环境温度下的温度控制，由此即使在不利的条件下也可保持足够高的电存储容量。
可以通过可能的紧凑构造方式，本发明可以提供具有任何所需结构尺寸的电能存储元件，优选具有大面积电极的电能存储元件。
在制造电能存储元件时，电极制造、电极以及底板和顶板的组装以及在覆盖有功能层之前的底板和顶板之间的电极的堆叠是重要的。
通过在载体膜的一侧上使用LTO阳极材料进行涂覆来形成电极，并将阴极材料(LNMO或LiCoPO4或LiNiPO4)布置至另一侧，从而形成具有电极涂层并彼此上下布置的表面(所谓的图案)。这些图案周围具有未被涂层材料覆盖的自由外围边缘区域，边缘区域随后充当用于在图案周围涂覆密封剂(电化学惰性表面)的表面。
可通过在载体膜的两侧上使用常规刮涂工艺将电极涂料连续地布置到载体膜的带上形成图案，并且随后可例如通过从载体膜中热去除或化学去除或机械去除涂覆材料来形成边缘区域。这可在(以机械或热的方式)将载体膜的带切割/分割成电极的长度之前或之后进行。替代地，载体膜可通过印刷工艺或狭缝模工艺直接涂覆有图案，使得保留有不具有电极材料并且是电化学惰性的外围边缘区域，并且在载体膜作为连续带存在的程度下在涂覆之前或之后被(以机械或热的方式)切割成一定尺寸。
此外，在通过压延形成电极时，可将布置到载体膜上的电极材料压紧。可在单个方法步骤中进行压延，并且由此可通过选择用于电极的电化学活性物质LTO和LNMO来压紧电极材料。可仅在一个步骤中对形成在载体膜上的阳极材料和阴极材料进行共同地、同时地压延。
当制作电极时，在载体膜的一侧或两侧，可借助于之前提到的涂覆工艺的一者或通过布置分隔层，将另外的分隔层布置至图案。
在后续步骤中，通过刮涂或喷涂将密封用粘合剂布置到载体膜的一侧上，载体膜在没有电极材料的未被涂覆的外围边缘区域上设置有电极，且/或将密封边缘/具有密封边缘的间隔件插入。在此之前并以支撑的方式在各个电极的一侧或两侧处通过额外的加工步骤(例如通过镌印刷辊成型(engraved printing roll structuring)或激光成型)或通过粘合促进剂来成型边缘区域。
在另一步骤中，同样在一侧或两侧上将电解质布置至图案。当使用固体电解质时，可以省去上述分隔层的布置。
底板被构造成阳极材料的图案或阴极材料的图案被布置到其上侧。顶板被构造成阴极材料的图案或阳极材料的图案被布置到其下侧。另外，如上所述，可将必要时包括上述预处理的密封用粘合剂布置到底板或顶板，并且可布置电解质和分隔层。
优选在真空的环境中进行凝胶电解质或液体电解质的布置。如果仅使用固体电解质，则可在真空环境或惰性气体环境中进行以下制造步骤。
应当在真空环境、惰性气体(特别是在固体电解质的情况下)或至少在干燥室条件下进行电化学电池的堆叠。为此，将制成的电化学电池一个接一个地放置在制成的底板上，直到达到电化学电池的所需数量(少于由底板和顶板形成的电化学电池)。继而，可将顶板布置成邻近它们。可选地，这可以相反的顺序进行，即先将电化学电池放置于顶板上并且最后再放置底板。在布置完每个电化学电池之后或者在布置完多个电化学电池之后或者在所有层已经被彼此上下堆叠之后，可沿堆叠方向机械地压制该结构，使得密封用粘合剂会以外围闭合的方式浸渍密封边缘并且形成相对于环境的完全紧密的密封。
根据密封用粘合剂的选择，可在额外方法步骤中通过加热或照射(例如UV)来实现密封和粘合的活化/聚合。
在制造上述电能储存元件的设备中，在涂覆单元中，可使载体膜涂覆有图案，然后可将其压延，并接着切割成电化学电池的形状。
如上所述，在组装单元中，使电极、底板和顶板布置有电化学电池。
其可安装有闸，电化学电池或底板和顶板被输送到闸中，并且接着可将闸腔室快速抽空或将其充满惰性气体。闸优选具有非常小的室体积并且可具有输送系统，例如，传送带。
闸可安装有在其内观察保护气体氛围(真空/惰性气体/降低的湿度)的腔室。腔室可具有用于堆叠的夹持机构和用于压制电化学电池的机构。夹持机构还应当适于拿起底板或顶板。另外，可在腔室中设置输送系统，以用于供应电化学电池并且用于排出已完成的电能存储元件。
在腔室处可存在多个其他闸，这些闸一方面允许供应电化学电池、底板和顶板，另一方面允许从不同侧引出完全堆叠的电能存储元件。
根据本发明的电能存储元件的结构以及用于制造的方法和设备的组合使得可以显著地减少产品和制造成本，同时相对于已知的电池系统可显著地增加这种电能存储元件的体积利用率。在活性材料中省去钴；必要时可省略分隔层；并且作为铜膜的替代，可使用铝、钢或导电塑料的膜作为载体膜。可通过简单地进行的印刷工艺来制造功能层(电极、电解质)。必要时，可省去电解质填充、抽空和成形的方法步骤。由于电极材料(LNMO/LTO)的选择，可能进行单级压延，这可决定性地降低制造成本。
由于高度的系统集成和电能存储元件的内部的层结构，根据本发明的电能存储元件的结构具有特定优点。可被称为最重要的优点的是：在双极性构造中，电能存储元件(特别是在大面积实施例中)使体积利用率高，并由此使能量密度相应高，即，在使用高至几百伏特的系统电压时，特别是填充有密封用粘合剂的区域中的非活性部分的比例可保持非常小。
所述结构的另一个优点在于，电能存储元件不一定需要任何额外的壳体。可仅通过底板和顶板以及通过周边固化的密封用粘合剂(必要时借助于分隔元件)来实现电能存储元件的稳定性。此外，由于各个电化学电池之间存在的非常小的电过渡电阻，因此通过堆叠构造可实现非常高的性能，这是因为通过薄载体膜进行电池到电池的电接触，这与传统电池不同点在于并不需要额外的连接元件。导电载体膜应当具有在5μm和30μm之间的层厚度，以获得足够的机械稳定性和承载能力。
由于分解温度高于常规电极材料和电解质材料，因此根据本发明的热稳定电极材料LNMO或LiCoPO4或LiNiPO4和LTO的选择以及凝胶电解质或固体电解质的使用可确保在操作电能存储元件时以及在出现缺陷的情况下的高安全性。在某些情况下不存在可能泄露的液体、可燃电解质。电化学活性材料允许大于3V的较高个别电池电压，并因此由于其电化学电势而具有高的能量密度。此外，与需要用于阴极的Al膜和用于碳阳极的较重Cu箔的常规活性材料对相比，电极电势处于允许将诸如轻铝膜或塑料膜等的均匀材料用于电极的区域中。此外，在锂的嵌入和脱嵌(intercalation and deintercalation)期间，高压阴极材料和LTO的结构膨胀小于常规材料，使得在电能存储元件的充电和放电期间电极材料会经历较小的体积变化，并且在电极中会引起较小的机械应变。因此，可实现更高的长期稳定性。可实现高的表面分配和相关的增加的能量密度。
阳极使用LTO来代替碳还具有以下优点：不会出现所谓的“锂电镀”的锂枝晶形成，使得相对于常规材料系统，可消除在操作电能存储元件时潜在的安全风险。在材料侧避免的锂电镀还允许以相同的负载分配来制造阳极层和阴极层，这是因为阳极表面不必大于阴极表面，而对于碳基的电池，阳极总是必须被构造成具有比阴极更高的负载分配。电能存储元件的电化学电池的电极的表面和/或质量可至少保持大致相同。
由于如常规地所需在化学计量所需的能量储存模块的电化学电池中不需要包含5-15％以上的阳极材料，因此可降低锂枝晶形成的风险。LTO作为阳极材料不形成任何SEI(固体电解质中间相)。一方面，不必相应地进行典型的形成工艺，另一方面，由此化学系统会具有更长的寿命。
此外，电能存储元件的制造方法的优点在于，除了接合和可能需要的电接触元件的电连接之外，不需要接合工艺，并且该接合工艺可以结合至堆叠工艺中。由于在区域(areal)上布置电解质，因此可省去时间密集的填充过程。电化学电池在真空下的堆叠额外地替代了额外的抽真空步骤。也可等同地省去花费几天时间的典型形成工艺。前述几点代表为此所需的价值创造过程和系统技术的节省，这具有显著的积极效果。
根据本发明的用于制造的设备有利地适于处理大面积电极(卷对卷工艺和区域输送系统)，并且因此适于用于制造大型能量存储模块。至少电能存储元件边缘的外部几何形状可适用于相应应用的要求，特别是适用于可用的安装空间，其中，可根据底板和顶板来切割或选择电化学电池的外边缘轮廓。
在电能存储元件中直接彼此上下布置的各个电化学电池可在其尺寸和外边缘轮廓方面逐渐地变化。由此可以获得适于相应要求的电能存储元件的几何形状，并且例如，这些几何形状不形成为矩形、正方形或其它规则形状。
下面将通过实施例更详细地解释本发明。
附图说明
图1示出根据本发明的电能存储元件的示例的示意图；
图2示出电能存储元件的集成实施例；并且
图3示出电能存储元件的温度控制或冷却概念图。
具体实施方式
示例1
可使用具有15μm的厚度和100mm的宽度的铝导电载体膜70来制造根据本发明的电能存储元件。
为了制造阴极20，在载体膜一侧上使用N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中的LNMO悬浮液通过卷对卷工艺(roll-to-roll process)进行涂覆。由此获得的阴极20的成分为92wt.％的LNMO、4wt.％的导电添加剂和4wt.％的PVDF。在此方面，获得50.6Ah/m2的表面容量。间歇地进行涂覆。
为了制造阳极50，在第二涂覆步骤中，在载体膜70的另一侧上使用NMP中的LTO悬浮液。所得到的阳极的成分为92wt.％的LTO、4wt.％的导电添加剂和4wt.％的PVDF。在此方面，获得52.9Ah/m2的表面容量。间歇地进行涂覆。
在随后的压延(calendaring)工艺中将在两侧分别涂覆有活性的阳极材料和阴极材料的干燥电极带压紧，使得对于这两种涂覆均实现20％的电极孔隙率。
在最后步骤中，将水性Al2O3悬浮液的分隔层40布置至阳极侧；使用SBR/CMC粘合剂体系。这产生了约30μm的层厚度和30％的孔隙率。
通过激光升华，将Al2O3涂层40、阳极涂层50、电极另一侧上的阴极涂层20移除直至使载体膜70裸露，以在单独的涂覆表面周围产生未被涂覆的边缘。为此，使用与横向操作的激光镜光学器件连接的60W功率的CO2激光器。
随后，使用具有切割光学器件的1000瓦特的固体激光器，通过载体膜的热分割来分割电极20、50。例如，在该工艺中产生具有100mm的宽度和195mm的长度的电极20、50。
以如上所述的相同方式，在下侧使用阴极材料对包括3mm厚的铝的顶板10进行涂覆并保留20mm宽的未被涂覆的外围边缘，并且对其进行干燥。在后续步骤中，在压延过程中压紧顶板10的涂层。
以如上所述的相同方式，在上侧使用阳极材料和分隔层40对包括3毫米厚的铝的底板12进行涂覆并保留20mm宽的未被涂覆的外围边缘，并且对其进行干燥。在随后的步骤中，在压延过程中压紧底板12的涂层。
随后，借助化学稳定的双组分粘合剂将包括聚丙烯(PP)并具有320μm的高度和20mm的外围宽度的密封框60接合在底板12和电极20、50上。
使用刮刀将包括碳酸乙二酯、碳酸二乙酯或IMLiPF6的液体电解质30布置至多孔分隔层40。
在双极性结构中，将电极20、50以如下方式堆叠：阳极侧和阴极侧分别是彼此上下布置的相反电极，并因而获得多个串联连接的电化学电池。形成为铝板的底板12和顶板10分别形成最底层和最顶层，并且二者构成电池组的电流收集器。为此，底板12和顶板10同样涂覆有相应的电极材料，并且底板12在区域60中设置有分隔层40、电解质30以及密封用粘合剂。将密封件布置到电极20、50或底板12或顶板10的边缘，使得它们密封地封闭内部结构、防止相邻电极的膜边缘接触并且封闭载体膜的边缘。
示例2
为了制造电化学电池的堆叠体，将底板12夹紧到用于从下方对板进行固定的固定设备中。借助真空钳，以使涂覆表面彼此相对的方式将电极提供并放置在底板12上。此后，将环境抽真空至20mbar的压力，并随后通过具有10kPa的压缩力的冲床将电极压制在底板12上。在该工艺中，通过热载体将双组分粘合剂加热至80℃以进行固化。
随后，提供并放置下一个电极；将环境抽真空；压制电极；并加热粘合剂。重复这些步骤直到将351个电极堆叠在底板上。
在最后的步骤中，通过夹持器提供顶板10并将其放置在堆叠体上；随后将环境抽真空；压制顶板10；并加热粘合剂。
示例3
图2在左侧示出了在车辆下体处的可能安装。a＝中间车体；a'＝车辆下体；b＝导热绝缘层、接合部；c＝车辆支架；在右侧示出了在太阳能模块下侧的安装：d＝太阳能模块；e＝模块框架。
可在所有大面积的构造空间处或中进行电化学电池的堆叠体的集成。这里，车辆下体或太阳能模块后侧仅为示例。可以想到墙壁处的垂直安装。
在图2的左侧示出的实施例中，对于车辆下体，堆叠体被集成在底框梁/底盘纵梁(c)、横梁以及下体(a')和中间体(a)之间。这些元件与堆叠体一起表示电池部件。边缘元件主要起支撑作用并针对底座、侧部、后部或前部处的碰撞起保护作用，并因此建立与车辆的机械连接。堆叠体在侧向上可通过直线焊缝、定位件或补偿质量块进行固定。在受损情况下，也可通过结构a、a'和c进行排气。由于这些部件可为中空的，因此它们用作导体。通过在堆叠工艺期间引入并且通过中间底盘在横向上向上引导至监测模块的感测和平衡触点可在侧向上进行各个层的感测接触。在车辆中，电气设备和电子设备可以空间优化的方式布置在前排座椅和后排座椅下方。
为了确保良好的性能，应当对堆叠体进行加载。这方面的目的在于，能够承受由插层或老化引起的膨胀力。至少提供大约100N/m2的超过电池重量的预载荷，以由堆叠体中的摩擦而获得良好的横向稳定性。在集成到车辆中时，必须选择尽可能大的电极面积，以便依然能够在底架中实现模块化方法。因此，必须通过更高的系统电压来匹配不能通过面积实现的能量含量。可以想到利用双极性电池来实现超过1kV的电压范围。因此，必须使用转换器技术(高达>1500V的高压晶体管)和绝缘技术(例如，具有大约0.06mm的厚度的聚酰亚胺)
在图2的右侧示出的与太阳能模块相关的示例中，较小面积(约1.2m2至1.6m2)是可用的。电能存储器直接安装或集成在太阳能模块的后侧。因此，理论上可以实现每层约60Ah至80Ah的容量。目标应当在于，使每模块保持低于60V，这使每模块的能量存储容量为约1.5kWh。必须注意的是，每模块额外需要监控技术和转换器技术。为此，目标应当在于，将电能存储元件配置成处于太阳能模块的最大电压范围之下或之上，使得转换器必须增加或降低电压。例如，这意味着取决于太阳能模块以及每模块的存储量而具有小于10V或大于40V的电压范围的电能存储器。
在太阳能模块的情况下，仍然必须考虑良好的热绝缘，这是因为温度>40℃或小于-20℃可导致更强的老化或内部电阻的显著增加。
图3示出了可能的温度控制或冷却的概念图。
以车辆集成为例，图3在左侧示意性地示出通过对流和热传导进行的冷却，并且在右侧示出通过空气、液体冷却剂或蒸发器进行的冷却，其中，f＝冷却剂流路。
形成有电能存储元件的电化学电池的堆叠体(双极性堆叠体)的冷却概念极大地取决于相应电池的尺寸和性能需求。原则上，由于电池的较大表面以及相关的高表面容量，可假定被标准化至标称容量的小电流。可以想到1至2小时的充电和放电时间。这表示电池上的相对小的载荷。相应地，内电阻同样为小并且远低于0.6mOhm/m2。由此，系统中的功耗为小并且仅释放少量热量。层内的热传输比与其垂直的热传输大大约10倍。金属载体膜具有非常好的热导体，并将其在横向上传送到可安装有空气冷却器或液体冷却器的外部。由于自由对流和热传导足以用于相应的温度控制，因此能够甚至完全省去附加的冷却。作为冷却的替代，特别是当可经由诸如冷却剂等介质(液体或空气)来利用废弃热量时，也可以类似形式来实现加热。

Claims (12)

1.一种电能存储元件，在电能存储元件中，多个均由作为电极的阴极(20)和阳极(50)以及电解质(30)形成的电化学电池彼此上下堆叠地布置，并且在一侧被由特别为铝的导电材料制成的顶板(10)封闭且在相反侧被由特别为铝的导电材料制成的底板(12)封闭，
其中，底板(12)涂覆有阴极(20)或阳极(50)，并且顶板(10)以互补的方式涂覆有阳极(50)或阴极(20)，并且
阳极(50)和阴极(20)分别形成在导电载体膜(70)的相反地布置的表面上，导电载体膜优选地包括铝、铜、钢或导电塑料，且载体膜(70)具有外围边缘，外围边缘不具有电极材料并通过密封用粘合剂以相对于环境密闭地密封的方式将相邻的电化学电池彼此连接，并且
阳极由具有尖晶石结构的钛酸锂(LTO)形成，且高压的阴极由具有尖晶石结构的锰酸锂镍(LNMO)形成或由具有橄榄石结构的磷酸锂(LP)形成，并且
在电化学电池的电解质(30)和电极之间，在凝胶电解质(30)的情况下设置有相应的分隔层(40)且在固体电解质的情况下不设置分隔层(40)。
2.根据权利要求1所述的电能存储元件，其特征在于，
阳极(50)由作为LTO的Li4Ti5O12形成，阴极(20)由作为LNMO的LiNi0.5Mn1.5O4或作为LiCoPO4或LiNiPO4的磷酸锂形成，并且电解质(30)由锂离子传导盐或聚电解质、具有可电离的阴离子和/或阳离子基团的聚合物形成或者由离子液体或作为晶体离子导体的Li7P3S11或Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3)形成，并且/或者
分隔层(40)由优选颗粒形式的Al2O3、锂离子传导玻璃形成且由有机粘结剂形成。
3.根据权利要求1或2所述的电能存储元件，其特征在于，
电解质(30)由和有机碳酸酯一起被包埋在聚合物基体中的LiPF6、LiTFSI或LiClO4形成，有机碳酸酯特别为碳酸乙二酯、碳酸二乙酯或碳酸丙二酯，聚合物基体特别由聚氧化乙烯(PEO)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、丙烯酸酯或亚胺形成，或者电解质由N-烷基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(PYR14TFSI)形成，并且电解质由作为用作聚电解质的锂离子传导盐的LiTFSI形成。
4.根据权利要求1或2所述的电能存储元件，其特征在于，
设置有监测模块、接口模块、护套模块和/或温度控制或冷却模块。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电能存储元件，其特征在于，
在分隔层(40)中包含聚偏二氟乙烯(PVDF)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、聚乙烯醇(PVA)或羧甲基纤维素(CMC)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电能存储元件，其特征在于，
电化学电池的传导电子的载体膜(70)与电绝缘导线单独地接触，并且这些导线穿过密封用粘合剂。
7.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的电能存储元件的方法，其特征在于，
在载体膜(70)的两个相反地布置的表面上涂覆阳极材料和阴极材料，且阳极材料和阴极材料布置在相反侧，使得保留有不具有相应的电极材料的外围边缘或者从该边缘移除电极材料，并且
在凝胶电解质的情况下，将两个电极中的至少一者涂覆分隔层(40)并随后涂覆电解质材料，或者在固体电解质的情况下，直接将各个电极涂覆电解质材料，
随后通过分割获得均形成电化学电池的独立元件，并且将它们彼此上下堆叠，使得阴极(20)和阳极(50)朝向上方交替地布置，且在此将最底部的电化学电池放置在已涂覆有阴极(20)或阳极(50)的底板(12)上，其中在形成在底板(12)上的电极的方向上布置的相应的互补电极面向形成在底板(12)上的该电极的方向，在所要堆叠的电化学电池达到期望数量之后，将顶板(10)放置在最上面的电化学电池上，在顶板上存在有与最上面的电化学电池的最上面的电极互补的电极，并且
通过密封用粘合剂在不具有电极材料的外边缘处实现电化学电池相对于环境的封闭。
根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，通过密封用粘合剂并通过分隔元件在不具有电极材料的外边缘处实现电化学电池相对于环境的封闭。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
通过用刮涂、印刷、喷涂、点胶、粉末涂覆或静电工艺来形成分隔层(40)和/或电解质(30)。
9.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，
通过压延实现压紧。
10.根据前述四个权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
在真空条件或惰性环境氛围中进行电化学电池、底板和顶板(10)的装配和堆叠。
11.一种用于制造根据权利要求1至5所述的电能存储元件的设备，其特征在于，
在被至少一个闸闭合并能够被抽真空或充满惰性气体的腔室中至少进行堆叠和装配。
12.根据前述权利要求所述的设备，其特征在于，
腔室具有至少用于堆叠和压制电化学电池的夹持机构。
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