CN106797006A - 锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池，所述锂离子电池包括两个彼此对置的具有不同的极性的电极(12、14)，所述电极通过对于锂离子可渗透的、多孔的隔离器(16)彼此分离，其中，隔离器(16)构成为至少三层的复合元件。本发明的特征在于，隔离器(16)的各层中的一层是导电的多孔的传感器层(161)，所述传感器层在两侧被电子隔离的锂离子可渗透的层(162)包夹，所述传感器层通过电阻测量装置(20)与所述电极(14、14)中的至少一个电极连接。

Description

锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池，所述锂离子电池包括两个彼此对置的具有不同极性的电极，所述电极通过对于锂离子可渗透的、多孔的隔离器彼此分离，其中，所述隔离器构成为至少三层的复合元件。
背景技术
这种锂离子电池由WO 2010/130339 A1已知。
锂离子电池已知作为在许多电子仪器中的可充电的大功率蓄能器。锂离子电池由于其高的能量密度也作为蓄能器在具有混合驱动装置或纯电驱动装置的机动车中使用。
锂离子电池按照其典型的构造具有两个极性不同的电极，所述电极分别能根据主导的电压条件放出或结合锂离子。锂离子释放到电解质中或锂离子从电解质中提取，而所述电解质不直接参与真正的结合或释放过程。为了避免各电极之间的短路，在各电极之间设置所谓的隔离器，所述隔离器对于移动的锂离子是可渗透的、但构成各电极之间的隔离电子的分离层。隔离器通常是由不导电的聚合物制成的多孔的层。由上述文献已知的是，将隔离器构成为3层的复合元件，其中，尤其是氧化的无机的稳定层在两侧被聚醚酰亚胺层包夹。电子隔离的聚合物层形成本身也电子隔离的稳定层的化学惰性的保护。稳定层的主要任务是提高锂离子电池的机械强度，以便防止损坏和击穿。
在锂离子电池中有问题的可能是所谓的枝晶生长。枝晶是当锂离子在电极、尤其是阳极上结晶时所产生的指状的增长物。如果这样的枝晶生长保持未被发现，则枝晶可能刺穿隔离器并且引起各电极之间的短路。然而如果及时发现枝晶，则可以通过合适的蓄电池管理来抑制枝晶生长。
任务提出
本发明的任务是，这样进一步构造这种类型的锂离子电池，使得能够及早识别出枝晶生长。
发明内容
该任务结合权利要求1前序部分的特征通过如下方式解决，即，隔离器的各层中的一层是导电的多孔的传感器层，所述传感器层在两侧被电子隔离的锂离子可渗透的层包夹，所述传感器层通过电阻测量装置与所述电极中的至少一个电极连接。
如果枝晶如此程度地增长，使得枝晶刺穿隔离器的电隔离的保护层并且与传感器层开始接触，则可以借助电阻测量装置探测相关电极与隔离器之间的电阻的击穿。相应地可以通过蓄电池管理引入合适的对应措施。在此重要的是，在相关电极与隔离器之间的这样产生的短路不导致整个锂离子电池失效；整个锂离子电池失效将在所述两个电极之间发生短路的情况下才出现，而所述短路在探测到枝晶的时刻恰恰还不存在。因此，本发明能够实现及时识别出枝晶生长，从而当还不存在电池的持久损坏的急迫危险时，就可以引入对应措施。
有利地，传感器层由导电的聚合物材料制成。例如在此可以使用聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩。这些材料已经被证实为是特别合适的，如在更下面应该还进一步说明的那样。
备选地也可能的是，传导的传感器层由表面用金属处理(veredeln)的、不导电的聚合物材料制成。例如不导电的聚合物膜片可以蒸镀有金属层或另外地表面被处理。然而，这种聚合物膜片的制造是耗费并且昂贵的，从而优选之前所述的备选方案。
原则上也可想到使用金属的被孔穿透的层，所述层嵌入在两个电隔离的保护层之间。然而，该变型方案鉴于制造成本和重量比前述的变型方案更不利。
本发明的涉及在使用聚合物材料的情况下导电的传感器层的设计的实施方式鉴于隔离器的离子渗透性是特别有利的。尤其是聚合物材料能够构成为多孔的膜片。膜片的多孔性允许锂离子以高的密度穿过隔离器，这是针对高电池电流的强制前提。在此被看作特别有利的是，聚合物材料构成为拉伸的膜片。即，通过拉伸聚合物膜片能够制造多孔的膜片。对于本领域技术人员原则上已知的是，在拉伸时必须施加怎样的机械负荷，以便产生具有所期望的多孔性的膜片。
就此而言也清楚为什么优选本发明的如下实施方式，在这些实施方式中，导电的传感器层由导电的聚合物材料制成。所述聚合物材料即通过拉伸不改变或只最小地改变其导电能力。而金属涂敷的膜片在拉伸时可能丧失其导电性，如果金属的涂层撕破的话。然而，如果在拉伸之后才进行涂覆，则存在孔被涂覆金属掺入的危险。
有利地，电阻测量装置连同与其连接的控制装置和与该控制装置连接的发送单元一起与电极间隔开地集成到包围电极和隔离器的电池壳体中，其中，借助控制装置可初始化通过电阻测量装置的电阻测量，并且由电阻测量装置确定的电阻值或由此导出的参量能通过发送单元通信至外部的接收单元。典型地，锂离子电池本来就配备有复杂的控制装置。所述控制装置通常以装入电池壳体中的集成电路的形式实现。本发明的所述进一步扩展构型现在规定，在此同样集成按照本发明的电阻测量装置并且附加地设置发送单元，按照本发明确定的电阻值或由其导出的参量、例如用于用户的警告提示可以利用所述发送单元通信至外部的控制装置。后者为此具有相应的接收单元。对于该通信可想到不同的变型方案。一种优选的实施方式规定，发送单元构成为无线电发送单元，从而由电阻测量装置确定的电阻值或由此导出的参量经由无线电可通信至外部的接收单元。单独的布线在此是不必要的，从而按照本发明的锂离子也能无问题地由常规的锂离子电池替换并且反之亦然。本发明是否可以使用外部的控制装置取决于外部的控制装置是否具有合适的无线电接收单元。
备选地也可能的是，发送单元包括调制器并且这样与所述电极中的一个电极的直流电压引线连接，使得由电阻测量单元确定的电阻值或由此导出的参量作为影响电极的直流电压的调制信号可通信至外部的接收单元。在该实施方式中使用本来存在的有线的用于数据通信的连接。在该变型方案中也不需要单独的布线。更确切地说，本发明的可用性仅依赖于在外部的控制装置侧所需要的具有解调器的接收装置。
本发明的其它特征和优点由以下专门的说明和附图得出。
附图的简要说明
图1示出按照本发明的锂离子电池的示意图。
具体实施方式
图1示出按照本发明的锂离子电池10的示意图。电池10包括第一电极12和第二电极14，所述电极彼此对置地设置并且具有不同的极性。在电极12、14之间设置有构成为3层的复合元件的隔离器16。隔离器16包括导电的传感器层161作为中央层，所述传感器层优选由导电的聚合物材料制成，所述聚合物材料特别优选是构造为拉伸的薄膜的多孔的膜片。传感器层161在两侧被电隔离的聚合物层162包夹，所述聚合物层优选同样构造为多孔的膜片、特别优选地构造为拉伸的薄膜。
电解质18处于电极12、14与隔离器之间，电极12、14和隔离器16优选被所述电解质浸湿。基于电子隔离的聚合物层162，在导电的传感器层161与电极12、14之间存在基本上无限大的电阻R。该电阻在图1中用电阻符号表示。本领域技术人员理解所示出的电阻R不是单独的构件。每个电极12、14通过电阻测量装置20与传感器层161连接，所述电阻测量装置集成到较复杂的电池管理单元中。电池管理单元22未详细示出。优选涉及集成电路，所述集成电路嵌入锂离子电池10的未示出的壳体中。
在图1的左侧上示出枝晶24在电极12上的生长。在示出的状态中，枝晶已经冲破隔离器16的左边的保护层162并且与传感器层161接触导通。这导致击穿相应的由电阻测量装置20可探测的电阻R。基于这样的探测，可以由电池管理单元22采取抑制枝晶生长的措施。该事件也可以通过专门设置的通道而通信至未示出的外部控制装置、例如经由无线电或通过对电池10的直流电压进行调制的信号。
在图1的右侧示出类似的场景。当然在此不示出枝晶的生长、而是示出基于渗透到电解质12中的导电的、尤其是金属的杂质26在右边的电极14与传感器层161之间形成短路。该信号也导致击穿相应的电阻(在此是右边的电极14与传感器层161之间的电阻)。通过该事件到外部控制装置上的合适的通信，可以将报警信号输出给用户或切断由电池10运行的装置。
当然，在所述专门的说明中讨论的并且在图中所示的实施方式仅仅是本发明的解释性的实施例。对于本领域技术人员来说，基于本公开内容知晓宽泛的多种变型可能性。
附图标记列表
10 锂离子电池
12 电极
14 电极
16 隔离器
161 导电的传感器层
162 隔离层
18 电解质
20 电阻测量装置
22 电池管理单元
24 枝晶
26 杂质

Claims (10)

1.锂离子电池，所述锂离子电池包括两个彼此对置的具有不同的极性的电极(12、14)，所述电极通过对于锂离子可渗透的、多孔的隔离器(16)彼此分离，其中，隔离器(16)构成为至少三层的复合元件，其特征在于，隔离器(16)的各层中的一层是导电的多孔的传感器层(161)，所述传感器层在两侧被电子隔离的锂离子可渗透的层(162)包夹，所述传感器层通过电阻测量装置(20)与所述电极(14、14)中的至少一个电极连接。
2.按照权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，传感器层(161)由导电的聚合物材料制成。
3.按照权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于，所述导电的聚合物材料包括聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩。
4.按照权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，传感器层(161)由表面用金属处理的、不导电的聚合物材料制成。
5.按照权利要求2至4之一所述的锂离子电池，其特征在于，所述聚合物材料构成为多孔的膜片。
6.按照权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，所述聚合物材料构成为拉伸的薄膜。
7.按照上述权利要求之一所述的锂离子电池，其特征在于，电阻测量装置(20)连同与其连接的控制装置和与所述控制装置连接的发送单元一起与电极(12、14)间隔开地集成到包围电极(12、14)和隔离器(16)的电池壳体中，其中，借助控制装置可初始化通过电阻测量装置(20)的电阻测量并且由电阻测量装置(20)确定的电阻值或由此导出的参量通过发送单元可通信至外部的接收单元。
8.按照权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，电阻测量装置(20)、控制装置和发送单元共同以集成电路的形式实现。
9.按照权利要求7至8之一所述的锂离子电池，其特征在于，所述发送单元构成为无线电发送单元，从而由电阻测量装置(20)确定的电阻值或由此导出的参量经由无线电可通信至外部的接收单元。
10.按照权利要求7至8之一所述的锂离子电池，其特征在于，发送单元具有调制器并且这样与所述电极中的一个电极的直流电压引线连接，使得由电阻测量装置(20)确定的电阻值或由此导出的参量作为影响电极的直流电压的调制信号可通信至外部的接收单元。
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