CN107548525B - 用于电池组电池的隔离物和电池组电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于分离电池组电池（2）中的阳极（21）和阴极（22）的隔离物（18），所述隔离物包括具有孔隙度的基础材料，所述基础材料能够是离子导通的。在此，在隔离物（18）的基础材料内设置有电解质层（15），所述电解质层由固体电解质构成，并且所述电解质层比隔离物（18）的基础材料具有更小的孔隙度。本发明还涉及一种电池组电池（2），其包括至少一个根据本发明的隔离物（18）。

Description

用于电池组电池的隔离物和电池组电池

技术领域

本发明涉及一种用于电池组电池的用于分离电池组电池中的阳极和阴极的隔离物，该隔离物包括具有孔隙度的基础材料，该基础材料可以是离子导通的。本发明还涉及一种电池组电池，其包括至少一个根据本发明的隔离物。

背景技术

电能能够借助电池组来存储。电池组将化学反应能转化为电能。在此，区分成一次电池组和二次电池组。一次电池组仅仅有一次功能能力，而也称为蓄电池的二次电池组可以重复充电。电池组在此包括一个或多个电池组电池。

在蓄电池中特别是使用所谓的锂离子电池组电池以及锂金属电池组电池。这些电池组电池的特征特别是在于高的能量密度、热稳定性和极小的自放电。锂离子电池组电池以及锂金属电池组电池特别是应用于机动车中，特别是应用于电动车辆（ElectricVehicle，EV）、混合动力车辆（Hybride Electric Vehicle，HEV）以及插电式混合动力车辆（Plug-In-Hybride Electric Vehicle，PHEV）中。

锂金属电池组电池具有也称为阴极的正电极和也称为阳极的负电极。阴极以及阳极包括各一个集流体，活性材料被施加到该集流体上。阴极的活性材料例如是金属氧化物。阳极的活性材料例如是金属锂。

阳极的活性材料包含锂原子。在运行电池组电池时、即在放电过程中，电子在外部电流回路中从阳极流至阴极。在电池组电池内，锂离子在放电过程中从阳极迁移至阴极。在电池组电池的充电过程中，锂离子从阴极迁移至阳极。在此，锂离子电化学地沉积在阳极上。

电池组电池的电极薄膜状地构造并且在中间插入将阳极与阴极分离的隔离物的情况下被缠绕成电极卷。这样的电极卷也称为Jelly卷。电极也可以相叠地堆叠成电极堆。

电极卷或电极堆的两个电极借助集电体与电池组电池的也称为端子的极电连接。电池组电池通常包括一个或多个电极卷或电极堆。电池组电池还包括液态的或固态的电解质。电解质对于锂离子是能够传导的并且能够实现锂离子在电极之间的传输。

电池组电池还具有例如由铝制成的电池壳体。电池壳体例如棱柱形地、特别是方形地设计并且密封地构造。端子例如处于电池壳体之外。代替硬的电池壳体，也可以设置软的薄膜，该薄膜包围电极卷或电极堆。这样设计的电池组电池也称为袋装电池。

在已知的锂金属电池组电池中的问题是阳极的枝状生长。在电池组电池的重复的充放电过程期间，锂可以枝状地沉积在阳极上并且从那里生长至阴极。生长的枝状物可以穿透隔离物并且引起电池组电池之内的局部短路。因此，生长的枝状物可以明显减小电池组电池的寿命并且甚至引起电池组电池的热损坏，这也称为热穿通。

包括阳极（其中阳极的活性材料具有金属锂或锂合金）和阴极的这类电池组电池例如从US 2014/0234726A1已知。为了将阳极与阴极分离而设置多孔的隔离物。固体电解质布置在阳极与隔离物之间以及阴极与隔离物之间。固体电解质阻止枝状物的贯穿生长。

在US 2014/0170503A1中公开了一种具有固体电解质的电池组电池，该固体电解质被施加到电池组电池的电极上作为涂层。

发明内容

提出一种用于分离电池组电池中的阳极和阴极的隔离物，该隔离物包括具有孔隙度的基础材料，该基础材料可以离子导通地构造。但是，隔离物的基础材料也可以离子不传导地构造。

隔离物的基础材料在此介孔地并且机械稳定地构造并且具有连续的孔。所述孔利用一种或多种不同的离子导通的材料来填充，所述材料可以固态、液态或粘性地、即黏稠或凝胶状地构造。

根据本发明，在隔离物的基础材料内设置由固体电解质构成的电解质层，并且该电解质层具有比隔离物的基础材料更小的孔隙度。因此电解质层在机械上也比隔离物的基础材料更硬。隔离物的基础材料的内部的孔至少部分地从一侧由电解质层来覆盖或封闭。电解质层的固体电解质在此是离子导通的。

根据本发明的一种有利的设计方案，在隔离物的基础材料内设置至少一个中间层，该中间层比电解质层具有更高的孔隙度。因此，中间层在机械上也比电解质层的固体电解质更软。所述中间层在此离子导通地构造。

根据本发明的一种有利的改进方案，电解质层布置在第一中间层和第二中间层之间。在中间容纳电解质层的两个中间层用于将电解质层连接到阳极以及阴极上。两个中间层可以填满隔离物的基础材料的剩余的孔。

根据本发明的一种有利的设计方案，至少一个中间层构造为固体。

根据本发明的另一种有利的设计方案，至少一个中间层粘性地构造，即黏稠或凝胶状地构造。

根据本发明的另一种有利的设计方案，至少一个中间层液态地构造。

阳极包括阳极活性材料，该阳极活性材料优选地与至少一个中间层相邻。所述至少一个中间层用于将电解质层连接到阳极活性材料上。在阳极活性材料的背对中间层的侧上布置有集流体，该集流体特别是由铜制成。

阳极的阳极活性材料有利地伸入到隔离物的基础材料中。这意味着，隔离物的基础材料的既没有由电解质层又没有由中间层填满的还剩余的孔利用阳极活性材料的金属锂来填满。在阳极活性材料的背对中间层的侧上布置有集流体，该集流体特别是由铜制成。

因此，在电池组电池充电时，锂离子可以换入到隔离物的基础材料的所述剩余的孔中。在电池组电池放电时，锂离子可以从隔离物的基础材料的剩余的孔扩散至阴极。隔离物的体积在此保持近似恒定。因此减小隔离物以及阳极的体积变化。由此也减小电池组电池内的机械应力。

还提出一种电池组电池，其包括至少一个根据本发明的隔离物。

根据本发明的电池组电池有利地应用于电动车辆（EV）、特别是混合动力车辆（HEV）或插电式混合动力车辆（PHEV）的牵引电池组中以及应用于消费电子产品中。消费电子产品在此特别是可以理解为移动电话、平板电脑或笔记本电脑。

本发明的优点

根据本发明的隔离物、特别是隔离物的电解质层具有足够的硬度，以便以足够的机械阻力抵抗从阳极生长的枝状物。因此，避免枝状物穿过隔离物生长。隔离物还阻止了其他不期望的组分、例如多硫化物从阴极迁移至阳极或以相反方向迁移。

此外，根据本发明的隔离物减小了阳极在充电和放电时的体积变化。由于减小的体积变化，也减小了隔离物处的由于阳极的所述体积变化所引起的机械应力。由此也减小了阳极中的裂缝或断裂的风险。也保证了隔离物的电解质层的固体电解质到电池组电池的阳极以及阴极上的相对好的连接。

此外，根据本发明的隔离物能够通过有针对性地区域设定电解质层的厚度而实现电池组电池中的区域分解的电流密度。这例如可以有利地用于电池组电池的边缘密封。

附图说明

本发明的实施方式借助附图和随后的描述来详细解释。

其中：

图1示出电池组电池的示意图，并且

图2示出图1中的电池组电池的隔离物和阳极的示意图。

具体实施方式

在图1中示意性示出电池组电池2。电池组电池2包括棱柱形、当前方形构造的电池壳体3。电池壳体3当前导电地实施并且例如由铝或不锈钢制成。但是，电池壳体3也可以由电绝缘的材料、例如塑料制成。电池壳体3的其他形状也是可设想的，例如圆柱体。如果电池组电池2设计成袋装电池，则也可以设置软的薄膜来代替硬的电池壳体3。

电池组电池2包括负端子11和正端子12。通过端子11、12可以量取由电池组电池2提供的电压。此外，也可以通过端子11、12给电池组电池2充电。端子11、12彼此间隔开地布置在棱柱形的电池壳体3的盖面上。

在电池组电池2的电池壳体3内布置有电极卷，该电极卷具有两个电极、即阳极21和阴极22。阳极21和阴极22分别薄膜状地实施并且在中间插入隔离物18的情况下被缠绕成电极卷。也可以设想的是，在电池壳体3中设置有多个电极卷。例如也可以设置电极堆来代替电极卷。

阳极21包括薄膜状实施的阳极活性材料41。作为基础材料，阳极活性材料41具有锂或包含锂的合金。也可以设想不同构型的金属电极。阳极21还包括集流体31，该集流体同样薄膜状地构造。阳极活性材料41和集流体31彼此平坦地敷设并且相互连接。

阳极21的集流体31导电地实施并且由金属、当前由铜制成。阳极21的集流体31与电池组电池2的负端子11借助集电体来电连接。

阴极22包括薄膜状实施的阴极活性材料42。作为基础材料，阴极活性材料42具有金属氧化物、例如锂钴氧化物（LiCoO₂）。阴极22还包括同样薄膜状实施的集流体32。阴极活性材料42和集流体32彼此平坦地敷设并且相互连接。

阴极22的集流体32导电地实施并且由金属、例如由铝制成。阴极22的集流体32与电池组电池2的正端子12电连接。

阳极21和阴极22通过隔离物18彼此分离。隔离物18同样薄膜状地构造。隔离物18电绝缘地构造，但是是离子导通的，即对于锂离子是可通过的。

在图2中示意性示出图1中的电池组电池2的隔离物18和阳极21。隔离物18具有介孔地并且机械稳定地构造的基础材料，该基础材料具有连续的孔。隔离物18的基础材料的厚度例如在10微米和50微米之间。隔离物18的基础材料例如是陶瓷、特别是介孔二氧化硅。

隔离物18包括第一中间层51、电解质层15和第二中间层52。电解质层15在此由第一中间层51和第二中间层52包围。阳极活性材料41施加在第一中间层51上。阳极21的集流体31布置在阳极活性材料41的背对第一中间层51、即与第一中间层51相对的侧上。

电解质层15由固体电解质构成，该固体电解质嵌入到隔离物18的基础材料中。电解质层15的固体电解质由能够相对薄地制造的材料、特别是由无机的陶瓷材料制造。当前，电解质层15的固体电解质由LiPON来制造。

例如借助真空工艺将电解质层15引入到隔离物18的基础材料中。这样的真空工艺允许利用固体电解质填充隔离物18的基础材料的孔。

隔离物18的第一中间层51以及第二中间层52当前包含固体聚合物、特别是添加了锂导电盐、例如LiTFSI的聚乙基乙二醇（PEG）。

替代地，隔离物18的第一中间层51以及第二中间层52也可以包含凝胶状的、粘性的聚合物，所述聚合物特别是利用液体电解质来浸渍。也可以设想添加锂导电盐。同样可以设想的是，隔离物18的第一中间层51以及第二中间层52包含纯的液体电解质。

本发明不限于在此描述的实施例和其中强调的方面。更确切地说，在通过权利要求说明的范围内可以实现多种变型，所述变型处于本领域技术人员所处理的范围内。

Claims (9)

1.用于分离电池组电池（2）中的阳极（21）和阴极（22）的隔离物（18），所述隔离物包括具有孔隙度的基础材料，所述基础材料能够是离子导通的，其特征在于，

在隔离物（18）的基础材料内设置有电解质层（15），所述电解质层由填充在所述基础材料的孔内的固体电解质构成，并且所述电解质层比隔离物（18）的基础材料具有更小的孔隙度，

在隔离物（18）的基础材料内设置有至少一个中间层（51、52），所述中间层比所述电解质层（15）具有更高的孔隙度，以及

所述至少一个中间层（51、52）中的第一中间层（51）具有第一侧和第二侧，其中所述第一中间层（51）的第一侧与所述电解质层（15）的一侧直接接触，而所述第一中间层（51）的第二侧与所述阳极（21）直接接触，使得所述第一中间层（51）位于所述固体电解质与所述阳极（21）之间，而所述阳极（21）完全位于所述第一中间层（51）之外。

2.根据权利要求1所述的隔离物（18），其特征在于，所述电解质层（15）布置在所述第一中间层（51）和一个第二中间层（52）之间。

3.根据权利要求1至2之一所述的隔离物（18），其特征在于，所述至少一个中间层（51、52）构造为固体。

4.根据权利要求1至2之一所述的隔离物（18），其特征在于，所述至少一个中间层（51、52）粘性地构造。

5.根据权利要求1至2之一所述的隔离物（18），其特征在于，所述至少一个中间层（51、52）液态地构造。

6.根据权利要求1至2之一所述的隔离物（18），其特征在于，所述阳极（21）包括阳极活性材料（41），所述阳极活性材料与所述至少一个中间层（51、52）相邻。

7.根据上述权利要求1至2之一所述的隔离物（18），其特征在于，所述阳极（21）包括阳极活性材料（41），所述阳极活性材料伸入到隔离物（18）的基础材料中。

8.一种电池组电池（2），包括至少一个根据权利要求1-7之一所述的隔离物（18）。

9.根据权利要求8所述的电池组电池（2）在电动车辆（EV）的牵引电池组中或在消费电子产品中的应用。

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