CN107681168A - 用于电池单池的薄膜堆叠件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电池单池的薄膜堆叠件，所述薄膜堆叠件具有至少一个阳极薄膜、至少一个分离器薄膜和至少一个阴极薄膜，所述薄膜分别具有至少一个第一和第二通孔，其中所述薄膜如此相叠地布置，使得所述薄膜的第一通孔相叠地布置，并且所述薄膜的第二通孔相叠地布置。在此规定，所述阴极薄膜在围绕第一通孔的第一区域中并且在围绕第二通孔的第二区域中在电化学方面失活地构造。此外还涉及一种带有这种薄膜堆叠件和安装工具的布置系统、一种带有布置在电池单池壳体中的薄膜堆叠件的电池单池以及用于制造薄膜堆叠件和电池单池的方法。

Description

用于电池单池的薄膜堆叠件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于电池单池的薄膜堆叠件。本发明此外还涉及一种带有这种薄膜堆叠件和安装工具的布置系统以及一种带有薄膜堆叠件的电池单池。本发明此外还涉及一种用于制造薄膜堆叠件的方法和一种用于制造电池单池的方法。

背景技术

US 2009/0042099 A1示出了一种电极堆叠件和带有相叠地布置的阳极薄膜和阴极薄膜的双极二次电池，阳极薄膜和阴极薄膜借助分离器薄膜彼此间隔开。为了避免薄膜的滑动并且为了固定所述薄膜彼此间的位置，薄膜具有通孔，其中螺栓插入穿过通孔。螺栓用螺母固定。

由US 2014/0349147 A1公知了一种双极单池的堆叠件，所述双极单池的各个片借助通孔和螺栓固定件来相互固定。

发明内容

本发明的任务在于提供一种用于使用在电池单池中的薄膜堆叠件和制造方法，其中各个层彼此相叠的高的定位精确度能够得到实现，并且其中同时能够确保各个层彼此间的电绝缘和化学绝缘。

根据本发明的用于电池单池的、即用于使用在电池单池中的薄膜堆叠件具有至少一个阳极薄膜、至少一个分离器薄膜和至少一个阴极薄膜，所述薄膜分别具有至少一个第一和第二通孔，其中薄膜如此相叠地布置，使得薄膜的第一通孔相叠地布置，并且薄膜的第二通孔相叠地布置。在此规定，阴极薄膜在围绕第一通孔的第一区域中并且在围绕第二通孔的第二区域中在电化学方面失活地（elektrochemisch deaktiviert）构造。

利用“薄膜”表示了基本上扁平地构造的电极。在扁平的电极中，电极的两个空间尺寸比第三空间尺寸构造得要大一个或优选多个数量级。薄膜能够在该平面中具有任意的形状，例如方形、矩形、倒圆的角、椭圆形、圆形等。

电池单池不仅能够是一次电池单池而且能够是二次电池单池或蓄电池单池，所述电池单池设立用于：存储电能和将化学反应能量转换为电能并且相反地转换。电池单池尤其能够是锂离子单池，所述锂离子单池突出之处通常在于特别高的能量密度、热稳定性和很小的自放电性。所提出的电池单池的使用目的尤其能够是在机动车、例如电动车、混合动力车和插电式混合动力车中。

阳极薄膜一起形成电池单池的阳极，所述阳极也被称为负电极。阴极薄膜共同地形成电池单池的阴极并且也被称为正电极。

本发明能够应用于所有类型的由各个板材（阳极、阴极和分离器和另外的元件）构建的单池、例如锂离子电池、锂-硫电池、镁电池。

阴极薄膜和阳极薄膜通常分别包括阳极电流导出体或阴极电流导出体，在所述阳极电流导出体或阴极电流导出体上施加有在电化学方面有活性的材料。

作为电流导出体，作为反面考虑例如铜、铜/镍或铁/镍，并且作为正面考虑例如铝。电流导出体分别具有被称为电流导出旗部（Stromableiterfähnchen）的区域，在该区域上没有活性材料。电流导出旗部分别朝正终端或负终端集合，借助正终端或负终端，电池单池和另外的电池单池电连为模块和包。

用于阴极薄膜的活性材料能够例如是金属氧化物、尤其是含锂的重金属氧化物。用于阳极薄膜的活性材料能够例如是石墨、硅、炭黑或有机材料。阴极因此例如包括在铝薄膜上的含锂的重金属氧化物。阳极例如包括在铜薄膜上的石墨。

在放电过程的电化学反应中，在外电流回路中的电子从阳极流到阴极。在电池单池内部，锂离子从阳极移动到阴极。在充电过程中，锂离子相反地从阴极移动到阳极。

阳极和阴极、即电极和对应电极在此在中间存在分离器的情况下被液态的电解质包围。为此在薄膜堆叠件中，在阳极薄膜和阴极薄膜之间分别布置一个分离器薄膜，其中为此能够使用任意的由现有技术公知的薄膜。电解质对于锂离子来说是具有传导性的并且能够实现锂离子在两个电极之间的运输。

根据本发明的优选的实施方式，至少一个阳极薄膜耦接到阳极电流导出旗部上，所述阳极电流导出旗部具有第三通孔。第三通孔优选位于阳极电流导出体的没有活性材料的区域中。

根据另外的优选的实施方式，至少一个阴极薄膜耦接到阴极电流导出旗部上，所述阴极电流导出旗部具有第四通孔。第四通孔优选位于阴极电流导出体的没有活性材料的区域中。

根据优选的实施方式，至少两个阳极电流导出体、优选所有阳极电流导出体具有第三通孔。当阳极薄膜相叠地布置时，第三通孔优选相叠地布置。

根据优选的实施方式，至少两个阴极电流导出体、优选所有阴极电流导出体相应地具有第四通孔。当阴极薄膜相叠地布置时，第四通孔优选相叠地布置。

根据本发明的布置系统包括所描述的薄膜堆叠件中的一个薄膜堆叠件和安装工具，安装工具具有销轴和第二销轴，其中第一销轴引导通过薄膜的第一通孔，并且安装工具的第二销轴引导通过薄膜的第二通孔。

在制造期间，这种薄膜堆叠件优选以如下方向形成：将如下通孔串起到安装工具的相应的销轴上，即第一和第二通孔，如果存在的话优选还有第三和第四通孔，如果存在的话还有另外的通孔，薄膜如参考第一、第二、第三和第四通孔描述的那样能够具有这些另外的通孔。由此在制造期间形成带有所描述的薄膜堆叠件中的一个薄膜堆叠件和安装工具的销轴的布置系统。能够规定，例如在储备塔中中间存放薄膜堆叠件。但也能够规定，定位并且而后相同地进一步处理薄膜堆叠件。

根据本发明的电池单池具有布置在电池单池壳体中的这种薄膜堆叠件。在此，壳体通常被填充以电解质并且被封闭。

电池单池例如具有由铝制成的固定的单池壳体，所述单池壳体例如能够棱柱形地、尤其是方形地构造。替选地，也能够设置由软的、柔性的薄膜材料构成的壳体，所述壳体也被称为袋状单池（Pouchzelle）。

在根据本发明的用于制造用于电池单池的薄膜堆叠件的方法中，设置了如下步骤：

a）提供至少一个阳极薄膜、至少一个分离器薄膜和至少一个阴极薄膜，

b）在薄膜中提供至少一个第一和第二通孔，

c）在围绕第一通孔的第一区域中并且在围绕第二通孔的第二区域中使阴极薄膜在电化学方面失活，

d）为了形成薄膜堆叠件，薄膜通过借助其第一和第二通孔将薄膜串起到安装工具的第一和第二销轴上来相叠地布置。

在步骤a）中，阳极薄膜、分离器薄膜和阴极薄膜以期望的几何形状分开，其中这例如能够通过冲压、切割、尤其是激光切割或类似方法实现。

根据优选的实施方式，在步骤a）和b）之间，阳极薄膜布置在两个分离器薄膜之间并且被层压。例如首先，分离器薄膜和阳极薄膜的外几何形状被切割出，并且阳极薄膜定位在两个分离器薄膜之间，其中随后能够实现机械层压或热层压。在步骤d）中，分离器-阳极复合件被放到阴极薄膜上或被放到阴极薄膜下。

为此替选地能够规定，分离器薄膜首先借助热过程或机械过程提供为连续薄膜，并且连续薄膜在两侧层压到同样构造为连续薄膜的阳极薄膜上，从而产生分离器-阳极复合件的连续薄膜。随后能够针对该复合件执行打孔，并且切割出几何形状，随后，复合件在步骤d）中被放到阴极薄膜上方或被放到阴极薄膜下。

在步骤c）中，阴极薄膜的在电化学方面的失活例如通过机械压缩实现。在此规定，阴极薄膜中的多孔性通过压力作用损坏或者封闭，从而不能够存入锂离子。压力作用优选大于10MPa。

为此替选地，阴极薄膜的在电化学方面的失活能够通过热收缩（thermisches Veröden）实现。在此规定，能够通过热量的作用局部融化该区域，从而阴极在该区域中不再能够存入锂离子。热收缩优选在温度大于180℃的情况下实现。

在此能够规定，使用辅助材料、像例如聚偏二氟乙烯或环氧树脂，例如在表面上施布。在大于180℃优选的温度中，辅助材料熔化并且封闭孔。

替选地能够规定，引入浸润物（Infiltrat）、例如低聚合的聚合物或单体，所述浸润物能够通过激活添加的活性剂来凝固并且凝固浸润物。活性剂例如能够以热的方式或通过UV照射来启动。作为低聚合的聚合物优选使用低聚合的聚乙烯、低聚合的聚丙烯或低聚合的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯。

阴极薄膜的局部在电化学方面的失活也能够通过两个或更多个所描述的方法的组合实现。

根据本发明的电池单池以如下方式制造：在第一步骤中如所描述的那样制造薄膜堆叠件，并且在另一步骤中将薄膜堆叠件布置在电池单池壳体中。壳体被填充以电解质并且被密封。

描述了薄膜堆叠件的结构，所述薄膜堆叠件具有很小的定位公差并且确保了阳极在阴极上的在所有方向上的几何重叠。阴极在第一和第二通孔的区域中的失活避免了使用另外的构件来进行电绝缘。

在由现有技术公知的方法中，阳极相对于阴极的重叠选择为非常大的，而本发明能够通过经由孔定位薄膜来实现公差链中的断裂，从而重叠能够明显更小地选择，孔的环绕的失活区域能够不依赖于涂层边缘根据大小来确定。因此有利地得到在电化学方面有活性的体积的提高并且由此单池的能量密度的提高，而不会改变化学特性。

在孔的区域中能够通过使阴极的失活来确保阳极在阴极的活性区域上的重叠。这在没有失活的情况下在通过简单的销钉进行定位时不能够实现。

附图说明

本发明的实施方式借助附图和随后的描述详细阐述。其中：

图1以透视图示意性地示出了带有安装工具和根据本发明的实施方式的薄膜堆叠件的布置系统；并且

图2以透视图示意性地示出了带有安装工具和根据本发明的另外的实施方式的薄膜堆叠件的布置系统。

具体实施方式

图1示出了带有安装工具11和根据本发明的实施方式的薄膜堆叠件20的布置系统10。

安装工具11在此示意性地仅以四个销轴12和底板13示出。销轴12垂直地从底板13凸出并且以如下方式布置：使得薄膜21、22、24的串起通过布置在其中的通孔27、28、31、32来引导。

薄膜堆叠件20包括分离器薄膜21、阳极薄膜22、另外的分离器薄膜21和阴极薄膜24，上述薄膜以该顺序相叠地布置在底板13上并且随后简化地被称为薄膜21、22、24。

薄膜21、22、24分别基本上矩形地构造，从而其形成用于棱柱形电池单池的方形的堆叠件，然而另外的几何形状同样是可想到的。阳极薄膜22在其平面的尺寸中构造得比阴极薄膜24大一些，这也被称为阳极在阴极上的几何重叠。

薄膜21、22、24分别具有第一通孔27，当薄膜21、22、24在安装工具11中相叠地布置时，第一通孔相叠地布置。薄膜21、22、24此外分别具有第二通孔28，当薄膜21、22、24相叠地布置时，第二通孔同样相叠地布置。

阳极薄膜22包括阳极电流导出旗部26，所述阳极电流导出旗部具有第三通孔31，安装工具11的销轴12中的一个销轴插入穿过第三通孔。阴极薄膜24的电流导出旗部25同样包括第四通孔32，在第四通孔中布置有安装工具11的另外的销轴12。

通孔27、28、31、32在带有安装工具11的布置系统10中被所述安装工具的销轴12穿透。通过层序列或薄膜序列的重复的存放，能够实现薄膜21、22、24相互间相叠的特别准确的定位。

阴极薄膜24在围绕第一通孔27的第一区域29中在电化学方面失活地构造。在电化学方面失活的第一区域29例如是围绕第一通孔27的0.1至5mm、优选0.25至3mm宽的边缘。

阴极薄膜24在围绕第二通孔28的第二区域30中同样在电化学方面失活地构造。第二区域30例如是围绕第二通孔28的0.1至5mm、优选0.25至3mm宽的边缘。

第一和第二通孔27、28相对薄膜21、22、24的边缘的距离优选最高是失活区域的大小（环形厚度）的两倍，以便最大地使用体积。

图2示出了带有安装工具11和根据本发明的另外的实施方式的薄膜堆叠件20的布置系统10。

在图1所示的实施例中，第一和第二通孔27、28设置在薄膜21、22、24的角中的活性区域中，以便因此最大化定位精确度，而在图2所示的实施例中仅设置了第一通孔27，所述第一通孔居中地位于在薄膜21、22、24的边缘处的活性区域中。由此，与在图1中的变型方案相比，更多的体积在电化学方面得到使用。

替选地，但没有以附图的形式示出，能够规定，第一通孔27居中地位于薄膜21、22、24的活性区域中。

本发明不局限于所描述的实施例。更确切地说，在所说明的范围之内，另外的对于本领域技术人员来说明显的修改方案和补充方案是可能的。

Claims (10)

1.用于电池单池的薄膜堆叠件（20），所述薄膜堆叠件具有至少一个阳极薄膜（22）、至少一个分离器薄膜（21）和至少一个阴极薄膜（24），其中所述薄膜（21、22、24）分别具有至少一个第一和第二通孔（27、28），其中所述薄膜（21、22、24）如此相叠地布置，使得所述薄膜（21、22、24）的第一通孔（27）相叠地布置，并且所述薄膜（21、22、24）的第二通孔（28）相叠地布置，

其特征在于，

所述阴极薄膜（24）在围绕所述第一通孔（27）的第一区域（29）中并且在围绕所述第二通孔（28）的第二区域（30）中在电化学方面失活地构造。

2.根据权利要求1所述的薄膜堆叠件（20），其特征在于，至少一个阳极薄膜（22）耦接到具有第三通孔（31）的阳极电流导出旗部（26）上，并且/或者至少一个阴极薄膜（24）耦接到具有第四通孔（32）的阴极电流导出旗部（25）上。

3.根据前述权利要求中任一项所述的薄膜堆叠件（20），其特征在于，至少两个阳极电流导出旗部（26）分别具有第三通孔（31），其中当所述阳极薄膜（22）如此相叠地布置时，所述第三通孔（31）相叠地布置。

4.根据前述权利要求中任一项所述的薄膜堆叠件（20），其特征在于，至少两个阴极电流导出旗部（25）分别具有第四通孔（32），其中当所述阴极薄膜（24）相叠地布置时，所述第四通孔（32）相叠地布置。

5.带有根据前述权利要求中任一项所述的薄膜堆叠件（20）和安装工具（11）的布置系统（10），所述安装工具具有第一销轴（12）和第二销轴（12），其中所述第一销轴（12）引导通过所述薄膜（21、22、24）的第一通孔（27），并且所述安装工具（11）的第二销轴（12）引导通过所述薄膜（21、22、24）的第二通孔（28）。

6.电池单池，所述电池单池带有布置在电池单池壳体中的根据权利要求1至4中任一项所述的薄膜堆叠件（20）。

7.用于制造用于电池单池的薄膜堆叠件（20）的方法，所述方法具有如下步骤：

a）提供至少一个阳极薄膜（22）、至少一个分离器薄膜（21）和至少一个阴极薄膜（24），

b）在所述薄膜（21、22、24）中提供至少一个第一和第二通孔（27、28），

c）在围绕所述第一通孔（27）的第一区域（29）中并且在围绕所述第二通孔（28）的第二区域（30）中使所述阴极薄膜（24）在电化学方面失活，

d）为了形成薄膜堆叠件（20），所述薄膜（21、22、24）通过借助其第一和第二通孔（27、28）将薄膜（21、22、24）串起到安装工具（11）的第一和第二销轴（12）上来相叠地布置。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤a）和b）之间，所述阳极薄膜（22）布置在两个分离器薄膜（21）之间并且必要时被层压。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述阴极薄膜（24）的在电化学方面的失活通过机械压缩、热收缩、通过引入和凝固能凝固的浸润物来封闭多孔性或通过上述方式的组合来实现。

10.用于制造电池单池的方法，其中在第一步骤中根据权利要求7至9中任一项来制造薄膜堆叠件（20），并且在另一步骤中将所述薄膜堆叠件（20）布置在电池单池壳体中，所述电池单池壳体被填充以电解质并且被封闭。