CN107978761A - 用于存储电能的蓄能电池的集电器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于存储电能的蓄能电池的集电器。本发明涉及一种用于用来存储电能的蓄能电池的集电器（10）。集电器（10）具有被称作标签（11）的接触区，所述标签布置在集电器（10）的两个彼此对立的末端（15、16）中的第一末端上而且被设置用于连接集电器（10）与蓄能电池的一个电极或多个同极的电极。集电器（10）以具有能沿着第一方向（R1）改变的层厚度（D1）的层的形式来构造。层厚度（D1）沿着所述第一方向（R1）的变化过程对应于随着与两个末端中的第二末端的距离增加而单调升高或严格单调升高的第一函数。第一方向（R1）从第二末端（16）延伸到第一末端（15）并且垂直于层厚度（D1）地延伸。距第二末端（16）的距离沿着第一方向（R1）延伸。

Description

用于存储电能的蓄能电池的集电器

技术领域

本发明涉及一种用于用来存储电能的蓄能电池的集电器。此外，本发明涉及一种用于存储电能的蓄能电池，所述蓄能电池具有至少一个这种集电器。

背景技术

从现有技术公知用于存储电能的蓄能电池，诸如锂离子电池组、混合超级电容器以及超级电容器。这种蓄能电池包括薄电极层，所述薄电极层被涂覆在平的集电器上。电极层分别构造为阳极层或阴极层。集电器分别以具有恒定的层厚度的层的形式来构造，而且分别具有被称作标签（Tab）的接触区。这种集电器的标签被设置用于连接相应的集电器与相对应的蓄能电池的一个电极或多个同极的电极。在锂离子电池组和混合超级电容器中，常常将铜用于邻接阳极层的集电器，而将铝用于邻接阴极层的集电器。在超级电容器中，常常将铝不仅用于邻接阳极层的集电器而且用于邻接阴极层的集电器。

在之前描述的集电器中，所述集电器的重量降低了相对应的蓄能电池的能量密度。

在之前描述的蓄能电池中，由集电器形成的占相应的蓄能电池的体积、重量和材料成本的份额起到很大的作用。集电器占相应的蓄能电池的体积的份额为直至15%。集电器占相应的蓄能电池的重量的份额为直至12%。集电器占相应的蓄能电池的材料成本的份额为直至30%。因而，有利的是，避免在制造这种集电器时使用过多材料。

从文件EP 1 233 465 A1和US 2014/027256 A1公知的是，通过在集电器的如下位置上的凹陷部来降低所述集电器的质量，所述位置没有强烈地被加载电流。因此，这种集电器构造为栅形，并且由此造成花费高的电极制造，这与如下情况矛盾：几乎所有要在工业上产生的蓄能电池都通过薄膜浇注在滚动缠绕工艺中制造。

从文件US 2007/0026307 A1公知一种用于电池组的集电器。所述集电器具有接触区。所述接触区布置在所述集电器的两个彼此对立的末端中的第一末端上，而且被设置用于连接所述集电器与电池组的接线端子。在此，所述集电器在第一末端上的厚度大于所述集电器在两个末端中的第二末端上的厚度。

发明内容

按照本发明，提供了一种用于用来存储电能的蓄能电池的集电器。所述集电器具有被称作标签的接触区。所述标签布置在所述集电器的两个彼此对立的末端中的第一末端上，而且被设置用于连接、尤其是用于焊接所述集电器与所述蓄能电池的一个电极或多个同极的电极。所述集电器以具有能沿着第一方向改变的层厚度的层的形式来构造。层厚度沿着第一方向的变化过程对应于随着与两个末端中的第二末端的距离增加而单调升高或严格单调升高的第一函数。所述第一方向从第二末端延伸到第一末端并且垂直于层厚度地延伸。距第二末端的距离沿着第一方向延伸。

从属权利要求示出了本发明的优选的扩展方案。

由于所述第一函数随着与第二末端的距离增加而单调升高或严格单调升高，实现了：集电器的层厚度朝向标签基本上均匀地增加或集电器的层厚度朝向第二末端基本上均匀地缩小。因此，集电器朝向标签变厚或朝向第二末端变窄。由于集电器以具有朝第二末端缩小的层厚度的层的形式来构造，实现了：在集电器的制造过程中节约材料。由于集电器在此继续基本上保持为层状，同时实现了：集电器可以与至少一个层状的电极一起并且优选地也可以与至少一个其它的相同构造的集电器一起继续通过常见的薄膜浇注方法来制造。

按照本发明的一个优选的扩展方案，之前描述的集电器的沿着第二方向出现的尺寸具有沿着第二方向恒定的变化过程。第二方向垂直于第一方向和层厚度地延伸。由于相应的集电器的沿着第一方向出现的尺寸在集电器各处都保持不变，实现了：相应的集电器可以与至少一个层状的电极一起并且尤其是与至少一个其它的这样的集电器一起继续在常见的滚动缠绕工艺中绕着平行于第一方向延伸的轴沿着第二方向以卷筒的形式来缠绕。这种卷筒例如可以是卷芯（Jelly-Roll），所述卷芯形成电化学蓄能电池的电化学部分。

在本发明的一个特别优选的扩展方案中，所述第一函数至少部分地对应于线性函数，所述第一函数描述了之前描述的集电器沿着第一方向的层厚度的变化过程。

在本发明的一个优选的扩展方案中，所述第一函数在之前描述的集电器的第一区域对应于恒定函数，而在相应的集电器的第二区域对应于线性函数。在此，所述第一区域包括所述第一末端。此外，所述第二区域包括所述第二末端而且紧跟所述第一区域。

在本发明的一个优选的扩展方案中，之前描述的集电器的层厚度在相应的集电器的第一末端上取最大值。在此，所述层厚度的最大值大于或等于第一层厚度极限值。此外，所述第一层厚度极限值应被确定为第一参数与第二参数之商。第一参数应被确定为要由相应的集电器在存在蓄能电池的额定功率的情况下引出的电流的电流值、相应的集电器的电阻率与相应的集电器的沿着第一方向出现的尺寸之间的乘积。所述第二参数应被确定为要在两个末端之间调节的电压降的最大容许电压值与相应的集电器的沿着第二方向出现的尺寸之间的乘积。第二方向垂直于第一方向和层厚度地延伸。由于层厚度的最大值大于或等于所述第一层厚度极限值，实现了：要在两个末端之间调节的电压降的电压值不超过所提到的电压降的最大容许电压值。由此，确保了相应的集电器的高运行安全性。在这种情况下应考虑：所述第一层厚度极限值对应于相应的集电器的最小有效层厚度，所述最小有效层厚度对于导出在相应的集电器中出现的总电流来说是必需的。此外，在这种情况下还应考虑：要由相应的集电器引出的电流没有流过相应的集电器沿着第一方向的总伸展，而是仅仅被插入到相应的集电器的直接环绕着所述标签延伸的第一末端中。因此，不需要层厚度在相应的集电器各处都大于或等于所述第一层厚度极限值。因此，也不需要层厚度在相应的集电器各处都保持不变。这意味着：之前描述的具有朝向第二末端缩小的层厚度的集电器的电阻基本上与具有恒定的层厚度的相对应的常规的层状的集电器的电阻相同。

在之前描述的集电器中非常有利的是：不同于在从现有技术公知并且在更上面描述的栅格结构中，相应的集电器的电阻没有被变化着的层厚度影响或提高。栅格结构也造成了在相应的电极中的电流的邻接于凹陷部的附加的线路。在所述电极中，导电能力比在大多数金属集电器中差，这会导致附加的内阻。因此，之前描述的集电器可以在没有功率损失的情况下被应用在所有市场常见的用来制造蓄能电池（诸如锂离子电池组、混合超级电容器以及超级电容器）的技术中，。

在之前描述的集电器中，与针对相对应的蓄能电池的电极所使用的活性材料相比，使用更少的材料或材料混合物。出于该原因，之前描述的集电器的体积、重量和材料成本可以与用于制造相对应的蓄能电池所使用的技术无关地被降低，而不改变相应的集电器的电阻并且因此也没有出现功率损失。

此外，因为不能通过相应的集电器进行电解质交换，所以之前描述的朝向第二末端变窄的集电器能够实现相应的集电器在具有如下电极的电化学蓄能电池中的应用，所述电极具有双极设计。

在本发明的一个优选的扩展方案中，之前描述的集电器的层厚度在第二末端取最小值。层厚度的最小值大于或等于第二层厚度极限值。所述第二层厚度极限值应根据相应的集电器的电阻的最小容许电阻值来确定。可替换地，所述第二层厚度极限值对应于被用于相应的集电器的材料或材料混合物的在相应的集电器的制造过程中可达到的最小层厚度。

在之前描述的集电器（其中层厚度的最小值对应于被用于相应的集电器的材料或材料混合物的可达到的最小层厚度）中，使在相应的集电器的制造过程中的材料节约最大化。

在本发明的一个优选的扩展方案中，之前描述的集电器关于第一方向对称地来构造。以这种方式，相应的集电器可以与至少一个层状的电极（所述层状的电极包括一个或两个邻接于集电器的电极）一起形成相对应的蓄能电池的朝向相应的集电器的第二末端变窄的层结构。由此，相对应的蓄能电池的体积或重量可以最小化，而且因此蓄能电池的关于重量的能量密度可以最大化。

本发明的另一方面涉及一种用于存储电能的蓄能电池，其中所述蓄能电池包括多个电极和至少一个之前描述的集电器。优选地，所述蓄能电池以锂离子电池组、混合超级电容器或超级电容器的形式来构造。

在之前描述的蓄能电池中，所述多个电极优选地分别以具有恒定的层厚度的层的形式来构造。进一步优选地，所述电极与所述至少一个集电器一起形成具有多个重叠布置的层的层结构。

在之前描述的蓄能电池中，所述层结构优选地绕着朝所述至少一个集电器之一的第一方向延伸的轴沿着第二方向绕成卷筒。在此，第二方向垂直于第一方向和相应的集电器的层厚度地延伸。

在之前描述的蓄能电池中，所述至少一个集电器优选地具有多个集电器。在此，多个涂层有电极的集电器优选地彼此相同地来构造，通过隔膜来隔开。

在之前描述的蓄能电池中，所述至少一个集电器优选地具有至少一个第一集电器和至少一个第二集电器。在此，所述至少一个第一集电器的至少一个标签和所述至少一个第二集电器的至少一个标签布置在相应的蓄能电池的两个彼此对立的末端上。

在之前描述的蓄能电池（其中所述至少一个第一集电器的至少一个标签和所述至少一个第二集电器的至少一个标签布置在相应的蓄能电池的两个对立的末端上）中，可以使相应的蓄能电池的关于重量的能量密度最大化。

之前描述的蓄能电池可以以棱柱形或圆柱形电化学蓄能电池的形式来构造，在所述之前描述的蓄能电池中，所述至少一个第一集电器的至少一个标签和所述至少一个第二集电器的至少一个标签布置在相应的蓄能电池的两个对立的末端上。在这种电化学蓄能电池中，相对应的层结构优选地以卷芯的形式来构造。这种棱柱形或圆柱形电化学蓄能电池优选地具有外壳，所述外壳具有相应的蓄能电池的负接线端子的电位。

之前描述的蓄能电池可以以软包电池的形式来构造，在所述之前描述的蓄能电池中，所述至少一个第一集电器的至少一个标签和所述至少一个第二集电器的至少一个标签布置在相应的蓄能电池的两个对立的末端上。在此，相应的正接线端子的末端和负接线端子的末端彼此对置地来布置。

在之前描述的蓄能电池中，相对应的层结构可具有保持不变的厚度，在所述之前描述的蓄能电池中，所述至少一个第一集电器的至少一个标签和所述至少一个第二集电器的至少一个标签布置在相应的蓄能电池的两个对立的末端上。在此，之前描述的蓄能电池的层结构的厚度平行于所述至少一个集电器中的一个或多个集电器的层厚度地延伸。因此，之前描述的蓄能电池的层厚度可以在相对于常规的制造过程要最小地进行调整的制造过程中绕着平行于所述至少一个集电器之一的第一方向延伸的轴沿着相应的集电器的第二方向被绕成卷筒。在此，可能发生：传统的卷筒应被缠绕的方向只能旋转一对角度，以便达到如下那个第一方向，之前描述的蓄能电池的卷筒应绕着所述第一方向来缠绕。

在之前描述的蓄能电池中，所述多个电极优选地具有至少第一电极和至少一个第二电极。在此，所述至少一个第一电极和所述至少一个第二电极具有不同的极性。此外，所述至少一个第一集电器中的每个第一集电器都邻接所述至少一个第一电极中的一个第一电极或两个第一电极。此外，所述至少一个第二集电器中的每个第二集电器都邻接所述至少一个第二电极中的一个第二电极或两个第二电极。

优选地，之前描述的蓄能电池包括隔膜而且以电化学蓄能电池（尤其是锂离子电池组）的形式来构造。在此，所述隔膜布置在所述多个电极中的两个电极之间而且所述两个电极具有不同的极性。

附图说明

随后，本发明的实施例参考随附的附图详细地予以描述。在所述附图中：

图1是按照本发明的第一实施方式构造的用于电化学蓄能电池的集电器，而

图2是用于电化学蓄能电池的层结构，其中所述层结构包括多个电极以及两个分别按照本发明的第一实施方式构造的集电器。

具体实施方式

图1示出了按照本发明的第一实施方式构造的用于电化学蓄能电池（未示出）的集电器10。集电器10具有被称作标签11的接触区，所述标签11布置在集电器10的两个彼此对立的末端15、16中的第一末端15上。此外，所述标签11还被设置用于连接集电器10与蓄能电池的一个电极或多个同极的电极。

集电器10以具有能沿着第一方向R1改变的层厚度D1的层的形式来构造。在此，层厚度D1沿着第一方向R1的变化过程对应于随着与两个末端15、16中的第二末端16的距离增加（未明确地表征）而单调升高或严格单调升高的第一函数。第一方向R1从第二末端16延伸到第一末端15并且垂直于层厚度D1地延伸。距第二末端16的距离沿着第一方向R1延伸。优选地，所述第一函数至少部分地对应于线性函数。进一步优选地，所述第一函数在集电器10的第一区域（未明确地表征）内对应于恒定函数，而在集电器10的第二区域（未明确地表征）内对应于线性函数。所述第一区域包括第一末端15。所述第二区域包括第二末端16并且紧跟所述第一区域。

在图1中示出的集电器10中，层厚度D1朝向标签11增加。换句话说，层厚度D1朝向第二末端16缩小。层厚度D1在第二末端16上取例如为10*10^-6m的最小值L0，而在第一末端15上取例如为20*10^-6m的最大值L1。由于集电器10以具有朝向第二末端16缩小的层厚度D1的层的形式来构造，实现了：降低集电器10的体积、重量和材料成本。由于集电器10继续基本上保持为层状，同时实现了：集电器10可以与至少一个层状的电极（未示出）一起而且优选地也可以与至少一个其它的按照第一实施方式构造的集电器（未示出）一起继续通过常见的薄膜浇注方法来制造。

此外，集电器10具有沿着第二方向R2的保持不变的尺寸。在此，第二方向R2垂直于第一方向R1和层厚度D1地延伸。换句话说，集电器10沿着第二方向R2的尺寸在集电器10各处都是恒定的。由此实现了：集电器10可以与至少一个层状的电极（未示出）一起并且优选地与至少一个其它的按照第一实施方式构造的集电器（未示出）一起继续在常见的滚动缠绕工艺中绕着朝向第一方向R1延伸的轴沿着第二方向R2以卷筒17的形式来缠绕。这种卷筒17在图1中强烈示意性地示出，而且例如可以是卷芯（Jelly-Roll），所述卷芯形成电化学蓄能电池的电化学部分。

此外，集电器10还关于第一方向R1对称地来构造。

图2示出了电化学蓄能电池（未示出）的层结构100。层结构100包括一个按照第一实施方式构造的第一集电器20、一个按照第一实施方式构造的第二集电器30、多个电极40、45、50、55和一个隔膜60。第一集电器20以如下相同的方式来构造，在图1中示出的集电器10以所述方式来构造。因此，第一集电器20的标签（未示出）、层厚度D21、第一方向R21和第二方向（未示出）分别以如下相同的方式关于第一集电器20来限定，在图1中示出的集电器10的相对应的参量以所述方式关于在图1中示出的集电器10来限定。第二集电器30以如下相同的方式来构造，在图1中示出的集电器10以所述方式来构造。因此，第二集电器30的标签（未示出）、层厚度D31、第一方向R31和第二方向（未示出）分别以如下相同的方式关于第二集电器30来限定，在图1中示出的集电器10中的相对应的参量以所述方式关于在图1中示出的集电器10来限定。在图2中示出的层结构100中，第一集电器20和第二集电器30彼此相同地来构造。此外，第一集电器20关于其第一方向R21对称地来构造。此外，第二集电器30关于其第一方向R31对称地来构造。

所述多个电极40、45、50、55分别以具有恒定的层厚度的层的形式来构造，而且包括至少一个第一电极40、45和至少一个第二电极50、55。所述至少一个第一电极40、45和所述至少一个第二电极50、55具有不同的极性。这样，所述至少一个第一电极40、45中的每个第一电极例如都可以是负极。此外，所述至少一个第二电极50、55中的每个第二电极都可以是正极。所述至少一个第一电极40、45包括第一电极40和另一第一电极45。第一集电器20布置在所述第一电极40与所述另一第一电极45之间。所述至少一个第二电极50、55包括第二电极50和另一第二电极55。第二集电器30布置在所述第二电极50与所述另一第二电极55之间。隔膜60布置在所述第一电极40与所述第二电极50之间。

在图2中示出的层结构100中，第一集电器20的标签和第二集电器30的标签布置在层结构100的两个彼此对立的末端上。这里应注意：在层结构100被嵌入到相对应的电化学蓄能电池中的状态下，层结构100的两个末端中的每个末端都分别对应于相应的蓄能电池的两个彼此对立的末端之一。通过层结构100的集电器20、30的标签的之前描述的布置，能够实现：层结构100的平行于第一集电器20的层厚度D21和第二集电器30的层厚度D31地延伸的厚度D2在层结构100各处都基本上保持不变。由此能够实现：所述层结构100可以在相对于常规的制造过程要最小地进行调整的制造过程中绕着平行于所述第一集电器20或所述第二集电器30的第一方向R21、R31平行地延伸的轴沿着相应的集电器20、30的第二方向被绕成卷筒。这种卷筒例如可以是卷芯，所述卷芯形成相对应的电化学蓄能电池的电化学部分。

层结构100的集电器20、30占相对应的蓄能电池的体积的份额例如为直至11.25%。层结构100的集电器20、30占相对应的蓄能电池的重量的份额例如为直至9%。层结构100的集电器20、30占相对应的蓄能电池的材料成本的份额例如为直至22.5%。因此，在包括在图2中示出的层结构100的蓄能电池中，相对于相对应的常规地制造的蓄能电池，相对应的集电器20、30占相应的蓄能电池的体积、重量和材料成本的份额例如降低了25%。

借此，除了上述书面公开内容之外，为了继续公开本发明而补充性地参考在图1和2中的图示。

Claims (14)

1.一种用于用来存储电能的蓄能电池的集电器（10、20、30），其中，所述集电器（10、20、30）具有被称作标签（11）的接触区，所述标签（11）布置在所述集电器（10、20、30）的两个彼此对立的末端（15、16）中的第一末端上，而且被设置用于连接所述集电器（10、20、30）与所述蓄能电池的一个电极（40、45、50、55）或多个同极的电极（40、45、50、55），

其特征在于，

所述集电器（10、20、30）以具有能沿着第一方向（R1、R21、R31）改变的层厚度（D1、D21、D31）的层的形式来构造，其中所述层厚度（D1、D21、D31）沿着所述第一方向（R1、R21、R31）的变化过程对应于随着与所述两个末端（15、16）中的第二末端的距离增加而单调升高或严格单调升高的第一函数，其中所述第一方向（R1、R21、R31）从所述第二末端（16）延伸到所述第一末端（15）并且垂直于所述层厚度（D1、D21、D31）地延伸，而且距所述第二末端（16）的距离沿着所述第一方向（R1、R21、R31）延伸。

2.根据权利要求1所述的集电器（10、20、30），其特征在于，所述集电器（10、20、30）的沿着第二方向（R2）出现的尺寸具有沿着所述第一方向（R1、R21、R31）的恒定的变化过程，其中所述第二方向（R2）垂直于所述第一方向（R1、R21、R31）和所述层厚度（D1、D21、D31）地延伸。

3.根据权利要求1所述的集电器（10、20、30），其特征在于，所述第一函数至少部分地对应于线性函数。

4.根据上述权利要求之一所述的集电器（10、20、30），其特征在于，所述第一函数在所述集电器（10、20、30）的第一区域对应于恒定函数，而在所述集电器（10、20、30）的第二区域对应于线性函数，其中所述第一区域包括所述第一末端（15），而所述第二区域包括所述第二末端（16）而且紧跟所述第一区域。

5.根据上述权利要求之一所述的集电器（10、20、30），其特征在于，所述层厚度（D1、D21、D31）在所述第一末端（15）上取最大值（L1），其中所述层厚度（D1、D21、D31）的最大值（L1）大于或等于第一层厚度极限值，其中所述第一层厚度极限值应被确定为第一参数与第二参数之商，其中所述第一参数应被确定为要由所述集电器（10、20、30）在存在所述蓄能电池的额定功率的情况下引出的电流的电流值、所述集电器（10、20、30）的电阻率与所述集电器（10、20、30）的沿着所述第一方向（R1、R21、R31）出现的尺寸之间的乘积，其中所述第二参数应被确定为要在所述两个末端（15、16）之间调节的电压降的最大容许电压值与所述集电器（10、20、30）的沿着所述第二方向（R2）出现的尺寸之间的乘积，其中所述第二方向（R2）垂直于所述第一方向（R1、R21、R31）和所述层厚度（D1、D21、D31）地延伸。

6.根据上述权利要求之一所述的集电器（10、20、30），其特征在于，所述层厚度（D1、D21、D31）在所述第二末端（16）取最小值（L0），其中所述层厚度（D1、D21、D31）的最小值（L0）大于或等于第二层厚度极限值，其中所述第二层厚度极限值应根据所述集电器（10、20、30）的电阻的最小容许电阻值来确定，或者所述第二层厚度极限值对应于被用于所述集电器（10、20、30）的材料或材料混合物的在所述集电器（10、20、30）的制造过程中能达到的最小层厚度。

7.根据上述权利要求之一所述的集电器（10、20、30），其特征在于，所述集电器（10、20、30）关于所述第一方向（R1、R21、R31）对称地来构造。

8.一种用于存储电能的蓄能电池，其中所述蓄能电池包括多个电极（40、45、50、55）和至少一个根据上述权利要求之一所述的集电器（20、30）。

9.根据权利要求8所述的蓄能电池，其特征在于，所述多个电极（40、45、50、55）分别以具有恒定的层厚度的层的形式来构造，而且与所述至少一个集电器（20、30）一起形成具有多个重叠布置的层的层结构（100）。

10.根据权利要求9所述的蓄能电池，其特征在于，所述层结构（100）绕着平行于所述至少一个集电器（20、30）之一的第一方向（R21、R31）延伸的轴沿着第二方向绕成卷筒，其中所述第二方向垂直于所述第一方向（R21、R31）和相应的集电器（20、30）的层厚度（D21、D31）地延伸。

11.根据权利要求8至10之一所述的蓄能电池，其特征在于，所述至少一个集电器（20、30）具有多个集电器（20、30），所述多个集电器（20、30）彼此相同地来构造。

12.根据权利要求8至11之一所述的蓄能电池，其特征在于，所述至少一个集电器（20、30）具有至少一个第一集电器（20）和至少一个第二集电器（30），其中所述至少一个第一集电器（20）的至少一个标签和所述至少一个第二集电器（30）的至少一个标签布置在所述蓄能电池的两个彼此对立的末端上。

13.根据权利要求12所述的蓄能电池，其特征在于，所述多个电极（40、45、50、55）具有至少一个第一电极（40、45）和至少一个第二电极（50、55），其中所述至少一个第一电极（40、45）和所述至少一个第二电极（50、55）具有不同的极性，其中所述至少一个第一集电器（20）邻接所述至少一个第一电极（40、45），而所述至少一个第二集电器（30）邻接所述至少一个第二电极（50、55）。

14.根据权利要求8至13之一所述的蓄能电池，其特征在于，所述蓄能电池包括隔膜（60）而且以电化学蓄能电池、尤其是锂离子电池组的形式来构造，其中所述隔膜（60）布置在所述多个电极（40、45、50、55）中的两个电极（40、50）之间而且所述两个电极（40、50）具有不同的极性。