CN109659596B - 用于电储能器的锂离子电池，储能器 - Google Patents

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Abstract

用于电储能器的锂离子电池和储能器。本发明涉及一种用于电储能器的锂离子电池（1），具有壳体，在所述壳体中布置有阳极（3）和阴极（2）以及电解质，在阳极（3）和阴极（2）之间布置有隔板（4），其中阳极（3）构造得比阴极（2）宽并且布置为平行于阴极（2），使得阳极具有与阴极（2）相对的重叠区域（7）和至少一个在侧向上超出阴极（2）的侧边缘（8）。规定阳极（3）在侧边缘（8）中具有用于产生在重叠区域（7）的方向上作用的电场的部件。

Description

用于电储能器的锂离子电池，储能器
技术领域
本发明涉及一种用于电储能器的锂离子电池，具有壳体，在壳体中布置有阳极和阴极，在阳极和阴极之间布置有隔板，以及在壳体中布置有电解质，特别是电解质溶液，其中阳极被构造为比阴极更宽并布置为与阴极平行，使得阳极具有与阴极相对的重叠区域和至少一个侧向上超出阴极的侧边缘。
此外，本发明涉及一种具有至少一个这种锂离子电池的电储能器。
此外，本发明涉及一种用于对上述锂离子电池或储能器充电的充电系统。
此外，本发明涉及一种用于操作这种锂离子电池或储能器的方法。
背景技术
从现有技术中已知开头所述类型的锂离子电池和储能器。由于机动车辆的电气化的提高，也增加了人们对高性能储能器的兴趣。在此，具有锂离子电池的储能器已被证明是有利的，因为它们确保了高容量和高功率密度。为了减慢锂离子电池的老化，还已知相比于阴极尺寸过大地构造阳极或阳极的活性材料。由此，阳极构造得比阴极宽。因为阳极和阴极在中间连接了隔板和电解质的情况下彼此相对地布置，因此阳极在侧向上以至少一个侧边缘超出阴极，并且在其它地方在垂直投影中与阴极重叠，使得在阳极上得到与阴极的重叠区域。已经发现，由此可以在操作期间或甚至在充电过程中在阴极边缘处形成树枝突，也就是说由于沉积在阴极上而导致阴极变形，所述树枝突减小了阳极和阴极之间的距离。由此将永久地影响电池的性能。
从专利文献US6,596,432B2中已知这种锂离子电池。在该文献中提出，为了避免树枝突，阳极和阴极特别是在阳极的侧边缘处彼此间具有预定的距离，该距离防止树枝突的形成或生长。从公开文献US2010/0156357A1中还已经知道，通过施加外部振荡电场来改善锂离子电池的充电过程，其中特别是缩短了充电时间。
发明内容
本发明所基于的任务是提供一种改善的锂离子电池，其除了寿命长之外还确保，通过该锂离子电池直到寿命结束都可以实现高性能。特别是，应当提供一种锂离子电池，其即使在老化时也能确保高的充电容量。
通过具有权利要求1的特征的锂离子电池来解决本发明所基于的任务。根据本发明的锂离子电池通过以下方式实现了上述优点：阳极在侧边缘中具有用于产生作用在重叠区域方向上的电场的部件。通过作用在重叠区域的方向上的电场实现了：淀积到侧边缘中的锂—锂随时间已淀积到侧边缘—将被迫回到阳极的有源区或阳极的重叠区域中。老化测试已表明，在阳极的高负载水平下，淀积的锂可以横向扩散到无源区中，即扩散到突出的侧边缘中。在后续对电池施加负荷的情况下，这种横向扩散的锂不再可用，由此降低了锂离子电池的充电容量。通过用于产生作用在重叠区域的方向上、即在有源区的方向上的电场的有利部件，锂的释放被撤销，由此锂离子电池的充电容量再次增加或者原始充电容量长时间保持。
优选地规定，阳极在侧边缘中具有沿侧边缘延伸的空间电荷作为部件，用于产生电场。因此，上述部件通过空间电荷以简单的方式在阳极的侧边缘中实现。通过引入空间电荷，制造技术上简单地且成本有效地确保了将实现期望的效果，即锂向有源区的反向扩散，特别是在锂离子电池的充电过程期间。
此外，优选地规定，空间电荷被构造为侧边缘中的粒子区域或带电粒子。通过将空间电荷作为粒子区域引入侧边缘中，以特别简单且成本有效的方式实现了在重叠区域的方向上作用的电场的提供。特别地，粒子区域可以以节省空间的方式集成到锂离子电池中，而不会以其它方式改变锂离子电池的特性。
替换地，空间电荷优选地被构造为单件式充电元件。该单件式充电元件特别是构造为杆状，其中根据本发明该单件式充电元件沿着侧边缘延伸。在这种情况下，与粒子区域相比，制造耗费可能更大，但是由于空间电荷的更高材料密度，电场的作用更强。因此，通过该实施方式得到一种特别有效的用于将横向扩散的锂推回到有源区或重叠区域中的部件。
特别地，充电元件被构造为线元件。这可以特别简单和成本有效地提供并且可以集成到侧边缘中。
此外，优选规定，充电元件具有横截面，该横截面被构造成在阳极的重叠区域的方向上产生高场强。因此，充电元件具有有利的横截面，该横截面特别是导致电场对准充电区的方向。因此，通过有利的横截面改善了空间电荷或电场在充电区方向上的功率，并从而增加或长时间地确保了锂离子电池的性能。
优选地，充电元件的横截面被构造为在面向重叠区域的侧上看是凹的。由此，电场有利地指向重叠区域的方向。
此外，优选规定，充电元件的横截面被构造为在背离重叠区域的侧上看是凸的。由此也改善了电场的对准和场强。特别地，所述充电元件被构造为镰刀形的，从而它在面向重叠区域的侧上被构造为凹的并且在背离重叠区域的侧上被构造为凸的。由此得到充电元件的最佳使用。
根据本发明的优选扩展规定，为充电元件分配可控电压源以用于操作空间电荷。因此借助于可控电压源可以改变在操作中、特别是在充电过程期间的空间电荷的功率。由此，确保了扩散到侧边缘中的锂组分被最佳地推回到重叠区域或有源区中。特别地，电压源或分配给电压源的控制设备被构造成根据当前充电状态（SOC—State of Charge，充电状态）和/或阳极电压状态来操作或改变空间电荷，以便实现最佳充电效果。例如，控制设备或电压源调节空间电荷，使得超过锂电位，以便消除锂组分在侧边缘中的嵌入或者反转该效果，并防止锂组分进一步淀积在边缘区域中。电压源和/或控制设备可以集成到锂离子电池中，如下所述集成到具有锂离子电池的储能器中，或者集成到用于对锂离子电池或储能器充电的特别是外部的充电系统中。
具有权利要求10的特征的电储能器的特征在于根据本发明的锂离子电池。由此得到已经提到的优点。
优选地，储能器具有至少一个可控电压源，该至少一个可控电压源连接到至少一个充电元件以操作空间电荷。因此借助于电压源，可以改变空间电荷，并且优选地，如上已经描述的，依据储能器或储能器的相应锂离子电池的充电状态来操控空间电荷。特别地，电压源连接到储能器的每个充电元件。可选地，向每个充电元件或分别向一组充电元件分配其自己的可控电压源，其中在此术语“电压源”特别是也理解为由电压源和用于控制/调节从电压源输出的电压的部件组成的系统，于是该部件证明电压源的可控性。在这种情况下，于是每个充电元件被分配所述部件之一，使得充电元件的空间电荷可以被彼此独立地操作或调节或改变。其他优点和优选特征和特征组合特别是从前面的描述和权利要求中得到。
具有权利要求12的特征的根据本发明的充电系统的特征在于第二电压源，其可控并且连接到至少一个充电元件以操作空间电荷。因此，电压源被分配给特别是外部的充电系统，并且不需要由储能器和/或锂离子电池承载。如果储能器被充电，则当第一电压源连接到阳极和阴极时，第二电压源连接到至少一个充电元件，特别是连接到所有充电元件，以便在充电过程期间产生最佳的空间电荷。
具有权利要求13的特征的本发明方法的特征在于，至少在锂离子电池的充电过程期间，产生从侧边缘向重叠区域的方向起作用的电场。由此得到已经提到的优点。
特别地规定，通过集成在侧边缘中的空间电荷产生电场。由此也得到上面已经提到的优点。
如上已经解释的，特别优选地借助于可控电压源依据锂离子电池的充电状态、特别是阳极的电压状态来改变空间电荷。由此，充电操作进一步优化并改善了锂离子电池的耐用性和性能。特别地，当储能器具有多个锂离子电池，或者一个锂离子电池具有多个充电元件时，规定，充电元件彼此独立地借助于可控电压源或多个可控电压源操作，特别是依据相应锂离子电池和/或储能器的当前充电状态，以便获得最佳结果。其他优点和优选特征和特征组合特别是从前面的描述和权利要求中得到。
附图说明
在下文中，将根据附图更详细地解释本发明。为此
图1A和1B以不同的视图示出锂离子电池，
图2示出按照有利的第一实施例的锂离子电池，
图3示出按照有利的第二实施例的锂离子电池，
图4示出按照有利的第三实施例的锂离子电池，
图5在流程图中示出用于对锂离子电池充电的方法的步骤，以及
图6A至6C示出用于解释该方法的三个图。
具体实施方式
图1A和1B以简化的截面图（图1A）和简化的透视图（图1B）示出了用于机动车辆的电储能器（这里未详细示出）的有利的锂离子电池。
锂离子电池1具有阴极2和阳极3，它们通过隔板4彼此分开，其中阴极2和阳极3通过这里未示出的电解质而穿过隔板地彼此连接。此外，阴极2在背离阳极3的侧上具有由铝制成的导流板（Ableiter）5，并且阳极在背离阴极2的侧上具有由铜制成的导流板6。
为了避免锂离子电池1的老化效应，阳极3被构造得比阴极宽，使得在阳极3与阴极相对的重叠区域中产生有源区，并且在阳极3的侧向上从阴极突出的侧边缘8处构造出无源区。
在锂离子电池1的充电过程期间，淀积到阳极3中的锂可以横向扩散到无源区或侧边缘8中。为了避免锂在稍后的充电过程中不再可用并由此降低锂离子电池的容量，规定在相应的侧边缘8中存在用于产生电场的部件9，该电场作用于重叠区域7的方向或有源区的方向。
图2以简化的截面图示出了按照部件9的第一有利实施例的锂离子电池1。按照第一实施例，部件9由相应侧边缘8中的空间电荷10产生。在当前情况下，空间电荷10作为粒子区域11集成到相应的侧边缘8中。由此，部件9以特别简单且成本有效的方式在锂离子电池1的阳极3中实现。通过空间电荷10产生在重叠区域7的方向上起作用的电场，该电场迫使扩散到侧边缘8中的锂朝着重叠区域7或有源区的方向移动，使得锂在充电过程中可以返回到有源区中，或甚至不能到达无源区，从而即使在使用了很长时间后，锂离子电池1的充电容量也以有利的方式保持。粒子区域11合适地沿着侧边缘8在阳极3的纵向范围内延伸，使得部件9的有利效果部署在锂离子电池的整个长度上，并由此确保最佳的能量产率。
图3示出了按照第二实施例的锂离子电池1，其中部件9或空间电荷10由充电元件12形成，充电元件12沿着相应的侧边缘8以杆形形状延伸穿过阳极3。
相应的杆元件12在此优选地被构造为线元件13，其可以以特别成本有效的方式集成到锂离子电池中。
图4示出了空间电荷10的第三实施例，其中空间电荷10也由杆元件12形成。与前述实施例相反，在此规定，充电元件12在面向重叠区域的侧上被构造为凹的，并且在背离重叠区域7的侧上被构造为凸的。由此得到电场在重叠区域7或有源区的方向上的有利对准和目标方向。本发明的镰刀形构造例如可以通过挤压型材实现或通过在一侧相应地加工的线元件来实现，以便制造凹形造型。
选择相应的空间电荷10，使得由其产生的电场相对于锂的正常电位具有相应的负电荷，该负电荷大到足以产生有效的库仑力，通过该库仑力，沉积的锂离子在有源区的方向上加速或运行。
特别地，锂离子电池1是电极线圈，使得多个阳极和阴极彼此缠绕。因此通过有利地构造为线元件或粒子区域，在缠绕过程期间空间电荷可与电子线圈或锂离子电池一起变形。
为了给锂离子电池1或具有多个锂离子电池1的储能器充电，设置充电系统14。图3借助虚线示出了这一选项。充电系统14具有第一电压源15，该第一电压源15连接到导流板5,6，以通过向阳极3和阴极2施加可预定电压来执行充电过程。此外，充电系统14具有第二电压源16，该第二电压源16电连接或可电连接到充电元件12。电压源16也是可控的，以便在需要时改变施加给充电元件12的电压。由杆元件12提供的空间电荷10因此是可变的并且因此可最佳地调节，以迫使位于侧边缘8中的锂组分进入重叠区域7。
将根据图5和图6更详细地解释这一点。图5以简单的流程图示出了用于操作、特别是用于充电上述锂离子电池1或储能器的有利方法。在第一步骤S1中，在预备测试中确定阳极电压，即操作期间阳极3的电压电平。为此，特别是进行相应锂离子电池1的多个充电和放电过程并在此过程中测量阳极电压。在此，识别所谓的电压平台，即阳极电压的停滞阶段，如图6A中的第一图所示。按照本实施例，已经确定了五个电压平台P1至P5。特别地，在此测量并存储电压平台P1至P5的具体高度。
在操作中，在步骤S2中测量锂离子电池1的总电压GV，并且在步骤S3中执行差分电压分析（DVA—Differential Voltage Analysis，差分电压分析），如图6B所示。借助于该分析，从锂离子电池1的总电压曲线中通过形成导数而定位出阳极3的相应电压平台P1至P5，如图6C所示，该总电压曲线特别是在操作中连续记录的。以什么数量级来适配控制参量很大程度上取决于空间电荷10和相应阳极电压的构造。在步骤S4中，可选地将传输因子γ添加到相应的锂离子电池1以满足结构上的差异。
因为现在电压平台P1至P5的出现和电压值可以依据相应锂离子电池1的充电状态而被识别，所以在操作时可以在步骤S5中使用电压平台P1至P5的出现和电压值来瞬时调节/控制阳极3的相应侧边缘8中的充电区域或空间电荷10。特别地，依据平台P1至P5的时刻和高度来操作第二电压源16，以便依据锂离子电池1的充电状态产生最佳空间电荷10。
附图标记列表
1 锂离子电池
2 阴极
3 阳极
4 隔板
5 导流板
6 导流板
7 重叠区域
8 侧边缘
9 部件
10 空间电荷
11 粒子区域
12 充电元件/杆元件
13 线元件
14 充电系统
15 电压源
16 电压源

Claims (16)

1.一种用于电储能器的锂离子电池（1），包括壳体，在所述壳体中布置有阳极（3）和阴极（2），在所述阳极（3）和所述阴极（2）之间布置有隔板（4），以及在所述壳体中布置有电解质，其中所述阳极（3）被构造为比所述阴极（2）宽并且布置为平行于所述阴极（2），使得所述阳极具有与所述阴极（2）相对的重叠区域（7）和至少一个在侧向上超出所述阴极（2）的侧边缘（8），其特征在于，所述阳极（3）在所述侧边缘（8）中具有用于产生在所述重叠区域（7）的方向上作用的电场的部件。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述阳极（3）在所述侧边缘（8）中具有沿所述侧边缘（8）延伸的空间电荷（10），用于产生在所述重叠区域（7）的方向上作用的电场。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于，所述空间电荷（10）被构造为在所述侧边缘（8）中的粒子区域（11）。
4.根据权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于，所述空间电荷（10）被构造为单件式充电元件（12）。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池，其特征在于，所述充电元件（12）被构造为线元件（13）。
6.根据权利要求4和5之一所述的锂离子电池，其特征在于，所述充电元件（12）具有横截面，所述横截面被构造成在所述阳极（3）的重叠区域（7）的方向上产生高场强。
7.根据权利要求4至5中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述充电元件（12）的横截面被构造为在面向所述重叠区域（7）的侧上看是凹的。
8.根据权利要求4至5中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述充电元件（12）的横截面被构造为在背离所述重叠区域（7）的侧上看是凸的。
9.根据权利要求4至5中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述充电元件（12）被分配了可控电压源以用于操作所述空间电荷（10）。
10.一种电储能器，具有至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的锂离子电池（1）。
11.根据权利要求10所述的电储能器，其特征在于至少一个可控电压源，其连接到至少一个充电元件（12）以用于操作空间电荷（10）。
12.根据权利要求10所述的电储能器，其特征在于，所述电储能器用于机动车辆。
13.一种用于对根据权利要求1至9中任一项所述的锂离子电池（1）或根据权利要求10所述的电储能器进行充电的充电系统（14），包括连接到/能够连接到阳极（3）和阴极（2）的第一电压源（15），其特征在于第二电压源（16），该第二电压源（16）连接到/能够连接到至少一个充电元件（12）以用于操作空间电荷（10）。
14.一种用于操作锂离子电池（1）的方法，所述锂离子电池（1）具有壳体，在所述壳体中布置有阳极（3）和阴极（2），在所述阳极（3）和所述阴极（2）之间布置有隔板（4），以及在所述壳体中布置有电解质，其中所述阳极（3）被构造为比所述阴极（2）宽并且布置为平行于所述阴极（2），使得所述阳极具有与所述阴极（2）相对的重叠区域（7）和至少一个在侧向上超出所述阴极（2）的侧边缘（8），其特征在于，至少在所述锂离子电池（1）的充电过程期间，产生从所述侧边缘（8）向所述重叠区域（7）的方向作用的电场。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述电场由集成在所述侧边缘（8）中的空间电荷（10）产生。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述空间电荷（10）借助于可控电压源依据所述锂离子电池（1）的充电状态和/或所述锂离子电池（1）的阳极电压来予以改变。
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