CN110731020A - 储能器 - Google Patents

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Abstract

说明了一种具有降低的维护费用和改进的耐热性的储能器。该储能器具有层堆叠，该层堆叠具有第一电极、第二电极和在其间的电解质。电解质是固体。

Description

储能器
技术领域
本发明涉及储能器、例如用于电设备的储能器，所述储能器具有小尺寸和高能量密度。
背景技术
储能器在电设备中用于，与外部电流供给无关地给电路供给有电能量。
常见的便携式电设备例如可以是电池组驱动的（batteriebetriebn）或者蓄电池驱动的。为了进行短期能量供给，提供电容器。
对公知的储能器有问题的是例如其低的能量密度。
因此，存在对改进的储能器的期望。
发明内容
为此，在独立权利要求1中说明了一种改进的储能器。从属权利要求说明了有利的构建方案。
储能器包括层堆叠，该层堆叠具有第一电极层、第二电极层和在这些电极层之间的电解质层。在第一电极层中形成第一电极。在第二电极层中形成第二电极。在电解质层中形成电解质。电解质是固体。
在储能器中使用固体电解质使储能器实际免维护，因为绝对没有包含例如可能溢出或者释放气体的流体电解质。此外，这种储能器是耐热的并且较不强烈易燃的，所述储能器例如可以完全由固体材料在没有流体组成部分的情况下制成。这使所述述储能器可以特别良好地使用在便携式设备（诸如便携式消费品）中。另外，高耐热性引起可以在无需特别顾及储能器的情况下进行常见的加工步骤、诸如在回流焊接工艺中进行钎焊。
附加地，这种储能器可以实际随便哪一种形式来制造。由于其组成部分可以由薄层制成，所以这种储能器的整个高度可以极度小。因此，与常规电池组或者蓄电池相比，这种固体储能器的能量密度明显增大。
可能的是，该储能器附加地具有第一有源层和第二有源层。第一有源层可以布置在第一电极层与电解质层之间。第二有源层可以布置在电解质层与第二电极层之间。第一电解质层和第二电解质层在此（与固体电解质完全一样地）对于离子而言是能透过的。
有利地，固体电解质对于电子而言是不能透过的。
在此可能的是，储能器是固体电池组或者（可充电的）固体蓄电池。
在储能器中的层堆叠似乎为储能器的电池（Zell）。储能器可以具有附加的电池。相对应地，储能器可以具有一个或者多个这种层堆叠。这些层堆叠在此组合成一个区块（Block）。区块提供供电电压。
每个层堆叠在此都具有在两个电极层之间的固体电解质。
可能的是，储能器包括一个或者多个附加的这种区块，其中所述区块中的每个都提供自己的供电电压。
可能的是，在一个区块之内的层堆叠并联。此外，可能的是，这些区块串联接线（verschalten）。
可替选地，可能的是，在一个区块之内的层堆叠串联。所有区块可以相对彼此并联接线。
附加地，也可能的是，不仅在一个区块之内的层堆叠而且各个区块都并联。此外可能的是，不仅在一个区块之内的层堆叠而且各个区块都串联。
通过对各个层堆叠和各个区块的串联接线和/或并联接线的多个不同组合，得到多种提供不同的总电压和不同的电容的可能性。
电极、电解质和有源层的材料组分在此有利地选择为使得：储能器的能量密度作为整体最大化。
虽然常规电池组的并联接线和串联接线也曾是可能的，但是对用于电池组的不同组成部分的材料的选择基本上曾为了获得确定的或者最大的电池电压来设计。
由于本储能器的层布局通过由串联接线和并联接线构成的复杂可能性可以能够实现任何实际有意义的供电电压，所以不需要按照其电池电压来选择材料。因此可能的是，关于可替选的参数（例如高电流、高电容或者高能量密度）来选择各个层堆叠的基础材料。
总之，由此可以容易地提供常见的供电电压，而另一方面能量密度和/或电容和/或最大电流的大的增长是可能的。
也就是说（zwar），在高的级联程度（这就是说大数量的串联接线，以达到高输出电压）的情况下，在储能器之内的串联电阻增加。在此，性能上的收益较大，以致即使在尺寸过大的情况下也可以获得改进的储能器。
甚至超然于100V的高电压作为储能器的输出电压也是可能的。
可能的是，针对层堆叠的每个第一或第二电极，存在集电极，相应的电极与该集电极连接。一个或者多个层堆叠的集电极可以包括铜，或者由铜制成。
这样可能的是，储能器在层堆叠的横向侧上具有第一集电极，并且在层堆叠的相对置的侧上具有第二集电极。第一集电极在此与层堆叠的第一电极连接，并且通过介电材料与同一层堆叠的第二电极分离。第二集电极与层堆叠的第二电极连接，并且通过介电材料与该层堆叠的第一电极分离。
在一个区块之内的不同层堆叠的集电极可以相对应地串联接线或者并联接线。一个区块的集电极同样可以与其他区块的集电极串联接线或者并联接线。
有利的是，电极、例如集电极或者在层堆叠之内的电极不是多孔的并且不传导离子。如果铜被用作这种电极材料，则该材料可以被沉积为使得：获得非多孔的铜。
在层堆叠或层堆叠的电极与在相对置的侧上的集电极之间的介电材料可以通过有针对性地引入该介电材料来实现。可替选地，绝缘可以通过空腔来实现，该空腔在制造期间通过用黏合剂填充来形成。黏合剂例如在脱粘过程和/或烧结过程期间被事后去除。
定位介电材料的可替选的可能性是基于电解质材料的边缘印刷（Randbedruckung），该电解质材料在边缘区域中不拥有离子传导性或者最多拥有小的离子传导性。
储能器的外侧可以由保护材料形成，所述保护材料例如既不对于离子也不对于电子是可传导的材料。可替选地或者附加地可能的是，储能器的边缘区域的一些部位通过集电极的材料覆盖。这样，例如储能器的两个相对置的面可以分别利用不同电势的两个集电极的材料覆盖。集电极的材料在此可以突出于被覆盖的侧的棱边，并且与其他部分（例如壳体面）重叠。
作为固体电解质的材料考虑LAPT（具有锂、铝、钛和磷的化合物）。作为有源层的材料考虑LPV（具有锂、钒和磷的材料）。
例如在层堆叠的电池电压为1.8V的情况下，储能器的电容密度可以为20Wh/l。
这种储能器可以无损害地经受住直至260°的温度，并且由此良好地适合于在回流工艺中与外部电路环境连接和接线。
长期地，在持续载荷期间，略微超过80℃的温度是不成问题的。
附图说明
储能器的工作原理和实施形式的细节在示意性附图中更详细地予以阐述。
其中：
图1示出了储能器的可能的结构。
图2示出了具有多个层堆叠的储能器。
图3示出了具有多个区块的储能器。
具体实施方式
图1示出了储能器ES，该储能器ES具有在第一电极层中的第一电极EL1并且具有在第二电极层中的第二电极EL2。在第一电极EL1与第二电极EL2之间布置有在电解质层中的电解质E。
电解质E将这两个电极EL1、EL2在空间上彼此分离，并且优选地对于离子是可传导的。在这两个电极EL1、EL2上可以量取如下电压：该电压例如可以被用于驱动电设备。
在电极EL1、EL2之间的电压与材料的选择有关。材料可以选择为使得：在层堆叠上并不一定降落最大电压，而是在层堆叠中可存储最大能量密度，或者可从层堆叠中调用最大电流强度。
在第一电极EL1与电解质E之间可以布置有第一有源层AL1。在电解质E与第二电极EL2之间可以布置有第二有源层AL2。两个有源层AL1、AL2优选地对于离子是能透过的，电解质E同样可以让所述离子通过。层AL1、E、AL2中的至少一个层在此对于电子不是透明的。要不然，这两个电极EL1、EL2可能会短路。
这两个电极、电解质并且必要时有源层一起形成层系统LS。
图2示出了层堆叠LS（诸如在图1中所示出的那样）一起布置在储能器中的可能性。该布局在此可以并排地实现，或者（如在图2中所示出的那样）叠置地实现。这样，在图2中，叠置地布置有四个层堆叠LS1、LS2、LS3、LS4。
原理上可能的是，层堆叠串联接线或者并联接线。也可能的是，几个层堆叠串联接线，而几个层堆叠并联接线。层堆叠的并联接线和层堆叠的串联接线同样可以串联接线或者并联接线。
图3相对应地示出了如下构建方案，在所述构建方案中，第一层堆叠LS1、第二层堆叠LS2和第三层堆叠LS3接线成第一区块B1。这些层堆叠在此串联接线。第四层堆叠LS4、第五层堆叠LS5和第六层堆叠LS6串联接线成第二区块B2。第七层堆叠LS7、第八层堆叠LS8和第九层堆叠LS9串联接线成第三区块B3。
第一区块B1、第二区块B2和第三区块B3并联接线。相对应地，两个集电极SE1、SE2提供如下供电电压：所述供电电压对应于单个层堆叠的三倍电压。整个储能器ES在工作电压的情况下的电容对应于单个区块B的三倍电容。
并排地布置的层堆叠分享电极层的材料。与分立器件的相对应的作用相同的串联接线和/或并联接线相比，通过合适地选择层堆叠，因而可以节省不必要的材料、例如电解质材料或者惰性材料、阳极材料或者阴极材料。这导致相对应的成本节约、重量节约和位置节约。
在每个区块B1、B2、B3中，存在恰好一个电极，所述电极与两个集电极中的每个集电极都接线。
所有层堆叠的每个电极层都至少在一侧上通过介电材料DM与集电极绝缘。介电材料优选地并不传导离子，或者最多差地传导离子。
储能器并不限于所示出的实施形式。此外，储能器可以具有附加的层和层堆叠和集电极。
附图标记列表
AL1： 第一有源层
AL2： 第二有源层
B1、B2、B3： 第一区块、第二区块、第三区块
DM： 介电材料
E： 电解质
EL1： 第一电极
EL2： 第二电极
ES： 储能器
LS： 层堆叠
SE1、SE2： 第一集电极、第二集电极

Claims (8)

1.一种储能器（ES），其包括：
- 层堆叠（LS），所述层堆叠（LS）具有第一电极层、第二电极层和在所述电极层之间的电解质层，其中，
- 第一电极（EL1）在所述第一电极层中形成，
- 第二电极（EL2）在所述第二电极层中形成，
- 电解质（E）在所述电解质层中形成，以及
- 所述电解质（E）是固体。
2.根据上一权利要求所述的储能器，此外还包括：
- 在所述第一电极层与所述电解质层之间的第一有源层（AL1），以及
- 在所述电解质层与所述第二电极层之间的第二有源层（AL2），
其中，
- 所述第一有源层（AL1）和所述第二有源层（AL2）对于离子是能透过的。
3.根据上述权利要求中任一项所述的储能器，所述储能器是固体电池组或者固体蓄电池。
4.根据上述权利要求中任一项所述的储能器，此外还包括组合成一个区块（B1）的一个或者多个附加的层堆叠（LS），所述区块（B1）提供自己的供电电压。
5.根据上一权利要求所述的储能器，此外还包括一个或者多个附加的区块（B1，B2，B3），所述附加的区块（B1，B2，B3）分别提供自己的供电电压。
6.根据上一权利要求所述的储能器，
- 其中一个区块（B1，B2，B3）的所述层堆叠（LS）并联，以及
- 其中所述区块（B1，B2，B3）串联接线。
7.根据上述权利要求中任一项所述的储能器，其中，所有第一电极（EL1）和第二电极（EL2）分别与Cu电极连接。
8.根据上述权利要求中任一项所述的储能器，此外还包括：
- 在所述层堆叠（LS）的横向侧上的第一集电极（SE1）和在所述层堆叠（LS）的相对置的侧上的第二集电极（SE2），
其中
- 所述第一集电极（SE1）与所述层堆叠（LS）的所述第一电极（EL1）连接，并且通过介电材料（DM）与所述层堆叠（LS）的所述第二电极（EL2）分离，以及
- 所述第二集电极（SE2）与所述层堆叠（LS）的所述第二电极（EL2）连接，并且通过介电材料（DM）与所述层堆叠（LS）的所述第一电极（EL1）分离。
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