CN113169292A - 用于电池单池的电极单元、电池单池和用于制造电极单元的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电池单池（2）的电极单元（10），电极单元包括阳极（21）、阴极（22）和至少一个布置在阳极（21）和阴极（22）之间的膜状的分离器（23、24），阳极具有由金属材料制成的膜状的集电器（31）和阳极活性材料（41），阴极具有由金属材料制成的膜状的集电器（32）和阴极活性材料（42）。在此，阳极（21）、阴极（22）和至少一个分离器（23、24）螺旋面状地构造。本发明还涉及一种电池单池（2），其包括根据本发明的电极单元（10）。此外，本发明还涉及一种用于制造根据本发明的电极单元（10）的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电池单池的电极单元，电极单元包括阳极、阴极和至少一个布置在阳极和阴极之间的膜状的分离器，阳极具有由金属材料制成的膜状的集电器和阳极活性材料，阴极具有由金属材料制成的膜状的集电器和阴极活性材料。本发明还涉及一种电池单池，其包括根据本发明的电极单元。此外，本发明还涉及一种用于制造根据本发明的电极单元的方法。
背景技术
电能可以借助电池存储。电池将化学反应能转换为电能。在此，初级电池和次级电池有所区别。初级电池仅能运行一次，而也被称为蓄电池的次级电池是可再充电的。电池在此包括一个或多个电池单池。
在蓄电池中尤其使用所谓的锂离子电池单池。此外，锂离子电池单池的特征在于高的能量密度、热稳定性和非常小的自放电。锂离子电池单池此外使用在机动车、尤其电动车（Electric Vehicle，EV）、混动车（Hybride Electric Vehicle，HEV）和插混车（Plug-In-Hybride Electric Vehicle，PHEV）中。
锂离子电池单池具有正电极和负电极，正电极也被称为阴极，负电极也被称为阳极。阴极和阳极分别包括集电器，活性材料施加到集电器上。集电器在此是导电的，并且可以膜状地构造。当集电器设置用于制造阳极时，集电器例如由铜制成。当集电器设置用于制造阴极时，集电器例如由铝制成。用于阴极的活性材料例如是金属氧化物。用于阳极的活性材料例如是石墨或硅。
锂原子嵌入阳极的活性材料中。在电池单池的运行中，即在放电过程中，电子在外电路中从阳极流到阴极。在电池单池内，锂离子在放电过程中从阳极转移到阴极。如果锂离子的电荷通过石墨中的每个锂离子的附加的电子补偿，那么阳极材料、例如石墨可以将锂离子嵌入其晶格中。在放电过程中，锂离子随后又被移出，这也被称为脱离作用（Deinterkalation）。在电池单池的充电过程中，锂离子从阴极转移到阳极。在此，锂离子又可逆地嵌入阳极的活性材料、例如石墨中，这也被称为插入作用。
电池单池的电极膜状地构造并且在分离器的中间层的下方被缠绕为电极线圈，分离器分离阳极与阴极。这种电极线圈也被称为卷芯（Jelly-Roll）。电极线圈的两个电极借助收集器与电池单池的极电连接，极也被称为端子。电池单池通常包括一个或多个电极单元。电极和分离器被通常液态的电解质包围。电解质可以传导锂离子，并且能够实现锂离子在电极之间的传输。
电池单池此外具有单池壳体，单池壳体例如由铝制成。单池壳体通常设计为棱柱形、尤其方形，并且构造为抗压的。端子在此位于单池壳体的外部。在连接电极与端子之后，将电解质填充到单池壳体中。
在US 2003/0072993 A1中公开了次级单池，其中次级单池具有被滚压的电极单元。
具有被缠绕的电极装置的电池单池由US 2003/0087150 A1已知。
在US 2017/0133732 A1中公开了一种电极单元，其在制造时被折叠并且堆叠。
从US 2017/0077480A1已知了一种电极堆叠结构，其具有多个堆叠的电极层。
发明内容
提出了一种用于电池单池的电极单元。电极单元在此包括阳极、阴极和至少一个膜状的分离器，阳极具有由金属材料制成的膜状的集电器和阳极活性材料，阴极具有由金属材料制成的膜状的集电器和阴极活性材料，分离器布置在阳极和阴极之间。
阳极的集电器因此导电地实施，并且例如由铜制成。阴极的集电器因此也导电地实施，并且例如由铝制成。
根据本发明，阳极、阴极和至少一个分离器螺旋面状地构造。
螺旋面理解为以下面，该面具有多个相关联的子面（形式为相叠布置的层），从而构造出共同的未中断的表面，该表面以恒定的螺距围绕轴线缠绕。
根据本发明的有利的设计方案，阳极、阴极和分离器分别具有圆形的几何形状。
具有圆形的几何形状的螺旋面是以下面，当垂直于轴线的半线以恒定的速度围绕轴线转动，并且同时沿轴线方向以恒定的速度平行移动时，形成该面。在该情况下，螺旋面沿轴线的投影是圆形的，螺旋面围绕该轴线缠绕。
螺旋面也可以具有角部式的几何形状、尤其是方形的几何形状。在该情况下，螺旋面沿轴线的投影是角部式的或方形的，螺旋面围绕该轴线缠绕。具有角部式的几何形状的螺旋面可以例如通过切割形成具有圆形的几何形状的螺旋面。
根据本发明的有利的设计方案，阳极、阴极和分离器分别具有角部式的几何形状、尤其是方形的几何形状。
阳极、至少一个分离器和阴极优选安置在一起，以便以该顺序相叠。
活性材料可以施加到集电器的侧面，其中集电器的其他的侧面保持没有活性材料。在该情况下，通常需要仅一个分离器和绝缘体。但也可想到的是，使用多个分离器。例如可以使用第一分离器和第二分离器。阳极、第一分离器、阴极和第二分离器安置在一起，以便以该顺序相叠，其中第二分离器用作绝缘体。
优选地，活性材料施加到集电器的两个侧面上。在该情况下，根据本发明的电极单元包括两个分离器、即第一分离器和第二分离器。在此，阳极、第一分离器、阴极和第二分离器安置在一起，以便以该顺序相叠。
优选地，集电器具有接触片，接触片从集电器的没有活性材料的端部区域切割。
优选地，根据本发明的电极单元具有中间的、柱形的孔，该孔沿电极单元的中间轴线构造。
优选地，导轨为了快速构建根据本发明的电极单元和/或为了将根据本发明的电极单元安装到电池单池的单池壳体中而布置在中间的柱形的孔中。在构建电极单元之后，导轨可以被去除或者一起安装到电池单池中。也可想到的是，传感器布置在中间的、柱形的孔中，传感器监控电池单池的状态。
也提出了一种电池单池，其包括根据本发明的电极单元。
根据本发明的电池单池有利地使用在电动车（EV）、混动车（Hybride ElectricVehicle，HEV）、插混车（Plug-In-Hybride Electric Vehicle，PHEV）或固定的电池中。
提出了一种用于制造根据本发明的电极单元的方法。根据本发明的方法在此包括随后的步骤。
在步骤a）中制造阳极。阳极的制造在此通过提供针对阳极的柱形的螺旋形的金属线，将柱形的螺旋形的金属线轧制为螺旋面状的金属膜，切割螺旋面状的金属膜以得到阳极的螺旋面状的集电器，将阳极活性材料施加到阳极的螺旋面状的集电器的一个或两个侧面上，并且压延阳极的螺旋面状的集电器和涂覆的阳极活性材料来发生。
柱形的螺旋线圈（其也被称为螺丝、螺旋线、螺旋或蜗旋）是一种曲线，其利用恒定的螺距围绕柱体的周侧缠绕。
在步骤b）中制造阴极。阴极的制造在此通过提供针对阴极的柱形的螺旋形的金属线，将柱形的螺旋形的金属线轧制为螺旋面状的金属膜，切割螺旋面状的金属膜以得到阴极的螺旋面状的集电器，将阴极活性材料施加到阴极的螺旋面状的集电器的一个或两个侧面上，并且压延阴极的螺旋面状的集电器和涂覆的阴极活性材料来发生。
在步骤c）中，提供至少一个膜状的、螺旋面状的分离器。至少一个分离器可以由柱形的螺旋形的塑料制成。柱形的螺旋形的塑料随后被轧制为膜。在此，塑料被加热并且熔化。随后，被轧制的由塑料制成的膜被涂层以陶瓷。也可想到的是，塑料液态地直接施加到阳极和/或阴极的活性材料上，其中塑料被熔化，或者溶解在溶剂中，并且必要时随后被涂层以陶瓷。
在步骤d）中，至少一个分离器布置在阳极和阴极之间。阳极、至少一个分离器和阴极为此优选安置在一起，以便以该顺序相叠。优选使用两个分离器、即第一分离器和第二分离器。在此，阳极、第一分离器、阴极和第二分离器安置在一起，从而其以该顺序相叠。
优选地，在步骤d）中得到的布置结构被挤压在一起，该布置结构包括阳极、至少一个分离器和阴极，并且它们已经在步骤d）中安置在一起。
步骤a）至c）不必强制性地依次实施。它们也可以同时实施。
原则上，柱形的螺旋形的金属线可以具有任意的直径。优选地，金属线具有1mm至30mm的直径。
当金属线设置用于制造阳极的集电器时，金属线例如由铜制成。当金属线设置用于制造阴极的集电器时，金属线例如由铝制成。
优选地，螺旋面状的金属膜具有5μm至500μm的厚度。金属线的轧制可以在一个轧制过程中进行。但也可想到的是，轧制在多个轧制过程中进行。
为了可以得到具有限定的侧边缘的螺旋面状的集电器，至少一个切割设备例如可以使用刀或激光切割机。
根据本发明的有利的设计方案，针对阳极和阴极切割金属膜，从而阳极和阴极的集电器分别具有圆形的几何形状。
根据本发明的有利的设计方案，针对阳极和阴极切割金属膜，从而阳极和阴极的集电器分别具有角部式的几何形状、尤其方形的几何形状。
优选地，在活性材料施加到金属膜上之前，发生切割以得到限定的几何形状。也可想到的是，在施加活性材料到金属膜上之后，发生切割。
根据本发明的有利的设计方案，活性材料在施加到螺旋面状的集电器上之后借助加热设备被干燥。活性材料的干燥可以在压延集电器和涂覆的活性材料之前或之后发生。
根据本发明的电极单元在简单的构建中具有高的能量密度。根据本发明的电极单元具有仅两个集电器，集电器分别设有接触片。在此有利地减小电化学惰性的成分的相对份额。
电解质可以在布置电极单元之后利用根据本发明的电极单元快速填充到电池单池的单池壳体中。
通过根据本发明的方法，有利地简化和加速根据本发明的电极单元的生产。按照根据本发明的方法，两个膜状的、螺旋面状的电极、即阳极和阴极和同样膜状地并且螺旋面状地构造的分离器一起缠绕。因此，堆叠过程不再是需要的。由此，有利地减小用于根据本发明的电极单元的制造成本。
附图说明
本发明的实施方式根据附图和随后的描述详细阐述。其中：
图1示出了电池单池的示意图；
图2示出了电极单元的立体图；
图3示出了电极单元的俯视图；
图4示出了根据第一实施方式的电极单元的分解图；
图5示出了根据第二实施方式的电极单元的分解图；
图6示出了柱形螺旋形的金属线的立体图；
图7示出了根据第一实施方式的膜状的、螺旋面状的集电器的制造过程的立体图；
图8示出了膜状的、螺旋面状的电极的制造过程的立体图，电极具有图7的集电器；
图9示出了根据第二实施方式的集电器的立体图；并且
图10示出了图9的位于挤压在一起的状态中的集电器的立体图。
具体实施方式
在对本发明的实施方式的随后的描述中，用相同的附图标记表示相同的或类似的元件，其中在个别情况下放弃重复描述这些元件。附图仅示意性示出本发明的主题。
电池单池2在图1中示意性示出。电池单池2包括单池壳体3，其例如构造为棱柱形，尤其是方形。电池单池2包括负端子11和正端子12。通过两个端子11、12可以提取由电池单池2提供的电压。此外，电池单池2也可以通过两个端子11、12充电。
在电池单池2的单池壳体3内布置有电极单元10，电极单元具有两个电极、即阳极21和阴极22。阳极21和阴极22分别膜状地并且螺旋面状地实施。电极单元10此外包括第一分离器23和第二分离器24，它们以离子方式能导电地并且同样膜状地且螺旋面状地构造。阳极21、第一分离器23、阴极22和第二分离器24安置在一起，并且以该顺序相叠。此外，在单池壳体3内存在电解质。
阳极21包括阳极活性材料41（参见图4至5）和集电器31（参见图7至10），它们相互贴靠并且相互连接。阳极21的集电器31能导电地实施，并且由金属制成，例如由铜制成，并且通过阳极21的接触片33与电池单池2的负端子11电连接。
阴极22包括阴极活性材料42（参见图4至5）和集电器32（参见图7至10），它们相互贴靠并且相互连接。阴极22的集电器32能导电地实施，并且由金属制成，例如由铝制成，并且通过阴极22的接触片34与电池单池2的正端子12电连接。
电极单元10基于膜状的、螺旋面状的阳极21、第一分离器23、阴极22和第二分离器24同样螺旋面状地构造，其中电极单元10围绕中间轴线X’缠绕。
电极单元10包括中间的柱形的沿中间轴线X’的孔60，在该孔中布置有用于构建电极单元10的导轨62。
图2示出了根据本发明的电极单元10的立体图，其柱形地构造并且具有圆形的几何形状。电极单元10包括设有阳极21的接触片33的阳极21和设有阴极22的接触片34的阴极22，其中阳极21和阴极22膜状地并且螺旋面状地构造。电极单元10此外包括第一分离器23和第二分离器24，它们同样膜状地并且螺旋面状地构造。阳极21、第一分离器23、阴极22和第二分离器24在此安置在一起，并且以该顺序相叠。
电极单元10具有中间轴线X’，并且围绕其缠绕。电极单元10此外具有中间的柱形的孔60，其沿电极单元10的中间轴线X’构造。在中间的柱形的孔60中可以布置有导轨62（参见图1），导轨用于快速构建电极单元10并且用于将电极单元10安装到电池单池2（参见图1）的单池壳体3（参见图1）中。在构建电极单元10之后并且必要时在将电极单元10安装到单池壳体3中之后，导轨62可以被去除，或者一起安装在电池单池2中。此外，在电极单元10布置在单池壳体3中之后，孔60还用于将电解质快速填充到单池壳体3中。此外，监控电池单池2的状态的传感器还可以布置在孔60中。
图3示出了图2的电极单元10的俯视图。电极单元10具有圆形的几何形状和中间的柱形的孔60。电极单元10包括具有阳极21的接触片33的阳极21和具有阴极22的接触片34的阴极22。
图4示出了根据第一实施方式的根据本发明的电极单元10的分解图。
电极单元10包括阳极21、第一分离器23、阴极22和第二分离器24，它们分别膜状地并且螺旋面状地构造。
阳极21、第一分离器23、阴极22和第二分离器24在此为了以该顺序相叠而安置在一起，并且围绕电极单元10的中间轴线X’缠绕。
阳极21具有接触片33，其与电池单池2的负端子11电连接。阴极22具有接触片34，其与电池单池2的正端子12电连接。
图5示出了根据第二实施方式的电极单元10的分解图。具有阳极21、第一分离器23、阴极22和第二分离器24的电极单元10包括中间的柱形的沿中间轴线X’的孔60。电极单元10可以借助布置在孔60中的导轨62被快速构建，并且安装在电池单池2的单池壳体3中。在构建电极单元10并且必要时将电极单元10安装到单池壳体3中之后，导轨62可以被去除，或者一起安装到电池单池2中。
图6立体地示出了柱形的螺旋形的用于制造集电器31、32的金属线51、52，其中金属线51、52围绕轴线X缠绕。原则上，柱形的螺旋形的金属线51、52的直径是任意的。优选地，金属线51、52具有1mm至30mm的直径。用于阳极21的金属线51设置用于制造阳极21的集电器31，并且例如由铜制成。用于阴极22的金属线52设置用于制造阴极22的集电器32，并且例如由铝制成。
图7示出了根据第一实施方式的膜状的、螺旋面状的集电器31、32的制造过程的立体图。
首先，如在图6中示出的那样提供柱形的螺旋形的金属线51、52。
随后，柱形的螺旋形的金属线51、52被轧制成螺旋面状的金属膜53、54。
可以在轧制过程中进行金属线51、52的轧制。但也可想到的是，在多个轧制过程中进行轧制。当前在图7中，金属线51、52在两个轧制过程中，即通过第一轧制对70和第二轧制对72被轧制成金属膜53、54。
优选地，螺旋面状的金属膜53、54具有5μm至500μm的厚度。
随后，用于阳极21的金属膜53和用于阴极22的金属膜54通过至少一个切割设备74、76被切割，以便得到具有限定的侧边缘的阳极21的集电器31和阴极22的集电器32。刀或激光切割机例如用作切割设备74、76。
当前在图7中，金属膜53、54通过第一切割设备74和第二切割设备76被切割，其中借助两个切割设备74和76限定集电器31、32的侧边缘。
优选地，金属膜53和54被切割，使得阳极21的集电器31和阴极22的集电器32分别具有圆形的几何形状。
图8示出了膜状的螺旋面状的电极21、22的制造过程的立体图，电极具有图7的集电器31、32。
在通过切割金属膜53、54得到集电器31、32之后，活性材料41、42通过涂层设备80施加到集电器31、32上，其中活性材料41、42可以施加到集电器31、32的一个侧面或两个侧面上。
用于阴极22的活性材料42例如是金属氧化物。用于阳极21的活性材料41例如是石墨或硅。
集电器31、32具有接触片33、34，接触片从集电器31、32的没有活性材料41、42的端部区域被切割。
随后，集电器31、32通过压延辊对82和被涂覆的活性材料41、42一起被压延。
在压延之后，活性材料41、42借助加热设备84被干燥。但也可想到的是，活性材料41、42在压延之前被干燥。
也可想到的是，活性材料41、42通过涂层设备80首先施加到金属膜53、54上。随后，金属膜53、54和活性材料41、42一起被切割，用以得到电极21、22。在切割金属膜53、54之前，被涂覆的活性材料41、42可以被干燥并且和金属膜53、54一起被压延。也可能的是，在切割金属膜53、54之后，发生被涂覆的活性材料41、42和金属膜53、54一起的干燥和压延。
图9立体地示出了根据第二实施方式的集电器31、32。并且图10示出了图9的在挤压在一起的状态中的集电器31、32。
图9和10中的集电器31、32具有角部式的几何形状，其通过切割金属膜53、54得到。在活性材料41、42施加到金属膜53、54上之前，优选发生该切割。也可想到的是，在活性材料41、42施加到金属膜53、54上之后发生该切割。
本发明并不局限于在此描述的实施例和在其中强调的方面。相反地，在通过权利要求说明的范围内，在本领域技术人员的处理的范围内的多个修改方案是可能的。
Claims (14)
1.用于电池单池（2）的电极单元（10），所述电极单元包括阳极（21）、阴极（22）和至少一个布置在阳极（21）和阴极（22）之间的膜状的分离器（23、24），所述阳极具有由金属材料制成的膜状的集电器（31）和阳极活性材料（41），所述阴极具有由金属材料制成的膜状的集电器（32）和阴极活性材料（42），其特征在于，所述阳极（21）、所述阴极（22）和至少一个分离器（23、24）螺旋面状地构造。
2.根据权利要求1所述的电极单元（10），其特征在于，所述阳极（21）、所述阴极（22）和所述分离器（23、24）分别具有圆形的几何形状。
3.根据权利要求1所述的电极单元（10），其特征在于，所述阳极（21）、所述阴极（22）和所述分离器（23、24）分别具有角部式的几何形状。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电极单元（10），其特征在于，所述活性材料（41、42）施加在膜状的集电器（31、32）的两个侧面上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电极单元（10），其特征在于，所述集电器（31、32）具有接触片（33、34），所述接触片从集电器（31、32）的没有活性材料（41、42）的端部区域切割。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电极单元（10），其特征在于，中间的柱形的孔（60）沿电极单元（10）的中间轴线X’构造。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电极单元（10），其特征在于，导轨（62）布置在中间的柱形的孔（60）中。
8.电池单池（2），包括根据权利要求1至7中任一项所述的电极单元（10）。
9.根据权利要求8所述的电池单池（2）在电动车（EV）、混动车（HEV）、插混车（PHEV）或固定的电池中的用途。
10.用于制造根据权利要求1至7中任一项所述的电极单元（10）的方法，包括以下步骤：
a. 通过提供针对阳极（21）的柱形的螺旋形的金属线（51）制造阳极（21）；将针对阳极（21）的柱形的螺旋形的金属线（51）轧制为针对阳极（21）的螺旋面状的金属膜（53）；切割针对阳极（21）的螺旋面状的金属膜（53）以得到阳极（21）的螺旋面状的集电器（31）；将阳极活性材料（41）施加到阳极（21）的螺旋面状的集电器（31）的一个或两个侧面上；压延阳极（21）的螺旋面状的集电器（31）连同涂覆的阳极活性材料（41）；
b. 通过提供针对阴极（22）的柱形的螺旋形的金属线（52）制造阴极（22）；将针对阴极（22）的柱形的螺旋形的金属线（52）轧制为针对阴极（22）的螺旋面状的金属膜（54）；切割针对阴极（22）的螺旋面状的金属膜（54）以得到阴极（22）的螺旋面状的集电器（32）；将阴极活性材料（42）施加到阴极（22）的螺旋面状的集电器（32）的一个或两个侧面上；压延阴极（22）的螺旋面状的集电器（32）连同涂覆的阴极活性材料（42）；
c. 提供至少一个膜状的、螺旋面状的分离器（23、24）；
d. 将至少一个分离器（23、24）布置在阳极（21）和阴极（22）之间。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述布置结构被挤压在一起。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，螺旋面状的金属膜（53、54）被切割用以得到螺旋面状的集电器（31、32）的圆形的几何形状。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于，螺旋面状的金属膜（53、54）被切割用以得到螺旋面状的集电器（31、32）的角部式的几何形状。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述活性材料（41、42）在施加在螺旋面状的集电器（31、32）上之后被干燥。
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