CN115606028A - 带有高比能量密度的锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

锂离子电池(100)包括以带有序列阳极(120)/隔膜(118)/阴极(120)的卷轴的形式的带状的电极隔膜复合件(104)，其中阳极(120)作为阳极集电器(110)且阴极(130)作为阴极集电器(115)分别包括带状的金属薄膜，带有在4μm至30μm的范围中的厚度以及带有第一和第二纵向边缘(110e;115e)和两个端部件。阳极集电器(110)和阴极集电器(115)分别具有带状的主区域(122;116)，其以由电极材料(123;125)构成的层装载，以及自由边缘条(121;117)，其沿第一纵向边缘(110e;115e)延伸且其未以电极材料(123;125)装载。阳极(120)和阴极(130)如此构造且/或在电极隔膜复合件(104)内如此彼此布置，使得阳极集电器(110)的第一纵向边缘(110e)从末端的端侧(104b)且阴极集电器(115)的第一纵向边缘(115e)从卷轴的另一末端的端侧(104a)离开。此外，电池(100)包括金属接触板件(105;106)，其与第一纵向边缘(110e;115e)中的一个处于直接接触且与该纵向边缘通过焊接连接。在此，与接触板件(105;106)通过焊接连接的集电器(110;115)的带状的主区域(122;116)具有多个开口(111)。

Description

带有高比能量密度的锂离子电池
技术领域
后文描述的发明涉及一种锂离子电池，其包括以卷轴的形式的带状的电极隔膜复合件。
背景技术
电化学电池对此能够将存储的化学能通过氧化还原反应转换成电能。其通常包括正和负电极，其由隔膜彼此分离。在放电时，在负电极处通过氧化过程释放电子。由此产生电子流，其可由外部电消耗器量取，对于其电化学电池用作能量提供者。同时产生在电池内的相应于电极反应的离子流。该离子流横跨隔膜且通过传导离子的电解质能够实现。
当放电是可逆的时，因此出现如下可能性，在放电时进行的由化学能到电能的转换又颠倒且因此又给电池充电，谈及二次电池。在二次电池中通常负电极作为阳极的普遍的称呼和正电极作为阴极的称呼涉及电化学电池的放电功能。
广泛传播的二次锂离子电池基于锂的使用，其可以以锂形式在电池的电极之间往复移动。锂离子电池在此通过相对高的能量密度出众。锂离子电池的负电极和正电极通常由所谓的复合电极形成，其除了电化学活性部件以外同样包括电化学非活性部件。
作为用于二次锂离子电池的电化学活性部件(活性材料)考虑原则上全部材料，其可接收锂离子且又给出。对于负电极，为此经常使用基于碳、如例如石墨碳的颗粒。同样可使用其他的非石墨的碳材料，其适用于锂的插层。此外同样金属和半金属材料得到使用，其可与锂合金。如此，例如元素锡、铝、锑和硅能够与锂形成金属间相。作为用于正电极的活性材料可例如使用钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、钛酸锂(Li4Ti5O12)或磷酸铁锂(LiFePO4)或其衍生物。电化学活性材料通常以颗粒形式包含在电极中。
作为电化学非活性部件，复合电极通常包括面型的和/或带状的集电器，例如金属薄膜，其以活性材料覆层。用于负电极的集电器(阳极集电器)可例如由铜或镍形成且用于正电极的集电器(阴极集电器)例如由铝形成。此外，电极可包括电极粘合剂(如聚偏氟乙烯(PVDF)或其他聚合物，例如羧甲基纤维素)。这确保了电极的机械稳定性且经常同样确保活性材料到集电器上的附着。此外，电极可包含改善传导性的添加剂和其他的附加剂。
作为电解质，锂离子电池通常包括如六氟磷酸锂(LiPF6)的锂盐在有机溶剂(例如碳酸的醚和酯)中的溶液。
复合电极在制造锂离子电池时与一个或多个隔膜组合成复合体。在大多数情况下，电极和隔膜在此通过层压或通过粘接彼此连接。电池的基本的功能性然后可以通过用电解质浸渍复合件来建立。
在许多实施形式中，复合体平坦地构造，从而可以将多个复合体平坦地相互堆叠。然而，非常经常地，复合体以卷轴的形式形成，或被加工成卷轴。
通常，复合体，独立于是否缠绕，都包括序列正电极/隔膜/负电极。复合体经常被制造为所谓的双电池，带有可能的序列负电极/隔膜/正电极/隔膜/负电极或正电极/隔膜/负电极/隔膜/正电极。
对于汽车领域中的应用、对于电动自行车或同样对于其他带有高能量需求的应用，如例如工具中，需要带有尽可能高能量密度的锂离子电池，其同时能够在充电和放电的情形中承载大电流。例如，在WO 2017/215900 A1中描述了这种电池。
针对提到的应用，电池经常被设计成柱形的圆形电池，例如带有形状系数21 x 70(直径乘以高度，mm)。这种类型的电池始终包括以卷轴的形式的复合体。这种形状系数的现代锂离子电池已经可以实现直至270 Wh/kg的能量密度。然而，这种能量密度仅被视为中间步骤。市场已经在要求带有还更高能量密度的电池。
然而，在开发改进的锂离子电池时，除了仅能量密度之外，还必须考虑其他因素。极为重要的参数同样是电池的内阻，其应保持尽可能低，以减少在充电和放电的情形中的功率损失，以及电极的热连结，其对于电池的温度调节可能是重要的。这些参数对于包含以卷轴的形式的复合体的柱形的圆形电池也是非常重要的。在电池的快速充电期间，由于功率损失，电池中可能会发生热量积聚，其可能导致巨大的热机械负载，并因此导致电池结构的变形和损坏。当集电器的电气连结通过轴向地从缠绕的复合体离开的焊接到集电器处的单独的电气导体旗状物(Ableiterfahnen，有时也称为放电器翼片)进行时，风险增强地出现，因为在强负载的情形中在充电或放电的情形中可能在这些导体旗状物处局部出现发热。
发明内容
本发明基于如下任务，提供锂离子电池，其通过相对于现有技术改善的能量密度出众且其同时具有关于其内阻和其被动散热能力的突出的特征。
该任务通过带有权利要求1的特征的锂离子电池解决。该电池的优选的设计方案从从属权利要求得出。
根据本发明的锂离子电池始终通过如下特征a.至i.出众：
a. 电池包括带有序列阳极/隔膜/阴极的带状的电极隔膜复合件，
b. 阳极作为阳极集电器包括带状的金属薄膜，带有在4 μm至30 μm的范围中的厚度以及带有第一纵向边缘和第二纵向边缘和两个端部件，
c. 阳极集电器具有带状的主区域，其以由负电极材料构成的层装载，以及自由边缘条，其沿第一纵向边缘延伸且其未以电极材料装载，
d. 阴极作为阴极集电器包括带状的金属薄膜，带有在4 μm至30 μm的范围中的厚度以及带有第一纵向边缘和第二纵向边缘和两个端部件，
e. 阴极集电器具有带状的主区域，其以由正电极材料构成的层装载，以及自由边缘条，其沿第一纵向边缘延伸且其未以电极材料装载，
f. 电极隔膜复合件以带有两个末端的端侧的卷轴的形式存在，
g. 阳极和阴极如此构造且/或在电极隔膜复合件内如此彼此布置，使得阳极集电器的第一纵向边缘从末端的端侧中的一个离开且阴极集电器的第一纵向边缘从末端的端侧中的另一个离开，
h. 电池包括金属接触板件，其与第一纵向边缘中的一个处于直接接触，和
i. 接触板件与该纵向边缘通过焊接连接。
集电器用于尽可能大面积地电气接触在电极材料中包含的电化学活性部件。作为用于阳极集电器的金属，例如适用铜或镍或同样其他导电的材料、尤其铜和镍合金或以镍覆层的金属。同样，基本上考虑不锈钢薄膜。作为用于阴极集电器的金属例如适用铝或同样其他导电的材料、尤其铝合金。
集电器优选地在两侧以相应的电极材料装载。
在自由边缘条中，相应的集电器的金属没有相应的电极材料。优选地，相应的集电器的金属在那里未覆盖，从而其对于电气接触，例如通过焊接，可供使用。
在一些实施形式中，相应的集电器的金属可在自由边缘条中但是同样以支持材料覆层，其相比以此覆层的集电器更耐热。
“更耐热”在此应意味着，支持材料在其中集电器的金属熔化的温度下包含固态状态。它因此要么具有比金属更高的熔点，要么但是它在金属已经熔化的温度下升华或分解。
优选地，不仅阳极集电器而且阴极集电器分别具有至少一个自由边缘条，其未以相应的电极材料装载。在一种改进方案中优选的是，不仅阳极集电器的至少一个自由边缘条而且阴极集电器的至少一个自由边缘条以支持材料覆层。特别优选地，对于区域中的每个使用相同的支持材料。
在本发明的范畴中可使用的支持材料可基本上为金属或金属合金，只要它或它们具有相比金属更高的熔点，表面由其出现，其以支持材料覆层。在许多实施形式中，根据本发明的锂离子电池然而优选地通过紧邻如下的附加特征a.至d.中的至少一个而出众：
a. 支持材料是非金属材料，
b. 支持材料是电绝缘材料，
c. 非金属材料是陶瓷材料、玻璃陶瓷材料或玻璃，
d. 陶瓷材料是氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氮化钛(TiN)、氮化钛铝(TiAlN)或碳氮化钛(TiCN)。
根据本发明，支持材料特别优选地根据紧邻上文的特征b.且尤其优选地根据紧邻上文的特征d.构造。
概念陶瓷材料当前可宽泛地解释。尤其，对此应理解为碳化物、氮化物、氧化物、硅化物或这些化合物的混合物和衍生物。
以概念“玻璃陶瓷材料”尤其指包括嵌入到无定形玻璃相中的结晶粒子的材料。
概念“玻璃”基本上是指符合上面限定的热稳定性标准并且相对于若有可能电池中存在的电解质化学稳定的任何无机玻璃。
特别优选地，阳极集电器由铜或铜合金构成，而同时阴极集电器由铝或铝合金构成且支持材料是氧化铝或氧化钛。
此外可为优选的是，阳极和/或阴极集电器的自由边缘条以由支持材料构成的条带覆层。
阳极集电器和阴极集电器的带状的主区域优选地平行于集电器的相应的纵向边缘延伸。优选地，带状的主区域在阳极集电器和阴极集电器的面积的至少90%上、特别优选地在至少95%上延伸。
在一些优选的实施形式中，支持材料在带状的主区域旁边被施加，在此然而未完全地覆盖自由区域。例如，其以条带或线的形式沿阳极和/或阴极集电器的纵向边缘施加，从而其仅部分地覆盖相应的边缘条。直接沿该纵向边缘在此可将自由边缘条的长延伸的部分区域保持成未覆盖。
特别优选地，根据本发明的锂离子电池是二次锂离子电池。
对于阳极和阴极可基本上使用全部对于锂离子电池已知的电极材料。
在负极中，作为活性材料优选地使用基于碳的颗粒，如石墨碳或能够插层锂的非石墨碳材料，优选地同样以颗粒形式。钛酸锂(Li4Ti5O12)也适合作为活性材料。备选地或附加地，也可以使用可与锂合金的金属和半金属材料，例如在使用能够与锂形成金属间相的元素锡、锑和硅的情况下。这些材料优选地也以颗粒形式使用。
对于正电极，作为活性材料可以考虑例如锂金属氧化物化合物和锂金属磷酸盐化合物如LiCoO2和LiFePO4。此外，尤其带有经验公式LiNixMnyCozO2(其中x+y+z通常为1)的镍锰钴锂氧化物(NMC)、带有经验公式LiMn2O4的锂锰尖晶石(LMO)或带有经验公式LiNixCoyAlzO2(其中x+y+z通常为1)的镍钴铝锂氧化物(NCA)是良好合适的。其衍生物、例如带有经验公式Li1.11(Ni0.40Mn0.39Co0.16Al0.05)0.89O2的镍锰钴锂氧化铝(NMCA)或Li1+xM-O化合物和/或上述材料的混合物也可以使用。
作为电化学非活性部件，电极材料可以包含例如电极粘合剂和导电剂。颗粒状活性材料优选地嵌入由电极粘合剂构成的基体中，其中基体中的相邻颗粒优选地相互直接接触。导电剂用于提高电极的导电性。常见的电极粘合剂例如基于聚偏氟乙烯、聚丙烯酸酯或羧甲基纤维素。常见的导电剂是碳黑和金属粉末。
此外，该电池优选地包括电解质，尤其基于至少一种以溶解在有机溶剂(例如在有机碳酸盐的混合物)中的形式存在的锂盐，如例如六氟磷酸锂。
例如，隔膜是电绝缘塑料薄膜，其可以由电解质穿透，例如因为其具有微孔。例如，该薄膜可由聚烯烃或聚醚酮形成。由这种塑料材料构成的毛毯和织物也可以作为隔膜使用。
除了上述元素外，根据本发明的锂离子电池适宜地还包括壳体，该壳体优选地以气密和/或液密的方式包围以卷轴的形式的电极隔膜复合件。
壳体通常包括柱形的壳体套以及圆形的上部件和圆形的下部件。例如，壳体可以包括杯状的第一壳体部件，其底部与圆形的下部件相应，以及作为第二壳体部件圆形的盖板，其用于封闭第一壳体部件。通常，这两个壳体部件通过电绝缘密封件彼此分开。壳体部件可以例如由镀镍的钢板或类似的金属材料构成。
电极隔膜复合件优选地以柱形卷轴的形式存在。提供以这种卷轴的形式的电极允许柱形壳体中的特别有利的空间利用。在优选的实施形式中，壳体因此同样是柱形的。
根据本发明的电池特别通过紧邻如下的特征j.而出众：
j. 与接触板件通过焊接连接的集电器的带状主区域具有多个开口。
多个开口产生减少的体积，和同样集电器的减少的重量。这使得带入更多的活性材料到电池中成为可能，并以这种方式大幅提高电池的能量密度。可以如此实现能量密度提高直到两位数的百分比范围。
在特别优选的设计方案中，根据本发明的电池的特点在于紧邻如下的特征a.和b.中的至少一个：
a. 主区域中的开口是圆孔或方孔，尤其冲孔或钻孔。
b. 与接触板件通过焊接连接的集电器在主区域中穿孔，尤其通过圆孔或缝孔穿孔。
在一些优选的实施形式中，开口借助于激光带入到带状的主区域中。
基本上，开口的几何形状对于本发明不是重要的。重要的是，按开口的带入的顺序减少了集电器的质量，并针对活性材料有更多的空间，因为开口可以以活性材料填充。
与之相反非常有利的是，在带入开口时应注意如下，即，开口的最大直径没有过大。开口应优选地不超过相应集电器上的电极材料的层的厚度的两倍。
在特别优选的设计方案中，根据本发明的电池的特点在于紧邻如下的特征a.：
a. 在集电器中、尤其在主区域中的开口具有在1 μm至3000 μm的范围中的直径。
在该优选的区域中，直径在10 μm至2000 μm、优选地10 μm至1000 μm、尤其进一步优选地50 μm至250 μm的范围中。
特别优选地，根据本发明的电池此外通过紧邻如下的特征a.和b.中的至少一个而出众：
a. 与接触板件通过焊接连接的集电器至少在主区域的部分区段中具有相比其集电器的自由边缘条更小的面积重量，
b. 与接触板件通过焊接连接的集电器在自由边缘条中相比在主区域中每面积单位不具有或具有较少的开口。
特别优选的是，紧邻上文的特征a.和b.彼此组合实现。
阳极和阴极集电器的自由边缘条限制朝向第一纵向边缘的主区域。优选地，阳极和阴极集电器包括分别沿其两个纵向边缘的自由边缘条。
开口以主区域为特征。换而言之，在主区域和一个或多个自由边缘条之间的界限相应于在带有和不带有开口的区域之间的过渡。
开口优选地基本上均匀地在主区域上分布。
在另外的特别优选的实施形式中，根据本发明的电池通过紧邻如下的特征a.至c.中的至少一个而出众：
a. 集电器的面积重量在主区域中相对于在自由边缘条中的集电器的面积重量以5%至80%减少，
b. 集电器在主区域中具有在5%至80%的范围中的孔面积，
c. 集电器在主区域中具有20 N/mm2至250 N/mm2的抗拉强度。
经常称为自由横截面的孔面积的确定可根据ISO 7806-1983进行。在主区域中的集电器的抗拉强度相对于没有开口的集电器减少。其确定可根据DIN EN ISO 527部分3进行。
优选的是，阳极集电器和阴极集电器关于开口相同或类似地构造。分别可得到的能量密度改善相加。根据本发明的电池因此在优选的实施形式中此外通过紧邻如下特征a.至c.中的至少一个而出众：
a. 阳极集电器的带状的主区域和阴极集电器的带状的主区域二者的特点在于多个开口，
b. 电池包括接触板件，其与第一纵向边缘中的一个处于直接接触，作为第一接触板件，以及此外第二金属板件，其与第一纵向边缘中的另一个处于直接接触，
c. 第二接触板件与该另一纵向边缘通过焊接连接。
特别优选的是，紧邻上文的特征a.至c.彼此组合实现。特征b.和c.可在组合中但是同样在没有特征a.的情况下实现。
设有开口的集电器的上文描述的优选的设计方案彼此独立地可应用于阳极集电器和阴极集电器。
穿孔的或以特别的方式设有多个开口的集电器的使用在锂离子电池中迄今未严肃地得到考虑，因为这样的集电器仅可非常差地电气接触。如开头提及的，集电器的电气连结经常通过单独的电气导体旗状物进行。在工业大批量生产过程中的穿孔的集电器处的该导体旗状物的可靠的焊接在没有可接受的故障率的情况下然而仅可困难地实现。
根据本发明，该任务通过集电器边缘与一个或多个接触板件的描述的焊接来解决。根据本发明的概念能够实现完全省略单独的导体旗状物且如此能够实现少材料的、设有开口的集电器的使用。尤其在其中集电器的自由边缘条未设有开口的实施形式中，焊接可可靠地以特别小的废品率实现。
从WO 2017/215900 A1或从JP 2004-119330 A已经已知集电器的边缘与接触板件的焊接的概念。接触板件的使用能够实现特别高的电流可负载能力和低内阻。关于可根据本发明使用的接触板件以及用于接触板件与集电器的边缘的电气连接的方法，因此全方面参考了WO 2017/215900 A1和JP 2004-119330 A的内容。
如果作为集电器使用非常薄的金属薄膜，如此集电器的纵向边缘可机械上非常敏感且在与接触板件的焊接期间无意地下压或熔化。此外，在焊接接触板件的情形中可产生电极隔膜复合件的隔膜的熔化。上面描述的支撑层反作用其。
在本发明的范畴中优选地可使用的接触板件也可称为接触板。其在优选的实施形式中板状地构造。
在一些优选的实施形式中，根据本发明的电池具有紧邻如下的特征a.和b.中的至少一个：
a. 作为接触板件、尤其作为接触板，使用板件、尤其金属板，带有在100 μm至600μm、优选地150-350 μm的范围中的厚度，
b. 接触板件、尤其接触板由铝、钛、镍、不锈钢或镀镍钢构成。
接触板件、尤其接触板可具有至少一个缝口和/或至少一个穿孔。其用于在制造焊接连接的情形中反作用接触板件、尤其板的变形。
接触板件可以以条带的形状构造，尤其带有在100 μm至600 μm、优选地150至350μm的范围中的上述厚度，或包括这样的金属条带。
在优选的实施形式中，根据本发明可使用的接触板件、尤其接触板具有盘片的形状、尤其圆形的或至少近似圆形的盘片的形状。其然后因此具有外部的圆形的或至少近似圆形的盘片边缘。近似圆形的盘片在此应尤其理解为如下盘片，其具有带有至少一个分离的圆形部段、优选地带有两个至四个分离的圆形部段的圆形的形状。
可使用的接触板件、尤其接触板也可具有多边形的、例如矩形的、五边形或六边形的基础面积。
在带有两个接触板件、尤其带有两个接触板的情况中，优选地两个接触板件、尤其两个接触板与根据本发明的电池的极、例如壳体极电气连接。
在特别优选的实施形式中，阳极集电器和焊接到其处的接触板件、尤其焊接到其处的接触板二者都由相同材料构成。其特别优选地由带有铜、镍、钛、镀镍钢和不锈钢的群组选择。
在另外的特别优选的实施形式中，阴极集电器和焊接到其处的接触板件、尤其焊接到其处的接触板二者都由相同材料构成。其特别优选地由带有铝、钛和不锈钢(例如1.4404型)的群组选择。
在可能的优选的改进方案中，根据本发明的电池通过紧邻如下的特征a.至c.中的至少一个而出众：
a. 与阳极集电器的纵向边缘通过焊接连接的金属接触板件、尤其与阳极集电器的纵向边缘通过焊接连接的金属接触板如此与纵向边缘处于接触，使得得出线式的接触区，
b. 与阴极集电器的纵向边缘通过焊接连接的金属接触板件、尤其与阴极集电器的纵向边缘通过焊接连接的金属接触板如此与纵向边缘处于接触，使得得出线式的接触区，
c. 阳极集电器和/或阴极集电器的第一纵向边缘包括一个或多个区段，其分别在其总长度上经由焊缝连续地与相应的接触板件、尤其与相应的接触板连接。
紧邻上文的特征a.和b.可不仅彼此独立地而且组合地实现。优选地，特征a.和b.然而在两个情况中与紧邻上文的特征c.组合地实现。
经由接触板件可能的是，集电器和因此同样对此从属的电极在其总长度上电气接触。这非常明显地降低在根据本发明的电池内的内阻。描述的组件可由此突出地捕获大电流的出现。以最小化的内阻，降低了在高电流中的热损失。此外，热能从缠绕的电极隔膜复合件的导走被促进。在强负载中，发热不是局部地而是均匀地分布地出现。
得出多个可能性，如接触板件、尤其接触板可与纵向边缘连接。
接触板件、尤其接触板可与纵向边缘沿线式的接触区经由至少一个焊缝连接。纵向边缘因此可包括一个或多个区段，其分别在其总长度上经由焊缝连续地与一个或多个接触板件、尤其一个或多个接触板连接。特别优选地，该区段具有5 mm、优选地10 mm、特别优选地20 mm的最小长度。
在可能的改进方案中，一个或多个与接触板件、尤其接触板在其总长度上连续地连接的区段在相应的纵向边缘的总长度的至少25%、优选地至少50%、特别优选地至少75%上延伸。
在一些优选的实施形式中，纵向边缘在其总长度上连续地与接触板件、尤其接触板焊接。
在另外的可能的实施形式中，接触板件、尤其接触板与相应的纵向边缘经由大量或多个焊接点连接。
电极隔膜复合件优选地以螺旋状的卷轴的形式存在。由此产生，阳极集电器和阴极集电器的从卷轴的末端的端侧离开的纵向边缘同样具有螺旋状的几何形状。类似的适用于线式的接触区，沿着其接触板件、尤其接触板与相应的纵向边缘焊接。
在使用接触板件、尤其接触板时，通常需要的是，接触板件、尤其接触板与壳体电气连接或但是与从壳体引出的电导体电气连接。例如，接触板件、尤其接触板对此可与提及的壳体部件直接或经由电导体连接。因为壳体部件经常用作电池的电气极，这经常甚至强制性地需要。
在一种特别优选的实施形式中，根据本发明的锂离子电池的壳体的圆形的上部件和/或圆形的下部件用作接触板件、尤其接触板。例如可能的是，用于封闭第一壳体部件的提及的圆形的盖板作为接触板件、尤其作为接触板与阳极或阴极集电器的从卷轴的末端的端侧离开的纵向边缘中的一个焊接。同样可设想，这些纵向边缘中的一个与杯状的第一壳体部件的底部的处于内部的侧面焊接。
该实施形式可特别有利。一方面，其从散热方面是最优的。在卷轴内出现的热量可经由纵向边缘直接给出到壳体处，在沿线式的接触区焊接的情况中几乎没有每个狭窄处。另一方面，可以以该方式几乎最优地充分利用电池壳体的内部空间。用于连接接触板件与壳体的单独的接触板件、尤其单独的接触板和电导体需要在电池壳体内的空间。在省略这样的单独的部件的情形中，该空间对于活性材料供使用。如此可进一步提高根据本发明的电池的能量密度。
应强调的是，该实施形式可完全独立于来自权利要求1的特征j.实现。本发明由此同样包括带有权利要求1的特征a.至i.的电池，在其中圆形的上部件和/或圆形的下部件用作接触板件、尤其接触板，在其中集电器但是不是强制性地具有多个开口。
在另外的可能的优选的改进方案中，根据本发明的电池通过紧邻如下的特征a.至c.中的至少一个而出众：
a. 隔膜是带状的塑料基底，带有在5 μm至50 μm的范围中、优选地在7 μm至12 μm的范围中的厚度，以及带有第一和第二纵向边缘和两个端部件，
b. 隔膜的纵向边缘形成电极隔膜复合件的末端的端侧，
c. 阳极集电器和/或阴极集电器的从卷轴的末端的端侧离开的纵向边缘从端侧伸出不超过5000 μm、优选地不超过3500 μm。
特别优选的是，紧邻上文的特征a.至c.彼此组合实现。
特别优选地，阳极集电器的纵向边缘从卷轴的端侧伸出不超过2500 μm、特别优选地不超过1500 μm。
特别优选地，阴极集电器的纵向边缘从卷轴的端侧伸出不超过3500 μm、特别优选地不超过2500 μm。
对于阳极集电器和/或阴极集电器的端侧的突出物的数字说明涉及在端侧与接触板件、尤其与接触板产生接触前自由的突出物。在接触和焊接接触板件、尤其接触板时可产生集电器的边缘的变形。
自由的突出物选择成越低，集电器的以电极材料覆盖的带状的主区域可构造成越宽。这正面地有助于根据本发明的电池的能量密度。
优选地，带状的阳极和带状的阴极在电极隔膜复合件内彼此错位地布置，以便确保阳极集电器的第一纵向边缘从末端的端侧中的一个离开且阴极集电器的第一纵向边缘从末端的端侧中的另一个离开。
根据本发明的锂离子电池可为纽扣电池。纽扣电池柱形地构造且具有高度，其低于其直径。优选地，高度处于4 mm至15 mm的范围中。另外优选的是，纽扣电池具有5 mm至25mm的范围中的直径。纽扣电池例如适用于以电能供给较小的电子仪器如表、助听器和无线耳机。
构造为纽扣电池的根据本发明的锂离子电池的额定容量通常为直至1500 mAh。优选地，额定容量处于100 mAh至1000 mAh的范围中、特别优选地在100至800 mAh的范围中。
特别优选地，根据本发明的锂离子电池是柱形的圆形电池。柱形的圆形电池具有高度，其高于其直径。其尤其适用于使用在汽车领域中、用于电动自行车或同样用于其他带有高能量需求的应用。
优选地，构造为圆形电池的锂离子电池的高度处于15 mm至150 mm的范围中。柱形的圆形电池的直径优选地处于10 mm至60 mm的范围中。在该范围内，例如18 x 65(直径乘以高度，mm)或21 x 70(直径乘以高度，mm)的形状系数是特别优选的。带有这些形状系数的柱形的圆形电池尤其适用于机动车的电气驱动器的电流供给。
构造为柱形的圆形电池的根据本发明的锂离子电池的额定容量优选地为直至90000 mAh。以21 x 70的形状系数，电池在一个实施形式中作为锂离子电池优选地具有1500 mAh至7000 mAh的范围中、特别优选地在3000至5500 mAh的范围中的额定容量。以18x 65的形状系数，电池在一个实施形式中作为锂离子电池优选地具有1000 mAh至5000 mAh的范围中、特别优选地在2000至4000 mAh的范围中的额定容量。
在欧盟，对于涉及二次电池的额定容量的说明的制造商陈述受到严格监管。如此，例如对于二次镍镉电池的额定容量的说明基于根据标准IEC/EN 61951-1和IEC/EN 60622的测量，对于二次镍氢电池的额定容量的说明基于根据标准IEC/EN 61951-2的测量，对于二次锂电池的额定容量的说明基于根据标准IEC/EN 61960的测量，且对于二次铅酸电池的额定容量的信息基于根据标准IEC/EN 61056-1的测量。本申请中的任何对于标称容量的说明优选地同样基于这些标准。
阳极集电器、阴极集电器和隔膜在其中根据本发明的电池是柱形的圆形电池的实施形式中优选地具有如下尺寸：
- 在0.5 m至25 m的范围中的长度，
- 在30 mm至145 mm的范围中的宽度。
沿第一纵向边缘延伸且未以电极材料装载的自由边缘条在这些情况中优选地具有不超过5000 μm的宽度。
在带有形状系数18 x 65的柱形的圆形电池的情况中，集电器优选地具有
- 56 mm至62 mm、优选地60 mm的宽度，和
- 不超过1.5 m的长度。
在带有形状系数21 x 70的柱形的圆形电池的情况中，集电器优选地具有：
- 56 mm至68 mm、优选地65 mm的宽度，和
- 不超过2.5 m的长度。
根据本发明的电池的上面描述的设计还能够实现另一显著优点。在其中集电器的电气连结经由开头提及的单独的导体旗状物实现的电极中，在充电和放电中直接在导体旗状物附近出现相比远离导体旗状物更大的热机械负载。该区别在负电极的情形中特别明显，其作为活性材料具有一定份额的硅、锡和/或锑，因为由这些材料构成的颗粒在充电和放电的情形中经受相对强烈的体积变化。如此，例如硅在负电极中多于10%的份额因此迄今仅证实为可困难控制。
一个或多个集电器经由接触板件、尤其经由接触板的电气连结不仅能够实现电池的提及的均匀的散热，相反由此同样在充电和放电中出现的热机械负载均匀地分布到卷轴上。令人惊奇地，这能够实现非常高份额的硅和/或锡和/或锑在负电极中的控制，在份额>20％时，在充电和放电的情形中，由于热机械负载，相对很少或没有观察到损坏。通过提高例如硅在阳极中的份额，可同样进一步提高电池的能量密度。
相应地，根据本发明的电池在特别优选的实施形式中通过紧邻如下的特征a.而出众：
a. 负电极材料作为负活性材料包括硅、铝、锡和/或锑，尤其微粒硅、铝、锡和/或锑，以20重量百分比至90重量百分比的份额。
重量说明在此涉及负电极材料的干质量，因此没有电解质且没有阳极集电器的重量的考虑。
应强调的是，该实施形式也可完全独立于来自权利要求1的特征j.实现。本发明由此同样包括带有权利要求1的特征a.至i.的电池，在其中阳极在充电状态中包括以20重量百分比至90重量百分比的微粒硅，在其中集电器但是不是强制性地具有多个开口。
从活性材料硅、铝、锡和锑中，硅是特别优选的。
本领域技术人员理解，锡、铝、硅和锑不必强制性地是在其最纯净形式中的金属。如此，例如硅颗粒还可以具有其他元素的痕迹，尤其其他金属(除锂外)，例如，以直至10重量百分比的份额。
本发明的另外的特征以及从本发明产生的优点从图纸以及从图纸的随后的描述得出。随后描述的实施形式仅用于阐释且用于更好理解本发明且不应以任何方式理解为受限。
附图说明
在图纸中：
图1示意性地示出了根据本发明的电池的可能的实施形式的截取视图，
图2示意性地示出了在根据本发明的设计方案中集电器的俯视图，
图3示意性地示出了在图2中呈现的集电器的截取视图，
图4示意性地示出了阳极的俯视图，其可加工成以卷轴的形式的电极隔膜复合件，
图5示意性地示出了在图4中呈现的阳极的截取视图，
图6示出了在使用在图4中呈现的阳极的情况下制造的电极隔膜复合件的俯视图，且
图7示出了在图6中呈现的电极隔膜复合件的截取视图。
具体实施方式
在图1中呈现的锂离子电池100包括由杯状的壳体部件101和盘状的壳体部件102构成的壳体。两个壳体部件(101;102)通过密封件103彼此分离。在壳体内布置有带有端侧104a和104b的以螺旋状的卷轴的形式的电极隔膜复合件104。电极隔膜复合件104包括螺旋状卷起的阳极和螺旋状卷起的阴极，其分别作为集电器具有带状的金属薄膜(在图1中未单独呈现)。电极在复合件104内彼此错位布置，从而阳极的集电器的纵向边缘110e从端侧104a和104b中的一个离开且阴极的集电器的纵向边缘115e从端侧中的另一个离开。电池100包括两个金属接触板105和106，其与纵向边缘110e和115e处于直接接触且与其焊接。接触板105经由电导体107与壳体部件102连接。接触板106直接与杯状的壳体部件101的底部焊接。
图2和图3表明了集电器110的设计，其可使用在图1中呈现的电池中。图3是沿着S1的截面。集电器110包括多个开口111，在其中其是矩形的孔。区域110a的特点在于开口111，反之在区域110b中沿纵向边缘110e不存在开口。集电器110因此在区域110a中具有相比在区域110b中明显更小的面积重量。
图4和图5表明了阳极120，其在将负电极材料123在两侧施覆到图2和图3中呈现的集电器110上的情况下制成。图5是沿S2的截面。集电器110此时具有带状的主区域122，其以由负电极材料123构成的层装载，以及自由边缘条121，其沿纵向边缘110e延伸且其未以电极材料123装载。电极材料123此外同样填充开口111。
图6和图7表明了电极隔膜复合件104，其在使用图4和图5中呈现的阳极120的情况下制成。此外，其包括阴极115以及隔膜118和119。图7是沿S3的截面。阴极115以与阳极120相同的集电器设计来构建。优选地，阳极120和阴极130的集电器110和115仅通过相应的材料选择来区分。如此，阴极130的集电器115包括带状的主区域116，其以由正电极材料125构成的层装载，以及自由边缘条117，其沿纵向边缘115e延伸且其未以电极材料125装载。通过螺旋状的卷起，电极隔膜复合件104可转化成卷轴，如其在根据本发明的电池中可包含的。

Claims (8)

1.一种锂离子电池(100)，带有如下特征：
a. 所述电池(100)包括带有序列阳极(120)/隔膜(118)/阴极(130)的带状的电极隔膜复合件(104)，
b. 所述阳极(120)作为阳极集电器(110)包括带状的金属薄膜，带有在4 μm至30 μm的范围中的厚度以及带有第一纵向边缘(110e)和第二纵向边缘和两个端部件，
c. 所述阳极集电器(110)具有带状的主区域(122)，其以由负电极材料(123)构成的层装载，以及具有自由边缘条(121)，其沿所述第一纵向边缘(110e)延伸且其未以所述电极材料(123)装载，
d. 所述阴极作为阴极集电器(115)包括带状的金属薄膜，带有在4 μm至30 μm的范围中的厚度以及带有第一纵向边缘(115e)和第二纵向边缘和两个端部件，
e. 所述阴极集电器(115)具有带状的主区域(116)，其以由正电极材料(125)构成的层装载，以及具有自由边缘条(117)，其沿所述第一纵向边缘(115e)延伸且其未以所述电极材料(125)装载，
f. 所述电极隔膜复合件(104)以带有两个末端的端侧(104a,104b)的卷轴的形式存在，
g. 所述阳极和所述阴极如此构造且/或在所述电极隔膜复合件(104)内如此彼此布置，使得所述阳极集电器(110)的第一纵向边缘(110e)从末端的端侧中的一个(104b)离开且所述阴极集电器(115)的第一纵向边缘(115e)从末端的端侧中的另一个(104a)离开，
h. 所述电池(100)包括金属接触板件(105,106)，其与所述第一纵向边缘(110e,115e)中的一个处于直接接触，和
i. 所述接触板件(105,106)与该纵向边缘(110e,115e)通过焊接连接，
以及附加的特征性特征
j. 与所述接触板件(105,106)通过焊接连接的集电器(110,115)的带状的主区域(122,116)具有多个开口(111)。
2.根据权利要求1所述的电池，具有如下附加特征中的至少一个：
a. 所述主区域中的开口(111)是圆孔或方孔，尤其冲孔或钻孔，
b. 与所述接触板件(105,106)通过焊接连接的集电器(110,115)在所述主区域(122,116)中穿孔，尤其通过圆孔或缝孔穿孔。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电池，具有如下附加特征：
a. 所述集电器中、尤其所述主区域中的开口(111)具有在1 µm至2000 µm的范围中的平均直径。
4.根据权利要求1或根据权利要求2所述的电池，具有如下附加特征中的至少一个：
a. 与所述接触板件(105,106)通过焊接连接的集电器(110,115)至少在所述主区域(122,116)的部分区段中具有相比相同集电器的自由边缘条(121,117)更小的面积重量，
b. 与所述接触板件(105,106)通过焊接连接的集电器(110,115)在所述自由边缘条(121,117)中相比在所述主区域(122,116)中每面积单位不具有或具有较少的开口(111)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电池，具有如下附加特征中的至少一个：
a. 所述集电器(110,115)的面积重量在所述主区域(122,116)中相对于在所述自由边缘条(121,117)中的所述集电器(110,115)的面积重量以5%至80%降低，
b. 所述集电器(110,115)在所述主区域(122,116)中具有在5%至80%的范围中的孔面积，
c. 所述集电器(110,115)在所述主区域中具有20 N/mm2至250 N/mm2的抗拉强度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电池，具有如下附加特征：
a. 所述阳极集电器(110)的带状的主区域(122)和所述阴极集电器(115)的带状的主区域(116)二者的特点在于多个开口(111)，
b. 所述电池(100)包括所述接触板件(106)，其与所述第一纵向边缘中的一个(110e)处于直接接触，作为第一接触板件，以及此外包括第二金属接触板件(105)，其与所述第一纵向边缘中的另一个(115e)处于直接接触，
c. 所述第二接触板件(105)与该另一纵向边缘(115e)通过焊接连接。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电池，具有如下附加特征中的至少一个：
a. 与所述阳极集电器(110)的纵向边缘(110e)通过焊接连接的接触板件(106)与所述纵向边缘如此处于接触，使得得出线式的接触区，
b. 与所述阴极集电器(115)的纵向边缘(115e)通过焊接连接的接触板件(105)与所述纵向边缘(115e)如此处于接触，使得得出线式的接触区，
c. 所述阳极集电器(110)和/或所述阴极集电器(115)的第一纵向边缘(110e,115e)包括一个或多个区段，其分别在其总长度上经由焊缝连续地与相应的接触板件(106,105)连接。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电池，具有如下附加特征中的至少一个：
a. 所述隔膜(118,119)是带状的塑料基底，带有在5 μm至50 μm的范围中的厚度以及带有第一和第二纵向边缘和两个端部件，
b. 所述隔膜(118,119)的纵向边缘形成所述电极隔膜复合件(104)的末端的端侧(104a,104b)，
c. 所述阳极集电器(110)和所述阴极集电器(115)的从所述卷轴的末端的端侧(104a,104b)离开的纵向边缘(110e,115e)从所述端侧(104a,104b)伸出最大直至5000 μm。
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