CN115668564A - 高比能量密度的锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

已知锂离子电池(100)，其包括顺序为阳极(120)/隔膜(118)/阴极(130)的电极‑隔膜‑复合件(104)，其中阳极(120)和阴极(130)分别包括集流体(110、115)，其具有第一和第二纵向边缘(110e、115e)，并且所述集流体分别具有装载有一层各自的电极材料(123、125)的主要区域(122、126)和沿第一边缘(110e、115e)延伸且不装载电极材料的空闲边缘条(121、117)。复合件(104)为具有两个末端端面的卷材的形式，或是由两个或更多个相同的电极‑隔膜‑复合件形成并且同样具有两个末端侧面的堆叠体的组成部分，并且任选与所述堆叠体的一个或多个其它相同的电极‑隔膜‑复合件一起，由外壳包围。阳极(120)和阴极(130)如此设计和/或在复合件(104)内如此相对于彼此布置，以使得阳极集流体的第一边缘(110e)从堆叠体的末端端面或侧面之一引出，并且阴极集流体的第一边缘(115e)从堆叠体的末端端面或侧面的另一个引出。所述电池(100)具有金属接触片部件(101a、102、155)，第一边缘(110e、115e)中的一个与该接触片部件直接接触，并且所述接触片部件通过焊接与其连接。提出了，负电极材料包含20重量%至90重量%含量的至少一种选自硅、铝、锡、锑和这些材料的化合物或合金的材料作为活性材料，其可以可逆地嵌入和脱嵌锂。

Description

高比能量密度的锂离子电池
下面描述的本发明涉及锂离子电池，其包括电极-隔膜-复合件。
电化学电池能够通过氧化还原反应将储存的化学能转化为电能。通常，它们包括正电极和负电极，它们被隔膜相互隔开。在放电期间，由于氧化过程，电子在负电极释放。这产生电子流，该电子流可以被外部耗电器截取，电化学电池用作其能量供应器。同时，在电池内产生对应于电极反应的离子流。这种离子流穿过隔膜并通过离子导电电解质实现。
如果放电是可逆的，即存在将放电过程中进行的化学能至电能的转化再次反转并因此对电池再次充电，则称为二次电池。在二次电池中通常常见的将负电极称为阳极并将正电极称为阴极基于电化学电池的放电功能。
广泛使用的二次锂离子电池基于锂的使用，锂可以离子的形式在电池的电极之间来回迁移。锂离子电池的特点在此是相对高的能量密度。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，该复合电极除了电化学活性组分外还包含电化学非活性组分。
原则上，所有能够吸收和再次释放锂离子的材料都可被考虑用作二次锂离子电池的电化学活性组分(活性材料)。碳基颗粒，例如石墨碳经常为此用于负电极。也可以使用适合于插入锂的其它非石墨碳材料。此外，还可以使用可与锂合金化的金属和半金属材料。例如，元素锡、铝、锑和硅能够与锂形成金属间相。例如，氧化锂钴(LiCoO2)、氧化锂锰(LiMn2O4)、钛酸锂(Li4Ti5O12)或磷酸铁锂(LiFePO4)或其衍生物可用作正电极活性物质。电化学活性材料通常以颗粒形式包含在电极中。
作为电化学非活性组分，复合电极通常包括扁平和/或带状集流体，例如金属膜，其涂有活性材料。负电极的集流体(阳极集流体)可以例如由铜或镍形成，正电极的集流体(阴极集流体)可以例如由铝形成。此外，电极可以包含电极粘合剂(例如聚偏二氟乙烯(PVDF)或另一种聚合物，例如羧甲基纤维素)。这确保了电极的机械稳定性，并且通常还确保了活性材料对集流体的粘附性。此外，电极可以包含提高导电性的添加剂和其它添加剂。
作为电解质，锂离子电池通常包含锂盐例如六氟磷酸锂(LiPF6)在有机溶剂(例如碳酸的醚和酯)中的溶液。
在锂离子电池的制造过程中，复合电极与一个或多个隔膜组合形成复合体。电极和隔膜通常在此通过层压或胶粘相互连接。然后可以通过用电解质浸渍复合件来建立电池的基本功能。
在许多实施方案中，复合体被设计为平坦的，以使得多个复合体可以平坦地彼此堆叠。然而，复合体非常经常以卷材的形式形成或加工成卷材。
通常，无论是否卷绕，复合体都包括正电极/隔膜/负电极的顺序。复合体通常被生产为所谓的双电池，其可能的顺序是负电极/隔膜/正电极/隔膜/负电极或正电极/隔膜/负电极/隔膜/正电极。
对于汽车领域的应用，电动自行车或其它具有高能量要求的应用(如在工具中)需要具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期间承受高电流。例如在WO 2017/215900 A1中描述了这样的电池。
用于上述应用的电池通常被设计为圆柱形的圆形电池，其例如具有21×70 (直径乘以高度，单位为mm)的形状因数。这种类型的电池总是包括卷材形式的复合体。这种形状因数的现代锂离子电池已经可以实现高达270 Wh/kg的能量密度。然而，这种能量密度仅被视为中间步骤。市场已经要求具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，除了能量密度之外，还有其它因素需要考虑。极其重要的参数还有应保持为尽可能低的电池内电阻，以减少充电和放电过程中的功率损失，以及可能对电池温度调节至关重要的电极热连接。这些参数对于包含卷材形式的复合体的圆柱形圆形电池也非常重要。当电池快速充电时，由于功率损耗，电池中会积聚热量，这会导致巨大的热机械负载，因此会导致电池结构变形和损坏。当集流体的电连接通过焊接到集流体上的单独的导体接线片(其从卷绕的复合体轴向引出)实现时，风险变严重，因为充电或放电期间的高负载会导致这些导体接线片处的局部加热。
特别是当在负电极中使用锡、铝、锑和/或硅作为活性材料时，可以实现非常高的能量密度。硅的最大容量大于3500 mAh/g。这是石墨比容量的大约十倍。然而，在实践中，使用具有高含量的所提到的金属活性材料的电极材料存在困难。由这些材料制成的颗粒在充电和放电过程中会发生相对强的体积变化。这导致机械负载，任选还导致机械损坏。例如，迄今为止，负电极中大于10%的硅含量只能困难地存在。
本发明所基于的目的是提供锂离子电池，其特征在于与现有技术相比改进的能量密度并且同时在其内电阻和其被动散热能力方面具有优异的特性。
该目的通过下文所述的锂离子电池，特别是下文所述的具有权利要求1的特征的锂离子电池的优选实施方案来实现。该优选实施方案的优选配置从从属权利要求中出现。
根据本发明的锂离子电池的特征总是在于以下特征a.至j.：
a. 该电池包括顺序为阳极/隔膜/阴极的电极-隔膜-复合件，优选顺序为阳极/隔膜/阴极的带状电极-隔膜-复合件，
b. 阳极包括阳极集流体，其具有第一和第二边缘，优选带状阳极集流体，其具有第一和第二纵向边缘以及两个端部，
c. 阳极集流体具有
- 装载有一层负电极材料的主要区域，优选装载有一层负电极材料的带状主要区域，以及
- 沿阳极集流体的第一边缘延伸，特别是沿阳极集流体的第一纵向边缘延伸且不装载电极材料的空闲边缘条，
d. 阴极包括阴极集流体，其具有第一和第二边缘，优选带状阴极集流体，其具有第一和第二纵向边缘以及两个端部，
e. 阴极集流体具有
- 装载有一层正电极材料的主要区域，优选装载有一层正电极材料的带状主要区域，以及
- 沿阴极集流体的第一边缘延伸，优选沿阴极集流体的第一纵向边缘延伸且不装载电极材料的空闲边缘条；
f. 电极-隔膜-复合件为具有两个末端端面的卷材的形式，或是由两个或更多个相同的电极-隔膜-复合件形成并且同时具有两个末端侧面的堆叠体的组成部分，
g. 电极-隔膜-复合件，任选与堆叠体的一个或多个其它相同的电极-隔膜-复合件一起，由外壳包围，
h. 阳极和阴极如此设计和/或在电极-隔膜-复合件内如此相对于彼此布置，以使得阳极集流体的第一边缘或纵向边缘从堆叠体的末端端面或侧面之一引出，并且阴极集流体的第一边缘或纵向边缘从堆叠体的末端端面或侧面的另一个引出，
i. 电池具有金属接触片部件，第一边缘或纵向边缘中的一个与该接触片部件直接接触，优选纵向接触，
j. 接触片部件通过焊接与该边缘或纵向边缘连接。
所述电池特别优选地包括两个接触片部件，其中一个与阳极集流体的第一边缘或纵向边缘直接接触，另一个与阴极集流体的第一边缘或纵向边缘直接接触，其中接触片部件和与其接触的边缘或纵向边缘分别通过焊接相互连接。
集流体用于尽可能大面积地电接触电极材料中包含的电化学活性组分。集流体优选由金属组成或至少在表面上金属化。例如铜或镍或其它导电材料，特别是铜和镍合金或涂有镍的金属适合作为阳极集流体的金属。原则上，不锈钢也可被考虑。例如铝或其它导电材料，特别是铝合金适合作为阴极集流体的金属。
阳极集流体和/或阴极集流体优选分别为厚度4μm至30μm的金属膜，特别是厚度4μm至30μm的带状金属膜。
然而，除了膜之外，其它带状基材如金属或金属化无纺布或开孔泡沫也可用作集流体。
集流体优选在两侧装载有各自的电极材料。
在空闲边缘条中，各自集流体的金属不含各自的电极材料。所述各自集流体的金属优选在那里未被覆盖，从而可用于电接触(例如通过焊接)。
然而，在一些实施方案中，空闲边缘条中的各自集流体的金属也可以涂有支撑材料，该支撑材料比被其涂覆的集流体更热稳定。
这里使用的“更热稳定”是指支撑材料在集流体的金属熔化的温度下保持固态。因此，它要么具有比金属更高的熔点，要么在金属已经熔化的温度下才升华或分解。
优选地，阳极集流体和阴极集流体都分别沿第一边缘，优选沿第一纵向边缘具有空闲边缘条，该空闲边缘条不装载各自的电极材料。在一个扩展方案中优选的是，阳极集流体的所述至少一个空闲边缘条和阴极集流体的所述至少一个空闲边缘条都涂有支撑材料。对于每个这些区域特别优选使用相同的支撑材料。
可在本发明的范围内使用的支撑材料原则上可以是金属或金属合金，只要其具有比组成所述涂有支撑材料的表面的金属更高的熔点。然而，在许多实施方案中，根据本发明的锂离子电池的特征优选在于直接以下附加特征a.至d.中的至少一个：
a. 支撑材料是非金属材料，
b. 支撑材料是电绝缘材料，
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)、氧化硅，特别是二氧化硅(SiO2 )或碳氮化钛(TiCN)。
根据本发明，支撑材料特别优选根据直接上述特征b.，特别优选根据直接上述特征d.形成。
术语非金属材料尤其包含塑料、玻璃和陶瓷材料。
在本情况下，术语电绝缘材料应被广义地解释。原则上，它包括各种电绝缘材料，尤其包括所述塑料。
在本情况下，术语陶瓷材料应被广义解释。这尤其被理解为是指碳化物、氮化物、氧化物、硅化物或这些化合物的混合物和衍生物。
特别地，术语“玻璃陶瓷材料”是指包含嵌入到无定形玻璃相中的结晶颗粒的材料。
术语“玻璃”原则上是指满足以上定义的热稳定性标准并且对电池中任选存在的电解质化学稳定的各种无机玻璃。
特别优选地，阳极集流体由铜或铜合金组成，而同时阴极集流体由铝或铝合金组成，并且支撑材料为氧化铝或氧化钛。
还可能优选的是，阳极和/或阴极集流体的空闲边缘条涂有支撑材料条。
阳极集流体和阴极集流体的主要区域，特别是带状主要区域，优选平行于集流体的各自边缘或纵向边缘延伸。带状主要区域优选在阳极集流体和阴极集流体的面积的至少90%，特别优选至少95%上延伸。
在一些优选实施方案中，支撑材料施加在优选带状的主要区域旁边，但不完全覆盖空闲区域。例如，它以条或线的形式沿着阳极和/或阴极集流体的边缘，特别是阳极和/或阴极集流体的纵向边缘施加，以使得它仅部分覆盖各自的边缘条。直接沿着该边缘或纵向边缘，空闲边缘条的细长部分区域可以保持未覆盖。
根据本发明的锂离子电池特别优选是二次锂离子电池。
原则上，所有已知用于二次锂离子电池的电极材料都可用于电池的阳极和阴极。
在负电极中使用的活性材料可以是碳基颗粒，例如石墨碳或能够插入锂的非石墨碳材料，其优选同样呈颗粒形式。替代地或附加地，钛酸锂(Li4Ti5O12)或其衍生物也可以包含在负电极中，优选同样呈颗粒形式。
然而，根据本发明的电池除了强制性特征a.至j.之外的特征尤其在于直接以下特征k.：
k. 负电极材料包含20重量%至90重量%含量的至少一种选自硅、铝、锡、锑和这些材料的化合物或合金的材料作为活性材料，其可以可逆地嵌入和脱嵌锂。
在此，重量数据基于负电极材料的干质量，即不含电解质并且不考虑负电极集流体的重量。
如开头所述，锡、铝、锑和硅能够与锂形成金属间相。吸收锂的能力特别是在硅的情况下高达石墨或类似材料的多倍。
在所提及的优选同样以颗粒形式使用的活性材料中，特别优选硅。根据本发明，特别优选其负电极包含20重量%至90重量%含量的硅作为活性材料的电池。
硅、铝、锡和/或锑的一些化合物也可以可逆地嵌入和脱嵌锂。例如，在一些优选实施方案中，硅可以氧化形式包含在负电极中。在这些实施方式中可能优选的是，负电极具有20重量%至90重量%含量的氧化硅。
根据本发明的电池设计实现显著优点。如上所述，在集流体的电连接通过开头提到的单独的导体接线片实现的电极的情况下，在充电和放电期间直接在导体接线片附近出现比远离导体接线片之处更大的热机械负载。这种差异在具有一定含量的硅、铝、锡和/或锑作为活性材料的负电极的情况下尤其明显。
所述一个或多个集流体通过接触片部件的电连接不仅使根据本发明的电池能够相对均匀和有效地散热，而且由此还使得在充电和放电期间出现的热机械负载均匀地分布在卷材上。令人惊讶的是，这使得能够在负电极中存在非常高含量的硅和/或锡和/或锑；在含量大于50%时，在充电和放电期间相对少地或不发生由于热机械负载产生的损坏。例如，通过增加阳极中的硅含量，可以大大提高电池的能量密度。
本领域技术人员理解锡、铝、硅和锑不一定必须是它们最纯净形式的金属。例如，硅颗粒也可以包含痕量或一定含量，例如最高40重量%含量，特别是最高10重量%含量的其它元素，特别是其它金属(除了根据充电状态无论如何都包含的锂)。因此也可以使用锡、铝、硅和锑的合金。
在特别优选的实施方案中，根据本发明的电池的特征在于直接以下特征a.和b.中的至少一个：
a. 负电极材料还包含能够可逆地嵌入和脱嵌锂的碳基颗粒，例如石墨碳，特别是硅和这些碳基颗粒的混合物作为负极活性材料，
b. 能够插入锂的碳基颗粒在电极材料中的含量为5重量%至75重量%，特别是15重量%至45重量%。
在另一个特别优选的实施方案中，根据本发明的电池的特征在于直接以下特征a.至c.中的至少一个：
a. 负电极材料包含电极粘合剂和/或导电剂，
b. 负电极材料中的电极粘合剂的含量为1重量%至15重量%，特别是1重量%至5重量%，
c. 负电极材料中的导电剂的含量为0.1重量%至15重量%，特别是1重量%至5重量%。
特别优选的是，直接以下特征a.至c.相互组合实现。
活性材料优选嵌入电极粘合剂的基质中，其中基质中的相邻颗粒优选彼此直接接触。
导电剂用于增加电极的导电性。常用的电极粘合剂例如基于聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯酸酯或羧甲基纤维素。常用的导电剂是炭黑和金属粉末。
在本发明的上下文中特别优选的是，正电极材料包含PVDF粘合剂，负电极材料包含聚丙烯酸酯粘合剂，特别是聚丙烯酸锂。
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可被考虑作为正电极的活性材料。还非常合适的特别是具有分子总式LiNixMnyCozO2 (其中x + y + z通常为1)的锂镍锰钴氧化物(NMC)、具有分子总式LiMn2O4的锂锰尖晶石(LMO)或具有分子总式LiNixCoyAlzO2 (其中x + y + z通常为1)的锂镍钴铝氧化物(NCA)。也可以使用其衍生物，例如具有分子总式Li1.11(Ni0.40Mn0.39Co0.16Al0.05)0.89O2的锂镍锰钴铝氧化物(NMCA)或Li1+x M-O化合物和/或所述材料的混合物。
根据本发明的电池的阳极中的高硅含量产生相应高容量的阴极，以能够实现良好的电池平衡。因此，特别优选NMC、NCA或NMCA。
在特别优选的实施方案中，根据本发明的电池的特征在于直接以下特征a.至e.中的至少一个：
a. 正电极材料包含至少一种能够可逆地嵌入和脱嵌锂的金属氧化物化合物作为活性材料，优选上述化合物中的一种，特别是NMC、NCA或NMCA，
b. 至少一种氧化物化合物在电极材料中的含量为50重量%至99重量%，特别是80重量%至99重量%，
c. 正电极材料同样优选包含电极粘合剂和/或导电剂，
d. 正电极材料中的电极粘合剂的含量为1重量%至15重量%，特别是2重量%至5重量%，
e. 正电极材料中的导电剂的含量为0.1重量%至15重量%。
特别优选的是，直接上述特征a.至e.相互组合实现。
在正电极的情况下和在负电极的情况下都优选的是，电极材料中各自包含的组分的百分含量合计为100重量%。
高容量阴极可以在200-250 mAh/g的范围内可逆地储存锂，而硅的理论容量为约3500 mAh/g。这导致具有高表面负载的相对厚的阴极和具有低表面负载的非常薄的阳极。由于诸如硅之类的材料由于容量非常高而对小的电压变化反应强烈，应尽可能均匀地涂覆阳极集流体。即使集流体负载和/或电极材料压实的小差异也会导致电极平衡和/或稳定性的严重局部偏差。
因此，根据本发明的电池在优选实施方案中的特征在于直接以下特征a.：
a. 负电极(120)的单位面积重量对于每至少10 cm2的单位面积而言与平均值的偏差为最大2%。
在此，平均值由至少10次测量结果的总和除以进行的测量次数的商得出。
此外，电池优选包含电解质，其例如基于至少一种锂盐如六氟磷酸锂(LiPF6)，其为溶解在有机溶剂中(例如有机碳酸酯的混合物中)的形式。
在特别优选的实施方案中，根据本发明的电池的特征在于直接以下特征a.至d.中的至少一个：
a. 该电池包含含有四氢呋喃(THF)和2-甲基四氢呋喃(mTHF)的混合物的电解质，
b. 混合物中THF:mTHF的体积比为2:1至1:2，特别优选1:1，
c. 该电池包含含有LiPF6作为导电盐的电解质，
d. 导电盐在电解质中的含量为1.5至2.5 M，特别是2 M。
根据本发明的电池的电解质特别优选在于所有上述特征a.至d.。
在替代性的特别优选的实施方案中，根据本发明的电池的特征在于直接以下特征a.至e.中的至少一个：
a. 该电池包含含有碳酸氟代亚乙酯(FEC)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物的电解质，
b. 混合物中FEC:EMC的体积比为1:7至5:7，特别优选3:7，
c. 该电池包含含有LiPF6作为导电盐的电解质，
d. 导电盐在电解质中的浓度为1.0至2.0 M，特别是1.5 M，
e. 电解质包含碳酸亚乙烯酯(VC)，特别以1至3重量%的含量。
根据本发明的电池的电解质的特征特别优选在于所有上述特征a.至e.。
隔膜例如是电绝缘塑料膜，其可以被电解质穿过，例如因为它具有微孔。该膜可以例如由聚烯烃或聚醚酮形成。由这种塑料材料制成的无纺布和织物也可以用作隔膜。
为了改进循环稳定性，根据本发明的电池的阳极与阴极的容量之比优选地如此平衡，以使得不充分利用硅的可能容量。
根据本发明的电池的特征特别优选在于直接以下的特征a.：
e. 根据本发明的电池的阳极与阴极的容量如此平衡，以使得在运行过程中每克负电极的电极材料可逆地使用仅700-1500 mAh。
通过该措施，可以明显减少体积变化。
带状阳极和带状阴极优选在电极-隔膜-复合件内彼此错开布置，以确保阳极集流体的第一纵向边缘从末端端面之一引出，并且阴极集流体的第一纵向边缘从末端端面的另一个引出。
在生产电极和隔膜的复合件时，通常要注意的是极性相反的集流体不在一侧突出，因为这会增加短路的风险。然而，在所描述的阳极和阴极的错开布置的情况下，短路的风险被最小化，因为极性相反的集流体从卷材的相反端面或堆叠体的相反侧面引出。
根据本发明，可以利用由错开布置产生的集流体的突出，这通过将它们借助相应的电流导体，优选在它们的整个长度上接触来实现。根据本发明，上述接触片部件用作电流导体。这种电接触非常明显地降低根据本发明的电池内的内电阻。因此，所描述的布置可以很好地拦截大电流的出现。通过最小化的内电阻，高电流下的热损失减少。此外，促进了从经卷绕的电极-隔膜-复合件的热能散出。在严重负载的情况下，加热不会局部发生，而是均匀分布地发生。
除了提到的元件之外，根据本发明的锂离子电池有利地还包括由两个或更多个外壳部件制成的外壳，该外壳优选以气密性和/或液密性方式包围卷材形式的电极-隔膜-复合件。
在使用接触片部件时，通常需要将接触片部件与外壳或与从外壳引出的电导体电连接。例如，接触片部件可以为此与所述外壳部件直接地或通过电导体连接。
如果电极-隔膜-复合件是由两个或更多个相同电极-隔膜-复合件制成的堆叠体的组成部分，则所述相同的电极-隔膜-复合件布置在堆叠体内，以使得它们的阳极集流体的边缘和任选它们的阳极集流体的纵向边缘、以及它们的阳极集流体的边缘和任选它们的阴极集流体的纵向边缘分别从堆叠体的同一侧面引出。这样，所有的阳极集流体和所有的阴极集流体可以同时与各自相同的接触片部件电接触。
在特别优选的实施方案中，根据本发明的电池的特征在于外壳的一部分用作接触片部件和/或接触片部件形成包围电极-隔膜-复合件的外壳的一部分。
这些实施方案是特别有利的。一方面，它从散热角度而言是最佳的。在卷材内产生的热量可以通过边缘，尤其是纵向边缘直接释放到外壳上。另一方面，以这种方式可以几乎最佳地利用具有预定外部尺寸的外壳的内部体积。每个单独的接触片部件和每个用于将接触片部件与外壳连接的单独的电导体需要外壳内的空间并且增加电池的重量。如果不使用这种单独的组件，该空间可用于活性材料。由此可以进一步提高根据本发明的电池的能量密度。
在第一特别优选的接触变体中，根据本发明的电池的特征在于直接以下特征a.至b.中的至少一个，特别优选在于这两个特征的组合：
a. 外壳包括具有底部和环绕侧壁以及开口的杯状第一外壳部件和封闭该开口的第二外壳部件，
b. 接触片部件是第一外壳部件的底部。
外壳优选被设计为圆柱形或棱柱形。杯状第一外壳部件相应地优选具有圆形或矩形的横截面，并且第二外壳部件以及第一外壳部件的底部相应地优选被设计为圆形或矩形。
如果电极-隔膜-复合件呈具有两个末端端面的卷材的形式，该外壳优选是圆柱形的。相反，如果电极-隔膜-复合件是由两个或更多个相同的电极-隔膜-复合件制成的堆叠体的组成部分，则该外壳优选被设计为棱柱形的。
如果外壳被设计为圆柱形的，则它通常包括圆柱形外壳外罩以及圆形上部和圆形下部，其中在该变体中，第一外壳部件包括外壳外罩和圆形下部，而第二外壳部件对应于圆形上部。圆形上部和/或圆形下部可以用作接触片部件。
如果外壳被设计为棱柱形的，则外壳通常包括多个矩形侧壁以及多边形的，特别是矩形的上部和多边形的，特别是矩形的下部，其中在该变体中，第一外壳部件包括侧壁和多边形下部，而第二外壳部件对应于圆形多边形上部。上部和/或下部可以用作接触片部件。
第一和第二外壳部件都优选由导电材料，特别是金属材料制成。外壳部件例如可以彼此独立地由镀镍钢板或由合金或非合金铝组成。
在第一接触变体的优选扩展方案中，根据本发明的电池的特征在于直接以下特征a.至e.中的至少一个，特别是在于直接以下特征a.至e.的组合：
a. 电池具有金属接触片部件，阳极集流体的第一边缘或第一纵向边缘与该接触片部件直接接触，优选纵向地直接接触，并且该边缘或纵向边缘通过焊接与该接触片部件连接，
b. 电池具有金属接触片部件，阴极集流体的第一边缘或第一纵向边缘与该接触片部件直接接触，优选纵向地直接接触，并且该边缘或纵向边缘通过焊接与该接触片部件连接，
c. 接触片部件之一是第一外壳部件的底部，
d. 接触片部件的另一个通过电导体与第二外壳部件连接，
e. 电池包括将第一和第二外壳部件彼此电绝缘的密封件。
在这个实施方案中，可以使用传统的外壳部件来包围电极-隔膜-复合件。布置在底部和电极-隔膜-复合件之间的电导体不浪费空间。底部侧不需要单独的接触片部件。为了封闭外壳，可以将电绝缘密封件拉到第二外壳部件的边缘上。第二外壳部件和密封件的组件可以插入到第一外壳部件的开口中并且在那里机械固定，例如通过翻边工艺。
在第一接触变体的特别优选的实施方案中，第二外壳部件也可以用作接触片部件。在该实施方案中，根据本发明的电池的特征在于直接以下特征a.至e.中的至少一个，特别是在于直接以下特征a.至e.的组合：
a. 电池具有金属接触片部件，阳极集流体的第一边缘或第一纵向边缘与该接触片部件直接接触，优选纵向地直接接触，并且该边缘或纵向边缘通过焊接与该接触片部件连接，
b. 电池具有金属接触片部件，阴极集流体的第一边缘或第一纵向边缘与该接触片部件直接接触，优选纵向地直接接触，并且该边缘或纵向边缘通过焊接与该接触片部件连接，
c. 接触片部件之一是第一外壳部件的底部，
d. 接触片部件中的另一个是第二外壳部件，
e. 电池包括将第一和第二外壳部件彼此电绝缘的电密封件。
在该实施方案中，在电极-隔膜-复合件的任一侧上都不需要用于将接触片部件与外壳部件连接的电导体。在一侧上，接触片部件之一还具有外壳部件的功能，在另一侧上，外壳的一部分用作接触片部件。外壳内的空间可以得到最佳利用。
在第一接触变体的另一个优选扩展方案中，根据本发明的电池的特征在于直接以下特征a.至e.中的至少一个：
a. 电池具有金属接触片部件，阳极集流体的第一边缘或第一纵向边缘与该接触片部件直接接触，优选纵向地直接接触，并且该边缘或纵向边缘通过焊接与该接触片部件连接，
b. 电池具有金属接触片部件，阴极集流体的第一边缘或第一纵向边缘与该接触片部件直接接触，优选纵向地直接接触，并且该边缘或纵向边缘通过焊接与该接触片部件连接，
c. 接触片部件之一是第一外壳部件的底部，
d. 第二外壳部件焊接到第一外壳部件的开口中并且包括极套管，例如被电绝缘体包围的极栓，电导体通过该极套管从外壳中引出，
e. 接触片部件的另一个与电导体电连接。
特别优选的是，直接上述特征a.至e.相互组合实现。
在该实施方案中，外壳部件相互焊接并且因此相互电连接。因此，需要所述极套管。
在第二优选接触变体中，根据本发明的电池的特征在于直接以下特征a.至b.中的至少一个，特别优选在于这两个特征的组合：
a. 外壳包括具有两个末端开口的管状第一外壳部件、封闭开口之一的第二外壳部件和封闭开口中的另一个的第三外壳部件，
b. 接触片部件是第二外壳部件或第三外壳部件。
在这种接触变体中，电池的外壳也优选被设计为圆柱形或棱柱形。管状第一外壳部件相应优选地具有圆形或矩形的横截面，并且第二和第三外壳部件相应优选地被设计为圆形或矩形的。
如果外壳被设计为圆柱形的，则第一外壳部件通常被设计为中空圆柱形，而第二和第三外壳部件被设计为圆形并且可用作接触片部件，以及同时用作底部和盖子，它们可在末端封闭第一外壳部件。
如果外壳被设计为棱柱形的，则第一外壳部件通常包括多个通过公共边缘相互连接的矩形侧壁，而第二和第三外壳部件分别被设计为多边形，特别是矩形的。第二和第三外壳部件都可以用作接触片部件。
第一和第二外壳部件都优选地由导电材料，特别是金属材料制成。外壳部件可以由例如镀镍钢板、不锈钢(例如类型1.4303或1.4304)、铜、镀镍铜或合金或非合金铝组成。还可能优选的是，与阴极电连接的外壳部件由铝或铝合金组成，而与阳极电连接的外壳部件由铜或铜合金或镀镍铜组成。
该变体的巨大优点是不需要通过上游成形和/或浇注操作生产的杯状外壳部件来形成外壳。取而代之，所述管状第一外壳部件用作起点。
在第二变体的优选扩展方案中，根据本发明的电池的特征在于直接以下特征a.至e.中的至少一个，特别是在于直接以下特征a.至e.的组合：
a. 电池具有金属接触片部件，阳极集流体的第一边缘或第一纵向边缘与该接触片部件直接接触，优选纵向地直接接触，并且该边缘或纵向边缘通过焊接与该接触片部件连接，
b. 电池具有金属接触片部件，阴极集流体的第一边缘或第一纵向边缘与该接触片部件直接接触，优选纵向地直接接触，并且该边缘或纵向边缘通过焊接与该接触片部件连接，
c. 接触片部件之一焊接到第一外壳部件的末端开口之一中并且是第二外壳部件，
d. 第三外壳部件焊接到第一外壳部件的末端开口的另一个中并且包括极套管(电导体通过该极套管从外壳中引出)，例如被电绝缘体包围的极栓，
e. 接触片部件的另一个与电导体电连接。
特别优选的是直接上述特征a.至e.相互组合实现。
在第二变体的另一个优选扩展方案中，根据本发明的电池的特征在于直接以下特征a.至d.中的至少一个：
a. 电池具有金属接触片部件，阳极集流体的第一边缘或第一纵向边缘与该接触片部件直接接触，优选纵向地直接接触，并且该边缘或纵向边缘通过焊接与该接触片部件连接，
b. 电池具有金属接触片部件，阴极集流体的第一边缘或第一纵向边缘与该接触片部件直接接触，优选纵向地直接接触，并且该边缘或纵向边缘通过焊接与该接触片部件连接，
c. 接触片部件之一焊接到第一外壳部件的末端开口之一中并且是第二外壳部件，
d. 接触片部件的另一个作为第三外壳部件封闭第一外壳部件的末端开口的另一个，并且借助密封件与第一外壳部件绝缘。
特别优选的是，直接上述特征a.至d相互组合实现。
这两个实施方案的特征在于，在外壳的一侧上接触片部件用作外壳部件并且通过焊接与第一外壳部件连接。在另一侧上，接触片部件同样可以用作外壳部件。然而，这必须与第一外壳部件电绝缘。替代地，这里也可以使用极套管进行操作。
根据本发明的电池的极套管总是包括电绝缘体，该电绝缘体防止外壳与引出外壳的电导体之间的电接触。电绝缘体可以是例如玻璃或陶瓷材料或塑料。
电极-隔膜-复合件优选为圆柱形卷材的形式。以这种卷材的形式提供电极允许特别有利地利用圆柱形外壳中的空间。因此，在优选实施方案中，外壳也是圆柱形的。
在其它优选实施方案中，电极-隔膜-复合件优选为棱柱形卷材的形式。以这种卷材的形式提供电极允许特别有利地利用棱柱形外壳中的空间。因此，外壳在优选实施方案中也是棱柱形的。
此外，棱柱形外壳可以特别好地填充有由上面介绍的相同电极-隔膜-复合件制成的棱柱形堆叠体。为此，电极-隔膜-复合件可以特别优选地具有基本上矩形的基本形状。
应该强调的是，其中外壳的一部分用作接触片部件和/或接触片部件形成包围电极-隔膜-复合件的外壳的一部分的所有描述的实施方案，特别是第一和第二接触变体，也可完全独立于权利要求1的特征k.实现。因此本发明还包括具有权利要求1的特征a.至j.的电池，其中所述外壳的一部分用作所述接触片部件和/或所述接触片部件形成所述外壳的一部分，但阳极不一定具有20重量%至90重量%含量的硅、铝、锡和/或锑作为活性材料。
在特别优选的实施方案中，根据本发明的电池的特征在于直接以下的特征a.至c.中的至少一个：
a. 通过焊接与接触片部件连接的集流体的主要区域，优选通过焊接与接触片部件连接的集流体的带状主要区域具有大量通孔，
b. 主要区域中的通孔是圆形或方形孔，特别是冲孔或钻孔，
c. 通过焊接与接触片部件连接的集流体在主要区域中被穿孔，特别是通过圆孔或凹槽穿孔。
所述大量通孔导致集流体的体积减小以及重量减小。这使得可以将更多的活性材料引入电池中，从而大大提高电池的能量密度。由此可以实现将能量密度提高到两位数的百分比范围。
在一些优选实施方案中，所述通孔通过激光引入带状主要区域中。
原则上，所述通孔的几何形状对于本发明不是重要的。重要的是由于这些通孔的引入而减少了集流体的质量并且存在更多用于活性材料的空间，因为这些通孔可以填充有活性材料。
相反，可能非常有利的是，在引入这些通孔时注意这些通孔的最大直径不会太大。这些通孔应该优选地不超过各自集流体上的电极材料层厚度的两倍。
在特别优选的实施方案中，根据本发明的电池的特征在于直接以下的特征a.：
a. 集流体中的通孔，特别是主要区域中的通孔，具有1μm至3000μm的直径。
在该优选范围内，更优选10μm至2000μm，优选10μm至1000μm，特别是50μm至250μm的直径。
根据本发明的电池的特征特别优选在于直接以下特征a.和b.中的至少一个：
a. 通过焊接与接触片部件连接的集流体至少在主要区域的部分区段中具有比相同集流体的空闲边缘条更低的单位面积重量，
b. 通过焊接与接触片部件连接的集流体在空闲边缘条中没有或比在主要区域中具有每单位面积更少的通孔。
特别优选的是直接以下特征a.和b.相互组合实现。
阳极和阴极集流体的空闲边缘条将主要区域界定至第一边缘或第一纵向边缘。阳极和阴极集流体都优选地包括各自沿着它们的两个边缘，特别是沿着它们的两个纵向边缘的空闲边缘条。
所述通孔表征主要区域。换言之，所述主要区域与所述一个或多个空闲边缘条之间的边界对应于具有和不具有通孔的区域之间的过渡。
所述通孔优选地基本上均匀地分布在主要区域上。
在另一个特别优选的实施方案中，根据本发明的电池的特征在于直接以下特征a.至c.中的至少一个：
a. 集流体在主要区域中的单位面积重量相比于集流体在空闲边缘条中的单位面积重量而言减少了5%至80%；
b. 集流体在主要区域中具有5%至80%的孔面积；
c. 集流体在主要区域中具有20N/mm2至250N/mm2的抗拉强度。
孔面积(通常也称为空闲横截面)可根据ISO 7806-1983测定。与没有这些通孔的集流体相比，集流体在主要区域中的抗拉强度降低。其可根据DIN EN ISO 527第3部分测定。
优选地，阳极集流体和阴极集流体在这些通孔方面具有相同或相似的设计。各自可实现的能量密度改进相加。在优选实施方案中，根据本发明的电池的特征因此还在于直接以下特征a.至c.中的至少一个：
a. 阳极集流体的主要区域和阴极集流体的主要区域，优选阳极集流体的带状主要区域和阴极集流体的带状主要区域的特征均在于大量通孔，
b. 该电池包括作为第一接触片部件的置于第一边缘或纵向边缘之一上的接触片部件，以及置于第一边缘或纵向边缘中的另一个上的第二金属接触片部件，
c. 第二接触片部件通过焊接与该另一边缘或纵向边缘连接。
特别优选的是直接上述特征a.至c.相互组合实现。特征b.至c.可以组合地、但在没有特征a.的情况下实现。
配备有通孔的集流体的上述优选实施方案可彼此独立地施加在阳极集流体和阴极集流体上。
迄今，在锂离子电池中尚未认真考虑使用穿孔或以其它方式配备有大量通孔的集流体，因为这种集流体仅可困难地电接触。如开头所述，集流体的电连接通常通过单独的导体接线片进行。然而，在没有可接受的错误率的工业大规模生产过程中，仅可困难地将这些导体接线片可靠地焊接到经穿孔的集流体上。
根据本发明，该问题通过根据所述将集流体边缘与所述一个或多个接触片部件焊接来解决。根据本发明的概念能够完全省去单独的导体接线片，从而可以使用材料少且配备有通孔的集流体。特别是在集流体的空闲边缘条没有配备通孔的实施方案中，焊接可以以极低的废品率可靠地进行。
如果使用非常薄的金属膜作为集流体，则集流体的边缘，尤其是集流体的纵向边缘，可能对机械非常敏感，并且在与接触片部件焊接时在很大程度上被无意压下或熔化下来。此外，在开始焊接接触片部件时，电极-隔膜-复合件的隔膜会熔化。上述支撑层抵消了这一点。
应该强调的是，其中通过焊接与接触片部件连接的集流体的优选带状主要区域具有大量通孔的所有描述的实施方案可以完全独立于权利要求1的特征k.实现。因此本发明还包括具有权利要求1的特征a.至j.的电池，其中通过焊接与接触片部件连接的集流体的带状主要区域具有大量通孔，但阳极不一定具有20重量%至90重量%含量的硅、铝、锡和/或锑作为活性材料。
从WO 2017/215900 A1或从JP 2004-119330 A中已知将集流体的边缘与接触片部件焊接的概念。使用接触件部件能够实现特别高的载流能力和低内电阻。关于将接触片部件与集流体的边缘电连接的方法，因此完整地参考WO 2017/215900 A1和JP 2004-119330A的内容。
在本发明范围内可优选使用的接触片部件也可以被称为接触板。它们在优选实施方案中被设计为板状。
在一些优选实施方案中，根据本发明的电池具有直接以下特征a.和b.中的至少一个：
a. 厚度为50μm至600μm，优选150-350μm的金属板用作接触片部件，特别是用作接触板，
b. 所述接触片部件，特别是接触板，由合金或非合金铝、钛、镍或铜组成，但任选由不锈钢(例如类型1.4303或1.4304)或镀镍钢组成。
在接触片部件是外壳的一部分的所述情况中和在接触片部件不用作外壳的一部分的情况下，所示厚度都是优选的。
特别是在接触片部件，尤其是接触板不用作外壳的一部分的实施方案中，它可以具有至少一个凹槽和/或至少一个穿孔。它们用于在焊接连接的生产过程中对抗所述片部件，特别是板的变形。
特别是在接触片部件，尤其是接触板用作外壳的一部分的实施方案中，优选省去凹槽和穿孔。然而，这种接触片部件，尤其是这种接触板，可以具有通孔，尤其是中心区域中的孔。
在外壳被设计为圆柱形的情况中，优选使用接触片部件，特别是接触板，其具有盘形，特别是圆形或至少近似圆形盘的形状。此时，它们具有外部圆形或至少近似圆形的盘边缘。近似圆形盘在此尤其应理解为具有圆形形状的盘，该圆形形状具有至少一个分开的圆弧段，优选具有两个至四个分开的圆弧段。
在外壳被设计为圆柱形的情况中，优选使用具有矩形基本形状的接触片部件，特别是接触板。
在特别优选的实施方案中，阳极集流体和与其焊接的接触片，特别是与其焊接的接触板，均由相同的材料组成。这特别优选地选自铜、镍、钛、镀镍钢和不锈钢。
在另一个特别优选的实施方案中，阴极集流体和与其焊接的接触片，特别是与其焊接的接触板，均由相同的材料组成。这特别优选地选自合金或非合金铝、钛和不锈钢(例如类型1.4404)。
如上所述，根据本发明的电池具有金属接触片部件，第一边缘之一，特别是第一纵向边缘之一与该金属接触片部件直接接触，优选纵向地直接接触。这会导致线形接触区。
在可能的优选扩展方案中，根据本发明的电池的特征在于直接以下特征a.至c.中的至少一个：
a. 阳极集流体的第一边缘，特别是阳极集流体的第一纵向边缘与金属接触片部件直接接触，优选纵向地直接接触，并且通过焊接与该接触片部件连接，其中在所述边缘或纵向边缘和金属接触片部件之间存在线形接触区，
b. 阴极集流体的第一边缘，特别是阴极集流体的第一纵向边缘与金属接触片部件直接接触，优选纵向地直接接触，并且通过焊接与该接触片部件连接，其中在所述边缘或纵向边缘和金属接触片部件之间存在线形接触区，
c. 阳极集流体的第一边缘或纵向边缘和/或阴极集流体的第一边缘或纵向边缘包括一个或多个区段，它们各自在它们的整个长度上通过焊缝连贯地与各自的接触片部件连接。
直接上述特征a.和b.可以各自彼此独立地以及组合地实现。但是，优选地，特征a.和b.在这两种情况中都与直接上述特征c.组合实现。
通过所述接触片部件，集流体和因此相关联的电极可以在它们的整个长度上电接触。恰好这一点有利于如所述那样非常明显地降低根据本发明的电池内的内电阻。因此，所述布置可以以极好的方式拦截大电流的出现。通过最小化的内电阻，大电流下的热损失也减少。此外，促进了电极-隔膜-复合件的热能散出。
关于如何能够将接触片部件与边缘，特别是纵向边缘连接，存在多种可能方式。
接触片部件可以沿着线形接触区与所述边缘或纵向边缘通过至少一个焊缝连接。因此，所述边缘或纵向边缘可以包括一个或多个区段，这些区段各自在其整个长度上通过焊缝连贯地与所述一个接触片部件或多个接触片部件连接。这些区段特别优选具有5mm，优选10mm，特别优选20mm的最小长度。
在一个可能的扩展方案中，与接触片部件在其整个长度上连贯地连接的所述一个或多个区段在各自边缘或纵向边缘的总长度的至少25%，优选至少50%，特别优选至少75%上延伸。
在一些优选实施方案中，所述边缘或纵向边缘在其整个长度上连贯地与接触片部件焊接。
在其它可能的实施方案中，接触片部件通过多个或大量焊点与各自的边缘或纵向边缘连接。
如果电极-隔膜-复合件以螺旋状卷材的形式存在，从卷材的末端端面引出的阳极集流体和阴极集流体的纵向边缘通常也具有螺旋状几何形状。这同样适用于线形接触区，接触片部件沿着该接触区与各自的纵向边缘焊接。
当电极-隔膜-复合件是由两个或更多个相同电极-隔膜-复合件制成的堆叠体的组成部分时，则从堆叠体的末端侧引出的阳极集流体和阴极集流体的边缘通常具有线性几何形状。这同样适用于线形接触区，接触片部件沿着该接触区与各自的边缘焊接。
在其它可能的优选扩展方案中，根据本发明的电池的特征在于直接以下特征a.至c.中的至少一个：
a. 隔膜优选是带状塑料基底，其厚度为5μm至50μm，优选7μm至12μm，并具有第一和第二纵向边缘以及两个端部，
b. 隔膜的边缘，特别是隔膜的纵向边缘，形成电极-隔膜-复合件的末端侧或端面。
c. 从卷材的末端端面或堆叠体的侧面引出的阳极集流体和/或阴极集流体的纵向边缘或边缘从所述端面或侧面突出不超过5000μm，优选不超过3500μm。
特别优选的是直接上述特征a.至c.相互组合实现。
特别优选地，阳极集流体的所述边缘或纵向边缘从堆叠体的侧面或卷材的端面突出不超过2500μm，特别优选不超过1500μm。特别优选地，阴极集流体的所述边缘或纵向边缘从堆叠体的侧面或卷材的端面突出不超过3500μm，特别优选不超过2500μm。
关于阳极集流体和/或阴极集流体的突出部分的数值数据是指所述侧面或端面与所述一个接触片部件或多个接触片部件接触之前的空闲突出部分。在开始焊接所述一个接触片部件或多个接触片部件时，集流体的边缘会发生变形。
所选的空闲突出部分越小，可以形成的集流体的被电极材料覆盖的，优选带状的主要区域越宽。这可以对根据本发明的电池的能量密度做出积极贡献。
根据本发明的锂离子电池可以是纽扣电池。纽扣电池被设计为圆柱形的，并具有小于其直径的高度。高度优选为4mm至15mm。进一步优选的是，纽扣电池的直径为5mm至25mm。例如，纽扣电池适用于为诸如手表、助听器和无线耳机等小型电子设备提供电能。
被设计为纽扣电池的根据本发明的锂离子电池的标称容量通常高达1500mAh。标称容量优选为100 mAh至1000 mAh，特别优选100至800 mAh。
根据本发明的锂离子电池特别优选为圆柱形的圆形电池。圆柱形的圆形电池的高度大于其直径。它们特别适用于汽车领域、电动自行车的应用或其它具有高能量要求的应用。
被设计为圆形电池的锂离子电池的高度优选为15mm至150mm。圆柱形的圆形电池的直径优选为10 mm至60 mm。在这些范围内，例如18×65 (单位为mm的直径乘以高度)或21×70 (单位为mm的直径乘以高度)的形状因数是特别优选的。具有这些形状因数的圆柱形的圆形电池特别适用于为机动车的电驱动提供电流。
被设计为圆柱形的圆形电池的根据本发明的锂离子电池的标称容量优选高达90000 mAh。对于21×70的形状因数，在一个实施方案中作为锂离子电池的电池优选具有1500 mAh至7000 mAh，特别优选3000至5500 mAh的标称容量。对于18×65的形状因数，在一个实施方案中作为锂离子电池的电池优选具有1000 mAh至5000 mAh，特别优选2000至4000mAh的标称容量。
在欧盟，关于二次电池组的标称容量的数据的制造商数据受到严格监管。例如，关于二次镍镉电池组的标称容量数据基于根据标准IEC/EN 61951-1和IEC/EN 60622的测量，关于二次镍-金属氢化物电池组的标称容量数据基于根据标准IEC/EN 61951-2的测量，关于二次锂电池组的标称容量数据基于根据标准IEC/EN 61960的测量，并且关于二次铅酸电池组的标称容量数据基于根据标准IEC/EN 61056-1的测量。本申请中关于标称容量的各种数据优选地也基于这些标准。
阳极集流体、阴极集流体和隔膜在根据本发明的电池是圆柱形的圆形电池的实施方案中优选被设计为带状的并且优选具有以下尺寸：
- 长度为0.5 m至25 m
- 宽度为30 mm至145 mm。
在这些情况下，沿着第一纵向边缘延伸且不装载电极材料的空闲边缘条优选地具有不超过5000μm的宽度。
在形状因数为18 x 65的圆柱形的圆形电池的情况下，集流体优选具有
- 宽度为56 mm至62 mm，优选60 mm，以及
- 长度不超过1.5 m。
在形状因数为21 x 70的圆柱形的圆形电池的情况下，集流体优选具有
- 宽度为56 mm至 68 mm，优选65 mm，以及
- 长度不超过2.5 m。
锂离子电池的功能基于如下事实：存在足够可移动的锂离子(可移动锂)以通过阳极和阴极或负电极和正电极之间的迁移来补偿被截取的电流。在本申请的上下文中，可移动锂应理解为锂可用于锂离子电池的放电和充电过程中在电极中的嵌入和脱嵌过程，或可以为此被激活。在锂离子电池进行的放电和充电过程中，可移动锂会随着时间的推移而损失。这些损失由于各种通常不可避免的副反应产生。在锂离子电池的第一个充电和放电循环期间，可移动锂已损失。在该第一次充电和放电循环期间，通常在负电极上的电化学活性组分的表面上形成覆盖层。该覆盖层被称为固体电解质界面(SEI)，通常主要由电解质分解产物和牢固结合在该层中的一定量的锂组成。
在阳极具有一定含量的硅的电池中，与该过程相关的可移动锂的损失尤其严重。为了补偿这些损失，根据本发明的电池在优选实施方案中的特征在于直接以下特征a.和b.中的至少一个：
a. 电池包含不被正电极和/或负电极包含的锂储库或含锂材料，其可用于补偿电池中在其运行期间的可移动锂的损失，
b. 储库与电池的电解质接触，
c. 电池具有电导体和任选地还具有可控开关，储库可以通过它们与正电极或负电极电连接。
特别优选的是直接以下特征a.至c.相互组合实现。
特别优选地，该储库布置在根据本发明的电池的外壳内，并且电导体例如通过合适的极套管从外壳引出，特别是直至可从外壳外部截取的电触点。
可电接触的锂储库使得能够根据需要向电池的电极供应锂或从电极输出多余锂以避免锂镀层。为此，锂储库可以通过电导体与锂离子电池的负电极或正电极接通。根据需要，可以将多余锂供应到锂储库并在那里沉积。可以为这些应用情况设置能够单独监测电池中的阳极和阴极的单独电位和/或使用电化学分析如DVA (差分电压分析)对电池平衡进行外部监测的工具。
电导体和与其连接的锂储库必须与正电极和负电极以及因此与电耦合的电池组件电绝缘。
锂储库的锂或含锂材料可以是例如金属锂、锂金属氧化物、锂金属磷酸盐或本领域技术人员熟悉的其它材料。
本发明的其它特征和由本发明产生的优点由附图和以下附图描述得出。以下描述的实施方案仅旨在解释和更好理解本发明，而不应理解为以任何方式进行限制。
在附图中示意性地显示
- 图1 本发明的一个实施方式中的集流体的俯视图，
- 图2 图1所示的集流体的截面图，
- 图3 可以加工成卷材形式的电极-隔膜-复合件的阳极的俯视图，
- 图4 图3所示的阳极的截面图，
- 图5 使用图3中所示的阳极生产的电极-隔膜-复合件的俯视图，
- 图6 图5中所示的电极-隔膜-复合件的截面图，
- 图7 圆柱形圆形电池形式的根据本发明的电池的一个实施方案的截面图，
- 图8 圆柱形圆形电池形式的根据本发明的电池的另一个实施方案的截面图，
- 图9 圆柱形圆形电池形式的根据本发明的电池的另一个实施方案的截面图，
- 图10 圆柱形圆形电池形式的根据本发明的电池的另一个实施方案的截面图，和
- 图11 圆柱形圆形电池形式的根据本发明的电池的另一个实施方案的截面图。
图1和图2说明了可用于根据本发明的电池中的集流体110的设计。图2是沿S1的截面。集流体110包括大量通孔111，所述通孔为矩形孔。区域110a的特征在于通孔111，相反，在区域110b中沿着纵向边缘110e没有通孔。因此，集流体110在区域110a中的单位面积重量明显低于在区域110b中的单位面积重量。
图3和图4说明了通过将负电极材料123施加到图2和图3所示的集流体110的两面上制成的阳极120。图5是沿S2的截面。集流体110现在具有装载有一层负电极材料123的带状主要区域122以及沿纵向边缘110e延伸且不装载电极材料123的空闲边缘条121。电极材料123还填充通孔111。
图5和6说明了使用图4和5中所示的阳极120制成的电极-隔膜-复合件104。此外，它包括阴极115和隔膜118和119。图6是沿S3的截面。阴极115以与阳极120相同的集流体设计构造。阳极120和阴极130的集流体110和115优选地仅在各自的材料选择方面不同。因此，阴极130的集流体115包括装载有一层正电极材料125的带状主要区域116，以及沿纵向边缘115e延伸且不装载电极材料125的空闲边缘条117。通过螺旋状卷绕，电极-隔膜-复合件104可以转换成卷材，如其可以包含在根据本发明的电池中。
在一些优选实施方案中，空闲边缘条117和121在两面上以及至少局部地涂覆有上述支撑材料之一。
图7显示了具有由第一外壳部件101和第二外壳部件102组成的外壳的电池100。电极-隔膜-复合件104包封在外壳中。外壳整体被设计为圆柱形，外壳部件101具有圆形底部101a、中空圆柱形护套101b和与底部101a相对的圆形开口。外壳部件102用于封闭圆形开口并被设计为圆形盖。电极-隔膜-复合件104呈具有两个末端端面的圆柱形卷材的形式。
在棱柱形外壳的情况下，穿过电池的截面可能看起来完全相同。在这种情况下，外壳部件101具有矩形底部101a、矩形侧壁101b和矩形截面以及矩形开口，外壳部件102将被设计为矩形盖以封闭矩形开口。并且在这种情况下，附图标记104不表示圆柱形的电极-隔膜-复合件，而是由多个相同电极-隔膜-复合件制成的堆叠体或棱柱形卷材。
阳极集流体110的空闲边缘条121从电极-隔膜-复合件104的一个端面引出，阴极集流体115的空闲边缘条117从另一个端面引出。阳极集流体110的边缘110e在其整个长度上与外壳部件101的底部101a直接接触，并且与其至少在多个区段上，优选在其整个长度上通过焊接连接。阴极集流体115的边缘115e在其整个长度上与板状接触片部件105直接接触，并且与其至少在多个区段上，优选在其整个长度上通过焊接连接。
接触片部件105又通过电导体107与外壳部件102电连接。优选地，在一侧上在导体107和接触片部件105之间以及在另一侧上在导体107和外壳部件102之间各自存在焊接连接。
为了更好地概览——除了集流体110和115外——没有示出电极-隔膜-复合件104的其它组件(特别是隔膜和电极材料)。
外壳部件101和102通过密封件103彼此电绝缘。外壳例如通过翻边工艺封闭。外壳部件101形成电池100的负极，外壳部件102形成正极。
图8显示了具有由第一外壳部件101和第二外壳部件102组成的外壳的电池100。电极-隔膜-复合件104包封在外壳中。外壳整体被设计为圆柱形，外壳部件101具有圆形底部101a、中空圆柱形护套101b和与底部101a相对的圆形开口。外壳部件102用于封闭圆形开口并被设计为圆形盖。电极-隔膜-复合件104呈具有两个末端端面的圆柱形卷材的形式。
在棱柱形外壳的情况下，穿过电池的截面可能看起来完全相同。在这种情况下，外壳部件101具有矩形底部101a、矩形侧壁101b和矩形截面以及矩形开口，外壳部件102被设计为矩形盖以封闭矩形开口。并且在这种情况下，附图标记104不表示圆柱形的电极-隔膜-复合件，而是由多个相同电极-隔膜-复合件制成的堆叠体或棱柱形卷材。
阳极集流体110的空闲边缘条121从电极-隔膜-复合件104的一个端面引出，阴极集流体115的空闲边缘条117从另一端面引出。阳极集流体110的边缘110e在其整个长度上与外壳部件101的底部101a直接接触，并且与其至少在多个区段上，优选在其整个长度上通过焊接连接。阴极集流体115的边缘115e在其整个长度上与接触片部件105直接接触，并且与其至少在多个区段上，优选在其整个长度上通过焊接连接。
接触片部件105与金属极栓108直接连接，优选焊接。这通过外壳部件102中的通孔从外壳引出并且通过电绝缘体106与外壳部件102绝缘。极栓108和电绝缘体106一起形成极套管。
为了更好地概览——除了集流体110和115外——这里也没有显示电极-隔膜-复合件104的其它组件(特别是隔膜和电极材料)。
在底部101a中存在例如通过钎焊、焊接或胶粘封闭的孔109，其例如可以用于将电解质引入外壳中。替代地，出于相同目的，也可以将孔引入外壳部件102中。
外壳部件102被焊接到外壳部件101的圆形开口中。外壳部件101和102因此具有相同的极性并形成电池100的负极。极栓108形成电池100的正极。
图9显示了具有由第一外壳部件101和第二外壳部件102组成的外壳的电池100。电极-隔膜-复合件104包封在外壳中。外壳整体被设计为圆柱形，外壳部件101具有圆形底部101a、中空圆柱形护套101b和与底部101a相对的圆形开口。外壳部件102用于封闭圆形开口并被设计为圆形盖。电极-隔膜-复合件104呈具有两个末端端面的圆柱形卷材的形式。
在棱柱形外壳的情况下，穿过电池的截面可能看起来完全相同。在这种情况下，外壳部件101具有矩形底部101a、矩形侧壁101b和矩形截面以及矩形开口，外壳部件102被设计为矩形盖以封闭矩形开口。并且在这种情况下，附图标记104不表示圆柱形的电极-隔膜-复合件，而是由多个相同电极-隔膜-复合件制成的堆叠体或棱柱形卷材。
阳极集流体110的空闲边缘条121从电极-隔膜-复合件104的一个端面引出，阴极集流体115的空闲边缘条117从另一端面引出。阳极集流体110的边缘110e在其整个长度上与外壳部件101的底部101a直接接触，并且与其至少在多个区段上，优选在其整个长度上通过焊接连接。阴极集流体115的边缘115e在其整个长度上与外壳部件102直接接触，并且与其至少在多个区段上，优选在其整个长度上通过焊接连接。
为了更好地概览——除了集流体110和115外——这里也没有示出电极-隔膜-复合件104的其它组件(特别是隔膜和电极材料)。
在底部101a中存在例如通过钎焊、焊接或胶粘封闭的孔109，其例如可以用于将电解质引入外壳中。可用于相同目的的另一个孔109在这里存在于外壳部件102中。这优选地用过压阀141封闭，该过压阀例如可焊接到外壳部件102上。
所示的孔109通常不是都需要的。因此，在许多情况下，图9所示的电池100仅具有这两个孔之一。
外壳部件101和102通过密封件103彼此电绝缘。外壳例如通过翻边工艺封闭。外壳部件101形成电池100的负极，外壳部件102形成正极。
图10显示了具有由第一外壳部件101和第二外壳部件102以及第三外壳部件155组成的外壳的电池100。电极-隔膜-复合件104包封在外壳中。外壳整体被设计为圆柱形的，外壳部件101在这里被设计为具有两个端面的圆形开口的中空圆柱体。外壳部件102和155用于封闭圆形开口并被设计为圆形盖。电极-隔膜-复合件104呈具有两个末端端面的圆柱形卷材的形式。
在棱柱形外壳的情况下，穿过电池的截面可能看起来完全相同。在这种情况下，外壳部件101具有矩形截面和两个矩形开口；外壳部件102和155被设计为矩形盖以封闭矩形开口。并且在这种情况下，附图标记104不表示圆柱形的电极-隔膜-复合件，而是由多个相同电极-隔膜-复合件制成的堆叠体或棱柱形卷材。
阳极集流体110的空闲边缘条121从电极-隔膜-复合件104的一个端面引出，阴极集流体115的空闲边缘条117从另一端面引出。阳极集流体110的边缘110e在其整个长度上与外壳部件155直接接触，并且与其至少在多个区段上，优选在其整个长度上通过焊接连接。因此，外壳部件155也用作在本发明的含义内的接触片部件或接触板。阴极集流体115的边缘115e在其整个长度上与接触片部件105直接接触，并且与其至少在多个区段上，优选在其整个长度上通过焊接连接。
为了更好地概览——除了集流体110和115外——这里也没有示出电极-隔膜-复合件104的其它组件(特别是隔膜和电极材料)。
接触片部件105与金属极栓108直接连接，优选焊接。这通过外壳部件102中的通孔从外壳引出，并且通过电绝缘体106与外壳部件102绝缘。极栓108和电绝缘体106一起形成极套管。
在外壳部件102中存在例如通过钎焊、焊接或胶粘封闭的孔109，其例如可以用于将电解质引入外壳中。替代地，出于相同目的，也可以将孔引入外壳部件102中。
外壳部件102和155被焊接到外壳部件101的圆形开口中。外壳部件101、102和155因此具有相同的极性并形成电池100的负极。极栓108形成电池100的正极。
图11显示了具有由第一外壳部件101和第二外壳部件102组成的外壳的电池100。电极-隔膜-复合件104包封在外壳中。外壳整体被设计为圆柱形，外壳部件101具有圆形底部101a、中空圆柱形护套101b和与底部101a相对的圆形开口。外壳部件102用于封闭圆形开口并被设计为圆形盖。电极-隔膜-复合件104呈具有两个末端端面的圆柱形卷材的形式。
在棱柱形外壳的情况下，穿过电池的截面可能看起来完全相同。在这种情况下，外壳部件101具有矩形底部101a、矩形侧壁101b和矩形截面以及矩形开口，外壳部件102被设计为矩形盖以封闭矩形开口。并且在这种情况下，附图标记104不表示圆柱形的电极-隔膜-复合件，而是由多个相同电极-隔膜-复合件制成的堆叠体或棱柱形卷材。
阳极集流体110的空闲边缘条121从电极-隔膜-复合件104的一个端面引出，阴极集流体115的空闲边缘条117从另一端面引出。阳极集流体110的边缘110e在其整个长度上与外壳部件101的底部101a直接接触，并且与其至少在多个区段上，优选在其整个长度上通过焊接连接。
阴极集流体115的边缘115e在其整个长度上与外壳部件102直接接触，并且与其至少在多个区段上，优选在其整个长度上通过焊接连接。因此，外壳部件102同时用作接触片部件或接触板。
阳极集流体110在两面上装载有一负电极材料123，但具有沿纵向边缘110e延伸且不装载电极材料123的空闲边缘条121。取而代之，空闲边缘条121在两面上都涂有陶瓷支撑材料165。
阴极集流体115在两面上装载有一层负电极材料125，但具有沿纵向边缘115e延伸且不装载电极材料125的空闲边缘条117。取而代之，空闲边缘条117在两面上都涂有陶瓷支撑材料165。
电极-隔膜-复合件104具有由隔膜118和119的纵向边缘118a和119a以及118b和119b形成的两个端面。集流体110和115的纵向边缘从这些端面突出。相应的突出部分由d1和d2表示。
在外壳部件102中存在孔109，其例如可以用于将电解质引入外壳中。所述孔用过压阀141封闭，该过压阀例如通过焊接与外壳部件102连接。
外壳部件101和102通过密封件103彼此电绝缘。外壳例如通过翻边工艺封闭。为此，外壳部件的开口边缘101c径向朝内弯曲。外壳部件101形成电池100的负极，外壳部件102形成正极。
为了制造图11中所示的电池，可以根据图12操作；下面描述各个方法步骤A至I。首先，提供电极-隔膜-复合件104，在其上方端面上放置用作接触片部件或接触板的外壳部件102。这在步骤B中与阴极集流体115的纵向边缘115e焊接。在步骤C中，环绕的密封件103被拉到外壳部件102的边缘上。在步骤D中，通过其将电极-隔膜-复合件104推入外壳部件101中，直至阳极集流体110的纵向边缘110e与外壳部件101的底部101a直接接触。在步骤E中，其与外壳部件101的底部101a焊接。在步骤F中，通过翻边工艺封闭外壳。为此，外壳部件101的开口边缘101c径向朝内弯曲。在步骤G中，外壳填充有电解质，该电解质通过开口109计量加入到外壳中。开口109在步骤H和I中通过焊接到外壳部件102上的过压阀141封闭。
电极-隔膜-复合件104可以具有例如由95重量%的NMCA、2重量%的电极粘合剂和3重量%的作为导电剂的炭黑制成的正电极。负电极可以包含具有开孔结构的多孔导电基质，在其孔中。
电极-隔膜-复合件104例如可以具有由95重量%的NMCA、2重量%的电极粘合剂和3重量%的作为导电剂的炭黑制成的正电极，以及由70重量%的硅、25重量%的石墨、2重量%的电极粘合剂和3重量%的作为导电剂的炭黑制成的负电极。包含2重量%VC的LiPF6在THF/mTHF (1:1)中的2 M溶液或LiPF6在FEC/EMC (3:7)中的1.5 M溶液可用作电解质。

Claims (11)

1.锂离子电池，其具有特征：
a. 该电池包括顺序为阳极(120)/隔膜(118)/阴极(130)的带状电极-隔膜-复合件(104)，
b. 阳极(120)包括带状阳极集流体(110)，其具有第一纵向边缘(110e)和第二纵向边缘以及两个端部，
c. 阳极集流体(110)具有装载有一层负电极材料(123)的带状主要区域(122)和沿第一纵向边缘(110e)延伸且不装载电极材料(123)的空闲边缘条(121)，
d. 阴极(130)包括带状阴极集流体(115)，其具有第一纵向边缘(115e)和第二纵向边缘以及两个端部，
e. 阴极集流体(115)具有装载有一层正电极材料(125)的带状主要区域(116)和沿第一纵向边缘(115e)延伸且不装载电极材料(125)的空闲边缘条(117)，
f. 电极-隔膜-复合件(104)为具有两个末端端面的卷材的形式，或是由两个或更多个相同的电极-隔膜-复合件(104)形成并且还具有两个末端侧面的堆叠体的组成部分，
g. 电极-隔膜-复合件(104)，任选与所述堆叠体的一个或多个其它相同的电极-隔膜-复合件一起，由外壳包围，
h. 阳极(120)和阴极(130)如此设计和/或在电极-隔膜-复合件(104)内如此相对于彼此布置，以使得阳极集流体(110)的第一纵向边缘(110e)从堆叠体的末端端面或侧面之一引出，并且阴极集流体(115)的第一纵向边缘(115e)从堆叠体的末端端面或侧面的另一个引出，
i. 电池具有金属接触片部件(101a、102、155)，第一纵向边缘(110e、115e)中的一个与该接触片部件直接接触，并且
j. 接触片部件(101a、102、155)通过焊接与该纵向边缘(110e、115e)连接，
以及附加的显著特征
k. 负电极材料(123)包含20重量%至90重量%含量的至少一种选自硅、铝、锡、锑和这些材料的化合物或合金的材料作为活性材料，其可以可逆地嵌入和脱嵌锂。
2.根据权利要求1所述的电池，其具有以下附加特征：
a. 负电极材料(123)还包含能够可逆地嵌入和脱嵌锂的碳基颗粒，例如石墨碳，特别是硅和这些碳基颗粒的混合物作为负极活性材料；
b. 所述能够插入锂的碳基颗粒在电极材料中的含量为5重量%至75重量%，特别是15重量%至45重量%。
3.根据权利要求1或权利要求2的电池，其具有以下附加特征中的至少一个：
a. 负电极材料(123)包含电极粘合剂和/或导电剂；
b. 负电极材料(123)中的电极粘合剂的含量为1重量%至15重量%；
c. 负电极材料(123)中的导电剂的含量为0.1重量%至15重量%。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其具有以下附加特征中的至少一个：
a. 正电极材料(125)包含至少一种能够可逆地嵌入和脱嵌锂的金属氧化物化合物，优选上述化合物中的一种，特别是NMC、NCA或NMCA作为活性材料；
b. 至少一种氧化钴和/或锰化合物在电极材料(125)中的含量为80重量%至99重量%；
c. 正电极材料(125)包含电极粘合剂和/或导电剂；
d. 正电极材料(125)中的电极粘合剂的含量为1重量%至15重量%；
e. 正电极材料(125)中的导电剂的含量为0.1重量%至15重量%。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其具有以下附加特征中的至少一个：
a. 负电极(120)的单位面积重量对于每至少10 cm2的单位面积而言与平均值的偏差为最大2%。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其具有以下附加特征中的至少一个：
a. 该电池包含含有四氢呋喃(THF)和2-甲基四氢呋喃(mTHF)的混合物的电解质；
b. 混合物中THF:mTHF的体积比为2:1至1:2，特别优选1:1；
c. 该电池包含含有LiPF6作为导电盐的电解质；
d. 导电盐在电解质中的含量为1.5至2.5 M，特别是2 M。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的电池，其具有以下附加特征中的至少一个：
a. 该电池包含含有碳酸氟代亚乙酯(FEC)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物的电解质；
b. 混合物中FEC:EMC的体积比为1:7至5:7，特别优选3:7；
c. 该电池包含含有LiPF6作为导电盐的电解质；
d. 导电盐在电解质中所含的浓度为1.0至2.0 M，特别是1.5 M；
e. 电解质包含碳酸亚乙烯酯，特别是以1至3重量%的含量。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其具有以下附加特征中的至少一个：
a. 通过焊接与接触片部件(101a、102、155)连接的集流体(110、115)的带状主要区域(110a)具有大量的通孔(111)；
b. 主要区域(110a)中的通孔(111)是圆形或方形孔，特别是冲孔或钻孔；
c. 通过焊接与接触片部件(101a、102、155)连接的集流体(110)在主要区域(110a)中被穿孔，特别是通过圆孔或凹槽穿孔。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其具有以下附加特征：
a. 集流体(110)中，特别是主要区域(110a)中的通孔(111)具有1μm至2000μm的平均直径。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其具有以下附加特征中的至少一个：
a. 通过焊接与接触片部件(101a、102、155)连接的集流体(110)至少在主要区域(110a)的部分区段中具有比相同集流体(110)的空闲边缘条(110b)更低的单位面积重量；
b. 通过焊接与接触片部件(101a、102、155)连接的集流体(110)在空闲边缘条(110b)中没有或比在主要区域(110a)中具有每单位面积更少的通孔(111)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其具有以下附加特征中的至少一个：
a. 集流体(110)在主要区域(110a)中的单位面积重量相比于集流体(110)在空闲边缘条(110b)中的单位面积重量而言减少了5%至80%；
b. 集流体(110)在主要区域(110a)中具有5%至80%的孔面积；
c. 集流体(110)在主要区域(110a)中具有20N/mm2至250N/mm2的抗拉强度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP6061145B2 (ja) * 2013-08-02 2017-01-18 トヨタ自動車株式会社 二次電池
CN107078299B (zh) * 2014-10-31 2020-11-13 日本瑞翁株式会社 锂离子二次电池及其所用负极、负极用糊组合物、负极用复合颗粒、以及负极用浆料组合物
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