CN117480642A - 电极和电化学储存电芯 - Google Patents

Abstract

一种用于电化学储存电芯的电极(10)具有导体膜(12)，所述导体膜包括涂敷区域(14)和接触导通区域(16)，其中，在所述涂敷区域(14)中施加有电极涂层(18)，并且所述导体膜(12)在所述接触导通区域(16)中至少部分是多孔的并且在所述涂敷区域(14)中是非多孔的。此外给出一种电化学储存电芯。

Description

电极和电化学储存电芯

技术领域

本发明涉及一种电极以及一种具有这种电极的电化学储存电芯。

背景技术

电化学储存电芯是基于电化学的蓄能器，所述蓄能器尤其是可重复充电并且适配用于储存电能并且为消耗器、例如车辆消耗器提供电能。

电化学储存电芯尤其是锂离子电池，从而本发明尤其是涉及用于锂离子电池的电极以及具有这种电极的锂离子电池。

在下面，术语“锂离子电池”同义地用于所有在现有技术中对于包含锂的电流元件和电芯常用的名称，例如锂电池、锂电芯、锂离子电芯、锂聚合物电芯、锂离子电池电芯和锂离子蓄电池。尤其是将可重复充电的电池(二次电池)包括在内。术语“电池”和“电化学电芯”也同义于术语“锂离子电池”和“锂离子电芯”地使用。锂离子电池也可以是固态电池、例如陶瓷的或基于聚合物的固态电池。

电化学储存电芯、尤其是锂离子电池具有至少两个不同的电极、即正电极(阴极)和负电极(阳极)。这些电极中的每个电极具有至少一种活性材料，可选地一起包括添加剂、如电极结合剂和导电添加剂，所述活性材料施加到相应电极的导电载体上。作为导电载体尤其是使用实心的、非多孔的并且固态的由铝(用于正电极)或铜(用于负电极)制成的导体膜，所述导体膜在技术语言使用中也以术语“固态膜”已知。这样的导体膜对于气体和液态电解质是不可透过的。

对于电化学储存电芯的有效功率的决定性因素是可取得的能量密度、使用寿命以及可供使用的充电和放电率，所述充电和放电率尤其是在车辆应用中有特别的意义并且应该尽可能高。然而，可用的充电和放电率受限于不同的效果，特别是受限于在充电和放电过程期间可预期的温度发展以及受限于老化效果。

为了用于电化学储存电芯，电极尤其是以电极堆或电极绕组的形式存在，其中，在每个阴极和阳极之间设置用于电绝缘的隔离器。

在电化学储存电芯的制造过程中需要将电极堆或电极绕组在引入壳体中之后以电解质浸透，其中需要一定的作用时间，以便确保电极的内部多孔结构直至分界面的足够且均匀的润湿。

发明内容

本发明的任务是，给出一种最小化电化学储存电芯的制造耗费以及制造成本的可能性。此外应该能够实现具有高的有效功率和使用寿命的电化学储存电芯。

本发明的任务通过一种用于电化学储存电芯的电极来解决，该电极具有导体膜，该导体膜包括涂敷区域和接触导通区域，其中，在涂敷区域中施加有电极涂层，并且导体膜在接触导通区域中至少部分是多孔的并且在涂敷区域中是非多孔的。

按照本发明，在接触导通区域中没有施加电极涂层。接触导通区域用于电极至电化学储存电芯的外部的接触导通部或导流部的电接触导通，所述电化学储存电芯具有按照本发明的电极。

术语“多孔”理解为存在至少一个开口，所述至少一个开口延伸穿过导体膜的整个厚度。

已经认识到，通过组合导体膜的非多孔的涂敷区域和多孔的接触导通区域，能够获得对于电化学储存电芯、例如锂离子电池的制造过程特别有利的电极。由于涂敷区域是非多孔的，电极涂层能够在没有较大的限制和设备修改的情况下借助已知的流程和设备施加到导体膜上。尤其是不会明显不利地影响导体膜的机械稳定性，因为尽管接触导通区域是多孔的，但是导体膜基本上如常规的“固态膜”表现。然而，多孔的接触导通区域在制造电化学储存电芯时同时能够实现快速地以电解质湿润一个所述电极或多个所述电极以及其他部件、如隔离器，因为该电解质能够通过在接触导通区域中的开口渗透到包括电极和隔离器的整体中。附加地，导体膜的总重量相比于具有非多孔接触导通区域的导体膜降低，由此能够提高具有这种电极的电化学储存电芯的比能量。

实现接触导通区域的多孔性的开口的类型不详细限制。例如，这些开口具有圆形的、椭圆的、菱形的或其他多边形的外轮廓。

这些开口可以相对于彼此以任何任意的几何结构设置。

在一种变型方案中，用于制造接触导通区域的多孔性的开口能通过冲压导体膜来获得。冲压是用于产生所需多孔性的特别低成本的变型方案。导体膜的冲出的组成部分可以被回收用于备选应用、尤其是被纯种地回收，或者被熔化并且例如被进一步处理成新的导体膜。冲压废料本身也可以应用于其他目的，例如作为牙膏管的遮盖部。

在另一种变型方案中，用于制造接触导通区域的多孔性的开口能通过激光切割来获得，所述激光切割也称为“Lasercutting”。在该方法中，借助连续的或脉冲的激光束通过受控的材料烧蚀将材料从导体膜中去除并且以这种方式切割。借助激光切割尤其是可以产生如下开口，所述开口在其侧向边缘上没有伸出的毛刺。

在又另一种变型方案中，接触导通区域可以以金属板网的结构实施。

优选地，在按照本发明的电极的制造中，在时间上和空间上与电极涂层的涂敷分开地产生接触导通区域的多孔性。以这种方式能够防止在制造接触导通区域中的开口时产生的金属闪烁粉尘和/或其他灰尘沉积在电极涂层中或上或沉积在隔离器和电极之间。以这种方式能够显著最小化在具有按照本发明的电极的电化学储存电芯中的细微短路的危险。

然而也可能的是，首先涂敷电极涂层并且随后在接触导通区域中产生开口。尤其是当借助冲压产生所述开口时，能够以合理的耗费、例如借助吸出可限定金属粉尘的产生。这样的过程顺序提供如下优点：能够利用用于电化学储存电芯的现有生产设备并且导体膜在电极涂层的涂敷期间是特别机械稳定的。

接触导通区域尤其是导体膜的集成的组成部分。换句话说，接触导通区域不是仅例如借助焊接安装到涂敷区域上。以这种方式无需实施用于紧固接触导通区域的附加工作步骤并且接触导通区域稳定地与电极的剩余组成部分连接，由此提高电极的使用寿命。

为了能够实现紧凑的结构方式，接触导通区域可以在侧向沿着导体膜的涂敷区域延伸。尤其是，接触导通区域直接邻接到电极的涂敷区域上。

在一种优选的变型方案中，接触导通区域在侧向沿着涂敷区域的整个长度延伸。在该变型方案中，能够特别有效地最小化电子在导体膜内的运输长度并且因此最小化在电极内的电阻。由此能够在电极运行时在电化学储存电芯中获得改善的热输出，由此能够再次提高电极的可靠性和使用寿命以及能够在这样的电化学储存电芯运行时利用较高的充电和放电率。

尤其是，接触导通区域可以形成沿着导体膜的涂敷区域的连续的接触导通带。

在另一种优选的变型方案中，接触导通区域包括多个彼此间隔开的导体旗状部。换句话说，在该变型方案中不存在连续伸展的接触导通带。可以通过如下方式产生导体膜的这种设计：从连续的接触导通带中切出、切割(genotched)、即激光加工或冲出所选择的区域。换句话说，为接触导通带勾划轮廓，也就是说实施轮廓切割。以这种方式能够进一步减少电极的重量并且因此进一步提高具有该电极的电化学储存电芯的比能量。然而，电极的制造耗费在该变型方案中提高，尤其是必须保证金属粉尘的彻底吸出，以便能够可靠排除电极的之后的细微短路。

各导体旗状部可以均匀地彼此间隔开或以不规则的距离彼此间隔开。

各导体旗状部也可以具有相同的或不同的宽度。

此外，本发明的任务通过一种电化学储存电芯来解决，该电化学储存电芯具有设置在壳体中的电极组件，其中，该电极组件具有阳极、阴极以及设置在阳极和阴极之间的隔离器并且所述阳极和/或阴极是之前所述类型的电极。

电极组件可以包括多个阳极和/或阴极，其中，在每个直接彼此邻接的阳极和阴极之间设置一个隔离器。在该情况下，至少一个阳极和/或至少一个阴极是之前所述类型的电极。

为了能够实现紧凑的结构方式，电极组件可以是电极圆形绕组、电极扁平绕组或电极堆。

在一种优选的变型方案中，电极组件具有两个位于末端的端侧并且阳极或阴极的接触导通区域从电极组件的端侧中的一个端侧中凸出，其中，壳体借助接触板封闭，该接触板对电接触导通阳极或阴极的凸出的接触导通区域。这样的电芯设计由WO 2020/096973A1和EP 3258 519A1已知。

阳极或阴极的凸出的接触导通区域是按照本发明的电极的多孔的接触导通区域、也就是说没有施加电极涂层的区域。换句话说，按照本发明规定，接触板电接触导通多孔的接触导通区域。

接触板例如与壳体焊接。

接触板尤其是具有用于以电解质填充壳体的至少一个进入开口、优选多个进入开口。

在电化学储存电芯的制造过程期间，电化学储存电芯必须在壳体的内部容积中以电解质填充，从而电极组件的电极和隔离器能够尽可能完全地并且均匀地以电解质润湿。通过接触板具有进入开口，可以附加地利用接触板本身来进行以电解质的填充。由于接触板与多孔的接触导通区域接触导通，通过接触板输送的电解质能够基本上无阻碍并且因此快速地渗透到电极组件和隔离器中。以这种方式，最小化直到电极组件被电解质完全润湿所需要的作用时间，而同时能够保证均匀地并且可靠地润湿电极组件的所有电极以及隔离器。

此外，接触板的所述一个进入开口或所述多个进入开口可以用于电化学储存电芯的脱气。在电化学储存电芯的制造过程中，已经在所谓的预充电或形成中要实施对应的脱气过程，尤其是在第一次充电和放电过程期间和/或之后。

阳极或阴极的凸出的接触导通区域可以至少部分地朝端侧的方向折叠。在该变型方案中能够实现电化学储存电芯的还更紧凑的结构方式，而通过至少部分地折叠的接触导通区域的多孔性仍然确保以电解质的可靠润湿、电化学储存电芯的可靠脱气以及可靠的接触导通。

在另一种变型方案中，不仅阳极而且阴极是如之前所描述的按照本发明的电极。如果电极组件具有多于一个阳极和/或阴极，则该变型方案中尤其是所有阳极和阴极是之前所述类型的按照本发明的电极。

尤其是，电化学储存电芯为锂离子电池。

附图说明

其他的优点和特性由以下对优选实施形式的说明以及附图得出，所述实施形式不应该以限制意义来理解。在所述附图中：

图1示出按照本发明的电极的第一实施形式；

图2示出包括按照图1的电极的电极组件；

图3示出具有按照图1的电极的备选电极组件；

图4示出图2中的电极组件的示意剖面图；

图5示出按照本发明的具有图4中的电极组件并且套装有接触板的电化学储存电芯的第一实施形式；

图6示出图5中的接触板的第一实施形式的示意俯视图；

图7示出图5中的接触板的第二实施形式的示意俯视图；

图8示出在填充电解质期间按照图5的电化学储存电芯的部分视图；

图9示出在脱气过程期间按照图5的电化学储存电芯的部分视图；

图10示出按照本发明的电极的第二实施形式；

图11示出包括按照图10的电极的电极组件的示意剖面图；

图12示出按照本发明的具有图11中的电极组件的电化学储存电芯的第二实施形式；

图13示出在填充电解质期间按照图12的电化学储存电芯的部分视图；以及

图14示出在脱气过程期间按照图12的电化学储存电芯的部分视图。

具体实施方式

在图1中以俯视图示出按照本发明的电极10。

电极10包括导体膜12，该导体膜具有涂敷区域14和接触导通区域16。

导体膜12尤其是铝箔或铜箔。

在涂敷区域14中将电极涂层18施加到导体膜12上。

电极涂层18包括电化学活性材料、电极结合剂以及可选地具有添加剂、例如导电添加剂。电化学活性材料、电极结合剂和可选的添加剂的类型未进一步限定，从而可以使用所有在现有技术中已知的电极涂层18，所述电极涂层适合用于电极10的设想应用。

接触导通区域16具有多个开口20，所述多个开口延伸穿过导体膜12的整个厚度。换句话说，接触导通区域16是多孔的。

不同于接触导通区域16，导体膜12的涂敷区域14是非多孔的，其中，在图1中，导体膜12在涂敷区域14中的非多孔结构基于已经涂敷的电极涂层18而不可见。涂敷区域14的非多孔结构导致，电极涂层18能够利用所有常规的在现有技术中已知的方法施加到涂敷区域14上，而不需要在制造过程中的显著适配。

在示出的实施形式中，开口20具有椭圆的外轮廓。然而，开口20原则上可以具有任意的几何结构，例如具有圆形的、菱形的或多边形的外轮廓。

在图1中示出的开口20能够通过在接触导通区域16中将材料从导体膜12中冲出而获得。基本上也可以使用其他用于产生开口20的方法、例如激光切割。

接触导通区域16在侧向沿着涂敷区域14的整个长度伸展并且直接邻接到涂敷区域14上。以这种方式，在电极10运行时必须被运输穿过电极的电子的运输长度缩短。由此，电极10的所产生的电阻下降，从而能够可靠地避免电极10过热以及可靠地避免在电极10运行时形成局部热点。

接触导通区域16以连续的接触导通带的形式设计。因此，不需要附加的处理步骤用于在涂敷区域14上勾划接触导通区域16的轮廓，由此在电极10的制造中能够保持低的耗费。

此外，接触导通区域16是导体膜12的集成的组成部分，也就是说，接触导通区域16不是事后安装到涂敷区域14上。

然而原则上也可能的是，在将电极涂层18施加到涂敷区域14上之前或之后，将接触导通区域16例如借助焊接安装在涂敷区域14上。

在图2中示意性示出部分卷起的电极组件21。

所述部分卷起的电极组件21包括之前所描述的电极10、配合电极22以及设置在电极10和配合电极22之间的隔离器24，该隔离器将电极10和配合电极22彼此电绝缘。

在图2示出的实施形式中，电极10是阳极并且配合电极22是阴极。然而原则上也可能的是，电极10是阴极并且配合电极22是阳极。同样可能的是，电极组件21包括多个阳极和阴极，所述多个阳极和阴极分别由一个隔离器24彼此电绝缘。

配合电极22类似于电极10包括配合电极涂覆区域26以及配合电极接触导通区域28，其中，不同于电极10的接触导通区域16，配合电极接触导通区域28是非多孔的。

备选地，配合电极22同样可以是如之前所描述的按照本发明的电极10，如借助图3中的备选实施形式示出的那样。在该情况下，配合电极接触导通区域28同样是多孔的并且基本上对应于电极10的接触导通区域16。

电极组件21在示出的实施形式中是电极圆形绕组并且具有位于末端的第一端侧30和位于末端的第二端侧32。

电极10、亦即阳极的接触导通区域16从位于末端的第一端侧30中凸出，而配合电极接触导通区域28、亦即阴极从另一个位于末端的第二端侧32中凸出。

在图4中示出按照图2的完全卷起的电极组件21在其接纳在壳体34中之后的示意剖面图，其中，为了简化未明确示出隔离器24的示图。壳体36例如由铝或优质钢制成。

如在图4中可看出的，通过将电极组件21卷起成为电极圆形绕组而产生紧凑的布置结构，在所述布置结构中，在横截面中观察产生电极10和配合电极22、也就是说阳极和阴极的序列。

在图5中示出按照本发明的电化学储存电芯36，在该储存电芯中，壳体34通过套装接触板38而封闭，如通过箭头表示的那样。接触板38随后例如可以通过焊接紧固在壳体34上。

接触板38用于电接触导通接触导通区域16，其中，接触导通区域16的各个端部可以组合用于接触导通，例如如在图5中示出的那样通过折叠在一起而组合或通过(未示出的)卡箍组合。相比于非多孔的接触导通区域，开口20能够实现，所组合的接触导通区域16较不厚并且较少地倾向于形成褶皱。

接触板38具有至少一个进入开口40，如在图6的俯视图中示出的那样。所述至少一个进入开口40用于以电解质填充壳体34以及用于对壳体34脱气，也就是说用于导出在壳体34内产生的气体。

接触板38可以具有多个进入开口40，如在图7的备选实施形式中示出的那样。

在图8中示出在以电解质42填充壳体34期间电化学储存电芯36的部分视图。如可看出的那样，接触导通区域16的多孔结构能够实现，电解质42渗透穿过接触导通区域16并且经由多个流动路径填充壳体34，如通过在图8中的箭头表示的那样。

以这种方式，按照本发明的电极10的使用能够实现整个电极组件21的快速、均匀且完全的润湿。因此，不仅加速电化学储存电芯36的制造过程，而且提高电化学储存电芯36的有效功率和使用寿命。

由图8此外明显的是，接触板38的进入开口40可以基本上任意地设置，因为通过多孔的接触导通区域16仍然能够越过壳体34的整个内部空间进行电解质的渗透和润湿。

在图9中示出在脱气过程期间电化学储存电芯36的部分视图，脱气过程例如用于导出气体，所述气体在电化学储存电芯36的第一次充电和放电过程期间已形成。如通过图9中的箭头表示的那样，气体可以基于接触导通区域16的多孔结构经由多个流动路径从电极组件21中被去除并且随后经由接触板38的所述至少一个进入开口40从壳体34中被去除。因此能够可靠地防止在壳体34内形成过压并且由此提高电化学储存电芯36的可靠性和使用寿命。尤其是不会在相邻的电极之间形成局部的过压，因为所产生的气体在任意情况下能够经由多孔的接触导通区域16导出。

在图10中示出按照本发明的电极10的第二实施形式。第二实施形式基本上对应于第一实施形式，从而接着仅讨论差别。参阅上述实施方式。

在第二实施形式中，接触导通区域16不是以连续的接触导通带的形式、而是以多个导体旗状部44的形式存在。这些导体旗状部例如可以通过去除首先存在的接触导通带的部分区域或部分区段而获得。通过减少在接触导通区域16中的材料，能够进一步减少电极10的重量并且因此进一步提高具有这种电极10的电化学储存电芯36的比能量。

各个导体旗状部44可以具有沿涂敷区域14相同的宽度，或如在图10中示出的那样具有不同的宽度。同样地，导体旗状部44可以如在图10中示出的那样以相同的距离彼此间隔开地设置，或彼此间隔开不距离地设置。

在图11中可看出包括按照图10的电极10的完全卷起的电极组件21。相比于图4中的示图明显的是，通过从所述接触导通区域16中部分去除材料而产生较小的空间需求。

在图12中示出电化学储存电芯36的第二实施形式。第二实施形式基本上对应于第一实施形式，从而接着仅讨论差别。参阅上述实施方式。

在电化学储存电芯36的第二实施形式中，接触导通区域16的导体旗状部44折叠到电极组件21的第一端侧30上，由此产生电化学储存电芯36的较紧凑的结构形式。

通过多孔的接触导通区域16或通过多孔的导体旗状部44，电极组件21也能够在导体旗状部44折叠的情况下快速、均匀并且完全地以电解质润湿，如在类似图8设计的图13中通过箭头表示的那样。此外仍然能够实现可靠的脱气，如在类似图9设计的图14中通过箭头表示的那样。

按照本发明的电极10能够实现按照本发明的电化学储存电芯36的简单且快速的制造，其特征在于高的可靠性和有效功率以及长的使用寿命。

Claims (10)

1.一种用于电化学储存电芯(36)的电极，所述电极具有导体膜(12)，所述导体膜包括涂敷区域(14)和接触导通区域(16)，其中，在所述涂敷区域(14)中施加有电极涂层(18)，并且所述导体膜(12)在所述接触导通区域(16)中至少部分是多孔的并且在所述涂敷区域(14)中是非多孔的。

2.按照权利要求1所述的电极，其中，所述接触导通区域(16)是所述导体膜(12)的集成的组成部分。

3.按照权利要求1或2所述的电极，其中，所述接触导通区域(16)在侧向沿着所述导体膜(12)的涂敷区域(14)延伸。

4.按照上述权利要求之一所述的电极，其中，所述接触导通区域(16)包括多个彼此间隔开的导体旗状部(44)。

5.一种电化学储存电芯，所述电化学储存电芯具有设置在壳体(34)中的电极组件(21)，其中，所述电极组件(21)包括阳极、阴极以及设置在所述阳极和所述阴极之间的隔离器(24)，其中，所述阳极和/或所述阴极是按照上述权利要求之一所述的电极(10)。

6.按照权利要求5所述的电化学储存电芯，其中，所述电极组件(21)是电极圆形绕组、电极扁平绕组或电极堆。

7.按照权利要求5或6所述的电化学储存电芯，其中，所述电极组件(21)具有两个位于末端的端侧(30、32)并且所述阳极或所述阴极的接触导通区域(16)从所述电极组件(21)的所述端侧(30、32)的一个端侧中凸出，并且所述壳体(34)借助接触板(38)闭锁，所述接触板电接触导通所述阳极或所述阴极的凸出的接触导通区域(16)。

8.按照权利要求7所述的电化学储存电芯，其中，所述阳极或所述阴极的凸出的接触导通区域(16)至少部分地朝所述端侧(30、32)的方向折叠。

9.按照权利要求7或8所述的电化学储存电芯，其中，所述接触板(38)具有用于以电解质填充所述壳体(34)的至少一个进入开口(40)、优选多个进入开口(40)。

10.按照权利要求5至9之一所述的电化学储存电芯，其中，所述阳极和所述阴极是按照权利要求1至4之一所述的电极(10)。