DE10100626A1 - Lithium-Ion-Batterie und Behälter - Google Patents

Lithium-Ion-Batterie und Behälter

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Abstract

Es sind eine im wesentlichen abgedichtete, leichte Lithium-Ion-Batterie (10) und ein Gehäuse beschrieben, umfassend: DOLLAR A ein Metallgehäuse (32) mit vorderen (31) und hinteren (31A) Segmenten, wobei die Segmente im wesentlichen die gleiche Länge und Breite aufweisen, und zwei Seiten (33), die eine Länge aufweisen, die im wesentlichen gleich der Länge der vorderen und hinteren Segmente ist, DOLLAR A eine Lithium-Ion-Batterie, die aus einem Stapel (12) aus Lithium-Ion-Elektroden besteht, der derart bemessen ist, daß er gut sitzend in das Gehäuse paßt, wobei die Batterie bipolare Elektroden (14) mit einem Elektrolyten zwischen diesen aufweist, DOLLAR A ein Gehäuseunterteilelement (26, 30), das derart bemessen ist, daß in dieses die Kathodenklemme des Lithium-Elektrodenstapels gut sitzend paßt, DOLLAR A ein Gehäuseoberteilelement (52), das derart bemessen ist, daß in dieses die Anodenklemme (22) des Lithium-Stapels gut sitzend paßt, und DOLLAR A eine isolierende Dichtung (50), die zwischen der Anode (52) und dem Metallgehäuse beabstandet angeordnet ist und die Anode elektrisch von dem Gehäuse trennt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine leichte Lithium-Ion-Batterie. Im be­ sonderen betrifft sie eine kompakte Lithium-Ion-Batterie.
Lithium-Batterien werden von vielen als eine attraktive Energiespeicher­ einrichtung angesehen. Lithium-Ion-Batterien sind für verschiedene An­ wendungen vorgesehen worden, wie beispielsweise tragbare elektronische Geräte, Mobiltelefone, Motorwerkzeuge, Elektrofahrzeuge und Lastaus­ gleich/ Spitzenformung. Die Batterien ersetzen gegenwärtig viele andere traditionelle Energiequellen, wie beispielsweise Blei-Säure-Batterien, Nic­ kel-Cadmium-Batterien und Nickel-Metallhydrid-Batterien. Lithium-Ion- Batterien sind seit vielen Jahren bekannt (siehe das Handbook of Batte­ ries, David Linden, Hrsg., 2. Aufl. von McGraw-Hill, Copyright 1995, ins­ besondere Kapitel 36 und 39). Verschiedene Aspekte von Lithium-Batte­ rien sind in einer Vielzahl von US-Patenten, wie beispielsweise das US-Patent 5 961 672, das eine stabilisierte Anode für Lithium-Polymer-Batte­ rien betrifft, beschrieben worden. Das US-Patent 5 952 126 betrifft einen Polymer-Festelektrolyten und Lithium-Sekundärzellen. Das US-Patent 5 900 183 betrifft Polymer-Elektrolyte, ebenso wie das US-Patent 5 874 185. US-Patent 5 849 434 beschreibt Lithium-Sekundärbatterien mit nicht­ wässrigem Elektrolyten. Andere Abwandlungen von Lithium-Batterien sind in den US-Patenten 5 853 914 und 5 773 959 beschrieben.
Ein geeignetes Packen von Lithium-Ion-Batterien ist in der Automobil­ umgebung aufgrund der Notwendigkeit für Korrosionsbeständigkeit, Stoß- und Unfallwert und Schwingungsfestigkeit besonders schwierig. Die Pro­ bleme derartiger Batterien können gekennzeichnet werden als eine Not­ wendigkeit für eine bessere Abdichtungsrobustheit, nämlich die Überwin­ dung eines Leckpotentials aus dem Innendruck, eine bessere Packungsro­ bustheit, nämlich ein besserer Stoß-/Unfallwert, bessere Wärmeaus­ tauscheigenschaften, nämlich die Fähigkeit, Wärme zu dissipieren und eine Kühlung effektiver aufzunehmen, die Einfachheit der Verarbeitung und der Überführung in die Massenproduktion, das heißt, Verfahren, die sich zur Automatisierung eignen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Lithium-Ion-Batterie zu schaffen, bei der bipolare Elektroden verwendet werden, wobei sich ein für Lithiumionen permeabler Kunststoffseparator zwischen diesen beindet, und die Zellenelektroden elektrisch geeignet mit den Anoden- und Katho­ denklemmen, die sich an entgegengesetzten Enden des Gehäuses für die Batterie befinden, verbunden sind.
Es sind eine im wesentlichen abgedichtete, leichte Lithium-Ion-Batterie und ein Behälter beschrieben, umfassend:
ein Metallgehäuse mit vorderen und hinteren Segmenten, wobei die Segmente im wesentlichen die gleiche Länge und Breite aufweisen, und zwei Seiten, die eine Länge aufweisen, die im wesentlichen gleich der Län­ ge der vorderen und hinteren Segmente ist,
eine Lithium-Ion-Batterie, die aus einem Stapel aus Lithium-Ion- Elektroden besteht, der derart bemessen ist, daß er gut sitzend in das Ge­ häuse paßt, wobei die Batterie bipolare Elektroden mit einem Elektrolyten zwischen diesen aufweist,
ein Gehäuseunterteilelement, das derart bemessen ist, daß in dieses die Kathodenklemme des Lithium-Ion-Elektrodenstapels gut sitzend paßt,
ein Gehäuseoberteilelement, das derart bemessen ist, daß in dieses die Anodenklemme des Lithium-Stapels gut sitzend paßt, und
eine isolierende Dichtung zwischen der Anode und dem Metallge­ häuse, die die Anode elektrisch von dem Gehäuse trennt.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen be­ schrieben, in diesen ist:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens zum Herstellen und Zusammenbauen der bipolaren Zellen zu einer kompak­ ten Lithium-Ion-Batterie,
Fig. 2 eine Ansicht der kompakten Lithium-Ion-Batterie im zusam­ mengebauten Zustand, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Durchlaßstücks, das für das Einleiten des Elektrolyten in den Batterie-Stapel und zur Freigabe von Gas aus dem Batterie-Stapel verwendet wird.
Die im wesentlichen abgedichtete, leichte Lithium-Ion-Batterie 10 der vor­ liegenden Erfindung wird durch das in Fig. 1 gezeigte schematische Ver­ fahren hergestellt. Der bipolare Stapel 12 besteht aus Elektrodensegmen­ ten 14 mit einer für Lithiumionen permeablen Membran 16, die zwischen die Elektroden gesetzt ist. Die Anodengitter 18 der Zelle sind an der Ober­ seite 20 des Elektrodenstapels 12 befestigt. Die Anodenklemme 22 ist oben auf die Anodensegmente 18 gesetzt. Obwohl es in Fig. 1 nicht gezeigt ist, sind die Kathodensegmente an der Unterseite 24 des Batterie-Stapels befestigt. Die Kathodengitter sind miteinander an der Unterseite des Elektrodenstapels verbunden und sitzen in einer in Fig. 1 gezeigten Nut 26. Die Nut 26 befindet sich an der Basis des Metallgehäuses 32. Das Metallgehäuse 32 weist vordere 31 und hintere 31A Segmente und zwei Seiten 33 auf. Der Elektrodenstapel 12 weist einen vorderen Abschnitt 34 und hintere Abschnitte auf. Er weist ebenfalls seitliche Abschnitte 38 und 40 auf. Nachdem die Batterie, die die Elektrodenstapel umfaßt, zusam­ mengebaut worden ist, wird sie dann in das Gehäuse 32 eingesetzt. Es ist ein Durchlaßstück für das Einleiten eines Elektrolyten in den Batterie- Stapel vorbereitet. Das Durchlaßstück besteht aus einem mit einem Ge­ winde versehenen Element 44, in das ein mit einem Gewinde versehenes Einwegventil 46 eingesetzt ist. Eine Bohrung 48 ist in einer Anodenklem­ menabdeckung 54 angeordnet. Eine Dichtungseinrichtung 50 ist oben auf den Anodenflachteil 52 gesetzt. Die Dichtungseinrichtung oder Dichtung 50 dichtet die Oberseite elektrolytisch ab und isoliert die Anodenklemme vom Rest des Metallgehäuses, das kathodisch orientiert ist. Aufgrund der porösen Natur der Oberseite 20 des Batterie-Stapels gelangt der Elektrolyt leicht durch die Oberseite 20 in den Batterie-Stapel und zwischen die Elektroden.
Die Gesamtverarbeitung und der Gesamtzusammenbau der Lithium-Ion- Batterie von Fig. 1 kann wie folgt beschrieben werden:
Stufe A: Zusammenbau des Elektrodenstapels,
Stufe B: Befestigung der Anodengitter und der Anodenklemme und der Kathodengitter und der Kathodenklemme,
Stufe C: Zusammenbau des Anodenoberteils mit der Dichtung/Dichtungs­ einrichtung und Einsetzen des Durchlaßstücks und Anordnung der Batte­ rie einschließlich des Elektrodenstapels in dem Metallgehäuse,
Stufe D: Befestigung des oberen Lippenteils 53 dies Gehäuses 32 durch Einwalzen, Bördeln, Einrollen bzw. Quetschen des Lippenteils mit dem Anodenflachteil 52, und Ultraschallverschweißung des Anodenoberteils 54 mit der Anodenzellenklemme 22, wie es durch die Schweißnaht 56 gezeigt ist, unter Verwendung einer im Handel erhältlichen Ausrüstung, wie bei­ spielsweise Condor ST 30 (Marke der Stapla Corporation).
Die Merkmale dieser Konstruktion umfassen das abschließende äußere Ultraschallverschweißen und Einwalzen an beiden Enden des Zellenge­ häuses von der Außenseite. Dieses Merkmal schafft eine Verbindung mit niedrigem Widerstand zwischen dem Elektrodenstapel und den Zellen­ klemmen, die für Leistungsbatterien angestrebt wird. Das Merkmal fügt dem Produkt auch Stoß- und Unfallwert hinzu. Es minimiert auch ver­ schwendeten Raum, wenn das Einwalzen stattfindet, durch das das Ge­ häuse abgedichtet wird.
Die Separatordichtung/das Separatordichtelement 50 ist an der Endab­ deckung der Anodezelle angebracht, die nicht in die Walznaht eingerollt wird, wodurch mögliche Lecks verringert werden. Die Separatordichtung/das Separatordichtelement wirkt als Versiegelung und elektrischer Isolator zwischen den Gehäuseteilen und zwischen dem Elektrodenstapel und den Gehäuseteilen. Ferner schaffen das Einwalzen und die dehnbaren Metall­ bauteile ein Paket mit Stoß- und Unfallwert. Aufgrund der Konstruktion gibt es eine gute Stromverteilung über das aktive Material hinweg und heraus zur Zellenklemme. Das Gehäuse kann als eine fünfseitige Dose betrachtet werden, wobei die Gitter in die verlängerten Mulden 26 und 54 gewalzt sind, was einen ausgezeichneten volumetrischen Wirkungsgrad ergibt. Das Gehäuse umfaßt vordere und hinteren Segmente, wobei die Segmente im wesentlichen die gleiche Länge und Breite aufweisen, und zwei Seiten, die im wesentlichen die gleiche Länge wie die vorderen und hinteren Segmente aufweisen.
Die Gehäusedose besteht vorzugsweise aus Metall und ist besonders be­ vorzugt aus Aluminium oder aus rostfreiem Stahl hergestellt. Die Verwen­ dung von Aluminium führt zu Gewichtseinsparungen gegenüber anderen Metallelementen. Da nur ein Ende des Gehäuses, nämlich das an Anoden­ ende 54, eingewalzt wird, erlaubt dies eine Verbesserung der Effizienz ge­ genüber einem Einwalzen beider Enden, wenn die Zellen Seite an Seite angeordnet sind.
Der Elektrodenstapel 12 besteht aus bipolaren Elektroden 14 mit einer für Lithiumionen permeablen Membran 16 zwischen den unterschiedlichen Zellen. Während eine breite Vielfalt von Materialien für die bipolaren Zel­ len und die für Ionen permeable Membran verwendet werden kann, könnte eine Kathodenart ein Lithium-Metalloxid, wie beispielsweise Lithi­ um-Manganoxid oder Lithium-Kobaltoxid sein. Die Anode kann ein Koh­ lenstoff-Kunststoff-Film mit einem Kupferstromkollektor sein. Die bipola­ ren Elektroden verwenden ein stabiles Substrat; auf dem ein Lithium-Ion- Material abgeschieden ist. Das Substrat für die Lithium-Kathode kann ein in der Umgebung von Lithium-Ion-Zellen stabiles Material mit einer Dicke von weniger als 100 Mil sein. Es kann eine breite Vielfalt von Dünnfilm- Kunststoffsubstraten verwendet werden, wie beispielsweise Polyvinyliden­ difluorid (PVDF). Die Separatoren 16 können ebenso eine breite Vielfalt von Dünnfilm-Kunststoffmaterialien mit einer Dicke von weniger als 100 Mil sein. Ein Material ist Mylar (Marke von DuPont für einen Polyester­ film).
Der Elektrodenstapel 12 kann auch einen oberen Abschnitt 20 aufweisen, der aus einem für einen Elektrolyten permeablen Material besteht, wie beispielsweise im Handel erhältliches, poröses, kohlenstoffhaltiges Materi­ al oder Grafitmaterial.

Claims (11)

1. Im wesentlichen abgedichtete, leichte Lithium-Ion-Batterie (10) und Behälter, umfassend:
ein Metallgehäuse (32) mit vorderen (31) und hinteren (31A) Seg­ menten, wobei die Segmente im wesentlichen die gleiche Länge und Breite aufweisen, und zwei Seiten (33), die eine Länge aufweisen, die im wesentlichen gleich der Länge der vorderen und hinteren Seg­ mente ist,
eine Lithium-Ion-Batterie, die aus einem Stapel (12) aus Lithium- Ion-Elektroden besteht, der derart bemessen ist, daß er gut sitzend in das Gehäuse paßt, wobei die Batterie bipolare Elektroden (14) mit einem Elektrolyten zwischen diesen aufweist,
ein Gehäuseunterteilelement (26, 30), das derart bemessen ist, daß in dieses die Kathodenklemme des Lithium-Ion-Elektrodenstapels gut sitzend paßt,
ein Gehäuseoberteilelement (52), das derart bemessen ist, daß in dieses die Anodenklemme (22) des Lithium-Ion-Elektrodenstapels gut sitzend paßt, und
eine isolierende Dichtung (50), die zwischen der Anode (52) und dem Metallgehäuse beabstandet angeordnet ist und die Anode elektrisch von dem Gehäuse trennt.
2. Batterie und Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse ein Durchlaßstück (44, 46) zum Einleiten eines Elek­ trolyten in dieses aufweist.
3. Batterie und Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Entlüftung (48) zur Gasfreigabe aus diesem um­ faßt.
4. Batterie und Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseoberteilelement gegenüber der Anode der Lithium- Batterie abgedichtet ist.
5. Batterie und Gehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseoberteilelement über Ultraschall gegenüber der Anode der Lithium-Batterie abgedichtet ist.
6. Batterie und Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseunterteilelement gegenüber der Kathode der Lithium- Batterie abgedichtet ist.
7. Batterie und Gehäuse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseunterteilelement über Ultraschall gegenüber der Ka­ thode der Lithium-Batterie abgedichtet ist.
8. Batterie und Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberteilelement über Einwalzen oder Falzen gegenüber dem Batteriegehäuse abgedichtet ist.
9. Batterie und Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus Aluminium besteht.
10. Batterie und Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenklemme aus Kupfer besteht.
11. Batterie und Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiten eine im wesentlichen rechteckige Form aufweisen, wobei die Breite kleiner als die Breite der vorderen und hinteren Segmente ist.
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