DE10105877A1 - Kompakte Lithium-Ion-Batterie und Verfahren zu ihrerHerstellung - Google Patents

Abstract

Beschrieben ist eine Lithium-Ion-Batterie (10), umfassend: ein Gehäuse mit einer Vorderseite (13) und einer Rückseite (15) und einer Anodenzellenklemme (60) und einer von dieser getrennten Kathodenzellenklemme (44), mehreren in dem Gehäuse angeordneten bipolaren Lithium-Ion-Zellen (40) mit einem für Lithium-Ionen permeablen Polymerseparator (32) dazwischen, wobei die Zellenelektroden aus einem Dünnfilm-Kunststoffsubstrat (34) bestehen und mit den Anoden- und Kathodenklemmen geeignet elektrisch verbunden sind, wobei die Zellen in Längsrichtung in dem Gehäuse parallel zu den Seiten des Gehäuses angeordnet sind, wobei das Gehäuse durch die Kathodenzellenklemme an einem Ende und durch die Anodenzellenklemme am entgegengesetzten Ende der Zellenhülse verschlossen ist, und wobei das verschlossene Gehäuse in der Lage ist, einen zwischen den Zellen angeordneten Elektrolyten aufzunehmen, und der Elektrolyt in der Lage ist, Ionen zwischen der Anode und der Kathode zu transportieren. Es ist ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen der Lithium-Ion-Batterien beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft wiederaufladbare Lithium-Ion-Batterien, und im besonderen ein kompaktes Lithium-Ion-Batteriemodul, das bipola­ re Elektroden verwendet.

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 nichtwässrigem Elektrolyten. Andere Abwandlungen von Lithium-Batte­ rien 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, Be­ ständigkeit bei Zusammenquetschen/Unfall und Schwingungsfestigkeit besonders schwierig. Die Probleme derartiger Batterien können gekenn­ zeichnet werden als eine Notwendigkeit für eine bessere Abdichtungsro­ bustheit, nämlich die Überwindung eines Leckpotentials aus dem Innen­ druck, eine bessere Packungsrobustheit, nämlich eine bessere Beständig­ keit bei Zusammenquetschen/Unfall, bessere Wärmeaustauscheigen­ schaften, nämlich die Fähigkeit, Wärme zu dissipieren und eine Kühlung effektiver aufzunehmen, die Einfachheit der Verarbeitung und der Über­ führung in die Massenproduktion, das heißt, Verfahren, die sich zur Au­ tomatisierung eignen.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Lithium-Ion-Batterie zu schaffen, bei der bipolare Elektroden verwendet werden, wobei sich eine für Lithium-Ionen permeable Polymermembran oder -separator zwischen diesen befindet und die Zellenelektroden elektrisch geeignet mit den An­ oden- und Kathodenklemmen verbunden sind, die sich an entgegenge­ setzten Enden des Gehäuses für die Batterie befinden.

Beschrieben ist eine Lithium-Ion-Batterie 10, umfassend:
ein Gehäuse 12 mit einer Vorderseite 13 und einer Rückseite 15 und einer Anodenklemme 60 und einer von dieser getrennten Kathoden­ klemme 44,
mehrere in dem Gehäuse angeordnete bipolare Lithium-Ion-Zellen 40 mit einem Polymerseparator 32 dazwischen, wahlweise einer für Lithi­ um-Ionen permeablen Membran, wobei die Zellenelektroden aus einem Dünnfilm-Kunststoffsubstrat 34 bestehen und jeweils mit den Anoden- bzw. den Kathodenklemmen geeignet elektrisch verbunden sind,
wobei die Zellen in Längsrichtung in dem Gehäuse parallel zu den Seiten des Gehäuses angeordnet sind,
wobei das Gehäuse durch die Kathodenklemme an einem Ende und durch die Anodenklemme am entgegengesetzten Ende des Gehäuses ver­ schlossen ist, und
wobei das verschlossene Gehäuse in der Lage ist, einen zwischen den Zellen angeordneten Elektrolyten aufzunehmen, und der Elektrolyt in der Lage ist, Ionen zwischen der Anode und der Kathode zu transportie­ ren.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen be­ schrieben, in diesen zeigt:

Fig. 1 eine Explosionsansicht der kompakten Lithium-Batterie der vorliegenden Erfindung, die aus einer Zellenhülse und Kunst­ stoffendhülsen besteht,

Fig. 2A eine Perspektivansicht einer Anodenzellenklemme der vorlie­ genden Erfindung,

Fig. 2B eine Schnittansicht von der Seite von Fig. 2A,

Fig. 3 eine Explosionsansicht der bipolaren Elektroden mit einem nicht permeablen oder permeablen Separator dazwischen, wie er bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird,

Fig. 4 den bipolaren Elektrodenstapel, der an der Kathodenzellen­ klemme angebracht ist, wobei das Kathodengitter an diese ul­ traschallgeschweißt ist,

Fig. 5 eine Perspektivansicht der Lithium-Ion-Batterie der vorliegen­ den Erfindung, wobei der Batteriestapel an das Kathodenende geschweißt und in die Zellenhülse eingesetzt ist,

Fig. 6 eine Schnittansicht von oben von Fig. 5,

Fig. 7 den ersten Schritt beim Anbringen der Anodenzellenklemme an dem Anodengitter der bipolaren Elektroden und eine Schnittansicht von oben von Fig. 5 anodenseitig,

Fig. 8 die Anodenklemme, die am Anodengitter des bipolaren Elek­ trodenstapels befestigt ist,

Fig. 9 die Lithium-Ion-Batterie der vorliegenden Erfindung in ihrer abschließenden Form vor dem Falzen und Befestigen des Batteriegehäuses, das aus einer Zellenhülse innerhalb der Endklemmen besteht,

Fig. 10 eine Schnittansicht von oben der Batterie von Fig. 9,

Fig. 11 eine Teilschnittansicht von oben des Zellengehäuses, die den ersten Schritt des Verbindens der Endklemmen mit dem Ge­ häuse durch Falzen zeigt,

Fig. 12 den zweiten Schritt beim Verbinden der Batteriezellenklem­ men mit dem Gehäuse durch Falzen,

Fig. 13 den dritten Schritt beim Verbinden der Batteriezellenklemmen mit dem Gehäuse durch Falzen,

Fig. 14 den abschließenden Schritt beim Falzverfahren zum Befesti­ gen der Batteriezellenklemmen an dem Gehäuse,

Fig. 15 eine fertiggestellte Lithium-Ion-Batterie, die mit einer schüt­ zenden Hülle bedeckt ist, und

Fig. 16 eine rückseitige Ansicht von Fig. 15.

Die vorliegende Erfindung betrifft Lithium-Ion-Batterien, die zu kompak­ ten, bipolaren Zellenanordnungen hergestellt sind. Während bei der vor­ liegenden Erfindung bipolare Zellen gezeigt sein, können ebenso monopo­ lare Zellen verwendet werden. Es kann eine breite Vielfalt von wiederauf­ ladbaren Lithium-Batterien verwendet werden, wie beispielsweise diejeni­ gen, die in Kapitel 36 in Handbook of Batteries, supra, US-Patent Nr. 5 460 904 und US-Patent Nr. 5 456 000 offenbart sind.

In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 die Lithium-Ion-Batterie 10 mit ihren Bauteilen, nämlich dem Gehäuse oder der Zellenhülse 12, die schützende Kunststoffendhülsen 14 und 16 mit Verlängerungen 17 für die Anoden­ seite und 22 für die Kathodenseite aufweist, die ins Innere 20 der Zellen­ hülse passen, um in dieser die bipolaren Zellen zu befestigen und zu iso­ lieren. Die Zellenhülse 12 weist ein Ende 21 nahe der Anodenklemme 60 und ein Ende 23 nahe der Kathodenklemme 44 auf. Die Verwendung der Terminologie "Hülse" ist für das Gehäuse angemessen. Sie bedeutet eine rechteckige offene Struktur, in der der Batteriestapel angeordnet ist.

Nach den Fig. 2A und 2B ist ein Einwegventilgehäuse 18 in die Anoden­ zellenklemme 60 eingepreßt und eingelötet und weist einen verlängerten Abschnitt 24 auf, der in das Innere 20 der Zellenhülse paßt. Das Ventilge­ häuse 18 weist ein Ventil auf, das in das Innere der Zelle paßt und es er­ laubt, daß ein Gas aus diesem freigegeben werden kann. Zusätzlich kann während der Herstellung und des Zusammenbaus der Zelle Elektrolyt durch die Anschlußöffnung 26 der Anodenklemme 60 hindurchgeleitet werden.

Der Elektrodenstapel 40 besteht aus bipolaren Elektroden 36 mit einer für Lithium-Ionen permeablen Polymermembran 32 zwischen den unter­ schiedlichen Zellen. Wahlweise ist die Membran 32 nicht lithiumpermea­ bel. Während eine breite Vielfalt von Materialien für die bipolaren Zellen und die Polymermembran verwendet werden kann, könnte eine Art von Kathode ein Lithium-Metalloxid, wie beispielsweise Lithium-Manganoxid oder Lithium-Kobaltoxid sein. Die Anode kann ein Kohlenstoff-Kunst­ stoffilm mit einem Kupferstromkollektor sein. Die bipolaren Elektroden verwenden ein stabiles Substrat 34, auf dem ein Lithium-Ionen-Material 36 abgeschieden sein kann. Das Substrat für die Lithium-Kathode kann ein Material sein, das in der Umgebung von Lithium-Ion-Zellen stabil ist und eine Dicke von weniger als 100 Mil aufweist. Es kann eine breite Vielfalt von Dünnfilm-Kunststoffsubstraten verwendet werden, wie bei­ spielsweise Polyvinylidendifluorid (PVDF). Die Polymermembran oder Se­ paratoren 32 können ebenso eine breite Vielfalt von Dünnfilm-Kunst­ stoffmaterialien sein, die eine Dicke von weniger als 100 Mil aufweisen. Ein Material ist Mylar (Marke von DuPont für einen Polyesterfilm).

Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, ist der bipolare Elektrodenstapel 40 an der Kathodenzellenklemme 44 angebracht, an der eine Lippe 46 vorgesehen ist. Die Kathodenzellenklemme weist eine Verlängerung 48 auf, die die Zellenhülse 23 umgibt (siehe Fig. 10). Die Kathoden sind aneinander über Ultraschall und auch an der Kathodenklemme 44 mittels des verlängerten Gitters 64 befestigt.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen die Ultraschallverschweißung, die die Verlänge­ rung 64 am inneren Abschnitt 72 der Kathode 44 anbringt. Es kann eine herkömmlich erhältliche Ultraschallschweißmaschine verwendet werden, wie beispielsweise Condor ST301 (Marke von Stapla Corp.).

Die Anodenklemme 60 weist einen Anodengitterstreifen 62 auf, der die je­ weiligen Anodengitter mechanisch aneinander befestigt. Sie werden mit­ einander durch die herkömmlich erhältliche Maschine ultraschallge­ schweißt. Siehe Fig. 5 und 7.

Fig. 7 zeigt die an die Verlängerung 62 ultraschallgeschweißten Anoden. Die Lippe der Zellenhülse 21 ist als im Inneren 72 der Anode gefangen ge­ zeigt. Die Anode 60 weist einen Lippenabschnitt 70 mit Verlängerungsab­ schnitten 75 auf, die die Zellenhülse 21 eng sitzend bedecken (siehe Fig. 7 und 10).

Nachdem die Kathoden des bipolaren Elektrodenstapels 40 an die Katho­ denklemme 44 ultraschallgeschweißt worden sind, kann die Zellenhülse 12 über den Stapel geschoben werden. Dann kann die Kathodenzellen­ klemme 44, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, auf das Ende 23 der Zellenhülse geschwenkt werden. Die Anoden des bipolaren Stapels können, wie es in den Fig. 5 und 7 gezeigt ist, dann an die Anodenzellenklemme 60 ultra­ schallgeschweißt werden. Die Anodenzellenklemme 60 weist einen Lippen­ abschnitt 70 auf, wie dies am besten in den Fig. 5 und 7 gezeigt ist. Die Anodenzellenklemme 60 kann dann auf das Ende der Zellenhülse 21 ge­ schwenkt werden, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Die Lithium-Ion-Batterie nimmt das Aussehen eines Zellenbechers an, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist. Sie ist dann bereit zum Falzen oder Bördeln, um den bipolaren Stapel in der Hülse zu befestigen, wie es in den Fig. 9 und 10 gezeigt ist. Die Zel­ lenklemmen werden in vier Stufen um die Zellenhülse herum gefalzt oder gebördelt, wie es in den Fig. 11, 12, 13 und 14 schematisch gezeigt ist. In den Fig. 11-14 ist nur das Kathodenende gezeigt. Es ist klar, daß dasselbe genausogut auf die Anodenseite anwendbar ist. Die Kunststoffhülse 16 ist in den Fig. 11-14 gezeigt, und ihre Verlängerung 22 paßt gut sitzend in der Zellenhülse 12. Wie es in den Fig. 11-14 zu sehen ist, isoliert die Hül­ senverlängerung 22 die Kathode 44 elektrisch vom Zellengehäuse 12.

Um die Batteriebauteile weiter zu isolieren, kann die Lithium-Ion-Batterie mit einer Zellenhülle 84 umwickelt werden, die eine Kunststoffmaterial ist, wie beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen, wie es in den Fig. 15 und 16 gezeigt ist. An der Hülse ist eine Dichtung 86 vorhanden, um die Hülse elektrolytisch vom Batteriestapel 40 zu isolieren. Die Verlängerun­ gen 22 für den Kathodenkunststoffeinsatz und 17 für den Anodenkunst­ stoffeinsatz passen in das Innere 20 der Hülse 12. Die Verlängerungen sind im allgemeinen aus einem stabilen Kunststoffmaterial hergestellt, nämlich eines, das in der Umgebung der Lithium-Ion-Batterien stabil ist.

Sie bestehen aus einem Material, das gegenüber einem Elektrolyten be­ ständig ist, wie beispielsweise ein Polypropylen und dergleichen.

Die Kathodenmaterialien bestehen aus dem gleichen Polymer wie die Elektroden. Sie können Stabilisierungsmaterialien, wie beispielsweise Sili­ ka oder einen Weichmacher umfassen oder nicht umfassen. Der Weich­ macher wird während des Herstellungsverfahrens dissipiert und ist im Endprodukt im allgemeinen nicht vorhanden.

Die vorliegende Erfindung sorgt für eine Kopplung der in dem flachen Sta­ pel vorhandenen Elektrodengitter und ein Ultraschallschweißen des Git­ terstapels an die Innenseite jedes geeigneten Stapelendes, nämlich die Zellenklemme. Danach kann das Falzen das Abdichten der Hülsenschwei­ ßung erlauben.

Ferner ist in jedem Falz eine Kunststoffhülse enthalten, die als Dichtung und elektrischer Isolator zwischen den Hülsenteilen und zwischen dem Gitter und Hülsenteilen wirkt.

Das Ventilgehäuse dient zu mehreren Zwecken. Das Gehäuse stellt zu Be­ ginn eine Anschlußöffnung zur Aktivierung durch Einfüllen eines Elek­ trolyten in dieses bereit. Dann sorgt es für die Aufnahme des Ventils und erlaubt die Freigabe von Gas.

Die großen Metallflächen 12, d. h. die Metallflächen des Gehäuses, wirken als guter Wärmeisolator.

Aufgrund des Falzverfahrens wird eine gute Abdichtung erhalten, weil formbare Kunststoffbauteile eine robuste Verpackung schaffen, d. h., eine Verpackung, die eine Beständigkeit bei Zusammenquetschen/Unfall be­ sitzt.

Aufgrund des Ultraschallschweißens der Elektroden an die jeweilige An­ odenklemme bzw. Kathodenklemme gibt es eine gute Stromverteilung über die aktiven Materialien hinweg und heraus zu den Zellenklemmen.

Es ist festzustellen, daß die Anzahl von Elektroden in dem Batteriestapel variieren kann. Eine Ausgestaltung weist ungefähr 45 Doppelzellen auf, die 9 Anoden und 45 Kathoden enthalten und eine Kapazität von 30-40 Amperestunden bei ungefähr 4 Volt aufweisen.

Beschrieben ist eine Lithium-Ion-Batterie 10, umfassend: ein Gehäuse mit einer Vorderseite 13 und einer Rückseite 15 und einer Anodenzellenklem­ me 60 und einer von dieser getrennten Kathodenzellenklemme 44, mehre­ ren in dem Gehäuse angeordneten bipolaren Lithium-Ion-Zellen 40 mit einem für Lithium-Ionen permeablen Polymerseparator 32 dazwischen, wobei die Zellenelektroden aus einem Dünnfilm-Kunststoffsubstrat 34 be­ stehen und mit den Anoden- und Kathodenklemmen geeignet elektrisch verbunden sind, wobei die Zellen in Längsrichtung in dem Gehäuse par­ allel zu den Seiten des Gehäuses angeordnet sind, wobei das Gehäuse durch die Kathodenzellenklemme an einem Ende und durch die Anoden­ zellenklemme am entgegengesetzten Ende der Zellenhülse verschlossen ist, und wobei das verschlossene Gehäuse in der Lage ist, einen zwischen den Zellen angeordneten Elektrolyten aufzunehmen, und der Elektrolyt in der Lage ist, Ionen zwischen der Anode und der Kathode zu transportie­ ren. Es ist ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen der Lithium-Ion-Batte­ rien beschrieben.

Claims (11)

1. Lithium-Ion-Batterie (10), umfassend:
ein Gehäuse mit einer Vorderseite (13) und einer Rückseite (15) und einer Anodenklemme (60) und einer von dieser getrennten Kathodenklemme (44),
mehrere (4) in dem Gehäuse angeordnete bipolare Lithium- Ion-Zellen (36) mit einem Polymerseparator (32) dazwischen, wobei die Zellenelektroden aus einem Dünnfilm-Kunststoffsubstrat (34) bestehen und mit den Zellenklemmen der Anode (60) und der Ka­ thode (44) geeignet elektrisch verbunden sind,
wobei die Zellen in Längsrichtung in dem Gehäuse parallel zu den Seiten des Gehäuses angeordnet sind,
wobei das Gehäuse durch die Kathodenzellenklemme an ei­ nem Ende und durch die Anodenzellenklemme am entgegengesetz­ ten Ende des Gehäuses verschlossen ist, und
wobei das verschlossene Gehäuse in der Lage ist, einen zwi­ schen den Zellen angeordneten Elektrolyten aufzunehmen, und der Elektrolyt in der Lage ist, Ionen zwischen der Anode und der Katho­ de zu transportieren.

2. Batterie nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse die Gestalt einer offenen, rechteckigen Hülse (12) auf­ weist, in die die Zellen passen.

3. Batterie nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der Klemmen eine Anschlußöffnung (26) zum Einleiten ei­ nes Elektrolyten in die Batterie nach dem Einbau der Zellen in das Gehäuse aufweist.

4. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Klemmen eine Entgasungseinrichtung (18) zur Freigabe von Gas aus dieser heraus aufweist.

5. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen in einer Zellenhülse (12) festgehalten sind, die die Länge der Zellen in Längsrichtung in dem Gehäuse umgibt.

6. Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das sich die Zellenhülse über die Länge der Zellen hinaus erstreckt, und daß die Verlängerungen in mehreren Metallklammern festge­ halten sind, von denen eine die Anode (60) und die andere die Ka­ thode (44) ist.

7. Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Ion-Batterie (10), mit den Schritten, daß:
mehrere (40) bipolare Lithiumzellen (36) mit einem Polymerse­ parator (32) dazwischen bereitgestellt werden,
die Anoden der Zellen an einer Anodenklemme (60) und die Kathoden der Zelle an einer Kathodenklemme (44) elektrisch ange­ bracht werden,
die Zellen in Längsrichtung in einem Gehäuse (12) mit einer Vorderseite (13) und einer Rückseite (15) derart zu diesem angeord­ net werden, daß sie parallel zu den Seiten des Gehäuses liegen, und die Anodenzellenklemme an einem Ende des Gehäuses und
die Kathodenzellenklemme am entgegengesetzten Ende des Gehäu­ ses angebaut werden, wodurch die Zellen in dem Gehäuse einge­ schlossen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden an die Anodenzellenklemme ultraschallgeschweißt wer­ den, und die Kathoden an die Kathodenzellenklemme ultraschallge­ schweißt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden- und Kathodenklemmen über Falzen (46) mit dem Ge­ häuse verbunden werden, wodurch eine Dichtung zwischen den Zellenklemmen und dem Gehäuse geschaffen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entgasungseinrichtung (18) in eine Anschlußöffnung (26) in dem an der Anodenzellenklemme angebrachten Einwegventilgehäu­ se eingesetzt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse die Gestalt einer offenen rechteckigen Hülse (12) auf­ weist, bevor die Zellen in diesem angeordnet werden.