DE102005038351A1 - Electrochemical energy storage - Google Patents

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Abstract

Vom Stand der Technik sind elektrochemische Energiespeicher als Batterie oder Kondensatoren bekannt. Batterien zeichnen sich durch einen Vergleich zu Kondensatoren hoher Energiedichte aus, besitzen aber eine vergleichsweise geringe Leistungsdichte. Gemäß der Erfindung wird ein Faradayscher Energiespeicher, d. h. eine Batterie, mit einem Doppelschichtkondensator (DLC) kombiniert und befinden sich im gleichen Elektrolyten. Insbesondere ist für beide Teilspeicher ein gemeinsames Gehäuse (10) vorgesehen.From the prior art, electrochemical energy stores are known as batteries or capacitors. Batteries are distinguished by their high energy density compared to capacitors, but have a comparatively low power density. According to the invention, a Faraday energy store, d. H. a battery, combined with a double layer capacitor (DLC) and are in the same electrolyte. In particular, a common housing (10) is provided for both partial stores.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Energiespeicher, mit einem Gehäuse, einem Elektrolyten, mit Ableitern und mit Elektroden.The The invention relates to an electrochemical energy store, with a housing, a Electrolytes, with arresters and with electrodes.

Elektrochemische Energiespeicher sind vom Stand der Technik in separaten Ausführungen entweder als Batterie oder als Kondensator bekannt. Batterien zeichnen sich durch eine im Vergleich zu Kondensatoren hohe Energiedichte aus, besitzen aber eine vergleichsweise geringe Leistungsdichte. Besonders ausgeprägt ist ein derartiges Verhalten bei primären Lithium-Thionyl-Batterien. Aber auch wieder aufladbare Systeme, wie beispielsweise der bekannte Blei-Akku, sind nicht in der Lage, hohe Impulsströme bereitzustellen. Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren (DLC = Double Layer Condensator) besitzen dagegen eine eingeschränkte Energiedichte, dafür allerdings eine sehr hohe Leistungsdichte.electrochemical Energy storage are of the prior art in separate versions either known as a battery or as a capacitor. Draw batteries by a high energy density compared to capacitors but have a comparatively low power density. Particularly pronounced is such a behavior in primary lithium thionyl batteries. But again rechargeable systems, such as the well-known lead battery, are unable to provide high pulse currents. capacitors, in particular double-layer capacitors (DLC = Double Layer Condensator) have a limited Energy density, for that however, a very high power density.

In der Praxis behilft man sich für den Fall, dass für technische Anwendungen eine hohe Energiedichte bei gleichzeitig hoher Impulsbelastbarkeit gefordert wird, damit, dass das Batteriesystem nicht nach der erforderlichen Energiemenge, sondern nach der Leistung ausgelegt wird. Dies führt allerdings in Bezug auf die Energiemenge zu deutlich überdimensionierten Systemen mit dem Nachteil eines zu hohen Gewichtes und Volumens. Die Starterbatterien im PKW bis hin in Diesellokomotiven sind dafür entsprechende Beispiele.In In practice one manages oneself for the case that for technical applications have a high energy density at the same time high pulse load capacity is required so that the battery system not according to the required amount of energy, but according to the power is interpreted. this leads to However, in terms of the amount of energy to significantly oversized Systems with the disadvantage of too high a weight and volume. The starter batteries in the car up in diesel locomotives are appropriate Examples.

Blitzlichtgeräte für die Photographie sind ein spezifisches Beispiel, bei dem ein Energiespeicher hoher Energie, d.h. eine Batterie, mit einem Speicher hoher Impulsleistung, d.h. einem Kondensator, miteinander verbunden sind. Beim Einschalten des Gerätes wird der Kondensator aus der Batterie aufgeladen und gibt dann in sehr kurzer Zeit seinen Energieinhalt ab. Hierbei handelt es sich aber um die Kombination zweier isolierter elektrochemischer Energiespeicher.Flash units for photography are a specific example in which an energy store is high Energy, i. a battery, with a memory of high pulse power, i.e. a capacitor, are connected together. When switching of the device the capacitor is charged from the battery and then enters very short time its energy content. This is it but about the combination of two isolated electrochemical energy stores.

Ausgehend von letzterem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen kompakten Energiespeicher anzugeben, der die Vorteile der Batterie mit den Vorteilen des Kondensators verbindet.outgoing From the latter prior art, it is an object of the invention to provide a Compact energy storage device that provides the benefits of the battery combines the advantages of the capacitor.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The Task is inventively by the entirety of the features of claim 1 solved. further developments are given in the subclaims.

Die Erfindung löst das Problem unzureichender Impulsbelastbarkeit von Batterien kleinerer und mittlerer Baugröße, wobei nun kompakte Einheiten gebildet werden.The Invention solves the problem of insufficient pulse power of batteries smaller and medium size, where now compact units are formed.

Vorteilhaft ist bei der Erfindung insbesondere, dass die Doppelschichtkondensatoren voll in den Batterieaufbau integriert werden können und bei der Batterie und den Doppelschichtkondensatoren Verwendung vom gleichen Elektrolyten gemacht wird. Dabei bilden die Elektroden der Batterie ein Redoxsystem, wobei die DLC-Elektroden auf den gleichen Ableitern des Batteriesystems aufgebracht werden können.Advantageous is in the invention, in particular, that the double-layer capacitors can be fully integrated into the battery assembly and the battery and the double-layer capacitors use of the same electrolyte is done. The electrodes of the battery form a redox system, the DLC electrodes on the same arresters of the battery system can be applied.

Mit der Erfindung ist ein elektrochemischer Energiespeicher realisiert, der eine deutlich höhere Impulsbelastbarkeit aufweist als die entsprechenden reinen Batteriesysteme.With The invention is an electrochemical energy storage realized the significantly higher pulse load capacity has as the corresponding pure battery systems.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung den Patentansprüchen. Es zeigenFurther Details and advantages of the invention will become apparent from the following Description of the figures of exemplary embodiments in conjunction with the claims. Show it

1 den schematischen Aufbau einer Batterie mit darin integrierten DLC-Elektroden, 1 the schematic structure of a battery with integrated DLC electrodes,

2 einen Aufbau speziell für eine Knopfzelle, 2 a construction specifically for a button cell,

3 den Aufbau einer primären Lithiumbatterie mit DLC-Elektroden in dreilagiger Formation, 3 the construction of a primary lithium battery with DLC electrodes in three-layer formation,

4 einen derartigen Aufbau in vierlagiger Formation und 4 Such a structure in four-ply formation and

5 eine Alternative zu 3. 5 an alternative to 3 ,

In der 1 ist ein Batterieaufbau mit einer negativen Elektrode 1 und einer positiven Elektrode 3 dargestellt, zwischen der ein in 1 nicht im Einzelnen bezeichneter Elektrolyt und ein Separator 2 angeordnet ist. Mit 4 bzw. 4' sind die Ableiter für die Elektroden 1 und 3 dargestellt.In the 1 is a battery assembly with a negative electrode 1 and a positive electrode 3 shown between the one in 1 unspecified electrolyte and a separator 2 is arranged. With 4 respectively. 4 ' are the arresters for the electrodes 1 and 3 shown.

Der Separator 2 besteht aus isolierendem, aber porösem Material und hat die Funktion, den Elektrolytraum aufzuspannen. Der Elektrolyt befindet sich in den Poren des Separators 2 und stellt eine ionische Verbindung zwischen den Elektroden 1, 3 her Des weitern kann er den verbleibenden Leerraum im den Elektrodenaufbau umschließenden Gehäuse füllen.The separator 2 It is made of insulating but porous material and has the function to open the electrolyte space. The electrolyte is located in the pores of the separator 2 and provides an ionic bond between the electrodes 1 . 3 Further, he can fill the remaining empty space in the housing surrounding the electrode assembly.

In einem Endbereich befinden sich auf den Ableitern 4 bzw. 4' Elektroden 5 bzw. 5', die zusammen mit dem Elektrolyten und dem Separator 2 einen Doppelschichtkondensator bilden. Ein solcher Doppelschichtkondensator wird auch allgemein als DLC-Element bezeichnet, wobei auf die englische Bezeichnung „Double Layer Condensator" zurückgegriffen wird.In one end area are located on the arresters 4 respectively. 4 ' electrodes 5 respectively. 5 ' , which together with the electrolyte and the separator 2 form a double-layer capacitor. Such a dop pelschichtkondensator is also commonly referred to as DLC element, wherein the English term "double layer capacitor" is used.

In 1 ist weiterhin ein Gehäuse 10 angedeutet, in dem sich die Kombination aus Batterie und DLC befindet.In 1 is still a housing 10 indicated in which the combination of battery and DLC is located.

Wesentlich ist bei der Anordnung gemäß 1, dass ein gemeinsamer Elektrolytraum mit dem gleichen Elektrolyten für die Batterie und dem DLC vorhanden ist. Geeignete Elektrolyten für solche Anwendungen sind: Entweder wasserbasierte Systeme, z. B. Kalilauge, oder organische Elektrolytsysteme, wie sie beispielsweise für Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden.It is essential in the arrangement according to 1 in that there is a common electrolyte space with the same electrolyte for the battery and the DLC. Suitable electrolytes for such applications are: Either water-based systems, e.g. As potassium hydroxide, or organic electrolyte systems, such as those used for example for lithium-ion batteries.

In 2 ist eine Knopfzelle 20 als Beispiel herangezogen. Eine solche Zelle besteht aus einer negativen Elektrode 21, die sich auf einem Ableiter 24 befindet, einem Separator 22 und einer zugehörigen positiven Elektrode 23 mit Ableiter 24'. Auf der negativen Elektrode 21 befinden sich nun mehrere streifenförmige Elektroden 25 eines Doppelschichtkondensators DLC. Die negative Elektrode 21 besteht dabei aus Li- und C-Segmenten und die positive Elektrode 23 aus MnO2. Das Gehäuse der Knopfzelle 20 ist in 3 der Übersichtlichkeit halber weggelassen.In 2 is a button cell 20 used as an example. Such a cell consists of a negative electrode 21 that are on a trap 24 located, a separator 22 and an associated positive electrode 23 with arrester 24 ' , On the negative electrode 21 There are now several strip-shaped electrodes 25 a double-layer capacitor DLC. The negative electrode 21 consists of Li and C segments and the positive electrode 23 from MnO 2 . The housing of the button cell 20 is in 3 omitted for clarity.

Die 3 bis 5 beschreiben jeweils unterschiedlich aufgebaute, aber prinzipiell gleiche primäre Lithiumbatterien. Alternativ sind auch Lithium-Ionenelemente mit entsprechendem Aufbau geeignet. In 3 ist ein derartiger Aufbau mit einer dreilagigen Elektroden-Anordnung dargestellt, in 4 eine vierlagige Elektroden-Anordnung und in 5 eine Alternative wiederum mit einer dreilagigen Elektrodenanordnung.The 3 to 5 describe differently constructed, but in principle the same primary lithium batteries. Alternatively, lithium-ion elements are suitable with a corresponding structure. In 3 Such a structure is shown with a three-layered electrode arrangement, in 4 a four-layer electrode assembly and in 5 an alternative in turn with a three-layered electrode arrangement.

Im Einzelnen sind in den 3 bis 5 die negative Elektrode mit 11, die positive Elektrode mit 13, die Separatoren mit 12, die Ableiter mit 14 und die DCL-Elektrode mit 15 bezeichnet.Specifically, in the 3 to 5 the negative electrode with 11 using the positive electrode 13 using separators 12 , the arresters with 14 and the DCL electrode with 15 designated.

In den 3 bis 5 besteht die negative Elektrode 11 aus Lithium oder Li/C die positive Elektrode aus beispielsweise Manganoxid (MnO2). Die DCL-Elektrode wird insbesondere durch ggf. modifizierte Aktivkohle gebildet.In the 3 to 5 is the negative electrode 11 from lithium or Li / C, the positive electrode of, for example, manganese oxide (MnO 2 ). The DCL electrode is formed in particular by optionally modified activated carbon.

Speziell in 4 ist zentrisch eine negative Elektrode 11 vorhanden, die auf der Gegenseite des Ableiters 12 mit einer DLC-Elektrode 15 aus Kohlenstoff (C) belegt ist. Beidseitig ist ein Separator 12 vorhanden, der an der unteren Seite von einer positiven Elektrode 13 mit anschließender DLC-Elektrode 15 und auf der Oberseite von einer DLC-Elektrode 15 mit einer positiven Elektrode 13 gefolgt wird. Diese Anordnung ist Teil eines Aufbaus mit m gestapelten Einzelelektroden, wobei speziell die Elektrodenlage n und n + 1 dargestellt sind.Specially in 4 is centric a negative electrode 11 present on the opposite side of the arrester 12 with a DLC electrode 15 made of carbon (C). On both sides is a separator 12 present on the lower side of a positive electrode 13 with subsequent DLC electrode 15 and on top of a DLC electrode 15 with a positive electrode 13 followed. This arrangement is part of a construction with m stacked individual electrodes, wherein in particular the electrode layer n and n + 1 are shown.

In 4 sind die positive Elektrode 13 wiederum aus MnO2 und die negative Elektrode aus Li/C gebildet. Die Ableiter 14 sind auf Vorder- und Rückseite unterschiedlich beschichtet.In 4 are the positive electrode 13 again MnO 2 and the negative electrode of Li / C formed. The arresters 14 are coated differently on the front and back.

Ein prinzipiell ähnlicher Aufbau ergibt sich aus 5, in der wiederum zwei Lagen n und n + 1 eines m-lagigen Aufbaus dargestellt sind. Es ergibt sich obige Abfolge der negativen Elektrode 11 mit der DLC-Elektrode 15 und dem Separator 12, dem die positive Elektrode 13 mit Separator 12 folgt. Wesentlich ist hier, dass der negative Ableiter 14 beidseitig unterschiedlich beschichtet ist. Der positive Ableiter 14' ist dagegen mit nur einem Material beschichtet.A basically similar structure results 5 in which again two layers n and n + 1 of an m-layer structure are shown. The result is the above sequence of the negative electrode 11 with the DLC electrode 15 and the separator 12 to which the positive electrode 13 with separator 12 follows. It is essential here that the negative arrester 14 coated on both sides differently. The positive arrester 14 ' On the other hand, it is coated with only one material.

Die negative Elektrode 11 kann auch – wie bei einer Nickel(Ni)-Metallhydrid-Batterie – aus einer Wasserstoff(H2)- speichernden Metalllegierung bestehen und die positive Elektrode aus einem NiO/NiO(OH)2-Redoxsystem.The negative electrode 11 can also - as with a nickel (Ni) -Metallhydrid battery - consist of a hydrogen (H 2 ) - storing metal alloy and the positive electrode of a NiO / NiO (OH) 2 -redox system.

Statt der Aktivkohle (C) können auch andere geeignete DLC-Elektrodenmaterialien verwendet werden, wobei eine hinreichende Leitfähigkeit und eine große Oberfläche gewährleistet sein muss. Auch Mischungen unterschiedlicher Materialien sind möglich.Instead of the activated carbon (C) can also other suitable DLC electrode materials be used, ensuring a sufficient conductivity and a large surface area have to be. Also mixtures of different materials are possible.

Bei den vorstehend beschriebenen Beispielen ist jeweils gewährleistet, dass die Kombination von Faraday'schem Energiespeicher und Doppelschichtkondensator eine deutlich höhere Impulsbelastbarkeit als entsprechende reine Batterieelemente aufweist.at the examples described above are respectively ensured that the combination of Faraday'schem Energy storage and double-layer capacitor significantly higher pulse load capacity having corresponding pure battery elements.

Claims (10)

Elektrochemischer Energiespeicher, mit einem Gehäuse, einem Elektrolyten, Ableitern und Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faraday'scher Energiespeicher (Batterie) und ein Doppelschichtkondensator (DLC) miteinander kombiniert sind und sich im gleichen Elektrolytraum befinden.Electrochemical energy storage, comprising a housing, an electrolyte, arresters and electrodes, characterized in that a Faraday energy storage device (battery) and a double-layer capacitor (DLC) are combined with each other and are in the same electrolyte space. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem einzigen Gehäuse (10) sowohl Elektroden (1, 3; 11, 13; 11, 23) mit einem Redoxsystem als auch Elektroden (5, 15, 25) eines Doppelschichtkondensators enthalten sind.Energy store according to claim 1, characterized in that in a single housing ( 10 ) both electrodes ( 1 . 3 ; 11 . 13 ; 11 . 23 ) with a redox system as well as electrodes ( 5 . 15 . 25 ) of a double-layer capacitor are included. Energiespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Doppelschichtkondensator-Elektroden räumlich abgegrenzt von den Elektroden (1, 3; 11, 13; 11, 23) der Batterie auf den Batterieelektrodenableitern (4, 14, 24) befinden.Energy store according to claim 2, characterized in that the double-layer capacitor electrodes are spatially delimited from the electrodes ( 1 . 3 ; 11 . 13 ; 11 . 23 ) of the battery on the battery electrode leads ( 4 . 14 . 24 ) are located. Energiespeicher nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden mit dem Redoxsystem eine positive Elektrode (3, 13, 23) aus Nickeloxid/Nickeloxidhydrid (NiO/NiO(OH)2) und eine negative Elektrode (1, 11, 23) aus einer Wasserstoff (H2)-speichernden Metalllegierung beinhalten.Energy store according to Claim 2 or Claim 3, characterized in that the electrodes with the redox system have a positive electrode ( 3 . 13 . 23 nickel oxide / nickel oxide hydride (NiO / NiO (OH) 2 ) and a negative electrode ( 1 . 11 . 23 ) from a hydrogen (H 2 ) -storing metal alloy. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Elektrode und/oder die negative Elektrode mit einem DLC-Elektrodenmaterial gemischt sind.Energy store according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the positive electrode and / or the negative Electrode are mixed with a DLC electrode material. Energiespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Lithium-Primärbatterie die aus Lithium bestehende negative Elektrode (21) durch Bezirke (25), beispielsweise Streifen, eines DLC-Materials ergänzt ist.Energy store according to claim 5, characterized in that for a lithium primary battery, the lithium negative electrode ( 21 ) through districts ( 25 ), for example strips, of a DLC material. Energiespeicher nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das DLC-Material ein Material auf Koh lenstoffbasis, vorzugsweise Aktivkohle oder anderweitig modifizierte Kohlenstoffverbindungen, ist.Energy store according to claim 5 or claim 6, characterized in that the DLC material is a carbon-based material, preferably activated carbon or otherwise modified carbon compounds, is. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet in der Realisierung als primäre Lithiumbatterie oder Lithium-Ionen-Element.Energy store according to one of the preceding claims, characterized in the realization as primary Lithium battery or lithium-ion element. Energiespeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine dreilagige Elektroden-Anordnung vorhanden ist. (3, 5)Energy store according to claim 8, characterized in that a three-layer electrode arrangement is present. ( 3 . 5 ) Energiespeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine vierlagige Elektroden-Anordnung vorhanden ist. (4)Energy store according to claim 6, characterized in that a four-layer electrode arrangement is present. ( 4 )
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