DE102008032068A1

DE102008032068A1 - Verbessertes elektrochemisches Speicherelement

Info

Publication number: DE102008032068A1
Application number: DE102008032068A
Authority: DE
Inventors: Gerold Dr. Neumann; Peter Dr. Gulde; Andreas Dr. Würsig
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-07-08
Filing date: 2008-07-08
Publication date: 2010-01-28
Also published as: EP2301096A1; WO2010003979A1; US20110262798A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein verbessertes elektrochemisches Bauelement oder Speicherelement zur Speicherung sowie Abgabe elektrischer Energie, das sich durch eine Reduzierung oder Verhinderung einer Ausbildung magnetischer Streufelder auszeichnet. Zu diesem Zweck enthält das Element wenigstens zwei elektrochemische Zellen mit den üblichen Komponenten. Diese Zellen sind derart zueinander angeordnet, dass die Zellen (20a, b) derart angeordnet sind, dass eine mit dem Kathodenstromsammler verbundene Anschlussfahne (13a) einer Zelle (20a) relativ zu einer mit dem Anodenstromsammler verbundenen Anschlussfahne (12b) einer benachbarten Zelle (20b) so positioniert ist, dass sich die durch bewegte elektrische Ladungen in den Anschlussfahnen (13a, 12b) erzeugten magnetischen Felder überlagern und im Wesentlichen kompensieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein verbessertes elektrochemisches Bauelement zur Speicherung sowie Abgabe elektrischer Energie. Derartige Bau- oder Speicherelemente sind in Form von Batterien und Akkumulatoren in verschiedenen Größen und Bauformen für unterschiedlichste Einsatzzwecke allgemein bekannt. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere flache Batterien und Akkumulatoren, die aus folienartigen Schichten bestehen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen und Lithium-Polymer-Zellen. In beiden Fällen dienen Folien als Ausgangsprodukt für die Elektroden sowie den Separator, der die Elektroden voneinander trennt.
In Lithium-Ionen-Zellen werden die Folien in der Regel zu einem mehrlagigen Wickelkörper verarbeitet und in ein festes Metallgehäuse eingepresst. In dieses wird dann der flüssige Elektrolyt gegeben und anschließend das Batteriegehäuse hermetisch verschlossen.
Bei Polymer-Zellen handelt es sich um Flachzellen, die auch prismatische Zellen genannt werden. Hier werden die Elektrodenfolien typischerweise gestapelt und unter Druck- und gegebenenfalls Temperatureinwirkung oder durch Verkleben innig miteinander verbunden. Der Batteriekörper wird in eine metallisierte Kunststofffolie, die eine Gehäusefunktion übernimmt, eingebracht, mit Elektrolyt befüllt und dann durch Versiegeln der Gehäusefolienberandung verschlossen. Im Innern der Gehäusefolie wird beim endgültigen Verschließen ein Vakuum eingestellt. Der Elektrolyt wird bei diesem Zelltyp im Batteriekörper in in der Elektroden- und Separatorstruktur vorhandene Mikroporen inkorporiert oder durch Gelifizierung des Polymerbinders in den Schichten absorbiert und immobilisiert.
Bei beiden Zellentypen sind die Elektroden mit Strom ableitenden Strukturen, so genannten Stromsammlern, verbunden. Über diese werden Elektronen von den Elektroden zu Kontakten bzw. von den Kontakten zu den Elektroden geführt. Die Kontakte verbinden das Gehäuse durchragend dessen Inneres mit der Umgebung und dienen der elektrischen Ankontaktierung der Zellen an der jeweiligen Peripherie. Die Kontakte werden auch als Anschlussfahnen oder Gehäusedurchführungen bezeichnet. Als Kontaktierung durch das Gehäuse dient z. B. für jede Elektrode jeweils ein flaches Metallband, welches in die Siegelnaht so eingeschweißt ist, dass die Verpackung hermetisch geschlossen ist.
Bei den Elektroden sowie ggf. den Stromsammlern handelt es sich um flächige Strukturen, in denen ein im Wesentlichen bidirektionaler und kein unidirektionaler Elektronentransport vorliegt. Im Gegensatz hierzu handelt es sich bei den Gehäusedurchführungen oder Anschlussfahnen um Strukturen von im Wesentlichen eindimensionaler Gestalt (z. B. in Form flacher Kontaktfahnen oder -drähte). Sie bilden einen elektrischen Leiter aus, in dem ein in eine Achsrichtung gerichteter Stromfluss auftritt. Hierbei entstehen gemäß dem Prinzip von Maxwell für einen stromdurchflossenen Leiter bei Lade- oder Entladevorgängen einer Zelle um die Gehäusedurchführungen oder Anschlussfahnen herum magnetische Felder.
Das Entstehen oder Vorliegen von magnetischen Feldern variierender oder konstanter magnetischer Feldstärke ist bei bestimmten Anwendungen insbesondere während des Entladebetriebs mit Nachteilen behaftet. Beispielhaft seien hier Magnetfeldmessgeräte, insbesondere ein transportables, netzunabhängiges Messgerät zur Vermessung von Erdmagnetfeldstörungen, genannt, wie es zur Auffindung von verschütteten Gegenständen in der Archäologie zum Einsatz kommt. Es ist ein gängiges Messverfahren in der Archäologie, durch geringste Störungen im Erdmagnetfeld nach verschütteten Objekten zu suchen. Die Anforderungen in solchen Messgeräten an ein minimales betriebsbedingtes Streufeld sind offenkundig außerordentlich hoch, da Störungen bis hinunter zu einem Zehntausendstel des Erdmagnetfeldes detektiert werden müssen. Damit wird die Anforderung an das Streufeld, das vom Messgerät unter Betriebsbedingungen selbst ausgeht, maximal in der gleichen Größenordnung liegen. Des Weiteren sind Anwendungen denkbar, bei denen von der Batterie oder dem Akkumulator selbst kein magnetisches Feld oder nur ein unabhängig vom Stromfluss konstantes Magnetfeld ausgehen soll, z. B. in der Medizintechnik oder in militärischen Anwendungen, wo magnetfeldsensitive Sensoren oder Ortungssysteme eingesetzt werden.
Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrochemisches Bauelement zur Speicherung sowie Abgabe elektrischer Energie bereit zu stellen, das sich insbesondere für magnetfeldempfindliche Anwendungen eignet und von dem nur ein möglichst geringes Magnetfeld ausgeht.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß in einem elektrochemischen Bauelement oder Speicherelement zur Speicherung sowie Abgabe elektrischer Energie mit wenigstens zwei elektrochemischen Zellen, wobei jede Zelle eine flächenförmige Kathode, eine flächenförmige Anode, einen flächenförmige Separator, einen mit der Kathode verbundenen Kathodenstromsammler und einen mit der Anode verbundenen Anodenstromsammler aufweist, wobei der Kathoden- und der Anodenstromsammler jeweils mit einer Anschlussfahne verbunden sind, und wobei die Zellen derart zueinander angeordnet sind, dass eine mit dem Kathodenstromsammler verbundene Anschlussfahne einer Zelle relativ zu einer mit dem Anodenstromsammler verbundenen Anschlussfahne einer benachbarten Zelle so positioniert ist, dass sich die durch bewegte elektrische Ladungen in den Anschlussfahnen erzeugten magnetischen Felder überlagern und im Wesentlichen kompensieren. In einer oder mehreren dieser Zellen können selbstverständlich auch mehrere Anoden und Kathoden, jeweils getrennt durch einen Separator, stapelförmig übereinander liegen, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Deren Stromsammler werden noch innerhalb der Zellen zu einem einzigen Kathodenstromsammler und einem einzigen Anodenstromsammler zusammengeführt, die mit der jeweiligen Anschlussfahne verbunden sind.
Ein elektrochemisches Bauelement oder Speicherelement im Sinne der Erfindung kann eine Batterie oder ein Akkumulator sein und ist durch Verwendung von Primär- bzw. Sekundärzellen ausgebildet. Es zeichnet sich durch eine nahezu vollständige oder wenigstens möglichst weitgehende Kompensation von aufgrund einer Verschiebung elektrischer Ladungen entstehenden Magnetfeldern aus. Durch die weitgehende Kompensation von durch bewegte Ladungen erzeugten magnetischen Feldern ist das erfindungsgemäße Bauelement stets von einem bereits schon im Nahbereich (d. h. in etwa im Bereich von wenigen Zentimetern) minimierten Magnetfeld umgeben. Bei einer Verwendung in einem Rahmen magnetfeldsensibler Anwendungen werden ladungsflussabhängige Schwankungen des Magnetfelds verringert oder verhindert. Das ggf. verbleibende weitgehend konstante Magnetfeld kann mit Vorteil einfach messtechnisch ausgeglichen werden.
Die Zellen des Bau- oder Speicherelements sind vorzugsweise mittelbar oder unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet, insbesondere so, dass jeweils die Anschlussfahnen der Zellen mit unterschiedlicher Polarität unmittelbar oder mittelbar benachbart und/oder nahe beieinander angeordnet sind. Besonders vorteilhaft sind eine parallele, vorzugsweise übereinander liegende Anordnung der Anschlussfahnen sowie deren aneinander angrenzende Anordnung, wobei die Anschlussfahnen elektrisch voneinander isoliert sind. Je näher die Anschlussfahnen beieinander liegen, desto vollständiger kompensieren sich die sie umgebenden magnetischen Felder. Die Isolierung ist daher mit besonderem Vorteil dünn.
Die mit der Erfindung vorgeschlagene Anordnung benachbarter Zellen zueinander bewirkt, dass beim Lade- und/oder Entladebetrieb auftretende Verschiebungen elektrischer Ladungen zu keiner Ausbildung von nach außen wirkenden magnetischen Streufeldern oder nur zu solchen mit einer geringen Wirkung führen. Dieses ist darin begründet, dass gemäß dem Maxwellschen Gesetz eine Ladungsverschiebung durch einen Leiter stets mit der Bildung eines den Leiter umgebenden Magnetfelds verbunden ist und die Zellen erfindungsgemäß derart zueinander angeordnet sind, dass sich so entstehende magnetische Felder gegenseitig möglichst vollständig auslöschen oder zumindest minimieren. Bestandteile der jeweiligen Zellen mit gegensätzlicher Polarität, also umgekehrter Ladungsflussrichtung und damit umgekehrter Orientierung des magnetischen Felds, sind erfindungsgemäß so zueinander angeordnet, dass es aufgrund der gegensätzlichen Orientierung der die Bestandteile umgebenden magnetischen Felder zu deren weitgehenden oder vollständigen gegenseitigen Überlagerung und Auslöschung kommt.
Betroffen von der Ausbildung eines magnetischen Streufelds ist grundsätzlich jede stromleitende, also ladungsverschiebende Struktur des elektrochemischen Bauelements. In den Elektroden selbst treten allerdings funktionsbedingt gleichzeitig entgegengesetzte Elektronen- und Ionenströme auf, so dass es zu einer Magnetfeldkompensation kommt. Bei den Stromsammlern kommt es aufbaubedingt zu einer Kompensation der aufgrund von Ladungsverschiebung entstehenden Magnetfelder, da die Stromflussrichtung des Anodenstromsammlers zu der des Kathodenstromsammlers stets entgegen gerichtet ist und die Stromsammler aufgrund der flächenförmigen Ausbildung von Elektroden und Separator in der Regel sehr dicht beieinander angeordnet sind, so dass sich die Magnetfelder nahezu vollständig überdecken. Unter flächenförmig in diesem Sinne sind flache, insbesondere ebene oder gekrümmte Formen und/oder solche mit im Vergleich zu ihrer Länge und Breite geringen Stärke zu verstehen. Kritisch im Hinblick auf die Entstehung von magnetischen Streufeldern bleiben dagegen insbesondere die elektrischen Durchführungen durch das Gehäuse (Anschlussfahnen) und die Anbindung der Batterie bzw. des Akkumulators an die Systemumgebung. Insbesondere diese Bestandteile bilden einen Leiter im Sinne der Maxwellschen Gesetze mit einer Struktur, die eine im Wesentlichen eindimensionale, in eine Raumrichtung gerichtete Ladungsverschiebung ermöglicht.
Bei den Zellen des Bau- oder Speicherelements handelt es sich bevorzugt um Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Zellen. Die Anzahl der Zellen des erfindungsgemäßen Bauelements beträgt wenigstens zwei. Mit besonderen Vorteil weist das Bauelement eine gerade Anzahl von Zellen auf, insbesondere mehr als zwei, da bei einer geraden Zellenzahl – wie sich aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt – bei einer Ladungsverschiebung entstehende Magnetfelder besonders gut kompensiert werden können, wobei zu jeder Zelle eine weitere mit umgekehrtem Magnetfeld zur Kompensation bereit steht.
Bei den Zellen kann es sich um gewickelte Zellen handeln, wie in der Lithium-Ionen-Technologie allgemein üblich, wobei die folienförmigen Bauelemente der Zelle zu einem mehrlagigen Wickelkörper gewickelt und in ein festes Metallgehäuse eingepresst sind. Dieses beinhaltet auch den in flüssiger Form vorliegenden Elektrolyten, sofern keine reine Festkörperionenleitung vorgesehen ist, und ist hermetisch verschlossen.
Alternativ kann es sich bei den Zellen um geschichtete oder prismatische Zellen handeln, wie in der Lithium-Polymer-Technologie allgemein üblich. Diese haben die Form von Flachzellen und bilden das Bauelement als Flachspeicherelement aus, indem sie beispielsweise flach aneinander angrenzend angeordnet sind. Die Elektroden der Zellen sind gestapelt angeordnet, unter Zwischenlage von Separator und Stromsammlern beispielsweise unter Druck- und Temperatureinwirkung oder durch Verkleben miteinander verbunden und in ein Gehäuse, z. B. in eine metallisierte Kunststofffolie, eingebracht. Das Gehäuse ist in der Regel mit Elektrolyt befüllt und hermetisch verschlossen, beispielsweise durch Versiegeln der Gehäusefolienberandung. Im Innern des Gehäuses wird beim endgültigen Verschließen ein Vakuum eingestellt. Der Elektrolyt wird in diesem Zelltyp im Batteriekörper in eine mikroporöse Elektroden- und Separatorstruktur inkorporiert oder durch Gelifizierung des Polymerbinders in den Schichten absorbiert und immobilisiert.
Die einzelnen Bestandteile der Zellen wie z. B. Elektroden, Separator und Stromableiter sind flach (als Flächengebilde) ausgebildet oder aus Folien hergestellt. Die Stärke der Elektroden beträgt vorzugsweise zwischen 200 μm und 50 μm, ist aber nicht auf diese Schichtdicken festgelegt. Dabei ist auf abgestimmte Kapazitäten von Anoden und Kathoden zu achten, wie dem Fachmann bekannt. Die Elektroden des Bauelements nach der Erfindung sind im Falle von Lithiumakkumulatoren anoden- wie auch kathodenseitig Materialien, die Lithium ohne signifikante strukturelle Veränderungen des Wirtsgitters reversibel ein- und auslagern können. Diese können unter anderem Lithiummetalloxidverbindungen wie LiCoO₂, LiMn₂O₄, oder andere Lithiumverbindungen wie LiFePO₄ sein, wie dem Fachmann bekannt. Anodenseitig kommt vorrangig Kohlenstoff in unterschiedlichsten Modifikationen zum Einsatz. Eine besonders sichere und langlebige Alternative zu Kohlenstoffen stellt auch beispielsweise Li₄Ti₅O₁₂ dar.
Anstelle von Lithiumtechnologie kann selbstverständlich jede andere Technologie für Batterien oder Akkumulatoren verwendet werden.
Die Stärke eines folienartigen Separators beträgt vorzugsweise zwischen 10 μm und 60 μm. Die Stärke der Stromableiter liegt bevorzugt in einem Bereich von 10 μm und 30 μm.
Es entsteht ein dünnes Batterieelement bestehend aus zwei Stromableitern für Anode und Kathode, der Anoden- und der Kathodenfolie sowie dem Separator. Das Element ist in der Regel mit Elektrolytflüssigkeit befüllt. Durch Stapeln und Parallelschalten mehrerer solcher Elemente innerhalb eines Batteriegehäuses lässt sich die Kapazität erhöhen. Verschiedene Ausführungsformen solcher Elemente zum Beispiel zur Erhöhung der Energiedichten sind dem Fachmann bekannt.
Durch Stapelung und Parallelverschaltung der vorgenannten Bestandteile mit den gewünschten lateralen Abmessungen lässt sich die angestrebte Zielkapazität einstellen, woraus sich dann die Dicke einer Zelle ergibt. Sie liegt typischerweise zwischen 0,5 mm und 20 mm, ist aber nicht darauf beschränkt. Die erfindungsgemäße Aufgabe ist in dieser Aufbautechnik besonders vorteilhaft zu lösen, da es möglich ist, eine durch die Nutzung vorgegebene Kapazitätsanforderung an den Akkumulator zum Beispiel auf zwei oder ein Vielfaches von zwei Zellen zu verteilen, indem die Anzahl der Batterieelemente in einem Gehäuse auf zwei oder ein Vielfaches von zwei Zellen mit jeweils der angepassten Anzahl von Batterieelementen aufgeteilt wird. Diese lassen sich dann im Bereich der Durchführungen wie vorangehend beschrieben magnetfeldkompensierend aufbauen.
Das Gehäuse von Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist ein tiefgezogener Metallbecher, der typischerweise aus Aluminium gefertigt wird. Nach dem Einsetzen des Batteriekörpers und der Elektrolytzugabe wird dieser Becher mit einem geeigneten Fügeverfahren wie beispielsweise dem Laserschweissen mit einem Deckel, der die Durchführungen enthält, hermetisch verschlossen. Bei Polymerzellen erfolgt die Umhäusung des Batteriekörpers mit einer beidseitig mit Kunststoff beschichteten Aluminiumfolie, die durch einen Siegelschritt im Randbereich verschlossen wird.
In besonders vorteilhafter Weise kann die Magnetfeld-kompensierende Anordnung unter Verwendung bifilarer Wickeltechnik oder einer Vierpolanordnung erfolgen. Bei der bifilaren Wickeltechnik werden die Ladung führenden Leiter in Form eines geflochtenen Zopfes angeordnet. Bei unflexiblen Leitern, die eine solche Flechtung nicht zulassen, hat sich die Vierpolanordnung bewährt. Ob eine bifilare Wickeltechnik oder eine Vierpolanordnung verwendet wird, hängt in erster Linie von der Flexibilität und der Form der Leiter oder Anschlussfahnen ab. Da die Stromdurchführungen oder Anschlussfahnen einer Lithium-Zelle üblicherweise in Form von Metallbändern ausgeführt sind, die nicht bifilar wickelbar sind, ist eine Vierpolanordnung in diesem Fall besonders vorteilhaft. Die Vierpolanordnung wird insbesondere dadurch bewirkt, dass das Stromspeicherelement nicht als eine einzelne Zelle realisiert ist, sondern die Kapazität auf wenigstens zwei Zellen aufteilt, die als magnetfeldkompensierte Einheit geschaltet werden.
Die Zellen besitzen vorzugsweise identische Abmessungen sowie entsprechend reduzierte, vorzugsweise identische Kapazität. Sie sind mit Vorteil so zueinander angeordnet, dass jeweils die positiven und die negativen Stromleiter im Sinne von Maxwell vertauscht sind. In besonders einfacher Weise ist das möglich, wenn die Anschlussfahnen symmetrisch zu einer Mittelachse ausgebildet sind. Des Weiteren kann mit Vorteil die positive Anschlussfahne auf der einen Seite der Mittelachse und die negative Anschlussfahne auf deren gegenüber liegenden Seite angeordnet sein. In diesem Fall kann das Vertauschen der Durchführungspolaritäten oder Anschlussfahnen durch eine um 180° entlang der Mittelachse gegeneinander gedrehte Anordnung der Zellen vorteilhaft mit nur einem Zelltyp realisiert werden. Liegen die Durchführungen oder Anschlussfahnen asymmetrisch zur Mittelachse der Zelle, so kann man mit zwei verschiedenen Ausführungsformen, die sich durch Vertauschen der Polaritäten der Durchführungen oder Anschlussfahnen unterscheiden, die angestrebte Anordnung mit Magnetfeldkompensation erreichen.
Die an die Anschlussfahnen oder Durchführungen sich anschließende weitere Verdrahtung des erfindungsgemäßen Bauelements z. B. mit einer Schutzbeschaltung oder der Peripherie erfolgt vorzugsweise mit bifilar gewickelten Leitern. Es ist gleichfalls möglich, dass auch diese weitere Verdrahtung nach Art einer Vierpolanordnung ausgebildet sein kann. Die Leiter der weiteren Verdrahtung können an die Anschlussfahnen angeschweißt oder gelötet sein.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Zellen ausschließlich nicht dauermagnetische oder nahezu nicht dauermagnetisierbare Materialien auf. In Verbindung mit der zuvor beschriebenen Anordnung der Anschlussfahnen zur Kompensation von Magnetfeldern aufgrund Ladungsverschiebung können hierdurch elektrochemische Speicherelemente zur Verfügung gestellt werden, die sowohl im Lade- als auch im Entladebetrieb sowie im Ruhezustand nahezu magnetfeldfrei sind.
Der Bedarf einer steuer- oder regelungstechnischen Kompensation konstanter oder variabler Magnetfelder entfällt. Dauermagnetische oder dauermagnetisierbare in diesem Sinne sind insbesondere ferro- bzw. ferrimagnetische Substanzen wie Eisen, Nickel oder Kobalt sowie andere bekannte Materialien. Ansonsten gilt für den Einsatz von für die Erfindung geeigneten Materialien, die etwa para- oder diamagnetisch sind, dass die Suszeptibilität χ_m des Materiales sehr viel kleiner als 1 sein muss. Dies gilt beispielsweise für das paramagnetische Material Aluminium, bei dem χ_m = +20 × 10^–6 beträgt und welches als Stromableiter in Lithiumakkumulatoren Verwendung findet.
Die bekannten und heute eingesetzten Elektrodenmaterialien in Lithiumbatterien und -akkumulatoren sind in der Regel durchweg nicht dauermagnetisierbar oder -magnetisch, auch nicht die verwendeten Elektrolyte oder Binder. Bei dem Gehäusematerial handelt es sich mit Vorteil um ggf. beidseitig kunststoffbeschichtetes Aluminium, das ebenfalls kein dauermagnetisierbares Material ist. Jedoch ist insbesondere in dem vorliegenden Zusammenhang die Auswahl der Materialen für die Stromsammler sowie die Anschlussfahnen oder Gehäusedurchführungen in geeigneter Weise zu treffen.
Die Auswahl der Stromsammlermaterialien richtet sich nach der Elektrodenkombination, da die Stabilität der hierfür verwendeten Metalle von den elektrochemischen Potentialverhältnissen in der Zelle abhängt. In Systemen mit graphitbasierten Anoden und Lithiummetalloxidverbindungen wird mit Vorteil Kupfer auf der Anode und Aluminium auf der Kathode verwendet. In kommerziellen Produkten wird allerdings die Gehäusedurchführung auf der Kathodenseite typischerweise als Nickelfähnchen ausgeführt. Dieses ist nachteilig, da es sich bei Nickel um ein ferromagnetisches Material handelt. Nach einem Vorschlag der Erfindung hierzu sind neben den Stromsammlern auch die Anschlussfahnen oder Durchführung als Kupferfähnchen ausgeführt, um so einen amagnetischen Aufbau zu erzielen. Ein Nachteil von Kupferkontakten als Anschlussfahnen oder Durchführungen ist allerdings, dass diese mit Umgebungsatmosphäre zur Oxidation neigen, so dass die Anbringung von Leitern zur Verbindung des Bauelements mit dem peripheren System mit zunehmender Zeit schwieriger wird. Dieses Problem wird nach einem besonders vorteilhaften Vorschlag der Erfindung durch die Verwendung einer Lithiumtitanatanode (Li₄Ti₅O₁₂) als Alternative zu kohlenstoff-basierten Anoden gelöst. In dieser Konfiguration ist es möglich, auf beiden Elektrodenseiten Aluminiumableiter zu verwenden und auch die Anschlussfahnen oder Gehäusedurchführungen in Form von Aluminiumfahnen auszuführen.
Zur Erzielung erhöhter Klemmenspannungen können im Sinne der Erfindung mit Vorteil zwei oder mehr Zellen seriell verschaltet sein. Eine Parallelschaltung ist gleichfalls denkbar. Bei beiden Verschaltungen lässt sich eine optimale Vierpolanordnung im Bereich der Stromdurchführungen in der hier beschriebenen Lithium-Polymer-Technologie realisieren, sofern eine gerade Anzahl von Zellen verschaltet wird. Die Zellen sind mit wechselnden Polaritäten der Stromdurchführungen gestapelt, so dass jeweils positive und negative Pole übereinander zu liegen kommen. Diese werden zu einer Serien- bzw. Parallelschaltung untereinander verbunden bis auf die äußersten beiden Pole, die vorzugsweise mittels eines bifilar gewickelten Leitungspaares zum Verbraucher geführt werden.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Bauelements, aufweisend die Schritte:

– Bereitstellen wenigstens zweier, vorzugsweise als Flachzellen ausgebildete Primär- oder Sekundärzellen,
– Anordnen der Zellen derart, dass eine mit dem Kathodenstromsammler verbundene Anschlussfahne einer Zelle so zu einer mit dem Anodenstromsammler verbundenen Anschlussfahne einer benachbarten Zelle angeordnet ist, dass sich die durch bewegte elektrische Ladungen in den Anschlussfahnen erzeugten magnetischen Felder überlagern und im Wesentlichen kompensieren.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung besonders bevorzugter Ausführungsformen anhand der Figuren. Dabei zeigt:
1 das Innere einer elektrochemischen Zelle, wie sie bei der Erfindung Verwendung findet, in einer schematischen Schnittansicht,
2 zwei Zellen in einer schematischen Aufsicht,
3 zwei Zellen angeordnet in der Form eines Bauelements nach der Erfindung,
4 die schematische Darstellung einer Vierpolanordnung und
5 die schematische Darstellung einer bifilaren Wicklung.
Das in der 1 dargestellte Innere einer elektrochemischen Zelle 20a, b kann für eine primäre oder eine sekundäre Zelle vorgesehen sein. Es weist eine Anode 1 und eine Kathode 2 auf. Zwischen diesen ist ein Separator 3 angeordnet. Auf der dem Separator 3 gegenüberliegenden Seite der Anode 1 befindet sich ein Anodenstromsammler 4, wohingegen sich auf der dem Separator 3 abgewandten Seiten der Kathode 2 ein Kathodenstromsammler 5 befindet. Anode 1, Kathode 2, Separator 3 sowie Anoden- und Kathodenstrom-Sammler 4, 5 sind Folienelemente geringer Stärke oder Dicke, die in der 1 nur zum Zwecke einer deutlichen Darstellung vergrößert und nicht notwendigerweise mit korrekten Proportionen dargestellt sind. Die Zelle ist mit einem Flüssigelektrolyten getränkt, der sich zumindest im Bereich des Separators 3, häufig aber auch innerhalb der Elektroden 1, 2 befindet. In der 1 sind des Weiteren die Ladungsströme in dem Bauelement 21 unter Betriebsbedingen (während der Entladung) dargestellt, und zwar anhand von Pfeilen 6 der Elektronenstrom in Anode 1 und Kathode 2 und anhand von Pfeilen 7 der entgegen gesetzte Ionenstrom. Ein Pfeil 8 kennzeichnet den Elektronenstrom im Anodenstromsammler 4 und ein Pfeil 9 den im Kathodenstromsammler 5.
Aufgrund der nur geringen Dicke der in der 1 stark vergrößert gezeigten Anode 1 und Kathode 2 sowie deren quer zur Zeichnungsebene großen Ausdehnung wird durch die Elektronenströme (Pfeile 6) und die Ionenströme (Pfeile 7) kein oder nur eine vernachlässigbar kleines magnetisches Feld erzeugt. Die Elektronenströme 8, 9 in Anode 1 bzw. Kathode 2 sind einander entgegen gerichtet. Die sich hierdurch ergebenden magnetischen Felder, die aufgrund des gegenläufigen Elektronenstroms einander entgegen gerichtet sind, kompensieren sich aufgrund der räumlich nahen Anordnung der Stromsammler 4, 5, die nur durch die dünnen, folienartigen Elektroden 1, 2 sowie den Separator 3 voneinander getrennt sind.
Die 2 und 3 zeigen zwei Zellen 20a, b, bei denen z. B. Anordnungen gemäß der 1 jeweils in einem Gehäuse 10 aufgenommen sind, das aus einer Folie gebildet ist. Diese umhüllen die Zellen 20a, b jeweils vollständig und sind jeweils mit einer umlaufenden Siegelnaht 11 hermetisch verschlossen. Zur Stromableitung sind je Zelle 20a, b eine mit der Anode 1 leitend verbunden Anschlussfahne 12a, 12b sowie eine mit der Kathode 2 leitend verbundene Anschlussfahne 13a, 13b vorgesehen, die das Gehäuse 10 durchragen. Die Anschlussfahnen 12, 13 sind um einen Abstand d voneinander beabstandet, der je nach Fertigung oder Anschlussanforderungen unterschiedlich groß ausgebildet sein kann. Sind die Anschlussfahnen 12, 13 nicht ausreichend nah beieinander angeordnet, findet eine gegenseitige Kompensation der diese umgebenden Magnetfelder nicht oder nur unzureichend statt. 3 zeigt, wie diesem Umstand nach der Erfindung Rechnung getragen wird: Die beiden Zellen 20a, b werden zu einem Bauelement 21 so zueinander angeordnet, dass die mit der Anode 1 der ersten Zelle 20a verbundene Anschlussfahne 12a benachbart der mit der Kathode 2 der zweiten Zelle 20b verbunden Anschlussfahne 13b und die mit der Kathode 2 der ersten Zelle 20a verbundene Anschlussfahne 13a benachbart der mit der Anode 1 der zweiten Zelle 20b verbundenen Anschlussfahne 12b angeordnet ist. Die Anschlussfahnen 12a, 12b, 13a, 13b bilden eine in der 5 schematisch dargestellte Vierpolanordnung aus, bei der sich die die Anschlussfahnen 12a, 12b, 13a, 13b umgebenden Magnetfelder gegenseitig kompensieren und weitgehend auslöschen.
Die weitere Ankontaktierung der Anschlussfahnen 12a, 12b, 13a, 13b erfolgt in vorteilhafter Weise mittels Leitern 14, 15, die in der in der 4 dargestellten Art bifilar verwickelt sind. Die Leiter 14, 15 werden in entgegen gesetzter Richtung von Strom durchströmt, so dass es auch hier zu einer weitgehenden, wenn nicht vollständigen Kompensation der entstehenden Magnetfelder kommt.
In einer ersten beispielhaften Anordnung sind zwei Zellen 20a, b gemäß der Erfindung parallel verschaltet. Die Verschaltung weist zwei identische Lithiumakkumulatoren als Zellen in Lithium-Polymer-Technologie mit einer Kapazität von jeweils 2,2 Ah auf. Die Lage der Anschlussfahnen ist symmetrisch zur Längsachse der Zellen, so dass durch das exakte Aufeinanderlegen der beiden Zellen mit vertauschter Lage der Anschlussfahnen eine Vierpolanordnung im Bereich der Gehäusedurchführung realisiert werden kann. Die Anschlussfahnen sind so nah wie fertigungstechnisch möglich benachbart zueinander angeordnet. Als Elektrodenpaarung ist Lithiumkobaltoxid LiCoO₂ in der Kathode und Grafit in der Anode. Die Stromableiter einschließlich der Gehäusedurchführungen bestehen anodenseitig aus Aluminium und kathodenseitig aus Kupfer. Durch Anbringung einer Isolation zwischen den übereinander liegenden Kontaktfahnen wird verhindert, dass es an dieser Stelle zu Kurzschlüssen kommen kann.
Bei beiden Zellen sind an den Kontaktfahnen dünne Kupferdrähte nahe der Durchführung durch die Verpackungsfolie angelötet. Die Kupferdrähte sind als zwei jeweils bifilar gewickelte Stränge zu einer bei diesem Typ von Lithiumakkumulator aus Sicherheitsgründen notwendigen Schutzbeschaltung geführt. Diese überwacht die Zellen bezüglich sicherheitskritischer Betriebszustände wie Überladung, Tiefentladung bzw. Kurzschluss. Solche Schutzbeschaltungen werden von verschiedenen Anbietern für Lithiumakkumulatoren als kommerzielles Produkt angeboten. Hinter der Schutzbeschaltung sind die beiden Zellen parallel miteinander verschaltet und dann mit einem bifilar gewickelten Drahtpaar zum Verbraucher geführt.
Der beschriebene Aufbau besitzt eine Kapazität von 4,4 Ah bei einer mittleren Spannung von 3,7 V. Er wurde einem starken externen Magnetfeld in verschiedenen Orientierungen ausgesetzt um gegebenenfalls darin enthaltene versteckte dauermagnetisierbare Materialien aufzumagnetisieren. Nach diesem Vorlauf wurde das Zellenpaar einschließlich Beschaltung und ohne Belastung auf dem Messkopf eines hochempfindlichen Magnetometers mit einer Auflösung von deutlich unter 1 nT in verschiedenen Orientierungen auf Störfelder vermessen. Es ergaben sich Streufelder zwischen 2 und 3 nT. Daraus kann geschlossen werden, dass keine dauermagnetisierbaren Materialien in dem Aufbau vorhanden waren.
Anschließend wurde dieser Aufbau mit einer konstanten Strombelastung von 1C über den Verbraucher beaufschlagt und erneut magnetisch vermessen. Es wurden geringfügig erhöhte Feldstärken festgestellt, die jedoch 5 nT nicht überstiegen. Dieser Wert liegt um den Faktor 10.000 unterhalb typischer Werte des Erdmagnetfeldes, welches Werte zwischen 20 und 50 μT je nach Position und Ausrichtung auf der Erdoberfläche hat.
In einer zweiten beispielhaften Anordnung sind zwei Zellen gemäß der Erfindung seriell miteinander verschaltet. In den Zellen sind Lithiumeisenphosphat LiFePO₄ als Kathodenmaterial und Lithiumtitanat Li₄Ti₅O₁₂ als Anodenmaterial eingesetzt. Zwei identische Zellen sind so angeordnet, dass nach dem Übereinanderlegen der Zellen deren Durchführungen eine Vierpolanordnung ausbilden. Die Kapazität jeder einzelnen Zelle beträgt in diesem Fall 4,4 Ah. Die mittlere Spannung in diesem System beträgt 1,8 V, so dass sich durch serielle Verschaltung dieser beiden Zellen eine mittlere Spannung von 3,6 V ergibt. Damit deckt diese Anordnung nahezu den gleichen Betriebsbereich ab wie der zuvor beschriebene Aufbau mit paralleler Verschaltung. Er kann mit einer Reihe von Vorteilen alternativ zu diesem eingesetzt werden. So sind Lebensdauer, Betriebssicherheit oder Selbstentladerate und Temperatureinsatzbereich vorteilhaft gegenüber der vorbeschriebenen parallelen Verschaltung. Allerdings ist die Energiedichte bezogen auf Volumen und Gewicht niedriger. Auch verläuft die Entladekurve, die die Zellspannung als Funktion des Ladezustandes zeigt, deutlich anders.
Die serielle Verschaltung erfolgt, indem der Pluspol der einen Zelle mit dem Minuspol der anderen Zelle, die jeweils übereinander liegen, direkt an der Gehäusedurchführung außerhalb des Batteriekörpers dauerhaft verbunden ist. Zwischen die beiden noch unverbundenen Kontaktfahnen ist eine Isolation und an jeder ein dünnes flexibles Kabel angebracht, die dann bifilar gewickelt zum Verbraucher geführt sind. Ein besonderer Vorteil dieser seriellen Verschaltung ist, dass unter Betriebsbedingungen im gesamten Stromkreis eine einheitliche Stromstärke auftritt. Dies ist bei einer parallelen Verschaltung nicht zwangsläufig gegeben. Bei zum Beispiel durch unterschiedliche Alterung variierenden Innenwiderständen der Zelle würden verschiedene Ströme in den jeweiligen Zellen der Parallelschaltung auftreten.
In der beschriebenen seriellen Anordnung wurde die magnetische Vermessung identisch zu Beispiel 1 durchgeführt. Auch hier ergaben sich Streufelder unter 5 nT.

1: Anode
2: Kathode
3: Separator
4: Anodenstromsammler
5: Kathodenstromsammler
6: Elektronenstrom
7: Ionenstrom
8: Elektronenstrom
9: Elektronenstrom
10: Gehäuse
11: Siegelnaht
12a, b: Anschlussfahne
13a, b: Anschlussfahne
14: Leiter
15: Leiter
16: Mittelachse
20a: Zelle
20b: Zelle
21: Bauelement

Claims

Elektrochemisches Bauelement zur Speicherung sowie Abgabe elektrischer Energie mit wenigstens zwei elektrochemischen Zellen (20a, b), wobei jede Zelle (20a, b) mindestens eine flächenförmige Kathode (2), eine flächenförmige Anode (1), einen flächenförmige Separator (3), einen mit der Kathode (2) verbundenen Kathodenstromsammler (5) und einen mit der Anode (1) verbundenen Anodenstromsammler (4) aufweist, wobei der Kathoden- und der Anodenstromsammler (4, 5) jeweils mit einer Anschlussfahne (12a, b; 13a, b) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (20a, b) derart zueinander angeordnet sind, dass eine mit dem Kathodenstromsammler (5) verbundene Anschlussfahne (13a) einer Zelle (20a) relativ zu einer mit dem Anodenstromsammler (4) verbundenen Anschlussfahne (12b) einer benachbarten Zelle (20b) so positioniert ist, dass sich die durch bewegte elektrische Ladungen in den Anschlussfahnen (13a, 12b) erzeugten magnetischen Felder überlagern und im Wesentlichen kompensieren.
Elektrochemisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussfahnen (12a, b; 13a, b) jeweils zweier zueinander benachbarter Zellen (20a, b) eine Vierpolanordnung bilden.
Elektrochemisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (20a, b) ausschließlich Materialien enthalten, die keine Ferromagnete oder keine Ferrimagnete sind und deren magnetische Suszeptibilität gleichzeitig sehr viel kleiner als 1 ist.
Elektrochemisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Zellen (20a, b) zwei oder ein Vielfaches von zwei ist.
Elektrochemisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (20a, b) Primärzellen sind.
Elektrochemisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (20a, b) Sekundärzellen sind.
Elektrochemisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (20a, b) parallel oder seriell miteinander verschaltet sind.
Elektrochemisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zelle (20a, b), vorzugsweise jede Zelle (20a, b) eine Lithiumtitanatanode (Li₄Ti₅O₁₂) aufweist.
Elektrochemisches Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathoden- und der Anodenstromsammler (4, 5) aus Aluminium bestehen und/oder, dass alle Anschlussfahnen (12a, b; 13a, b) nur aus Aluminium bestehen.
Elektrochemisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlussfahnen der Anode (12a, b) aus Kupfer und/oder dass Anschlussfahnen der Kathode (13a, b) aus Aluminium bestehen.
Elektrochemisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussfahnen (12a, b; 13a, b) symmetrisch zur Mittelachse (16) der jeweiligen Zelle (20a, b) angeordnet sind.
Elektrochemisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit den Stromableitern (4, 5) oder Anschlussfahnen (12a, b; 13a, b) verbundene, bifilar gewickelte Leiter (14, 15) aufweist.
Elektrochemisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussfahnen (12a, b; 13a, b) in Form flacher Metallbänder ausgebildet sind.
Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Bauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend die Schritte: – Bereitstellen wenigstens zweier als Flachzellen ausgebildete Primär- oder Sekundärzellen (20a, b), – Anordnen der Zellen (20a, b) derart, dass die Zellen (20a, b) flachseitig aneinander angrenzen und die Anschlussfahnen (12a, b; 13a, b) einer Zelle (20a) mit denen einer angrenzenden Zelle (20b) eine Vierpolanordnung bilden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (20a, b) parallel oder seriell miteinander verschaltet werden, vorzugsweise mittels bifilar gewickelter Leitungen (14, 15).