DE102010013294A1 - Lithium ion battery cell comprises components, which contain inorganic multifunctional component having a low thermal conductivity, where the inorganic multifunctional component has a reciprocal of the thermal diffusivity - Google Patents

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Abstract

The lithium ion battery cell (10) comprises components, which contain inorganic multifunctional component having a low thermal conductivity for reducing thermal anomalies. The inorganic multifunctional component has a reciprocal of the thermal diffusivity, the slope of the viscosity curve as a function of temperature, and the absolute value of the transformation temperature, which are defined as given in the specification. The thermal conductivity of the inorganic multifunctional component is less than 1.5 W.K ->1>.m ->1>. The inorganic multifunctional component is a glass based material. The lithium ion battery cell (10) comprises components, which contain inorganic multifunctional component having a low thermal conductivity for reducing thermal anomalies. The inorganic multifunctional component has a reciprocal of the thermal diffusivity, the slope of the viscosity curve as a function of temperature, and the absolute value of the transformation temperature, which are defined as given in the specification. The thermal conductivity of the inorganic multifunctional component is less than 1.5.W.K ->1>.m ->1>. The inorganic multifunctional component is a glass based material, a glass, a ceramic, a phase segregated or multi phase glass. The glass or glass ceramic is dissolved in the liquid electrolyte such as stable lithium hexafluorophosphate leading electrolyte. The chemically stable means are dissolved with a week-long storage of the glass powder in the electrolyte solution at 60[deg] C less than 0.1 wt.% of glass-based material. The glass: is a oxidic glass element and oxide-based multicomponent glass; does not exceed the non-oxidic element portion of 35 wt.%; comprises oxygen (95%) as anion; and is free of chalcogenide anions (except oxygen). The glassese blending ratios are present: at 50:50 until 60:40 related to low to refractory glasses and particularly prefers at 50:50 until 80:20 related to low to refractory glasses. The inorganic multi-functional component comprises glass in the form of agglomerated powder. The agglomerated glass or ceramic powder: has an ionic conductivity of less than 10 ->5>S/cm at room temperature, a specific surface area of 2-100 m 2>/g and dielectric properties, where the electricity constant is 5-25000; exists in grain sizes of less than 1-50 micron; and is present in geometries fibrous as rod-shaped, round, oval, square, square (primary particle), dumbbell-shaped or pyramidal, a chips or flakes. The glass powder wettability of the components increases with liquid electrolyte. The glass particles of glass powder are structured or surface-modified, and silanized. The lithium ion cell is rechargeable. The component is a separator (13), cathode (12), anode (14), and the liquid electrolyte. The glass or glass ceramic powder functions as an additive in the anode, the cathode, the electrolyte, the separator or in function layers between these components. The components are evenly distributed in the volume individual or all and/or in ranges near the surface or on the surface area individual or all of these components. The glass or glass ceramic powder is added or is applied during the manufacture of the cell or single components of the cell or individual rechargeable battery components in form of a slip, contains up to 20 microns of glass or glass ceramic, an aqueous or organic liquid and additives, and the stability of the slip, rheological properties, pH or other properties are modified. An independent claim is included for an inorganic component such as glasses for a lithium ion cell.

Description

Die Erfindung betrifft generell Batteriezellen, bevorzugt Lithium-Ionen-Zellen und im speziellen Komponenten für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Zellen mit anorganischen Bestandteilen geringer thermischer Leitfähigkeit.The invention relates generally to battery cells, preferably lithium-ion cells and in particular components for rechargeable lithium-ion cells with inorganic components of low thermal conductivity.

Derzeitige wiederaufladbare Lithium-Ionen-Zellen umfassen im Wesentlichen

  • – zwei Elektroden (Anode/Kathode) aus denen bzw. in die Li Ionen austreten/eingelagert werden
  • – einen Separator, der den elektrischen Kurzschluss verhindert
  • – einem Flüssigelektrolyt der die Li-Ionen-Migration ermöglicht
Current rechargeable lithium-ion cells essentially comprise
  • - Two electrodes (anode / cathode) from which or into the Li ions emerge / be stored
  • - a separator that prevents the electrical short circuit
  • - A liquid electrolyte allows the Li-ion migration

Heutige Separatoren für Lithium Ionen Akkumulatoren oder Sekundärbatterien verwenden entweder Membranen aus Polyethylen, Polypropylen oder Kombinationen davon ( Zhang: ”A review an the separators of liquid electrolyte Li Ion batteries”. J. of Power Sources 164 (2007) 351–364 ). Alternativ dazu werden Faserwirrgelege, genannt Nonwovens, diskutiert, welche in einer Reihe von Eigenschaften, insbesondere Schrumpf und thermische Stabilität, den herkömmlichen Membranen überlegen sind.Today's separators for lithium ion batteries or secondary batteries use either membranes of polyethylene, polypropylene or combinations thereof ( Zhang: "A review on the separators of liquid electrolyte Li Ion batteries". J. of Power Sources 164 (2007) 351-364 ). Alternatively, fiber wafers, called nonwovens, are discussed which are superior to conventional membranes in a number of properties, particularly shrinkage and thermal stability.

Im Zuge zunehmender Sicherheitsanforderungen durch Anwendungen in der Elektromobilität sind mit anorganischen Partikeln beschichtete oder infiltierte Separatoren sowohl auf Membran- als auch Polymervliesbasis (EVONIK DE 10208277 , DE 10238944 ; Freudenberg WO2009103537 ; BASF DE19850826 ; LG CHEM WO09069928 ) vorgeschlagen worden. Als Partikel werden dabei zum Beispiel kristalline oxidische Materialien einfacher Zusammensetzung wie Al2O3, SiO2, BaTiO3 oder ähnliche genannt. Die Integration von anorganischen Partikeln erhöht die thermische Stabilität der Komponente im Falle einer Erhitzung der Zelle und verzögert oder verhindert sogar deren elektrischen Kurzschluss.In the course of increasing safety requirements through applications in electromobility, separators coated or infiltrated with inorganic particles are based on both membranes and polymer fleece (EVONIK DE 10208277 . DE 10238944 ; Freudenberg WO2009103537 ; BASF DE19850826 ; LG CHEM WO09069928 ) has been proposed. For example, crystalline oxide materials of simple composition, such as Al 2 O 3 , SiO 2 , BaTiO 3 or the like, are mentioned as particles. The integration of inorganic particles increases the thermal stability of the component in the case of heating of the cell and delays or even prevents their electrical short circuit.

Auch der Einsatz von ”Glas” im Separatorumfeld wird in nachfolgenden Schriften beschrieben. Dabei ist das Glas entweder als Faser im Träger direkt eingebracht (EVONIK DE 10142622 , FHG/ICT DE19838800C1 , Freudenberg DE10336380 ) oder aber als Pulverpartikel ein möglicher Bestandteil einer Beschichtung oder Imprägnierung (Freudenberg WO2009103537 , LG CHEM WO09069928 , BASF DE 19850826 ). Die Bandbreite der eingesetzten Gläser reicht laut den genannten Schriften von „Glasmehl/Mikroglas” (BASF s. o.) bis zu Alkali/Erdalkali-Sulfaten, Carbonaten oder Li-Boraten (Freudenberg s. o.).The use of "glass" in Separatorumfeld is described in the following writings. The glass is either incorporated directly into the carrier as fiber (EVONIK DE 10142622 , FHG / ICT DE19838800C1 , Freudenberg DE10336380 ) or as powder particles a possible component of a coating or impregnation (Freudenberg WO2009103537 , LG CHEM WO09069928 , BASF DE 19850826 ). According to the cited documents, the range of glasses used ranges from "glass flour / micro glass" (BASF see above) to alkali / alkaline earth sulfates, carbonates or Li borates (Freudenberg, supra).

Spezifischere Angaben zur Chemie von Glas im Separatorverbund macht Teijin in der japanischen Offenlegungsschrift JP2005011614 . Die Schrift beschreibt die Verwendung von Glas z. B. in Pulverform ohne dass jedoch das Pulver – abgesehen von der Korngrösse – näher spezifiziert ist. Neben der Korngrösse haben insbesondere spezifische Oberflächen, Agglomerationsgrade und weitere Faktoren einen Einfluss auf die Haftung bzw. chemische Wechselwirkung.More specific information on the chemistry of glass in Separatorverbund makes Teijin in the Japanese Patent Application JP2005011614 , The document describes the use of glass z. B. in powder form without, however, that the powder - apart from the grain size - is specified in more detail. In addition to the particle size, specific surfaces, degrees of agglomeration and other factors in particular have an influence on the adhesion or chemical interaction.

Ein Nachteil der bisherigen Ansätze besteht unter anderem in den zunehmenden Kosten durch die Beschichtung der ohnehin recht teuren Separatoren. Die Gewährleistung einer erhöhten Sicherheit wie beispielsweise der Widerstand bei erhöhter äußeren Einwirkung, Vermeidung eines Kollaps der Separatorfunktion bei unkontrollierter Temperaturerhöhung der Zelle, wird anwenderseitig zwar erkannt, eine weitere aktive Funktion von Partikeln neben der einfachen Abstandshalterung, insbesondere auch im lokalen Schadensfall, ist jedoch erwünscht, um die Zelleneigenschaften weiter zu verbessern. Beispielhafte Zusatzfunktionen können dabei elektrischer Natur sein wie Ionenleitung oder dielektrische Eigenschaften. Beispielhaft erwähnt seien hier wieder BASF DE19850826 und LG CHEM WO09069928 : Hier werden wiederum teure und chemisch und damit eigenschaftsseitig wenig variable keramische Partikel wie BaTiO3 eingesetzt. Lediglich in WO09069928 werden auch ionenleitende Gläser vom Typ (LiAlTiP)xOy oder im wesentlichen sulfidische Gläser benannt. In FhG/Itzehoe DE10101299 sind dies ionenleitende Keramikpartikel wie bspw. Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3, bei OHARA JP ( US20070048617 , US20070048619 ) Glaskeramikpartikel mit kristallinen Phasen (NaSiCon) hoher Leitfähigkeit.One disadvantage of the previous approaches is, inter alia, the increasing costs due to the coating of the already quite expensive separators. The guarantee of increased safety such as the resistance to increased external influence, avoiding a collapse of the Separatorfunktion in uncontrolled temperature increase of the cell is recognized by the user, a further active function of particles in addition to the simple distance, especially in the case of local damage, however, is desirable to further improve the cell properties. Exemplary additional functions can be electrical in nature, such as ion conduction or dielectric properties. As an example, BASF may be mentioned here DE19850826 and LG CHEM WO09069928 Here again expensive and chemically and thus property-side little variable ceramic particles like BaTiO 3 are used. Only in WO09069928 are also called ion-conducting glasses of the type (LiAlTiP) xO y or essentially sulfidic glasses. In FhG / Itzehoe DE10101299 these are ion-conducting ceramic particles such as Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 , OHARA JP ( US20070048617 . US20070048619 ) Glass ceramic particles with crystalline phases (NaSiCon) of high conductivity.

Das Vorhandensein eines sehr temperaturstabilen kristallinen Materials, beispielsweise im Bereich des Separators, ist im Falle eines bereits eingetretenen, gesamtzellen-umfassenden „Thermal Runaways” wie bei einer homogenen Temperaturerhöhung im Zuge einer Überladung bzw. durch Betrieb bei zu hohen Temperaturen, prinzipiell hilfreich. Durch die Präsenz von z. B. Al2O3 Partikeln wird bei Wegschmelzen oder Abscheren des Polymerseparators infolge z. B. erhöhter globaler Temperaturen weiterhin die Abstandshalterung zwischen den beiden Elektroden gewährleistet. Die Zelle ist in diesem Falle jedoch in der Regel nicht mehr nutzbar.The presence of a very temperature-stable crystalline material, for example in the region of the separator, is in principle helpful in the case of an already occurred, overall cell-comprehensive "Thermal Runaways" as in a homogeneous increase in temperature in the course of overcharging or by operation at high temperatures. Due to the presence of z. B. Al 2 O 3 particles is melted away or shearing the Polymerseparators due z. As elevated global temperatures continue to ensure the distance between the two electrodes. However, in this case, the cell is generally unusable.

Neben der globalen, d. h. die Gesamtzelle betreffenden flächendeckenden Erwärmung der Zelle durch unsachgemässen Betrieb/Einsatz oder auch durch allgemeine Alterungserscheinungen können jedoch auch anomale lokale Störungen des Zellbetriebs erfolgen. Darunter fällt insbesondere das Auftreten eines „Internal short circuits” (ISC) dies bedeutet die Ausbildung einer unerwünschten Verbindung zwischen Anode und Kathode aus einem elektronisch gut leitendem metallischen Material. Dadurch werden lokal auftretende anomale thermische Effekte – dies bedeutet lokale Erhitzung oder Überhitzung – generiert. Derartige metallische Interconnects können hervorgerufen werden u. a. durch

  • • Dendritenbildung aus Li-Metall von der Anode in Richtung Kathode, hervorgerufen z. B. bei Überladen oder fehlerhaftem Laden bei niedrigen Temperaturen,
  • • Scharfkantige metallische Partikel, die im Zuge der Zellproduktion unkontrolliert in die Zelle gelangt sind, beispielsweise beim Ausstanzen von Stromableitern/Fahnen aus Aluminium oder Kupfer,
  • • Verletzungen einer Zelle von aussen, insbesondere bei Pouch-Zellen.
In addition to the global, that is, the total cell concerned nationwide heating of the cell due to improper operation / use or by general aging phenomena, however, can also be abnormal local disturbances of cell operation. This includes, in particular, the occurrence of an "internal short circuit" (ISC), which means the formation of an undesired connection between the anode and cathode from an electronically highly conductive metallic material. This generates locally occurring anomalous thermal effects - this means local heating or overheating. Such metallic interconnects can be caused inter alia by
  • • Dendritic formation of Li metal from the anode in the direction of the cathode, caused z. In case of overcharging or faulty charging at low temperatures,
  • Sharp-edged metallic particles which have entered the cell in an uncontrolled manner in the course of cell production, for example when punching out current conductors / lugs made of aluminum or copper,
  • • Injuries to a cell from outside, especially pouch cells.

Je nach Zelltyp und Kapazität, Tiefe oder auch Ansatzpunkt des Kurzschlusses sowie Kurzschlussfläche (z. B. 1 × 1 mm2) können die Kurzschlusswiderstände im Bereich weniger mΩ liegen, Ströme im Bereich von mehreren 100 A und entspreche Stromdichten bei mehren Hundert Ampere/mm2. Die Situation führt je nach Ort der Kontaktschliessung, beispielsweise zwischen Elektrodenschichten bzw. den Ableitern, zu einer lokalen anomalen Erhitzung mit Temperaturen im Durchstossbereich von bis zu 800°C, siehe beispielsweise Kim et al.: Lithium Ion battery safety study using multi-physics Internal Short circuit model. The 5th Interntional Symposium on Large Lithium Ion Battery Technology and Application in Junction with AABC2009, Long Beach, Ca, 09.–10.6.2009 .Depending on cell type and capacitance, depth or starting point of the short circuit as well as short circuit area (eg 1 × 1 mm 2 ), the short circuit resistances may be in the range of a few mΩ, currents in the range of several 100 A and correspond to current densities of several hundred amperes / mm 2 . Depending on the location of the contact closure, for example between electrode layers or the arresters, the situation leads to local anomalous heating with temperatures in the penetration range of up to 800 ° C., see, for example Kim et al .: Lithium ion battery safety study using multi-physics internal short circuit model. The 5th International Symposium on Large Lithium Ion Battery Technology and Application in Junction with AABC2009, Long Beach, CA, 09.-10.6.2009 ,

Ein thermisch leitfähiges anorganisches, kristallines Partikel, eingeführt in Separator oder Elektrode, kann aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit (Al2O3: ca. 45 W·K–1·m–1 bei Raumtemperatur bzw. 30 W·K–1·m–1 bei 130°C) nicht verhindern, dass sich die Wärme am Durchstosspunkt über grosse Flächebereiche ausdehnt und es damit zu dem unerwünschten und gefährlichen thermal runaway kommt. Eine Schadensbegrenzung kann durch kristallines Al2O3 nicht erfolgenA thermally conductive inorganic, crystalline particle introduced into separator or electrode, due to its high thermal conductivity (Al 2 O 3 : about 45 W · K -1 · m -1 at room temperature or 30 W · K -1 · m - 1 at 130 ° C) does not prevent the heat at the point of penetration from spreading over large areas of the area, leading to the unwanted and dangerous thermal runaway. Damage limitation can not occur due to crystalline Al2O3

In Bezug auf die Integration von kristallinen Partikel auf einem oder in einem Separator wird die vergleichsweise geringe thermische Leitfähigkeit des Separatormaterials (Polyethylen: ca. 0,4 W·K–1·m–1; Polypropylen ca. 0,2 W·K–1·m–1) durch die hohe Leitfähigkeit von z. B. Al2O3 ungünstig beeinflußt.With regard to the integration of crystalline particles on one or in a separator, the comparatively low thermal conductivity of the separator material (polyethylene: about 0.4 W · K -1 · m -1 , polypropylene about 0.2 W · K ) 1 · m -1 ) due to the high conductivity of z. B. Al 2 O 3 adversely affected.

Weitere Anforderungen neben Sicherheit sind erhöhte Effizienzen. Die heutigen Lithium-Ionen-Zellen weisen Energiedichten bzw. Leistungsdichten um 150 Wh/kg bzw. 400 Wh/l auf; Ziel für insbesondere Elektromobilität-Anwendungen liegen bei 200 Wh/kg, idealerweise sogar bei mehr als 1000 Wh/kg. Ein Hebel für höhere Effizienzen ist die Erhöhung der ionischen Leitfähigkeit der normalerweise eingesetzten Flüssigelektrolyten auf Basis des Leitsalzes LiPF6. Deren Leitfähigkeiten liegen idealerweise im Bereich von 10–2 bis 10–3 S/cm. Versuche der Erhöhung der Dissoziation des Leitsalzes (bzw. positiven Einwirkungen auf die Solvathülle) sind in EP 1505680 beschrieben: nanoskalige Partikel von grösstenteils amorphem SiO2 sollen die Leitfähigkeit von herkömmlichen Flüssigkelektrolyten um bis zu einem Faktor 3 erhöhen.Other requirements besides safety are increased efficiencies. Today's lithium-ion cells have energy densities and power densities of 150 Wh / kg and 400 Wh / l, respectively; The target for electromobility applications in particular is 200 Wh / kg, ideally even more than 1000 Wh / kg. A lever for higher efficiencies is the increase of the ionic conductivity of the normally used liquid electrolytes based on the conductive salt LiPF 6 . Their conductivities are ideally in the range of 10 -2 to 10 -3 S / cm. Attempts to increase the dissociation of the conducting salt (or positive effects on the solvation shell) are in EP 1505680 nanoscale particles of mostly amorphous SiO 2 are expected to increase the conductivity of conventional liquid electrolyte by up to a factor of 3.

Die Zugabe von SiO2 kann jedoch die Viskosität und damit die Verarbeitbarkeit eines speziell für diese Anwendungen eingestellten Flüssigelektrolyten nachteilig verändern.The addition of SiO 2 , however, can adversely affect the viscosity and thus the processability of a liquid electrolyte adjusted specifically for these applications.

Eine weitere Alternative zur Erhöhung spezifischer Energie oder Leistungsdichten umfasst die Erhöhung der Betriebsspannung. Derzeit werden Spannungen bis maximal 3,7 V erreicht, die Aufladung erfolgt dabei bei ca. 4,2 V. Die derzeit verwendeten Materialien, insbesondere die organikführenden, sind heute mit den höheren Betriebs/Ladespannungen nicht kompatibel.Another alternative for increasing specific energy or power densities involves increasing the operating voltage. Currently, voltages of up to 3.7 V are reached, and charging is about 4.2 V. The materials currently used, in particular the organic-conducting ones, are today incompatible with the higher operating / charging voltages.

Auch betreffend die Lebensdauer sollten heutige Zellen neue Entwicklungen durchlaufen. Die von der Elektromobilität und vor allem stationären Anwendungen vorgegebenen Haltbarkeiten sollen bei mehr als 10 bzw. sogar bei mehr als 20 Jahren liegen. Daher sind Vorkehrungen erwünscht, welche Alterung nicht stattfinden lassen oder zumindest mildern.Also in terms of lifespan, today's cells should undergo new developments. The shelf lives prescribed by electromobility and above all stationary applications should be more than 10 or even more than 20 years. Therefore, provisions are desired which do not allow or at least mitigate aging.

Ein Aspekt der Degradation über die Zeit ist die Freisetzung von Fluss-Säure, HF, im Falle eines zu hohen initialen oder ggf. auch später hervorgerufenen Wassereintrags in die Zelle.One aspect of the degradation over time is the release of hydrofluoric acid, HF, in the case of an excessively high initial or, if appropriate, later induced water entry into the cell.

Heutige Lösungen besehen im Wesentlichen darin, Prozesse zur Materialherstellung sowie Komponenten und Zellfertigung in sehr trockener, wasserfreier Umgebung zu führen oder die Komponenten vor Aufnahme von Feuchtigkeit zu schützen (s. Laminierprozess Fraunhofer DE10101299 ). Zusätzlich können organische HF-Getter eingesetzt werden.Today's solutions essentially consist in leading processes for the production of materials as well as components and cell production in a very dry, anhydrous environment or the components Absorption of moisture to protect (see lamination process Fraunhofer DE10101299 ). In addition, organic HF getters can be used.

Es ist Aufgabe der Erfindung, schadensbegrenzenden Lösungen mit Blick auf lokal auftretende anomale thermische Effekte, wie diese insbesondere durch Internal Short Circuits hervorgerufen werden, bereitzustellen und damit einen Beitrag zur Verbesserung der Sicherheit und Langlebigkeit von Batteriezellen, insbesondere von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Zellen, zu leisten.The object of the invention is to provide damage-limiting solutions with regard to locally occurring anomalous thermal effects, such as these are caused in particular by internal short circuits, and thus contribute to improving the safety and longevity of battery cells, in particular of rechargeable lithium-ion cells, afford to.

Es ist darüber hinaus Aufgabe der Erfindung, Materialien und darauf aufbauende Komponenten für Lithium-Ionen-Zellen bereitzustellen, die weitere Eigenschaften wie Effizienz oder Lebensdauer unter Berücksichtigung der Kosten des Lithium-Ionen-Systems verbessern.It is a further object of the invention to provide materials and constituent components for lithium-ion cells which improve further properties such as efficiency or lifetime considering the cost of the lithium-ion system.

Die Aufgabe wird gelöst mit einer Batteriezelle, bevorzugt Lithium-Ionen-Zelle, umfassend Komponenten, welche mindestens einen anorganischen, vorzugsweise multifunktionellen Bestandteil enthalten, wobei der Bestandteil eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweist und insbesondere hierdurch geeignet ist, thermische Anomalien zu mindern oder zumindest lokal zu begrenzen.The object is achieved with a battery cell, preferably lithium-ion cell, comprising components which contain at least one inorganic, preferably multi-functional constituent, wherein the constituent has a low thermal conductivity and in particular is thereby suitable for reducing thermal anomalies or at least locally limit.

Als geringe thermische Leitfähigkeit werden Werte von weniger als 2,5 W·K–1·m–1 erachtet.Values of less than 2.5 W · K -1 · m -1 are considered as low thermal conductivity.

Der anorganische, vorzugsweise multifunktionelle Bestandteil kann im wesentlichen oxidische, temperaturstabile, schlecht wärmeleitende Partikel aus dem Werkstoff Glas oder einem anderem glasbasierten Material, wie zum Beispiel Glaskeramik, phasenentmischte oder Multiphasen-Glaskomposite umfassen oder aus diesen bestehen.The inorganic, preferably multifunctional constituent may comprise or consist essentially of oxidic, temperature-stable, poorly heat-conductive particles of the material glass or of another glass-based material, such as, for example, glass-ceramic, phase-mixed or multiphase glass composites.

Als Glas wird im Sinne dieser Beschreibung ein strukturell zumindest in Teilbereichen amorphes, vorzugsweise anorganisches Material, verstanden, welches aus einem Schmelzprozess und nachfolgendem raschen Abkühlen oder aus einem Sol-Gel-Verfahren resultiert.For the purposes of this description, glass is understood to mean a structurally at least partially amorphous, preferably inorganic, material which results from a melting process and subsequent rapid cooling or from a sol-gel process.

Als Glaskeramik im Sinne dieser Anmeldung gilt ein Material, das durch Schmelzen erhalten wurde und durch einen nachgeschalteten thermischen Prozess teilkristallin wurde bzw. bestimmte Kristalle in einer glasigen Matrix enthält. Auch die Glaskeramik kann aufgemahlen werdenFor the purposes of this application, a glass ceramic is a material which has been obtained by melting and which has become partially crystalline by means of a subsequent thermal process or contains certain crystals in a glassy matrix. The glass ceramic can also be ground up

Die Gläser haben dabei einen auf den jeweiligen Integrationsort (in/an dem Separator, in/an Anode oder Kathode, in Flüssig- oder Polymerelektrolyt) und den bei einem Internal short circuit auftretenden Temperaturen angepasste Viskosität.The glasses have a viscosity adapted to the respective integration location (in / on the separator, in / at anode or cathode, in liquid or polymer electrolyte) and the temperatures occurring at an internal short circuit.

Die Gläser sind in der Regel kostengünstig herstellbar und gut auf Herstellungsprozesse von Komponenten und der gesamten Zelle angepasst. Die Gläser weisen in weiterer Ausgestaltung bevorzugt Zusatzfunktionen auf, beispielsweise zur Steigerung von Effizienzen und/oder der Langlebigkeit von Batteriezellen.The glasses are usually inexpensive to produce and well adapted to manufacturing processes of components and the entire cell. In a further embodiment, the glasses preferably have additional functions, for example to increase the efficiencies and / or the longevity of battery cells.

Im Detail weisen die Gläser vorzugsweise folgende Volumen-Eigenschaften auf: Eigenschaft bevorzugte Werte Wärmeleitfähigkeit < 2,5 W·K–1·m–1 d90 < 150 μm, insbesondere < 25 μm und ganz besonders < 5 μm; Partikelgröße > 100 nm geringe elektronische Leitfähigkeit < 1 × 10–5 S/cm bei RT thermische Stabilität > 2000°C mechanische Stabilität > 400°C Volumenfraktion 0.001–90 Vol-% In detail, the glasses preferably have the following volume properties: property preferred values thermal conductivity <2.5 W · K -1 · m -1 d90 <150 μm, in particular <25 μm and very particularly <5 μm; particle size > 100 nm low electronic conductivity <1 × 10 -5 S / cm at RT thermal stability > 2000 ° C mechanical stability > 400 ° C volume fraction 0.001-90% by volume

Die glasbasierten Materialien, allen voran Gläser oder Glaskeramiken bzw. daraus hergestellte Pulver sind – auch unter Spannungsbeaufschlagung – stabil gegenüber fluor- und phosphorhaltiger organischer Flüssigelektolyt-Chemie, auch unter Spannungsbeaufschlagung.The glass-based materials, in particular glasses or glass ceramics or powders produced therefrom, are stable to fluorine- and phosphorus-containing organic liquid-electrolyte chemistry, even under application of voltage, even under the application of voltage.

Die bevorzugten Eigenschaften der hier beschriebenen anorganischen Bestandteile umfassen die drei nachfolgend definierten Größen:

a
reziproke thermische Diffusivität
b
Steigung der Viskositätskurve als Funktion der Temperatur
c
Absoluter Wert der Transformationstemperatur
The preferred properties of the inorganic ingredients described herein include the three quantities defined below:
a
reciprocal thermal diffusivity
b
Slope of the viscosity curve as a function of temperature
c
Absolute value of the transformation temperature

a:a:

Das Glas soll die Wärme möglichst gut lokal aufnehmen und nicht weiterleiten, dadurch ergibt sich eine Kennzahl, die der reziproken thermischen Diffusivität entspricht:

Figure 00100001
mit ρ als Dichte in g/cm3, cP als spezifische Wärmekapazität in J/(g·K) und λ als Wärmeleitfähigkeit in W/(m·K). Die Wärmeleitfähigkeit wird hierbei jeweils bei 90°C gemessen oder für diese Temperatur angegeben.The glass should absorb the heat as well as possible locally and not pass on, resulting in a ratio corresponding to the reciprocal thermal diffusivity:
Figure 00100001
with ρ as density in g / cm 3 , c P as specific heat capacity in J / (g · K) and λ as thermal conductivity in W / (m · K). The thermal conductivity is in each case measured at 90 ° C or specified for this temperature.

Zu b:To b:

Die Glaspartikel sollten ab einer Mindesttemperatur (vgl. Abschnitt zur Kenngröße c) genügend plastisch verformbar sein, so dass ein Einkapselungsprozess ermöglicht bzw. erleichtert wird. Die Glaspartikel dürfen beim Schmelzen nicht so geringviskos werden, dass sie „abtropfen”. Jedoch sollen sie so formbar sein, dass sie den Hot Spot in einer Batterie einschließen und hierdurch begrenzen oder sogar löschen können. Vorteilhaft ist, wenn die Viskosität der weich werdenden Glaspartikel sich soweit verringert, dass sie koagulieren und dadurch den Hotspot einkapseln können.

Figure 00100002
mit T in K, wobei T7.6 und T13 die Temperaturen bezeichnen, bei denen der dekadische Logarithmus der jeweiligen Viskosität η in der Maßeinheit Pa·s die Werte 7.6 bzw. 13 einnimmt.The glass particles should be sufficiently plastically deformable from a minimum temperature (see section on parameter c), so that an encapsulation process is made possible or facilitated. The glass particles must not become so low-viscosity during melting that they "drip off". However, they should be so malleable that they can enclose the hot spot in a battery and thereby limit or even delete. It is advantageous if the viscosity of the softening glass particles decreases so much that they can coagulate and thereby encapsulate the hotspot.
Figure 00100002
with T in K, where T 7.6 and T 13 denote the temperatures at which the decimal logarithm of the respective viscosity η in the unit of measurement Pa · s assumes the values 7.6 and 13, respectively.

Zu 3:To 3:

Je niedriger Tg ist, um so eher wird das Glas weich bzw. schmilzt es. Desto höher ist die thermisch-mechanische Stabilität c = Tg [K] The lower T g , the sooner the glass softens or melts. The higher the thermal-mechanical stability c = Tg [K]

Ein zu geringer Wert für Tg (ca. < 250°C) muss vermieden werden, damit das Glasgranulat auch bei hohen thermischen Belastungen im regelrechten Betrieb der Batterie nicht zu früh weich wird.Too low a value for T g (approx. <250 ° C) must be avoided so that the glass granules do not soften too early, even at high thermal loads during normal operation of the battery.

Als Kenngröße für die Fähigkeit, einen Hotspot durch Einkapselung lokal zu begrenzen, wird folgende Kennzahl definiert: a/(b·c) ≥ 20 s/(m2·K2) mit a/(b·c) bevorzugt von 40 s/(m2·K2) bis 1200 s/(m2·K2) besonders bevorzugt von 60 s/(m2·K2) bis 1100 s/(m2·K2), ganz besonders bevorzugt von 80 s/(m2·K2) bis 1000 s/(m2·K2), ganz besonders bevorzugt von 100 s/(m2·K2) bis 800 s/(m2·K2).The following key figure is defined as the parameter for the ability to locally limit a hotspot by encapsulation: a / (b * c) ≥ 20 s / (m 2 * K 2 ) with a / (b · c) preferably from 40 s / (m 2 · K 2 ) to 1200 s / (m 2 · K 2 ) particularly preferably from 60 s / (m 2 · K 2 ) to 1100 s / (m 2 · K 2 ), very particularly preferably from 80 s / (m 2 · K 2 ) to 1000 s / (m 2 · K 2 ), very particularly preferably from 100 s / (m 2 · K 2 ) to 800 s / (m 2 · K 2 ).

Insbesondere in den bevorzugten Bereichen stellen diese schnell, vergleichweise niedrig schmelzenden Gläser eine sehr vorteilhafte Schutzfunktion für die jeweilige Zelle bereit. Diese bilden eine Schmelze mit geringer bis moderater Viskosität, die beweglich ist aber auf der anderen Seite nicht heraustropft. Hierdurch können lokale thermische Anomalien, wie lokale Überhitzungen, separiert und in der Regel auch lokal beschränkt werden.Especially in the preferred ranges, these fast, relatively low melting glasses provide a very beneficial protective function for the particular cell. These form a melt with low to moderate viscosity, which is mobile but does not drip on the other side. This allows local thermal anomalies, such as local overheating, to be separated and, as a rule, localized.

Bereits diese Schutzfunktion einzelner Gläser ist sehr vorteilhaft. Darüberhinaus können Mischungen, wie partikuläre Mischungen weitere Vorteile bereit stellen. So können eher hochschmelzende Gläser d. h. bspw. Gläser mit einem Verarbeitungspunkt VA (Temperatur bei der die Viskosität der Schmelze 104 dPas beträgt) eher oberhalb 1000°C mit bei niedrigeren Temperaturen schmelzenden Gläsern (VA eher < 1000°C) im Schmelzverbund noch ausreichende mechanische Stabilität bereit stellen, sodaß mechanische Stabilität auch dann noch vorhanden ist, wenn sich die Zelle oder Teile von dieser stark überhitzen. Already this protective function of individual glasses is very advantageous. In addition, mixtures such as particulate mixtures can provide further benefits. For example, high-melting glasses, ie glasses with a processing point VA (temperature at which the viscosity of the melt is 10 4 dPas) tend to have sufficient mechanical strength above 1000 ° C. with glasses melting at lower temperatures (VA rather <1000 ° C.) Provide stability, so that mechanical stability is still present even if the cell or parts of this greatly overheat.

Bevorzugte Mischungsverhältnisse liegen beispielsweise bei 80:20 bezogen auf niedrig- zu hochschmelzenden Gläsern. Auch andere Verhältnisse von z. B. 50:50 sind, je nach Anwendung und Glaseigenschaften, möglich. Es liegen die jeweiligen Gläser jedoch generell in folgenden bevorzugten und besonders bevorzugten Mischungsverhältnissen vor: bei 50:50 bis 60:40 bezogen auf niedrig- zu hochschmelzenden Gläsern und besonders bevorzugt bei 50:50 bis 80:20 bezogen auf niedrig- zu hochschmelzenden Gläsern.For example, preferred mixing ratios are 80:20 based on low to high melting glasses. Other conditions of z. B. 50:50, depending on the application and glass properties, possible. However, the respective glasses are generally in the following preferred and particularly preferred mixing ratios: at 50:50 to 60:40 based on low to high melting glasses and more preferably at 50:50 to 80:20 based on low to high melting glasses.

In analoger Weise können der Mischung, insbesondere der partikulären Mischung, auch Keramikanteile oder kristalline Anteile beigegeben werden.In an analogous manner, the mixture, in particular the particulate mixture, ceramic components or crystalline fractions can be added.

Die Gläser/Glaskeramiken können pulverförmig, faserförmig, agglomeriert, als homogene, phasenentmischte oder mehrphasig vorliegen. Die Partikel können oberflächenstrukturiert sein einschliessend z. B. einen schalenartigen Kern-Mantel Aufbau. Auch oberflächenmodifizierte Partikel, z. B. silanisierte Partikel sind denkbar. Als Koppelschicht können dabei beispielsweise genutzt werden
3-Aminopropyltriethoxy Silane
Vinyl trimethoxy Silane
gamma-Glycidoxypropyltrimethoxy Silane
Methacryloxypropyltrimethoxy Silane
The glasses / glass ceramics may be in the form of powder, fibrous, agglomerated, homogeneous, phase-separated or polyphase. The particles may be surface structured including z. B. a shell-like core-shell construction. Also surface modified particles, eg. B. silanized particles are conceivable. As a coupling layer can be used, for example
3-aminopropyl triethoxy silanes
Vinyl trimethoxy silanes
gamma-glycidoxypropyltrimethoxy silanes
Methacryloxypropyltrimethoxy silanes

Überraschenderweise wurde gefunden, dass der Einsatz von Glas- Partikeln bei Lithium-Ionen-Batterien (d. h. in Komponenten von Lithium-Ionen-Zellen eingebrachte Partikel) schadensbegrenzend in Bezug auf unerwünschte interne Kurzschlüsse – hier abgekürzt „ISC” genannt –, wirken.It has surprisingly been found that the use of glass particles in lithium-ion batteries (that is, particles introduced into components of lithium-ion cells) has the effect of limiting damage with regard to unwanted internal short circuits - abbreviated to "ISC" here.

Die Glaspartikel verhindern zwar das grundsätzliche Auftreten eines internen Kurzschlusses, ISC, nicht, können die dadurch hervorgerufenen lokal auftretenden anomalen thermische Effekte aber nivellieren, abschwächen oder gar lokal beschränken bzw. lokal isolieren.Although the glass particles do not prevent the fundamental occurrence of an internal short circuit, ISC, they can level, weaken, or locally localize the locally occurring anomalous thermal effects caused thereby.

Vorteilhaft liegt die thermische Leitfähigkeit dieser Gläser bei weniger als 2,5 W·K–1·m–1, bevorzugt bei weniger als 2,0 W·K–1·m–1 und besonders bevorzugt bei weniger als 1,5 W·K–1·m–1.Advantageously, the thermal conductivity of these glasses is less than 2.5 W · K -1 · m -1 , preferably less than 2.0 W · K -1 · m -1 and particularly preferably less than 1.5 W · K -1 · m -1 .

Grundsätzlich ist das Glas oder die Glaskeramik im Flüssigelektrolyten stabil, insbesondere in LiPF6 führenden Elektrolyten.In principle, the glass or the glass ceramic is stable in the liquid electrolyte, in particular in LiPF 6 leading electrolytes.

Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn das Glas ein überwiegend oxidisches Glas ist und der nicht-oxidische Element-Anteil 35 Masse% nicht übersteigtIt is likewise advantageous if the glass is a predominantly oxidic glass and the non-oxide element content does not exceed 35% by mass

Das Glas kann hierbei mindestens 80%, bevorzugt 90% bevorzugt 95% Sauerstoff als Anion enthalten und vorzugsweise frei von Chalcogenid-Anionen (abgesehen von Sauerstoff selber) sein.The glass may in this case contain at least 80%, preferably 90%, preferably 95%, of oxygen as anion and preferably be free from chalcogenide anions (apart from oxygen itself).

Insbesondere kann das Glas auch ein oxidbasiertes Mehrkomponentenglas sein.In particular, the glass may also be an oxide-based multicomponent glass.

Das Glas kann aus der Gruppe ausgewählt sein, welche die Familien der Silicat-, Borat-, Phosphat- oder Aluminat-Gläser umfasst.The glass may be selected from the group comprising the families of the silicate, borate, phosphate or aluminate glasses.

Im speziellen sind dies folgende Gläser:

  • – Boratgläser wie bspw. Lanthanboratgläser, Borosilikatgläser, Lithium-Boratgläser und weitere
  • – Phosphatgläser wie bspw. Fluorphosphatgläser, Lithium-Phosphatgläser, Zinn-Phosphatgläser und weitere
  • – Aluminatgläser wie bspw. Boroaluminatgläser, Erdalkali-Aluminatgläser Lithium-Aluminatgläser und weitere
  • – Silikatgläser wie bspw. Alumoborosilikatgläser, Lithiumsilikatgläser Tantal-Silkatgläser Allgemein sind auch gewisse optische Gläser für die Verwendung in Batterien geeignet.
In particular, these are the following glasses:
  • Boratgläser such as Lanthanboratgläser, borosilicate glasses, lithium borate glasses and more
  • - Phosphate glasses such as, for example, fluorophosphate glasses, lithium phosphate glasses, tin phosphate glasses and others
  • Aluminate glasses such as boroaluminate glasses, alkaline earth aluminate glasses, lithium aluminate glasses and others
  • - Silicate glasses such as Alumoborosilikatgläser, lithium silicate glasses Tantalum-Silkatgläser In general, certain optical glasses are suitable for use in batteries.

Bevorzugt hat das Glas eine Zusammensetzung (angegeben in Gew%) von Silikatisches Glas Min Max SiO2 45 100 TiO2 0 10 ZrO2 0 10 Al2O3 0 42 B2O3 0 30 Fe2O3 0 0,5 P2O5 0 10 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 10 Li2O 0 50 Na2O 0 10 K2O 0 10 La2O3 0 10 SrO 0 10 Halogen (elementar) 0 20 As2O3 0 1,5 Sb2O3 0 1,5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (außer La2O3) 0 5 SnO2 0 1,5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 25 SnO 0 1,5 SrO 0 20 oder Phosphat-Glas Min Max SiO2 0 30 TiO2 0 40 ZrO2 0 10 Al2O3 0 30 B2O3 0 30 Fe2O3 0 7,5 P2O5 20 100 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 20 Li2O 0 50 Na2O 0 35 K2O 0 30 La2O3 0 10 SrO 0 10 Halogen(elementar) 0 35 As2O3 0 1,5 Sb2O3 0 1,5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (außer La2O3) 0 5 SnO2 0 1,5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 10 SnO 0 65 SrO 0 20 CuO 0 20 Bi2O3 0 30 Sb2O5 0 5 oder Borat-Glas Min Max SiO2 0 30 TiO2 0 10 ZrO2 0 10 Al2O3 0 30 B2O3 20 100 Fe2O3 0 0,5 P2O5 0 10 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 10 Li2O 0 50 Na2O 0 10 K2O 0 10 La2O3 0 50 SrO 0 10 Halogen (elementar) 0 20 As2O3 0 1,5 5b2O3 0 1,5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (außer La2O3) 0 5 SnO2 0 1,5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 10 SnO 0 1,5 SrO 0 20 oder Aluminat-Glas Min Max SiO2 0 30 TiO2 0 10 ZrO2 0 10 Al2O3 25 100 B2O3 0 30 Fe2O3 0 0,5 P2O5 0 10 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 10 Li2O 0 50 Na2O 0 10 K2O 0 10 La2O3 0 10 SrO 0 10 Halogen (elementar) 0 20 As2O3 0 1,5 Sb2O3 0 1,5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (außer La2O3) 0 5 SnO2 0 1,5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 10 SnO 0 1,5 SrO 0 20 Preferably, the glass has a composition (in wt%) of Silicate glass min Max SiO2 45 100 TiO2 0 10 ZrO2 0 10 Al2O3 0 42 B2O3 0 30 Fe2O3 0 0.5 P2O5 0 10 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 10 Li2O 0 50 Na2O 0 10 K2O 0 10 La2O3 0 10 SrO 0 10 Halogen (elemental) 0 20 As2O3 0 1.5 Sb2O3 0 1.5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (except La2O3) 0 5 SnO2 0 1.5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 25 SnO 0 1.5 SrO 0 20 or Phosphate glass min Max SiO2 0 30 TiO2 0 40 ZrO2 0 10 Al2O3 0 30 B2O3 0 30 Fe2O3 0 7.5 P2O5 20 100 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 20 Li2O 0 50 Na2O 0 35 K2O 0 30 La2O3 0 10 SrO 0 10 Halo (elemental) 0 35 As2O3 0 1.5 Sb2O3 0 1.5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (except La2O3) 0 5 SnO2 0 1.5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 10 SnO 0 65 SrO 0 20 CuO 0 20 Bi2O3 0 30 Sb2O5 0 5 or Borate glass min Max SiO2 0 30 TiO2 0 10 ZrO2 0 10 Al2O3 0 30 B2O3 20 100 Fe2O3 0 0.5 P2O5 0 10 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 10 Li2O 0 50 Na2O 0 10 K2O 0 10 La2O3 0 50 SrO 0 10 Halogen (elemental) 0 20 As2O3 0 1.5 5b2O3 0 1.5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (except La2O3) 0 5 SnO2 0 1.5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 10 SnO 0 1.5 SrO 0 20 or Aluminate glass min Max SiO2 0 30 TiO2 0 10 ZrO2 0 10 Al2O3 25 100 B2O3 0 30 Fe2O3 0 0.5 P2O5 0 10 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 10 Li2O 0 50 Na2O 0 10 K2O 0 10 La2O3 0 10 SrO 0 10 Halogen (elemental) 0 20 As2O3 0 1.5 Sb2O3 0 1.5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (except La2O3) 0 5 SnO2 0 1.5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 10 SnO 0 1.5 SrO 0 20

Alternativ zu Bulk-Material oder Fasern kann der mindestens eine anorganische, vorzugsweise multifunktionelle Bestandteil auch Pulver, insbesondere Glaspulver, umfassen.As an alternative to bulk material or fibers, the at least one inorganic, preferably multifunctional constituent may also comprise powder, in particular glass powder.

Bei einer weiteren bevorzugen Ausführungsform kann das Glas auch HF unter Bildung von Si-F Bindungen abfangen.In another preferred embodiment, the glass may also trap HF to form Si-F bonds.

Vorteilhaft hat dabei das Glaspulver eine Ionenleitung von weniger 10–5 S/cm bei Raumtemperatur.Advantageously, the glass powder has an ionic conduction of less than 10 -5 S / cm at room temperature.

Hierbei kann das Glaspulver bevorzugt in Korngrössen d90 zwischen 100 nm und 10 um, bevorzugt zwischen 150 nm und 5 um und besonders besonders bevorzugt zwischen 250 nm und 1 um vorliegen.In this case, the glass powder may preferably be present in particle sizes d 90 between 100 nm and 10 μm, preferably between 150 nm and 5 μm, and particularly preferably between 250 nm and 1 μm.

Darüber hinaus kann das Glaspulver als Primärkorn in Geometrien stabförmig, faserförmig, rund, oval, eckig, kantig, hantelförmig und oder pyramidenförmig vorliegen.In addition, the glass powder can be present as a primary grain in geometries rod-shaped, fibrous, round, oval, angular, angular, dumbbell-shaped or pyramidal.

Auch Plättchen oder Flakes sind verwendbar. Deren Herstellung kann z. B. erfolgen durch Schleuderverfahren oder Rohrblasen.Also platelets or flakes are usable. Their production can, for. B. carried out by centrifugal or tube blowing.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann das Glaspulver lokal in höherem Volumenanteil vorliegen, um auf diese Weise besonders gefährdete Bereiche, insbesondere Bereiche mit erwartet hohen Stromdichten oder Bereiche mit höherer Gefahr mechanischer Schädigungen, wie etwa in der Nähe von externen elektrischen Anschlüssen oder im Bereich von elektrischen Durchführungen, zu schützen.In a further advantageous embodiment, the glass powder may be locally present in a higher volume fraction, in this way particularly endangered areas, especially areas with expected high current densities or areas with higher risk of mechanical damage, such as in the vicinity of external electrical connections or in the range of electrical feedthroughs , to protect.

Weitere mechanische Stabilität kann für die Zelle auch durch gesinterte Glaspartikel bereit gestellt werden. Hierdurch können beispielsweise Elektrolyt-führende Bereiche eigene Stabilität bereit stellen, so dass die Zelle selbst bei einer Schmelze des Separators keine Kurzschlüsse zwischen der Anode und der Kathode zulässt. Darüber hinaus kann ein mit Elektrolyt befüllter Sinterkörper fertigungstechnisch vorteilhaft sein, da dieser nun eigenständig handhabbar wird und nachfolgend an diesem Elektroden und Separator anbringbar sind. Hierbei ist die gesteigerte Benetzbarkeit ebenfalls von erheblichem Vorteil.Further mechanical stability can also be provided for the cell by sintered glass particles. As a result, for example, electrolyte-conducting regions can provide their own stability, so that even with a melt of the separator, the cell does not permit any short circuits between the anode and the cathode. In addition, a sintered body filled with electrolyte can be advantageous in terms of manufacturing technology since it can now be handled independently and can subsequently be attached to this electrode and separator. Here, the increased wettability is also of considerable advantage.

Auch interne Kurzschlüsse werden unterdrückt, da der Sinterkörper dauerhaft sicherstellen kann, dass einfache direkten Wege zwischen Anode und Kathode stark verlängert werden und sich somit Dendriten nur vermindert ausbilden können.Internal short circuits are also suppressed, since the sintered body can permanently ensure that simple direct paths between the anode and cathode are greatly prolonged and thus dendrites can only be reduced.

Selbst in dem dann wesentlich weniger wahrscheinlichen Falle der Dendritenbildung wird jedoch deren Wachstum und vorteilhaft deren lawinenartiges Wachstum durch die Bestandteile des Sinterkörpers erfolgreich unterdrückt. Nicht nur longitudinales sondern auch laterales Wachstum kann sich nur bis zum nächsten Sinterpartikel erstrecken und bleibt folglich beschränkt.Even in the much less likely case of dendrite formation, however, its growth and, advantageously, its avalanche-like growth is successfully suppressed by the constituents of the sintered body. Not only longitudinal but also lateral growth can only extend to the next sintered particle and thus remains limited.

Durch den lokal beschränkten Querschnitt aber können Ströme nicht mehr beliebig hoch werden. Es werden dann gerade an den gefährdetsten Stellen diese in deren Breite und somit in deren Stromtragfähigkeit beschränkten Dendriten durch die durch deren Widerstand eingetragenen Wärme durch die erwünschten Schmelz- und Verkapselungsvorgänge umschmolzen und abgekapselt. Hierdurch kann in der Schmelze auch in vielen Fällen, insbesondere auch durch lokale chemische Reaktionen der Dendrit und somit der Stromfluß durch diesen unterbrochen werden.Due to the locally restricted cross-section, however, currents can no longer become arbitrarily high. It is then just at the most vulnerable places this limited in their width and thus limited in their current carrying capacity dendrites by the registered by their resistance heat by the desired melting and encapsulation processes and encapsulated. In this way, the dendrite and thus the flow of current through it can be interrupted in the melt in many cases, in particular by local chemical reactions.

Der Sinterkörper kann ebenfalls Gläser mit verschiedenen Schmelztemperaturen, vorzugsweise in partikulärer Mischung umfassen, um auch in diesem Falle das Verhältnis von schmelzendem, umhüllendem Anteil sowie von weiterhin mechanisch stabilem Anteil zu definieren.The sintered body may also comprise glasses with different melting temperatures, preferably in particulate mixture, in order to define the ratio of melting, enveloping fraction as well as of still mechanically stable fraction also in this case.

Alternativ oder zusätzlich zu den höher schmelzenden Glasanteilen oder Glaspartikeln können Keramik- oder Kristallpartikel in den Sinterkörper integriert sein, insbesondere um auch bei thermischen Anomalien definierte Stabilität bereit zu stellen.As an alternative or in addition to the higher-melting glass components or glass particles, ceramic or crystal particles may be integrated into the sintered body, in particular in order to provide defined stability even in the case of thermal anomalies.

Soweit mechanisch elastische temperaturstabile Anteile erwünscht sind, um beispielsweise mechanische Spannungen durch thermische Ausdehnungsunterschiede, beispielsweise im Separator zu mildern, können auch im gesamten Volumen oder bereichsweise Fasergeflechte oder Faserwirrgelege aus Fasern der hier beschriebenen Gläser verwendet werden. Insofar as mechanically elastic temperature-stable portions are desired in order, for example, to alleviate mechanical stresses due to thermal expansion differences, for example in the separator, fiber braids or fiber wafers made of fibers of the glasses described here can also be used throughout the volume or in some areas.

Diese Fasergeflechte können gewünschte mechanische Festigkeit und entsprechende Elastizität durch die Art von deren Verflechtung vordefiniert und dabei richtungszugeordnet bereitstellen.These fiber braids can provide desired mechanical strength and corresponding elasticity predefined by the nature of their intertwining while being directional.

Diese Fasern können in partikulärer Mischung oder auch anteilig in den vorstehend beschriebenen Sinterköper eingelagert sein. In diesem letzteren Falle führen selbst extreme Temperaturunterschiede nicht mehr zu einem Brechen oder Bersten des Sinterköpers, da dessen elastische Faseranteile diesen vordefiniert stabil halten. Obwohl patentrechtlich auf vollständig anderem Gebiet liegend, kann der Fachmann konstruktive Anleihen von Stahlbetonkonstruktionen machen, um beispielsweise zugfeste mit keramischen Materialien zu verwenden, um mechanisch tragfähige Strukturen zu erzeugen.These fibers can be incorporated in particulate mixture or even proportionally in the above-described sintered body. In this latter case, even extreme temperature differences no longer lead to breakage or rupture of the sintered body, since its elastic fiber portions keep these predefined stable. Although patented in completely different fields, one skilled in the art may make constructive references to reinforced concrete structures, for example, to use tensile strength with ceramic materials to produce mechanically strong structures.

Es können jedoch allgemein die Komponente der Separator, die Kathode, die Anode und/oder auch der Flüssigelektrolyt sein. Ferner kann der vorzugsweise multifunktionelle Bestandteil auch oder in Funktionsschichten zwischen diesen Komponenten oder Bauteilen angeordnet oder verwirklicht sein.However, it may generally be the component of the separator, the cathode, the anode and / or the liquid electrolyte. Furthermore, the preferably multifunctional component can also be arranged or realized in functional layers between these components or components.

Die Herstellung kann unter Verwendung eines, vorzugsweise kostengünstigen Prozesschritts des Schmelzens bei Temperaturen von weniger als 2000°C, bevorzugt weniger als 1700°C und mit schnellem Abkühlen vorgenommen werden.The preparation may be carried out using a preferably inexpensive melt processing step at temperatures less than 2000 ° C, preferably less than 1700 ° C and with rapid cooling.

Der multifunktionelle Bestandteil kann insbesondere als Glas- oder Glaskeramikpulver in einer Lithium-Ionen-Zelle gleichmäßig verteilt im Volumen einzelner oder aller der genannten Komponenten und/oder in oberflächennahen Bereichen oder auf der Oberfläche einzelner oder aller dieser Komponenten angeordnet sein.The multifunctional constituent may be distributed uniformly in particular as a glass or glass ceramic powder in a lithium-ion cell in the volume of individual or all of the named components and / or in near-surface regions or on the surface of individual or all of these components.

Vorteilhaft kann dabei das Glas- oder Glaskeramikpulver während der Fertigung des Akkus oder einzelner Akku-Komponenten in Form eines Schlickers zugesetzt oder aufgebracht wird, welcher neben einem Pulver aus Glas- oder Glaskeramik mit einer Körnung von kleiner 1 μm bis 50 μm, bevorzugt bis 20 μm nur noch Wasser enthält und der dennoch stabil ist.Advantageously, the glass or glass ceramic powder is added or applied during the production of the battery or individual battery components in the form of a slurry, which in addition to a powder of glass or glass ceramic with a grain size of less than 1 .mu.m to 50 .mu.m, preferably up to 20 μm contains only water and is still stable.

Es hat sich gezeigt, dass es insbesondere sinnvoll sein kann, für den Schlicker einen schwach sauren pH-Bereich einzustellen. Hierzu eignen sich Säuren, besonders bevorzugt einwertige Säuren wie die anorganischen Säuren Salpetersäure HNO3 oder Salzsäure HCl oder organische Säuren wie Ameisensäure oder Essigsäure. Soll ein alkalischer pH-Bereich gezielt eingestellt werden, so eignet sich dafür insbesondere Ammoniak NH3. Wenn besonders hohe Füllgrade des Schlickers von > 40% Feststoffanteil gewünscht sind, kann es notwendig sein, Verflüssiger einzusetzen. Hierzu eigenen sich insbesondere Polymethacrylate.It has been shown that it may be particularly useful to set a slightly acidic pH range for the slip. For this purpose, acids, particularly preferably monohydric acids such as the inorganic acids nitric acid HNO 3 or hydrochloric acid HCl or organic acids such as formic acid or acetic acid are suitable. If an alkaline pH range is to be adjusted in a targeted manner, ammonia NH3 is suitable in particular for this purpose. If particularly high fill levels of the slip of> 40% solids are desired, it may be necessary to use condenser. In particular, polymethacrylates are suitable for this purpose.

Das Absetzverhalten eines solchen Schlickers kann außerdem durch den Zusatz eines Rheologiemittels bzw. Verdickers verbessert werden. Hierzu eignen sich Polysaccharide wie beispielsweise Cellulosen bzw. Cellulosederivate wie Ethylcellulose.The settling behavior of such a slurry can also be improved by the addition of a rheology agent or thickener. For this purpose, polysaccharides such as celluloses or cellulose derivatives such as ethyl cellulose are suitable.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben.The invention will now be described in more detail by means of preferred embodiments and with reference to the accompanying drawings.

Es zeigen:Show it:

1 eine Schnittdarstellung durch eine Lithium-Ionen-Zelle 10 mit verschiedenen Stadien einer thermischen Anomalie mit durch die Erfindung bereitgestellten Wirkungen von partikulären anorganischen Bestandteilen 1 a sectional view through a lithium-ion cell 10 with various stages of thermal anomaly with effects of particulate inorganic constituents provided by the invention

2 eine weitere Schnittdarstellung durch eine Lithium-Ionen-Zelle 10 mit verschiedenen Stadien einer thermischen Anomalie mit durch die Erfindung bereitgestellten Wirkungen von partikulären anorganischen Bestandteilen 2 another sectional view through a lithium-ion cell 10 with various stages of thermal anomaly with effects of particulate inorganic constituents provided by the invention

3 eine Schnittdarstellung durch einen Prinzipaufbau 27 zur Durchführung von Schmelzversuchen unterschiedlicher Pulver unter Einwirkung von Strom, 3 a sectional view through a principle structure 27 for conducting melt tests of different powders under the action of electricity,

4 eine Aufsicht auf den Prinzipversuch aus 3, wobei als Pulverschüttung unterschiedliche Versuchsmaterialien eingesetzt wurden, 4 a supervision of the principle experiment 3 in which different test materials were used as powder bed,

5 die Geometrie einer Lithium-Ionen-Zelle, bei welcher nur ein Quadrant um den zylindrischen Lithium-Dentriten, hellgrün, dargestellt ist, 5 the geometry of a lithium-ion cell, in which only a quadrant around the cylindrical lithium dendrite, light green, is shown,

6 den zeitlichen Verlauf der maximalen Temperatur für die Version 1 (rote Kurve) und Version 2 6 the time course of the maximum temperature for version 1 (red curve) and version 2

7 ein quasistationäres Temperaturfeld im Bereich des Lithium-Dendriten, wobei im linken Bild die Maximaltemperatur bei guter Wärmeleitfähigkeit etwa 204°C erreicht, während im Fall der schlechteren Wärmeleitfähigkeit, wie diese im rechten Bild dargestellt ist, ca. 340°C erreicht werden. 7 a quasi-stationary temperature field in the region of the lithium dendrite, wherein in the left image, the maximum temperature with good thermal conductivity reaches about 204 ° C, while in the case of poorer thermal conductivity, as shown in the right image, about 340 ° C can be achieved.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten AusführungsformenDetailed Description of the Preferred Embodiments

Bei der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Ansprüchen liegen alle Angaben zu Glaszusammensetzungen in Gew% vor, soweit nicht jeweils ausdrücklich anderes angegeben ist.In the following description as well as in the claims, all information on glass compositions are given in% by weight, unless expressly stated otherwise.

1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Lithium-Ionen-Zelle 10 bestehend aus Aluminiumableiter 11, Kathode 12, Separator 13, Anode 14 und Kupferableiter 15. Dargestellt sind im obersten Abschnitt der Zeichnung auch die der Störfall 16, der einen Kurzschluss von Anode zu Kathode beschreibt, sowie der Störfall 17, der einen Kurzschluss zwischen den beiden Ableiterfolien 11 und 15 darstellt. 1 shows a sectional view through a lithium-ion cell 10 consisting of aluminum conductor 11 , Cathode 12 , Separator 13 , Anode 14 and copper conductors 15 , Shown are in the top section of the drawing and the incident 16 , which describes a short circuit from anode to cathode, as well as the incident 17 , which causes a short circuit between the two arrester foils 11 and 15 represents.

Im mittleren Abschnitt der 1 ist der Versagensfall 16 genauer aufgezeigt. In der schematischen Vergrößerung erkennt man das Kathodenmaterial 18, das Anodenmaterial 19 sowie den Separator 20, der wiederum Glaspartikel 21 enthält. Ebenfalls dargestellt ist der den Kurzschluss und damit den Störfall auslösende Dendrit aus Lithium-Metall 22.In the middle section of the 1 is the failure case 16 shown in more detail. The schematic enlargement shows the cathode material 18 , the anode material 19 as well as the separator 20 which in turn is glass particles 21 contains. Also shown is the dendrite of lithium metal which triggers the short circuit and thus the fault 22 ,

Im unteren Abschnitt der Zeichnung ist dargestellt, wie sich im Falle des Vorhandenseins von Glaspartikeln 21 das System bei einer solchen Dendritenbildung verhält. Prinzipiell sind hierbei zwei Wege denkbar: Im linken unteren Abschnitt ist der Dendrit 22 von einem Glasmantel 23 umgeben, der auf diese Weise die beim Kurzschluss entstehende Wärme lokal dissipiert und damit letztlich den Kurzschluss unterbindet. Im rechten unteren Abschnitt sieht man, dass auch das „Kappen” eines solchen Dendriten möglich ist.In the lower section of the drawing is shown how in the case of the presence of glass particles 21 the system behaves at such a dendrite formation. In principle, two ways are conceivable here: In the lower left section is the dendrite 22 from a glass jacket 23 surrounded, which dissipates in this way the resulting heat short-circuit locally and thus ultimately prevents the short circuit. In the lower right section you can see that the "capping" of such a dendrite is also possible.

2 zeigt im oberen Abschnitt wiederum eine Schnittdarstellung durch eine Lithium-Ionen-Zelle 10 bestehend aus Aluminiumableiter 11, Kathode 12, Separator 13, Anode 14 und Kupferableiter 15. Dargestellt sind im obersten Abschnitt der Zeichnung auch die der Störfall 16, der einen Kurzschluss von Anode zu Kathode beschreibt, sowie der Störfall 17, der einen Kurzschluss zwischen den beiden Ableiterfolien 11 und 15 darstellt. 2 again shows in the upper section a sectional view through a lithium-ion cell 10 consisting of aluminum conductor 11 , Cathode 12 , Separator 13 , Anode 14 and copper conductors 15 , Shown are in the top section of the drawing and the incident 16 , which describes a short circuit from anode to cathode, as well as the incident 17 , which causes a short circuit between the two arrester foils 11 and 15 represents.

Im mittleren Abschnitt der 1 ist der Versagensfall 17 genauer aufgezeigt. In der schematischen Vergrößerung erkennt man das Kathodenmaterial 24, das in dieser speziellen Ausführung ebenfalls Glasmaterial enthält, den Ableiter 11, das Anodenmaterial 25, ebenfalls in einer speziellen Ausführungsform mit Glasmaterial, den Ableiter 15 sowie den Separator 20, der wiederum Glaspartikel 21 enthält. Ebenfalls dargestellt ist der den Kurzschluss und damit den Störfall auslösende Metallspan 26. Im unteren Abschnitt der Zeichnung ist dargestellt, wie sich im Falle des Vorhandenseins von Glaspartikeln 21 sowie mit Glasmaterial versetztem Anodenmaterial 25 bzw. Kathodenmaterial 24 das System bei einem solchen Schadensfall verhält. Prinzipiell sind hierbei zwei Wege denkbar: Im linken unteren Abschnitt ist der Metallspan 26 von einem Glasmantel 23 umgeben, der auf diese Weise die beim Kurzschluss entstehende Wärme lokal dissipiert und damit letztlich den Kurzschluss unterbindet. Im rechten unteren Abschnitt sieht man, dass auch das „Kappen” eines solchen Metallspans möglich ist.In the middle section of the 1 is the failure case 17 shown in more detail. The schematic enlargement shows the cathode material 24 , which also contains glass material in this special version, the arrester 11 , the anode material 25 also in a special embodiment with glass material, the arrester 15 as well as the separator 20 which in turn is glass particles 21 contains. Also shown is the short circuit and thus the accident triggering metal chip 26 , In the lower section of the drawing is shown how in the case of the presence of glass particles 21 and with glass material added anode material 25 or cathode material 24 the system behaves in such a case of damage. In principle, two ways are conceivable here: in the lower left section is the metal chip 26 from a glass jacket 23 surrounded, which dissipates in this way the resulting heat short-circuit locally and thus ultimately prevents the short circuit. In the lower right section you can see that also the "caps" of such a metal chip is possible.

3 zeigt den Schnitt durch den Prinzipaufbau 27 zur Bestimmung des Verhaltens bei Wärmeeintrag durch elektrischen Strom auf eine Pulverschüttung 28. Dargestellt ist die Pulverschüttung 28 in einem Behältnis 29 sowie mit dem durch die Pulverschüttung geführten Draht 30 aus beispielsweise Kupfer. 3 shows the section through the principle structure 27 for determining the behavior when heat is introduced by electric current onto a powder bed 28 , Shown is the powder bed 28 in a container 29 as well as with the guided through the powder bed wire 30 from, for example, copper.

4 zeigt die Aufsicht aus dem Prinzipaufbau 27 aus 3, wobei unterschiedliche Materialien als Pulver verwendet wurden und auch der Einfluss unterschiedlich starker Ströme und damit unterschiedlichen starken Wärmeeintrags in das System dargestellt werden. 4 shows the supervision from the principle structure 27 out 3 , wherein different materials were used as a powder and also the influence of different strong currents and thus different strong heat input are shown in the system.

So ist links oben das Verhalten eines Pulvers bei einem Strom I1 ersichtlich, wenn das Pulver aus Polyethylen besteht. Deutlich erkennbar ist neben der unveränderten Pulverschüttung 28 und dem Behältnis 29 sowie dem Leitungsdraht 30 der Bereich 31, der aus einer Mischung aus geschmolzenem und insbesondere bereits zersetztem Polyethylen besteht. In der Darstellung rechts daneben sieht man, dass beim Strom I2 mit I2 > I1 der Bereich des zersetzen Polyethylens deutlich größer geworden ist.Thus, on the top left, the behavior of a powder at a current I 1 is seen when the powder is polyethylene. Clearly visible next to the unchanged powder bed 28 and the container 29 as well as the conductor wire 30 the area 31 , which consists of a mixture of molten and in particular already decomposed polyethylene. In the illustration to the right, it can be seen that the current I 2 with I 2 > I 1 has significantly increased the area of decomposition of polyethylene.

In der Mitte links sieht man das Verhalten eines keramischen Materials mit hohem Schmelzpunkt bei einem Strom I1: Erkennbar ist hier der Bereich 32, in dem es nur zu einer leichten Versinterung des keramischen Materials gekommen ist.In the middle left you can see the behavior of a ceramic material with a high melting point at a current I 1 : Visible here is the range 32 , in which it has come only to a slight sintering of the ceramic material.

Bei einem Strom I2 sind zwei Bereiche erkennbar, nämlich der Bereich 32 mit nur sehr locker versintertem Material, der im Vergleich zum Zustand bei Strom I1 deutlich größer geworden ist, sowie der Bereich 33 mit etwas dichter versintertem Material.In a current I 2 , two areas are recognizable, namely the area 32 with only very loose sintered material, which has become significantly larger compared to the state at current I 1 , as well as the range 33 with slightly denser sintered material.

In der Darstellung links unten wird das Verhalten von erfindungsgemäßen Glaspartikeln beim Strom I1 gezeigt. Bereits bei diesem relativ niedrigen Strom kommt es zur Ausbildung eines locker gesinterten Bereichs 32 und eines dichtgesinterten Bereichs 33. Daneben sind aber bereits deutlich ein schmelzgesinterter Bereich 34 sowie eine Schmelzzone 35 erkennbar. Beim Strom I2 werden die vier genannten Bereich 32, 33, 34 und 35 ebenfalls angetroffen, wobei der Schmelzbereich deutlich größer geworden ist und sich die übrigen Bereiche in größerer Entfernung von der Mitte des Behälters 29 und somit vom stromführenden Leiter 30 befinden.In the illustration on the bottom left, the behavior of glass particles according to the invention at the current I 1 is shown. Already at this relatively low current, a loosely sintered region is formed 32 and a densely sintered area 33 , In addition, however, are already clearly a melt sintered area 34 and a melting zone 35 recognizable. When I 2 current, the four mentioned area 32 . 33 . 34 and 35 also found, with the melting range has become much larger and the remaining areas at a greater distance from the center of the container 29 and thus from the live conductor 30 are located.

Ein beispielhaftes Scenario umfasst eine Situation, bei welcher ein Metalldendrit, Splitter o. ä. den Separator einer geladenen Zelle im Bereich einer Fläche von < 1 mm × 1 mm durchstösst. Ein interner Kurzschluss zwischen Anode und Kathode bzw. den entsprechenden Stromableitern wird hergestellt.An exemplary scenario comprises a situation in which a metal dendrite, splitter or the like penetrates the separator of a charged cell in the area of an area of <1 mm × 1 mm. An internal short circuit between the anode and cathode or the corresponding current conductors is produced.

Bei einer Betriebsspannung von 3,7 V und angenommenen 100 A Stromfluß ergibt sich eine integrale Wärmeentwicklung von etwa 400 W entlang eines sehr dünnen Querschnittes der Verbindungsbrücke. Die Temperatur steigt auf mehrere 100°C stark an, d. h. die Temperatur liegt deutlich oberhalb des Schmelzpunktes von PE (130°C) oder PP (ca. 165°C), welches zur Zerstörung der Separatoren führen kann.With an operating voltage of 3.7 V and assumed 100 A current flow results in an integral heat generation of about 400 W along a very thin cross section of the connecting bridge. The temperature rises sharply to several 100 ° C, d. H. the temperature is well above the melting point of PE (130 ° C) or PP (about 165 ° C), which can lead to the destruction of the separators.

Ein nicht mit anorganischen Partikeln versehener, d. h. reiner organischer Separator schrumpft oder verbrennt mit der Folge des flächenhaften Kurzschlusses der Elektroden. Sofern die Zelle nicht in Brand gerät, ist diese in der Regel zumindest nicht mehr einsatzfähig.A non-inorganic particle d. H. pure organic separator shrinks or burns with the result of the planar short circuit of the electrodes. If the cell does not catch fire, this is usually at least no longer operational.

Der Einsatz von z. B. kristallinen Partikeln mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit wie bspw. Al2O3 bedingt, dass sich die entstehende Wärme schnell ausbreitet. Es gibt hierdurch jedoch keinen Beitrag zur Wärmeeindämmung.The use of z. As crystalline particles with very high thermal conductivity such as. Al 2 O 3 conditions that the resulting heat spreads quickly. However, there is no contribution to heat containment.

Der Vorteil eines glasbasierten Materiales wie z. B. Glas oder Glaskeramik ist demgegenüber vielfältig.

  • 1. Bedingt durch dessen geringe thermische Leitfähigkeit wird die Ausbreitung der Wärme stark behindert. Die Dissipation der Wärme in die Gesamtzelle läuft moderater ab, Wärmespitzen werden bei gleichen integralen Werten über einen längeren Zeitraum aber bei niedrigeren absoluten Werten verteilt.
The advantage of a glass-based material such. As glass or glass ceramic is varied.
  • 1. Due to its low thermal conductivity, the propagation of heat is severely hampered. The dissipation of heat into the total cell proceeds more moderately, whereas heat peaks are distributed at the same integral values over a longer period of time but at lower absolute values.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wurden auch Modellrechnungen durchgeführt, welche auf einem Simulationsmodell beruhten.For a better understanding of the invention, model calculations were also carried out, which were based on a simulation model.

Dieses Simulationsmodell wurde mathematisch wie folgt verwirklicht:
Die stationäre Poisson-Gleichung für das elektrische Potential ∇ →·((σ∇ →U)) = 0 und die transiente Wärmeleitungsgleichung für die Temperatur T pcp ∂T / ∂t = ∇ →·(k∇ →T) + Q werden gekoppelt unter Vorgabe von physikalischen Randbedingungen, wie diese für einen Batteriezelle vorliegen, für das elektrische Potential U sowie für die Temperatur T gelöst.
This simulation model was mathematically realized as follows:
The stationary Poisson equation for the electric potential ∇ → · ((σ∇ → U)) = 0 and the transient heat equation for the temperature T pc p ∂T / ∂t = ∇ → · (k∇ → T) + Q are coupled under specification of physical boundary conditions, as they are present for a battery cell, for the electrical potential U and for the temperature T dissolved.

An Materialparametern benötigt man die elektrische Leitfähigkeit σ, die Dichte ρ, die spezifische Wärme cp und die Wärmeleitfähigkeit k der beteiligten Materialien. Der Quellterm Q für die Joulesche Wärme ergibt sich aus der Stromdichte j (Vektor) zu j → = –σ∇ →U zu Q = 1 / σj →2 Material parameters require the electrical conductivity σ, the density ρ, the specific heat c p and the thermal conductivity k of the materials involved. The source term Q for the Joule heat results from the current density j (vector) j → = -σ∇ → U to Q = 1 / σj → 2

Durch diese Vorgehensweise erhält man realistische Werte für Wärmeequellen und die Temperaturverteilung in dem betrachteten Gebiet der Batterie.By doing so, one obtains realistic values for heat sources and the temperature distribution in the considered area of the battery.

In dem Simulationsmodell wurde neben praktischen Versuchen, die wegen der Vielzahl von Gläsern nicht für jedes einzeln Glas durchgeführt wurden, bewertet, in welchem Umfang der Temperaturverlauf im Innern einer Lithium Ionen Batterie beeinflusst werden kann, wenn man die Wärmeleitfähigkeit der mit Partikeln infiltrierten Lithium Ionen Zelle so ändert, dass keramisch gut wärmeleitende Materialien durch schlecht wärmeleitende aus Glas ersetzt.In the simulation model, in addition to practical experiments, which were not carried out for each individual glass because of the large number of glasses, it was evaluated to what extent the temperature profile inside a lithium ion battery can be influenced by measuring the thermal conductivity of the particle-infiltrated lithium ion cell so changes that ceramic good thermal conductivity materials replaced by poor thermal conductivity of glass.

Bedingt durch die geringe thermische Leitfähigkeit von Glas wird die Ausbreitung der Wärme sehr stark behindert und somit die Wärme lokal beschränkt. Dies bedeutet, dass deren Ausbreitung vermindert bis verhindert wird, falls die Wärme vor Ort auf andere Weise umgesetzt werden kann, wie beispielsweise in lokalen Schmelzvorgängen. Derartige lokale Schmelzvorgänge führen jedoch zu einer nochmalig stärkeren lokalen Abschirmung, da eine innere Erhitzung die Viskosität im Inneren weiter erhöhen kann, ohne dabei aber die Viskosität am Rande des Einschlußes bis zur Schmelzflüssigkeit bringen muß.Due to the low thermal conductivity of glass, the spread of heat is very much hindered and thus the heat is limited locally. This means that their spread is reduced to prevented if the heat can be converted in situ in other ways, such as in local melting processes. However, such local melting processes lead to a further stronger local shielding, since an internal heating can further increase the viscosity in the interior, without having to bring the viscosity at the edge of the inclusion to the molten liquid.

5 zeigt die Geometrie einer Lithium-Ionen-Zelle (nur ein Quadrant um den zylindrischen Lithium-Dentriten, hellgrün, ist dargestellt). Die angelegte Spannung beträgt in dieser Simulation 3.7 V. 5 shows the geometry of a lithium-ion cell (only one quadrant around the cylindrical lithium dendrite, light green, is shown). The applied voltage in this simulation is 3.7 V.

Im Folgenden ist die Geometrie des Simulationsmodells dargestellt; die ableitenden Folien als Kupfer (Cu) bzw. Aluminium (Al) sind jeweils 20 μm dick, nach innen schließen sich jeweils 60 μm dicke mit Elektrolyt getränkte Elektroden (hellblau oben bzw. orange unten) an. In der Mitte befindet sich der 20 μm dicke ebenfalls mit Elektrolyt getränkte Separator, an dessen Ecke modellhaft ein zylindrischer Dendrit aus Lithium-Metall mit einem Radius von 5 μm entstanden ist.The following shows the geometry of the simulation model; the dissipative foils as copper (Cu) and aluminum (Al) are each 20 .mu.m thick, and in each case 60 .mu.m thick electrodes impregnated with electrolyte (light blue above or orange below) adjoin each other. In the middle is the 20 μm thick separator, also soaked in electrolyte, at the corner of which a cylindrical dendrite of lithium metal with a radius of 5 μm has been modeled.

Dieser Dendrit führt zu einem Kurzschluss-Strom zwischen den Elektroden und wegen endlicher elektrischer Leitfähigkeiten der benachbarten Elektroden zu lokaler Erhitzung.This dendrite causes a short-circuit current between the electrodes and local heating due to finite electrical conductivities of the adjacent electrodes.

Die nachfolgende Tabelle zeigt die für die Modellrechnungen verwendeten Materialdaten. Material Dichte [kg/m3] WLF [W/Km] cP [J/kgK] σ [S/m] Kupfer 8920 400 381 59.8e6 Elektrolyt oben (Grafit) 2300 m07: 110 m08: 55 709 1000 Separator 1000 m07: 1 m08: 0.5 1000 1e–6 Lithium 535 85 3482 11.7e6 Elektrolyt unten (LiCoO2) 5000 m07: 4 m08: 2 946 1000 Aluminium 2719 202 871 37.7e6 The following table shows the material data used for the model calculations. material Density [kg / m 3 ] WLF [W / Km] c P [J / kgK] σ [S / m] copper 8920 400 381 59.8e6 Electrolyte top (graphite) 2300 m07: 110m08: 55 709 1000 separator 1000 m07: 1 m08: 0.5 1000 1e-6 lithium 535 85 3482 11.7e6 Electrolyte bottom (LiCoO 2 ) 5000 m07: 4 m08: 2 946 1000 aluminum 2719 202 871 37.7e6

Zwischen Modell 07 und Modell 08 sind die Wärmeleitfähigkeiten halbiert worden, um im Vergleich zu keramischen Partikeln die Wirkung der durch Glaspartikel verringerten Wärmeleitfähigkeit besser darstellen zu können.Between model 07 and model 08, the thermal conductivities have been halved in order to better represent the effect of reduced by thermal conductivity of glass particles compared to ceramic particles.

Die Wärmeleitfähigkeit einer Mischung aus den zugegebenen Partikeln zusammen mit Graphit- bzw. LiCoO2-Partikeln und dem Elektrolyten ergibt sich näherungsweise aus den mit der Volumenfraktion gewichteten einzelnen Wärmeleitfähigkeiten.The thermal conductivity of a mixture of the added particles together with graphite or LiCoO 2 particles and the electrolyte results approximately from the volume fraction-weighted individual heat conductivities.

Ist der Volumenanteil der keramischen Partikel hoch (> 50%), ist die sich ergebende mittlere Wärmeleitfähigkeit überwiegend durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der kristallinen Phase geprägt.If the volume fraction of the ceramic particles is high (> 50%), the resulting mean thermal conductivity is predominantly characterized by the high thermal conductivity of the crystalline phase.

Erfindungsgemäß wird durch den Ersatz der kristallinen Partikel durch solche aus Glas (im umfassenden Sinn) wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit aller Gläser auch die mittlere Wärmeleitfähigkeit des Komposits deutlich abgesenkt werden. According to the invention, the replacement of the crystalline particles by those made of glass (in a comprehensive sense), because of the poor thermal conductivity of all glasses, also significantly reduces the average thermal conductivity of the composite.

In der vorstehend angegebenen Tabelle sind zwei Varianten für die Wärmeleitfähigkeiten (WLF) Mischungen verschiedener Zusammensetzung verwendet worden: m07 (stellvertretend für keramische Partikel) und m08 (stellvertretend für Glas-Partikel).In the table above, two variants of thermal conductivity (WLF) mixtures of different composition have been used: m07 (representative of ceramic particles) and m08 (representative of glass particles).

In der nachfolgend diskutierten Abbildung ist der zeitliche Verlauf der Erwärmung dargestellt.The figure below shows the time course of the warming.

6 zeigt den zeitlichen Verlauf der maximalen Temperatur für die Version 1 (rote Kurve) und Version 2 (halbierte Wärmeleitfähigkeit, grüne Kurve) Man erkennt klar, dass der Temperaturanstieg für die Variante mit der geringeren Wärmeleitfähig (m08) rascher erfolgt und sich bei deutlich höheren Temperaturen einpendelt. 6 shows the chronological progression of the maximum temperature for version 1 (red curve) and version 2 (halved thermal conductivity, green curve) It is clearly evident that the temperature rise for the variant with the lower thermal conductivity (m08) is faster and at significantly higher temperatures levels off.

7 zeigt ein quasistationäres Temperaturfeld im Bereich des Lithium-Dendriten. Im linken Bild mit guter Wärmeleitfähigkeit erreicht die Maximaltemperatur etwa 204°C, während im Fall der schlechteren Wärmeleitfähigkeit, wie dieses im rechten Bild gezeigt ist, werden ca. 340°C an maximaler Temperatur erreicht. 7 shows a quasi-stationary temperature field in the region of the lithium dendrite. In the left image with good thermal conductivity, the maximum temperature reaches about 204 ° C, while in the case of poorer thermal conductivity, as shown in the right image, about 340 ° C are reached at maximum temperature.

Im linken Bild reicht die Temperatur zwar aus, die Zersetzung organischer Komponenten zu bewirken, kann aber die heiße Zone nicht ”abkapseln”.In the left image, the temperature is sufficient to cause the decomposition of organic components, but can not "decapsulate" the hot zone.

Durch Erniedrigung der Wärmeleitfähigkeit, wie dieses im rechten Bild gezeigt ist, in Verbindung mit einem erweichenden, sich aber nicht zersetzenden Glas mit sehr schlechter elektrischer Leitfähigkeit wird eine elektrische Einkapselung der Dendriten-Zone erreicht.By lowering the thermal conductivity, as shown in the right image, in conjunction with a softening, but not decomposing glass with very poor electrical conductivity, an electrical encapsulation of the dendrite zone is achieved.

Erfindungsgemäß ist die kurzfristige lokale Temperaturerhöhung erwünscht, um das Schmelzen der Glas-Partikel zu erleichtern und in einem weiteren Schritt, welcher jedoch in diesen Modellrechnungen nicht dargestellt ist, die Unterbrechung des Kontaktes durch Einbetten der kritischen heißen Zone in einem Glas dieses abnormale Temperaturgeschehen, somit diese thermische Anomalie, wieder zum Erlöschen zu bringen oder zumindest deren negative Auswirkungen lokal zu beschränken und hierdurch zu mindern.According to the invention, the short-term local temperature increase is desirable to facilitate the melting of the glass particles and in a further step, which is not shown in these model calculations, the interruption of contact by embedding the critical hot zone in a glass of this abnormal temperature, thus This thermal anomaly, to extinguish or at least locally limit their negative effects and thereby reduce.

Auf diese Weise wird ein Schutz der Lithium-Ionen-Zelle erreicht, weil trotz kurzfristiger lokaler Wärmespitzen über einen längeren Zeitraum die mittleren Temperaturen bei niedrigeren absoluten Werten gehalten werden können.In this way, protection of the lithium-ion cell is achieved because, despite short-term local heat spikes over an extended period, the average temperatures can be kept at lower absolute values.

Ein thermischer Durchbruch oder Kollaps, thermal runaway, wird hierdurch sehr viel unwahrscheinlicher.A thermal breakthrough or collapse, thermal runaway, becomes much less likely.

Bevorzugt kapselt das Glas einen Hitzepol sogar ab. Bei geeigneter Anpassung der Viskosität des glasbasierten Materials an die Temperaturregimes des Hot Spots sintert das Glas dicht zusammen oder schmilzt aufgrund seiner bevorzugt niedrigen bis moderaten Viskosität in Verbindung mit seinem nicht zu hohen Tg's bevorzugt sogar auf. Das wieder erkaltete Regulus hat dann diesen Hotspot schadensbegrenzt umhüllt.

  • 3. In einer weiteren Ausführungsform hat die sich bildenende Schmelze oder Schmelzsinterphase mit dem metallischen Partikel chemisch reagiert unter Kappung der den Kurzschluss verursachenden Verbindung.
  • 4. In einer weiteren Ausführungsform hat bei der Schmelzbildung durch lokale Elektrolyse des Glases bevorzugt auf der Kathodenseite Legierungsbildung z. B. zwischen Si des Glases und dem Kathodenmaterial stattgefunden. Auch hierdurch wird der Widerstand gegen einen thermal runaway heraufgesetzt.
Preferably, the glass even encapsulates a heat pole. If the viscosity of the glass-based material is suitably adapted to the temperature regime of the hot spot, the glass sinters tightly or preferably even melts due to its preferably low to moderate viscosity in combination with its not too high Tg's. The re-cooled Regulus then wrapped this hotspot damage limited.
  • 3. In another embodiment, the forming melt or melt sintering phase has reacted chemically with the metallic particle, capping the compound causing the short circuit.
  • 4. In another embodiment, in the formation of melt by local electrolysis of the glass preferably on the cathode side alloying z. B. between Si of the glass and the cathode material took place. This also increases resistance to a thermal runaway.

Entscheidend für alle Effekte ist dass ein im Moment der Ausbildung des internen Kurzschlusses, ISC, vorliegender niederohmiger metallischer Übergang in einen hochohmigen Übergang überführt wird.Crucial for all effects is that at the moment of the formation of the internal short circuit, ISC, existing low-impedance metallic transition is converted into a high-impedance junction.

Al2O3 oder andere einfache kristalline Substanzen sind hierzu nicht in der Lage: sie lassen sich innerhalb kurzer Zeiträume weder bei < 1000°C dicht sintern noch schmelzen, noch sind diese geeignet chemisch reaktiv.Al2O3 or other simple crystalline substances are not able to do so: they can not be dense sintered or melted at <1000 ° C. within a short period of time, nor are they suitably chemically reactive.

Ein weiterer Vorteil von Glas liegt in der chemischen Variabilität. Durch geeignete Variationen der Zusammensetzungen lassen sich Viskositäten, Schmelzpunkte etc. einstellen.Another advantage of glass is the chemical variability. By suitable variations of the compositions, viscosities, melting points, etc. can be adjusted.

So kann je nach Integrationsort des partikulären Glases dieses in seinen viskoelastischen Eigenschaften eingestellt werden.Thus, depending on the place of integration of the particulate glass, this can be adjusted in terms of its viscoelastic properties.

Auch können z. B. mehrere Glastypen, solche mit geringer und solche mit hoher Viskosität, als Gemenge in z. B. Separator oder Elektrodenverband eingeführt werden. Also z. As several types of glass, those with low and those with high viscosity, as a mixture in z. B. separator or electrode dressing are introduced.

Ein weiterer Vorteil von bestimmten Glas, Glaskeramik, phasenentmischten Gläsern oder anderen glasbasierten Materialien liegt in der vergleichsweise geringen Dichte. Bei gleichem Volumenanteil an zugegebenen Anorganikpartikeln ist ein spezifisch leichteres Material wie Glas dem Al2O3 deutlich bevorzugt (Dichte Al2O3 ~ 3,5–4 g/ccm)Another advantage of certain glass, glass-ceramic, phase-mixed glasses or other glass-based materials is the relatively low density. For the same volume fraction of added inorganic particles, a specific lighter material such as glass is clearly preferred for Al2O3 (density Al2O3 ~ 3.5-4 g / ccm).

Die Einführung von Glas kann in vielfältigen Formen, Grössen etc. erfolgen. Das Glas kann Pulver, stab- oder faserförmig vorliegen, entweder homogen oder mit core shell Strukturen der Einzelkörner. Die Partikel können agglomeriert oder verwachsen sein. Die Gläser können porös und mit gezielt eingestellter Oberflächentextur versehen sein. Die Glaspartikel können oberflächlich silanisiert sein.The introduction of glass can be done in many forms, sizes, etc. The glass may be powder, rod or fibrous, either homogeneous or with core shell structures of the individual grains. The particles may be agglomerated or fused. The glasses can be porous and provided with specifically set surface texture. The glass particles can be silanized on the surface.

Die Integration von partikulärem Glas/Glaskeramik kann in oder auf dem Separator/Anode/Kathode/Elektrolyt erfolgenThe integration of particulate glass / glass ceramic can take place in or on the separator / anode / cathode / electrolyte

Der Volumenanteil des Glases liegt beispielhaft bei 0,001–90 Vol%The volume fraction of the glass is exemplified at 0.001-90 vol%

Mitentscheidend für die Wirkweise von Pulver aus dem glasbasierten Material ist die spezifische Oberfläche.A decisive factor for the mode of action of powder from the glass-based material is the specific surface.

Nach oben hin sind Werte bis zu 50 m2/g, wenn nicht sogar > 100 m2/g sinnvoll. Die untere Grenze liegen bei 1 m2/g, bevorzugt ist diese nicht kleiner als 2 m2/g.Upwards, values up to 50 m2 / g, if not even> 100 m2 / g, make sense. The lower limit is 1 m2 / g, preferably not less than 2 m2 / g.

Bevorzugt weisen die Gläser/Glaskeramiken mindestens eine weitere aktive Zusatzfunktion auf. Die Zusatzfunktion kann dabei die Anwendung an sich betreffen, aber auch die Herstellung der Zelle bzw. deren Komponenten.The glasses / glass ceramics preferably have at least one additional active additional function. The additional function may relate to the application itself, but also the production of the cell or its components.

Aufgrund der Temperaturstabilität und Inertheit ist das Material zumindest einsetzbar als Abstandshalter (oder zumindest Teil der Abstandshalterung im Verbund mit anderen Separatorbestandteilen oder Bestandteilen einer Elektrodenschicht) von Kathode und Anode in Lithium-Ionen-Zellen. Der Einsatz ist aber auch auf alle anderen Komponenten erweiterbar (Anode, Kathode, Elektrolyt, Packaging).Due to the temperature stability and inertness, the material is at least usable as a spacer (or at least part of the spacer in combination with other separator components or constituents of an electrode layer) of cathode and anode in lithium-ion cells. The use can also be extended to all other components (anode, cathode, electrolyte, packaging).

Als beispielhafte Zusatzfunktionen werden erfinderisch die nachfolgenden bereit gestellt:

  • – Getterwirkung z. B. gegenüber HF
  • – Dielektrische Eigenschaften bzw. dadurch indirekt/direkt hervorgerufene Erhöhung der Ionenleitfähigkeit eines Flüssigelektrolyten
As exemplary additional functions, the following are provided in an inventive manner:
  • - Getterwirkung z. B. to HF
  • - Dielectric properties or thereby indirectly / directly caused increase in the ionic conductivity of a liquid electrolyte

Ausführungsbeispiele:EXAMPLES

Bei dem Terminus „Glas” handelt es sich in der vorliegenden Erfindung definitionsgemäß um ein Material mit folgenden Eigenschaften:

  • – Das Material besteht im technischen Sinne aus einem Glas, einer Glaskeramik, oder aus einem Komposit der beiden.
  • – Das Material kann sowohl in sich homogen sein als auch aus einem phasenentmischten Glas bzw. einer durch Phasenentmischung hergestellten Glaskeramik bestehen.
  • – für die Erfindung verwendbare Materialien bestehen aus monolithischen oder aus porösem Material.
  • – Die Komponenten des Materials sind im wesentlichen oxidisch. Es können geringe nicht-oxidische Aniondotierungen auftreten.
  • – Das Material ist partikulär, wobei die Kornfom verschieden sein kann, wie z. B. kugelig, kantig, oval, flake-artig, fasrig, als Core/Shell-Typ oder oberflächenstrukturiert.
By definition, the term "glass" in the present invention is a material having the following properties:
  • - The material consists in the technical sense of a glass, a glass ceramic, or a composite of the two.
  • The material can be homogeneous as well as consist of a phase-mixed glass or a glass-ceramic produced by phase-disassembly.
  • - Materials usable for the invention consist of monolithic or of porous material.
  • The components of the material are essentially oxidic. There may be low non-oxide anion doping.
  • - The material is particulate, the Kornfom may be different, such. B. spherical, edged, oval, flake-like, fibrous, as a core / shell type or surface-structured.

Ein Glas der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung sowie den vorstehend beschriebenen Eigenschaften wurde über einen kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Schmelzprozess in einem Schmelzofen und/oder einem geeigneten Tiegel unter Luft und > 1500°C erschmolzen, die Schmelze rasch abgekühlt und die Scherben durch Mahlung in Pulverform überführt.A glass of the composition described above and the properties described above was melted by a continuous or discontinuous melting process in a furnace and / or a suitable crucible under air and> 1500 ° C, the melt is rapidly cooled and the cullets are converted by grinding in powder form.

Alternativ können solche Partikel auch über das Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden. Hierzu wird ein Sol aus den Alkoxiden oder ähnlichen Verbindungen, die wie die Alkoxide leicht durch Hydrolyse- und Kondensationsreaktionen Vernetzungsreaktionen auszuführen in der Lage sind, der entsprechenden Elemente hergestellt.Alternatively, such particles can also be prepared via the sol-gel process. For this purpose, a sol of the alkoxides or similar compounds, such as the alkoxides easily by hydrolysis and Condensation reactions capable of carrying out crosslinking reactions are made of the corresponding elements.

Die entstandene kolloidale Lösung wird über geeignete Maßnahmen wie die beispielsweise die Einstellung des pH-Wertes oder die Zugabe von Wasser behandelt, um eine Gelierung des Sols herbeizuführen.The resulting colloidal solution is treated by suitable means such as adjusting the pH or adding water to cause gelling of the sol.

Das Sol kann alternativ auch einer Sprühtrocknung unterzogen werden.The sol may alternatively be subjected to spray drying.

Der auf diese Weise entstandene Feststoff, der aus Partikeln besteht, kann im weiteren einer Kalzinierungsreaktion unterzogen werden, um ggf. organische Verunreinigungen zu beseitigen. Auf diese Weise werden häufig auch Nanopartikel des entsprechenden Materials erhalten.The solid formed in this way, which consists of particles, can be further subjected to a calcination reaction in order to eliminate any organic impurities. In this way, nanoparticles of the corresponding material are often obtained.

Die Glaspartikel sind als wenige micron grosse (< 150 μm), bevorzugt < 25 μm und < 5 μm bis sogar nanoskalige (> 100 nm) Pulver z. B. in Flüssigelektrolyten eingebracht. Bedingt durch die hohe dielektrische Konstante ist die Dissoziation des Leitsalzes LiPF6 erhöht bzw. die Solvathülle modifiziert mit dem Vorteil der erhöhten Ionenleitfähigkeit des gesamten FlüssiglektrolytsytemesThe glass particles are as few micron large (<150 microns), preferably <25 microns and <5 microns to even nanoscale (> 100 nm) powder z. B. introduced into liquid electrolytes. Due to the high dielectric constant, the dissociation of the conducting salt LiPF 6 is increased or the solvation shell is modified with the advantage of increased ion conductivity of the entire liquid electrolyte system

Alternativ ist das Pulver in einen Separatorverband integriert. Pulver des erfindungsgemässen Glases der Kornfraktion sind zusammen mit Bindern, Polymer-Monomeren und als Slurry compoundiert und wahlweise auf eine Separatormembran bzw. ein Polymer-Nonwoven aufgetragen.Alternatively, the powder is integrated in a Separatorverband. Powders of the inventive glass of the grain fraction are compounded together with binders, polymer monomers and as a slurry and optionally applied to a separator membrane or a polymer nonwoven.

Vorteilhafterweise erfüllen die Glaspartikel nicht nur die Aufgabe der Abstandshalterung im Falle des thermal runaway sondern auch lokal die Aufgabe einer Erhöhung der Ionenleitfähigkeit des Flüssigelektrolyten.Advantageously, the glass particles fulfill not only the task of the spacer in the case of thermal runaway but also locally the task of increasing the ionic conductivity of the liquid electrolyte.

In einer besonderen Ausführungsform sind die Glaspulver Bestandteil eines Anoden bzw. Kathodenverbundes. Letztere sind üblicherweise charakterisiert durch ein poröses Gefüge von elektrochemisch aktiven Speichermaterialien und Poren.In a particular embodiment, the glass powders are part of an anode or cathode composite. The latter are usually characterized by a porous structure of electrochemically active storage materials and pores.

Die Poren können Grössen von bis zu 20 um aufweisen und sind mit dem Flüssigelektrolyt durchtränkt. Die Poren können nun durch das Glaspulver zumindest teilweise gefüllt sein. Ist das Pulver erfindungsgemäss ionenleitfähigkeitserhöhend kann die Elektrode dichter gepackt werden, was in einer Erhöhung des spezifischen Kapazität der Elektrode resultiert.The pores can have sizes of up to 20 microns and are impregnated with the liquid electrolyte. The pores can now be at least partially filled by the glass powder. According to the present invention, if the powder is increased in ionic conductivity, the electrode can be packed more densely, resulting in an increase in the specific capacity of the electrode.

Alternativ zu vorstehend genanntem Glas kann eine Glaskeramik verwendet werden die BaTiO3 als dielektrische Kristallphase enthält. Deren Dielektrizitätskonstante liegt aufgrund der Kristallitgrösse (in der Grössenordnung der ferroelektrischen Domänen oder darunter) bis zu epsilon = 5000, bevorzugt bis 10000, besonders bevorzugt bis 15000. Aber auch herkömmliche Gläser mit Dielektrizitätskonstanten zwischen 5 und 20 sind wirksam im Sinne einer besseren Dissoziation des Leitsalzes oder auch für das Abfangen des Leitsalz-Aniones.As an alternative to the above-mentioned glass, a glass-ceramic containing BaTiO 3 as a dielectric crystal phase may be used. Their dielectric constant is due to the crystallite size (of the order of magnitude of the ferroelectric domains or below) up to epsilon = 5000, preferably up to 10000, more preferably up to 15000. But also conventional glasses with dielectric constants between 5 and 20 are effective in terms of a better dissociation of the conducting salt or for trapping the electrolyte salt anion.

In einer weiteren Ausführungsform wird anstelle des vorstehend beschriebenen Glases ein Glas verwendet welches das in der Zelle schädliche HF adsorbiert bzw. durch Oberflächen bzw. Volumenreaktion dauerhaft bindet.In a further embodiment, instead of the glass described above, a glass is used which adsorbs the harmful HF in the cell or binds it permanently by surface or volume reaction.

Die Glaspartikel liegen vorzugsweise in Korngrössen zwischen 100 nm und 10 um, bevorzugt zwischen 150 nm und 5 um und besonders besonders bevorzugt zwischen 250 nm und 1 um vor und haben wahlweise runde, kugelige, ovale, kantige Form und wurden über Mahlung hergestellt. Alternativ können feine Pulver auch über den Herstellprozess ansich (z. B. Sol-Gel, Flame Spray Pyrolysis, chemische Fällung) eingestellt werden. Die Partikel sind analog oben entweder auf dem Separator aufgeschlemmt/eingeschlemmt bzw. beschichtet oder im Elektrodenverbund eingebunden bzw. auf denselben beschichtet.The glass particles are preferably in particle sizes between 100 nm and 10 .mu.m, preferably between 150 nm and 5 .mu.m, and particularly preferably between 250 nm and 1 .mu.m, and optionally have a round, spherical, oval, angular shape and were produced by milling. Alternatively, fine powders can also be adjusted by the manufacturing process itself (eg, sol-gel, flame spray pyrolysis, chemical precipitation). The particles are either clamped on top of the separator / clamped or coated analogously or integrated in the electrode assembly or coated on the same.

Erfindungsgemäß ist ein Komponentenverbund (Separator oder Elektrode) mit Glasanteil vorteilhaft zur Verhinderung/Verzögerung des thermal runaway, sprich der Selbstentzündung einer Lithium-Ionen-Zelle im Falle z. B. eines internen lokalen Kurzschlusses. Wird beispielsweise durch äussere Einwirkung (Druck, Eindringen eines Gegenstandes) oder interne Vorgänge (z. B. Dendritenwachstum) der Separator lokal durchstochen, kann sich die lokal auftretende Erwärmung im Kurzschlussbereich nicht oder nur schwerlich auf die gesamte Zelle ausbreiten. Die auftretende Wärme bleibt lokalisert bzw. wird verkapselt in dem gering wärmeleitenden Komposit.According to the invention, a composite component (separator or electrode) with glass content is advantageous for preventing / delaying the thermal runaway, that is, the self-ignition of a lithium-ion cell in the case of z. B. an internal local short circuit. If, for example, the external action (pressure, penetration of an object) or internal processes (eg dendrite growth) punctures the separator locally, the locally occurring heating in the short-circuit region can not or only with difficulty spread to the entire cell. The occurring heat remains lokalisert or is encapsulated in the low thermal conductivity composite.

Die Zelle bleibt, gegebenenfalls trotz Effizienzeinbußen, sicher.The cell remains safe, possibly in spite of efficiency losses.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Glas so gewählt dass es an der Stelle des Internal Short Circuit lokal geschmolzen ist. Damit ergibt sich ein Schmierfilm der die weitere Ausbreitung des thermal spots verhindert. In another embodiment, the glass is chosen to be locally melted at the location of the internal short circuit. This results in a lubricating film which prevents the further propagation of the thermal spots.

Glaspartikel helfen aufgrund ihrer geringen Wärmeleitung weiterhin die Unterschiede in der therm. Leitfähigkeit in axialer und radialer Zellrichtung, beispielsweise unterschiedlich bis zu einem Faktor 10, zu nivellieren.Glass particles help due to their low heat conduction continue to level the differences in the thermal conductivity in the axial and radial cell direction, for example, different up to a factor of 10 to level.

In einer weiteren Ausführung wird ein Lage oder ein Phasenkomposit im Bereich Separator oder Elektrode hergestellt welches ein Glas als Funktionsadditiv führt oder umfaßt.In a further embodiment, a layer or a phase composite in the separator or electrode region is produced which leads or comprises a glass as a functional additive.

Das Glas zeigt vorteilhafterweise eine ausgesprochen hohe Benetzbarkeit von Flüssigelektrolyt. Im Vergleich zu einer Additiv-freien Komponente wird daher der Herstellungsprozess erleichtert.The glass advantageously shows a very high wettability of liquid electrolyte. Compared to an additive-free component, therefore, the manufacturing process is facilitated.

Die glasführenden Komponenten zeigen weiterhin eine höhere Beständigkeit gegenüber höheren Betriebsspannungen.The glass-conducting components continue to show a higher resistance to higher operating voltages.

Beispielhafte Glasfamilien sind

  • – Silicatgläser, z. B. z. B. SiO2-B2O3-Gläser, besonders bevorzugt Gläser mit Li2O-B2O3 und SiO2
  • – Phosphatgläser, z. B. mit mehr als 70 Ma.-% 2205, besonders bevorzugt mit P2O5 > 80 Ma.-%
  • – Boratgläser, z. B. Boro-Phospho-Silicatgläser oder aus dem System B2O3-Al2O3-RO mit R = Mg, Ca
  • – Aluminatgläser, z. B. aus dem System Al2O3-B2O3-RO mit R = Mg, Ca.
Exemplary glass families are
  • - Silicate glasses, z. B. z. As SiO2-B2O3 glasses, particularly preferably glasses with Li2O-B2O3 and SiO2
  • - Phosphate glasses, z. With more than 70% by mass 2205, more preferably with P2O5> 80% by mass
  • - Boratgläser, z. Boro-phospho-silicate glasses or from the system B2O3-Al2O3-RO with R = Mg, Ca
  • - Aluminatgläser, z. From the system Al2O3-B2O3-RO with R = Mg, Ca.

Beispielhafte Glaszusammensetzungen sind ergänzend auch in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1 Gläser für die Verwendung in Lithium-Ionen-Zellen (Angaben in Gew%) Silikatisches Glas Min Max SiO2 45 100 TiO2 0 10 ZrO2 0 10 Al2O3 0 42 B2O3 0 30 Fe2O3 0 0,5 P2O5 0 10 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 10 Li2O 0 50 Na2O 0 10 K2O 0 10 La2O3 0 10 SrO 0 10 Halogen(elementar) 0 20 As2O3 0 1,5 Sb2O3 0 1,5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (außer La2O3) 0 5 SnO2 0 1,5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 25 SnO 0 1,5 SrO 0 20 sowie Phosphat-Glas Min Max SiO2 0 30 TiO2 0 40 ZrO2 0 10 Al2O3 0 30 B2O3 0 30 Fe2O3 0 7,5 P2O5 20 100 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 20 Li2O 0 50 Na2O 0 35 K2O 0 30 La2O3 0 10 SrO 0 10 Halogen (elementar) 0 35 As2O3 0 1,5 Sb2O3 0 1,5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (außer La2O3) 0 5 SnO2 0 1,5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 10 SnO 0 65 SrO 0 20 CuO 0 20 Bi2O3 0 30 Sb2O5 0 5 sowie Borat- Glas Min Max SiO2 0 30 TiO2 0 10 ZrO2 0 10 Al2O3 0 30 B2O3 20 100 Fe2O3 0 0,5 P2O5 0 10 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 10 Li2O 0 50 Na2O 0 10 K2O 0 10 La2O3 0 50 SrO 0 10 Halogen (elementar) 0 20 As2O3 0 1,5 Sb2O3 0 1,5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (außer La2O3) 0 5 SnO2 0 1,5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 10 SnO 0 1,5 SrO 0 20 sowie Aluminat-Glas Min Max SiO2 0 30 TiO2 0 10 ZrO2 0 10 Al2O3 25 100 B2O3 0 30 Fe2O3 0 0,5 P2O5 0 10 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 10 Li2O 0 50 Na2O 0 10 K2O 0 10 La2O3 0 10 SrO 0 10 Halogen (elementar) 0 20 As2O3 0 1,5 Sb2O3 0 1,5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (außer La2O3) 0 5 SnO2 0 1,5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 10 SnO 0 1,5 SrO 0 20 wobei die vorstehenden Gläser auch vorzugsweise in partikulärer Mischung miteinander mit bevorzugten Mischungsverhältnisse verwendbar sind, um beispielsweise definierte Viskositäten für bestimmte Temperaturbereiche einzustellen.Exemplary glass compositions are also given in Table 1 below. Table 1 Glasses for use in lithium-ion cells (in% by weight) Silicate glass min Max SiO2 45 100 TiO2 0 10 ZrO2 0 10 Al2O3 0 42 B2O3 0 30 Fe2O3 0 0.5 P2O5 0 10 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 10 Li2O 0 50 Na2O 0 10 K2O 0 10 La2O3 0 10 SrO 0 10 Halo (elemental) 0 20 As2O3 0 1.5 Sb2O3 0 1.5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (except La2O3) 0 5 SnO2 0 1.5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 25 SnO 0 1.5 SrO 0 20 such as Phosphate glass min Max SiO2 0 30 TiO2 0 40 ZrO2 0 10 Al2O3 0 30 B2O3 0 30 Fe2O3 0 7.5 P2O5 20 100 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 20 Li2O 0 50 Na2O 0 35 K2O 0 30 La2O3 0 10 SrO 0 10 Halogen (elemental) 0 35 As2O3 0 1.5 Sb2O3 0 1.5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (except La2O3) 0 5 SnO2 0 1.5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 10 SnO 0 65 SrO 0 20 CuO 0 20 Bi2O3 0 30 Sb2O5 0 5 such as Borate glass min Max SiO2 0 30 TiO2 0 10 ZrO2 0 10 Al2O3 0 30 B2O3 20 100 Fe2O3 0 0.5 P2O5 0 10 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 10 Li2O 0 50 Na2O 0 10 K2O 0 10 La2O3 0 50 SrO 0 10 Halogen (elemental) 0 20 As2O3 0 1.5 Sb2O3 0 1.5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (except La2O3) 0 5 SnO2 0 1.5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 10 SnO 0 1.5 SrO 0 20 such as Aluminate glass min Max SiO2 0 30 TiO2 0 10 ZrO2 0 10 Al2O3 25 100 B2O3 0 30 Fe2O3 0 0.5 P2O5 0 10 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 10 Li2O 0 50 Na2O 0 10 K2O 0 10 La2O3 0 10 SrO 0 10 Halogen (elemental) 0 20 As2O3 0 1.5 Sb2O3 0 1.5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (except La2O3) 0 5 SnO2 0 1.5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 10 SnO 0 1.5 SrO 0 20 wherein the above glasses are also preferably usable in particulate mixture with each other with preferred mixing ratios, for example to set defined viscosities for specific temperature ranges.

Auf diese Weise können eher schmelzende Anteile, welche einen Hot-Spot umschließen oder verkapseln definiert mit temperaturstabilen Komponenten vorliegen, welche trotzt schmelzender Anteile noch ausreichende mechanische Stabilität bereit stellen, um in jedem Falle einen mechanischen Kollaps der Zelle mit gegebenenfalls weitreichende, Kurzschluss zwischen Anode und Kathode zu vermeiden.In this way, melting portions which enclose or encapsulate a hot spot can be present with temperature-stable components which still provide sufficient mechanical stability despite deflagrating portions, in each case causing a mechanical collapse of the cell with possibly extensive, short-circuit between anode and Avoid cathode.

Besonders bevorzugt sind Gläser mit a/(b × c) von mehr als 80 s/(K2·m2) besser noch mehr als 100 s/(K2·m2). Diese Gläser können erfindungsgemäß auch bereits bei Internal Short circuits mit geringer Temperaturentfaltung sich schnell verformen oder sogar tendenziell auf/anschmelzen.Particularly preferred glasses with a / (b × c) of more than 80 s / (K 2 · m 2 ) are better still more than 100 s / (K 2 · m 2 ). According to the invention, even in the case of internal short circuits with low temperature development, these glasses can quickly deform or even tend to melt on / off.

Für derartige Gläser existieren die in nachfolgender Tabelle 2 angegebenenn Ausführungsbeispiele Tabelle 2 weitere bevorzugte Gläser für die Verwendung in Lithium-Ionen-Zellen (Angaben in Gew%) Typ Boratglas Phosphatglas Aluminatglas Silikatglas Phosphatglas (1) (1) (1) (1) (2) SiO2 20 60 1 TiO2 ZrO2 Al2O3 15 25 17 4 B2O3 25 45 7 1 Fe2O3 Cr2O3 P2O5 35 70 MgO 15 2 1 CaO 10 15 10 3,5 BaO 15 3,5 10 MnO ZnO 5 5 PbO Li2O 3 Na2O 2 0,5 K2O 10 2 SnO 60 SnO2 0,5 NiO 1 CoO 1 a/(b·c) 99 780 116 42 139 [s/(K2·m2)] oder Typ Phosphatglas Phosphatglas Phosphatglas Phosphatglas Phosphatglas ( 3 ) (4) (5) (6) (7) SiO2 0,9 TiO2 0,5 ZrO2 Al2O3 1,5 0,9 5,6 12,7 B2O3 Fe2O3 6,6 Cr2O3 P2O5 59,3 58,0 81,5 65,3 70,4 MgO 0,9 CaO SrO 2,7 BaO 1,4 MnO ZnO 16,0 7,0 PbO Li2O 0,5 5,15 Na2O 32,4 1,5 10,3 K2O 1,5 0,2 28,2 CuO 8,3 Bi2O3 19,5 Sb2O3 0,25 SnO2 1,0 a/(b·c) [s/(K2·m2)] 702 288 494 1085 393 For such glasses, the embodiments given in Table 2 below, Table 2 further preferred glasses for use in lithium-ion cells (in wt%) Type borate glass phosphate glass Aluminatglas silicate glass phosphate glass (1) (1) (1) (1) (2) SiO2 20 60 1 TiO2 ZrO2 Al2O3 15 25 17 4 B2O3 25 45 7 1 Fe2O3 Cr2O3 P2O5 35 70 MgO 15 2 1 CaO 10 15 10 3.5 BaO 15 3.5 10 MnO ZnO 5 5 PbO Li2O 3 Na2O 2 0.5 K2O 10 2 SnO 60 SnO2 0.5 NiO 1 CoO 1 ABC) 99 780 116 42 139 [s / (K 2 · m 2 )] or Type phosphate glass phosphate glass phosphate glass phosphate glass phosphate glass ( 3 ) (4) (5) (6) (7) SiO2 0.9 TiO2 0.5 ZrO2 Al2O3 1.5 0.9 5.6 12.7 B2O3 Fe2O3 6.6 Cr2O3 P2O5 59.3 58.0 81.5 65.3 70.4 MgO 0.9 CaO SrO 2.7 BaO 1.4 MnO ZnO 16.0 7.0 PbO Li2O 0.5 5.15 Na2O 32.4 1.5 10.3 K2O 1.5 0.2 28.2 CuO 8.3 Bi2O3 19.5 Sb2O3 0.25 SnO2 1.0 a / (b * c) [s / (K 2 * m 2 )] 702 288 494 1085 393

Ferner können als temperaturstabile Anteile auch Keramiken oder kristalline Körper verwendet werden, wie beispielsweise:

  • • Oxide wie Al2O3, SiO2, Perowskite, Spinelle, Niobate, Tantalate kristalline Ionenleiter wie Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3 oder andere
  • • Carbide wie bsp. WC, B4C3 oder andere
  • • Nitride wie bspw. Si3N4 oder andere
Furthermore, ceramics or crystalline bodies can also be used as temperature-stable components, such as, for example:
  • • oxides such as Al2O3, SiO2, perovskites, spinels, niobates, tantalates, crystalline ionic conductors such as Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 or others
  • Carbides such as WC, B4C3 or others
  • • Nitrides such as Si3N4 or others

Hierbei sind bevorzugte Mischungsverhältnisse:
0–95 Vol% Keramik
Here are preferred mixing ratios:
0-95 vol% ceramic

Bei der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, wenn das Glas oder die Glaskeramik im Flüssigelektrolyten insbesondere stabil ist, insbesondere in LiPF6 führenden Elektrolyten, wobei chemisch stabil bedeutet, dass insbesondere bei einer einwöchigen Lagerung des Glaspulvers in der Elektrolytlösung bei 60°C nicht mehr als 1 Ma.-% des glasbasierten Materials aufgelöst wird, bevorzugt nicht mehr als 0.5 Ma.-% und am meist bevorzugtesten nicht mehr als 0.1 Ma.-% aufgelöst wird.In the present invention, it is advantageous if the glass or the glass ceramic in the liquid electrolyte is particularly stable, in particular in LiPF 6 leading electrolyte, wherein chemically stable means that in particular in a one-week storage of the glass powder in the electrolyte solution at 60 ° C not more than 1 wt% of the glass-based material is dissolved, preferably not more than 0.5 wt%, and most preferably no more than 0.1 wt%.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Glas/Glaskeramikpulver dielektrische Eigenschaften aufweist und dabei insbesondere eine Dielektrizitätskonstante εr in einem Bereich von 3 bis 25000, vorzugsweise von 5 bis 20000 hat.Furthermore, it is advantageous if the glass / glass ceramic powder has dielectric properties and in particular has a dielectric constant ε r in a range from 3 to 25,000, preferably from 5 to 20,000.

Bei der Herstellung bzw. während der Fertigung der auch als Akkumulator oder Akku bezeichneten Batteriezellen ist es weiterhin von Vorteil, wenn das Glas- oder Glaskeramikpulver der Zelle oder einzelner Komponenten der Zelle des Akkus oder einzelner Akku-Komponenten in Form eines Schlickers zugesetzt oder aufgebracht wird, welcher neben einem Pulver aus Glas- oder Glaskeramik mit einer Körnung von kleiner 1 μm bis 50 μm, bevorzugt bis 20 μm nur noch Wasser enthält und der dennoch stabil ist.During the manufacture or during the production of the battery cells, which are also referred to as rechargeable batteries or rechargeable batteries, it is furthermore advantageous if the glass or glass ceramic powder is added or applied to the cell or individual components of the cell of the rechargeable battery or of individual rechargeable battery components in the form of a slip , which in addition to a powder of glass or glass ceramic with a grain size of less than 1 .mu.m to 50 .mu.m, preferably up to 20 microns only contains water and is still stable.

Dabei kann das Glas- oder Glaskeramikpulver während der Fertigung der Zelle oder einzelner Komponenten der Zelle in Form eines Schlickers zugesetzt oder aufgebracht werden, welcher neben einem Pulver mit einer Körnung von kleiner 1 μm bis 50 μm, bevorzugt bis 20 μm aus Glas- oder Glaskeramik, eine wäßrige oder organische Flüssigkeit sowie Zusätze enthält, welche die Stabilität des Schlickers, seine rheologischen Eigenschaften, seinen pH-Wert oder weitere Eigenschaften gezielt modifizieren.In this case, the glass or glass ceramic powder can be added or applied during the production of the cell or individual components of the cell in the form of a slurry, which in addition to a powder having a grain size of less than 1 .mu.m to 50 .mu.m, preferably up to 20 microns of glass or glass ceramic , an aqueous or organic liquid and additives which specifically modify the stability of the slip, its rheological properties, its pH or other properties.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (33)

Batteriezelle, bevorzugt Lithium-Ionen-Zelle, umfassend Komponenten, welche mindestens einen anorganischen, vorzugsweise multifunktionellen Bestandteil enthalten, wobei der Bestandteil eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweist und insbesondere hierdurch geeignet ist, thermische Anomalien zu mindern oder zumindest lokal zu begrenzen.Battery cell, preferably lithium-ion cell, comprising components which contain at least one inorganic, preferably multifunctional constituent, wherein the constituent has a low thermal conductivity and in particular is thereby suitable for reducing or at least locally limiting thermal anomalies. Lithium-Ionen-Zelle nach Anspruch 1, bei welcher für den mindestens einen anorganischen, vorzugsweise multifunktionellen Bestandteil gilt, mit: a reziproker thermischer Diffusivität b Steigung der Viskositätskurve als Funktion der Teperatur c absolutem Wert. der Transformationstemperatur
Figure 00480001
mit ρ als Dichte in g/cm3, cP als spezifischer Wärmekapazität in J/(g·K) und λ als Wärmeleitfähigkeit in W/(m·K). Die Wärmeleitfähigkeit wird hierbei jeweils bei 90°C gemessen oder für diese Temperatur angegeben.
Figure 00480002
mit T in K, wobei T7.6 und T13 die Temperaturen bezeichnen, bei denen der dekadische Logarithmus der jeweiligen Viskosität η in der Maßeinheit Pa·s die Werte 7.6 bzw. 13 einnimmt, c = Tg [K] Ein zu geringer Wert für Tg (ca. < 250°C) muss vermieden werden, damit das Glasgranulat auch bei hohen thermischen Belastungen im regelrechten Betrieb der Batterie nicht zu früh weich wird. Als Kenngröße für die Fähigkeit, einen Hotspot durch Einkapselung lokal zu begrenzen, wird folgende Kennzahl definiert: a/(b·c) ≥ 20 s/(m2·K2) mit a/(b·c) bevorzugt von 40 s/(m2·K2) bis 1200 s/(m2·K2) besonders bevorzugt von 60 s/(m2·K2) bis 1100 s/(m2·K2), ganz besonders bevorzugt von 80 s/(m2·K2) bis 1000 s/(m2·K2), sowie ebenfalls ganz besonders bevorzugt von 100 s/(m2·K2) bis 800 s/(m2·K2).
Lithium-ion cell according to claim 1, wherein the at least one inorganic, preferably multifunctional constituent is valid, with: a reciprocal thermal diffusivity b slope of the viscosity curve as a function of the temperature c absolute value. the transformation temperature
Figure 00480001
with ρ as density in g / cm 3 , c P as specific heat capacity in J / (g · K) and λ as thermal conductivity in W / (m · K). The thermal conductivity is in each case measured at 90 ° C or specified for this temperature.
Figure 00480002
with T in K, where T 7.6 and T 13 denote the temperatures at which the decadic logarithm of the respective viscosity η in the unit of measure Pa · s assumes the values 7.6 and 13, respectively, c = Tg [K] Too low a value for T g (approx. <250 ° C) must be avoided so that the glass granules do not soften too early, even at high thermal loads during normal operation of the battery. The following key figure is defined as the parameter for the ability to locally limit a hotspot by encapsulation: a / (b * c) ≥ 20 s / (m 2 * K 2 ) with a / (b · c) preferably from 40 s / (m 2 · K 2 ) to 1200 s / (m 2 · K 2 ) particularly preferably from 60 s / (m 2 · K 2 ) to 1100 s / (m 2 · K 2 ), very particularly preferably from 80 s / (m 2 · K 2 ) to 1000 s / (m 2 · K 2 ), and also very particularly preferably from 100 s / (m 2 · K 2 ) to 800 s / (m 2 .K 2 ).
Lithium-Ionen-Zelle nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die thermische Leitfähigkeit < 2,5 W·K–1·m–1, bevorzugt < 2,0 W·K–1·m–1, besonders bevorzugt < 1,5 W·K–1·m–1 beträgt.Lithium-ion cell according to claim 1 or 2, in which the thermal conductivity is <2.5 W · K -1 · m -1 , preferably <2.0 W · K -1 · m -1 , particularly preferably <1, 5 W · K -1 · m -1 . Lithium-Ionen-Zelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welcher der anorganische multifunktionelle Bestandteil ein glasbasiertes Material, insbesondere Glas, Glaskeramik, phasenentmischtes oder Multiphasenglas ist.Lithium-ion cell according to claim 1, 2 or 3, wherein the inorganic multifunctional constituent is a glass-based material, in particular glass, glass-ceramic, phase-mixed or multi-phase glass. Lithium-Ionen-Zelle nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei welcher das Glas oder die Glaskeramik im Flüssigelektrolyten insbesondere stabil ist, insbesondere in LiPF6 führenden Elektrolyten, wobei chemisch stabil bedeutet, dass insbesondere bei einer einwöchigen Lagerung des Glaspulvers in der Elektrolytlösung bei 60°C nicht mehr als 1 Ma.-% des glasbasierten Materials aufgelöst wird, bevorzugt nicht mehr als 0.5 Ma.-% und am meist bevorzugtesten nicht mehr als 0.1 Ma.-% aufgelöst wird.Lithium-ion cell according to claim 1, 2, 3 or 4, wherein the glass or the glass-ceramic in the liquid electrolyte is particularly stable, in particular in LiPF 6- conducting electrolyte, wherein chemically stable means that in particular in a one-week storage of the glass powder in the Electrolytic solution is dissolved at 60 ° C not more than 1 wt .-% of the glass-based material, preferably not more than 0.5 wt .-%, and most preferably not more than 0.1 wt .-% is dissolved. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Glas ein überwiegend oxidisches Glas ist und der nicht-oxidische Element-Anteil 35 Masse% nicht übersteigtA lithium-ion cell according to any one of the preceding claims, wherein the glass is a predominantly oxidic glass and the non-oxide element content does not exceed 35% by mass Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Glas mindestens 80%, bevorzugt 90% bevorzugt 95% Sauerstoff als Anion umfaßt und vorzugsweise frei ist von Chalcogenid Anionen (Sauerstoff ausgenommen)A lithium-ion cell according to any one of the preceding claims, wherein the glass comprises at least 80%, preferably 90%, preferably 95% oxygen as the anion and is preferably free of chalcogenide anions (excluding oxygen) Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Glas ein oxidbasiertes Mehrkomponentenglas ist. A lithium-ion cell according to any one of the preceding claims, wherein the glass is a multi-component oxide-based glass. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der Ansprüche von 1 bis 8, bei welcher das Glas aus der Gruppe ausgewählt ist, welche die Familien der Silicat-, Borat-, Phosphat- oder Aluminat-Gläser umfasst.A lithium-ion cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the glass is selected from the group comprising the families of silicate, borate, phosphate or aluminate glasses. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der Ansprüche von 1 bis 9, bei welcher das Glas (ausgedrückt in Gew%) eine Zusammensetzung von Silikatisches Glas Min Max SiO2 45 100 TiO2 0 10 ZrO2 0 10 Al2O3 0 42 B2O3 0 30 Fe2O3 0 0,5 P2O5 0 10 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 10 Li2O 0 50 Na2O 0 10 K2O 0 10 La2O3 0 10 SrO 0 10 Halogen (elementar) 0 20 As2O3 0 1,5 Sb2O3 0 1,5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (außer La2O3) 0 5 SnO2 0 1,5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 25 SnO 0 1,5 SrO 0 20 oder Phosphat-Glas Min Max SiO2 0 30 TiO2 0 40 ZrO2 0 10 Al2O3 0 30 B2O3 0 30 Fe2O3 0 7,5 P2O5 20 100 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 20 Li2O 0 50 Na2O 0 35 K2O 0 30 La2O3 0 10 SrO 0 10 Halogen (elementar) 0 35 As2O3 0 1,5 Sb2O3 0 1,5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (außer La2O3) 0 5 SnO2 0 1,5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 10 SnO 0 65 SrO 0 20 CuO 0 20 Bi2O3 0 30 Sb2O5 0 5 oder Borat-Glas Min Max SiO2 0 30 TiO2 0 10 ZrO2 0 10 Al2O3 0 30 B2O3 20 100 Fe2O3 0 0,5 P2O5 0 10 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 10 Li2O 0 50 Na2O 0 10 K2O 0 10 La2O3 0 50 SrO 0 10 Halogen (elementar) 0 20 As2O3 0 1,5 Sb2O3 0 1,5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (außer La2O3) 0 5 SnO2 0 1,5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 10 SnO 0 1,5 SrO 0 20 oder Aluminat-Glas Min Max SiO2 0 30 TiO2 0 10 ZrO2 0 10 Al2O3 25 100 B2O3 0 30 Fe2O3 0 0,5 P2O5 0 10 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 10 Li2O 0 50 Na2O 0 10 K2O 0 10 La2O3 0 10 SrO 0 10 Halogen (elementar) 0 20 As2O3 0 1,5 Sb2O3 0 1,5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (außer La2O3) 0 5 SnO2 0 1,5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 10 SnO 0 1,5 SrO 0 20
aufweist.
A lithium-ion cell according to any one of claims 1 to 9, wherein the glass (in weight%) is a composition of Silicate glass min Max SiO2 45 100 TiO2 0 10 ZrO2 0 10 Al2O3 0 42 B2O3 0 30 Fe2O3 0 0.5 P2O5 0 10 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 10 Li2O 0 50 Na2O 0 10 K2O 0 10 La2O3 0 10 SrO 0 10 Halogen (elemental) 0 20 As2O3 0 1.5 Sb2O3 0 1.5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (except La2O3) 0 5 SnO2 0 1.5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 25 SnO 0 1.5 SrO 0 20 or Phosphate glass min Max SiO2 0 30 TiO2 0 40 ZrO2 0 10 Al2O3 0 30 B2O3 0 30 Fe2O3 0 7.5 P2O5 20 100 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 20 Li2O 0 50 Na2O 0 35 K2O 0 30 La2O3 0 10 SrO 0 10 Halogen (elemental) 0 35 As2O3 0 1.5 Sb2O3 0 1.5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (except La2O3) 0 5 SnO2 0 1.5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 10 SnO 0 65 SrO 0 20 CuO 0 20 Bi2O3 0 30 Sb2O5 0 5 or Borate glass min Max SiO2 0 30 TiO2 0 10 ZrO2 0 10 Al2O3 0 30 B2O3 20 100 Fe2O3 0 0.5 P2O5 0 10 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 10 Li2O 0 50 Na2O 0 10 K2O 0 10 La2O3 0 50 SrO 0 10 Halogen (elemental) 0 20 As2O3 0 1.5 Sb2O3 0 1.5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (except La2O3) 0 5 SnO2 0 1.5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 10 SnO 0 1.5 SrO 0 20 or Aluminate glass min Max SiO2 0 30 TiO2 0 10 ZrO2 0 10 Al2O3 25 100 B2O3 0 30 Fe2O3 0 0.5 P2O5 0 10 MgO 0 20 CaO 0 20 BaO 0 20 MnO 0 20 ZnO 0 10 Li2O 0 50 Na2O 0 10 K2O 0 10 La2O3 0 10 SrO 0 10 Halogen (elemental) 0 20 As2O3 0 1.5 Sb2O3 0 1.5 Cs2O 0 10 Nb2O3 0 40 SE (except La2O3) 0 5 SnO2 0 1.5 NiO 0 20 CoO 0 20 Ta2O5 0 10 SnO 0 1.5 SrO 0 20
having.
Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche von 1 bis 9, bei welcher das Glas (ausgedrückt in Gew%) eine Zusammensetzung von Typ Boratglas Phosphatglas Aluminatglas Silikatglas Phosphatglas ( 1 ) (1) (1) (1) (2) SiO2 20 60 1 TiO2 ZrO2 Al2O3 15 25 17 4 B2O3 25 45 7 1 Fe2O3 Cr2O3 P2O5 35 70 MgO 15 2 1 CaO 10 15 10 3,5 BaO 15 3,5 10 MnO ZnO 5 5 PbO Li2O 3 Na2O 2 0,5 K2O 10 2 SnO 60 SnO2 0,5 NiO 1 CoO 1 a/(b·c) [S/(K2·m2)] 99 780 116 42 139 oder Typ Phosphatglas Phosphatglas Phosphatglas Phosphatglas Phosphatglas (3) (4) (5) (6) (7) SiO2 0,9 TiO2 0,5 ZrO2 Al2O3 1,5 0,9 5,6 12,7 B2O3 Fe2O3 6,6 Cr2O3 P2O5 59,3 58,0 81,5 65,3 70,4 MgO 0,9 CaO SrO 2,7 BaC 1,4 MnO ZnO 16,0 7,0 PbO Li2O 0,5 5,15 Na2O 32,4 1,5 10,3 K2O 1,5 0,2 28,2 CuO 8,3 Bi2O3 19,5 Sb2O3 0,25 SnO2 1,0 a/(b·c) [S/(K2·m2)] 702 288 494 1085 393
aufweist.
A lithium-ion cell according to any one of the preceding claims from 1 to 9, wherein the glass (expressed in% by weight) is a composition of Type borate glass phosphate glass Aluminatglas silicate glass phosphate glass ( 1 ) (1) (1) (1) (2) SiO2 20 60 1 TiO2 ZrO2 Al2O3 15 25 17 4 B2O3 25 45 7 1 Fe2O3 Cr2O3 P2O5 35 70 MgO 15 2 1 CaO 10 15 10 3.5 BaO 15 3.5 10 MnO ZnO 5 5 PbO Li2O 3 Na2O 2 0.5 K2O 10 2 SnO 60 SnO2 0.5 NiO 1 CoO 1 a / (b * c) [S / (K 2 * m 2 )] 99 780 116 42 139 or Type phosphate glass phosphate glass phosphate glass phosphate glass phosphate glass (3) (4) (5) (6) (7) SiO2 0.9 TiO2 0.5 ZrO2 Al2O3 1.5 0.9 5.6 12.7 B2O3 Fe2O3 6.6 Cr2O3 P2O5 59.3 58.0 81.5 65.3 70.4 MgO 0.9 CaO SrO 2.7 BaC 1.4 MnO ZnO 16.0 7.0 PbO Li2O 0.5 5.15 Na2O 32.4 1.5 10.3 K2O 1.5 0.2 28.2 CuO 8.3 Bi2O3 19.5 Sb2O3 0.25 SnO2 1.0 a / (b * c) [S / (K 2 * m 2 )] 702 288 494 1085 393
having.
Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10 oder 11, bei welcher die jeweiligen Gläser in folgenden bevorzugten und besonders bevorzugten Mischungsverhältnissen vorliegen: bei 50:50 bis 60:40 bezogen auf niedrig- zu hochschmelzenden Gläsern und besonders bevorzugt bei 50:50 bis 80:20 bezogen auf niedrig- zu hochschmelzenden Gläsern.Lithium-ion cell according to one of the preceding claims, in particular according to claim 10 or 11, wherein the respective glasses in the following preferred and particularly preferred mixing ratios are present: at 50:50 to 60:40 based on low-to-high melting glasses and more preferably at 50:50 to 80:20 based on low to high melting glasses. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher bis zu 95 Vol% kristalline Keramikpartikel im Volumenverhältnis zu den jeweiligen Gläsern vorliegen.Lithium-ion cell according to one of the preceding claims, in which up to 95% by volume of crystalline ceramic particles are present in volume ratio to the respective glasses. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der mindestens eine anorganische, vorzugsweise multifunktionelle Bestandteil Glas in Form von Pulver umfasst.Lithium-ion cell according to one of the preceding claims, in which the at least one inorganic, preferably multifunctional constituent comprises glass in the form of powder. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Glas, insbesondere das Glaspulver, HF unter Bildung von Si-F Bindungen abfängt.Lithium-ion cell according to one of the preceding claims, wherein the glass, in particular the glass powder, HF traps to form Si-F bonds. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Glas/Glaskeramikpulver eine Ionenleitung < 10–5 S/cm bei Raumtemperatur aufweist.A lithium-ion cell according to any one of the preceding claims, wherein the glass / glass-ceramic powder has an ionic conduction <10 -5 S / cm at room temperature. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Glaspulver einer spezifische Oberfläche (specific surface area) im Bereich zwischen 1 m2/g und 50 m2/g, besonders bevorzugt 2 m2/g bis 100 m2/g aufweist.Lithium-ion cell according to one of the preceding claims, in which the glass powder has a specific surface area in the range between 1 m 2 / g and 50 m 2 / g, particularly preferably 2 m 2 / g to 100 m 2 / g has. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Glas/Glaskeramikpulver dielektrische Eigenschaften aufweist, insbesondere eine Dieelektrizitätskonstante εr in einem Bereich von 3 bis 25000, vorzugsweise von 5 bis 20000Lithium-ion cell according to one of the preceding claims, in which the glass / glass-ceramic powder has dielectric properties, in particular a dielectric constant ε r in a range from 3 to 25,000, preferably from 5 to 20,000 Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Glaspulver die Benetzbarkeit der Komponenten mit Flüssigelektrolyt erhöht. A lithium-ion cell according to any one of the preceding claims, wherein the glass powder increases the wettability of the components with liquid electrolyte. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Glaspulver in Korngrössen d90 zwischen 100 nm und 10 um, bevorzugt zwischen 150 nm und 5 um und besonders besonders bevorzugt zwischen 250 nm und 1 um vorliegt.Lithium-ion cell according to one of the preceding claims, in which the glass powder in particle sizes d90 is between 100 nm and 10 μm, preferably between 150 nm and 5 μm, and particularly preferably between 250 nm and 1 μm. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Glaspulver in Geometrien faserförmig, stabförmig, rund, oval, eckig, kantig (Primärkorn), hantelförmig und oder pyramidenförmig oder als Plättchen oder Flakes vorliegt.Lithium-ion cell according to one of the preceding claims, wherein the glass powder in geometries fibrous, rod-shaped, round, oval, angular, edged (primary), dumbbell-shaped and or pyramidal or as platelets or flakes. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher Glaspartikel des Glaspulvers oberflächenstrukturiert oder modifiziert sind, insbesondere auch silanisiert.Lithium-ion cell according to one of the preceding claims, in which glass particles of the glass powder are surface-structured or modified, in particular also silanized. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Glaspulver agglomeriert vorliegt.Lithium-ion cell according to one of the preceding claims, in which the glass powder is agglomerated. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lithium-Ionen-Zelle wiederaufladbar ist.Lithium-ion cell according to one of the preceding claims, characterized in that the lithium-ion cell is rechargeable. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Komponente der Separator ist.A lithium-ion cell according to any one of the preceding claims, wherein the component is the separator. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Komponente die Kathode ist.A lithium-ion cell according to any one of the preceding claims, wherein the component is the cathode. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Komponente die Anode ist.A lithium-ion cell according to any one of the preceding claims, wherein the component is the anode. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Komponente der Flüssigelektrolyt ist.A lithium-ion cell according to any one of the preceding claims, wherein the component is the liquid electrolyte. Anorganischer Bestandteil, insbesondere Glas für eine Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher unter Verwendung eines, vorzugsweise kostengünstigen Prozesschritts des Schmelzens bei Temperaturen < 2000°C, bevorzugt < 1700°C und schnellen Abkühlens hergestellt ist.An inorganic constituent, in particular glass for a lithium-ion cell according to any one of the preceding claims, which is prepared using a preferably inexpensive process step of melting at temperatures <2000 ° C, preferably <1700 ° C and rapid cooling. Verwendung eines anorganischen Bestandteils, insbesondere von Glas- oder Glaskeramikpulver in einer Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche als Funktionszusatz in der Anode, der Kathode, dem Elektrolyten, dem Separator oder in Funktionsschichten zwischen diesen Bauteilen.Use of an inorganic constituent, in particular of glass or glass ceramic powder in a lithium ion cell according to one of the preceding claims, as a functional additive in the anode, the cathode, the electrolyte, the separator or in functional layers between these components. Verwendung eines anorganischen Bestandteils, insbesondere von Glas- oder Glaskeramikpulver in einer Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche gleichmäßig verteilt im Volumen einzelner oder aller der genannten Komponenten und/oder in oberflächennahen Bereichen oder auf der Oberfläche einzelner oder aller dieser Komponenten.Use of an inorganic constituent, in particular of glass or glass ceramic powder in a lithium ion cell according to one of the preceding claims, evenly distributed in volume of individual or all of said components and / or in near-surface regions or on the surface of individual or all of these components. Verwendung eines anorganischen Bestandteils, insbesondere von Glas- oder Glaskeramikpulver in einer Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Glas- oder Glaskeramikpulver während der Fertigung der Zelle oder einzelner Komponenten der Zelle des Akkus oder einzelner Akku-Komponenten in Form eines Schlickers zugesetzt oder aufgebracht wird, welcher neben einem Pulver aus Glas- oder Glaskeramik mit einer Körnung von kleiner 1 μm bis 50 μm, bevorzugt bis 20 μm nur noch Wasser enthält und der dennoch stabil ist.Use of an inorganic constituent, in particular of glass or glass ceramic powder in a lithium ion cell according to one of the preceding claims, wherein the glass or glass ceramic powder during manufacture of the cell or individual components of the cell of the battery or individual battery components in the form of a Is added or applied slip, which contains next to a powder of glass or glass ceramic with a grain size of less than 1 micron to 50 microns, preferably up to 20 microns only water and is still stable. Verwendung eines anorganischen Bestandteils, insbesondere von Glas- oder Glaskeramikpulver in einer Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Glas oder Glaskeramikpulver während der Fertigung der Zelle oder einzelner Komponenten der Zelle in Form eines Schlickers zugesetzt oder aufgebracht wird, welcher neben einem Pulver mit einer Körnung von kleiner 1 μm bis 50 μm, bevorzugt bis 20 μm aus Glas- oder Glaskeramik, eine wäßrige oder organische Flüssigkeit sowie Zusätze enthält, welche die Stabilität des Schlickers, seine rheologischen Eigenschaften, seinen pH-Wert oder weitere Eigenschaften gezielt modifizieren.Use of an inorganic constituent, in particular of glass or glass ceramic powder in a lithium ion cell according to any one of the preceding claims, wherein the glass or glass ceramic powder is added or applied during manufacture of the cell or individual components of the cell in the form of a slurry, which beside a powder with a grain size of less than 1 micron to 50 microns, preferably up to 20 microns of glass or glass ceramic, an aqueous or organic liquid and additives containing the stability of the slurry, its rheological properties, its pH or other properties targeted modify.
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