DE102010062847A1 - Collector for a lithium-ion cell, lithium-ion battery and motor vehicle with a lithium-ion battery - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Kollektor (10) für eine negative Elektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators mit mindestens einer Lithium-Ionen-Zelle beschrieben, wobei der Kollektor (10) aus einem Aluminiumwerkstück (14) besteht und zumindest teilweise mit einer metallischen Schicht (13) bedeckt ist, die aus Kupfer oder Nickel besteht. Ferner werden ein Lithium-Ionen-Akkumulator und ein Kraftfahrzeug mit einem Lithium-Ionen-Akkumulator vorgeschlagen.A collector (10) for a negative electrode of a lithium-ion accumulator with at least one lithium-ion cell is described, the collector (10) consisting of an aluminum workpiece (14) and at least partially with a metallic layer (13) is covered, which is made of copper or nickel. Furthermore, a lithium-ion accumulator and a motor vehicle with a lithium-ion accumulator are proposed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kollektor für eine negative Elektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators mit mindestens einer Lithium-Ionen-Zelle, einen Lithium-Ionen-Akkumulator sowie ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Lithium-Ionen-Akkumulators.The present invention relates to a collector for a negative electrode of a lithium-ion secondary battery with at least one lithium-ion cell, a lithium-ion battery and a motor vehicle with an electric drive motor for driving the motor vehicle and connected to the electric drive motor or connectable lithium-ion battery.
Stand der TechnikState of the art
Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die Lithium-Ionen (Li+) reversibel ein(Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) kann. Die Begriffe Lithium-Ionen-Zelle, Lithium-Ionen-Polymer-Zelle, Lithium-Ionen-Zelle, -Batterie, -Akkumulator und -System werden weitgehend synonym benutzt.Lithium-ion cells have at least one positive and one negative electrode (cathode or anode), which can reversibly intercalate or deintercalate lithium ions (Li +). The terms lithium-ion cell, lithium-ion polymer cell, lithium-ion cell, battery, accumulator and system are used largely synonymously.
An Lithium-Ionen-Akkumulatoren werden hohe Anforderungen, insbesondere im automotiven Bereich bezüglich der gravimetrischen Energiedichte (angegeben in Wh/kg) gestellt, um beispielsweise möglicht hohe Reichweiten von mit Elektromotoren angetriebenen Fahrzeugen zu erzielen. Die Nenn-Kapazität einer Lithium-Ionen-Zelle wird von den so genannten Aktivmaterialien bestimmt. Allerdings sind in jeder Lithium-Ionen-Zelle noch so genannte Passivmaterialien oder „Totmaterialien” vorhanden, die damit Einfluss auf die Energiedichte der Lithium-Ionen-Zelle haben. Dazu gehören beispielsweise elektrisches Leitmaterial, Elektrodenbinder, Separatoren, Ableiterfolien und das Gehäuse der Zelle bzw. des Akkumulators selbst und Kollektoren.High demands are placed on lithium-ion accumulators, in particular in the automotive sector with regard to the gravimetric energy density (stated in Wh / kg) in order, for example, to achieve the longest possible ranges of vehicles driven by electric motors. The nominal capacity of a lithium-ion cell is determined by the so-called active materials. However, so-called passive materials or "dead materials" are still present in each lithium-ion cell, which thus have an influence on the energy density of the lithium-ion cell. These include, for example, electrical conductive material, electrode binders, separators, arrester foils and the housing of the cell or the accumulator itself and collectors.
Kollektoren dienen dazu, den Stromfluss aus und in die Elektroden der Zelle zu gewährleisten.Collectors serve to ensure the flow of current from and into the electrodes of the cell.
Der Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle ist beispielhaft in der
Üblicherweise werden in Lithium-Ionen-Zellen Kollektoren aus Aluminium zur Kontaktierung auf der positiven Elektrodenseite verwendet. Auf der negativen Elektrodenseite wird Kupfer, Nickel oder vernickeltes Kupfer eingesetzt, da es bei Verwendung von Aluminium auf der negativen Seite aufgrund des gegebenen Potentials sonst zur Legierung von Lithium und Aluminium kommen würde. In der Regel verwendet man dabei Aluminium- und Kupfer-Werkstücke mit Material-Dicken von ca. 1 bis 5 mm.Conventionally, in aluminum-ion cells, aluminum collectors are used for contacting on the positive electrode side. On the negative electrode side, copper, nickel or nickel-plated copper is used, since the use of aluminum on the negative side would otherwise lead to the alloying of lithium and aluminum due to the given potential. As a rule, aluminum and copper workpieces with material thicknesses of approx. 1 to 5 mm are used.
Aus der Verwendung von Kupfer bzw. Nickel als passives Material in einer Lithium-Ionen-Zelle resultieren höhere Herstellungskosten. Zudem werden damit passive Materialien verwendet, die eine höhere kristallographische Dichte im Vergleich zu Aluminium besitzen. So weist Aluminium eine Dichte von 2,7 g/cm3 und Kupfer sowie Nickel eine von 8,9 g/cm3 auf. Dementsprechend hat die Verwendung von Kupfer bzw. Nickel als Materialien für Kollektoren einen negativen Einfluss auf die gravimetrische Energiedichte der Lithium-Ionen-Zelle.The use of copper or nickel as the passive material in a lithium-ion cell results in higher manufacturing costs. It also uses passive materials that have a higher crystallographic density compared to aluminum. Thus, aluminum has a density of 2.7 g / cm 3 and copper and nickel have a density of 8.9 g / cm 3 . Accordingly, the use of copper or nickel as materials for collectors has a negative impact on the gravimetric energy density of the lithium-ion cell.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein gewichtsreduzierter aluminiumbasierter Kollektor für die negative Elektrodenseite einer Lithium-Ionen-Zelle zur Verfügung gestellt, der zumindest teilweise mit einer metallischen Schicht versehen ist, die während des Betriebes der Lithium-Ionen-Zelle eine Legierung mit Lithium-Ionen unterbindet. Die metallische Schicht besteht aus Kupfer oder aus Nickel.According to the invention, a weight-reduced aluminum-based collector for the negative electrode side of a lithium-ion cell is provided which is at least partially provided with a metallic layer which prevents lithium-ion alloying during operation of the lithium-ion cell. The metallic layer is made of copper or nickel.
Zur Vereinfachung von Fertigungsprozessen wird der erfindungsgemäße Kollektor vollständig mit der jeweiligen äußeren metallischen Schicht umgeben.To simplify manufacturing processes, the collector according to the invention is completely surrounded by the respective outer metallic layer.
Damit wird ein Kollektor erhalten, der vorteilhafterweise bei gleichem Volumen ein geringeres Gewicht hat als herkömmliche Kupfer- oder Nickel-basierte Kollektoren.Thus, a collector is obtained which advantageously has a lower weight for the same volume than conventional copper or nickel-based collectors.
Die Gewichtsvorteile des Aluminiums können damit nicht nur für die positive Elektrode, sondern auch für die negative Elektrodenseite des Akkumulators nutzbar gemacht und gleichzeitig der Nachteil der Legierung durch Lithium vermieden werden.The weight advantages of aluminum can thus be utilized not only for the positive electrode, but also for the negative electrode side of the accumulator and at the same time avoid the disadvantage of the alloy by lithium.
Vorzugsweise wird bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Kollektors nicht von einem üblichen Kollektor für die positive Elektrodenseite aus Aluminium ausgegangen, sondern es werden Werkstücke mit einer geringeren Materialstärke verwendet, so dass erst nach der Beschichtung mit Kupfer oder Nickel eine übliche Dicke von ca. 1 bis 5 mm erhalten wird.Preferably, in the production of the collector according to the invention is not assumed by a conventional collector for the positive electrode side made of aluminum, but it workpieces are used with a lower material thickness, so that only after the coating with copper or nickel, a usual thickness of about 1 to 5 mm is obtained.
Beispielsweise kann die Kupferschicht 5 μm stark sein und die des Aluminiumkerns 1000 μm oder die Nickelschicht ist 5 μm stark und die des Aluminiumkerns 1000 μm.For example, the copper layer can be 5 μm thick and that of the aluminum core 1000 μm or the nickel layer is 5 μm thick and that of the aluminum core is 1000 μm.
Andere Dimensionierungen der Schichten bzw. der Gesamtdicke des Kollektors sind natürlich möglich, wobei die metallische Schicht möglichst dünn sein sollte. So wird bei gleicher Dimensionierung des Kollektors ein geringeres Gewicht als nach dem Stand der Technik erreicht.Other dimensions of the layers or the total thickness of the collector are of course possible, the metallic layer should be as thin as possible. Thus, with the same dimensioning of the collector, a lower weight is achieved than in the prior art.
Der erfindungsgemäße Kollektor wird konfektioniert durch das Aufbringen einer dünnen Kupferfolie bzw. Schicht auf das Aluminiumwerkstück. Alternativ kann auch Nickel für die Oberflächenveredelung verwendet werden.The collector according to the invention is assembled by the application of a thin Copper foil or layer on the aluminum workpiece. Alternatively, nickel can also be used for surface finishing.
Das Aufbringen der dünnen Schichten aus Kupfer oder Nickel auf die Aluminiumfolie erfolgt vorzugsweise entweder
- a) galvanisch,
- b) durch Walzplattieren oder
- c) mittels Ionenstrahlbeschichtung.
- a) galvanic,
- b) by roll-plating or
- c) by ion beam coating.
Bei allen Verfahren ist zu gewährleisten, dass die aufgebrachte Schicht keinerlei Defekte aufweist, da es sonst doch zur Einlagerung von Lithium in den Aluminiumkern des Kollektors kommt.For all processes, it must be ensured that the applied layer does not show any defects, as otherwise lithium could be deposited in the aluminum core of the collector.
Überraschenderweise sind die gewichtsreduzierten Kollektoren für die negative Elektrodenseite in einer Lithium-Ionen-Zelle langzeitstabil. Zudem zeigen die Kollektoren eine gleiche elektrische Performance und ein identisches Verhalten bei Langzeit-Zyklisierung und -Lagerung wie eine Referenzzelle mit einem herkömmlichen Kollektor aus Kupfer oder Nickel.Surprisingly, the weight-reduced collectors for the negative electrode side in a lithium-ion cell are long-term stable. In addition, the collectors show the same electrical performance and identical behavior in long-term cyclization and storage as a reference cell with a conventional copper or nickel collector.
Überraschend waren die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Kollektors u. a., da eine Ablösung der Kupfer- oder Nickelschicht von dem Aluminiumwerkstück während des Lagerns oder des Betreibens der Zellen a priori nicht auszuschließen gewesen war. Dies wäre für die elektrochemische Performance der Lithium-Ionen-Zelle sehr nachteilig gewesen.Surprisingly, the properties of the collector according to the invention u. a., Since a detachment of the copper or nickel layer from the aluminum workpiece during storage or operation of the cells a priori could not be excluded. This would have been very detrimental to the electrochemical performance of the lithium-ion cell.
Besonders bevorzugt sind Lithium-Ionen-Zellen mit einem erfindungsgemäßen Kollektor, der mittels Ionenstrahlbeschichtung oberflächenveredelt wurde, da derart hergestellte Kollektoren in vorab genannten Vergleichsversuchen die besten Ergebnisse erzielt haben.Particularly preferred are lithium-ion cells with a collector according to the invention, which has been surface-finished by means of ion beam coating, since collectors produced in this way have achieved the best results in previously mentioned comparative experiments.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein mit diesem Kollektor an der negativen Elektrodenseite ausgerüsteter Lithium-Ionen-Akkumulator mit mindestens einer Lithium-Ionen-Zelle sowie ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Lithium-Ionen-Akkumulator.The present invention also provides a lithium-ion accumulator equipped with this collector on the negative electrode side and having at least one lithium-ion cell and a motor vehicle having an electric drive motor for driving the motor vehicle and a lithium motor connected or connectable to the electric drive motor. ion secondary battery.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.
Zeichnungendrawings
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to drawings and the description below. Show it:
In
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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