DE102010062852A1

DE102010062852A1 - Ableiterfolie für eine Lithium-Ionen-Zelle, Lithium-Ionen-Akkumulator sowie Kraftfahrzeug mit einem Lithium-Ionen-Akkumulator

Info

Publication number: DE102010062852A1
Application number: DE102010062852A
Authority: DE
Inventors: Thomas Woehrle; Joachim Fetzer; Stephan Leuthner; Holger Fink
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-06-21
Also published as: US20140015453A1; EP2649660A1; WO2012076327A1; CN103339759A

Abstract

Es wird eine Ableiterfolie (10) für eine negative Elektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators mit mindestens einer Lithium-Ionen-Zelle beschrieben. Die Ableiterfolie (10) weist eine Aluminiumfolie (11) auf, die beidseitig mit einer metallischen Schicht (12) bedeckt ist, die aus Kupfer oder Nickel besteht. Ferner werden ein Lithium-Ionen-Akkumulator und ein Kraftfahrzeug mit einem Lithium-Ionen-Akkumulator vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ableiterfolie 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 einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Lithium-Ionen-Akkumulator.
Stand der Technik
Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und negative Elektrode (Kathode beziehungsweise 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.
An Lithium-Ionen-Akkumulatoren werden hohe Anforderungen bezüglich der gravimetrischen Energiedichte (angegeben in Wh/kg) gestellt, um z. B. 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.
Ableiterfolien dienen dazu, die positive und negative Elektrode elektrisch zu kontaktieren und anzubinden.
Der Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle ist beispielhaft in der US 20080107961 A1 beschrieben.
Als Ableiterfolie in Lithium-Ionen-Zellen werden üblicherweise Aluminiumfolien zur Kontaktierung der positiven Elektrode eingesetzt. Auf der negativen Elektrodenseite werden hingegen Kupferfolien verwendet, da es bei Verwendung von Aluminiumfolien auf der negativen Seite aufgrund des gegebenen Potentials sonst zur Legierung von Lithium und Aluminium kommen würde. In der Regel verwendet man als Ableiterfolien Aluminiumfolien mit einer Dicke von ca. 13 bis 17 μm und Kupferfolien von ca. 12 μm.
Aus der Verwendung von Kupferfolie als Ableiterfolie resultieren höhere Herstellungskosten. Zudem wird damit ein passives Material eingeführt, das eine höhere kristallographische Dichte im Vergleich zu Aluminium besitzt. So weist Aluminium eine Dichte von 2,7 g/cm³ und Kupfer eine von 8,9 g/cm³ auf. Dementsprechend hat die Verwendung von Kupfer als Ableitfolie einen negativen Einfluss auf die gravimetrische Energiedichte der Lithium-Ionen-Zelle.
Aus der DE 103 44 637 A1 ist ein Ableiter für Lithium-Polymer-Batterien bekannt, auf den eine elektrisch leitfähige Primer-Schicht aufgebracht ist, die frei von Kohlenstoff ist. Dabei kann die Schicht u. a. aus Metallen bestehen, die eine gegenüber üblichen kohlenstoffhaltigen Primern verbesserte Leitfähigkeit aufweisen. Eine Unterscheidung der beschriebenen Ableiter hinsichtlich der Eignung für die positive oder negative Elektrode wird nicht vorgenommen. Die Ableiter bestehen bevorzugt aus Aluminium und Kupfer, so dass die bereits voranstehend beschriebenen Nachteile bei der Verwendung von Kupfer als Ableiter gegeben sind.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine aluminiumbasierte Ableiterfolie für die negative Elektrodenseite einer Lithium-Ionen-Zelle zur Verfügung gestellt, die beidseitig 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. Vorzugsweise sind auch die Kanten der Ableiterfolie beschichtet.
Damit wird eine Ableiterfolie erhalten, die vorteilhafterweise gegenüber den Kupferfolien nach dem Stand der Technik gewichtsreduziert ist.
Die Gewichtsvorteile des Aluminiums können damit auch für die negative Elektrode nutzbar gemacht und gleichzeitig der Nachteil der Legierung durch Lithium vermieden werden.
Vorzugsweise wird bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Ableiterfolie nicht von einer üblichen Ableiterfolie aus Aluminium für die positive Seite ausgegangen, sondern es werden dünnere Aluminiumfolien verwendet, so dass nach der beidseitigen Beschichtung mit Kupfer oder Nickel eine übliche Dicke von ca. 12 μm erhalten wird. Beispielsweise können die Kupferschichten jeweils 1 μm stark sein, so dass die Dicke des Aluminiumkerns 10 μm beträgt. Andere Dimensionierungen der Schichten bzw. der Gesamtdicke der Ableiterfolie sind natürlich möglich, wobei die außen liegenden Schichten möglichst dünn sein sollten. So wird bei gleicher Foliendicke ein geringeres Gewicht erreicht, als bei einer üblicherweise verwendeten Kupferfolie.
Vorzugsweise ist daher die Aluminiumkernfolie dicker als die beiden äußeren Schichten zusammen.
Die erfindungsgemäße Ableiterfolie wird konfektioniert durch das beidseitige Aufbringen einer dünnen Kupferfolie bzw. Schicht auf die Aluminiumfolie. Alternativ kann auch Nickel für die Oberflächenveredelung verwendet werden.
Das Aufbringen der dünnen Schichten aus Kupfer oder Nickel auf die Aluminiumfolie erfolgt vorzugsweise entweder

a) galvanisch,
b) durch Walzplattieren oder
c) mittels Ionenstrahlbeschichtung.

Bei allen Verfahren ist zu gewährleisten, dass die aufgebrachte Schicht keinerlei Defekte aufweist, da es sonst doch zur Einlagerung von Lithium in die zwischen den beiden Schichten gelegene Aluminiumfolie kommt.
Überraschenderweise sind die erfindungsgemäßen Ableiterfolien in Lithium-Ionen-Zellen langzeitstabil. Zudem zeigen die Ableiterfolien eine gleiche elektrische Performance und ein identisches Verhalten bei Langzeit-Zyklisierung und -Lagerung wie eine Referenzzelle mit einem herkömmlichen Ableiter aus Kupfer.
Überraschend waren die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Ableiterfolien u. a., da eine Ablösung der Kupfer- oder Nickelschicht von der Aluminiumfolie 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.
Besonders bevorzugt sind Lithium-Ionen-Zellen mit Ableiterfolien, die mittels Walzplattieren oder Ionenstrahlbeschichtung hergestellt wurden, da diese in vorab genannten Vergleichsversuchen die besten Ergebnisse erzielt haben.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein mit dieser Ableiterfolie 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.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 in einer geschnittenen Seitenansicht eine erfindungsgemäße Ableiterfolie für die negative Elektrode einer Lithium-Ionen-Zelle.
In 1 ist der Aufbau einer Ableiterfolie 10 für eine nicht dargestellte Lithium-Ionen-Zelle gezeigt. Die Ableiterfolie 10 besitzt einen Kern aus einer Aluminiumfolie 11, die auf beiden Seiten von einer metallischen Schicht 12 bedeckt ist. Die metallischen Schichten 12 verhindern, dass während des Betriebes der Lithium-Ionen-Zelle Lithium die Aluminiumfolie legiert. Vorzugsweise besteht die Schicht 12 aus Kupfer oder Nickel. Da mit der erfindungsgemäßen Ableiterfolie 10 eine gewichtsoptimierte Ableiterfolie 10 erhalten werden soll, ist die Dimensionierung der Aluminiumfolie 11 und der beiden Schichten 12 entsprechend zu bemessen, das heißt, die Schichten 12 sind möglicht dünn ausgeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20080107961 A1 [0005]
DE 10344637 A1 [0008]

Claims

Eine Ableiterfolie für eine negative Elektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators mit mindestens einer Lithium-Ionen-Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableiterfolie (10) eine Aluminiumfolie (11) aufweist, die beidseitig mit einer metallischen Schicht (12) bedeckt ist, die aus Kupfer oder Nickel besteht.
Die Ableiterfolie nach Anspruch 1, wobei die metallischen Schichten (12) galvanisch aufgebracht sind.
Die Ableiterfolie nach Anspruch 1, wobei die metallischen Schichten (12) mittels Walzplattieren aufgebracht sind.
Die Ableiterfolie nach Anspruch 1, wobei die metallischen Schichten (12) mittels Ionenstrahlbeschichtung aufgebracht sind.
Die Ableiterfolie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Aluminiumfolie (11) eine größere Dicke aufweist als die Summe der Dicken der beidseitig aufgebrachten Schichten (12).
Ein Lithium-Ionen Akkumulator mit mindestens einer Lithium-Ionen-Zelle mit einer Ableiterfolie (10) auf einer negativen Elektrodenseite nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Lithium-Ionen-Akkumulator gemäß Anspruch 6.