DE102011101762A1

DE102011101762A1 - Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle mit Sensor, elektrochemische Zelle mit Sensor und deren Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102011101762A1
Application number: DE102011101762A
Authority: DE
Inventors: Tim Schäfer; Dr.-Ing. Lachenmeier Walter
Original assignee: Li Tec Battery GmbH
Current assignee: Li Tec Battery GmbH
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2012-11-22
Also published as: WO2012156091A1

Abstract

Ein Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle (1), die mindestens eine erste Aktivelektrode (2), vorzugsweise eine Anode, und mindestens eine zweite Aktivelektrode (3), vorzugsweise eine Kathode, und mindestens einen Separator (4) und eine Anzahl an Sensoren (5), vorzugsweise magnetoresistiven Sensoren und mit den Sensoren (5) verbundene Sensorleitungen (7), vorzugsweise Steuer- und/oder Messleitungen aufweist, wobei die Anzahl an Sensoren (5) zwischen der ersten Aktivelektrode (2) und der zweiten Aktivelektrode (3) an und/oder in dem Separator (4) bzw. an der ersten Aktivelektrode (2) und/oder an der zweiten Aktivelektrode (3) abgeordnet ist, weist die Schritte auf: (S11) Erfassen von Parameterdaten (DPar.) der individuellen zu untersuchenden elektrochemischen Zelle (1) mittels der Sensoren (5), (S12) Übermitteln der Parameterdaten (DPar.) mit den Sensorleitungen (7) an eine Steuereinheit, (S13) Zuweisen der elektrochemischen Zelle (1) zu den Parameterdaten (DPar.), vorzugsweise Abspeichern der Parameterdaten (DPar.) zu der elektrochemischen Zelle (1), und (S14) Bestimmen mittels der Steuereinheit, ob für die den Parameterdaten zugewiesene elektrochemische Zelle (1) eine vorbestimmte Beziehung der Parameterdaten (DPar.) in Bezug auf vorbestimmte Parameterwerte (WPar., WPar.1, WPar.2, WPar.3, WPar.4, WPart.5) vorliegt, und (S15) Durchführen von Bearbeitungsschritten an der elektrochemischen Zelle (1), wenn in dem Schritt (S14) des Bestimmens das Vorliegen der vorbestimmten Beziehung der Parameterdaten (DPar.) in Bezug auf die vorbestimmten Parameterwerte (WPar., WPar.1, WPar.2, WPar.3, WPar.4, WPart.5) bestimmt worden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle, eine an das Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität angepasste elektrochemische Zelle, ein Verfahren zur Herstellung dieser elektrochemischen Zelle und eine Batterie mit einer Anzahl dieser elektrochemischen Zellen.
Elektrochemische Energiespeicher, im Folgenden auch als elektrochemische oder galvanische Zellen bezeichnet, werden häufig in der Form stapelbarer Einheiten hergestellt, aus denen durch Zusammenfassung einer Mehrzahl solcher Zellen Batterien für verschiedene Anwendungen, insbesondere für einen Einsatz in elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen hergestellt werden können. Für den Einsatz in elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen ist eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Batterie gewünscht. Die Erfindung wird in Bezug auf Lithium-Ionen-Zellen und insbesondere deren Einsatz in einem Kraftfahrzeug beschreiben, wobei allerdings darauf hinzuweisen ist, dass ein derartiges Verfahren und eine entsprechend ausgestaltete elektrochemische Zelle auch unabhängig von Kraftfahrzeugen z. B. in einem stationären Einsatz betrieben werden kann.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene elektrochemische Zellen und deren Herstellungsverfahren bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle und ein Verfahren zur Herstellung der an das Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität angepassten elektrochemischen Zellen und diese elektrochemische Zellen sowie eine entsprechende Batterie bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach Anspruch 1, durch ein Herstellungsverfahren für eine an das Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität angepasste elektrochemische Zelle nach Anspruch 7 und durch eine elektrochemischer Zelle nach Anspruch 12 sowie durch eine Batterie nach Anspruch 15 gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Nach einem ersten Gesichtspunkt wird bei einem Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle, insbesondere zur Erhöhung der Ladekapazität einer für eine Anwendung in Kraftfahrzeugen ausgestalteten elektrochemischen Zelle, die mindestens eine erste Aktivelektrode, vorzugsweise eine Anode, und eine zweite Aktivelektrode, vorzugsweise eine Kathode, einen zwischen der ersten Aktivelektrode und der zweiten Aktivelektrode angeordneten Separator, mindestens ein Sensor, vorzugsweise eine Anzahl an Sensoren, insbesondere eine Anzahl an magnetoresistiven Sensoren, und mit den Sensoren verbundene Sensorleitungen, vorzugsweise Steuer- und/oder Messleitungen aufweist, wobei die Anzahl an Sensoren zwischen der ersten Aktivelektrode und der zweiten Aktivelektrode an und/oder in dem Separator bzw. an der ersten Aktivelektrode und/oder an der zweiten Aktivelektrode abgeordnet ist, diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität die Schritte aufweist: ein Erfassen von Parameterdaten der individuellen zu untersuchenden elektrochemischen Zelle mittels der Sensoren, ein Übermitteln der Parameterdaten mit den Sensorleitungen an eine Steuereinheit, ein Zuweisen der Parameterdaten zu der elektrochemischen Zelle, vorzugsweise ein Abspeichern der Parameterdaten zu der elektrochemischen Zelle, und ein Bestimmen mittels der Steuereinheit, ob für die Parameterdaten eine vorbestimmte Beziehung in Bezug auf vorbestimmte Parameterwerte vorliegt, und ein Durchführen von spezifischen Bearbeitungsschritten an der elektrochemischen Zelle, wenn in dem Schritt des Bestimmens das Vorliegen der vorbestimmten Beziehung der Parameterdaten in Bezug auf die vorbestimmten Parameterwerte bestimmt worden ist. Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass mittels der spezifischen Bearbeitungsschritte in Abhängigkeit von den erfassten Zuständen in der elektrochemischen Zelle, insbesondere bei deren Herstellung oder bei deren Wartung, es möglich ist, die Ladekapazität der elektrochemischen Zellen zu verbessern und damit sowohl eine erhöhte Leistungsfähigkeit als auch eine verlängerte Lebensdauer der Batterie zu erreichen.
Unter einer elektrochemischen Zelle soll in diesem Zusammenhang ein elektrochemischer Energiespeicher verstanden werden, also eine Einrichtung, die Energie in chemischer Form speichern, in elektrischer Form an einen Verbraucher abgeben und vorzugsweise auch in elektrischer Form aus einer Ladeeinrichtung aufnehmen kann. Wichtige Beispiele für solche elektrochemischen Energiespeicher sind galvanische Zellen oder Brennstoffzellen. Die elektrochemische Zelle weist wenigstens eine erste und eine zweite Einrichtung zur Speicherung elektrisch unterschiedlicher Ladungen, sowie ein Mittel zur Herstellung einer elektrischen Wirkverbindung dieser beider genannten Einrichtungen auf, wobei Ladungsträger zwischen diesen beiden Einrichtungen verschoben werden können. Unter dem Mittel zur Herstellung einer elektrischen Wirkverbindung ist z. B. ein Elektrolyt zu verstehen, welcher als Ionenleiter wirkt.
In diesem Zusammenhang soll vorzugsweise ein Separator verwendet werden, welcher nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist, und welcher aus einem zumindest teilweise stoffdurchlässigen Träger besteht. Der Träger ist vorzugsweise auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet. Als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Träger wird vorzugsweise ein organisches Material verwendet, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist. Das organische Material, welches vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt ein Polyethylenterephthalat (PET) umfasst, ist mit einem anorganischen, vorzugsweise ionenleitenden Material beschichtet, welches weiter vorzugsweise in einem Temperaturbereich von –40°C bis 200°C ionenleitend ist. Das anorganische Material umfasst bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate mit wenigstens einem der Elemente Zr, Al, Li, besonders bevorzugt Zirkonoxid. Bevorzugt weist das anorganische, ionenleitende Material Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm auf. Ein solcher Separator wird beispielsweise unter dem Handelsnamen ”Separion” von der Evonik AG in Deutschland vertrieben.
Unter Parameterdaten soll in diesem Zusammenhang nicht nur eine Mehrzahl an Parameterdaten, sondern gegebenenfalls auch ein einzelnes Parameterdatum verstanden werden. Dementsprechend soll in diesem Zusammenhang unter vorbestimmten Parameterwerten nicht nur eine Mehrzahl an vorbestimmten Parameterwerten, sondern gegebenenfalls auch ein einzelner vorbestimmter Parameterwert verstanden werden.
Als vorteilhaft hat sich erwiesen, dass bei dem Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität der Schritt des Erfassens von Parameterdaten mindestens eine lokale Erfassung aufweist mit einem Erfassen von lokalen Parameterdaten an den Sensorpositionen, insbesondere einem Erfassen der Ionenbeweglichkeit in der elektrochemischen Zelle an den Sensorpositionen, und dass der Schritt des Zuweisens mindestens eine lokale Zuweisung aufweist mit einem Zuweisen der lokalen Parameterdaten zu den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle, vorzugsweise einem Abspeichern der lokalen Parameterdaten zu den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle, dass der Schritt des Bestimmens mittels der Steuereinheit mindestens eine lokale Bestimmung aufweist mit einem Bestimmen mittels der Steuereinheit, ob für die lokalen Parameterdaten an den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle eine vorbestimmte Beziehung in Bezug auf vorbestimmte Parameterwerte vorliegt, und dass der Schritt des Durchführens von speziellen Bearbeitungsschritten mindestens eine lokale spezielle Bearbeitung aufweist mit einem Durchführen von lokalen speziellen Bearbeitungsschritten an den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle, wenn in dem Schritt des Bestimmens das Vorliegen der vorbestimmten Beziehung der lokalen Parameterdaten in Bezug auf die vorbestimmten Parameterwerte bestimmt worden ist. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass mittels der lokalen spezifischen Bearbeitungsschritte gezielt auf die Bereiche der elektrochemischen Zelle eingewirkt und deren Zustand verbessert werden kann, wodurch diese Bereich auch zur Erhöhung der Ladekapazität beitragen können.
Bevorzugt sind bei dem Verfahren die Sensoren ausgestaltet, ein magnetisches Feld an den Separator anzulegen und/oder Ionen zu injizieren, und weist der Schritt des Durchführens von lokalen Bearbeitungsschritten an der elektrochemischen Zelle mindestens einen der lokalen Sensorbearbeitungsschritte auf: ein Anlegen eines magnetischen Feldes mittels der Sensoren an den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle, wenn in dem Schritt des Bestimmens das Vorliegen der vorbestimmten Beziehung der lokalen Parameterdaten in Bezug auf die vorbestimmten Parameterwerte bestimmt worden ist, oder ein Injizieren von Ionen mittels der Sensoren an den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle, wenn in dem Schritt des Bestimmens das Vorliegen der vorbestimmten Beziehung der lokalen Parameterdaten in Bezug auf die vorbestimmten Parameterwerte bestimmt worden ist.
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn die lokalen Bestimmungsschritte bei einem Formiervorgang der elektrochemischen Zelle durchgeführt werden, da sich bei der Formierung lokal ausbildende Schwachstelle erfasst werden können und gezielt spezifische Bearbeitungen an der elektrochemischen Zelle an deren Schwachstellen zur Verbesserung der Ladekapazität durchgeführt werden können. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn diese Schritte wiederholt durchgeführt. Mit dem Erfassen der lokalen Parameterdaten kann festgestellt werden, dass die elektrochemische Zelle formiert ist, und es kann auch festgestellt werden, wie die Interkalation jeweils an den lokalen Bereichen stattfindet, die den jeweiligen Sensoren zugewiesen sind, wodurch sich Erkenntnisse auf den Ablauf dieser Vorgänge in den jeweiligen Bereichen ergeben. Aufgrund dieser Kenntnisse kann gegen unerwünschte Nebenreaktionen von z. B. Wasser, Bindern oder Elektrolyten gegengesteuert werden und insbesondere kann eine Lithiumabscheidung oder eine Dendritenbildung verhindert werden. Beispielsweise kann in dem betreffenden Bereich das Potential beeinflusst werden oder es können gezielte Impulse angelegt werden. Somit liegt ein Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, dass neue Verfahren für eine effektive und qualitätsgerechte Formation zur Verfügung gestellt werden können, wodurch sowohl die Formationszeiten verkürzt als auch die Ausbeute effektiv erhöht sowie eine genaue Klassifikation der elektrochemischen Zellen für verschiedenen Anwendungen bzw. Güteklassen durchgeführt werden kann.
Weiterhin können die lokalen Bestimmungsschritte bei einem Ladevorgang, bevorzugt bei einem Wartungsvorgang der elektrochemischen Zelle durchgeführt werden. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass gezielt während eines Wartungsvorganges Bearbeitungen an der elektrochemischen Zelle an den erfassten Schwachstellen zur Verbesserung der Ladekapazität durchgeführt werden können, wobei sich insbesondere das Injizieren von Ionen gegen Alterungsprozesse als vorteilhaft erwiesen hat. Bei den Ladevorgängen der elektrochemischen Zelle können somit aufgrund der lokalen Bestimmungsschritte Schädigungen in den den Sensoren zugewiesenen Bereichen bzw. ein sektorales Absterben aufgrund von z. B. unsachgemäßer Benutzung, Alterung, topochemisch irrreversiblen Effekten oder chemischer Verstopfungen erfasst und überwacht werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können diese Schädigungen vermieden, beeinflusst und sogar geheilt werden, indem z. B. gezielte auflösenden Pulse oder gezielte Entladen verwendet wird, um die Lithiumabscheidungen wieder aufzulösen und danach die Interkalation, gegebenenfalls auf einem niedrigeren Niveau wieder einzustellen. Es sind auch Beipässe an den elektrochemischen Zellen möglich. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren auch besonders für tiefentladene elektrochemische Zellen vorteilhaft, bei denen es z. B. bei den Lade- oder Entladevorgängen bereichsweise an den Elektroden zu verschiedenen Potentialunterschieden kommen kann. Dies kann dazu führen, dass es zu Anlösungen von z. B. Kupfer kommen kann, die zum Separator wandern und dort einen Kurzschluss auslösen können, wodurch sich eine Temperaturspitze bilden und ein thermisches Durchgehen auftreten kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dies vermieden bzw. geheilt werden. In diesem Zusammenhang ist es von besonderem Vorteil, wenn ein Prüfschritt vor dem Anladen durchgeführt wird, um zu prüfen, ob derartige Zustände vorliegen und diese gegebenenfalls für eine Heilung gezielt zu beeinflussen. Bei einer Tiefentladung darf zur Vermeidung einer Brandgefahr nicht mit den Standard-Ladeverfahren wie z. B. einer Konstantstromladung (CC-Protokoll) oder einer Konstantspannungsladung (CV-Protokoll) geladen werden. Somit kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Sicherheit verbessert werden und darüber hinaus können auch z. B. Umpolungen oder Ladewiderstände verhindert bzw. verringert werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass bei den Formiervorgängen anstelle der Standardverfahren wie z. B. des CC-Protokolls für eine effektivere und gezielt beeinflusste Formierung ein Pulsladen (Makita-Protokoll) verwendet werden kann, wodurch eine Ladephase mit konstanter Spannung entfällt und Vorteile hinsichtlich des Zeit- und Energieaufwandes erreicht werden können, da mit diesem Verfahren der Energiebedarf und die Wärmeumwandlung wesentlich geringer ist.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren auch für die Formatierung in Kombination mit einem GITT-Verfahren (galvanostatic Intermittent Titration Technique), das an die Formatierung angepasst ist, verwendet werden. Darüber hinaus können in Zusammenhang mit Elektronenlokalisierungsfunktionen die Vorgänge genauer erfasst und gezielt Verbesserungen bewirkt werden.
Als günstig hat es sich erwiesen, wenn der Schritt des Bestimmens mittels der Steuereinheit mindestens einer der folgenden Bestimmungsschritte aufweist: ein Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten vorbestimmte erste Parameterwerte aufweisen und/oder ein Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten vorbestimmte zweite Parameterwerte nicht aufweisen.
Bevorzugt weist der Schritt des Bestimmens mittels der Steuereinheit mindestens einen der folgenden Bestimmungsschritte auf: ein Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten vorbestimmte dritte Parameterwerte überschreiten und/oder ein Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten vorbestimmte vierte Parameterwerte unterschreiten.
Außerdem kann der Schritt des Bestimmens mittels der Steuereinheit den Schritt aufweisen: ein Bestimmen, ob die Parameterdaten sich innerhalb mindestens eines vorbestimmten Parameterwertebereiches um einen vorbestimmten fünften Parameterwert befinden.
Nach einem erstem Gesichtspunkt wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer an das Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität elektrochemischen Zelle, die mindestens eine erste Aktivelektrode, vorzugsweise eine Anode, und mindestens eine zweite Aktivelektrode, vorzugsweise eine Kathode, und mindestens einen Separator aufweist, wobei das Verfahren die Schritte ein Bereitstellen der ersten Aktivelektrode, ein Aufbringen des Separators und ein Aufbringen der zweiten Aktivelektrode aufweist, diese Aufgabe gelöst durch ein Aufbringen mindestens eines Sensors, vorzugsweise einer Anzahl an Sensoren, insbesondere einer Anzahl an magnetoresistiven Sensoren, auf die erste Aktivelektrode.
Bevorzugt wird der Schritt des Aufbringens des Separators derart durchgeführt, dass der Sensor an die erste Aktivelektrode und an die zweite Aktivelektrode angrenzen kann. Es ist aber auch möglich, dass der Sensor derart angebracht wird, dass er entweder nur an die erste Aktivelektrode oder an die zweite Aktivelektrode angrenzt.
Bei dem Herstellungsverfahren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn für den Schritt des Aufbringens einer Anzahl an Sensoren auf die erste Aktivelektrode mindestens eines der folgenden Verfahren mindestens teilweise verwendet wird: ein Aufdruckverfahren, ein Siebdruckverfahren, ein Eindruckverfahren, ein elektrophoretische Verfahren, ein Aufsprühverfahren, ein Aufsputterverfahren, ein Laserbeschichtungsverfahren, ein Laserstrukturierungsverfahren, ein Aufdampfverfahren oder ein chemisches oder ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren.
Nach einem zweiten Gesichtspunkt wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer an das Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität angepassten elektrochemischen Zelle, die mindestens eine erste Aktivelektrode, vorzugsweise eine Anode, und mindestens eine zweite Aktivelektrode, vorzugsweise eine Kathode, und mindestens ein Separator aufweist, wobei das Verfahren die Schritte ein Bereitstellen der ersten Aktivelektrode, ein Aufbringen des Separators und ein Aufbringen der zweiten Aktivelektrode aufweist, diese Aufgabe gelöst durch ein Aufbringen einer Anzahl an Sensoren, insbesondere einer Anzahl an magnetoresistiven Sensoren auf dem Separator, und vorzugsweise ein Einbringen der Sensoren in den Separator, nach dem Aufbringen des Separators.
Bevorzugt wird der Schritt des Aufbringens einer Anzahl an Sensoren auf den Separator bzw. der Schritt des Einbringens einer Anzahl an Sensoren in den Separator derart durchgeführt wird, dass der Sensor an die erste Aktivelektrode und an die zweite Aktivelektrode angrenzen kann. Es ist aber auch möglich, dass der Sensor derart angebracht bzw. eingebracht wird, dass er entweder nur an die erste Aktivelektrode oder an die zweite Aktivelektrode angrenzt.
Bei dem Herstellungsverfahren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn für den Schritt für den Schritt des Aufbringen einer Anzahl an Sensoren auf den Separator bzw. den Schritt des Einbringens einer Anzahl an Sensoren in den Separator mindestens eines der folgenden Verfahren mindestens teilweise verwendet wird: ein Aufdruckverfahren, ein Siebdruckverfahren, ein Eindruckverfahren, ein elektrophoretisches Verfahren, ein Aufsprühverfahren, ein Laserbeschichtungsverfahren, ein Laserstrukturierungsverfahren, ein Aufsputterverfahren, ein Aufdampfverfahren oder ein chemisches oder physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren.
Nach einem dritten Gesichtspunkt wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer an das Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität angepassten elektrochemischen Zelle, die mindestens eine erste Aktivelektrode, vorzugsweise eine Anode, und mindestens eine zweite Aktivelektrode, vorzugsweise eine Kathode, und mindestens einen Separator aufweist, wobei das Verfahren die Schritte ein Bereitstellen der ersten Aktivelektrode, ein Aufbringen des Separators, und ein Aufbringen der zweiten Aktivelektrode aufweist, diese Aufgabe gelöst durch ein Aufbringen einer Anzahl an Sensoren, insbesondere einer Anzahl an magnetoresistiven Sensoren auf den Separator, vorzugsweise ein Einbringen der Anzahl an Sensoren in den Separator, vor dem Aufbringen des Separators.
Bevorzugt wird der Schritt des Aufbringen einer Anzahl an Sensoren auf den Separator bzw. der Schritt des Einbringens einer Anzahl an Sensoren in den Separator, derart durchgeführt wird, dass der Sensor an die erste Aktivelektrode oder an die zweite Aktivelektrode angrenzen kann.
Bei dem Herstellungsverfahren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn für den Schritt des Aufbringens einer Anzahl an Sensoren auf den Separator bzw. für den Schritt des Einbringen einer Anzahl an Sensoren in den Separator mindestens eines der folgenden Verfahren mindestens teilweise verwendet wird: ein Aufdruckverfahren, ein Siebdruckverfahren, ein Eindruckverfahren, ein elektrophoretisches Verfahren, ein Aufsprühverfahren, ein Laserbeschichtungsverfahren, ein Laserstrukturierungsverfahren, ein Aufsputterverfahren, ein Aufdampfverfahren oder ein chemisches oder ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren.
Nach allen drei vorstehend aufgeführten Gesichtspunkten für die Herstellungsverfahren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass das Herstellungsverfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweist: ein Aufbringen von Sensorleitungen, vorzugsweise Steuer- und/oder Messleitungen auf der ersten Aktivelektrode oder ein Aufbringen von Sensorleitungen, vorzugsweise Steuer- und/oder Messleitungen auf dem Separator.
Weiterhin hat es sich bei diesen Herstellungsverfahren als vorteilhaft erwiesen, wenn das Verfahren aufweist: ein Vorbereiten des Separators für das Aufbringen und/oder ein Einbringen der Anzahl an Sensoren, wobei vorzugsweise für diesen Schritts des Vorbereiten des Separators mindestens eines der folgenden Verfahren mindestens teilweise verwendet wird: ein Ausstanzverfahren, ein Einstanzverfahren, ein Laserstrukturierungsverfahren oder ein Ätzverfahren.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt wird diese Aufgabe bei einer elektrochemischen Zelle, insbesondere bei einer für eine Anwendung in Kraftfahrzeugen ausgestalteten elektrochemischen Zelle, mit mindestens einer ersten Aktivelektrode, vorzugsweise einer Anode, mindestens einer zweiten Aktivelektrode, vorzugsweise einer Kathode, und mindestens einem Separator, dadurch gelöst, dass zwischen der ersten Aktivelektrode und der zweiten Aktivelektrode an und/oder in dem Separator bzw. auf der ersten Aktivelektrode und/oder auf zweiten Aktivelektrode mindestens ein Sensor, vorzugsweise eine Anzahl an Sensoren, insbesondere eine Anzahl an magnetoresistiven Sensoren angeordnet ist, die über Sensorleitungen, vorzugsweise Steuer- und/oder Messleitungen, mit einer Steuereinheit verbunden sind. Die Sensoren können in den Separator eingebracht sein, sie können aber auch auf dem Separator oder auf der Anode oder auf der Kathode angebracht sein. Ein Vorteil dieser elektrochemischen Zellen liegt darin, dass der Fluss der Lithium-Ionen örtlich verteilt gemessen werden kann und dass die Anwesenheit unerwünschter Spurengase in der Zelle wie z. B. Sauerstoff (bei z. B. Lecks oder Beschädigungen der Hülle) einfach erfasst werden kann, wodurch kann die Sicherheit erhöht wird.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch Anlegen einer Gegenspannung es möglich ist, den Sensor als Ionenbremse wirken zu lassen. Weiterhin ist es möglich bei Messung der Ionenbeweglichkeit gezielt zusätzliche Ionen in eine elektrochemische Zelle hinein zu injizieren, um z. B. durch Wartungsvorgänge die Alterung zu verzögern.
Bevorzugt weist bei dieser elektrochemischen Zelle der Sensor mindestens eine Sensoreinheit auf, die aus einer Sensoreinheitengruppe ausgewählt worden ist, die umfasst: eine Stromsensoreinheit, eine Ionensensoreinheit oder eine Lecksensoreinheit.
Besonders bevorzugt weist bei dieser elektrochemischen Zelle der Sensor mindestens eine Funktionseinheit auf, die aus einer Funktionseinheitengruppe ausgewählt worden ist, die aufweist: eine als Ionenbremse ausgestalte Funktionseinheit oder eine zur Magnetisierung ausgestalte Funktionseinheit.
Nach einem anderen Gesichtspunkt wird diese Aufgabe bei einer Batterie dadurch gelöst, dass sie eine Anzahl erfindungsgemäßer elektrochemischen Zellen und eine Steuerung für die Sensoren aufweist.
Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Batterie mit elektrochemischen Zellen, die zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug ausgestaltet ist.
Im Folgenden werden Vorteile der Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und mit Hilfe von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf einen Längsschnitt einer elektrochemischen Zelle nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Querschnittsdarstellung der elektrochemischen Zelle nach dem ersten Ausführungsbeispiel,
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
4 ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach dem ersten Ausführungsbeispiel,
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
6 ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach dem zweiten Ausführungsbeispiel,
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach einem dritten Ausführungsbeispiel,
8 ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach dem dritten Ausführungsbeispiel,
9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach einem vierten Ausführungsbeispiel,
10 ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach dem vierten Ausführungsbeispiel,
11 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach einem fünften Ausführungsbeispiel,
12 ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach dem fünften Ausführungsbeispiel,
13 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach einem sechsten Ausführungsbeispiel,
14 ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach dem sechsten Ausführungsbeispiel,
15 eine Darstellung bevorzugter Schritte bei einer Bearbeitung der elektrochemischen Zelle,
16 ein Ablaufdiagramm für ein Herstellungsverfahren einer elektrochemischen Zelle nach einem ersten Ausführungsbeispiel für das Herstellungsverfahren,
17 ein Ablaufdiagramm für ein Herstellungsverfahren einer elektrochemischen Zelle nach einem zweiten Ausführungsbeispiel für das Herstellungsverfahren und
18 ein Ablaufdiagramm für ein Herstellungsverfahren einer elektrochemischen Zelle nach einem dritten Ausführungsbeispiel für das Herstellungsverfahren.
Die 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf einen Längsschnitt einer elektrochemischen Zelle 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel und die 2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung der elektrochemischen Zelle 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel. Die elektrochemische Zelle 1 weist in einer Hülle 6 eine Anode 2, eine Kathode 3 und einen zwischen der Anode 1 und der Kathode 3 angeordneten Separator 4 auf. Eine Anzahl an Sensoren 5, vorzugsweise eine Anzahl an magnetoresistiven Sensoren, ist z. B. in einen Teilbereich des Separator 4 eingebracht und über Sensorleitungen 7 mit einer in den Figuren nicht dargestellten Steuereinheit verbunden. Es ist aber auch möglich, dass nur ein Sensor 5 in der elektrochemischen Zelle 1 angeordnet ist oder dass über den gesamten Bereich des Separators 4 Sensoren 5 angebracht sind. Weiterhin kann jeweils eine Steuereinheit einer einzelnen elektrochemischen Zelle 1 zugeordnet sein. Es ist aber auch möglich, dass eine Steuereinheit mehreren elektrochemischen Zellen 1 zugeordnet ist. Die Steuereinheit kann auch in einem Batteriemanagementsystem eingebunden sein.
Nach weiteren in diesen Figuren nicht gezeigten Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, dass die Sensoren 5 nicht in den Separator 4 eingebracht, sondern mit entsprechender Anordnung der Sensorleitungen 7 auf dem Separator 4 oder auf der Anode 2 oder auf der Kathode 3 angebracht sind.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach einem ersten Ausführungsbeispiel. In einem Schritt S11 werden Parameterdaten D_Par. einer zu untersuchenden elektrochemischen Zelle mittels der Sensoren 5 erfasst. In einem Schritt S12 werden die Parameterdaten D_Par. der Steuereinheit über die Sensorleitungen 7 übermittelt und in einem Schritt S13 werden die Parameterdaten D_Par. der elektrochemischen Zelle 1 zugewiesen. Mittels der Steuereinheit wird bestimmt, ob die Parameterdaten D_Par. eine vorbestimmte Beziehung in Bezug auf vorbestimmte Parameterwerte W_Par. aufweisen. Falls die Parameterdaten D_Par. die vorbestimmte Beziehung in Bezug auf die vorbestimmten Parameterwerte W_Par. aufweisen, wird in einem Bearbeitungsschritt S15 an der elektrochemische Zelle 1 eine vorbestimmte Bearbeitung durchgeführt.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel, bei der der Schritt S11 des Erfassens von Parameterdaten D_Par. der zu untersuchenden elektrochemischen Zelle mindestens einen Schritt S11' des Erfassens von lokalen Parameterdaten D_lok.Par. an den Sensorpositionen, insbesondere einen Schritt des Erfassens der Ionenbeweglichkeit in der elektrochemischen Zelle 1 an den Sensorpositionen aufweist, und bei der der Schritt S13 des Zuweisens der Parameterdaten mindestens einen Schritt S13' des Zuweisens lokaler Parameterdaten D_lok.Par. zu den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle 1, insbesondere einen Schritt des Abspeicherns der lokalen Parameterdaten D_lok.Par. zu den Sensorpositionen in der elektrochemische Zelle 1 aufweist, und bei der der Schritt S14 des Bestimmens mittels der Steuereinheit mindestens einen lokalen Bestimmungsschritt S14' des Bestimmens mittels der Steuereinheit, ob an den Sensorpositionen für die lokalen Parameterdaten D_lok.Par. eine vorbestimmte Beziehung in Bezug auf vorbestimmte Parameterwerte vorliegt, aufweist, und bei der der Bearbeitungsschritt S15 des Durchführens von Bearbeitungen mindestens einen lokalen Bearbeitungsschritt S15' des Durchführens von lokalen Bearbeitungen an den Sensorpositionen aufweist, falls in dem lokalen Bestimmungsschritt S14' an den Sensorpositionen das Vorliegen der vorbestimmten Beziehung der lokalen Parameterdaten in Bezug auf vorbestimmte Parameterwerte bestimmt worden ist.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, deren Schritte S11 bis S13 denen des ersten Ausführungsbeispieles entsprechen, auf das zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen wird. Mittels der Steuereinheit wird in einem Schritt S14a bestimmt, ob die Parameterdaten D_Par. vorbestimmte erste Parameterwerte W_Par.1 aufweisen. Falls die Parameterdaten D_Par. die vorbestimmten ersten Parameterwerte W_Par.1 aufweisen, wird in dem Bearbeitungsschritt S15 für die elektrochemische Zelle die vorbestimmte Bearbeitung durchgeführt.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach dem zweiten Ausführungsbeispiel, deren Schritte S11' bis S13' denen der bevorzugten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispieles entsprechen, auf das zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen wird, und bei der der Schritt 14a des Bestimmens mittels der Steuereinheit aufweist: mindestens einen lokalen Bestimmungsschritt S14a' des Bestimmens mittels der Steuereinheit, ob an den Sensorpositionen die lokalen Parameterdaten D_lok.Par. vorbestimmte erste Parameterwerte W_Par.1 aufweisen, und bei der der Schritt S15 des Durchführens von Bearbeitungen aufweist: mindestens einen lokalen Bearbeitungsschritt S15' des Durchführens von lokalen Bearbeitungen an den Sensorpositionen aufweist, falls in dem lokalen Bestimmungsschritt S14a' an den Sensorpositionen bestimmt worden ist, dass die lokalen Parameterdaten D_lok.Par. vorbestimmte erste Parameterwerte W_Par.1 aufweisen.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach einem dritten Ausführungsbeispiel, deren Schritte S11 bis S13 denen des ersten Ausführungsbeispieles entsprechen, auf das zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen wird. Mittels der Steuereinheit wird in einem Schritt S14b bestimmt, ob diese Parameterdaten D_Par. vorbestimmte zweite Parameterwerte W_Par.2 nicht aufweisen. Falls die Parameterdaten D_Par. die vorbestimmten zweiten Parameterwerte W_Par.2 nicht aufweisen, wird in einem Schritt S15 für die elektrochemische Zelle die vorbestimmte Bearbeitung durchgeführt.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach dem dritten Ausführungsbeispiel, deren Schritte S11' bis S13' denen der bevorzugten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispieles entsprechen, auf das zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen wird, und bei der der Schritt 14b des Bestimmens mittels der Steuereinheit aufweist: mindestens einen lokalen Bestimmungsschritt S14b' des Bestimmens mittels der Steuereinheit, ob an den Sensorpositionen die lokalen Parameterdaten D_lok.Par. vorbestimmte zweite Parameterwerte W_Par.2 nicht aufweisen, und bei der der Schritt S15 des Durchführens von Bearbeitungen aufweist: mindestens einen lokalen Bearbeitungsschritt S15' des Durchführens von lokalen Bearbeitungen an den Sensorpositionen, falls in dem lokalen Bestimmungsschritt S14b' an den Sensorpositionen bestimmt worden ist, dass die lokalen Parameterdaten D_lok.Par. vorbestimmte zweite Parameterwerte W_Par.2 nicht aufweisen.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach einem vierten Ausführungsbeispiel, deren Schritte S11 bis S13 denen des ersten Ausführungsbeispieles entsprechen, auf das zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen wird. Mittels der Steuereinheit wird in einem Schritt S14c bestimmt, ob die Parameterdaten D_Par. vorbestimmte dritte Parameterwerte W_Par.3 überschreiten. Falls die Parameterdaten D_Par. die vorbestimmten dritten Parameterwerte W_Par.3 überschreiten, wird für die elektrochemische Zelle 1 in einem Schritt S15 die vorbestimmte Bearbeitung durchgeführt.
10 zeigt ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach dem vierten Ausführungsbeispiel, deren Schritte S11' bis S13' denen der bevorzugten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispieles entsprechen, auf das zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen wird, und bei der der Schritt 14c des Bestimmens mittels der Steuereinheit aufweist: mindestens einen lokalen Bestimmungsschritt S14c' des Bestimmens mittels der Steuereinheit, ob an den Sensorpositionen die lokalen Parameterdaten D_lok.Par. vorbestimmte vorbestimmte dritte Parameterwerte W_Par.3 überschreiten, und bei der der Schritt S15 des Durchführens von Bearbeitungen aufweist: mindestens einen lokalen Bearbeitungsschritt S15' des Durchführens von lokalen Bearbeitungen an den Sensorpositionen, falls in dem lokalen Bestimmungsschritt S14c' an den Sensorpositionen bestimmt worden ist, dass die lokalen Parameterdaten D_lok.Par. vorbestimmte dritte Parameterwerte W_Par.3 überschreiten.
11 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach einem fünften Ausführungsbeispiel, deren Schritte S11 bis S13 dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechen, auf das zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen wird. Mittels der Steuereinheit wird in einem Schritt S14d bestimmt, ob die Parameterdaten D_Par. vorbestimmte vierte Parameterwerte W_Par.4 unterschreiten. Falls die Parameterdaten D_Par. die vorbestimmten vierten Parameterwerte W_Par.4 unterschreiten, wird in einem Schritt S15 für die elektrochemische Zelle 1 die vorbestimmte Bearbeitung durchgeführt.
12 zeigt ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach dem fünften Ausführungsbeispiel, deren Schritte S11' bis S13' denen der bevorzugten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispieles entsprechen, auf das zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen wird, und bei der der Schritt S14d des Bestimmens mittels der Steuereinheit aufweist: mindestens einen lokalen Bestimmungsschritt S14d' des Bestimmens mittels der Steuereinheit, ob an den Sensorpositionen die lokalen Parameterdaten D_lok.Par. vorbestimmte vorbestimmte vierte Parameterwerte W_Par.4 unterschreiten, und bei der der Schritt S15 des Durchführens von Bearbeitungen aufweist: mindestens einen lokalen Bearbeitungsschritt S15' des Durchführens von lokalen Bearbeitungen an den Sensorpositionen, falls in dem lokalen Bestimmungsschritt S14d' an den Sensorpositionen bestimmt worden ist, dass die lokalen Parameterdaten D_lok.Par. vorbestimmte vierte Parameterwerte W_Par.4 unterschreiten.
13 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach einem sechsten Ausführungsbeispiel, deren Schritte S11 bis S13 denen des ersten Ausführungsbeispieles entsprechen, auf das zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen wird. Mittels der Steuereinheit wird in einem Schritt S14e bestimmt, ob die Parameterdaten D_Par. sich innerhalb eines vorbestimmten Parameterbereiches um einen vorbestimmten fünften Parameterwert W_Par.5 befinden. Falls die Parameterdaten D_Par. sich innerhalb des vorbestimmten Parameterbereiches um den vorbestimmten fünften Parameterwert W_Par.5 befinden, wird in einem Bearbeitungsschritt S15 für die elektrochemische Zelle die vorbestimmte Bearbeitung durchgeführt.
14 zeigt ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle nach dem sechsten Ausführungsbeispiel, deren Schritte S11' bis S13' denen der bevorzugten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispieles entsprechen, auf das zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen wird, und bei der der Schritt S14e des Bestimmens mittels der Steuereinheit aufweist: mindestens einen lokalen Bestimmungsschritt S14e' des Bestimmens mittels der Steuereinheit, ob die Parameterdaten D_Par. sich innerhalb eines vorbestimmten Parameterbereiches um einen vorbestimmten fünften Parameterwert W_Par.5 befinden, und bei der der Schritt S15 des Durchführens von Bearbeitungen aufweist: mindestens einen lokalen Bearbeitungsschritt S15' des Durchführens von lokalen Bearbeitungen an den Sensorpositionen, falls in dem lokalen Bestimmungsschritt S14d' an den Sensorpositionen bestimmt worden ist, dass die Parameterdaten D_Par. sich innerhalb eines vorbestimmten Parameterbereiches um den vorbestimmten fünften Parameterwert W_Par.5 befinden.
15 zeigt eine Darstellung bevorzugter Schritte bei der Durchführung von lokalen Bearbeitungsschritten an den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle. Wie in der 15 gezeigt ist, weist das Verfahren bevorzugt mindestens einen der lokalen Sensorbearbeitungsschritte auf: einen Schritt S15a des Anlegens eines magnetischen Feldes mittels der Sensoren 5 an den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle 1, wenn in dem Schritt S14' des Bestimmens das Vorliegen der vorbestimmten Beziehung der lokalen Parameterdaten D_lok.Par. in Bezug auf die vorbestimmten Parameterwerte W_Par., W_Par.1, W_Par.2, W_Par.3, W_Par.4, W_Par.5 bestimmt worden ist, oder einen Schritt S15b des Injizierens von Ionen mittels der Sensoren 5 an den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle 1, wenn in dem Schritt S14' des Bestimmens das Vorliegen der vorbestimmten Beziehung der lokalen Parameterdaten D_lok.Par. in Bezug auf die vorbestimmten Parameterwerte W_Par., W_Par.1, W_Par.2, W_Par.3, W_Par.4, W_Par.5 bestimmt worden ist.
16 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Herstellungsverfahren einer an das Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität angepassten elektrochemischen Zelle nach einem ersten Ausführungsbeispiel für das Herstellungsverfahren. In einem Schritt S3 wird eine erste Aktivelektrode, z. B. eine Anode 2, bereitgestellt. Nachfolgend wird in einem Schritt S4 eine Anzahl an Sensoren 5, vorzugsweise eine Anzahl an magnetoresistiven Sensoren, auf die Anode 2 und in einem Schritt S4a eine Anzahl an Sensorleitungen 7; vorzugsweise eine Anzahl an Steuer- und/oder Messleitungen, auf die Anode 2 aufgebracht, wobei die Schritte S4 und S4a gleichzeitig oder in zueinander beliebiger Reihenfolge erfolgen können. Nachfolgend wird in einem Schritt S5 der Separator 4 und in einem Schritt S7 die zweite Aktivelektrode, z. B. eine Kathode 3 aufgebracht. In einem Schritt S8 kann eine Hülle 6 für die elektrochemische Zelle 1 angebracht werden.
17 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Herstellungsverfahren einer an das Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität angepassten elektrochemischen Zelle nach einem zweiten Ausführungsbeispiel für das Herstellungsverfahren. In einem Schritt S3 wird eine erste Aktivelektrode, z. B. eine Anode 2, bereitgestellt. Nachfolgend wird in einem Schritt S5 der Separator 4 auf die Anode 2 aufgebracht. Nachfolgend wird in einem Schritt S6 eine Anzahl an Sensoren 5, vorzugsweise eine Anzahl an magnetoresistiven Sensoren, auf den Separator 4 aufgebracht und/oder in den Separator 4 eingebracht und in einem Schritt S6a eine Anzahl an Sensorleitungen 7, vorzugsweise eine Anzahl an Steuer- und/oder Messleitungen, auf den Separator 4 aufgebracht und/oder in den Separator 4 eingebracht, wobei die Schritte S6 und S6a gleichzeitig oder in zueinander beliebiger Reihenfolge erfolgen können. Nachfolgend wird in einem Schritt S7 die zweite Aktivelektrode, z. B. eine Kathode 3 aufgebracht. In einem Schritt S8 kann eine Hülle 6 für die elektrochemische Zelle 1 angebracht werden.
18 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Herstellungsverfahren einer an das Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität angepassten elektrochemischen Zelle nach einem dritten Ausführungsbeispiel für das Herstellungsverfahren. In einem Schritt S1 wird der Separator 4 für ein Aufbringen und/oder ein Einbringen einer Anzahl an Sensoren 5 vorbereitet, wobei der Schritt S1 auch bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel für das Verfahren durchgeführt werden kann. In einem Schritt S2 wird eine Anzahl an Sensoren 5, vorzugsweise eine Anzahl an magnetoresistiven Sensoren, auf den Separator 4 aufgebracht und/oder in den Separator 4 eingebracht und in einem Schritt S2a eine Anzahl an Sensorleitungen 7, vorzugsweise eine Anzahl an Steuer- und/oder Messleitungen, auf den Separator 4 aufgebracht und/oder in den Separator 4 eingebracht, wobei die Schritte S2 und S2a gleichzeitig oder in zueinander beliebiger Reihenfolge erfolgen können. Nachfolgend wird in einem Schritt S3 eine erste Aktivelektrode, z. B. eine Anode 2, bereitgestellt. Nachfolgend wird in einem Schritt S5 der Separator 4 und in einem Schritt S7 die zweite Aktivelektrode, z. B. eine Kathode 3 aufgebracht. In einem Schritt S8 kann eine Hülle 6 für die elektrochemische Zelle 1 angebracht werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Batterie mit erhöhter Leistungsfähigkeit, welche diese elektrochemischen Zellen aufweist, insbesondere eine zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug ausgestaltete Batterie, welche diese elektrochemischen Zellen aufweist.
Bezugszeichenliste

1: elektrochemische Zelle
2: Anode
3: Kathode
4: Separator
5: Sensor
6: Hülle
7: Sensorleitung
D_Par.: Parameterdaten
D_lok.Par.: lokale Parameterdaten
W_Swt.1: erste Parameterwerte
W_Swt.2: zweite Parameterwerte
W_Swt.3: dritte Parameterwerte
W_Swt.4: vierte Parameterwerte
W_Swt.5: fünfte Parameterwerte
S1: Vorbereiten des Separators für das Aufbringen und/oder Einbringen der Sensoren
S2: Aufbringen einer Anzahl an Sensoren auf den Separator
S2a: Aufbringen von Sensorleitungen auf dem Separator
S3: Bereitstellen der Anode
S4: Aufbringen einer Anzahl an Sensoren auf die Anode
S4a: Aufbringen von Sensorleitungen auf der Anode
S5: Aufbringen des Separators
S6: Aufbringen einer Anzahl an Sensoren auf den Separator
S6a: Aufbringen von Sensorleitungen auf dem Separator
S7: Aufbringen der zweiten Aktivelektrode
S11: Erfassen von Parameterdaten der individuellen zu untersuchenden elektrochemischen Zelle mittels der Sensoren
S11': Erfassen von lokalen Parameterdaten
S12: Übermitteln der Parameterdaten an eine Steuereinheit
S13: Zuweisen der elektrochemischen Zelle zu den Parameterdaten
S13': Zuweisen der lokalen Parameterdatenzu den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle
S14: Bestimmen, ob für die Parameterdaten eine vorbestimmte Beziehung in Bezug auf vorbestimmte Parameterwerte vorliegt
S14': Bestimmen, ob für die lokalen Parameterdaten an den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle eine vorbestimmte Beziehung in Bezug auf vorbestimmte lokale Parameterwerte vorliegt
S14a: Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten vorbestimmte erste Parameterwerte aufweisen
S14a': Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten vorbestimmte erste Parameterwerte aufweisen
S14b: Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten vorbestimmte zweite Parameterwerte nicht aufweisen
S14b': Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten vorbestimmte zweite Parameterwerte nicht aufweisen
S14c: Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten vorbestimmte dritte Parameterwerte überschreiten
S14c': Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten vorbestimmte dritte Parameterwerte überschreiten
S14d: Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten vorbestimmte vierte Parameterwerte unterschreiten
S14d': Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten vorbestimmte vierte Parameterwerte unterschreiten
S14e: Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten sich innerhalb eines vorbestimmten Parameterwertebereiches um einen vorbestimmten fünften Parameterwert befinden
S14e': Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten sich innerhalb eines vorbestimmten Parameterwertebereiches um einen vorbestimmten fünften Parameterwert befinden
S15: Durchführen von Bearbeitungsschritten an der elektrochemischen Zelle
S15': Durchführen von lokalen Bearbeitungsschritten an den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle
S15a: Anlegen eines magnetischen Feldes mittels der Sensoren an den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle
S15b: Injizieren von Ionen mittels der Sensoren an den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle

Claims

Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität einer elektrochemischen Zelle (1), insbesondere zur Erhöhung der Ladekapazität einer für eine Anwendung in Kraftfahrzeugen ausgestalteten elektrochemischen Zelle, die mindestens aufweist: – eine erste Aktivelektrode (2), – eine zweite Aktivelektrode (3), – einen zwischen der ersten Aktivelektrode (2) und der zweiten Aktivelektrode (3) angeordneten Separator (4), – mindestens einen Sensor (5), vorzugsweise eine Anzahl an Sensoren (5), insbesondere eine Anzahl an magnetoresistiven Sensoren, wobei die Anzahl an Sensoren (5) zwischen der ersten Aktivelektrode (2) und der zweiten Aktivelektrode (3) an und/oder in dem Separator (4) bzw. an der ersten Aktivelektrode (2) und/oder an der zweiten Aktivelektrode (3) abgeordnet ist, und – mit den Sensoren (5) verbundene Sensorleitungen (7), vorzugsweise Steuer- und/oder Messleitungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität die Schritte aufweist: (S11) Erfassen von Parameterdaten (D_Par.) der individuellen zu untersuchenden elektrochemischen Zelle (1) mittels der Sensoren (5), (S12) Übermitteln der Parameterdaten (D_Par.) mit den Sensorleitungen (7) an eine Steuereinheit, (S13) Zuweisen der Parameterdaten (D_Par.) zu der elektrochemischen Zelle (1), vorzugsweise Abspeichern der Parameterdaten (D_Par.) zu der elektrochemischen Zelle (1), und (S14) Bestimmen mittels der Steuereinheit, ob für die Parameterdaten eine vorbestimmte Beziehung in Bezug auf vorbestimmte Parameterwerte (W_Par., W_Par.1, W_Par.2, W_Par.3, W_Par.4, W_Part.5) vorliegt, und (S15) Durchführen von spezifischen Bearbeitungsschritten an der elektrochemischen Zelle (1), wenn in dem Schritt (S14) des Bestimmens das Vorliegen der vorbestimmten Beziehung der Parameterdaten (D_Par.) in Bezug auf die vorbestimmten Parameterwerte (W_Par., W_Par.1, W_Par.2, W_Par.3, W_Par.4, W_Part.5) bestimmt worden ist.
Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahren der Schritt (S11) des Erfassens von Parameterdaten (D_Par.) mindestens einen lokalen Erfassungsschritt aufweist mit: (S11') Erfassen von lokalen Parameterdaten (D_lok.Par.) an den Sensorpositionen, insbesondere Erfassen der Ionenbeweglichkeit in der elektrochemischen Zelle (1) an den Sensorpositionen, dass der Schritt (S13) des Zuweisens mindestens einen lokalen Zuweisungsschritt aufweist mit: (S13') Zuweisen der lokalen Parameterdaten (D_lok.Par.) zu den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle (1), vorzugsweise Abspeichern der lokalen Parameterdaten (D_lok.Par.) zu den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle (1), dass der Schritt (S14) des Bestimmens mittels der Steuereinheit mindestens einen lokalen Bestimmungsschritt aufweist mit: (S14') Bestimmen mittels der Steuereinheit, ob für die lokalen Parameterdaten (D_lok.Par.) an den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle (1) eine vorbestimmte Beziehung in Bezug auf vorbestimmte Parameterwerte (W_Par., W_Par.1, W_Par.2, W_Par.3, W_Par.4, W_Part.5) vorliegt, und dass der Schritt (S15) des Durchführens von spezifischen Bearbeitungsschritten mindestens einen lokalen spezifischen Bearbeitungsschritt aufweist mit: (S15') Durchführen von lokalen spezifischen Bearbeitungsschritten an den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle (1), wenn in dem Schritt (S14') des Bestimmens das Vorliegen der vorbestimmten Beziehung der lokalen Parameterdaten (D_lok.Par.) in Bezug auf die vorbestimmten Parameterwerte (W_Par., W_Par.1, W_Par.2, W_Par.3, W_Par.4, W_Part.5) bestimmt worden ist.
Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (5) ausgestaltet sind, ein magnetisches Feld an den Separator (4) anzulegen und/oder die Ionen zu injizieren; und dass der Schritt (S15') des Durchführens von lokalen spezifischen Bearbeitungsschritten an der elektrochemischen Zelle (1) mindestens einen der lokalen Sensorbearbeitungsschritte aufweist: (S15a) Anlegen eines magnetischen Feldes mittels der Sensoren (5) an den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle (1), wenn in dem Schritt (S14') des Bestimmens das Vorliegen der vorbestimmten Beziehung der lokalen Parameterdaten (D_lok.Par.) in Bezug auf die vorbestimmten Parameterwerte (W_Par., W_Par.1, W_Par.2, W_Par.3, W_Par.4, W_Part.5) bestimmt worden ist, oder (S15b) Injizieren von Ionen mittels der Sensoren (5) an den Sensorpositionen in der elektrochemischen Zelle (1), wenn in dem Schritt (S14') des Bestimmens das Vorliegen der vorbestimmten Beziehung der lokalen Parameterdaten (D_lok.Par.) in Bezug auf die vorbestimmten Parameterwerte (W_Par., W_Par.1, W_Par.2, W_Par.3, W_Par.4, W_Part.5) bestimmt worden ist.
Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Bestimmungsschritte (S14') bei einem Formiervorgang der elektrochemischen Zelle (1) durchgeführt werden.
Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Bestimmungsschritte (S14') bei einem Ladevorgang, bevorzugt bei einem Wartungsvorgang der elektrochemischen Zelle (1) durchgeführt werden.
Verfahren zur Erhöhung der Ladekapazität nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (S14) des Bestimmens mittels der Steuereinheit mindestens einer der folgenden Bestimmungsschritte aufweist: (S14a) Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten (D_Par.) vorbestimmte erste Parameterwerte (W_Swt.1) aufweisen, (S14b) Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten (D_Par.) vorbestimmte zweite Parameterwerte (W_Swt.2) nicht aufweisen, (S14c) Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten (D_Par.) vorbestimmte dritte Parameterwerte (W_Swt.3) überschreiten, (S14d) Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten (D_Par.) vorbestimmte vierte Parameterwerte (W_Swt.4) unterschreiten, oder (S14e) Bestimmen, ob die übermittelten Parameterdaten (D_Par.) sich innerhalb eines vorbestimmten Parameterwertebereiches um einen vorbestimmten fünften Parameterwert (W_Swt.5) befinden.
Herstellungsverfahren einer elektrochemischen Zelle (1), insbesondere einer für eine Anwendung in Kraftfahrzeugen ausgestalteten elektrochemischen Zelle, mit mindestens einer ersten Aktivelektrode (2), einer zweiten Aktivelektrode (3) und einen zwischen der ersten Aktivelektrode (2) und der zweiten Aktivelektrode (3) angeordneten Separator (4), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: (S3) ein Bereitstellen der ersten Aktivelektrode (2), (S5) ein Aufbringen des Separators (4) und (S7) ein Aufbringen der zweiten Aktivelektrode (3). dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellungsverfahren mindestens einen der folgenden Sensoraufbringschritte aufweist: (S2) ein Aufbringen mindestens eines Sensors (5), vorzugsweise einer Anzahl an Sensoren (5), insbesondere einer Anzahl an magnetoresistiven Sensoren auf den Separator (4), vorzugsweise ein Einbringen der Anzahl an Sensoren (5) in den Separator (4), (S4) ein Aufbringen einer Anzahl an Sensoren (5), insbesondere einer Anzahl an magnetoresistiven Sensoren, auf die erste Aktivelektrode (2), oder (S6) ein Aufbringen einer Anzahl an Sensoren (5), insbesondere einer Anzahl an magnetoresistiven Sensoren, auf den Separator (4), und vorzugsweise ein Einbringen der Sensoren (5) in den Separator (4).
Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (S2) des Aufbringens einer Anzahl an Sensoren (5) auf den Separator (4) bzw. der Schritt (S2') des Einbringens einer Anzahl an Sensoren (5) in den Separator (4) bzw. der Schritt (S5) des Aufbringens des Separators (4) bzw. der Schritt (S6) des Aufbringen einer Anzahl an Sensoren (5) auf den Separator (4) bzw. der Schritt (S6') des Einbringens einer Anzahl an Sensoren (5) in den Separator (4) derart durchgeführt wird, dass der Sensor (5) an die erste Aktivelektrode (2) und an die zweite Aktivelektrode (3) angrenzen kann.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den Schritt (S2) des Aufbringens einer Anzahl an Sensoren (5) auf den Separator (4) bzw. dass für den Schritt des Einbringens einer Anzahl an Sensoren (5) in den Separator (4) mindestens eines der folgenden Verfahren mindestens teilweise verwendet wird: – ein Aufdruckverfahren, – ein Siebdruckverfahren, – ein Eindruckverfahren, – ein elektrophoretisches Verfahren, – ein Aufsprühverfahren, – ein Laserbeschichtungsverfahren, – ein Laserstrukturierungsverfahren, – ein Sputterverfahren, – ein Aufdampfverfahren oder – ein chemisches oder ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweist: (S4a) ein Aufbringen von Sensorleitungen (7) auf der ersten Aktivelektrode (2), vorzugsweise ein Aufbringen von Steuer- und/oder Messleitungen auf der ersten Aktivelektrode (2) oder (S2a, S6a) ein Aufbringen von Sensorleitungen (7) auf dem Separator (4), vorzugsweise ein Aufbringen von Steuer- und/oder Messleitungen auf dem Separator (4).
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den folgenden Schritt aufweist: (S1) ein Vorbereiten des Separators (4) für das Aufbringen und/oder ein Einbringen der Anzahl an Sensoren (5), wobei vorzugsweise für diesen Schritts des Vorbereitens des Separators (4) mindestens eines der folgenden Verfahren mindestens teilweise verwendet wird: – ein Ausstanzverfahren, – ein Einstanzverfahren, – ein Laserstrukturierungsverfahren oder – ein Ätzverfahren.
Elektrochemische Zelle (1) insbesondere eine für eine Anwendung in Kraftfahrzeugen ausgestaltete elektrochemischen Zell, mit mindestens: – einer ersten Aktivelektrode (2), – einer zweiten Aktivelektrode (3) und – einem zwischen der ersten Aktivelektrode (2) und der zweiten Aktivelektrode (3) angeordneten Separator (4), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Aktivelektrode (2) und der zweiten Aktivelektrode (3) an und/oder in dem Separator (4) bzw. an der ersten Aktivelektrode (2) und/oder an der zweiten Aktivelektrode (3) mindestens ein Sensor (5), vorzugsweise eine Anzahl an Sensoren (5), insbesondere eine Anzahl an magnetoresistiven Sensoren angeordnet ist und dass die Sensoren mit Sensorleitungen (7), vorzugsweise mit Steuer- und/oder Messleitungen mit einer Steuereinheit verbunden sind.
Elektrochemische Zelle (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mindestens eine Sensoreinheit aufweist, die aus einer Sensoreinheitengruppe ausgewählt worden ist, die aufweist: – eine Stromsensoreinheit, – eine Ionensensoreinheit oder – eine Lecksensoreinheit.
Elektrochemische Zelle (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mindestens eine Funktionseinheit aufweist, die aus einer Funktionseinheitengruppe ausgewählt worden ist, die aufweist: – eine als Ionenbremse ausgestalte Funktionseinheit oder – eine zur Magnetisierung ausgestalte Funktionseinheit.
Batterie mit einer Anzahl elektrochemischer Zellen (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (5) über Sensorleitungen (7), vorzugsweise über Steuer- und/oder Messleitungen, mit einer Steuereinheit verbunden sind, die vorzugsweise auch als mindestens teilweises Batteriemanagementsystem ausgestaltet ist.