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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Speicher und auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Speichers.
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Lithium-Ionen-Batterien (LIB), die beispielsweise als Akkumulatoren ausgeführt sind, werden heutzutage in einer Vielzahl von Produkten als Energiespeicher eingesetzt. So können diese als Energiespeicher für Strom, beispielsweise aus Solarzellen oder Windkraftwerken ausgeführt sein und in Fahrzeugen und elektronischen Geräten eingesetzt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung ein elektrochemischer Speicher und ein Verfahren zum Herstellen eines elektrochemischen Speichers gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein elektrochemischer Speicher kann stapelförmig aufgebaut sein, wie es beispielsweise von einer Pouchzelle her bekannt ist. Vorteilhafterweise kann ein solcher elektrochemischer Speicher mit einem Aufnahmeraum ausgestattet sein, der beispielsweise den Elektrolyten des elektrochemischen Speichers oder sich innerhalb des elektrochemischen Speichers entwickelnde Gase aufnehmen kann.
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Ein elektrochemischer Speicher weist folgende Merkmale auf:
einen Stapel, der eine Kathodenschicht, eine Anodenschicht und eine zwischen der Kathodenschicht und der Anodenschicht angeordnete ionenleitfähige Separatorschicht zum Führen mindestens eines Elektrolyts aufweist;
einen Aufnahmeraum, der angrenzend an die Separatorschicht in Fortführung einer Haupterstreckungsachse der Separatorschicht seitlich des Stapels angeordnet ist; und
ein Trennelement, das zwischen dem Stapel und dem Aufnahmeraum angeordnet und ausgebildet ist, um bei einem Überdruck in dem Stapel aus dem Stapel austretendes Fluid in den Aufnahmeraum zu leiten.
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Bei dem elektrochemischen Speicher, der auch als galvanische Zelle bezeichnet werden kann, kann es sich beispielsweise um eine Lithium-Ionen-Batterie (mehrere verschaltete Zellen), einen Lithium-Ionenakkumulator oder um einen Lithium-Schwefel-Akkumulator oder einen Lithium-Luft-Akkumulator handeln. Der elektrochemische Speicher kann beispielsweise für einen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs eingesetzt werden. In einem Akkumulator sind die Elektroden in gewickelter oder aufeinandergestapelter Form enthalten und mit Kontakten versehen, jeweils einem positiven Pol und einem negativen Pol. Die Kontakte sind meistens als auf den Elektroden liegende Metallfolien oder Metallstreifen ausgebildet. Dabei sind die Elektroden meistens in Form von mit dem Aktivmaterial beschichten Metallfolien ausgebildet. Die Kathode, also der Pluspol ist bei Lithium Ionenakkumulatoren meistens als beschichtete Aluminiumfolie ausgebildet, der Minuspol, also die Anode meistens als beschichtete Kupferfolie. Die Elektroden können etwa beidseitig beschichtet sein und bifilar gewickelt oder gestapelt sein, sodass immer ein Plus-Pol auf einem Separator liegt und auf der anderen Seite des Separators der Minus-Pol der anderen Elektrode liegt. Je nach Dicke der Elektroden werden eine Länge des Elektrodenstapels und eine Breite des Stapels jeweils wesentlich größer als eine Dicke des Stapels sein, insbesondere wenn die Elektrodendicke auf der Kathode und der Anode nur wenige 10 µm beträgt. Mit der die Elektrode bildenden Kupfer- und Aluminiumfolie so wie dem Separator wird die Dicke einer eine Zelle bildenden Einheit beispielsweise nur 100 µm bis 200 µm sein. Werden mehrere Zellen bildende Einheiten im Stapel parallel verschaltet, wird die Dicke eines Stapels beispielhaft etwa 1mm bis 10 mm sein. Der so parallel verschaltete Stapel liegt dann zwischen den die elektrischen Kontakte bildenden Hauptstromableitern des elektrochemischen Speichers. Somit kann der elektrochemische Speicher als eine flache Zelle mit zwei einander gegenüberliegenden großflächigen Hauptseiten und umlaufenden schmalen Randseiten ausgeführt sein. Dabei können wie eben gesagt, die elektrischen Anschlusskontakte des elektrochemischen Speichers auf den beiden Hauptseiten und somit auf einander gegenüberliegenden Seiten des elektrochemischen Speichers angeordnet sein.
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Die Kathodenschicht, die Anodenschicht und die Separatorschicht können so als jeweils rechteckigförmige Lagen mit jeweils zwei gegenüberliegenden großdimensionierten Hauptflächen und jeweils vier die beiden Hauptseiten verbindenden kleindimensionierten Seitenflächen ausgeführt sein. Die Seitenflächen können geometrisch durch die vielen Lagen der parallelgeschalten die Zelle bildenden Einheiten gebildet werden. Die Kathodenschicht, die Anodenschicht und die Separatorschicht können die gleiche Größe aufweisen und so in dem Stapel übereinander angeordnet sein, dass sie deckungsgleich sind und ihre Hauptflächen einander zugewandt sind. Die Kathodenschicht kann sich aus einer Lage aktiven Kathodenmaterials und einer darauf angeordneten Stromableiterlage zusammensetzen, wobei die Lage aktiven Kathodenmaterials ausgebildet sein kann, um in Kontakt mit einem Elektrolyt des elektrochemischen Speichers Anionen freizusetzen. Die Kathodenschicht kann so in dem Stapel angeordnet sein, dass die Lage aktiven Kathodenmaterials der Separatorschicht zugewandt ist und die Stromableiterlage einen ersten Abschluss des Stapels bildet. Die Anodenschicht kann sich aus einer Lage aktiven Anodenmaterials und einer darauf angeordneten weiteren Stromableiterlage zusammensetzen, wobei die Lage aktiven Anodenmaterials ausgebildet sein kann, um in Kontakt mit einem Elektrolyt des elektrochemischen Speichers Kationen freizusetzen. Bei dem aktiven Anodenmaterial kann es sich z. B. um Lithium-Graphit, ein Lithiummetall oder eine Lithium-Silizium-Legierung handeln. Die Anodenschicht kann so in dem Stapel angeordnet sein, dass die Lage aktiven Anodenmaterials der Separatorschicht zugewandt ist und die weitere Stromableiterlage einen zweiten Abschluss des Stapels bildet. Zwischen der Anodenschicht und der Separatorschicht kann eine Ionen leitende nicht brennbare poröse Schutzschicht in den Stapel eingebracht sein. Die Stromableiterlage und die weiteren parallel geschalteten Stromableiterlagen können aus Metall oder Kohlenstoff oder einem leitfähigen Material bestehen und ausgebildet sein, um aus dem Kontakt der Kathodenschicht und der Anodenschicht mit dem Elektrolyt erzeugten Strom nach außen zu leiten. Die zwischen der Kathodenschicht und der Anodenschicht angeordnete Separatorschicht kann aus einem festen Werkstoff gefertigt sein und einer räumlichen Trennung der Kathode von der Anode dienen. Die Separatorschicht ist ionenleitfähig ausgeführt, um eine Ionenbewegung zwischen der Anode und der Kathode ermöglichen zu können. Das Material der Separatorschicht kann porös oder dicht sein. Bei dem Elektrolyt kann es sich um eine chemische Verbindung handeln, die in einem festen, oder flüssigen Aggregatszustand vorliegen kann. Der Elektrolyt oder die Elektrolyte kann bzw. können eingesetzt werden, um ein Herauslösen von Ionen aus der Kathodenschicht und der Anodenschicht zu bewirken und so den Ionenfluss durch die Separatorschicht zu ermöglichen. Die Separatorschicht kann ausgebildet sein, um den Elektrolyt oder die Elektrolyte so zu führen, dass der Elektrolyt die Anodenschicht und die Kathodenschicht kontaktiert bzw. ein Elektrolyt die Kathodenschicht kontaktiert und der andere Elektrolyt die Anodenschicht kontaktiert. Die Separatorschicht kann den Elektrolyt auch aufnehmen oder umfassen auch teilweise umfassen.
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Bei dem Aufnahmeraum kann es sich um eine geschlossene Kammer handeln, die ausgebildet ist, um im Falle einer Aktivierung des Trennelements ein Gesamtvolumen oder ein Teilvolumen des Elektrolyts aus dem Stapel aufzunehmen. Entsprechend kann der Aufnahmeraum eine Größe aufweisen, die einem Volumen der in dem Stapel befindlichen Elektrolytmengen entspricht. Somit kann es sich bei dem Aufnahmeraum um einen Elektrolytaufnahmeraum handeln. Zusätzlich oder alternativ kann der Aufnahmeraum ausgebildet sein, um sich innerhalb des Stapels entwickelnde Gase aufzunehmen. Eine Außenwand des Aufnahmeraums kann dabei fest mit dem Stapel verbunden sein, sodass gewährleistet ist, dass im Falle des Überdrucks das Fluid ausschließlich an dem Trennelement den Stapel verlassen kann. Hierbei kann die Außenwand beispielsweise als stabile Metallfläche oder stabiler Metallrahmen oder stabiles Metallgehäuse ausgebildet werden. Der Aufnahmeraum kann ferner ein Elektrolyt adsorbierendes Mittel aufweisen. Um im Störungsfall einen Übertritt des Fluids aus dem Stapel in den Aufnahmeraum zu erleichtern, kann der Aufnahmeraum unten an der Zelle angeordnet sein.
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Das Trennelement kann ausgebildet sein, um bei einer Intaktheit des elektrochemischen Speichers den Stapel fluiddicht gegenüber dem Aufnahmeraum zu verschließen und bei einem Defekt der Zelle aktiviert zu werden, beispielsweise durch Druck oder thermisch, um den Fluss des Fluids aus dem Stapel in den Aufnahmeraum zu ermöglichen. Die Aktivierung kann insbesondere durch ein Öffnen des Trennelements durch den infolge des Defekts in der Zelle entstandenen Überdruck erzielt werden. Es kann auch eine Sollbruchvorrichtung, wie beispielsweise ein Element dünnerer Wandstärke oder eine dichte vorperforierte Wegstrecke in die Trennwand eingearbeitet sein.
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Die Kathodenschicht, die Anodenschicht und die Separatorschicht können entlang einer Stapelachse des Stapels übereinander gestapelt sein. Die Haupterstreckungsachse der Separatorschicht kann quer zur Stapelachse ausgerichtet sein. Somit kann der Aufnahmeraum außerhalb einer Grundfläche des Stapels angeordnet sein. Das Trennelement kann zwischen einem an die Kathodenschicht und die Anodenschicht angrenzenden Bereich der Separatorschicht und dem Aufnahmeraum angeordnet sein. Das Trennelement kann in einem Randbereich der Separatorschicht an einer Oberfläche der Separatorschicht anliegen.
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Eine Ausführung des elektrochemischen Speichers, beispielsweise in Form einer Zelle, und eines darin enthaltenen Elektrolyts zeichnet sich dadurch aus, dass ein sicherer Betrieb des elektrochemischen Speichers dadurch gewährleistet werden kann, dass der Elektrolyt und sich entwickelnde Gase zur Seite in einen Raum oder Adsorber als Aufnahmeraum durch das Trennelement austreten können.
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So wird es möglich, dass das Elektrolytmaterial im Falle einer Fehlfunktion des elektrochemischen Speichers sehr schnell in den Aufnahmeraum durch die Kanäle im Separator austreten kann. Entsprechend kann sich der Elektrolytwiderstand so erhöhen, dass ein großer Stromfluss durch die Zelle nicht mehr erfolgen kann, da diese dann trocken geworden ist. Zusätzlich kann der Elektrolyt vorteilhafterweise einer oxidativen Umsetzung am Kathodenmaterial entzogen werden. Durch eine derartige Entleerung kann ein übermäßiger Druckaufbau und damit ein Delaminieren der Zelle verhindert werden.
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Gemäß dem hier vorgestellten Ansatz kann also eine besonders fest und sicher aufgebaute Zelle realisiert werden, die auch zumindestens teilweise einen festen Ionen leitenden Separator oder einen Festelektrolyt enthalten kann.
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So kann eine gemäß dem hier vorgestellten Konzept gefertigte galvanische Zelle, die vom Aufbau her einer Pouch-Zelle ähneln kann, hochfunktionell stabil ausgebildet sein und trotzdem in einem hohen Maße die Funktionalität und Sicherheit einer massiven Metallgehäusezelle mit Berstmembran besitzen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Separatorschicht des elektrochemischen Speichers als ein Festelektrolyt ausgeführt sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Separatorschicht als ein Festkörper zum Aufnehmen eines flüssigen Elektrolyts ausgeführt sein. Somit können je nach Ausführungsform unterschiedliche Elektrolyten eingesetzt werden.
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Die Separatorschicht kann zum Führen des Elektrolyts eine Mehrzahl von Kanälen oder offenen mit einander verbundenen Poren aufweisen, die zumindest teilweise zu dem Aufnahmeraum hin ausgerichtet sind. Über die Kanäle kann der Elektrolyt aus der Zelle hinaus in die Kammer oder das abgetrennte Raumelement geführt werden. Beispielsweise können die Kanäle gleichmäßig beabstandet parallel zueinander und zu einer Längskante der Separatorschicht über eine Gesamtlänge der Separatorschicht hinweg verlaufen. So kann auf einfache Weise eine gleichmäßige Verteilung des Elektrolyts oder der Elektrolyte gegenüber an die Separatorschicht angrenzenden Hauptflächen der Kathode und der Anode und entsprechend ein gleichmäßiger Ionenfluss durch die Separatorschicht gewährleistet werden. Zudem erlauben diese Kanäle gleichzeitig einen besonders leichten Zutritt wie Austritt des – z. B. flüssigen – Elektrolyts oder der Elektrolyte zur Seite hin in den T. Auch beim Befüllen der Zelle mit dem Elektrolytmaterial kann sich der schnelle und Luft verdrängende Zutritt kostensenkend auswirken.
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Gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen der Separatorschicht können die Kanäle innenliegend in der Separatorschicht und/oder an einer Oberfläche der Separatorschicht angeordnet sein. Innenliegend können die Kanäle ein Rohr- oder Schichtsystem bilden. Bei einer Anordnung an der Oberfläche können die Kanäle auf einer oder beiden Hauptflächen der Separatorschicht angeordnet sein. Bei einer Verwendung von zwei Elektrolyten kann der eine Elektrolyt auf einer Hauptfläche, und der weitere Elektrolyt auf der gegenüberliegenden Hauptfläche der Separatorschicht geführt werden. An der Oberfläche können die Kanäle als Vertiefungen ausgeführt sein, die eine Rillen- oder Spaltenform aufweisen können. Auch eine Ausprägung in Form von Noppengräben ist möglich.
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Alternativ kann die Separatorschicht auch lediglich einen einzigen Kanal zum Führen des Elektrolyts aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Trennelement mindestens eine Haftverbindung zwischen einem Fortsatz der Separatorschicht und einer Außenwand des Aufnahmeraums aufweisen. Die mindestens eine Haftverbindung kann ausgebildet sein, um einem Druck standzuhalten, der geringer ist als der Überdruck. Beispielsweise kann der Fortsatz der Separatorschicht verjüngt sein, um einen Fluss des Fluids in Richtung des Aufnahmeraums zu erleichtern. Die Haftverbindung kann z. B. durch Verkleben oder Verschweißen der Außenwand des Aufnahmeraums mit dem Fortsatz der Separatorschicht hergestellt werden. So kann das Trennelement auf einfache und kostensparende Weise unter Verwendung ohnehin vorhandener Elemente des elektrochemischen Speichers und Verzicht auf zusätzliche Teile bereitgestellt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der elektrochemische Speicher ein Druckentlastungselement aufweisen, das mit einem eine Sollbruchstelle aufweisenden Bereich einer Außenwand des Aufnahmeraums gekoppelt ist. Das Druckentlastungselement kann ausgebildet sein, um durch die Sollbruchstelle aus dem Aufnahmeraum austretenden Fluid aufzunehmen. Das Druckentlastungselement kann in Form einer Berstkappe oder einer sich aufblasenden Scheibe ausgebildet sein. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass der elektrochemische Speicher so zusätzlich von druckbildenden Komponenten entlastet werden kann und im Gefahrenfall die druckbildenden Komponenten, also z. B. der Elektrolyt, kontrolliert nach außen abgegeben werden können.
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Der elektrochemische Speicher kann ferner eine die Kathodenschicht nach außen abdeckende kathodische Gehäuselage und eine die Anodenschicht nach außen abdeckende anodische Gehäuselage aufweisen. So kann in der Regel die Durchführung der stromtragenden Kontakte zur Seite hin oder auch direkt durch die Seitenfläche ausgebildet sein. Dabei kann die kathodische Gehäuselage stoffschlüssig und elektrisch mit der Kathodenschicht verbunden sein und einen ersten elektrischen Kontakt des elektrochemischen Speichers bilden. Die anodische Gehäuselage kann stoffschlüssig und elektrisch mit der Anodenschicht verbunden sein und einen zweiten elektrischen Kontakt des elektrochemischen Speichers bilden. Die Gehäuselagen können starr oder flexibel ausgeführt sein. Über die Gehäuselagen kann so in dieser besonderen Form der Erfindung der elektrochemische Speicher elektrisch kontaktiert werden.
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Die stoffschlüssige und elektrische Verbindung der kathodischen Gehäuselage kann mit der Stromableiterlage der Kathodenschicht und die stoffschlüssige und elektrische Verbindung der anodischen Gehäuselage kann mit der Stromableiterlage der weiteren Stromableiterlage der Anodenschicht hergestellt werden. Die kathodische Gehäuselage und die anodische Gehäuselage können aus Metall bestehen und beispielsweise als U-förmige Bleche ausgebildet sein. Die kathodische Gehäuselage und die anodische Gehäuselage können so ausgebildet sein, dass sie die Kathodenschicht bzw. die Anodenschicht vollständig überspannen. Die stoffschlüssige und elektrische – also leitfähige – Verbindung zwischen kathodischer Gehäuselage und Kathodenschicht sowie anodischer Gehäuselage und Anodenschicht kann z. B. durch Andruck, Kleben oder Schweißen erfolgen. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch den Vorteil aus, dass die kathodische Gehäuselage und die anodische Gehäuselage gleichsam gasdichte Gehäuseplatten der Akkumulatorzelle bilden, sodass ein einzelnes weiteres separates Gehäuse kostensenkend gespart werden kann. Ebenso können Durchführungen kostensenkend gespart werden, da bereits die die kathodische Gehäuselage und die anodische Gehäuselage die elektrischen Kontakte bilden.
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Ferner kann der elektrochemische Speicher eine Verbindungseinrichtung mit einem ersten Verbindungselement und einem zweiten Verbindungselement aufweisen. Dabei kann das erste Verbindungselement ausgeformt sein, um den Stapel seitlich zu umgreifen, um Randbereiche der Kathodenschicht, der Anodenschicht und der Separatorschicht miteinander zu verbinden. Das zweite Verbindungselement kann ausgeformt sein, um die kathodische Gehäuselage und die anodische Gehäuselage so zu umgreifen, dass ein räumlicher Abstand zwischen der kathodischen Gehäuselage und der anodischen Gehäuselage fixiert ist. Entsprechend kann das erste Verbindungselement umlaufend, beispielsweise ringförmig ausgeformt sein und eine Höhe des Stapels aufweisen. Mit dem ersten Verbindungselement kann erreicht werden, dass sich die einzelnen Elemente des Stapels nicht gegeneinander verschieben und eine gute Kantenabdichtung des Stapels sowie Haftung innerhalb des Stapels gegeben ist. Entsprechend kann das erste Verbindungselement auch als Dichtkörper bezeichnet werden. Beispielsweise können die kathodische Gehäuselage und die anodische Gehäuselage neben der Kathodenschicht und der Anodenschicht auch Teilbereiche des ersten Verbindungselements so überspannen, dass sie sich nicht berühren. Auf diese Weise kann die gasdichte Abdichtung des Stapels noch weitergehend verbessert werden. Auch das zweite Verbindungselement kann umlaufend, beispielsweise als ein Ring ausgeformt sein. Durch das zweite Verbindungselement kann dafür gesorgt werden, dass ein Sicherheitsmaß zwischen der kathodischen Gehäuselage und der anodischen Gehäuselage auf jeden Fall gewahrt bleibt. Ein derartiges Sicherheitsmaß kann etwa 1 bis 10 mm betragen. Das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement können aus einem nicht leitfähigen Material bestehen und klebend und Kraft aufnehmend an den Stapel bzw. die Gehäuselagen angebunden sein. Somit hat insbesondere das zweite Verbindungselement den zusätzlichen Vorteil, die Kontaktfläche der kathodischen Gehäuselage und der anodischen Gehäuselage auf vorbestimmte Dimensionen zu begrenzen.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines elektrochemischen Speichers weist folgende Schritte auf:
Aufeinanderschichten einer Kathodenschicht, einer Anodenschicht und einer ionenleitfähigen Separatorschicht zum Führen mindestens eines Elektrolyts so, dass die Separatorschicht zwischen der Kathodenschicht und der Anodenschicht angeordnet ist, um einen Stapel zu bilden; und
Aufbringen einer elektrisch leitfähigen kathodischen Gehäuselage auf die Kathodenschicht, um die Kathodenschicht nach außen abzudecken und von außen elektrisch kontaktierbar zu machen, und einer elektrisch leitfähigen anodischen Gehäuselage auf die Anodenschicht, um die Anodenschicht nach außen abzudecken und von außen elektrisch kontaktierbar zu machen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren ferner einen Schritt des Einfüllens eines Elektrolyts in den Stapel, einen Schritt des Anordnens eines Aufnahmeraums seitlich des Stapels und angrenzend an die Separatorschicht und einen Schritt des haftenden Verbindens eines Randbereichs der Separatorschicht mit einer Wand des Aufnahmeraums aufweisen. Durch den Schritt des haftenden Verbindens kann zwischen der Separatorschicht und dem Aufnahmeraum ein Trennelement gebildet werden, das ausgebildet ist, um bei einem Überdruck in dem Stapel aus dem Stapel austretendes Fluid in den Aufnahmeraum zu leiten.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch einen elektrochemischen Speicher gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2A einen Ausschnitt aus einer Separatorschicht eines elektrochemischen Speichers, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2B einen Ausschnitt aus einer Separatorschicht eines elektrochemischen Speichers, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2C einen Ausschnitt aus einer Separatorschicht eines elektrochemischen Speichers, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 einen Längsschnitt durch den elektrochemischen Speicher aus 1 in der Draufsicht, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 einen Ausschnitt eines weiteren Längsschnitts durch den elektrochemischen Speicher aus 1, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines elektrochemischen Speichers, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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Die nachfolgenden 1 bis 4 erläutern anschaulich einen sicheren Aufbau einer planaren Zelle mit Reserveraum und integrierten Elektroden, die eine Gehäusefunktion haben.
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1 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines elektrochemischen Speichers bzw. einer Zelle 100. Bei dem elektrochemischen Speicher 100 handelt es sich hier um eine planare Lithium-Ionen-Akkumulatorzelle. Alternativ kann es sich hierbei auch um eine Lithium-Akkumulatorzelle oder eine Zelle eines anderen elektrochemischen Systems handeln. Aus der Darstellung ist ersichtlich, dass der elektrochemische Speicher 100 einen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Kanten aufweist und so im Aussehen einer Pouch-Zelle ähnelt. Die Hülle des elektrochemischen Speichers 100 ist jedoch fest.
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Gezeigt ist in 1 ein Stapel 102, der sich aus einer Kathodenschicht 104, einer Anodenschicht 106 und einer Separatorschicht 108 zusammensetzt. Die Kathodenschicht 104 setzt sich aus einer zu der Separatorschicht 108 benachbarten Lage aktiven Kathodenmaterials 110 und einer den Stapel 102 an einem Ende abschließenden Stromableiterlage 112 zusammen. Die Anodenschicht 106 setzt sich aus einer Lage aktiven Anodenmaterials 114 und einer den Stapel 102 an einem gegenüberliegenden Ende abschließenden weiteren Stromableiterlage 116 zusammen. Zwischen der Lage aktiven Anodenmaterials 114 und der Separatorschicht 108 ist eine Ionen leitende Schutzschicht 118 eingefügt. Randbereiche der Lage aktiven Anodenmaterials 114 und der Schutzschicht 118 sind von einer Anodenabdichtschicht 120 umfasst. Der Stapel 102 ist vollumfänglich von einem ersten Verbindungselement 122 einer Verbindungseinrichtung 124 umfasst. Ferner umfasst der elektrochemische Speicher 100 eine kathodische beispielsweise erfindungsgemäß elektrisch leitfähige Gehäuselage 126 und eine anodische beispielsweise erfindungsgemäß elektrisch leitfähige Gehäuselage 128. Aus der Darstellung in 1 ist gut ersichtlich, dass sich die kathodische Gehäuselage 126 über eine Oberseite des Stapels 102 und darüber hinaus bis über eine obere Hälfte des ersten Verbindungselements 122 erstreckt. Die anodische Gehäuselage 128 erstreckt sich über eine Unterseite des Stapels 102 und über einen Teilbereich einer unteren Hälfte des ersten Verbindungselements 122. So ist gewährleistet, dass sowohl die Kathodenschicht 104 als auch die Anodenschicht 106 zum einen gasdicht geschlossen sind und zum anderen durch die Lagen 128 und 126 optimal elektrisch kontaktiert werden können. Ein zweites elektrisch isolierendes Verbindungselement 130 der elektrisch isolierenden Verbindungseinrichtung 124 umfasst die kathodische Gehäuselage 126 und die anodische Gehäuselage 128 schließlich so, dass alle innerhalb des ringförmigen zweiten Verbindungselements 130 des elektrochemischen Speichers 100 liegenden Elemente sicher zusammengehalten werden und zudem gewährleistet ist, dass die kathodische Gehäuselage 126 und die anodische Gehäuselage 128 einander nicht berühren.
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Die Darstellung in 1 zeigt, dass die kathodische Gehäuselage 126 auf der Stromableiterlage 112, die eine geringere Dicke als die kathodische Gehäuselage 126 aufweist, aufgebracht ist. Die Stromableiterlage 112 steht direkt mit dem aktiven Kathodenmaterial 110 in Verbindung. Die kathodische Gehäuselage 126 besteht aus Metall und ist auf die Stromableiterlage 112, die auch aus Metall oder Kohlenstoff oder einem leitfähigen Material bestehen kann, durch Andruck, Kleben oder Schweißen leitfähig aufgebracht. Somit können die kathodische Gehäuselage als äußerer kathodischer Stromableiter 126 und die Stromableiterlage als kathodischer innerer Stromableiter 112 bezeichnet werden.
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Die anodische Gehäuselage 128 ist auf der weiteren Stromableiterlage 116, die eine geringere Dicke als die anodische Gehäuselage 128 aufweist, aufgebracht. Die weitere Stromableiterlage 116 steht direkt mit dem aktiven Anodenmaterial 114 in Verbindung. Die anodische Gehäuselage 128 ist auf der weiteren Stromableiterlage 116, die ebenfalls aus Metall oder Kohlenstoff oder einem leitfähigen Material bestehen kann, leitfähig durch Andruck, Kleben oder Schweißen aufgebracht. Somit können die anodische Gehäuselage als äußerer anodischer Stromableiter 128 und die weitere Stromableiterlage als innerer anodischer Stromableiter 116 bezeichnet werden. Die Komponenten der Zelle 100 bilden somit einen Verbund aus der Kathode 104, bestehend aus dem Stromableiter 112 und dem aktiven Material 110, der Anode 106, bestehend aus dem inneren Stromableiter 116 und dem aktiven Anodenmaterial 114, der ionenleitenden Schutzschicht 118 auf dem aktiven Anodenmaterial 114, der Separatorschicht oder kurz dem Separator 108, bestehend aus einem ionenleitenden porösen oder dichten ionenleitenden Material oder einem hybriden Material, welches aus einem festen lonenleiter und einem Binder besteht, und der Anodenabdichtschicht 120, die die Kante der Anode 106 und der Schutzschicht 118 seitlich abdichtet. Diese Elemente werden durch das auch als Dichtkörper zu bezeichnende erste Verbindungselement 122 klebend und Kraft aufnehmend miteinander verbunden, sodass der Verbund der Zellenkomponenten 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120 eine zusammenlaminierte Einheit mit guter Kantenabdichtung und Haftung bildet. Diese Schicht 122 wird von den äußeren Stromableitern 126 und 128 überdeckt, sodass diese sich nicht berühren und mit der Schicht bzw. dem ersten Verbindungselement 122 eine gasdichte und Kraft aufnehmende Klebeverbindung bilden. Zur geometrischen Trennung der beiden äußeren Stromabnehmer 126 und 128 ist dann der äußere klebende Ring bzw. das zweite Verbindungselement 130 angebracht, sodass der Abstand der äußeren Stromabnehmer 126, 128 auf ein in der Praxis bewährtes sicheres Abstandsmaß von etwa 1 bis 10 mm gebracht wird.
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Dieser Verbund 100, wie er in 1 dargestellt ist, ist mit einem – hier flüssigen – Elektrolyt 131, 132 befüllt. Alternativ kann die Zelle 100 auch mit zwei flüssigen Elektrolyten 131, 132 – einem Elektrolyt 132 für die Anode 106 und einem Elektrolyt 131 für die Kathode 104 – befüllt sein. Aufgabe der Separatorschicht 108 ist es, den Elektrolyt 131, 132 so zu führen, dass er sich schnell und gleichmäßig verteilt. Darauf wird in den nachfolgenden Figuren noch genauer eingegangen.
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2A zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt aus der Separatorschicht 108 des elektrochemischen Speichers 100 aus 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Aus der Darstellung ist gut ersichtlich, dass die zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Separatorschicht 108 an ihrer Ober- und Unterseite Kanäle 200 aufweist, die bei diesem Ausführungsbeispiel als Vertiefungen in Form von Rillen ausgebildet sind. Die Darstellung in 2A zeigt, dass sich die Rillen 200 bis zu einer Außenkante 202 der Separatorschicht 108 erstrecken.
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In 2B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die in der Oberfläche der Separatorschicht 108 angeordneten Kanäle 200 dargestellt. Gezeigt ist wiederum ein Ausschnitt aus dem Separator 108 in einer perspektivischen Darstellung. Hier sind die Vertiefungen 200 in der Oberseite als Spalten ausgeführt. Auch eine Ausführung in Form von Noppengräben ist möglich, in den Figuren jedoch nicht gezeigt.
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2C zeigt in einer weiteren perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt aus einem weiteren Ausführungsbeispiel der Separatorschicht 108 des elektrochemischen Speichers 100 aus 1. Hier sind die Kanäle 200, von denen der Übersichtlichkeit halber nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist, durch ein innerhalb des Separators 108 befindliches seitlich herausführendes Rohr- bzw. Schichtsystem ausgebildet.
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Ein Gesamtvolumen der Kanäle 200 kann 1/100 bis zu 1/10 oder auch bis zu 1/5 einer Dicke der Separatorschicht 108 betragen.
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3 zeigt den elektrochemischen Speicher 100 aus 1 in einem Längsschnitt entlang einer Linie A-A in der 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der elektrochemischen Speicher 100 ist als eine Zelle ausgeführt. In dieser Ansicht des elektrochemischen Speichers 100 ist gut zu erkennen, wie das erste Verbindungselement 122 der Verbindungseinheit 124 den Stapel 102 umschließt und das zweite Verbindungselement 130 der Verbindungseinheit 124 die kathodische Gehäuselage 126 und die anodische Gehäuselage 128 abschließend umfasst. Besonders gut ist auch ersichtlich, dass sich die Kanäle 200 der Separatorschicht 108 parallel und in einer Längsrichtung der Zelle 100 bis zu den Außenkanten 202 der Separatorschicht 108 erstrecken, wodurch eine besonders schnelle und gleichmäßige Verteilung des Elektrolyts erzielt werden kann, nachdem es an einer der beiden gegenüberliegenden kurzen Seiten des Stapels 102 eingefüllt wurde. Anschließend an die in der Darstellung in 3 untere Kante 202 der Separatorschicht 108 weist der elektrochemische Speicher 100 ein Trennelement 300 auf, das auch als Trenn- oder Berstwand bezeichnet werden kann. Das Trennelement 300 verbindet die Separatorschicht 108 mit einem Aufnahmeraum 302, der gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Druckentlastungselement 304 aufweist. Auf die letztgenannten Elemente des elektrochemischen Speichers 100 wird in der nachfolgenden 4 noch genauer eingegangen.
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4 zeigt in einem Längsschnitt entlang einer Linie B-B in der 3 einen Ausschnitt des elektrochemischen Speichers 100 aus 3. Der in der Darstellung in 3 unten gezeigte Aufnahmeraum 302 ist hier rechts des Stapels 102 dargestellt.
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Das an der Außenkante 202 der Separatorschicht 108 befindliche Trennelement 300 bzw. die Trenn- oder Berstwand 300 ist bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel als doppelte Folie mit einer Kraft aufnehmenden Verbindung ausgeführt. Die doppelte Folie wird hier durch eine Außenwand 400 des Aufnahmeraums 302 bereitgestellt, ein Bereich derer sich punktuell mit einem Fortsatz 402 der Separatorschicht 108 überlagert. Der beispielsweise mit Rillen ausgeführte Separator 108 weist an dem Fortsatz 402 keine Rillen auf und ist hier dünner in seiner Schichtdicke ausgeführt. Der Überlagerungsbereich bildet hier das Trennelement 300. Zwei Haftverbindungen 404 verbinden den Fortsatz 402 ober- und unterseitig fluiddicht mit den gegenüberliegenden Bereichen der Außenwand 400 des Aufnahmeraums 302, solange kein Überdruck in der Zelle 100 herrscht. Es kann also bei Funktionstüchtigkeit des elektrochemischen Speichers 100 kein Elektrolyt aus dem Stapel 102 in den Aufnahmeraum 302 entweichen. Verjüngte Endbereiche bzw. Lippen 406 der Außenwand 400 des Aufnahmeraums 302 sind mit dem inneren anodischen Stromableiter 116 und dem inneren kathodischen Stromableiter 112 über Klebeverbindungen 408 verbunden. Diese Klebeverbindungen 408 sind sehr fest.
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Die Haftverbindungen 404 zwischen der Außenwand 400 des Aufnahmeraums 302 und dem Fortsatz 402 der Separatorschicht 108 sind so ausgeführt, dass sie durch einen Überdruck in der Zelle 100 und entsprechenden Druck in den Raum 302 hinein leicht geöffnet werden können. Der Überdruck in der Zelle 100 kann beispielsweise Folge eines thermischen Überhitzens der Zelle 100 durch eine Fehlfunktion sein. Öffnen sich die Haftverbindungen 404 infolge eines aufgrund des in der Zelle 100 herrschenden Überdrucks auf das Trennelement 300 wirkenden Drucks, ereignet sich ein schneller Übertritt des Elektrolyts 131, 132 oder der Elektrolyte 131, 132 aus dem Stapel 102 in den Aufnahmeraum 302. Für eine Optimierung dieses Prozesses ist bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der Aufnahmeraum 302 mit einem den Elektrolyten 131, 132 adsorbierenden Mittel 410 gefüllt. Wenn die Flüssigkeit, also der Elektrolyt 131, 132, in den Aufnahmeraum 302 abgegeben wird, der sich – wie aus der Darstellung in 3 gut ersichtlich – zweckmäßigerweise unten an der Zelle 100 befindet, tritt ein in dem Aufnahmeraum 302 befindliches Restgas in den Zellenkörper bzw. Stapel 102 anstelle des Elektrolyten 131, 132 ein. So wird durch diesen Austausch die Zelle 100 sofort hochohmig bei einer Fehlfunktion, und ebenso wird der Elektrolyt 131, 132 einer oxidativen Umsetzung am Kathodenmaterial 110 entzogen.
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Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Aufnahmeraum 302 mindestens so groß wie die in der Zelle 100 befindlichen Elektrolytmengen. Wenn gemäß einem Ausführungsbeispiel der Separator 108 aus einem Festelektrolyt oder einem Hybridsystem mit einem Festelektrolyt besteht, so kann der zum Zwecke des besseren Kontakts zu den Elektrodenmaterialien 110, 114, 118, hinzugegebene Elektrolyt 131, 132 oder die zwei hinzugegebenen Elektrolyte 131, 132 dann sehr schnell in der Raum 302 austreten und so den Elektrolytwiderstand so erhöhen, dass kein großer Strom mehr durch die Zelle 100 fließen kann, da diese dann trocken geworden ist. Diese Entleerung hat erfindungsgemäß auch noch die Funktion, dass sie den Druckaufbau und damit ein Delaminieren der Zelle 100 verhindert, denn der durch die Verklebungen an der Seite mit den Verbindungselementen oder Abdichtungen zustande gekommene Verbund hält funktionsgemäß nur einem kleineren Druck stand als ein massives dickwandiges frei stehendes Gehäuse.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der in 4 gezeigte Aufnahmeraum 302 auch das Druckentlastungselement 304 auf. Das Druckentlastungselement 304 ist hier als eine druckentlastende Berstkappe ausgeführt, kann aber auch als eine Scheibe oder eine sich aufblasende Scheibe ausgeführt sein. Das Druckentlastungselement 304 ist mit einer Sollbruchstelle 410 der Außenwand 400 des Aufnahmeraums 302 gekoppelt, bietet eine weitere Entlastung und schützt den Zellenverbund 100 noch einmal zusätzlich von druckbildenden Komponenten. Das Druckentlastungselement 304 kann im Gefahrenfall die druckbildenden Komponenten nach außen abgeben.
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Anhand der im Vorhergehenden beschriebenen Figuren wird dem Fachmann klar, dass eine Zelle 100, die vom Aufbau her einer Pouch-Zelle ähnelt, ausgesprochen hochfunktionell stabil ausgebildet sein kann und in einem hohen Maße die Funktionalität und Sicherheit einer massiven Metallgehäusezelle mit Berstmembran besitzen kann. Es sei darauf hingewiesen, dass die äußeren Stromableiter 126, 128 den Aufnahmeraum 302 mittels der Klebe- und Kantenverbindungen 404, 408 präzise einschließen und eine kleine Ausdehnung von etwa 20 % bis 30 % der Zellendicke aufnehmen.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 500 zum Herstellen eines elektrochemischen Speichers. In einem Schritt 502 werden eine Kathodenschicht, eine Anodenschicht und eine ionenleitfähige Separatorschicht so übereinander angeordnet, dass sie einen Stapel möglichst deckungsgleicher Elemente bilden. Die Separatorschicht wird dabei zwischen der Kathodenschicht und der Anodenschicht angeordnet und ist ausgebildet, um einen Elektrolyt zu führen. In einem folgenden Schritt 504 wird eine elektrisch leitfähige kathodische Gehäuselage auf die Kathodenschicht aufgebracht und eine elektrisch leitfähige anodische Gehäuselage auf die Anodenschicht aufgebracht. So werden die jeweils darunter liegenden Elektrodenschichten zum einen wie durch ein Gehäuse abgedeckt und geschützt und zum anderen elektrisch kontaktierbar gemacht. Nach einem Aufbringen einer Verbindungseinrichtung, um den Stapel fluiddicht zu machen und die einzelnen Elemente des Stapels aneinander zu binden, erfolgt in einem Schritt 506 durch eine noch bestehende Durchgangsöffnung in den Stapel ein Einfüllen eines Elektrolyts in einen Bereich zwischen der Separatorschicht und den Elektroden. In einem Schritt 508 wird ein Aufnahmeraum seitlich des Stapels und angrenzend an die Separatorschicht – beispielsweise an der Durchgangsöffnung – angeordnet. Ein Schritt 510 umfasst ein haftendes Anbinden eines Randbereichs der Separatorschicht mit einer Wand des Aufnahmeraums. Mit diesem Schritt kann z. B. die Durchgangsöffnung geschlossen werden, und es wird ein Trennelement gebildet, das ausgebildet ist, um bei einem Überdruck in dem Stapel aus dem Stapel austretenden Elektrolyt in den Aufnahmeraum zu leiten.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
