DE102013224751A1 - Battery cell with auxetic components - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Batteriezelle (12) mit einer positiven Elektrode (4), einer negativen Elektrode (6) sowie einem Separator, welcher zwischen den Elektroden (4, 6) angeordnet ist, beschrieben, wobei mindestens eine Komponente der Batteriezelle (12) ein auxetisches Material (3) umfasst.A battery cell (12) having a positive electrode (4), a negative electrode (6) and a separator which is arranged between the electrodes (4, 6) is described, wherein at least one component of the battery cell (12) is an auxetic Material (3) includes.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle, insbesondere eine Batteriezelle mit einer elementares Lithium enthaltenden Elektrode, wobei mindestens eine Komponente der Batteriezelle ein auxetisches Material umfasst nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The present invention relates to a battery cell, in particular a battery cell with an elementary lithium-containing electrode, wherein at least one component of the battery cell comprises an auxetic material according to the preamble of the independent claims.

Stand der TechnikState of the art

Eine Batteriezelle ist ein elektrochemischer Energiespeicher, der bei seiner Entladung die gespeicherte chemische Energie durch eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie umwandelt. Es zeichnet sich ab, dass in der Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, wie auch bei Elektronikgeräten neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohen Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.A battery cell is an electrochemical energy storage device that, when discharged, converts the stored chemical energy into electrical energy through an electrochemical reaction. It is becoming apparent that in the future, both in stationary applications, such as wind turbines, in motor vehicles, which are designed as hybrid or electric motor vehicles, as well as electronic devices, new battery systems will be used, to the very high demands in terms of reliability, safety, Performance and life are made.

Aufgrund ihrer großen Energiedichte wird insbesondere auf Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Schwefel-Batterien sowie Lithium-Luft-Batterien als Energiespeicher für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge zurückgegriffen. Ein Aufquellen derartiger Batteriezellen, beispielsweise aufgrund deren Alterung, wird derzeit durch ein Stahlband vermindert, welches die Batteriezelle bzw. die Batteriezellen in Form hält.Due to their high energy density is used in particular lithium-ion batteries, lithium-sulfur batteries and lithium-air batteries as energy storage for electrically powered vehicles. A swelling of such battery cells, for example, due to their aging, is currently reduced by a steel strip, which holds the battery cell or the battery cells in shape.

In der DE60021177 T2 sind auxetische Materialien für unterschiedliche Anwendungen gezeigt, beispielsweise als Stoßdämpfer in Fahrzeugen.In the DE60021177 T2 Auxetic materials are shown for different applications, for example as shock absorbers in vehicles.

In der DE 10323367 A1 ist ein Bauelement, beispielsweise ein stabförmiges Trageelement, offenbart, dessen Oberflächen eine auxetische Gitterstruktur aufweisen.In the DE 10323367 A1 is a structural element, for example a rod-shaped support element, disclosed whose surfaces have an auxetic grid structure.

In der US 4668557 A1 ist ein Herstellungsprozess für auxetische Materialien offenbart, die Anwendung als Befestigungsmittel, Dichtungsmittel, Stoßaufnehmer und Dämpfungsmittel finden.In the US 4668557 A1 discloses a manufacturing process for auxetic materials which find application as fasteners, sealants, shock absorbers and damping means.

In der DE 11 2005 000 562 T5 ist eine Dichtungsanordnung auf Basis von aktivem Material vorgesehen, wobei das aktive Material ein auxetisches Verhalten zulässt.In the DE 11 2005 000 562 T5 a seal arrangement based on active material is provided, wherein the active material allows auxetic behavior.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle mit mindestens einer Komponente aus auxetischem Material mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt. Dies beruht insbesondere darauf, dass auxetische Materialien durch eine negative Poisson‘sche Zahl (Querkontraktionszahl) charakterisiert sind, was bedeutet, dass diese Materialien sich bei einer Materialstreckung quer zur Zugrichtung ausdehnen. Umgekehrt zieht sich dieses Material bei einer Druckbelastung quer zur Druckrichtung zusammen und verfestigt sich. Dieser Effekt beruht auf der Struktur dieser Materialien welche beispielsweise gitter- oder wabenförmig ist. According to the invention, a battery cell is provided with at least one component of auxetic material having the characterizing features of the independent claims. This is due, in particular, to the fact that auxetic materials are characterized by a negative Poisson's number (transverse contraction number), which means that these materials expand in a material stretch transverse to the tensile direction. Conversely, this material contracts at a pressure load transversely to the printing direction and solidifies. This effect is based on the structure of these materials which, for example, is lattice or honeycomb.

Die Reaktion auxetischer Materialien auf verschiedene Bewegungen und Krafteinwirkungen unterscheidet sich zu der Reaktion von Materialien ohne auxetische Eigenschaften. The reaction of auxetic materials to different motions and forces differs from the reaction of materials without auxetic properties.

Aufgrund der Alterung einer Batteriezelle oder aufgrund von Lade- und Entladevorgängen nimmt der Druck in ihrem Inneren zu, was zu einem Aufquellen der Batteriezelle führt. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn sich Batteriezellen nicht aufblähen, da ein Aufblähen mit einer Minderung derer Leistungsfähigkeit einhergeht. Es ist daher vorteilhalft, wenn Komponenten einer Batteriezelle auxetische Materialien umfassen, da Bewegungen der Batteriezelle durch diese verhindert oder zumindest vermindert werden. Dadurch werden Veränderungen der Batteriezelle, beispielsweise aufgrund von Alterserscheinungen, die die Lebenszeit einer Batteriezelle vermindern, unterdrückt. Somit steigt sowohl die Lebenszeit als auch die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle durch den Einsatz auxetischer Materialien in der Batteriezelle. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung auxetischer Materialien in der Batteriezelle ergibt sich durch die Absorption von stoßartigen Kräften durch das auxetische Material. Befindet sich die Batteriezelle beispielsweise in einem Batteriesystem eines Fahrzeugs, so werden stoßartige Kräfte, wie sie beispielsweise bei einem Aufprall, verursacht beispielsweise durch einen Unfall oder bei der Fortbewegung auf unebenen Fahrbahnen vorkommen, durch das auxetische Material abgefangen. Das auxetische Material zieht sich an der Stelle der Krafteinwirkung zusammen und verfestigt sich dadurch. Zudem haben auxetische Materialien eine hohe Bruchfestigkeit. Auf diese Weise wird die Gefahr einer Batteriezellschädigung erheblich reduziert, was zusätzliche Sicherheit für Insassen eines Fahrzeuges bietet.Due to the aging of a battery cell or due to charging and discharging the pressure in its interior increases, resulting in a swelling of the battery cell. However, it is advantageous if battery cells do not inflate, since puffing is associated with a reduction in their performance. It is therefore advantageous if components of a battery cell comprise auxetic materials, since movements of the battery cell are prevented by these or at least reduced. As a result, changes in the battery cell, for example, due to aging, which reduce the lifetime of a battery cell, suppressed. Thus, both the lifetime and the performance of the battery cell increases by the use of auxetic materials in the battery cell. Another advantage of using auxetic materials in the battery cell is the absorption of impact forces by the auxetic material. For example, if the battery cell is in a battery system of a vehicle, jerky forces, such as those caused by an impact caused by, for example, an accident or when traveling on uneven roads, are intercepted by the auxetic material. The auxetic material contracts at the site of force and solidifies. In addition, auxetic materials have a high breaking strength. In this way, the risk of battery cell damage is significantly reduced, which provides additional security for occupants of a vehicle.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Batteriezelle mit mindestens einer Komponente aus auxetischem Material ergeben sich aus den Unteransprüchen. Further advantageous embodiments of the present battery cell with at least one component of auxetic material emerge from the subclaims.

In einer ersten Ausführungsform ist es besonders vorteilhaft, wenn mindestens ein poröser Kollektor einer Elektrode der Batteriezelle ein auxetisches Material umfasst. Unter dem Kollektor einer Elektrode einer Batteriezelle wird ein Trägermaterial verstanden, welches mit aktivem Elektrodenmaterial beschichtet ist und von welchem die Spannung der Batteriezelle abgegriffen wird.In a first embodiment, it is particularly advantageous if at least one porous collector of an electrode of the battery cell comprises an auxetic material. Under the collector of an electrode of a battery cell is understood a carrier material which is coated with active electrode material and from which the voltage of the battery cell is tapped.

Während eines Ladevorgangs kann das aktive Material der Elektrode schwammartig aufquellen, was zu einem Leistungsverlust der Batteriezelle und zu einem Druckanstieg in dieser führt. Kollektoren von Elektroden, welche ein auxetisches Material umfassen, absorbieren das Anschwellen des aktiven Elektrodenmaterials zumindest teilweise und mindern so den Druckanstieg in der Batteriezelle. Auf diese Weise bleibt der Innendruck in der Batteriezelle über einen Zeitraum konstant, wodurch mehr Ladezyklen möglich sind, was zu einer längeren Lebensdauer der Batteriezelle führt. During a charging process, the active material of the electrode may swell up like a sponge, resulting in a loss of power of the battery cell and an increase in pressure therein. Collectors of electrodes comprising an auxetic material at least partially absorb the swelling of the active electrode material, thus reducing the pressure increase in the battery cell. In this way, the internal pressure in the battery cell remains constant over a period of time, whereby more charging cycles are possible, resulting in a longer life of the battery cell.

Zudem werden lokale Druckspitzen, wie sie beispielsweise bei einem Stoß oder einem Aufprall auftreten, gleichmäßig über die gesamte Fläche des Kollektors der Elektrode verteilt. Solch ein Aufprall oder Stöße können beispielsweise in einem Fahrzeug, in welchem die Batteriezelle in ein Batteriesystem integriert ist, bei einem Unfall oder bei der Fortbewegung auf unebenen Fahrbahnen, auftreten. Die Absorption und Verteilung von auf den Kollektor der Elekrode einwirkenden Kräften verlängert die Lebensdauer der Elektrode und somit der Batteriezelle und schützt vor Beschädigungen und deren Folgen, wie beispielsweise einem Druchgehen der Batteriezelle. Auf diese Weise werden auch Fahrzeuginsassen geschützt.In addition, local pressure peaks, as they occur, for example, in a shock or an impact, evenly distributed over the entire surface of the collector of the electrode. Such an impact or impact may occur, for example, in a vehicle in which the battery cell is integrated into a battery system, in an accident or when traveling on uneven roads. The absorption and distribution of forces acting on the collector of the electrode extends the life of the electrode and thus the battery cell and protects against damage and its consequences, such as a drifting of the battery cell. In this way, vehicle occupants are protected.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das auxetische Material, welches der poröse Kollektor der Elektrode umfasst, ein metallischer Schaum ist, da bevorzugt Schäume, insbesondere offenporige Schäume, aufgrund ihrer niedrigen Dichte als Ausgangsmaterial für die Herstellung auxetischer Materialien verwendet werden. Durch deren geringe Dichte bleibt mehr Platz um die beispielsweise zunächst wabenförmigen Wandungen der Poren bei der Herstellung auxetischer Materialien zu deformieren, was den Herstellprozess vereinfacht.It is furthermore advantageous if the auxetic material which comprises the porous collector of the electrode is a metallic foam, since foams, in particular open-pore foams, are preferably used as starting material for the production of auxetic materials because of their low density. Due to their low density, there is more space around the, for example, initially honeycomb walls of the pores in the production of auxetic materials to deform, which simplifies the manufacturing process.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der poröse Kollektor der Elektrode, welcher einen metallischen Schaum umfasst, durch Auflaminieren einer metallischen Folie beschichtet. Eine Aufbringung der Beschichtung durch Laminieren ist im Vergleich zu anderen Methoden kostengünstig. Weiterhin vorteilhaft ist, dass der metallische Schaum durch die auflaminierte Beschichtung geschützt wird. Eine auflaminierte Beschichtung ist ein idealer Abriebschutz und zudem beständig gegen Chemikalien, sowie nahezu unzerreissbar. So kann die Lebensdauer des auxetischen Materials durch eine auflaminierte Beschichtung verlängert werden. In a preferred embodiment, the porous collector of the electrode comprising a metallic foam is coated by laminating a metallic foil. Application of the coating by lamination is inexpensive compared to other methods. It is further advantageous that the metallic foam is protected by the laminated coating. A laminated coating is an ideal abrasion protection and also resistant to chemicals, as well as almost unbreakable. Thus, the life of the auxetic material can be extended by a laminated coating.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der poröse Kollektor der Elektrode, welcher einen metallischen Schaum umfasst, durch Tränken mit flüssigem Schwefel beschichtet. Die Poren des metallischen Schaumes werden hierbei durch eine Vakuumtränkung mit geschmolzenem Schwefel gefüllt. Auf diese Weise werden gleichmäßige Beschichtungen von guter Qualität erhalten. Zudem ist die Herstellung der Beschichtung vergleichsweise einfach.In a further preferred embodiment, the porous collector of the electrode, which comprises a metallic foam, is coated by impregnation with liquid sulfur. The pores of the metallic foam are filled by a vacuum impregnation with molten sulfur. In this way, uniform coatings of good quality are obtained. In addition, the production of the coating is relatively simple.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn mindestens eine Folie im Inneren der Batteriezelle ein auxetisches Material umfasst. Einem altersbedingten oder durch Lade- und Entladevorgänge in der Batteriezelle bedingten Anschwellen der Batteriezelle wirken Folien mit auxetischen Eigenschaften entgegen, indem sie den Druckanstieg an den entsprechenden Stellen absorbieren und somit mindern. Auftretende lokale Druckspitzen werden zudem gleichmäßig über die gesamte Fläche der Folie verteilt. Auf diese Weise bleibt der Innendruck in der Batteriezelle über einen Zeitraum konstant, wodurch mehr Ladezyklen möglich sind, was zu einer längeren Lebensdauer der Batteriezelle führt.A further advantageous embodiment results if at least one film in the interior of the battery cell comprises an auxetic material. An age-related or caused by charging and discharging in the battery cell swelling of the battery cell act against films with auxetic properties by absorbing the pressure increase at the appropriate points and thus reduce. Occurring local pressure peaks are also distributed evenly over the entire surface of the film. In this way, the internal pressure in the battery cell remains constant over a period of time, whereby more charging cycles are possible, resulting in a longer life of the battery cell.

Desweiteren können durch eine Reduzierung der Eigenbewegung der Batteriezellen durch mindestens eine auxetische Folie Bauteile, die an die Batteriezelle angrenzen, wie beispielsweise ein Zellverbinder, unbeweglicher ausgeführt sein, ohne Schaden zu nehmen.Furthermore, by reducing the proper movement of the battery cells by at least one auxetic film components that are adjacent to the battery cell, such as a cell connector, immobile to run without damage.

Ein weiterer Vorteil bei dem Einsatz mindestens einer auxetischen Folie im Inneren der Batteriezelle ist, dass die auxetische Struktur Poren enthält, aufgrund welcher diese Folien gute thermische Isolatoren sind. Dadurch wird die Wärmeübertragung zwischen Batteriezellen verhindert oder gemindert, was beispielsweise bei einem Druchgehen der Batteriezelle vorteilhaft ist. Another advantage of using at least one auxetic film inside the battery cell is that the auxetic structure contains pores, which makes these films good thermal insulators. As a result, the heat transfer between battery cells is prevented or reduced, which is advantageous, for example, when the battery cell is passed.

Es ist von Vorteil wenn die auxetische Folie im Inneren der Batteriezelle eine Separatorfolie ist, da eine Separatorfolie unmittelbar an die Elektroden angrenzt, also an den Ort, an dem das Anschwellen der Batteriezelle, beispielsweise während eines Ladevorgangs, seinen Ursprung nimmt. Durch das Anschwellen der Batteriezelle werden die einzelnen Lagen, bestehend aus Anode, Separatorfolie und Kathode, zusammengepresst. Die dadurch auf die mindestens eine Separatorfolie wirkenden Kräfte werden durch diese aufgenommen und gleichmäßig in der Separatorfolie verteilt. An dem Ort der Krafteinwirkung versteift sich das auxetische Material der Separatorfolie durch ein Zusammenziehen der Poren und stellt so einen erhöhten Widerstand gegen eine Krafteinwirkung dar. Dadurch wird ein weiteres Anschwellen der Batteriezelle verhindert.It is advantageous if the auxetic foil inside the battery cell is a separator foil, since a separator foil directly adjoins the electrodes, that is to say to the place where the swelling of the battery cell, for example during a charging process, originates. Due to the swelling of the battery cell, the individual layers, consisting of anode, Separatorfolie and cathode, compressed. The forces acting on the at least one separator film are absorbed by these and distributed evenly in the separator film. At the location of the force, the auxetic material of the separator film stiffens by a contraction of the pores and thus provides an increased resistance to a force. This prevents further swelling of the battery cell.

In einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform ist es von Vorteil, wenn die auxetische Folie als Inletfolie ausgeführt ist. Unter einer Inletfolie wird eine Folie verstanden, welche im Inneren der Batteriezelle angeordnet ist und vorteilhaft die gewickelten oder gestapelten Komponenten, bestehend aus Anode, Separatorfolie und Kathode, umschließt.In an alternative or additional embodiment, it is advantageous if the auxetic film is designed as an inlet film. Under an Inletfolie is understood a film which is arranged in the interior of the battery cell and advantageously the wound or stacked components consisting of anode, separator film and cathode encloses.

Ein Anschwellen der gewickelten oder gestapelten Komponenten kann durch die Inletfolie gemindert werden, indem sich die Inletfolie an den Stellen versteift, an denen eine durch die anschwellenden Komponenten verursachte Kraft auf diese einwirkt. Dadurch erhöht sich der Widerstand der Inletfolie gegen die Krafteinwirkung, wodurch ein weiteres Anschwellen der Batteriezelle verhindert wird.Swelling of the wound or stacked components can be alleviated by the inlet sheet by stiffening the inlet sheet at the locations where force applied by the intumescent components acts thereon. As a result, the resistance of the inlet foil increases against the action of force, whereby further swelling of the battery cell is prevented.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt: Embodiments of the present invention are illustrated in the drawing and explained in more detail in the following description of the figures. It shows:

1a: die schematische Darstellung einer üblichen Wabenstruktur eines nicht auxetischen Materials, 1a FIG. 2 is a schematic representation of a conventional honeycomb structure of a non-auxetic material. FIG.

1b: die schematische Darstellung einer üblichen Wabenstruktur eines nicht auxetischen Materials bei Dehnung in Längsrichtung, 1b FIG. 2 is a schematic representation of a conventional honeycomb structure of a non-auxetic material when stretched longitudinally. FIG.

2a: die schematische Darstellung einer auxetischen Gitterstruktur eines auxetischen Materials, 2a FIG. 2: the schematic representation of an auxetic lattice structure of an auxetic material, FIG.

2b die schematische Darstellung einer auxetischen Gitterstruktur eines auxetischen Materials bei Dehnung in Längsrichtung, 2 B the schematic representation of an auxetic lattice structure of auxetic material when stretched in the longitudinal direction,

3 die schematische Darstellung eines Ausschnittes einer Elektrode, mit einem porösen Kollektor und einer Beschichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 3 the schematic representation of a section of an electrode, with a porous collector and a coating according to a first embodiment of the present invention, and

4: die schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Batteriezelle mit Separatorfolien und einer Inletfolie gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 FIG. 2: the schematic representation of a cross section through a battery cell with separator foils and an inlet foil according to a further embodiment of the present invention. FIG.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1a zeigt eine übliche Wabenstruktur eines nicht auxetischen Materials 1 mit Poren 7, welches eine positive Querkontraktionszahl aufweist. Legt man, wie in 1b dargestellt, eine Zugkraft in Längsrichtung an die Wabenstruktur an, so dehnt sich das nicht auxetische Material 1 mitsamt der Poren 7 in Richtung der Zugkraft aus. 1a shows a conventional honeycomb structure of a non-auxetic material 1 with pores 7 which has a positive cross-contraction number. One puts, as in 1b shown, a tensile force in the longitudinal direction of the honeycomb structure, so the non-auxetic material expands 1 together with the pores 7 in the direction of the traction.

In 2a ist eine typische auxetische Gitterstruktur eines auxetischen Materials 3 mit Poren 7 abgebildet, bei welchem die Randbereiche der Poren 7 teilweise in Richtung des Poreninneren eingebuchtet sind. Solche Materialien sind durch eine negative Querkontraktionszahl charakterisiert. Bei Anlegen einer Zugspannung, wie in 2b dargestellt, breitet sich das auxetische Material 3 mitsamt der Poren 7 sowohl in Zugrichtung als auch senkrecht zur Zugrichtung aus.In 2a is a typical auxetic lattice structure of auxetic material 3 with pores 7 shown, in which the edge regions of the pores 7 partially indented in the direction of the pore interior. Such materials are characterized by a negative transverse contraction number. When applying a tensile stress, as in 2 B represented, the auxetic material spreads 3 together with the pores 7 both in the pulling direction and perpendicular to the pulling direction.

In 3 ist ein Ausschnitt einer positiven Elektrode 4 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt, mit einem Kollektor 5 der Elektrode 4 welcher Poren 7 enthält. Der Kollektor 5 der Elektrode 4 enthält vorteilhafterweise ein auxetisches Material 3, vorteilhafterweise einen metallischen Schaum, beispielsweise aus Nickel, Kupfer, Aluminium oder einer Metalllegierung, und ist mit einer Beschichtung 11 beschichtet, wobei die Poren 7 insbesondere nicht vollständig mit der Beschichtung 11 ausgefüllt sind, sodass mit Beschichtung 11 gefüllte Poren 9 sowie ungefüllte Poren 7 vorhanden sind. Die positive Elektrode 4 ist beispielhaft zu sehen, ebenso kann es sich bei der erfindungsgemäßen Elektrode 4, 6 um die negative Elektrode 6 handeln. Durch das Aufquellen des Elektrodenmaterials, beispielsweise durch Alterungserscheinungen oder Lade- und Entladevorgänge, wirkt eine Kraft auf den auxetischen porösen Kollektor 5 der Elektrode 4, 6 welcher diese Kräfte gleichmäßig über seine gesamte Fläche verteilt. Gleichzeitig versteift sich der poröse Kollektor 5 der Elektrode 4, 6 durch die Krafteinwirkung, indem die freien Poren 7 aufgrund der auxetischen Struktur zusammengezogen werden. Durch den erhöhten Widerstand des versteiften porösen Kollektors 5 der Elektrode 4, 6 wird ein weiteres Aufquellen des Elektrodenmaterials und somit ein weiteres Anschwellen der Batteriezelle 12 verhindert. Die Beschichtung 11 kann in einer bevorzugten Ausführungsform durch Auflaminieren einer metallischen Folie auf den porösen Kollektor 5 der Elektrode 4, 6 welcher insbesondere aus metallischem Schaum ausgeführt ist, aufgebracht sein. Eine Beschichtung 11 durch Auflaminieren einer metallischen Folie wird insbesondere bei Lithium-Luft-Batteriezellen bevorzugt. Desweiteren kann der Kollektors 5 der Elektrode 4, 6 welcher insbesondere aus metallischem Schaum ausgeführt ist, in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform durch Tränken mit flüssigem Schwefel beschichtet sein. Eine Beschichtung 11 mit Schwefel wird insbesondere bei Lithium-Schwefel-Batteriezellen bevorzugt.In 3 is a section of a positive electrode 4 according to a first preferred embodiment of the invention shown schematically, with a collector 5 the electrode 4 which pores 7 contains. The collector 5 the electrode 4 advantageously contains an auxetic material 3 , Advantageously, a metallic foam, for example of nickel, copper, aluminum or a metal alloy, and is coated with a 11 coated, with the pores 7 especially not completely with the coating 11 filled so that with coating 11 filled pores 9 as well as unfilled pores 7 available. The positive electrode 4 can be seen as an example, as it can be with the electrode according to the invention 4 . 6 around the negative electrode 6 act. Due to the swelling of the electrode material, for example due to aging phenomena or charging and discharging processes, a force acts on the auxetic porous collector 5 the electrode 4 . 6 which distributes these forces evenly over its entire surface. At the same time, the porous collector stiffens 5 the electrode 4 . 6 by the force, by the free pores 7 be contracted due to the auxetic structure. Due to the increased resistance of the stiffened porous collector 5 the electrode 4 . 6 becomes a further swelling of the electrode material and thus a further swelling of the battery cell 12 prevented. The coating 11 may in a preferred embodiment by laminating a metallic foil on the porous collector 5 the electrode 4 . 6 which is in particular made of metallic foam, be applied. A coating 11 by laminating a metallic foil is particularly preferred in lithium-air battery cells. Furthermore, the collector 5 the electrode 4 . 6 which is in particular made of metallic foam, be coated in a further preferred embodiment by impregnation with liquid sulfur. A coating 11 with sulfur is particularly preferred in lithium-sulfur battery cells.

In 4 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Batteriezelle 12 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt, mit einer Schichtung von Anoden 17, Separatorfolien 20 und Kathoden 18 sowie einer Inletfolie 21, welche die geschichteten Komponenten ummantelt. Die Separatorfolie 20 und/oder die Inletfolie 21 enthalten ein auxetisches Material 3, beispielsweise aus einem Polyethylen, einem Polypropylen und/oder einem Polyethylenterephthalat. Die genannten Batteriezellkomponenten sind desweiteren von einem Gehäuse 13 umschlossen, welches lediglich den Bereich eines Stromkollektors 14 ausspart. Die Kathoden 18 und die Anoden 17 sind mit dem Stromkollektor 14 elektrisch kontaktiert, welcher für den Stromfluss über ein an diesen angrenzendes Batteriezellterminal 15 aus der Batteriezelle 12 hinaus sorgt. Das auxetische Material 3 der Separatorfolie 20 und/oder der Inletfolie 21 sorgt dafür, dass auf die entsprechende Folie 20, 21 wirkende Kräfte, welche beispielsweise durch ein Anschwellen der Batteriezellen 12 verursacht werden, von der Separatorfolie 20 und/oder der Inletfolie 21 aufgenommen werden und gleichmäßig in der entsprechenden Folie 20, 21 verteilt werden. Aufgrund der auxetischen Struktur ziehen sich die Poren 7 des auxetischen Materials 3 an der Stelle der Krafteinwirkung zusammen und die Folie 20, 21 versteift sich, wodurch die einzelnen Schichten bestehend aus Anoden 17, Separatorfolien 20 und Kathoden 18 zusammengepresst werden. Durch den erhöhten Widerstand der versteiften Folie 20, 21 wird ein weiteres Anschwellen der Batteriezelle 12 verhindert.In 4 is a schematic representation of a cross section through a battery cell 12 according to a further preferred embodiment of the invention, with a layering of anodes 17 , Separator foils 20 and cathodes 18 as well as an inlet foil 21 which encases the layered components. The separator film 20 and / or the inlet film 21 contain an auxetic material 3 For example, from a polyethylene, a polypropylene and / or a polyethylene terephthalate. The said battery cell components are furthermore of a housing 13 enclosed, which only the area of a current collector 14 spares. The cathodes 18 and the anodes 17 are with the current collector 14 electrically contacted, which for the flow of current through an adjacent to this battery cell terminal 15 from the battery cell 12 Beyond. The auxetic material 3 the separator film 20 and / or the inlet film 21 ensures that on the appropriate slide 20 . 21 acting forces, which, for example, by a swelling of the battery cells 12 caused by the separator film 20 and / or the inlet film 21 be absorbed and evenly in the appropriate slide 20 . 21 be distributed. Due to the auxetic structure, the pores are drawn 7 of the auxetic material 3 at the point of force together and the foil 20 . 21 stiffens, causing the individual layers consisting of anodes 17 , Separator foils 20 and cathodes 18 be pressed together. Due to the increased resistance of the stiffened film 20 . 21 will further swell the battery cell 12 prevented.

In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform liegen die einzelnen Schichten bestehend aus Anoden 17, Separatorfolien 20 und Kathoden 18 in gewickelter Form vor. In an alternative preferred embodiment, the individual layers are composed of anodes 17 , Separator foils 20 and cathodes 18 in wound form.

In einer weiteren Ausführungsform wird mindestens ein beschriebener auxetischer poröser Kollektor 5 einer Elektrode 4, 6 kombiniert mit mindestens einer auxetischen Separatorfolie 20 und/oder einer auxetischen Inletfolie 21. Diese Kombination ist in Lithiumionen-Batteriezellen und insbesondere in Lithium-Schwefel-Batteriezellen denkbar. Desweiteren ist eine solche Kombination auch in Lithium-Luft-Batteriezellen möglich, insbesondere in nicht wässrigen Systemen unter der Voraussetzung eines Festkörperelektrolyten sowie in gemischt wässrigen/organischen Systemen mit einer räumlichen Trennung von Anoden- und Kathodenraum.In another embodiment, at least one described auxetic porous collector 5 an electrode 4 . 6 combined with at least one auxetic separator film 20 and / or an auxetic inlet film 21 , This combination is conceivable in lithium-ion battery cells and in particular in lithium-sulfur battery cells. Furthermore, such a combination is also possible in lithium-air battery cells, in particular in non-aqueous systems on the assumption of a solid electrolyte and in mixed aqueous / organic systems with a spatial separation of anode and cathode space.

Durch eine Reduzierung der Eigenbewegungen von Batteriezellen 12 durch den Einsatz von auxetischen Materialien 3 in der Batteriezelle 12, welche sich aufgrund derer Eigenschaften versteifen und durch den so erzeugten Widerstand ein Anschwellen der Batteriezelle 12 verhindern, können weitere Komponenten der Batteriezelle 12 flexibler ausgeführt sein.By reducing the proper movements of battery cells 12 through the use of auxetic materials 3 in the battery cell 12 , which stiffen due to their properties and by the resistance thus generated, a swelling of the battery cell 12 can prevent further components of the battery cell 12 be made more flexible.

Beispielsweise kann ein nicht dargestellter Zellverbinder, welcher beispielsweise Aluminium, Nickel, Kupfer oder eine Metalllegierung enthält, steifer ausgeführt sein, da keine oder gegebenenfalls minimale Bewegungen der Batteriezellen 12 auftreten, denen er standhalten muss. Der Zellverbinder ist ein Verbindungsstück, welches mindestens zwei Batteriezellen 12 in einem Batteriemodul dauerhaft miteinander verbindet.For example, an unillustrated cell connector, which contains, for example, aluminum, nickel, copper or a metal alloy, be made stiffer, since no or possibly minimal movements of the battery cells 12 which he has to withstand. The cell connector is a connector which has at least two battery cells 12 permanently connected together in a battery module.

Es gibt auch Materialien mit einer positiven Querkontraktionszahl, welche wabenähnliche Gitterstrukturen aufweisen, die sich jedoch wie auxetische Materialien 3 verhalten. Legt man an diese eine Zugspannung an, so dehnen sich diese sowohl in Richtung der Zugspannung als auch quer zur Zugspannung aus. Ist von auxetischen Materialien 3 die Rede, so sind auch Materialien mit positiver Querkontraktionszahl mit auxetischen Eigenschaften gemeint.There are also materials with a positive transverse contraction number which have honeycomb-like lattice structures, but which look like auxetic materials 3 behavior. Applying to this one tensile stress, they expand both in the direction of the tensile stress and transversely to the tensile stress. Is of auxetic materials 3 the speech, so also materials with positive transverse contraction number are meant with auxetic properties.

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Claims (11)

Batteriezelle (12), mit einer positiven Elektrode (4), einer negativen Elektrode (6) sowie einem Separator, welcher zwischen den Elektroden (4, 6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Komponente der Batteriezelle (12) ein auxetisches Material (3) umfasst.Battery cell ( 12 ), with a positive electrode ( 4 ), a negative electrode ( 6 ) and a separator, which between the electrodes ( 4 . 6 ), characterized in that at least one component of the battery cell ( 12 ) an auxetic material ( 3 ). Batteriezelle (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein poröser Kollektor (5) einer Elektrode (4, 6) der Batteriezelle (12) ein auxetisches Material (3) umfasst.Battery cell ( 12 ) according to claim 1, characterized in that at least one porous collector ( 5 ) of an electrode ( 4 . 6 ) of the battery cell ( 12 ) an auxetic material ( 3 ). Batteriezelle (12) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das auxetische Material (3) ein metallischer Schaum ist.Battery cell ( 12 ) according to claim 2, characterized in that the auxetic material ( 3 ) is a metallic foam. Batteriezelle (12) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Schaum Nickel-, Kupfer- und/oder Aluminium umfasst.Battery cell ( 12 ) according to claim 3, characterized in that the metallic foam comprises nickel, copper and / or aluminum. Batteriezelle (12) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Schaum zumindest teilweise mit einer Beschichtung (11) beschichtet ist.Battery cell ( 12 ) according to one of claims 3 or 4, characterized in that the metallic foam is at least partially coated with a coating ( 11 ) is coated. Batteriezelle (12) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Schaum durch Auflaminieren einer metallischen Folie beschichtet ist.Battery cell ( 12 ) according to claim 5, characterized in that the metallic foam is coated by laminating a metallic foil. Batteriezelle (12) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Schaum durch Tränken mit flüssigem Schwefel beschichtet ist.Battery cell ( 12 ) according to claim 5, characterized in that the metallic foam is coated by impregnation with liquid sulfur. Batteriezelle (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Folie im Inneren der Batteriezelle (12) ein auxetisches Material (3) umfasst.Battery cell ( 12 ) according to claim 1, characterized in that at least one film in the interior of the battery cell ( 12 ) an auxetic material ( 3 ). Batteriezelle (12) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie eine Separatorfolie (20) und/oder eine Inletfolie (21) ist. Battery cell ( 12 ) according to claim 8, characterized in that the film is a Separatorfolie ( 20 ) and / or an inlet film ( 21 ). Batteriezelle (12) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie ein Polyethylen, ein Polypropylen und/oder ein Polyethylenterephthalat umfasst.Battery cell ( 12 ) according to one of claims 8 or 9, characterized in that the film comprises a polyethylene, a polypropylene and / or a polyethylene terephthalate. Batteriezelle (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Elektroden (4, 6) der Batteriezelle (12) elementares Lithium enthält.Battery cell ( 12 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the electrodes ( 4 . 6 ) of the battery cell ( 12 ) contains elemental lithium.
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