DE102014201310A1

DE102014201310A1 - Galvanisches Element

Info

Publication number: DE102014201310A1
Application number: DE102014201310.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wöhrle; Joachim Fetzer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2015-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element (1) umfassend mindestens zwei Stromableiter (16, 18), mindestens eine positive (10) und mindestens eine negative Elektrode (12) sowie mindestens einen Ionenleiter (14), wobei die Stromableiter (16, 18) als Kunststofffolie (20, 22) mit Metallbeschichtung (21, 23) ausgeführt sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements (1) und eine Batterie umfassend mindestens ein galvanisches Element (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element umfassend mindestens zwei Stromableiter, mindestens eine positive und mindestens eine negative Elektrode sowie mindestens einen Ionenleiter. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren und eine Batterie umfassend mindestens ein galvanisches Element.
Stand der Technik
Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich unter anderem durch eine sehr hohe spezifische Energie und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und mindestens eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die Lithium-Ionen reversibel einlagern (Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können. Damit die Interkalation von Lithium-Ionen bzw. die Deinterkalation von Lithium-Ionen in den Elektroden stattfindet, ist ein sogenannter Lithium-Ionenleiter notwendig. Bei den derzeit verwendeten Lithium-Ionen-Zellen, die beispielsweise im Consumer-Bereich (Mobil-Telefon, MP3-Player usw.) oder als Energiespeicher in Elektro- oder Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, ist der Lithium-Ionenleiter ein Flüssig-Elektrolyt, welcher häufig das Lithium-Leitsalz Lithium-hexa-Fluorophosphat (LiPF₆) in organischen Lösemitteln gelöst enthält. Diese Lithium-Ionen-Zellen, umfassend die Elektroden, den Lithium-Ionenleiter sowie Stromableiter, die die elektrischen Anschlüsse herstellen, werden in einer Verpackung eingeschlossen. Als Verpackung kommen beispielsweise Aluminium-Verbundfolien zum Einsatz. So verpackte Zellen werden wegen ihrer weichen Verpackung auch als Pouch bzw. Softpack bezeichnet. Neben dem Softpack-Verpackungsdesign kommen als Gehäuse auch feste Metallgehäuse zum Einsatz, zum Beispiel in Form von tiefgezogenen oder fließgepressten Gehäuseteilen.In diesem Fall spricht man von festem Gehäuse oder Hardcase.
Nachteilig an Lithium-Ionen-Zellen mit Flüssig-Elektrolyt ist, dass sich bei mechanischem und thermischem Stress die Flüssig-Elektrolyt-Komponente und das LiPF₆ zersetzt und ein Überdruck in der Zelle entsteht. Ohne entsprechende Schutzmaßnahmen kann dies zum Bersten oder sogar zum Brennen der Zellen führen. Die meist dampf- und gasförmigen Zersetzungsprodukte sind toxisch (wie zum Beispiel Fluorwasserstoff (HF)) oder entzündlich (wie beispielsweise Wasserstoff (H₂) oder Kohlenmonoxid (CO)). Auch die unzersetzten organischen Elektrolytbestandteile wie Ethylencarbonat (EC) oder Di-methyl-carbonat können als Flüssigkeit oder Dampf im Gefahrfalle entweichen und können entzündet werden.
Alternativ ist es möglich, anstelle eines flüssigen Elektrolyten einen festen keramischen bzw. anorganischen Lithium-Ionenleiter zu verwenden. Durch dieses Konzept wird ein Bersten der Batteriezelle oder ein Auslaufen von Stoffen bei Beschädigung des Gehäuses vermieden.
Aus US 2004/0106046 A1 ist eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie bekannt, bei der ein fester Elektrolyt in Form einer dünnen Schicht verwendet wird. Die Batteriezelle umfasst in einer Ausführungsform eine positive Elektrode, die durch Beschichten einer Aluminiumfolie mit einer Dicke zwischen 10 µm und 50 µm mit dem Aktivmaterial hergestellt wird. Die negative Elektrode wird durch Beschichten einer Kupferfolie mit einer Dicke zwischen 10 µm und 50 µm mit dem Aktivmaterial hergestellt. Der Ionenleiter wird in Form einer dünnen keramischen Schicht sowohl auf der negativen als auf der positiven Elektrode aufgebracht. Anschließend werden die positive und negative Elektrode aufeinandergelegt und gepresst. In einer weiteren Ausführungsform wird der keramische Lithium-Ionenleiter durch Magnetron-Sputtern auf eine 20 µm starke Metallfolie aus einer Lithium-Aluminiumlegierung aufgebracht. Anschließend wird das Aktivmaterial für die positive Elektrode aufgetragen und als letzter Schritt ein 0,1 µm starker Aluminiumfilm als positiver Stromableiter aufgetragen.
Aus dem Kapitel „All Solid State Battery" von W. Weppner in der „Encyclopidia of Electrochemical Power Sources" erschienen 2009 bei Elsevier, Editor J. Garche ist eine Dünnfilmbatterie bekannt, die durch Beschichten eines Substrats hergestellt wird. Die offenbarte Schichtfolge offenbart zunächst einen positiven Stromableiter gefolgt vom Aktivmaterial der positiven Elektrode. Als nächste Schicht ist ein Festkörperelektrolyt aufgetragen, gefolgt vom Aktivmaterial der negativen Elektrode und dem negativen Stromableiter. Die offenbarte Struktur hat eine Dicke zwischen 10 und 15 µm. Die Dünnfilme werden mittels Radiofrequenz, Gleichstrom-Sputterns oder thermischem Verdampfen im Vakuum aufgebracht.
Nachteilig im Stand der Technik ist, dass Batteriezellen mit Festkörperelektrolyt, die für hohe Lade- und Entladeströme geeignet sind, nur mit sehr dünnen Elektroden realisiert werden können. Dies ist unter anderem bedingt durch die im Vergleich zu flüssigen Elektrolyten geringere Ionenleitfähigkeit. Die dünnen Elektroden bedingen jedoch, dass der Anteil an metallischen Stromableitern, sowohl was das Volumen als auch was das Gewicht der Batteriezelle betrifft, sehr hoch ist und sowohl Energiedichte wie auch die spezifische Energie auf Zellebene drastisch sinkt. Alternative Konzepte, bei denen die gesamte Batteriestruktur auf einem Substrat durch Beschichten erzeugt wird, erfordern neue Zell-Herstellungsverfahren, so dass vorhandene Beschichtungsanlagen nicht weiter genutzt werden können.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein galvanisches Element umfassend mindestens zwei Stromableiter, mindestens eine positive und mindestens eine negative Elektrode sowie mindestens einen Ionenleiter vorgeschlagen, wobei die Stromableiter als Kunststofffolie mit Metallbeschichtung ausgeführt sind.
Die bisher typischerweise eingesetzten Metallfolien als Stromableiter weisen typische Dicken zwischen 9 µm und 12 µm im Fall von Kupfer-Folien und 13 µm bis 15 µm im Fall von Aluminium-Folie auf. Kunststofffolien, die sich mit einer Metallbeschichtung versehen lassen, sind hingegen auch mit geringeren Dicken erhältlich. Die Metallbeschichtung kann durch verschiedene Beschichtungsverfahren aufgebracht werden. Geeignet sind unter anderem eine physikalische Abscheidung aus der Gasphase, chemische Abscheidung aus der Gasphase, Vakuum Verdampfung, Vakuum Sputtern, ALD (atomic Laser deposition) und reaktives Hochfrequenzsputtern. Die Dicke der Metallbeschichtung liegt typischerweise im Bereich von 10 nm bis 2000 nm, insbesondere im Bereich zwischen 50 nm und 100 nm. Die Haftung der Metallschicht auf der verwendeten Kunststofffolie kann mit einer Korona- oder Plasmavorbehandlung verbessert werden.
Die Dicke der Kunststofffolie liegt zwischen etwa 0,5 µm und 500 µm, bevorzugt ist die Kunststofffolie zwischen 1 µm und 5 µm dick.
Das Material der Kunststofffolien ist bevorzugt ein Polyimid, ein Polyester oder ein Polyolefin. Insbesondere sind Folien aus Polyethylenterephthalat (PET) geeignet, die mit einer Dicke zwischen 1 µm und ca. 500 µm unter der Marke Mylar von der Fa. Dupont (USA) erhältlich sind. Auch Kunststofffolien aus Polyethylennaphthalat (PEN) sind geeignet.
Als Metall für die Beschichtung der Kunststofffolie sind insbesondere Aluminium, Kupfer oder Nickel geeignet. Dabei wird bevorzugt Kupfer als Beschichtungsmaterial für den negativen Stromableiter und Aluminium als Beschichtung für den positiven Stromableiter verwendet.
Der Ionenleiter dient bevorzugt auch als Separator, der die positive und die negative Elektrode räumlich und elektrisch voneinander trennt. Als Material für den Ionenleiter wird bevorzugt ein keramisches Material gewählt, insbesondere ein Oxid, ein Granat, ein Phosphat oder ein Sulfid. Beispiele für den Lithium-Ionenleiter sind LiLaZrO₂, Li₇P₃S₁₁, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₇La₃Zr₂O₁₂. LiLaZrO₂ ist auch ein elektrischer Isolator, so dass ein solcher Lithium-Ionenleiter auch als Separator dienen kann. Des Weiteren ist LiLaZrO₂ an der Luft stabil und auch chemisch und elektrochemisch stabil bis zu einer Spannung von 5V.
Das Aktivmaterial der positiven Elektrode ist ausgewählt aus einem lithiierten Übergangsmetall-Oxid, einem lithiierten Übergangsmetall-Spinell oder einem Olivin. Geeignete Aktivmaterialien für die positive Elektrode umfassen insbesondere Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO₂), LiFePO₃, LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂ (Schichtoxide von Übergangsmetallen), oder Lithium-Nikel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA) und überlithiiertes Schichtoxid (OLO, overlithiated layer oxide). Dabei wird LiCoO₂ häufig für Consumerbatterien eingesetzt. Die weiteren Aktivmaterialien finden häufig in Fahrzeugbatterien Verwendung.
Das Aktivmaterial der negativen Elektrode ist ausgewählt aus einem Kohlenstoff, Graphit, Lithium, einer Lithium-Legierung, einem Lithium-Kohlenstoff-Komposit oder einem Übergangsoxid. Geeignete Aktivmaterialien der negativen Elektrode sind insbesondere Lithium-Titanat (Li₄Ti₅O₁₂), Si-C und synthetische oder natürliche Graphite.
Die Aktivmaterialien können mit den dem Fachmann bekannten Beschichtungsverfahren wie beispielsweise Nassbeschichten, Sputtern oder Pulverbeschichten aufgetragen werden.
Das vorgeschlagene galvanische Element wird an den Ableitern elektrisch kontaktiert und zu einer Zelle verpackt. Beispielsweisekann das galvanische Element in eine Aluminiumverbundfolie verpackt werden, um eine Pouch-Zelle bzw. ein Softpack herzustellen.
Je nach Ausführungsform der Erfindung können die Stromableiter vollflächig ausgeführt sein oder die Folien durch Löcher oder Öffnungen unterbrochen sein. Die Löcher können durch Stanzen oder Lochen hergestellt werden und in beliebiger Geometrie angeordnet werden. Die Öffnungen bzw. Löcher können eine beliebige Geometrie aufweisen.
Je nach Ausführungsformen können die Stromableiter einseitig oder beidseitig mit einem Metall beschichtet sein. Bei beidseitiger Ausführung lassen sich leicht mehrere galvanische Elemente in einer Schichtstruktur stapeln.
Beispielsweise könnte eine Struktur mit zwei galvanischen Elementen durch Anordnen einer negativen Elektrode, eines Ionenleiters und Separators, einer positiven Elektrode, eines weiteren Ionenleiters und Separators und einer weiteren negativen Elektrode aufgebaut werden. Dabei wird der Stromableiter der positiven Elektrode beidseitig mit Metall und anschließend beidseitig mit Aktivmaterial beschichtet.
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements vorgeschlagen, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen einer Kunststofffolie,
b) Aufbringen mindestens einer Metallbeschichtung auf die erste Kunststofffolie,
c) Beschichten der Kunststofffolie mit mindestens einem ersten Aktivmaterial (Kathode),
d) Beschichten der Kunststofffolie mit einem Ionenleiter, der auch als Separator dient,
e) Bereitstellen einer weiteren Kunststofffolie,
f) Aufbringen mindestens einer weiteren Metallbeschichtung auf die weitere Kunststofffolie,
g) Beschichten der weiteren Kunststofffolie mit mindestens einem zweiten Aktivmaterial (Anode) und
h) Vereinigen der beiden Kunststofffolien.

Im ersten Schritt a) des Verfahrens wird eine Kunststofffolie bereitgestellt, bevorzugt beträgt die Dicke der Kunststofffolie zwischen etwa 0,5 µm und 500 µm, besonders bevorzugt ist die Kunststofffolie zwischen 1 und 5 µm dick. Das Material der Kunststofffolie ist bevorzugt ein Polyimid, ein Polyester oder ein Polyolefin. Insbesondere sind Folien aus Polyethylenterephthalat (PET) geeignet, die mit einer Dicke zwischen 1 µm und und ca. 500 µm unter der Marke Mylar von der Fa. Dupont (USA) erhältlich sind. Auch Kunststofffolien aus Polyethylennaphthalat (PEN) sind geeignet.
Im zweiten Schritt b) des Verfahrens wird mindestens eine Metallbeschichtung auf die Kunststofffolie aufgebracht. Als Metall für die Beschichtung der Kunststofffolie sind insbesondere Aluminium, Kupfer oder Nickel geeignet. Das Aufbringen erfolgt bevorzugt mittels physikalischer Abscheidung aus der Gasphase.
Im dritten Schritt c) des Verfahrens wird der so entstandene Stromableiter mit einem ersten Aktivmaterial für eine Elektrode beschichtet, beispielsweise mit einem Aktivmaterial für die positive Elektrode (Kathode). Optional kann das aufgetragene Material Elektrodenbinder und/oder ein elektrisches Additiv wie Leitruß, Leitgraphit oder Kohlenstoffnanoröhrchen umfassen. Anschließend wird im vierten Schritt d) der Ionenleiter erzeugt. Der Ionenleiter ist ein elektrisch isolierendes Material, so dass es auch als Separator dient. Das Material des Ionenleiters ist jedoch für Ionen durchlässig. Der als Separator dienende Ionenleiter trennt im fertigen galvanischen Element die positive und die negative Elektrode räumlich und elektrisch. Das Aktivmaterial sowie der Ionenleiter können beispielsweise durch Aufsputtern erzeugt werden. In den Schritten e) bis g) werden ein zweiter Stromableiter und eine zweite Elektrode erzeugt, wobei das zweite Aktivmaterial beispielsweise ein Aktivmaterial für die negative Elektrode (Anode) ist. Im letzten Schritt h) des Verfahrens werden die beiden Teile mit ihren beschichteten Seiten aufeinandergelegt und beispielsweise durch Verpressen oder Aufrollen miteinander zu einem galvanischen Element vereinigt.
In weiteren Schritten kann das galvanische Element in ein Gehäuse verpackt werden, beispielsweise ein Softpack oder ein festes Gehäuse, mit elektrischen Anschlüssen versehen werden und formiert werden (erstes Aufladen der Batteriezelle).
Des Weiteren wird eine Batterie vorgeschlagen, die mindestens ein galvanisches Element wie oben beschrieben umfasst. Diese Batterie kann je nach Ausführungsvariante als Fahrzeugbatterie, mobile Batterie für Consumeranwendungen oder als stationäre Industriebatterie ausgeführt sein.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße galvanische Element kann durch die Verwendung von Stromableitern aus metallbeschichteten Kunststofffolien mit Dicken von bevorzugt zwischen 1 und 5 µm besonders dünn hergestellt werden. Die Energiedichte der Batteriezellen wird erhöht und der bisherige Nachteil der geringen Energiedichte von Batteriezellen mit festem Elektrolyten wird überwunden.
Die bisherigen Herstellungsverfahren können nahezu unverändert übernommen werden, da lediglich die bisher verwendeten Metallfolien durch mit Metall beschichtete Kunststofffolien ausgewechselt werden.
Die vorgeschlagenen Kunststofffolien haben zudem den Vorteil, dass die im Gegensatz zu den durch Walzen hergestellten Metallfolien keine Kontaminierung mit Walzölen aufweisen, die bei der Herstellung der Metallfolien auf diesen verbleiben. Zudem können die beschichteten Kunststofffolien weiterverarbeitet werden, so dass sich keine Oxidschicht an der Oberfläche ausbildet. Diese Unterschiede wirken sich positiv auf die Haftung der einzelnen Schichten und damit auf die Lebensdauer der Batteriezelle aus.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 ein galvanisches Element nach dem Stand der Technik und
2 ein erfindungsgemäßes galvanisches Element.
1 zeigt ein galvanisches Element 1 nach dem Stand der Technik. Das galvanische Element 1 umfasst eine Schichtfolge mit einem positiven Stromableiter 16, einer positiven Elektrode 10, einem Ionenleiter 14, einer negativen Elektrode 12 und einem negativen Stromableiter 18. Der Ionenleiter 14 dient gleichzeitig als Separator. Der positive Stromableiter 16 ist eine Kupferfolie mit einer Stärke von ca. 12 µm, wie sie beispielsweise von der Fa. Gould Electronic erhältlich ist.
Das Aktivmaterial der positiven Elektrode 10 enthält beispielsweise Lithium-Kobalt-Oxid und das Aktivmaterial der negativen Elektrode 12 enthält beispielsweise Lithium-Titanat. Zwischen den beiden Elektroden 10, 12, ist der Ionenleiter 14 angeordnet. Dieser ist in dem in 1 dargestellten galvanischen Element 1 ein keramisches Material und als 10 µm starke Schicht aus LiLaZrO₂ ausgeführt. LiLaZrO₂ ist ein elektrischer Isolator, so dass das Material die positive Elektrode 10 von der negativen Elektrode 12 sowohl räumlich als auch elektrisch trennen kann.
Als negativer Stromableiter 18 wird in dem in 1 dargestellten galvanischen Element 1 eine 15 µm starke Aluminiumfolie verwendet, wie sie beispielsweise von der Fa. Amcor erhältlich ist.
Zum Herstellen einer Batteriezelle werden die Stromableiter 16, 18 elektrisch kontaktiert und das galvanische Element 1 in ein Gehäuse verpackt. Das Gehäuse kann beispielsweise eine Aluminiumverbundfolie sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes galvanisches Element 1. Das galvanische Element 1 umfasst, wie mit Bezug zu 1 beschrieben, die Schichtfolge mit dem positiven Stromableiter 16, der positiven Elektrode 10, dem Ionenleiter 14, der negativen Elektrode 12 und dem negativen Stromableiter 18. Der Ionenleiter 14 dient gleichzeitig auch als Separator.
Der positive Stromableiter 16 umfasst in der in 2 dargestellten Ausführungsform eine Kunststofffolie 20 und eine Metallbeschichtung 21, der negative Stromableiter 18 umfasst eine weitere Kunststofffolie 22 und eine weitere Metallbeschichtung 23.
Das Material der Kunststofffolien 20, 22 ist ausgewählt aus einem Polyimid, einem Polyester oder einem Polyolefin. Insbesondere als Material für die Kunststofffolien 20, 22 geeignet ist Polyethylenterephthalat (PET) sowie Polyethylennaphthalat (PEN). PET-Folie mit Dicken zwischen 1 µm bis ca. 500 µm ist beispielsweise von der Fa. Dupont (USA) unter dem Markennamen Mylar erhältlich. In der in 2 dargestellten Ausführungsform sind die Kunststofffolien 20, 22 beispielsweise als etwa 1 µm starke PET-Folie ausgeführt.
Die Metallbeschichtung 21 der Kunststofffolie 20 des positiven Stromableiters 16 ist bevorzugt als Aluminiumbeschichtung mit einer Stärke zwischen 10 und 2000 nm ausgeführt. Bevorzugt ist die Metallbeschichtung 21 zwischen 50 und 100 nm stark.
Die Metallbeschichtung 23 der Kunststofffolie 22 des negativen Stromableiters 18 ist bevorzugt als Kupfer-Beschichtung ausgeführt. Alternativ kann auch eine Nickel-basierende Metallbeschichtung 23 aufgebracht werden. Die Dicke der Metallbeschichtung 23 liegt ebenfalls im Bereich zwischen 10 und 2000 nm, insbesondere zwischen 50 und 100 nm.
Die Haftung der Metallbeschichtungen 21, 23 auf den jeweiligen Kunststofffolien 20, 22 kann durch eine Korona- oder Plasmavorbehandlung der Kunststofffolien 20, 22 vor dem Beschichten verbessert werden.
In der in 2 dargestellten Ausführungsform enthält die positive Elektrode 10 als Aktivmaterial Lithium-Kobalt-Oxid (LiCOO₂) und die negative Elektrode 12 enthält Lithium-Titanat (Li₄Ti₅O₁₂). Der Ionenleiter 14 ist in der in 2 dargestellten Ausführungsform aus einem keramischen Material aufgebaut und als eine 10 µm dicke Schicht aus LiLaZrO₂ ausgeführt. LiLaZrO₂ ist ein elektrischer Isolator, so dass das Material gleichzeitig als Ionenleiter und als Separator dienen kann.
Die Elektroden 10, 12 sowie der Ionenleiter 14 können beispielsweise durch Aufsputtern auf die beschichteten Kunststofffolien 20, 22 bzw. auf die jeweils darunterliegende Schicht, hergestellt werden.
Beispiel 1
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen galvanischen Elements wurden zunächst die Stromableiter durch Beschichten einer 1 µm starken PET-Folie, erhältlich unter dem Markennamen Mylar von der Fa. Dupont, hergestellt. Für den positiven Stromableiter wurde eine ca. 500 nm dicke Aluminiumschicht aufgebracht. Für den negativen Stromableiter wurde eine ca. 400 nm dicke Kupferschicht aufgebracht. In beiden Fällen wurden die Metallschichten durch physikalisches Abscheiden aus der Gasphase hergestellt. Die Beschichtungen der Elektroden wurden in diesem Beispiel einseitig ausgeführt.
Zur Herstellung der positiven Elektrode wurde auf den positiven Stromableitern eine 2 µm starke Schicht aus Aktivmaterial aufgebracht. Das Aktivmaterial für die positive Elektrode enthält Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO₂). Zur Herstellung der negativen Elektrode wurde ein Aktivmaterial umfassend Lithium-Titanat (Li₄Ti₅O₁₂) mit einer Schichtdicke von ebenfalls 2 µm aufgetragen. Auf einer der Elektroden wurde als keramischer Lithium-Ionenleiter eine 10 µm dicke Schicht aus LiLaZrO₂ angeordnet. Der Lithium-Ionenleiter ist ein elektrischer Isolator und dient auch als Separator, um die Elektroden räumlich und elektrisch zu trennen.
Die Schichten der Aktivmaterialien und der Ionenleiter wurden durch Sputtern auf eine der beiden Elektroden aufgetragen. Anschließend wurden beide Folien mit ihren beschichteten Seiten aufeinandergelegt und verpresst.
Die Batteriezelle wurde konfektioniert, indem die Stromableiter elektrisch kontaktiert wurden und die Struktur mit dem negativen Stromableiter der negativen Elektrode, dem Ionenleiter, der positiven Elektrode und dem positiven Ableiter in eine Aluminiumverbundfolie verpackt wurde. Es wurden für einen Vergleich 10 Batteriezellen hergestellt.
Als Vergleichsbeispiel wurden zehn weitere Lithium-Ionen-Zellen hergestellt, mit einem positiven Stromableiter bestehend aus einer 15 µm starken Aluminiumfolie, Legierung 1050 und einer Härte H. von 18 erhältlich von der Fa. Amcor. Für die negative Elektrode wurde eine 12 µm starke ED-Kupferfolie, erhältlich bei der Fa. Gould Electronic, verwendet. Auf die Aluminiumfolie wurde das Aktivmaterial Lithium-Kobalt-Oxid für die positive Elektrode mit einer Stärke von 2 µm aufgetragen. Für die negative Elektrode wurde eine 2 µm starke Schicht Aktivmaterial enthaltend Lithium-Titanat aufgetragen. Als keramischer Lithium-Ionenleiter wurde eine 10 µm dicke Schicht aus LiLaZrO₂ verwendet. Der keramische Lithium-Ionenleiter ist ein elektrischer Isolator und dient auch als Separator. Sowohl die Aktivmaterialien als auch der Ionenleiter wurden durch Sputtern hergestellt. Die Referenzzellen wurden ebenfalls an den Stromableitern kontaktiert und in eine Aluminiumverbundfolie verpackt, um sogenannte Pouch-Zellen bzw. Softpacks herzustellen.
Sowohl die erfindungsgemäßen Batteriezellen als auch die Vergleichsbeispiel-Batteriezellen weisen eine nominelle Spannung von 2,3 V auf und haben eine nominelle Kapazität von jeweils 10 mAh. Dabei beträgt die Dicke der erfindungsgemäßen Zelle, die Verpackungen nicht mit eingerechnet, ca. 16 µm, wohingegen die Dicke des Vergleichsbeispiels bei gleicher nominellen Kapazität ca. 41 µm beträgt.
Zum Testen der Langzeitstabilität der Batteriezellen wurden diese mehreren Lade- und Entladezyklen ausgesetzt, wobei der Ladestrom bzw. der Entladestrom jeweils 50 % der nominellen Kapazität, das heißt 5 mA betrugen. Die Ladung der Batteriezellen wurde bis zu einer Zellspannung von 2,9 V durchgeführt, die Entladung bis zu einer Zellspannung von 1,2 V. Sowohl die erfindungsgemäße Batteriezelle, als auch die als Vergleichsbeispiel dienende Batteriezelle weisen dabei ein identisches Verhalten auf, beide Zelltypen weisen nach 200 Lade- und Entladezyklen noch ca. 80 % ihrer nominellen Kapazität auf.
Beispiel 2
Es wurde vorgegangen wie zu Beispiel 1 beschrieben, jedoch wurden die Stromableiter durch Beschichten von 5 µm starken PET Folien erzeugt. Wie zu Beispiel 1 beschrieben wurden Batteriezellen hergestellt, deren Zyklenstabilität zu denen nach Beispiel 1 identisch sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2004/0106046 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„All Solid State Battery“ von W. Weppner in der „Encyclopidia of Electrochemical Power Sources“ erschienen 2009 bei Elsevier, Editor J. Garche [0006]

Claims

Galvanisches Element (1) umfassend mindestens zwei Stromableiter (16, 18), mindestens eine positive (10) und mindestens eine negative Elektrode (12) sowie mindestens einen Ionenleiter (14), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Stromableiter (16, 18) als Kunststofffolie (20, 22) mit einer Metallbeschichtung (21, 23) ausgeführt ist.
Galvanisches Element (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (10, 12) Lithium-interkalierende Elektroden sind und der Ionenleiter (14) als Lithium-Ionenleiter ausgeführt ist, wobei der Lithium-Ionenleiter auch als Separator dient.
Galvanisches Element (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Kunststofffolie (20, 22) ein Polyimid, ein Polyester oder ein Polyolefin ist.
Galvanisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Kunststofffolie (20, 22) zwischen 0,5 µm und 500 µm liegt.
Galvanisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Metallbeschichtung (21, 23) der Kunststofffolie (20, 22) zwischen 10 nm und 2000 nm beträgt.
Galvanisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbeschichtung (21, 23) durch physikalische oder chemische Gasabscheidung oder Dampfabscheidung auf die Kunststofffolie (20, 22) aufgebracht ist.
Galvanisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für die Metallbeschichtung (21, 23) ausgewählt ist aus Aluminium, Kupfer oder Nickel.
Galvanisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromableiter (16, 18) vollflächig ausgeführt sind oder durch Löcher unterbrochen sind.
Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements (1) umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer Kunststofffolie (20) b) Aufbringen mindestens einer Metallbeschichtung (21) auf die erste Kunststofffolie (20), c) Beschichten der Kunststofffolie (20) mit mindestens einem ersten Aktivmaterial, d) Beschichten der Kunststofffolie (20) mit einem Ionenleiter (14), der auch als Separator dient, e) Bereitstellen einer weiteren Kunststofffolie (22), f) Aufbringen mindestens einer weiteren Metallbeschichtung (23) auf die weitere Kunststofffolie (22), g) Beschichten der weiteren Kunststofffolie (22) mit mindestens einem zweiten Aktivmaterial h) Vereinigen der beiden Kunststofffolien (20, 22).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Metallbeschichtung (21, 23) gemäß der Schritte b) und f) durch physikalische Abscheidung aus der Gasphase, chemische Abscheidung aus der Gasphase, Vakuum Verdampfung, Vakuum Sputtern, ALD (atomic Laser deposition) oder reaktives Hochfrequenzsputtern erfolgt.
Batterie, umfassend mindestens ein galvanisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.