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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abdichten einer elektrochemischen Zelle.
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Stand der Technik
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Elektrochemische Zellen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen, werden heutzutage in einer Vielzahl von Produkten als Energiespeicher eingesetzt. Diese können als Energiespeicher für Strom aus Solarzellen oder Windkraftwerken, für Fahrzeuge und elektronische Geräte ausgeführt sein.
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Die
DE 10 2012 212 463 A1 offenbart ein Verfahren zum Abdichten einer elektrochemischen Zelle umfassend ein Gehäuse und einen im Inneren des Gehäuses angeordneten Elektrodenstapel. Das Verfahren umfasst ein Befüllen einer in dem Gehäuse ausgebildeten Elektrolyteinfüllöffnung mit einem Klebstoff, ein Aushärten des Klebstoffs und ein Aufdampfen einer Metallschicht auf den ausgehärteten Klebstoff.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Abdichten einer elektrochemischen Zelle umfassend einen Träger, auf welchem eine Anode angeordnet ist und einen zwischen der Anode und einer Kathode angeordneten Separator. Die Vorrichtung zum Abdichten der elektrochemischen Zelle weist Mittel zum elastischen Verbinden von Träger und Separator auf, wobei eine durch eine Volumenänderung der Anode bedingte Krafteinwirkung auf den Separator von den Mitteln zum elastischen Verbinden von Träger und Separator aufnehmbar ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft des Weiteren ein Verfahren zum Abdichten einer elektrochemischen Zelle umfassend einen Träger, auf welchem eine Anode angeordnet ist und einen zwischen der Anode und einer Kathode angeordneten Separator. Das Verfahren umfasst ein elastisches Verbinden von Träger und Separator, wobei eine durch eine Volumenänderung der Anode bedingte Krafteinwirkung auf den Separator von Mitteln zum elastischen Verbinden von Träger und Separator aufgenommen wird.
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, die Verwendung einer Anode in einer elektrochemischen Zelle in einem elastisch und dicht abgeschlossenen Elektrolyten, welcher von einer Kathode hydrostatisch abgetrennt ist, zu ermöglichen. Dies ist erforderlich bei Zellen, in denen es zweckmäßig ist, die Anode mit einem besonderen Elektrolyten zu versorgen und die Kathode mit einem anderen oder gleichen Elektrolyten zu versorgen und diese beiden Räume durch einen hydrostatisch dichten, aber ionenleitenden Separator zu trennen.
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Diese Trennung bewirkt z.B. in Lithium-Schwefel-Akkumulatorzellen, dass die Lithium-Metallanode nicht mit Reaktionsprodukten oder den Materialien der Kathode oder dem Elektrolyten auf der Kathodenseite reagieren kann. Bei Lithium-Luft-Akkumulatorzellen wird so auch der Raum der Kathode, welcher Luft oder Spuren von Wasser oder andere Verunreinigungen enthalten kann, nicht mit der Lithium-Metallanode in Kontakt kommen und so auch keine störenden Reaktionen in Gang setzen, die die Anode angreifen oder auflösen oder passivieren.
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Insbesondere ist es eine Idee der vorliegenden Erfindung, dass dieser Raum um die Anode sich aufgrund von elektrochemischen Reaktionen an der Anode oder im Elektrolyten ausdehnen oder zusammenziehen kann, ohne dass es zu Rissen oder Brüchen in dem Separator kommt, der als ionenleitender Dichtemembran den Elektrolytraum der Anode vom Rest der elektrochemischen Zelle abtrennt.
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Bei der Entladung der elektrochemischen Zelle wird das Anodenmaterial z.B. im Falle einer Lithium-Metallanode zu mehr als zwei Dritteln aufgelöst und in Form von Ionen durch den Separator zur Kathode transportiert. Die Anode verkleinert so ihr Volumen. Dabei wird der Separator durch äußeren Druck auf die Zelle sowie hydrostatisch auf den Träger zubewegt. Diese Volumen- bzw. Dimensionsänderung des Anodenraums wird von den Mitteln zum elastischen Verbinden von Träger und Separator in vorteilhafter Weise aufgenommen und so der Separator ohne Druck oder Zugspannung bewegt.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Mittel zum elastischen Verbinden von Träger und Separator aus einem Kunststoff ausgebildet sind, welcher einen geschlossen porösen Bereich oder einen nur zum Inneren der Anode offen porösen Bereich und einen nicht-porösen Bereich aufweist. Das Vorsehen eines porösen Bereiches weist den Vorteil einer guten Elastizität der Mittel zum elastischen Verbinden von Träger und Separator auf.
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Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass die Mittel zum elastischen Verbinden von Träger und Separator auf einer der elektrochemischen Zelle zugewandten Seite offenporös ausgebildet sind. Durch die offenporöse Ausbildung der Mittel zum elastischen Verbinden von Träger und Separator auf einer der elektrochemischen Zelle zugewandten Seite kann ein in einen Anodenraum der elektrochemischen Zelle befüllter Elektrolyt in das offenporige Volumen eintreten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Mittel zum elastischen Verbinden von Träger und Separator auf einer der elektrochemischen Zelle zugewandten Seite wellenförmig ausgebildet sind. Die wellenförmige Ausbildung der Mittel zum elastischen Verbinden von Träger und Separator auf einer der elektrochemischen Zelle zugewandten Seite weist den Vorteil auf, dass ein Bereich einer Knickung des Separators deutlich verbreitert wird. Die Knickung des Separators an jeweiligen Übergangsbereichen zwischen Separator und den Mitteln zum elastischen Verbinden von Träger und Separator ist somit weniger stark, da aufgrund der wellenförmigen Ausbildung der Mittel zum elastischen Verbinden von Träger und Separator die Knickung des Separators verbreitert wird, sodass die Knickung um den Faktor 2 bis 10 pro Längeneinheit des Separators verringert wird. Eine an einer Oberkante des Separators auftretende Zugspannung kann ebenfalls verringert werden.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass an einer Oberfläche des Trägers eine Mehrzahl von Stützelementen angeordnet sind, wobei ein Abstand zwischen den jeweiligen Stützelementen 10 bis 100 µm, vorzugsweise 10 bis 20 µm, aufweist. Die Stützelemente weisen eine stabilisierende Wirkung auf und es wird ein Raum geschaffen, in dem sich der Elektrolyt trotz Druckes auf die Zelle halten kann. Der Separator kommt in vorteilhafter Weise im Falle der sich auflösenden Anode auf den jeweiligen Stützelementen zum Liegen.
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Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass eine Dicke des jeweiligen Stützelementes eine Dicke der Mittel zum elastischen Verbinden von Träger und Separator in komprimiertem Zustand aufweist. Somit kann eine Knickung des Separators gänzlich vermieden werden.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass ein zwischen dem Träger und dem Separator ausgebildeter Anodenraum mit einem Elektrolyten befüllt ist, wobei der Anodenraum in einem Vakuum oder bei einem verminderten Umgebungsdruck befüllbar ist. Dadurch wird keine oder eine sehr kleine unter vermindertem Druck befindliche Gasmenge in den Anodenraum eingebracht. Dies trägt zu einer verbesserten Elastizität der Mittel zum elastischen Verbinden von Träger und Separator bei.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Mittel zum elastischen Verbinden von Träger und Separator mit dem Träger und dem Separator an deren Enden jeweils mediendicht verbunden sind. Somit weisen die Mittel zum elastischen Verbinden von Träger und Separator sowohl die Funktion der elastischen Verbindung von Träger und Separator als auch die Abdichtung von Träger und Separator auf.
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Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass die Mittel zum elastischen Verbinden von Träger und Separator einen spaltförmigen Hohlraum aufweisen, welcher bei einer Ausdehnung der Anode erweiterbar und bei einer Verkleinerung der Anode komprimierbar ist. Der Hohlraum bildet ein Reservoir für den Elektrolyten und einen Raum, der sich bei Ausdehnung der Anode erweitern und bei Verkleinerung der Anode zusammenziehen kann. Vorteil dieser Anordnung ist eine geringere Knickung des Separators, da der Hohlraum den Separator bis zum Aufliegen auf dem Träger führen kann, da der Hohlraum kein stützendes Material enthalten muss.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass ein zwischen dem Träger und dem Separator ausgebildeter Anodenraum mit einem Elektrolyten in einem Vakuum oder einem verminderten Umgebungsdruck befüllt wird. Dadurch wird keine oder eine sehr kleine unter vermindertem Druck befindliche Gasmenge in den Anodenraum eingebracht. Dies trägt zu einer verbesserten Elastizität der Mittel zum elastischen Verbinden von Träger und Separator bei.
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Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.
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Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung.
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Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnung. Die dargestellten Elemente der Zeichnung sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abdichten einer elektrochemischen Zelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine vergrößerte Teilansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abdichten der elektrochemischen Zelle gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine vergrößerte Teilansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abdichten der elektrochemischen Zelle gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
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4 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Träger der elektrochemischen Zelle;
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5 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung zum Abdichten der elektrochemischen Zelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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6 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung zum Abdichten der elektrochemischen Zelle gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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7 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung zum Abdichten der elektrochemischen Zelle gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
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8 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung zum Abdichten der elektrochemischen Zelle gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung; und
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9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Abdichten einer elektrochemischen Zelle gemäß der ersten bis fünften Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile oder Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abdichten einer elektrochemischen Zelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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Die Vorrichtung zum Abdichten der elektrochemischen Zelle 1 umfasst einen Träger 10, auf welchem auf einer Ober- und Unterseite jeweils eine Anode 12a, 12b angeordnet ist. Die Vorrichtung zum Abdichten der elektrochemischen Zelle 1 weist des Weiteren einen zwischen der Anode 12a, 12b und einer (in 1 nicht gezeigten) jeweiligen Kathode angeordneten Separator 16, 17 auf. Zwischen dem Separator 16 und dem Träger 10 ist ein Anodenraum 13a ausgebildet. Der Anodenraum 13a ist mit einem Elektrolyten 24a befüllt. Zwischen dem Separator 17 und dem Träger 10 ist ein Anodenraum 13b ausgebildet. Der Anodenraum 13b ist mit einem Elektrolyten 24b befüllt.
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Die Vorrichtung zum Abdichten der elektrochemischen Zelle 1 weist Mittel 20 zum elastischen Verbinden von Träger 10 und Separator 16, 17 auf. Die Mittel 20 zum elastischen Verbinden von Träger 10 und Separator 16, 17 sind aus einem Kunststoff ausgebildet. Der Kunststoff weist einen geschlossen porösen Bereich 20a und einen nicht-porösen Bereich 20b auf. Der poröse Bereich 20a ist auf einer der elektrochemischen Zelle 1 zugewandten Seite 20c angeordnet. Der poröse Bereich 20a ist auf der der elektrochemischen Zelle 1 zugewandten Seite 20c offenporös ausgebildet. Alternativ kann der poröse Bereich 20a auf der der elektrochemischen Zelle 1 zugewandten Seite 20c auch nicht offenporös mit besonders wenigen Poren, kleiner als 30% des Volumens des Bereichs 20a ausgebildet sein.
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Die Mittel 20 zum elastischen Verbinden von Träger 10 und Separator 16, 17 sind mit dem Separator 16, 17 und dem Träger an deren Enden 10a, 10b, 16a, 16b, 17a, 17b jeweils mediendicht verbunden. Der Träger 10 steht an dessen Ende 10a über die Mittel 20 zum elastischen Verbinden von Träger 10 und Separator 16, 17 über. Der Träger 10 bietet hierbei als leitfähiger Träger eine elektrische Kontaktierungsmöglichkeit, welche beispielsweise als Verbindungselement für einen Stromsammler der elektrochemischen Zelle, z.B. als Schweißkontakt zur Anode, verwendbar ist. Eine Dichtungsmasse der Mittel 20 zum elastischen Verbinden von Träger 10 und Separator 16, 17 dichtet des Weiteren die Durchführung des Trägers 10 hermetisch gegen den Außenraum ab. Alternativ kann der Träger 10 eine leitfähige Fahne als Kontaktmöglichkeit aufweisen. Der Träger 10 kann alternativ nicht herausgeführt oder auch beidseitig herausgeführt sein, wie es beispielsweise bei Hochleistungszellen sinnvoll ist.
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Die Dichtmasse der Mittel 20 zum elastischen Verbinden von Träger 10 und Separator 16, 17 ist mit dem Separator und dem Träger 10 an jeweiligen Enden des Separators 16, 17 und des Trägers 10 verbunden, insbesondere verklebt oder eingeschmolzen. Durch die beidseitige Ausbildung der Anoden 12a, 12b auf dem Träger 10 kann eine hohe Flächenausnutzung ermöglicht werden.
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2 zeigt eine vergrößerte Teilansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abdichten einer elektrochemischen Zelle gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
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Die Mittel 20 zum elastischen Verbinden von Träger 10 und Separator 16, 17 sind auf der der elektrochemischen Zelle 1 zugewandten Seite 20c wellenförmig ausgebildet. Der Separator 16 und der wellenförmig ausgebildete poröse Bereich 20a der Mittel 20 zum elastischen Verbinden von Träger 10 und Separator 16, 17 greifen ineinander.
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3 zeigt eine vergrößerte Teilansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abdichten einer elektrochemischen Zelle gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
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An einer Oberfläche des Trägers 10 sind eine Mehrzahl von Stützelementen 22 angeordnet. Die Stützelemente 22 weisen einen Abstand von 10 bis 100 µm, vorzugsweise 10 bis 20 µm, auf. Eine Dicke D des jeweiligen Stützelementes 22 weist eine Dicke der Mittel 20 zum elastischen Verbinden von Träger 10 und Separator 16, 17 in komprimiertem Zustand auf. Je nach Entladestand der elektrochemischen Zelle variiert ein Abstand zwischen dem jeweiligen Separator 16, 17 und dem Träger 10. Im Falle einer entladenden elektrochemischen Zelle ist dieser Abstand minimal. Um im Falle einer starken Komprimierung der Mittel 20 zum elastischen Verbinden von Träger 10 und Separator 16, 17 eine Knickung des Separators zu vermeiden, sind die jeweiligen Stützelemente 22 auf der Oberfläche des Trägers 10 vorgesehen. Durch Vorsehen der Stützelemente 22 kommt der Separator 16, 17 im Falle einer sich auflösenden Anode auf den Stützelementen 22 zum Liegen. Der Abstand zwischen den Stützelementen 22 ist so bemessen, dass dieser in der Größenordnung einer Separatorschichtdicke, d.h. etwa 10 bis 100 µm, insbesondere 10 bis 20 µm, liegt.
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4 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Träger der elektrochemischen Zelle.
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Die Stützelemente 22 weisen eine längliche Form auf. Alternativ können die Stützelemente 22 auch eine andere geeignete Form aufweisen. Die Stützelemente 22 sind gleichmäßig auf der Oberfläche des Trägers 10 verteilt, um eine gleichmäßige Auflagefläche für den jeweiligen Separator 16, 17 zu ermöglichen.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung zum Abdichten einer elektrochemischen Zelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Die Vorrichtung zum Abdichten der elektrochemischen Zelle 1 ist in 5 mit zwei beidseitigen ausgeführten Anoden und auch zwei Kathoden 14 gezeigt. Die elektrochemische Zelle 1 weist zudem wechselseitig herausgeführte Stromableiter 34, 35 auf. Ebenso sind zwei zusätzliche Abdichtungen 32a, 32b in elastischer Art vorgesehen, welche einen Kathodenstromträger 31 gegen die beiden benachbarten Separatoren abdichten. Die in 5 dargestellte Einheit ist eine repitierende Struktur, bei der eine beidseitige Anoden-Separator-Struktur auf die beidseitige Kathode mit der Abdichtung 32a, 32b auflaminiert wird.
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6 zeigt eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung zum Abdichten einer elektrochemischen Zelle gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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In 6 weisen die Mittel 20 zum elastischen Verbinden von Träger 10 und Separator 16, 17 eine geschlossen poröse Schaumstruktur auf. Die poröse Schaumstruktur ist in Form einer elastischen Dichtmasse bzw. eines Dichtprofils ausgebildet, welches in seinem Inneren eine Mehrzahl von spaltförmigen Hohlräumen 26 aufweist. Die Anzahl der Hohlräume 26 kann je nach Erfordernis angepasst werden. Die Hohlräume 26 bilden ein Reservoir für den Elektrolyten sowie einen Raum, welcher sich bei Ausdehnung der jeweiligen Anode 12a, 12b erweitern und bei Verkleinerung der Anode bzw. Anodenschicht zusammenziehen kann.
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7 zeigt eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung zum Abdichten einer elektrochemischen Zelle gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
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In dieser Ausführung sind ebenfalls Abdichtungen 32a, 32b in Kathodenräume mit einer porösen Struktur vorgesehen, die auf einer der elektrochemischen Zelle 1 zugewandten Seite offenporös ausgebildet sind. Dadurch kann Elektrolyt aufgenommen oder abgegeben werden, wenn sich die Kathodenstruktur beim Laden oder Entladen ausdehnt oder zusammenzieht. Ebenso kann so ein Elektrolytreservoir bereitgestellt werden, um Elektrolyten zusätzlich zur Verfügung zu stellen, um ein Reaktionsprodukt in der Kathode bei Laden oder Entladen zu lösen, um eine höhere Kinetik zu ermöglichen. Zusätzlich wird die Ausdehnung der Kathode oder das Zusammenziehen der Kathode durch die variable Seitenabdichtung volumetrisch kompensiert.
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8 zeigt eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung zum Abdichten einer elektrochemischen Zelle gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
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In 8 ist eine wie bereits in 6 für die Anoden 12a, 12b gezeigte Lippenabdichtung im Kathodenraum vorgesehen. Dadurch, dass neben der Oberseite eines Anodenträgers nun auch auf der Unterseite eine Kathodenstruktur dicht aufbringbar ist, kann eine neue Zellkonstruktion ermöglicht werden, sodass eine einfache in Serie zu schaltende Zellstruktur entsteht.
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9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Abdichten einer elektrochemischen Zelle gemäß der ersten bis fünften Ausführungsform der Erfindung.
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Das Verfahren zum Abdichten einer elektrochemischen Zelle 1, umfassend einen Träger 10, auf welchem eine Anode 12a, 12b angeordnet ist, und einen zwischen der Anode 12a, 12b und einer Kathode 14 angeordneten Separator 16, 17 umfasst ein elastisches Verbinden S1 von Träger 10 und Separator 16, 17, wobei eine durch eine Volumenänderung der Anode 12a, 12b bedingte Krafteinwirkung auf den Separatur 16, 17 von Mitteln 20 zum elastischen Verbinden von Träger 10 und Separator 16, 17 aufgenommen wird. Das Verfahren umfasst des Weiteren den Schritt S2, dass ein zwischen dem Träger 10 und dem Separator 16, 17 ausgebildeter Anodenraum 13a, 13b mit einem Elektrolyten 24a, 24b in einem Vakuum oder bei einem verminderten Umgebungsdruck befüllt wird. Das Befüllen des Anodenraums 13a, 13b durch den Elektrolyten 24a, 24b erfolgt nach dem elastischen Verbinden S1 von Träger 10 und Separator 16, 17 durch die Mittel 20. Alternativ kann das Befüllen des Anodenraums 13a, 13b mit dem Elektrolyten 24a, 24b auch vor dem Schritt des elastischen Verbindens S1 von Träger 10 und Separator 16, 17 durch die Mittel 20 erfolgen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Beispielsweise können die Mittel 20 zum elastischen Verbinden von Träger 10 und Separator 16, 17 eine beliebige geeignete Form und Dicke aufweisen. Des Weiteren kann das Verhältnis von porösen zu nicht-porösen Bereichen der Mittel 20 in geeigneter Weise vorgesehen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012212463 A1 [0003]
