DE102014218277A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen von Lithium-Dendriten in einer Batteriezelle und zum Batteriemanagement - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen von Lithium-Dendriten in einer Batteriezelle und zum Batteriemanagement Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Lithium-Dendriten (24) in einer Batteriezelle (10), wobei die Batteriezelle (10) eine Anode (14), eine Kathode (18) und einen Separator (16) umfasst und wobei der Separator (16) zwischen der Anode (14) und der Kathode (18) angeordnet ist und diese elektrisch und mechanisch voneinander trennt. Dabei ist vorgesehen, dass der Separator (16) eine elektrisch leitfähige Schicht (20) umfasst und in einem ersten Verfahrensschritt eine Spannung oder ein elektrischer Widerstand zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht (20) und der Anode (14) gemessen wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt auf das Vorhandensein eines Lithium-Dendriten (24) geschlossen wird, wenn anhand der Messung ein Kurzschluss zwischen der Anode (14) und der elektrisch leitfähigen Schicht (20) festgestellt wird. Weitere Aspekte betreffen ein Verfahren zum Batteriemanagement, eine Batteriezelle (10) und ein Batteriesteuergerät (12), welches zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Lithium-Dendriten in einer Batteriezelle. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Batteriemanagement, eine Batteriezelle umfassend eine Anode, eine Kathode und einen Separator sowie eine Batterie umfassend mindestens eine Batteriezelle sowie ein Batteriesteuergerät, welches eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen.
  • Stand der Technik
  • Elektrische Energie kann mit Hilfe von Batterien in Form von chemischer Reaktionsenergie gespeichert werden. Hierbei wird der Begriff Batterie bzw. der Begriff Batteriezelle wie in der Umfangssprache üblich, sowohl für eine Primärbatterie bzw. Primärbatteriezelle sowie für Sekundärbatterien bzw. Sekundärzellen verwendet, wobei letztere auch als Akkumulatoren bzw. Akkumulatorzellen bezeichnet werden.
  • Eine Batterie umfasst mindestens eine positive und mindestens eine negative Elektrode, die mittels eines Separators getrennt werden. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte werden häufig Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt, die sich außerdem durch eine äußerst geringe Selbstentladung auszeichnen. Bei den in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzten Lithium-Ionen-Batteriezellen wandern während des Ladens und Entladens der Batterie Lithium-Ionen von einer Elektrode zur anderen Elektrode. Als Aktivmaterialien für die Elektroden werden häufig Interkalationsmaterialien eingesetzt, welche in der Lage sind, Lithium-Ionen reversibel ein- und wieder auszulagern. Für den Transport der Lithium-Ionen wird ein sogenannter Lithium-Ionen-Leiter verwendet. Bei den derzeit verwendeten Lithium-Ionen-Batteriezellen, die beispielsweise im Consumerbereich (Mobiltelefon, MP3-Player, usw.) oder als Energiespeicher in Elektro- oder Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, ist der Lithium-Ionen-Leiter häufig ein Flüssig-Elektrolyt, welcher beispielsweise das Lithium-Leitsalz Lithium-Hexa-Fluorophosphat (LiPF6) in organischen Lösungsmitteln gelöst enthält.
  • Ein üblicherweise eingesetztes Interkalationsmaterial für eine Anode einer Lithium-Ionen-Batterie ist Graphit. Beim Aufladen der Batterie werden Lithium-Ionen im Graphit eingelagert. Durch Überladen der Batterie oder durch eine Alterung der Anode ist es jedoch möglich, dass sich die Lithium-Ionen nicht gleichmäßig im Graphit einlagern, sondern in Form von Lithium-Nadeln auf dem Graphit aufwachsen. Diese Lithium-Nadeln werden auch Lithium-Dendriten genannt. Dieses Problem tritt ebenfalls bei der Verwendung von metallischem Lithium als Anode auf. Bei einer metallischen Lithium-Anode wird Lithium beim Aufladen der Batterie auf der Anode abgeschieden. Dies geschieht häufig jedoch nicht in Form von einer planaren, metallischen Lithium-Schicht, das Lithium neigt vielmehr dazu, sich in schwammartiger poröser und dendritischer Form abzuscheiden.
  • Wachsen die Lithium-Dendriten in ihrer Größe immer weiter an, kommt es irgendwann zu einem Kontakt zwischen den Lithium-Dendriten und dem Separator der Batteriezelle. Sollte ein Lithium-Dendrit den Separator durchstoßen und somit beschädigen, kann der Separator seine Funktion, nämlich die Anode von der Kathode sowohl elektrisch als auch mechanisch zu isolieren, nicht mehr erfüllen. Es kann somit zu einem Kurzschluss zwischen Anode und Kathode kommen. Ein solcher Kurzschluss hat zur Folge, dass sich die Batteriezelle stark erwärmt, so dass Brandgefahr besteht. Das Auftreten von Lithium-Dendriten stellt somit ein großes Sicherheitsproblem dar.
  • Aus US 5,729,116 A ist ein Verfahren zum Aufladen einer Lithium-Ionen-Batterie bekannt, bei dem Zustandsparameter wie die Spannung der Batterie überwacht werden. Dazu wird der Ladevorgang periodisch unterbrochen und beispielsweise eine Spannung der Batteriezelle gemessen. Anhand dieser Zustandsparameter wird überwacht, ob sich Dendriten bilden. Werden Dendriten erkannt, wird der Ladevorgang gestoppt.
  • Nachteilig am Stand der Technik ist, dass zwar auftretende Lithium-Dendriten erkannt werden können, jedoch keine Möglichkeit besteht, diese aus der Batteriezelle zu entfernen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird ein Verfahren zum Erkennen von Lithium-Dendriten in einer Batteriezelle vorgeschlagen. Die Batteriezelle umfasst eine Anode, eine Kathode und einen Separator, wobei der Separator zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist und diese elektrisch und mechanisch voneinander trennt. Dabei ist vorgesehen, dass der Separator eine elektrisch leitfähige Schicht umfasst und in einem ersten Verfahrensschritt a) eine Spannung oder ein elektrischer Widerstand zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und der Anode gemessen wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt b) auf das Vorhandensein eines Lithium-Dendriten geschlossen wird, wenn anhand der Messung ein Kurzschluss zwischen der Anode und der elektrisch leitfähigen Schicht festgestellt wird.
  • Die Batteriezelle weist Terminale auf, über die die Anode und die Kathode von außen elektrisch kontaktiert werden können. Des Weiteren ist ein zusätzlicher Kontakt vorgesehen, mit dem die elektrisch leitfähige Schicht des Separators von außen elektrisch kontaktiert werden kann. Zur Durchführung der Messung gemäß des Verfahrensschritts a) kann je nach Ausführungsvariante eine Spannung zwischen der Anode und der elektrisch leitfähigen Schicht oder ein elektrischer Widerstand zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und der Anode gemessen werden. Im ersten Fall wird die elektrische Spannung zwischen der Anode und der elektrisch leitfähigen Schicht über eine Spannungsmesseinheit ermittelt. Die Spannungsmesseinheit kann beispielsweise ein Voltmeter sein und insbesondere Teil eines Batteriesteuergeräts sein.
  • Im zweiten Fall wird ein elektrischer Widerstand zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und der Anode bestimmt, indem ein elektrischer Strom zwischen der Anode und der elektrisch leitfähigen Schicht gemessen wird. Dazu kann eine Strommesseinheit verwendet werden, die beispielsweise als Ampèremeter ausgeführt ist und insbesondere als ein Teil eines Batteriesteuergeräts ausgeführt sein kann. Dabei wird von der Strommesseinheit eine elektrische Spannung zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und der Anode angelegt, um den elektrische Strom zu erzeugen.
  • Im Normalfall besteht zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht des Separators und der Anode kein direkter Kontakt, so dass ein elektrischer Strom nur durch einen Transport von Ionen möglich ist. Wachsen auf der Anode jedoch Lithium-Dendriten auf, verringert sich zunehmend die Distanz, die von den Ionen zwischen der Anode und der elektrisch leitfähigen Schicht des Separators zurückgelegt werden muss. Ist das Wachstum eines Lithium-Dendriten soweit fortgeschritten, dass der Lithium-Dendrit die elektrisch leitfähige Schicht des Separators berührt, so kann direkt ein elektrischer Strom zwischen Anode und der elektrisch leitfähigen Schicht durch das metallische Lithium fließen. Eine solche direkte elektrische Verbindung zwischen Anode und der elektrisch leitfähigen Schicht hat zur Folge, dass eine Spannung zwischen der Anode und der elektrisch leitfähigen Schicht stark einbricht. Ebenso wird der elektrische Widerstand zwischen der Anode und der elektrisch leitfähigen Schicht deutlich reduziert. Es liegt somit ein Kurzschluss zwischen der Anode und der elektrisch leitfähigen Schicht vor, der leicht erkannt werden kann. Wird ein solcher Kurzschluss zwischen der Anode und der elektrisch leitfähigen Schicht festgestellt, so wird auf die Anwesenheit eines Lithium-Dendriten geschlossen.
  • Für die Beurteilung, ob ein Kurzschluss vorliegt, kann ein Grenzwert für die gemessene Spannung oder den elektrischen Widerstand vorgegeben werden. Ein Kurzschluss wird dann erkannt, sofern die gemessene Spannung zwischen Anode und der elektrisch leitfähigen Schicht unter den vorgegebenen Grenzwert fällt bzw. wenn der elektrische Wiedersand unter den vorgegebenen Grenzwert fällt. In weiteren Varianten des Verfahrens ist es außerdem denkbar, für das Erkennen des Kurzschlusses beide Kriterien zu verwenden, also sowohl die Spannung als auch den Wiederstand zu bestimmen.
  • Das vorgeschlagene Verfahren wird bevorzugt am Ende eines Ladevorgangs der Batteriezelle durchgeführt. Alternativ hierzu oder zusätzlich hierzu ist es bevorzugt, wenn das Verfahren ein oder mehrere Male während eines Ladevorgangs der Batteriezelle durchgeführt wird.
  • Während eines Ladevorgangs der Batteriezelle werden Lithium-Ionen von der Kathode in Richtung Anode transportiert und lagern sich an der Anode an. Da Lithium-Dendriten dadurch entstehen, dass diese Anlagerung ungleichmäßig erfolgt, und diese Anlagerung selbst wiederum nur bei einem Laden der Batterie erfolgt, ist es in der Regel ausreichend, das Verfahren während des Aufladens oder direkt nach dem Beenden eines Ladevorgangs durchzuführen.
  • Als mögliche Reaktionen auf das Erkennen eines Lithium-Dendriten gemäß Schritt b) des Verfahrens kann vorgesehen werden, dass die Batteriezelle abgeschaltet wird oder, sofern die Batteriezelle ein Teil eines Batteriemoduls mit mehreren Batteriezellen ist, dass bei Erkennen eines Lithium-Dendriten das gesamte Batteriemodul abgeschaltet wird oder, sofern die Batteriezelle ein Teil einer Batterie mit mehreren Batteriemodulen ist, dass bei Erkennen eines Lithium-Dendriten die gesamte Batterie abgeschaltet wird.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn nach Erkennen eines Lithium-Dendriten gemäß Schritt b) des Verfahrens in einem dritten Schritt c) mindestens ein Stromimpuls zwischen der Anode und der Kathode oder zwischen der Anode und der elektrisch leitfähigen Schicht erzeugt wird, wobei die Stärke des Stromimpulses so hoch gewählt ist, dass der Lithium-Dendrit schmilzt.
  • Die Lithium-Dendriten wachsen in Form von dünnen Nadeln auf der Anode an. Da der elektrische Widerstand des metallischen Lithiums der Lithium-Dendriten erheblich geringer ist, als bei dem durch den Lithium-Ionen vermittelten Stromtransport, fließt bei Anlegen eines Stromimpulses ein Großteil des Stroms durch den Lithium-Dendriten ab. Durch den Stromfluss durch den Lithium-Dendriten wird dieser stark erwärmt und, sofern der Stromimpuls groß genug gewählt ist, schmilzt der Lithium-Dendrit. Die Stärke der Stromimpulse wird dabei abhängig von der Elektrodenfläche gewählt und kann beispielsweise im Bereich von 1 mA/cm2 bis 1000 mA/cm2 betragen. Bevorzugt liegt die Stärke der Stromimpulse im Bereich von 5 mA/cm2 bis 100 mA/cm2. Dabei wird bevorzugt zwischen zwei einzelnen Stromimpulsen eine kurze Pause zur Relaxation eingelegt, damit die Elektroden wieder abkühlen können. Die Länge einer Pause liegt im Bereich von einer Sekunde bis 10 Minuten, bevorzugt liegt die Länge einer Pause im Bereich von 1 s bis 60 s. Die Pulsdauer liegt im Bereich von 1 ms bis 30 s, bevorzugt liegt die Pulsdauer im Bereich von 10 ms bis 10 s.
  • Bevorzugt werden 1 bis 10 Stromimpulse verwendet, besonders bevorzugt 1 bis 3 Stromimpulse.
  • Um Lithium-Reste an der elektrisch leitfähigen Schicht abzutragen, kann im Anschluss an den Schritt c) in einem vierten Schritt d) für eine vorgegebene Zeit ein Stromfluss zwischen der Anode und der elektrisch leitfähigen Schicht erzeugt werden.
  • Der Strom fließt dabei in die gleiche Richtung wie beim Aufladen des galvanischen Elements, so dass Lithium-Ionen vom Separator abgelöst und in Richtung Anode transportiert werden, wo sich die Lithium-Ionen schließlich anlagern. Die Stromstärke wird hierbei bevorzugt im Bereich von 1 mA /cm2 bis 1000 mA/cm2 gewählt, besonders bevorzugt wird eine Stromstärke von 2 mA/cm2 bis 10 mA/cm2 gewählt. Die vorgegebene Zeit liegt im Bereich von 1 s bis 10 Minuten, wobei eine Zeit von 1 s bis 10 s bevorzugt wird.
  • Nach dem Beenden des Schritts c) und gegebenenfalls auch dem Beenden des Schritts d) kann das Verfahren erneut durchlaufen werden. Dadurch wird überprüft, ob die in den Verfahrensschritten c) und d) eingeleiteten Maßnahmen zum Entfernen eines Lithium-Dendrits erfolgreich waren. Kann kein Lithium-Dendrit mehr ermittelt werden, so kann das Verfahren abgeschlossen werden. Wird weiterhin das Vorhandensein eines Lithium-Dendriten erkannt, so können die Schritte c) und gegebenenfalls auch Schritt d) erneut durchlaufen werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft das Bereitstellen einer Batteriezelle umfassend eine Anode, eine Kathode und ein Separator. Die Batteriezelle ist dabei bevorzugt als Lithium-Ionen-Batteriezelle oder Lithium-Metall-Batteriezelle ausgeführt. Dabei ist vorgesehen, dass der Separator eine elektrisch leitfähige Schicht umfasst und die Batteriezelle so ausgestaltet ist, dass die elektrisch leitfähige Schicht von außerhalb der Batteriezelle elektrisch kontaktierbar ist, so dass eine Messung einer Spannung oder eines elektrischen Widerstands zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und der Anode ermöglicht wird.
  • Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, umfassen üblicherweise einen Stromableiter sowie ein Aktivmaterial. Über den Stromableiter werden die Elektroden elektrisch kontaktiert und sind über Terminale von außerhalb der Batteriezelle kontaktierbar. Das Aktivmaterial ist in der Regel eine Mischung, die neben einem Kathodenaktivmaterial bzw. einem Anodenaktivmaterial Zusätze wie beispielsweise Bindemittel, Elektrolyte oder Zusätze zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit umfasst.
  • Als Stromableiter werden in der Regel Metallfolien eingesetzt, wobei für die Kathode üblicherweise eine Aluminiumfolie verwendet wird und für die Anode üblicherweise eine Kupferfolie verwendet wird.
  • Als Aktivmaterial für die Kathode eignen sich beispielsweise ein lithiiertes Übergangsmetall-Oxid, ein lithiiertes Übergangsmetall-Spinell oder ein Olivin.
  • Das Aktivmaterial für die Anode ist beispielsweise ausgewählt aus einem Kohlenstoff, Graphit, Lithium, einer Lithium-Legierung, einem Lithium-Kohlenstoff-Komposit oder einem Übergangsoxid. Dabei verwenden Lithium-Metallbatteriezellen metallisches Lithium als Anodenmaterial.
  • Um die Ionenleitfähigkeit zu gewährleisten, umfasst die Batteriezelle in der Regel zudem einen Elektrolyten. Dieser liegt häufig in flüssiger Form vor, es können jedoch auch Festkörperelektrolyten verwendet werden.
  • Die Anode, die Kathode, der Separator und der Elektrolyt bilden dabei ein galvanisches Element. Je nach Ausführungsform der Batteriezelle umfasst diese mehr als ein solches galvanisches Element, wobei jeweils ein Separator zwischen der jeweiligen Anode und der jeweiligen Kathode angeordnet ist und jeder Separator eine elektrisch leitfähige Schicht umfasst.
  • Die elektrisch leitfähige Schicht des Separators ist bevorzugt als Metallnetz, als Kohlenstoffnetz, als Kohlenstoffvlies, als leitfähiges Polymer oder leitfähige Matrix ausgeführt. Die elektrisch leitfähige Schicht kann dabei je nach Ausführungsvariante im Inneren des Separators aufgenommen sein oder an der der Anode zugewandten Seite des Separators angeordnet sein.
  • Die Batteriezelle weist Terminale auf, über die die Anode bzw. die Kathode der Batteriezelle von außen kontaktiert sind. Des Weiteren weist die Batteriezelle einen zusätzlichen Anschluss auf, über den die elektrisch leitfähige Schicht des Separators von außen elektrisch kontaktiert wird.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriesteuergerät, welches eingerichtet ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren auszuführen. Dementsprechend gelten im Rahmen des Verfahrens beschriebene Merkmale für das Batteriesteuergerät und umgekehrt im Rahmen des Batteriesteuergeräts beschriebene Merkmale entsprechend für die Verfahren.
  • Das Batteriesteuergerät umfasst eine Messeinheit, welche zum Messen einer Spannung und/oder eines Stroms zwischen einer Anode und einer elektrisch leitfähigen Schicht eines Separators einer Batteriezelle eingerichtet ist. Dazu weist das Batteriesteuergerät entsprechende Anschlüsse auf, mit denen das Batteriesteuergerät mit den Batterieterminalen sowie dem elektrischen Anschluss für die elektrisch leitfähige Schicht des Separators verbunden werden kann.
  • In einer Variante ist das Batteriesteuergerät insbesondere ausgebildet, eine Batteriezelle und/oder eine Batterie gebildet aus mehreren Batteriezellen und/oder Batteriemodulen aufzuladen. Dabei ist vorgesehen, dass das beschriebene Verfahren am Ende des Ladevorgangs und/oder während des Ladevorgangs ausgeführt wird.
  • Des Weiteren ist vorgesehen, dass das Batteriesteuergerät eingerichtet ist Stromimpulse zu erzeugen, so dass ein Strom zwischen Anode und Kathode oder zwischen der Anode und der elektrisch leitfähigen Schicht des Separators fließt. Dabei wird die Stromstärke eines Strompulses abhängig von der Elektrodenfläche der Batteriezelle gewählt und liegt beispielsweise zwischen 1 mA/cm und 1000 mA/cm2, bevorzugt zwischen 5 mA/cm2 und 100 mA/cm2.
  • Vorteile der Erfindung
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechend eingerichteten Batteriezelle sowie dem entsprechend eingerichteten Batteriesteuergerät ist es nicht nur wie im Stand der Technik üblich möglich, die Anwesenheit eines Lithium-Dendriten zu erkennen, sondern auch Gegenmaßnahmen einzuleiten, um den Dendriten durch Abschmelzen zu beseitigen.
  • Dabei ist die Erkennung eines Lithium-Dendriten aufgrund des in der Batteriezelle angeordneten Separators mit einer elektrisch leitfähigen Schicht besonders zuverlässig. Ein Lithium-Dendrit, der den Separator berührt, erzeugt einen Kurzschluss zwischen Anode und dem Separator, der sich erfindungsgemäß leicht erkennen lässt.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle, welche mit einem Batteriesteuergerät verbunden ist und
  • 2 eine Diagramm, welches den zeitlichen Ablauf der zum Abschmelzen eines Lithium-Dendriten verwendeten Stromimpulse darstellt.
  • Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Batteriezelle 10, die mit einem Batteriesteuergerät 12 verbunden ist.
  • Die Batteriezelle 10 umfasst einen Schichtaufbau umfassend in dieser Reihenfolge eine Anode 14, einen Separator 16 und eine Kathode 18. Dieser Schichtaufbau bildet zusammen mit einem Elektrolyten ein galvanisches Element aus, wobei ein oder gegebenenfalls mehrere solcher galvanischen Elemente in einem gemeinsamen Gehäuse 11 die Batteriezelle 10 bilden. Durch das Gehäuse 11 sind zwei Terminale 40 herausgeführt, mit denen die Anode 14 und die Kathode 18 von außen elektrisch kontaktiert werden können.
  • Wie der Darstellung der 1 entnommen werden kann, umfasst der Separator 16 eine elektrisch leitfähige Schicht 20. In der in 1 gezeigten Ausführungsform befindet sich die elektrisch leitfähige Schicht 20 in der Mitte des Separators 16 und ist umgeben von einem elektrisch isolierenden Material 17. Dabei weist das elektrisch isolierende Material 17 gleichzeitig entweder eine Ionenleitfähigkeit für Lithium-Ionen auf oder ist porös ausgeführt, so dass es mit einem Elektrolyten, der Lithium-Ionen leiten kann, getränkt werden kann. Beispielsweise sind als elektrisch isolierendes Material 17 poröse Kunststofffolien, beispielsweise auf Basis von Polypropylen oder ein keramisches Material, beispielsweise auf Basis von Lithium-Granat, geeignet.
  • Die elektrisch leitfähige Schicht 20 ist so ausgeführt, dass diese für Lithium-Ionen durchlässig ist. Beispielsweise ist die elektrisch leitfähige Schicht 20 hierzu als Metallnetz, als Kohlenstoffnetz, als Kohlenstoffvlies, als leitfähiges Polymer oder als leitfähige Matrix ausgeführt. Zur Herstellung der Ionenleitfähigkeit können dann Zwischenräume der elektrisch leitfähigen Schicht 20 mit dem Elektrolyten befüllt werden. Auf diese Weise stellt die elektrisch leitfähige Schicht 20 des Separators 16 keine Barriere für die Lithium-Ionen dar. Die elektrisch leitfähige Schicht 20 kann von außerhalb der Batteriezelle 10 über einen elektrischen Kontakt 42 elektrisch kontaktiert werden.
  • Die Batteriezelle 10 ist in der in 1 dargestellten Situation mit dem Batteriesteuergerät 12 verbunden. Dazu kontaktiert das Batteriesteuergerät 12 sowohl die beiden Terminale 40 als auch den elektrischen Kontakt 42 der Batteriezelle 10. Das Batteriesteuergerät 12 umfasst eine Messeinheit 26, mit der eine Spannung zwischen der Anode 14 und der elektrisch leitfähigen Schicht 20 des Separators 16 gemessen werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Messeinheit 26 ausgebildet und eingerichtet ist, um einen Strom zwischen der Anode 14 und der elektrisch leitfähigen Schicht 20 des Separators 16 zu messen. Anhand eines zwischen Anode 14 und elektrisch leitfähiger Schicht 20 fließenden elektrischen Stroms kann auf den elektrischen Widerstand zwischen der Anode 14 und der elektrisch leitfähigen Schicht 20 geschlossen werden.
  • Wird die Batteriezelle 10 aufgeladen, dann strömen Lithium-Ionen aus Richtung der Kathode 18 durch den Separator 16 hindurch zur Anode 14. Ist die Batteriezelle 10 als Lithium-Ionen-Batteriezelle ausgeführt, so umfasst die Anode 14 beispielsweise Graphit, in dem sich Lithium-Ionen einlagern können. Im Fall einer Lithium-Metall-Batteriezelle weist die Anode 14 eine Ableiterfolie auf, an denen sich die Lithium-Ionen in Form einer Schicht aus metallischem Lithium anlagern können. In beiden Fällen kann es aufgrund von Alterungseffekten, Überladung der Batteriezelle 10, falscher Dimensionierung der Elektroden oder einem geometrischen Versatz der beiden Elektroden zueinander dazu kommen, dass sich das Lithium nicht gleichmäßig in der Anode 14 anlagert, sondern in Form von Lithium-Dendriten 22, 24 auf der Anode 14 aufwächst. In der in 1 dargestellten Situation hat ein Lithium-Dendrit 24 eine Größe erreicht, bei der er die elektrisch leitfähige Schicht des Separators 16 berührt. Es liegt nun ein Kurzschluss zwischen der Anode 14 und der elektrisch leitfähigen Schicht 20 vor. Dieser Kurzschluss kann durch die Messeinheit 26 des Batteriesteuergeräts 12 leicht erkannt werden. Misst die Messeinheit 26 eine Spannung zwischen der Anode 14 und der elektrisch leitfähigen Schicht 20, so bricht diese aufgrund des Kurzschlusses stark ein und beträgt dann nahezu Null. Misst die Messeinheit 26 einen Strom zwischen Anode 14 und der elektrisch leitfähigen Schicht 20, dann kann diese den elektrischen Widerstand zwischen der Anode 14 und der elektrisch leitfähigen Schicht 20 ermitteln, wobei beim Vorliegen eines Kurzschlusses der elektrische Widerstand sehr klein wird.
  • Nach dem Erkennen eines Kurzschlusses schließt das Batteriesteuergerät 12 auf das Vorhandensein eines Dendriten 24. Es können nun verschiedene Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Neben dem Abschalten der Batteriezelle 10 kann versucht werden, den Dendriten 24 zu zerstören. Dazu umfasst das Batteriesteuergerät 12 mindestens eine Stromquelle 28, 30. In der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst das Batteriesteuergerät 12 zwei Stromquellen 28, 30, wobei eine erste Stromquelle 28 eingerichtet ist, einen Stromimpuls zwischen der Anode 14 und der elektrisch leitfähigen Schicht 20 zu erzeugen und eine zweite Stromquelle 30 eingerichtet ist, einen elektrischen Stromimpuls zwischen der Anode 14 und der Kathode 18 zu erzeugen. In weiteren Ausführungsformen wäre es ohne weiteres denkbar, in dem Batteriesteuergerät 12 nur eine Stromquelle 28, 30 vorzusehen, beispielsweise nur die erste Stromquelle 28 oder nur die zweite Stromquelle 30 oder mit einem Schalter eine Stromquelle 28, 30 entweder mit der Kathode 18 oder der elektrisch leitfähigen Schicht 20 zu verbinden.
  • Nach Erkennen des Lithium-Dendriten 24 werden ein oder mehrere Stromimpulse mit Hilfe der ersten Stromquelle 28 oder der zweiten Stromquelle 30 erzeugt. Da der Lithium-Dendrit 24 aus einem Metall besteht weist er im Vergleich zu anderen Komponenten der Batteriezelle 10, wie beispielsweise dem Elektrolyten, eine hohe elektrische Leitfähigkeit und damit einhergehend einen geringen elektrischen Widerstand auf. Wird nun zwischen Anode 14 und Kathode 18 bzw. zwischen Anode 14 und der elektrisch leitfähigen Schicht 20 ein Stromimpuls erzeugt, so fließt der Strom zum größten Teil durch den Lithium-Dendriten 24 hindurch. Der Lithium-Dendrit 24 wird hierdurch erwärmt und, sofern der Stromimpuls stark genug gewählt wurde, erwärmt sich der Lithium-Dendrit 24 dabei so stark, dass dieser vollständig oder teilweise schmilzt.
  • Eventuell im Bereich der elektrisch leitfähigen Schicht 20 verbleibende Lithium-Reste des Lithium-Dendriten 24 können im Anschluss abgetragen werden, indem zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht 20 und der Anode 14 ein elektrischer Strom angelegt wird, beispielsweise beim Aufladen der Batteriezelle 10. Dadurch lösen sich verbliebene Lithium-Atome von der elektrisch leitfähigen Schicht 20 ab, fließen in Richtung Anode 14 und lagern sich schließlich in der Anode 14 an.
  • Nach dem Durchlaufen des Verfahrens wird mit Hilfe der Messeinheit 26 überprüft, ob nach wie vor ein Kurzschluss zwischen der Anode 14 und der elektrisch leitfähigen Schicht 20 vorliegt. Wenn nach wie vor ein Kurzschluss vorliegen sollte, können erneut Stromimpulse abgegeben werden.
  • In vorteilhaften Ausführungsvarianten ist das Batteriesteuergerät 12 als Batterieladegerät ausgeführt und somit eingerichtet, die Batteriezelle 10 bzw. aus mehreren Batteriezellen 10 zusammengesetzte Batteriemodule oder Batterien aufzuladen. Dabei ist vorgesehen, dass das Batteriesteuergerät 12 das beschriebene Verfahren zumindest am Ende des Ladevorgangs durchführt und bevorzugt ein- oder mehrmals während des Aufladens.
  • 2 zeigt einen vom Batteriesteuergerät 12 abgegebenen Strom I gegen die Zeit t. Dabei ist auf der Y-Achse der Strom I aufgetragen und auf der X-Achse die Zeit t. In der 2 sind die Zeitpunkte, an denen eine Messung durchgeführt wurde, um einen Kurzschluss zu erkennen, mit dem Bezugszeichen 34 markiert. Die Stromimpulse sind jeweils mit dem Bezugszeichen 32 gekennzeichnet. Der 2 kann entnommen werden, dass zunächst eine Messung durchgeführt wurde. Diese Messung hat ergeben, dass ein Kurzschluss vorliegt und somit wurde auf das Vorhandensein eines Dendriten 24 geschlossen. Zur Beseitigung des Dendriten 24 wurden anschließend drei Stromimpulse 32 eingeleitet. Im Anschluss an die drei Stromimpulse 32 wurde eine weitere Messung durchgeführt. Da der Dendrit 24 nach wie vor vorhanden war, wurden daraufhin weitere drei Stromimpulse 32 abgegeben.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5729116 A [0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Erkennen von Lithium-Dendriten (24) in einer Batteriezelle (10), wobei die Batteriezelle (10) eine Anode (14), eine Kathode (18) und einen Separator (16) umfasst und wobei der Separator (16) zwischen der Anode (14) und der Kathode (18) angeordnet ist und diese elektrisch und mechanisch voneinander trennt, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (16) eine elektrisch leitfähige Schicht (20) umfasst und in einem ersten Schritt a) eine Spannung oder ein elektrischer Widerstand zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht (20) und der Anode (14) gemessen wird, wobei in einem zweiten Schritt b) auf das Vorhandensein eines Lithium-Dendriten (24) geschlossen wird, wenn anhand der Messung ein Kurzschluss zwischen der Anode (14) und der elektrisch leitfähigen Schicht (20) festgestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kurzschluss erkannt wird, wenn die gemäß Schritt a) gemessene Spannung oder der elektrische Widerstand unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren am Ende eines Ladevorgangs der Batteriezelle (10) durchgeführt wird und/oder dass das Verfahren ein oder mehrere Male während eines Ladevorgangs der Batteriezelle (10) durchgeführt wird.
  4. Verfahren zum Batteriemanagement, wobei zunächst ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgeführt wird und bei Erkennen eines Lithium-Dendriten (24) gemäß Schritt b) die Batteriezelle (10) abgeschaltet wird oder, sofern die Batteriezelle (10) ein Teil eines Batteriemoduls mit mehreren Batteriezellen (10) ist, dass bei Erkennen eines Lithium-Dendriten (24) das Batteriemodul abgeschaltet wird oder, sofern die Batteriezelle (10) ein Teil einer Batterie mit mehreren Batteriemodulen ist, dass bei Erkennen eines Lithium-Dendriten (24) die gesamte Batterie abgeschaltet wird.
  5. Verfahren zum Batteriemanagement, wobei zunächst ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder das Verfahren nach Anspruch 4 ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen eines Lithium-Dendriten (24) gemäß Schritt b) in einem dritten Schritt c) mindestens ein Stromimpuls (32) zwischen der Anode (14) und der Kathode (18) oder zwischen der Anode (14) und der elektrisch leitfähigen Schicht (20) erzeugt wird, wobei die Stärke des Stromimpulses (32) so hoch gewählt ist, dass der Lithium-Dendrit (24) schmilzt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei im Anschluss an Schritt c) in einem vierten Schritt d) für eine vorgegebene Zeit ein Stromfluss zwischen der Anode (14) und der elektrisch leitfähigen Schicht (20) erzeugt wird, um Lithium-Reste von der elektrisch leitfähigen Schicht (20) abzutragen.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt c) und gegebenenfalls nach dem Beenden des Schritts d) das Verfahren erneut durchlaufen wird.
  8. Batteriezelle (10) umfassend eine Anode (14), eine Kathode (18) und einen Separator (16), wobei die Batteriezelle (10) eine Lithium-Ionen Batteriezelle oder Lithium-Metall Batteriezelle ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (16) eine elektrisch leitfähige Schicht (20) umfasst, wobei die Batteriezelle (10) so ausgestaltet ist, dass die elektrisch leitfähige Schicht (20) von außerhalb der Batteriezelle (10) elektrisch kontaktierbar ist, so dass eine Messung einer Spannung oder eines elektrischen Widerstands zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht (20) und der Anode (14) ermöglicht wird.
  9. Batteriezelle (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht (20) als Metallnetz, als Kohlenstoffnetz, als Kohlenstoffflies, als leitfähiges Polymer oder als leitfähige Matrix ausgeführt ist.
  10. Batteriesteuergerät (12) umfassend eine Messeinheit (26), welche zum Messen einer Spannung und/oder eines Stroms eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesteuergerät (12) eingerichtet ist, eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
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