DE102014219451A1 - Galvanic element - Google Patents

Galvanic element Download PDF

Info

Publication number
DE102014219451A1
DE102014219451A1 DE102014219451.2A DE102014219451A DE102014219451A1 DE 102014219451 A1 DE102014219451 A1 DE 102014219451A1 DE 102014219451 A DE102014219451 A DE 102014219451A DE 102014219451 A1 DE102014219451 A1 DE 102014219451A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
galvanic element
separator
cathode
anode
critical temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102014219451.2A
Other languages
German (de)
Inventor
Joachim Fetzer
Alexander Reitzle
Marc Heydemann
Ralf Angerbauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102014219451.2A priority Critical patent/DE102014219451A1/en
Priority to CN201580052057.9A priority patent/CN107004807A/en
Priority to PCT/EP2015/070424 priority patent/WO2016045956A1/en
Publication of DE102014219451A1 publication Critical patent/DE102014219451A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411Organic material
    • H01M50/414Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/417Polyolefins
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411Organic material
    • H01M50/414Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/423Polyamide resins
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411Organic material
    • H01M50/414Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/426Fluorocarbon polymers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • H01M50/457Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure comprising three or more layers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065Solid electrolytes
    • H01M2300/0082Organic polymers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0088Composites
    • H01M2300/0094Composites in the form of layered products, e.g. coatings
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Cell Separators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element (10), umfassend eine Anode (18), eine Kathode 14) und einen Separator (16), der die Anode (18) und die Kathode (14) mechanisch und elektrisch voneinander trennt, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (16) eingerichtet ist, einen Ionenstrom zwischen Anode (18) und Kathode (14) zu blockieren, wenn die Temperatur des galvanischen Elements (10) eine kritische Temperatur überschreitet, wobei der Separator (16) eingerichtet ist, den Ionenstrom wieder freizugegeben, wenn die Temperatur des galvanischen Elements (10) wieder unter die kritische Temperatur fällt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batteriezelle umfassend ein solches galvanisches Element (10) sowie eine Batterie umfassend mehrere solcher Batteriezellen.The invention relates to a galvanic element (10) comprising an anode (18), a cathode 14) and a separator (16) which mechanically and electrically separates the anode (18) and the cathode (14), characterized in that the separator (16) is arranged to block an ion current between the anode (18) and the cathode (14) when the temperature of the galvanic element (10) exceeds a critical temperature, the separator (16) being arranged to release the ion current when the temperature of the galvanic element (10) falls below the critical temperature again. Furthermore, the invention relates to a battery cell comprising such a galvanic element (10) and a battery comprising a plurality of such battery cells.

Description

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element, umfassend eine Anode, eine Kathode und einen Separator. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batteriezelle umfassend ein solches galvanisches Element sowie eine Batterie umfassend mehrere solcher Batteriezellen. The invention relates to a galvanic element comprising an anode, a cathode and a separator. Furthermore, the invention relates to a battery cell comprising such a galvanic element and a battery comprising a plurality of such battery cells.

Stand der TechnikState of the art

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), wobei während des Ladens und Entladens der Batterie Lithium-Ionen von einer Elektrode zur anderen Elektrode wandern. Für den Transport der Lithium-Ionen ist ein sogenannter Lithium-Ionen-Leiter notwendig. Bei den derzeit verwendeten Lithium-Ionen-Zellen, die beispielsweise im Consumer-Bereich (Mobiltelefon, MP3 Player, usw.) oder als Energiespeicher in Elektro- oder Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, ist der Lithium-Ionen-Leiter ein Flüssig-Elektrolyt, welcher häufig das Lithium-Leitsalz Lithium-Hexa-Fluorophosphat (LiPF6) in organischen Lösemitteln gelöst enthält. Eine Lithium-Ionen-Zelle umfasst die Elektroden, den Lithium-Ionen-Leiter, einen Separator, der die beiden Elektroden elektrisch und mechanisch voneinander trennt, sowie Stromableiter, die die elektrischen Anschlüsse herstellen. Among other things, lithium-ion batteries are characterized by a very high specific energy and extremely low self-discharge. Lithium-ion cells have at least one positive and at least one negative electrode (cathode or anode), wherein during charging and discharging of the battery, lithium ions migrate from one electrode to the other electrode. For the transport of lithium ions, a so-called lithium-ion conductor is necessary. In the lithium-ion cells currently used, which are used for example in the consumer sector (mobile phone, MP3 player, etc.) or as energy storage in electric or hybrid vehicles, the lithium-ion conductor is a liquid electrolyte, which often contains the lithium-conducting salt lithium hexa-fluorophosphate (LiPF 6 ) dissolved in organic solvents. A lithium-ion cell includes the electrodes, the lithium-ion conductor, a separator that separates the two electrodes electrically and mechanically, and current conductors that make the electrical connections.

Die Lithium-Ionen-Zellen können in einer Verpackung eingeschlossen sein. 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 Verpackungen auch feste Metallgehäuse zum Einsatz, zum Beispiel in Form von tiefgezogenen oder fließgepressten Gehäuseteilen. In diesem Fall spricht man von festem Gehäuse oder Hardcase. The lithium-ion cells may be enclosed in a package. For example, aluminum composite films are used as packaging. So packaged cells are also referred to as a pouch or soft pack because of their soft packaging. In addition to softpack packaging design, solid metal housings are also used as packaging, for example in the form of deep-drawn or extruded housing parts. In this case we speak of a solid housing or hardcase.

Entscheidend für die Sicherheit der Lithium-Ionen-Zellen ist, dass ein interner Kurzschluss zwischen den Elektroden unterschiedlicher Polarität ausgeschlossen ist, wobei gleichzeitig ein ungehinderter Ionenfluss möglich sein muss. Dazu werden Separatoren verwendet, die die Anode sowie die Kathode sowohl mechanisch als auch elektrisch voneinander isolieren, wobei eine Ionenleitung durch den Separator hindurch möglich ist. Als Materialien eignen sich vorwiegend feinporige Folien aus Kunststoff sowie Vliesstoffe aus Glasfasern. Auch Folien aus Keramik werden mittlerweile als Separator eingesetzt, wobei diese besonders temperaturbeständig sind. Decisive for the safety of lithium-ion cells is that an internal short circuit between the electrodes of different polarity is excluded, at the same time an unimpeded flow of ions must be possible. For this purpose, separators are used which insulate both the anode and the cathode both mechanically and electrically from one another, with ionic conduction through the separator being possible. The materials are mainly fine-pored plastic films and nonwovens made of glass fibers. Also ceramic films are now used as a separator, which are particularly temperature resistant.

Des Weiteren ist es wichtig, dass die Lithium-Ionen-Zellen immer im zulässigen Spannungsbereich betrieben werden. Eine maximale Ladespannung von 4,2 Volt und minimale Entladespannung von 2,5 Volt sollten nicht über- bzw. unterschritten werden. Kommt es zu einer Überladung der Lithium-Ionen-Zelle, d. h. die maximale Ladespannung von 4,2 Volt wird überschritten, kann sich metallisches Lithium an der Anode ablagern. Das Kathodenmaterial wird dann zum oxidierenden Element und verliert seine Stabilität. Des Weiteren kann das an der Anode abgelagerte metallische Lithium in Form von Dendriten an der Anode aufwachsen, die den Separator beschädigen können. In der Folge kommt es zu einem internen Kurzschluss in der Lithium-Ionen-Zelle. Durch den fließenden Kurzschlussstrom und den inneren Widerstand in der Lithium-Ionen-Zelle heizt sich die Lithium-Ionen-Zelle immer weiter auf, wodurch es zu einem Brand und im schlimmsten Fall zu einer Explosion kommen kann. Dies wird als thermisches Durchgehen der Zelle bezeichnet. Furthermore, it is important that the lithium-ion cells are always operated within the permissible voltage range. A maximum charging voltage of 4.2 volts and a minimum discharge voltage of 2.5 volts should not be exceeded or fallen below. If there is an overload of the lithium-ion cell, d. H. the maximum charging voltage of 4.2 volts is exceeded, metallic lithium can deposit on the anode. The cathode material then becomes the oxidizing element and loses its stability. Furthermore, the metallic lithium deposited on the anode can grow in the form of dendrites at the anode, which can damage the separator. As a result, there is an internal short circuit in the lithium-ion cell. Due to the flowing short-circuit current and the internal resistance in the lithium-ion cell, the lithium-ion cell heats up further, which can lead to a fire and in the worst case to an explosion. This is called thermal runaway of the cell.

Aus US 2013/0017431A1 ist ein Separator für Lithium-Ionen-Batterien bekannt. Der Separator umfasst eine Membran, die aus einem feinen Geflecht mit Poren mit eine Größe zwischen 0,1 bis 5 µm besteht. Des Weiteren umfasst der Separator eine Beschichtung mit thermoplastischen Partikeln. Über die Poren im Separator ist eine Ionenleitung möglich. Wird der Separator über eine vorgegebene Grenztemperatur hinaus erwärmt, schmelzen die Partikel und blockieren die Poren zumindest teilweise, so dass der Widerstand für einen Ionenstrom durch den Separator um mindestens 50 % ansteigt. Out US 2013 / 0017431A1 is a separator known for lithium-ion batteries. The separator comprises a membrane consisting of a fine mesh with pores having a size between 0.1 to 5 μm. Furthermore, the separator comprises a coating with thermoplastic particles. Via the pores in the separator, ionic conduction is possible. When the separator is heated above a predetermined limit temperature, the particles will melt and at least partially block the pores so that the ionic current resistance through the separator increases by at least 50%.

Aus DE 102 38 945 B4 ist ein Separator mit Abschaltfunktion für Lithium-Batterien bekannt. Der Separator umfasst einen porösen Träger und eine Abschaltschicht aus Partikeln, die bei einer vorgegebenen Temperatur schmelzen und die Poren des Separators verschließen. Out DE 102 38 945 B4 is a separator with shutdown function for lithium batteries known. The separator comprises a porous carrier and a shut-off layer of particles which melt at a given temperature and close the pores of the separator.

Nachteilig am Stand der Technik ist, dass auch nach einer Normalisierung der Temperaturverhältnisse die Ionenleitfähigkeit des Separators vermindert bleibt. Die Batterie wird somit unbrauchbar und muss in jedem Fall ersetzt werden. A disadvantage of the prior art is that even after a normalization of the temperature conditions, the ion conductivity of the separator remains reduced. The battery is thus unusable and must be replaced in any case.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird ein galvanisches Element vorgeschlagen, umfassend eine Anode, eine Kathode und einen Separator, der die Anode und die Kathode mechanisch und elektrisch voneinander trennt, wobei der Separator eingerichtet ist, bei einer Überschreitung einer kritischen Temperatur des galvanischen Elements einen Ionenstrom zwischen Anode und Kathode zu blockieren, und wobei der Separator eingerichtet ist, den Ionenstrom wieder freizugeben, wenn die Temperatur wieder unter die kritische Temperatur fällt. It is proposed a galvanic element comprising an anode, a cathode and a separator which mechanically and electrically separates the anode and the cathode from each other, wherein the separator is arranged, when exceeding a critical temperature of the galvanic element, an ion current between the anode and cathode and the separator is arranged to release the ionic current when the temperature falls below the critical temperature again.

Ein solches galvanisches Element umfasst einen Schichtstapel, der in dieser Reihenfolge einen der Anode zugeordneten Stromableiter, die Anode, den Separator, die Kathode und einen der Kathode zugeordneten Stromableiter umfasst. Such a galvanic element comprises a layer stack comprising, in this order, a current collector associated with the anode, the anode, the separator, the cathode and a current collector associated with the cathode.

Die Stromableiter sind typischerweise als Metallfolien ausgeführt, wobei für den der Anode zugeordneten Stromableiter beispielsweise Kupferfolien mit Dicken zwischen 6 µm und 12 µm eingesetzt werden. Für den der Kathode zugeordneten Stromableiter wird üblicherweise ebenfalls eine Metallfolie verwendet, wobei als Kathode beispielsweise eine Aluminiumfolie mit einer Dicke zwischen 13 µm und 15 µm eingesetzt wird. Alternativ ist es denkbar, statt Metallfolien auch ein Trägermaterial wie eine Kunststofffolie mit einer Metallbeschichtung zu versehen. The current conductors are typically designed as metal foils, for example copper foils with thicknesses between 6 .mu.m and 12 .mu.m being used for the current conductor associated with the anode. For the current collector associated with the cathode, a metal foil is also usually used, wherein the cathode used is, for example, an aluminum foil with a thickness of between 13 μm and 15 μm. Alternatively, it is conceivable to provide a carrier material such as a plastic film with a metal coating instead of metal foils.

Die Elektroden umfassen eine Aktivmaterialmischung, die beispielsweise neben einem Aktivmaterial auch weitere Zusätze, insbesondere zur Verbesserung der Leitfähigkeit, umfasst. The electrodes comprise an active material mixture which, for example, in addition to an active material and other additives, in particular for improving the conductivity comprises.

Im Fall der Kathode wird das Kathodenaktivmaterial beispielsweise ausgewählt aus einem lithiierten Übergangsmetalloxid, beispielsweise Li(NiCoMn)O2, LiMn2O4 (oder höherer Lithiumgehalt), Li2MO3-LiMO2 (wobei M beispielsweise Ni, Co, Mn, Mo, Cr, Fe, Ro oder V ist), LiMPO4 (wobei M beispielsweise Fe, Ni, Co, Mn ist), Li (Ni0,5Mn1,5) O4 (oder höherer Lithiumgehalt), LiXV2O5, LiXV3O8 oder weitere dem Fachmann bekannte Kathodenmaterialien wie Borate, Phosphate, Fluorophosphate, Silikate oder Kompositwerkstoffe. For example, in the case of the cathode, the cathode active material is selected from a lithiated transition metal oxide such as Li (NiCoMn) O 2 , LiMn 2 O 4 (or higher lithium content), Li 2 MO 3 -LiMO 2 (where M is Ni, Co, Mn, Mo , Cr, Fe, Ro or V), LiMPO 4 (where M is, for example, Fe, Ni, Co, Mn), Li (Ni 0.5 Mn 1.5 ) O 4 (or higher lithium content), Li X V 2 O 5 , Li X V 3 O 8 or further cathode materials known to the person skilled in the art, such as borates, phosphates, fluorophosphates, silicates or composite materials.

Ein geeigneter Kompositwerkstoff umfasst beispielsweise eine Mischung aus Schwefelpartikeln als Aktivmaterial, Graphit und Leitruß um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen und ggf. einem Binder wie z. B. PVdF (Polyvinylidenfluorid). In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Kompositwerkstoff eine Mischung von gegebenenfalls Kohlenstoff sowie Nanopartikeln von LiF und einem Metall, wie z.B. Fe, Cu, Ni. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Kompositwerkstoff eine Mischung von gegebenenfalls Kohlenstoff sowie Nanopartikeln von Li2S und einem Metall, wie z.B. Fe, Cu, Ni. In einer anderen Ausführungsform ist die Prälithiierung des Metalls bereits erfolgt und der Kompositwerkstoff besteht aus Kohlenstoff und einem Li-haltigen Metallhydrid, -sulfid, -fluorid oder –nitrid.A suitable composite material comprises, for example, a mixture of sulfur particles as active material, graphite and Leitruß to increase the electrical conductivity and optionally a binder such. B. PVdF (polyvinylidene fluoride). In a further embodiment, the composite material comprises a mixture of optionally carbon and nanoparticles of LiF and a metal, such as Fe, Cu, Ni. In a further embodiment, the composite material comprises a mixture of optionally carbon and nanoparticles of Li 2 S and a metal, such as Fe, Cu, Ni. In another embodiment, the prelialization of the metal has already taken place and the composite material consists of carbon and a Li-containing metal hydride, sulfide, fluoride or nitride.

Im Fall der Anode ist das Aktivmaterial beispielsweise ausgewählt aus einem Graphit, Silizium oder einem Konversionsmaterial.In the case of the anode, the active material is for example selected from a graphite, silicon or a conversion material.

Als Additive können den Aktivmaterialien beispielsweise elektrisch leitfähige oder ionenleitfähige Materialien zugegeben werden. Beispielsweise kann das elektrisch leitfähige Material ausgewählt sein aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, einem Leitruß, Graphen, Graphit oder einer Kombination mindestens zweier dieser Materialien.As additives, for example, electrically conductive or ion-conductive materials may be added to the active materials. For example, the electrically conductive material may be selected from carbon nanotubes, a Leitruß, graphene, graphite or a combination of at least two of these materials.

Der Separator ist bevorzugt in Form einer Membran aus einem elektrisch isolierenden und ionenleitenden Material ausgeführt, wobei zur Verringerung des Widerstands bei der Ionenleitung der Separator möglichst dünn ausgeführt ist. Typische Dicken des Separators betragen von 1 µm bis 10µm. Als Materialien für den Separator eignen sich insbesondere feinporige Folien aus Kunststoff, beispielsweise Polyethylen, Polypropylen oder Vliesstoffe aus Glasfasern. The separator is preferably designed in the form of a membrane of an electrically insulating and ion-conducting material, wherein the separator is designed to be as thin as possible in order to reduce the resistance in the ionic line. Typical thicknesses of the separator are from 1 μm to 10 μm. Particularly suitable materials for the separator are fine-pored films made of plastic, for example polyethylene, polypropylene or non-woven materials made of glass fibers.

In weiteren Ausführungsformen kann der Separator auch eine Keramikmembran umfassen, beispielsweise eignet sich als Material hierbei Lithiumgranat. Weitere mögliche Materialien sind beispielsweise Polymere wie Polyvinylidenfluorid (PVDF). Um einen temperaturabhängigen Widerstand bei der Ionenleitung durch den Separator hindurch zu erreichen, umfasst der Separator zudem ein Funktionsmaterial, dessen Ionenleitfähigkeit, insbesondere die Leitfähigkeit für Lithium-Ionen, abhängig von der Temperatur ist. Dabei ist das Funktionsmaterial so ausgewählt, dass dessen Ionenleitfähigkeit unterhalb einer kritischen Temperatur gut ist und oberhalb einer kritischen Temperatur schlecht ist. Zusätzlich oder alternativ kann das Funktionsmaterial so ausgewählt sein, dass umgekehrt die Ionenleitung oberhalb einer weiteren kritischen Temperatur gut ist und unterhalb der weiteren kritischen Temperatur schlecht ist. Hierbei werden Ionenleitfähigkeiten größer als 10–3 S/cm–1 als gute Leitfähigkeit und Ionenleitfähigkeiten kleiner als 10–3 S/cm–1, insbesondere kleiner als 10–5 S/cm–1, als schlechte Leitfähigkeit angesehen. Bevorzugt werden dabei Funktionsmaterialien, deren Ionenleitfähigkeit oberhalb einer kritischen Temperatur sogar vollständig verschwindet, was eine Leitfähigkeit unterhalb von 10–6 S/cm–1 bedeutet.In further embodiments, the separator may also comprise a ceramic membrane, for example, the material used here is lithium garnet. Further possible materials are, for example, polymers such as polyvinylidene fluoride (PVDF). In order to achieve a temperature-dependent resistance during the ion conduction through the separator, the separator also comprises a functional material whose ionic conductivity, in particular the conductivity for lithium ions, is dependent on the temperature. In this case, the functional material is selected so that its ionic conductivity below a critical temperature is good and above a critical temperature is poor. Additionally or alternatively, the functional material may be selected such that, conversely, the ionic conduction above a further critical temperature is good and below the further critical temperature is poor. In this case, ionic conductivities greater than 10 -3 S / cm -1 as good conductivity and ionic conductivities smaller than 10 -3 S / cm -1 , in particular smaller than 10 -5 S / cm -1 , are regarded as poor conductivity. Preference is given to functional materials whose ionic conductivity above a critical temperature even completely disappears, which means a conductivity below 10 -6 S / cm -1 .

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die kritische Temperatur so gewählt, dass diese zwischen 45 °C und 80 °C liegt. Besonders bevorzugt ist es, wenn die kritische Temperatur zwischen 50 °C und 80 °C liegt. Sinnvollerweise wird die kritische Temperatur aber so gewählt, dass diese kleiner ist als der Schmelzpunkt des Separators bzw. eines Teils des Separators. Dadurch wird gewährleistet, dass eine Unterbrechung des Ionenstroms und damit eine Abschaltung des galvanischen Elements erfolgt, bevor die Temperaturen soweit angestiegen sind, dass das galvanische Element irreparabel beschädigt wird. Insbesondere wird dabei eine Beschädigung des Separators vermieden, so dass der Separator seine Funktion jederzeit erfüllen kann. In one embodiment of the invention, the critical temperature is chosen to be between 45 ° C and 80 ° C. It is particularly preferred if the critical temperature is between 50 ° C and 80 ° C. It makes sense, however, that the critical temperature be chosen so that it is smaller than the melting point of the separator or a part of the separator. This ensures that an interruption of the ion current and thus a shutdown of the galvanic element takes place before the temperatures have risen so far that the galvanic element is irreparably damaged. In particular, it will be a Damage to the separator avoided, so that the separator can fulfill its function at any time.

Zusätzlich oder alternativ ist es in weiteren Ausführungsformen denkbar, das Funktionsmaterial so zu wählen, dass die Ionenleitfähigkeit nicht oberhalb einer kritischen Temperatur, sondern unterhalb einer weiteren kritischen Temperatur verschwindet. Damit könnte eine Verwendung der Batterie unterhalb eines zulässigen Temperaturbereichs verhindert werden und damit einhergehend eine Beschädigung der Batterie vermieden werden. In diesem Fall ist die weitere kritische Temperatur so gewählt, dass diese zwischen –40 °C und 0 °C liegt, bevorzugt zwischen –20 °C und –5 °C.Additionally or alternatively, it is conceivable in further embodiments to select the functional material such that the ion conductivity does not disappear above a critical temperature but below a further critical temperature. This could prevent the use of the battery below a permissible temperature range and, consequently, damage to the battery can be avoided. In this case, the further critical temperature is chosen to be between -40 ° C and 0 ° C, preferably between -20 ° C and -5 ° C.

In einer Ausführungsform des galvanischen Elements umfasst der Separator eine erste Trägerschicht und eine schaltbare Sperrschicht, die unterhalb der kritischen Temperatur ionenleitend ist und oberhalb der kritischen Temperatur für Ionen undurchlässig ist. Die schaltbare Sperrschicht besteht dabei aus dem Funktionsmaterial. Die Trägerschicht ist aus dem elektrisch isolierenden und ionenleitenden Material gefertigt. In one embodiment of the galvanic element, the separator comprises a first carrier layer and a switchable barrier layer, which conducts ions below the critical temperature and is impermeable to ions above the critical temperature. The switchable barrier layer consists of the functional material. The carrier layer is made of the electrically insulating and ion-conducting material.

In einer weiteren Ausführungsform des galvanischen Elements umfasst der Separator zusätzlich eine zweite Trägerschicht, wobei die schaltbare Sperrschicht zwischen der ersten Trägerschicht und der zweiten Trägerschicht angeordnet ist. Die schaltbare Sperrschicht ist somit geschützt im Inneren des Separators aufgenommen. In a further embodiment of the galvanic element, the separator additionally comprises a second carrier layer, wherein the switchable barrier layer is arranged between the first carrier layer and the second carrier layer. The switchable barrier layer is thus protected inside the separator.

Das Material der schaltbaren Sperrschicht, also das Funktionsmaterial, ist ausgewählt aus Hydrogelen, Nanocomposits, Polyacrylamide, Polymethacrylate, oder einem vernetzten Polymer.The material of the switchable barrier layer, ie the functional material, is selected from hydrogels, nanocomposites, polyacrylamides, polymethacrylates, or a crosslinked polymer.

Um eine Ionenleitung zwischen Kathode und Anode zu ermöglichen, wird ein Elektrolyt verwendet. Dabei kann insbesondere der Separator mit dem Elektrolyt getränkt sein. Bei dem Elektrolyten kann es sich insbesondere um einen Flüssig-Elektrolyten, wie Lithium-Hexa-Fluorophospat (LiPF6) gelöst in einem organischen Lösungsmittel handeln. To allow ionic conduction between the cathode and the anode, an electrolyte is used. In this case, in particular, the separator may be impregnated with the electrolyte. In particular, the electrolyte may be a liquid electrolyte such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) dissolved in an organic solvent.

Wird das galvanische Element aufgeladen, so fließt ein Ionenstrom gebildet aus positiv geladenen Lithium-Ionen ausgehend von der Kathode durch den Separator hindurch zur Anode. Dabei werden Lithium-Ionen aus dem Kathodenaktivmaterial der Kathode herausgelöst und lagern sich im Anodenaktivmaterial der Anode wieder an. Angetrieben wird der Fluss der Lithium-Ionen durch einen korrespondierenden elektrischen Strom, bei dem Elektronen von der Kathode in Richtung Anoden fließen. Der elektrische Strom wird beim Laden des galvanischen Elements mit Hilfe einer elektrischen Stromquelle angetrieben.When the galvanic element is charged, an ion current formed from positively charged lithium ions flows from the cathode through the separator to the anode. In this case, lithium ions are dissolved out of the cathode active material of the cathode and re-accumulate in the anode active material of the anode. The flow of lithium ions is driven by a corresponding electric current, in which electrons flow from the cathode towards the anode. The electric current is driven when charging the galvanic element by means of an electric power source.

Beim Entladen des galvanischen Elements fließen umgekehrt die Lithium-Ionen von der Anode durch den Separator hindurch zur Kathode. Der korrespondierende elektrische Strom lässt dabei Elektronen von der Anode in Richtung Kathode fließen, wobei der Stromfluss über einen externen Stromkreis geführt wird und genutzt werden kann, um elektrische Verbraucher anzutreiben.When discharging the galvanic element, conversely, the lithium ions flow from the anode through the separator to the cathode. The corresponding electrical current can thereby flow electrons from the anode in the direction of the cathode, wherein the current flow is passed through an external circuit and can be used to drive electrical loads.

Des Weiteren wird eine Batteriezelle vorgeschlagen umfassend eine Zellverpackung und zumindest eines der hierin beschriebenen galvanischen Elemente. Bei der Zellverpackung kann es sich um ein Softpack-Verpackungsdesign oder um ein festes Gehäuse handeln. Furthermore, a battery cell is proposed comprising a cell packaging and at least one of the galvanic elements described herein. Cell packaging may be a soft pack packaging design or a solid housing.

Zudem wird eine Batterie umfassend eine oder mehrere solcher Batteriezellen vorgeschlagen.In addition, a battery comprising one or more such battery cells is proposed.

Im Rahmen dieser Beschreibung wird der Begriff Batterie bzw. Batteriezelle wie in der Umgangssprache üblich verwendet, d. h. von dem Begriff Batterie ist sowohl eine Primärbatterie als auch eine Sekundärbatterie (Akkumulator) umfasst. Gleichermaßen umfasst der Begriff Batteriezelle sowohl eine Primärzelle als auch eine Sekundärzelle. In the context of this description, the term battery or battery cell is used as is customary in the vernacular, ie. H. The term battery includes both a primary battery and a secondary battery (accumulator). Likewise, the term battery cell includes both a primary cell and a secondary cell.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße galvanische Element umfasst einen Separator, dessen Ionenleitfähigkeit abhängig von der Temperatur des galvanischen Elements ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Ionenleitung durch den Separator hindurch unterdrückt wird, wenn die Temperatur des galvanischen Elements eine kritische Temperatur übersteigt. Alternative oder zusätzlich kann die Ionenleitung auch unterhalb einer kritischen Temperatur unterdrückt werden. Wird der Ionenstrom unterdrückt, dann wird gleichzeitig auch der korrespondierende elektrische Strom unterbrochen. Da mit einem fließenden elektrischen Strom aufgrund ohmscher Widerstände auch immer eine Erwärmung verbunden ist, wird somit durch die Unterbrechung des Ionenstroms und die damit verbundene Unterbrechung des elektrischen Stroms eine weitere Erwärmung des galvanischen Elements unterbunden. Bei einer zulässigen Temperatur lässt sich das galvanische Element normal verwenden.The galvanic element according to the invention comprises a separator whose ionic conductivity is dependent on the temperature of the galvanic element. It is provided that the ionic line is suppressed through the separator, when the temperature of the galvanic element exceeds a critical temperature. Alternatively or additionally, the ionic line can be suppressed below a critical temperature. If the ion current is suppressed, then the corresponding electric current is interrupted at the same time. Since a heating is always connected to a flowing electric current due to ohmic resistances, a further heating of the galvanic element is thus prevented by the interruption of the ion current and the associated interruption of the electrical current. At a permissible temperature, the galvanic element can be used normally.

Für diese Unterbrechung des Ionenstroms sind keinerlei externe Sicherungen oder Überwachungsgeräte erforderlich, so dass sich diese Sicherungsfunktion ohne Modifizierung von weiteren Komponenten wie beispielsweise des Batteriegehäuses oder des Batteriesteuergeräts einfach umsetzen lässt. Des Weiteren trägt diese Unabhängigkeit von externen Komponenten ebenfalls zur Sicherheit bei, da sich dadurch der Sicherheitsmechanismus nicht durch eine Manipulation beispielsweise eines externen Steuergeräts umgehen lässt. No external fuses or monitoring devices are required for this interruption of the ion current, so this fuse function can be easily implemented without modification of other components such as the battery case or the battery control device. Furthermore, this independence from external components also contributes to safety, as it does not circumvent the security mechanism by manipulating, for example, an external controller.

Zudem ist die Blockade des Ionenstroms reversibel, so dass das galvanische Element nach einer Normalisierung der Temperatur wieder verwendet werden kann. In addition, the blockage of the ion current is reversible, so that the galvanic element can be reused after a normalization of the temperature.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigenShow it

1a und 1b das Aufladen eines galvanischen Elements gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und 1a and 1b the charging of a galvanic element according to a first embodiment of the invention and

2a und 2b das Aufladen eines galvanischen Elements gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. 2a and 2 B the charging of a galvanic element according to a second embodiment of the invention.

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten oder Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten oder Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar components or elements are designated by the same reference numerals, wherein a repeated description of these components or elements is dispensed with in individual cases. The figures illustrate the subject matter of the invention only schematically.

In 1a und 1b ist das Aufladen eines galvanischen Elements 10 dargestellt. In 1a and 1b is the charging of a galvanic element 10 shown.

Das galvanische Element 10 umfasst in dieser Reihenfolge einen einer Kathode 14 zugeordneten Stromableiter 12, die Kathode 14, einen Separator 16, eine Anode 18 und einen der Anode 18 zugeordneten Stromableiter 20, die einen Stapel bilden. The galvanic element 10 includes one of a cathode in this order 14 associated current conductor 12 , the cathode 14 , a separator 16 , an anode 18 and one of the anode 18 associated current conductor 20 forming a pile.

Der Separator 16 des galvanischen Elements 10 ist so ausgeführt, dass Lithium-Ionen 26 durch den Separator 16 hindurch von der Kathode 14 zur Anode 18 wandern können und umgekehrt. Dazu ist der Separator 16 porös ausgeführt und mit einem Elektrolyten getränkt. The separator 16 of the galvanic element 10 is designed so that lithium ions 26 through the separator 16 through from the cathode 14 to the anode 18 can wander and vice versa. This is the separator 16 carried out porous and impregnated with an electrolyte.

In der in den 1a und 1b dargestellten Ausführungsform ist das galvanische Element 10 als Lithium-Ionen-Batteriezelle ausgeführt. Dabei umfasst die Kathode 14 als Kathodenaktivmaterial LiCoO2, wobei in den Figuren Kobaltatome mit dem Bezugszeichen 40 versehen sind, Sauerstoffatome mit dem Bezugszeichen 42 und Lithiumatome mit dem Bezugszeichen 27. Die Anode 18 umfasst als Anodenaktivmaterial Graphit, welches mit dem Bezugszeichen 44 versehen ist.In the in the 1a and 1b illustrated embodiment is the galvanic element 10 designed as a lithium-ion battery cell. In this case, the cathode comprises 14 as the cathode active material LiCoO 2 , wherein in the figures cobalt atoms by the reference numeral 40 are provided, oxygen atoms by the reference numeral 42 and lithium atoms by the reference numeral 27 , The anode 18 includes as anode active material graphite, which is denoted by the reference numeral 44 is provided.

Beim Ladevorgang wird das Kathodenaktivmaterial der Kathode 14 delithiiert, d. h. Lithium-Ionen 26 treten aus der Kathode 14 aus, wandern in Richtung der mit Bezugszeichen 24 markierten Pfeile durch den Separator 16 hindurch und lagern sich im Graphit 44 der Anode 18 als Lithiumatome 27 ein. Angetrieben wird der Ionenstrom durch einen elektrischen Strom, der als Ladestrom dient. Dabei fließen Elektronen von der Kathode 14 über einen externen Stromkreis 50 zur Anode 18. Die Flussrichtung der Elektronen ist dabei mit Pfeilen mit den Bezugszeichen 22 markiert.During charging, the cathode active material becomes the cathode 14 delithiated, ie lithium ions 26 come out of the cathode 14 off, walk in the direction of the reference number 24 marked arrows through the separator 16 through and store in the graphite 44 the anode 18 as lithium atoms 27 one. The ion current is driven by an electric current, which serves as charging current. In doing so, electrons flow from the cathode 14 via an external circuit 50 to the anode 18 , The flow direction of the electrons is indicated by arrows with the reference numerals 22 marked.

1a stellt dabei eine Situation dar, bei der die Temperatur T des galvanischen Elements 10 kleiner als eine kritische Temperatur TK ist. Liegt die Temperatur T des galvanischen Elements 10 unterhalb dieser kritischen Temperatur TK, so ist der Separator 16 für die Lithium-Ionen 26 durchlässig. 1a represents a situation in which the temperature T of the galvanic element 10 is less than a critical temperature T K. Is the temperature T of the galvanic element 10 below this critical temperature T K , so is the separator 16 for the lithium ions 26 permeable.

Der Separator 16 umfasst in der in den 1a und 1b dargestellten Ausführungsform eine erste Trägerschicht 30 sowie eine schaltbare Sperrschicht 32. Die erste Trägerschicht 30 ist dabei wie eine gewöhnliche Separatormembran aufgebaut und besteht aus einem elektrisch isolierenden aber eine Ionenleitung erlaubenden Material. Dazu eignen sich beispielsweise poröse Materialien, wobei der Separator 16 zur Verbesserung der Ionenleitung mit dem Elektrolyten durchtränkt wird. Als Materialien für die erste Trägerschicht 30 kommen beispielsweise feinporige Folien aus Kunststoff, beispielsweise aus Polyethylen oder Polypropylen in Frage. Auch Vliesstoffe aus Glasfasern sowie Keramikmembranen, beispielsweise aus Lithiumgranat, sind für die erste Trägerschicht 30 geeignet. The separator 16 includes in the in the 1a and 1b illustrated embodiment, a first carrier layer 30 and a switchable barrier layer 32 , The first carrier layer 30 It is constructed like an ordinary separator membrane and consists of an electrically insulating material that allows ionic conduction. For this purpose, for example, porous materials are suitable, wherein the separator 16 is impregnated with the electrolyte to improve ionic conduction. As materials for the first carrier layer 30 For example, fine-pored plastic films, such as polyethylene or polypropylene in question. Also, nonwovens made of glass fibers and ceramic membranes, for example of lithium garnet, are for the first carrier layer 30 suitable.

Die schaltbare Sperrschicht 32 ist so ausgeführt, dass diese unterhalb der kritischen Temperatur TK für die Lithium-Ionen 26 durchlässig ist, und bei einer Temperatur T ≥ TK für die Lithium-Ionen 26 undurchlässig ist. Dazu umfasst die schaltbare Sperrschicht 32 ein funktionales Material, welches beispielsweise aus Hydrogelen, Nanocomposits, Polyacrylamide, Polymethacrylate oder einem vernetzten Polymer ausgewählt ist. Zusätzlich oder alternativ kann das funktionale Material so ausgewählt sein, dass es eine weitere kritische Temperatur aufweist und dass das funktionale Material oberhalb dieser zweiten kritischen Temperatur für Ionen durchlässig ist und bei einer Temperatur unterhalb der zweiten kritischen Temperatur für Ionen undurchlässig ist. Weist das funktionale Material beide kritischen Temperaturen auf, dann ist eine Ionenleitung nur in einem Intervall zwischen den beiden kritischen Temperaturen möglich.The switchable barrier 32 is designed to be below the critical temperature T K for the lithium ions 26 is permeable, and at a temperature T ≥ T K for the lithium ions 26 is impermeable. This includes the switchable barrier layer 32 a functional material selected, for example, from hydrogels, nanocomposites, polyacrylamides, polymethacrylates, or a crosslinked polymer. Additionally or alternatively, the functional material may be selected to have another critical temperature and the functional material to be permeable to ions above this second critical temperature and to be impermeable to ions at a temperature below the second critical temperature. If the functional material has both critical temperatures, ionic conduction is possible only at an interval between the two critical temperatures.

In der in 1a dargestellten Situation ist die Temperatur T des galvanischen Elements 10 kleiner als die kritische Temperatur TK. Daher ist die schaltbare Sperrschicht 32 für die Lithium-Ionen 26 durchlässig, so dass entlang den mit Bezugszeichen 24 versehenen Pfeilen Lithium-Ionen 26 durch den Separator 16 hindurch wandern können. Ein Aufladen des galvanischen Elements 10 ist somit möglich. In the in 1a The situation shown is the temperature T of the galvanic element 10 smaller than the critical temperature T K. Therefore, the switchable barrier layer 32 for the lithium ions 26 permeable, so along the with reference numerals 24 provided arrows lithium ions 26 through the separator 16 can wander through it. Charging the galvanic element 10 is thus possible.

In 1b ist die Temperatur T größer oder gleich der kritischen Temperatur TK. Die schaltbare Sperrschicht 32 ändert bei Überschreiten bzw. Erreichen der kritischen Temperatur TK ihre Eigenschaften, wobei diese dadurch für die Lithium-Ionen 26 undurchlässig wird. Eine Ionenleitung durch den Separator 16 hindurch ist nun nicht mehr möglich. Entlang der schaltbaren Sperrschicht 32 kommt es zu einer Blockade 33, die die Lithium-Ionen 26 nicht überwinden können. Der Ionenstrom, der von den Lithium-Ionen 26 getragen wurde, kommt zum Erliegen. Gleichzeitig kommt auch der mit dem Ionenstrom korrespondierende elektrische Strom, der bisher über den externen Stromkreis 50 geflossen ist, ebenfalls zum Erliegen, so dass auch kein elektrischer Strom mehr von der Kathode 14 zur Anode 18 fließen kann. Ein weiteres Aufladen des galvanischen Elements 10 ist nicht mehr möglich. In 1b the temperature T is greater than or equal to the critical temperature T K. The switchable barrier 32 changes at exceeding or reaching the critical temperature T K their properties, which thereby characterized for the lithium ions 26 becomes impermeable. An ionic line through the separator 16 through is no longer possible. Along the switchable barrier 32 it comes to a blockade 33 containing the lithium ions 26 can not overcome. The ion current flowing from the lithium ions 26 was worn, comes to a halt. At the same time, the electrical current corresponding to the ion current also comes through the external circuit 50 has flowed, also to stop, so that no more electric current from the cathode 14 to the anode 18 can flow. Another charging of the galvanic element 10 is not possible anymore.

Durch Abkühlen des galvanischen Elements 10 kann wieder die in 1a dargestellte Situation hergestellt werden, bei der die schaltbare Sperrschicht 32 wieder für die Lithium-Ionen 26 durchlässig ist, so dass wieder ein Aufladen des galvanischen Elements 10 wie in 1a dargestellt, möglich ist. By cooling the galvanic element 10 can be back in 1a illustrated situation, in which the switchable barrier layer 32 again for the lithium ions 26 is permeable, so again charging the galvanic element 10 as in 1a shown is possible.

Auch wenn dies in der 1a und in der 1b nicht explizit dargestellt ist, versteht es sich von selbst, dass auch ein Entladen des galvanischen Elements 10 nur so lange möglich ist, wie die Temperatur T des galvanischen Elements 10 unterhalb der kritischen Temperatur TK liegt. Beim Entladen des galvanischen Elements 10 kehren sich die Pfeilrichtungen 24 und 22 um, so dass Lithium-Ionen 26 von der Anode 18 durch den Separator 16 hindurch zur Kathode 14 fließen und gleichzeitig ein korrespondierender elektrischer Strom von der Anode 18 über den der Anode 18 zugeordneten Stromableiter 20 durch den externen Stromkreis 50 zum der Kathode 14 zugeordneten Stromableiter 12 und schließlich in die Kathode 14 fließt. Überschreitet nun beim Entladen des galvanischen Elements 10 die Temperatur T des galvanischen Elements 10 die kritische Temperatur TK ändert die schaltbare Sperrschicht 32 des Separators 16 wiederum ihre Eigenschaften, so dass diese für die Lithium-Ionen 26 undurchlässig wird. Dadurch kommt der Strom an Lithium-Ionen 26 von der Anode 18 in Richtung der Kathode 14 zum Erliegen, wodurch auch der korrespondierende elektrische Strom durch den externen Stromkreis 50 zum Erliegen kommt.Even if this is in the 1a and in the 1b is not explicitly shown, it goes without saying that even a discharge of the galvanic element 10 only as long as possible, as the temperature T of the galvanic element 10 is below the critical temperature T K. When unloading the galvanic element 10 the directions of the arrows are reversed 24 and 22 um, leaving lithium ions 26 from the anode 18 through the separator 16 through to the cathode 14 flow and at the same time a corresponding electric current from the anode 18 over the anode 18 associated current conductor 20 through the external circuit 50 to the cathode 14 associated current conductor 12 and finally into the cathode 14 flows. Exceeds when discharging the galvanic element 10 the temperature T of the galvanic element 10 the critical temperature T K changes the switchable barrier layer 32 of the separator 16 turn their properties, so this for the lithium ions 26 becomes impermeable. As a result, the electricity comes from lithium ions 26 from the anode 18 in the direction of the cathode 14 to stop, which also causes the corresponding electrical current through the external circuit 50 comes to a halt.

In beiden Fällen, also sowohl für das Laden als auch für das Entladen des galvanischen Elements 10, bedeutet ein Erliegen des Ionenstroms demnach, dass auch ein korrespondierender elektrischer Strom zum Erliegen kommt. Da ein elektrischer Strom aufgrund der ohmschen Widerstände zu einer Erwärmung führt, wird demnach oberhalb einer kritischen Temperatur TK eine weitere Erwärmung des galvanischen Elements 10 aufgrund eines fließenden elektrischen Stroms unterbunden. In both cases, both for charging and for discharging the galvanic element 10 Accordingly, a cessation of the ion current means that also a corresponding electric current comes to a standstill. Since an electric current leads to a heating due to the ohmic resistances, therefore, a further heating of the galvanic element becomes above a critical temperature T K 10 prevented due to a flowing electric current.

2a und 2b zeigen eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen galvanischen Elements 10. 2a and 2 B show a further embodiment of the galvanic element according to the invention 10 ,

Das in den 2a und 2b dargestellte galvanische Element 10 umfasst wieder wie zuvor zu den 1a und 2b beschrieben eine Schichtstruktur mit in dieser Reihenfolge dem der Kathode 14 zugeordneten Stromableiter 12, der Kathode 14, dem Separator 16, der Anode 18 und dem der Anode 18 zugeordneten Stromableiter 20. Im Gegensatz zu der mit Bezug zu den 1a und 1b beschriebenen Ausführungsform umfasst der Separator 16 nun drei Schichten. Der Separator 16 umfasst eine erste Trägerschicht 30, eine schaltbare Sperrschicht 32 sowie eine zweite Trägerschicht 34, wobei die erste Trägerschicht 30 und die zweite Trägerschicht 34 die schaltbare Sperrschicht 32 zwischen sich einschließen. Auf diese Weise ist die schaltbare Sperrschicht 32 durch die beiden Trägerschichten 30, 34 vor mechanischen Einwirkungen geschützt. That in the 2a and 2 B illustrated galvanic element 10 includes again as before to the 1a and 2 B described a layer structure in this order with that of the cathode 14 associated current conductor 12 , the cathode 14 , the separator 16 , the anode 18 and that of the anode 18 associated current conductor 20 , Unlike the related to the 1a and 1b described embodiment, the separator comprises 16 now three layers. The separator 16 comprises a first carrier layer 30 , a switchable barrier 32 and a second carrier layer 34 , wherein the first carrier layer 30 and the second carrier layer 34 the switchable barrier 32 between them. In this way, the switchable barrier layer 32 through the two carrier layers 30 . 34 protected against mechanical effects.

Das galvanische Element 10 der 2a und 2b verhält sich wie zu den 1a und 1b beschrieben, d. h. so lange die Temperatur T des galvanischen Elements 10 kleiner ist als eine kritische Temperatur TK, ist die schaltbare Sperrschicht 32 ionenleitend, so dass Lithium-Ionen 26 sich durch den Separator 16 hindurch bewegen können. Ist die Temperatur T größer oder gleich der kritischen Temperatur TK, so ändern sich die Eigenschaften der schaltbaren Sperrschicht 32 dahingehend, dass diese undurchlässig für die Lithium-Ionen 26 wird. Ein Aufladen des galvanischen Elements 10, wobei Lithium-Ionen 26 in Richtung der mit Bezugszeichen 24 versehenen Pfeile von der Kathode 14 zur Anode 18 wandern, ist dann nicht mehr möglich, da sich auf beiden Seiten des Separators 16 eine Blockade 33 ausbildet. Ein korrespondierender elektrischer Strom durch den externen Stromkreis 50 kommt dabei ebenfalls zum Erliegen. The galvanic element 10 of the 2a and 2 B behaves like to the 1a and 1b described, ie as long as the temperature T of the galvanic element 10 is less than a critical temperature T K , is the switchable barrier layer 32 ion-conducting, allowing lithium ions 26 through the separator 16 can move through. If the temperature T is greater than or equal to the critical temperature T K , then the properties of the switchable barrier layer change 32 in that they are impermeable to the lithium ions 26 becomes. Charging the galvanic element 10 where lithium ions 26 in the direction of with reference numerals 24 provided arrows from the cathode 14 to the anode 18 wander, is then no longer possible because on both sides of the separator 16 a blockade 33 formed. A corresponding electrical current through the external circuit 50 also comes to a halt here.

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.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2013/0017431 A1 [0006] US 2013/0017431 A1 [0006]
  • DE 10238945 B4 [0007] DE 10238945 B4 [0007]

Claims (10)

Galvanisches Element (10), umfassend eine Anode (18), eine Kathode (14) und einen Separator (16), der die Anode (18) und die Kathode (14) mechanisch und elektrisch voneinander trennt, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (16) eingerichtet ist, einen Ionenstrom zwischen Anode (18) und Kathode (14) zu blockieren, wenn die Temperatur des galvanischen Elements (10) eine kritische Temperatur überschreitet, wobei der Separator (16) eingerichtet ist, den Ionenstrom wieder freizugegeben, wenn die Temperatur des galvanischen Elements (10) wieder unter die kritische Temperatur fällt.Galvanic element ( 10 ) comprising an anode ( 18 ), a cathode ( 14 ) and a separator ( 16 ), which is the anode ( 18 ) and the cathode ( 14 ) separates mechanically and electrically, characterized in that the separator ( 16 ) is arranged, an ion current between the anode ( 18 ) and cathode ( 14 ) when the temperature of the galvanic element ( 10 ) exceeds a critical temperature, the separator ( 16 ) is set to release the ion current again when the temperature of the galvanic element ( 10 ) falls below the critical temperature again. Galvanisches Element (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kritische Temperatur zwischen 80 und 150 °C liegt.Galvanic element ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the critical temperature is between 80 and 150 ° C. Galvanisches Element (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (16) eine erste Trägerschicht (30) und eine schaltbare Sperrschicht (32) umfasst, die unterhalb der kritischen Temperatur ionenleitend ist und oberhalb der kritischen Temperatur für Ionen undurchlässig ist.Galvanic element ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the separator ( 16 ) a first carrier layer ( 30 ) and a switchable barrier layer ( 32 ), which is ionically conductive below the critical temperature and impermeable to ions above the critical temperature. Galvanischen Element (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (16) zusätzlich eine zweite Trägerschicht (34) umfasst, wobei die schaltbare Sperrschicht (32) zwischen der ersten Trägerschicht (30) und der zweiten Trägerschicht (34) angeordnet ist.Galvanic element ( 10 ) according to claim 3, characterized in that the separator ( 16 ) additionally a second carrier layer ( 34 ), wherein the switchable barrier layer ( 32 ) between the first carrier layer ( 30 ) and the second carrier layer ( 34 ) is arranged. Galvanisches Element (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der ersten Trägerschicht (30) und/oder der zweiten Trägerschicht (34) ausgewählt ist aus Polypropylen, Polyethylen oder mindestens zweier dieser Materialien. Galvanic element ( 10 ) according to one of claims 3 to 4, characterized in that the material of the first carrier layer ( 30 ) and / or the second carrier layer ( 34 ) is selected from polypropylene, polyethylene or at least two of these materials. Galvanisches Element (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der schaltbaren Sperrschicht (32) ausgewählt ist aus Hydrogelen, Nanocomposits, Polyacrylamide, Polymethacrylate oder einem vernetzten Polymer.Galvanic element ( 10 ) according to one of claims 3 to 5, characterized in that the material of the switchable barrier layer ( 32 ) is selected from hydrogels, nanocomposites, polyacrylamides, polymethacrylates or a crosslinked polymer. Galvanisches Element (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (14) ein Kathodenaktivmaterial ausgewählt aus einem Kompositwerkstoff enthaltend LiF und ein Metall, einem lithiiertem Übergangsmetalloxid, einem litiiertem Schwefel oder eine Mischung mindestens zweier dieser Materialien enthält.Galvanic element ( 10 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the cathode ( 14 ) comprises a cathode active material selected from a composite material containing LiF and a metal, a lithiated transition metal oxide, a litiiertem sulfur or a mixture of at least two of these materials. Galvanisches Element (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (18) ein Anodenaktivmaterial ausgewählt aus einem Graphit enthält.Galvanic element ( 10 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the anode ( 18 ) contains an anode active material selected from a graphite. Batteriezelle umfassend ein galvanisches Element (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und ein Zellgehäuse.Battery cell comprising a galvanic element ( 10 ) according to one of claims 1 to 8 and a cell housing. Batterie umfassend mindestens eine Batteriezelle nach Anspruch 9.Battery comprising at least one battery cell according to claim 9.
DE102014219451.2A 2014-09-25 2014-09-25 Galvanic element Withdrawn DE102014219451A1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014219451.2A DE102014219451A1 (en) 2014-09-25 2014-09-25 Galvanic element
CN201580052057.9A CN107004807A (en) 2014-09-25 2015-09-08 Galvanic cell
PCT/EP2015/070424 WO2016045956A1 (en) 2014-09-25 2015-09-08 Galvanic element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014219451.2A DE102014219451A1 (en) 2014-09-25 2014-09-25 Galvanic element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102014219451A1 true DE102014219451A1 (en) 2016-03-31

Family

ID=54065362

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102014219451.2A Withdrawn DE102014219451A1 (en) 2014-09-25 2014-09-25 Galvanic element

Country Status (3)

Country Link
CN (1) CN107004807A (en)
DE (1) DE102014219451A1 (en)
WO (1) WO2016045956A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017213251A1 (en) * 2017-08-01 2019-02-07 Lithium Energy and Power GmbH & Co. KG battery cell

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10238945B4 (en) 2002-08-24 2013-01-03 Evonik Degussa Gmbh Electric separator with shut-off mechanism, process for its preparation, use of the separator in lithium batteries and battery with the separator
US20130017431A1 (en) 2011-01-19 2013-01-17 E. I. Du Pont De Nemours And Company Lithium battery separator with shutdown function
DE102013218499A1 (en) * 2013-09-16 2015-03-19 Robert Bosch Gmbh Separator of a lithium battery cell and lithium battery

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4743747B2 (en) * 2004-12-08 2011-08-10 日立マクセル株式会社 Separator, manufacturing method thereof, and nonaqueous electrolyte battery
WO2007066768A1 (en) * 2005-12-08 2007-06-14 Hitachi Maxell, Ltd. Separator for electrochemical device and method for producing same, and electrochemical device and method for manufacturing same
TWI425700B (en) * 2010-12-22 2014-02-01 Ind Tech Res Inst Secondary battery, battery separator and method for manufacturing the same
CN102959765B (en) * 2011-03-07 2015-11-25 日立麦克赛尔株式会社 battery separator and battery
CN103917370A (en) * 2011-09-22 2014-07-09 三菱树脂株式会社 Method for producing laminated porous film, and laminated porous film
CN102964765A (en) * 2012-12-17 2013-03-13 天津工业大学 Preparation method of battery membrane with reversible automatic opening-closing function and product thereof

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10238945B4 (en) 2002-08-24 2013-01-03 Evonik Degussa Gmbh Electric separator with shut-off mechanism, process for its preparation, use of the separator in lithium batteries and battery with the separator
US20130017431A1 (en) 2011-01-19 2013-01-17 E. I. Du Pont De Nemours And Company Lithium battery separator with shutdown function
DE102013218499A1 (en) * 2013-09-16 2015-03-19 Robert Bosch Gmbh Separator of a lithium battery cell and lithium battery

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017213251A1 (en) * 2017-08-01 2019-02-07 Lithium Energy and Power GmbH & Co. KG battery cell

Also Published As

Publication number Publication date
CN107004807A (en) 2017-08-01
WO2016045956A1 (en) 2016-03-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102009032050A1 (en) Secondary battery with fast charging capability
WO2015165701A2 (en) Galvanic element and method for the production thereof
DE112015004696B4 (en) Manufacturing process for a secondary battery with non-aqueous electrolyte
DE102015217749A1 (en) Coated cathode active material for a battery cell
DE102014206829A1 (en) Galvanic element
DE102012208726A1 (en) Separators for a lithium-ion battery
DE102010030197A1 (en) Lithium-ion cell
DE102010024479A1 (en) Lithium-ion battery with amorphous electrode materials
DE102013203485A1 (en) Galvanic element with improved safety features
DE102013218681A1 (en) Method for operating a battery cell
DE102020129335A1 (en) PROCESS FOR LITHIZING ELECTROACTIVE MATERIALS
DE102013200707A1 (en) Galvanic element with improved safety features
DE102011120959A1 (en) Metal-sulfur battery system
DE102019115363A1 (en) METHOD FOR PRE-LITHERING SILICON AND SILICON OXIDE ELECTRODES
DE102013200848A1 (en) Safety improved galvanic element
CN106981663B (en) Method for manufacturing current collector and method for manufacturing solid battery
DE102014219451A1 (en) Galvanic element
DE102018120876A1 (en) Li-ion electrochemical devices with excess electrolyte capacity to improve life
WO2014146862A1 (en) Battery cell for a battery and method for producing a battery cell
DE112017007115T5 (en) SOLID BATTERIES
EP4226448A1 (en) Battery cell having a plurality of electrode units in a common battery cell housing
DE102009034674A1 (en) Lithium Ion Battery
WO2015036297A1 (en) Separator of a lithium battery cell and lithium battery
DE102015223141A1 (en) Circuit arrangement and method for detecting a short circuit in a battery cell
WO2014111306A1 (en) Protective mechanism for battery cells

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0002140000

Ipc: H01M0050400000

R005 Application deemed withdrawn due to failure to request examination