DE102014219451A1 - Galvanic element - Google Patents
Galvanic element Download PDFInfo
- 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- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
- H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
- H01M50/411—Organic material
- H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
- H01M50/417—Polyolefins
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
- H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
- H01M50/411—Organic material
- H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
- H01M50/423—Polyamide resins
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
- H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
- H01M50/411—Organic material
- H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
- H01M50/426—Fluorocarbon polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
- H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
- H01M50/449—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
- H01M50/457—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure comprising three or more layers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0082—Organic polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0088—Composites
- H01M2300/0094—Composites in the form of layered products, e.g. coatings
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing 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
Aus
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
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
Das galvanische Element
Der Separator
In der in den
Beim Ladevorgang wird das Kathodenaktivmaterial der Kathode
Der Separator
Die schaltbare Sperrschicht
In der in
In
Durch Abkühlen des galvanischen Elements
Auch wenn dies in der
In beiden Fällen, also sowohl für das Laden als auch für das Entladen des galvanischen Elements
Das in den
Das galvanische Element
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)
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)
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)
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)
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 |
-
2014
- 2014-09-25 DE DE102014219451.2A patent/DE102014219451A1/en not_active Withdrawn
-
2015
- 2015-09-08 WO PCT/EP2015/070424 patent/WO2016045956A1/en active Application Filing
- 2015-09-08 CN CN201580052057.9A patent/CN107004807A/en active Pending
Patent Citations (3)
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)
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 |