DE102014222332A1

DE102014222332A1 - Layer structure for a galvanic element

Info

Publication number: DE102014222332A1
Application number: DE102014222332.6A
Authority: DE
Inventors: Ingo KERKAMM; Reiner Ramsayer; Markus Kohlberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2016-05-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schichtaufbau (100) für ein galvanisches Element, umfassend in dieser Reihenfolge einen Stromableiter (2), einen Separator (4) und eine Kathode (6), wobei der Separator (4) einen ersten hervorstehenden Bereich (7) aufweist, in dem der Separator (4) nicht mit der Kathode (6) überlappt. Ferner ist vorgesehen, dass der Stromableiter (2) an einer dem Separator (4) zugewandten Oberfläche (5) einen passivierten Bereich (10) aufweist, der an einen Rand (3) des Stromableiters (2) angrenzt. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Batteriezelle umfassend mindestens ein galvanisches Element mit einem solchen Schichtaufbau (100).The invention relates to a layer structure (100) for a galvanic element, comprising in this order a current conductor (2), a separator (4) and a cathode (6), the separator (4) having a first projecting area (7), in which the separator (4) does not overlap with the cathode (6). Furthermore, it is provided that the current conductor (2) has a passivated region (10) on a surface (5) facing the separator (4), which region adjoins an edge (3) of the current conductor (2). Another aspect of the invention relates to a battery cell comprising at least one galvanic element having such a layer structure (100).

Description

Die Erfindung betrifft einen Schichtaufbau für ein galvanisches Element, umfassend in dieser Reihenfolge einen Stromableiter, einen Separator und eine Kathode. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batteriezelle umfassend mindestens ein galvanisches Element mit einem derartigen Schichtaufbau.The invention relates to a layer structure for a galvanic element, comprising in this order a current collector, a separator and a cathode. Furthermore, the invention relates to a battery cell comprising at least one galvanic element having such a layer structure.

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. Die in einer solchen Batterie enthaltenen Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und mindestens eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die Lithium-Ionen reversibel einlagern oder binden sowie wieder auslagern oder abgeben können. 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 (Mobiltelefone, 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 Lösungsmitteln gelöst enthält. Diese Lithium-Ionen-Zellen umfassen die Elektroden, den Lithium-Ionenleiter sowie Stromableiter, die die elektrischen Anschlüsse herstellen. Des Weiteren ist ein Separator notwendig, der die beiden Elektroden voneinander mechanisch und elektrisch isoliert. Der Separator ist dabei ionenleitend, so dass Lithium-Ionen durch den Separator hindurchwandern können. Among other things, lithium-ion batteries are characterized by a very high specific energy and extremely low self-discharge. The lithium-ion cells contained in such a battery have at least one positive and at least one negative electrode (cathode or anode), which can store or bind lithium ions in a reversible manner and can again dispose of or give off. 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 phones, MP3 players, 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. These lithium-ion cells include the electrodes, the lithium ion conductor, and current conductors that make the electrical connections. Furthermore, a separator is necessary which mechanically and electrically isolates the two electrodes from one another. The separator is ion-conducting, so that lithium ions can migrate through the separator.

Ein üblicherweise eingesetztes Material für die Anode, in dem sich Lithium-Ionen einlagern können, ist Graphit. Beim Aufladen der Batterie werden Lithium-Ionen im Graphit eingelagert. Durch Überladen der Batterie oder durch eine Alterung der Anode ist es jedoch möglich, dass sich die Lithium-Ionen nicht gleichmäßig im Graphit einlagern, sondern in Form von Lithium-Nadeln auf dem Graphit aufwachsen. Diese Lithium-Nadeln werden auch Lithium-Dendriten genannt. Dieses Problem tritt auch bei der Verwendung von metallischem Lithium als Anode auf. Bei einer metallischen Lithium-Anode wird Lithium beim Aufladen der Batterie auf der Anode abgeschieden, wobei ein Lithium-haltiges oder prä-lithiiertes Kathodenaktivmaterial verwendet wird. Dies geschieht häufig jedoch nicht in Form einer planaren, metallischen Lithiumschicht, das Lithium neigt vielmehr dazu, sich in schwammartiger poröser und dendritischer Form abzuscheiden. Dieser Effekt ist an den Rändern der Anode besonders stark, da die Stromdichten am Rand höher sind und es dort zu einer vermehrten Anlagerung von Lithium-Ionen kommt. Üblicherweise wird zur Abschwächung dieses Effekts die Kathode zwischen etwa 0,3 und 4 mm kleiner ausgeführt, als die Anode. Zudem wird die Anode kleiner ausgestaltet, als der Separator, um Kurzschlüsse durch am Rand der Anode wachsende Lithium-Dendriten auszuschließen.A commonly used material for the anode in which lithium ions can be incorporated is graphite. When charging the battery, lithium ions are stored in the graphite. However, by overcharging the battery or by aging the anode, it is possible that the lithium ions do not intercalate uniformly in the graphite but grow on the graphite in the form of lithium needles. These lithium needles are also called lithium dendrites. This problem also occurs when using metallic lithium as the anode. In a metallic lithium anode, lithium is deposited on the anode during charging of the battery, using a lithium-containing or pre-lithiated cathode active material. However, this is often not in the form of a planar metallic lithium layer, but rather, the lithium tends to precipitate in a spongy porous and dendritic form. This effect is particularly strong at the edges of the anode, because the current densities are higher at the edge and there is an increased accumulation of lithium ions. Usually, to alleviate this effect, the cathode is made to be between about 0.3 and 4 mm smaller than the anode. In addition, the anode is made smaller than the separator to exclude short circuits due to growing at the edge of the anode lithium dendrites.

Bei Lithium-Ionen-Zellen mit einem Festkörper-Elektrolyten wird der Separator, der gleichzeitig auch als Lithium-Ionen-Leiter dient, bei der Herstellung mittels eines Beschichtungsverfahrens direkt auf einer der Elektroden, beispielsweise der Anode, aufgebracht. Es ist daher mit einem solchen Herstellungsverfahren nicht oder nur mit großem Aufwand möglich, die Abmessungen des Separators und Ionenleiters größer zu wählen, als die Abmessungen der Anode. Des Weiteren hat ein Separator und Ionenleiter dessen Abmessungen größer sind als die Abmessungen der Anode den Nachteil, dass dieser die Energiedichte der Batterie bzw. der Batteriezelle verringert, da das zusätzliche Material nicht elektrisch aktiv ist.In the case of lithium-ion cells with a solid-state electrolyte, the separator, which also serves as a lithium-ion conductor, is applied directly to one of the electrodes, for example the anode, during production by means of a coating method. It is therefore not or only with great effort possible with such a manufacturing method to choose the dimensions of the separator and ion conductor larger than the dimensions of the anode. Furthermore, a separator and ion conductor whose dimensions are larger than the dimensions of the anode has the disadvantage that it reduces the energy density of the battery or the battery cell, since the additional material is not electrically active.

Aus US 6,007,935 ist eine Lithiumanode für eine Batteriezelle mit einem Polymerelektrolyt bekannt. Die Anode umfasst eine dünne Metallfolie mit einer Stärke von etwa 100 μm und ist an ihre Oberfläche mit einem Passivierungsfilm versehen, der für Alkali-Metallionen leitfähig ist und die Reaktion zwischen dem Metall und dem Polymerelektrolyt begrenzen kann. Der Polymerelektrolyt umfasst einen homogenen Separator, der mechanischen Deformationen widerstehen kann. Die Passivierungsschicht wird dabei flächig über die gesamte Oberfläche der Metallfolie aufgetragen. Out US 6,007,935 For example, a lithium anode for a battery cell having a polymer electrolyte is known. The anode comprises a thin metal foil having a thickness of about 100 microns and is provided on its surface with a passivation film which is conductive to alkali metal ions and can limit the reaction between the metal and the polymer electrolyte. The polymer electrolyte comprises a homogeneous separator that can withstand mechanical deformation. The passivation layer is applied over the entire surface of the metal foil.

Aus DE 10 2010 050 040 A1 ist eine Anordnung eines Elektrodenstapels einer Lithium-Ionen-Batterie bekannt. Dabei ist vorgesehen, mehrere plattenförmige Elemente entlang ihrer Begrenzungskante mit mehreren Kleberaupen zu verbinden. Dabei stabilisieren die Kleberaupen die Anordnung und wirken zusätzlich als Isolierung zur Verringerung von Energieverlusten an Begrenzungskanten der Elektroden.Out DE 10 2010 050 040 A1 An arrangement of an electrode stack of a lithium-ion battery is known. It is envisaged to connect a plurality of plate-shaped elements along its boundary edge with multiple adhesive beads. The adhesive beads stabilize the arrangement and additionally act as insulation to reduce energy losses at the boundary edges of the electrodes.

Nachteilig am Stand der Technik ist, dass ein Wachstum von Lithium-Dendriten im Randbereich der Anoden von Lithium-Ionen-Zellen mit Festkörperelektrolyt nicht vermieden werden kann. A disadvantage of the prior art is that growth of lithium dendrites in the edge region of the anodes of lithium-ion cells with solid electrolyte can not be avoided.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird ein Schichtaufbau für ein galvanisches Element vorgeschlagen, wobei der Schichtaufbau in dieser Reihenfolge einen Stromableiter, einen Separator und eine Kathode umfasst. Der Separator weist einen ersten hervorstehenden Bereich auf, in dem der Separator nicht mit der Kathode überlappt. Ferner ist vorgesehen, dass der Stromableiter an einer dem Separator zugewandten Oberfläche einen passivierten Bereich aufweist, der an einen Rand des Stromableiters bündig angrenzt. It is proposed a layer structure for a galvanic element, wherein the layer structure in this order comprises a current collector, a separator and a cathode. The separator has a first protruding area in which the separator does not overlap with the cathode. It is further provided that the current collector on a surface facing the separator a has passivated region adjacent to an edge of the current collector flush.

Der Stromableiter ist einer Anode zugeordnet und in einer Ausführungsform als eine Metallfolie mit einer Dicke zwischen 5 μm und 15 μm ausgeführt, wobei eine Dicke zwischen 6 μm und 8 μm bevorzugt wird. Das Material der Metallfolie ist beispielsweise aus Kupfer, Nickel, rostfreiem Stahl oder einer Kombination mindestens zweier dieser Materialien ausgewählt. Zudem kann die Metallfolie eine zusätzliche Beschichtung aufweisen, um die Abscheidung von Lithium beim Laden zu verbessern. The current collector is associated with an anode and in one embodiment designed as a metal foil having a thickness of between 5 μm and 15 μm, with a thickness between 6 μm and 8 μm being preferred. The material of the metal foil is selected, for example, from copper, nickel, stainless steel or a combination of at least two of these materials. In addition, the metal foil may have an additional coating to improve the deposition of lithium during charging.

Der Stromableiter bildet zusammen mit einem Anodenaktivmaterial im galvanischen Element die Anode aus. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Anodenaktivmaterial eine Schicht aus metallischem Lithium, welche beim ersten Aufladen des galvanischen Elements mittels galvanischer Abscheidung auf dem Stromableiter gebildet wird. Dabei wandern Lithium-Ionen aus der schon bei der Fertigung prälithiierten bzw. Lithium enthaltenden Kathode durch den Separator hindurch und lagern sich auf der dem Separator zugewandten Oberfläche des Stromableiters an. The current collector forms the anode together with an anode active material in the galvanic element. In a preferred embodiment, the anode active material is a layer of metallic lithium, which is formed on the current conductor during the first charging of the galvanic element by means of electrodeposition. In this case, lithium ions migrate from the praelithiated or lithium-containing cathode through the separator through the separator and deposit on the surface of the current collector facing the separator.

Beim Entladen des galvanischen Elements lösen sich Lithium-Ionen aus der Schicht aus metallischem Lithium bzw. aus dem Anodenmaterial und wandern durch den Separator hindurch zur Kathode, wo die Ionen wieder in einem Kathodenaktivmaterial eingelagert werden. When the galvanic element is discharged, lithium ions are released from the layer of metallic lithium or from the anode material and travel through the separator to the cathode, where the ions are stored again in a cathode active material.

Beim Durchlaufen eines solchen Lade-Entladezyklus ändert sich das Volumen des Anodenaktivmaterials, wodurch eine mechanische Belastung auf den Separator ausgeübt wird. By going through such a charge-discharge cycle, the volume of the anode active material changes, thereby exerting a mechanical load on the separator.

Der Separator, der auch als Ionen-Leiter dient, trennt die Anode und die Kathode sowohl elektrisch als auch mechanisch voneinander. Als Material für den Separator wird bevorzugt ein keramisches Material gewählt, insbesondere ein Oxid, ein Granat, ein Phosphat oder ein Sulfit. Es kann aber auch ein Polymer oder ein Polymer-Keramik-Komposit zum Einsatz kommen. Beispiele für geeignete Materialien, die auch als Lithium-Ionenleiter dienen können, sind LiLaZrO₂, Li₇P₃S₁₁, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₁₀SiP₂S₁₂, Li₁₀SnP₂S₁₂, Li₇La₃Zr₂O₁₂. Dabei eignet sich LiLaZrO₂ besonders, da das Material auch ein guter elektrischer Isolator ist, an der Luft stabil ist und auch chemisch und elektrochemisch stabil ist bis zu einer Spannung von etwa 5 Volt.The separator, which also serves as an ion conductor, separates the anode and cathode both electrically and mechanically. The material for the separator is preferably a ceramic material, in particular an oxide, a garnet, a phosphate or a sulfite. However, a polymer or a polymer-ceramic composite can also be used. Examples of suitable materials which can also serve as lithium ion conductors are LiLaZrO ₂ , Li ₇ P ₃ S ₁₁ , Li ₁₀ GeP ₂ S ₁₂ , Li ₁₀ SiP ₂ S ₁₂ , Li ₁₀ SnP ₂ S ₁₂ , Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂ . LiLaZrO _{2 is} particularly suitable because the material is also a good electrical insulator, is stable in the air and is also chemically and electrochemically stable up to a voltage of about 5 volts.

Die Kathode umfasst einen weiteren Stromableiter sowie ein Kathodenaktivmaterial, welches bevorzugt Lithium-haltig ist bzw. in einem separaten Schritt prä-lithiiert wird. Der weitere Stromableiter kann ebenfalls als Metallfolie ausgeführt sein, wobei als Material in Zusammenhang mit der Kathode üblicherweise Aluminium verwendet wird. Das Kathodenaktivmaterial wird üblicherweise ausgewählt aus einem lithiierten Übergangsmetall-Oxid, einem lithiierten Übergangsmetall-Spinell oder einem Olivin. Geeignete Kathodenaktivmaterialien umfassen insbesondere Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO₂, LiFePO₃, LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂ (Schichtoxide von Übergangsmetallen), oder Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA) und überlithiiertes Schichtoxid (OLO, overlithiated layer oxide). Dabei wird LiCoO₂ häufig für Consumer-Batterien eingesetzt, während die weiteren Aktivmaterialien häufig in Fahrzeugbatterien Verwendung finden. Weitere geeignete Kathodenaktivmaterialien umfassen auch lithiierte Konversionsmaterialen(-komposite), z.B. Cu + LiF <-> CuF₂ + Li, Fe + LiS₂ <-> FeS₂ + Li oder ähnliche, sowie neuartige Interkalationsmaterialien, wie. z.B. Li2MePO₄F (mit Me = V, Co, Mn, Ni, Fe oder Cu) und Li_xV₂O₅, Li_xV₃O₈. Die Kathodenaktivmaterialien können aus dem Herstellprozess bereits Kohlenstoffbestandteile haben, welche die elektrische Leitfähigkeit verbessern.The cathode comprises a further current conductor and a cathode active material, which is preferably lithium-containing or is pre-lithiated in a separate step. The further current conductor can also be designed as a metal foil, wherein as a material in connection with the cathode usually aluminum is used. The cathode active material is usually selected from a lithiated transition metal oxide, a lithiated transition metal spinel or an olivine. Suitable cathode active materials include in particular lithium cobalt oxide (LiCoO ₂ , LiFePO ₃ , LiNi _1/3 Co _1/3 Mn _1/3 O ₂ (layer oxides of transition metals), or lithium-nickel-cobalt-aluminum oxide (NCA) and .. overlithiated layered oxide (OLO, overlithiated layer oxide) where LiCoO ₂ is widely used for consumer batteries, while the other active materials are often used in vehicle batteries Other useful cathode active materials include lithiated conversion materials (-composites), eg Cu + LiF <-> CuF ₂ + Li, Fe + LiS ₂ <-> FeS ₂ + Li or similar, as well as novel intercalation materials, such as Li ₂ MePO ₄ F (where Me = V, Co, Mn, Ni, Fe or Cu) and Li _x V ₂ O ₅ , Li _x V ₃ O _8. The cathode active materials may already have carbon components from the manufacturing process which improve electrical conductivity.

In dem Schichtaufbau sind die geometrischen Abmessungen (Länge und Breite) der Kathode kleiner gewählt, als die des Separators. Der Separator weist daher den ersten hervorstehenden Bereich auf, an dem der Separator nicht mit der Kathode überlappt. Der erste hervorstehende Bereich weist einen ersten Überstand gegenüber der Kathode auf. Die Größe des ersten Überstands kann zwischen 0,1 mm und 5 mm, bevorzugt zwischen 0,3 und 4 mm betragen. Die Länge und Breite des Separators werden üblicherweise dadurch begrenzt, dass der Separator mittels eines Beschichtungsverfahrens auf dem Stromableiter erzeugt wird. Die Abmessungen des Separators können daher die Abmessungen des Stromableiters nicht übersteigen. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen wäre dies jedoch wünschenswert, da ein am Rand des Stromableiters wachsender Lithium-Dendrit an dem Separator vorbeiwachsen könnte, was zu einem Kurzschluss führen würde. Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Teil der dem Separator zugewandten Oberfläche des Stromableiters einen passivierten Bereich aufweist. Dieser passivierte Bereich zeichnet sich dadurch aus, dass die Oberfläche des Stromableiters in dem passivierten Bereich elektrisch isolierend oder sowohl elektrisch als auch ionisch isolierend ausgeführt ist. Dazu ist die elektrische Leitfähigkeit in dem passivierten Bereich gegenüber dem restlichen Bereich des Stromableiters deutlich reduziert. Dabei wird unter deutlicher Reduktion verstanden, dass die elektrische Leitfähigkeit im passivierten Bereich mindestens um den Faktor 2 reduziert ist, bevorzugt mindestens um den Faktor 5 reduziert ist. Im Zusammenhang mit der ionischen Leitfähigkeit wird unter dem Begriff ionisch isolierend verstanden, dass die ionische Leitfähigkeit mindestens um 2 Größenordnungen, bevorzugt um 4 Größenordnungen, gegenüber der Ionenleitfähigkeit des verwendeten Lithium-Ionenleiters reduziert ist. Der passivierte Bereich ist dabei so auf der dem Separator zugewandten Oberfläche des Stromableiters aufgebracht, dass dieser an den Rand des Stromableiters angrenzt. Bevorzugt ist der passivierte Bereich dabei so aufgebracht, dass dieser wie ein Rahmen auf der Oberfläche angeordnet ist. Der Rahmen umschließt dabei den nicht-passivierten Teil der Oberfläche des Separators.In the layer structure, the geometrical dimensions (length and width) of the cathode are set smaller than those of the separator. The separator therefore has the first protruding portion where the separator does not overlap with the cathode. The first protruding region has a first protrusion with respect to the cathode. The size of the first supernatant may be between 0.1 mm and 5 mm, preferably between 0.3 and 4 mm. The length and width of the separator are usually limited by the fact that the separator is produced by means of a coating process on the current collector. The dimensions of the separator can therefore not exceed the dimensions of the current collector. However, to avoid short circuits, this would be desirable since a lithium dendrite growing on the edge of the current collector could overflow the separator, resulting in a short circuit. Therefore, the invention provides that a part of the separator facing surface of the current collector has a passivated area. This passivated region is characterized in that the surface of the current collector in the passivated region is made electrically insulating or both electrically and ionically insulating. For this purpose, the electrical conductivity in the passivated region is significantly reduced compared with the remaining region of the current conductor. This is understood to mean a significant reduction that the electrical conductivity in the passivated region is reduced by at least a factor of 2, preferably reduced by at least a factor of 5. In connection with the ionic conductivity, the term ionic insulating means that the ionic conductivity is at least 2 orders of magnitude, preferably around 4 Magnitudes, compared to the ionic conductivity of the lithium-ion conductor used is reduced. The passivated region is applied on the surface of the current conductor facing the separator in such a way that it adjoins the edge of the current conductor. The passivated region is preferably applied in such a way that it is arranged like a frame on the surface. The frame encloses the non-passivated part of the surface of the separator.

Die Breite des passivierten Bereichs bzw. des von ihm gebildeten Rahmens auf der Oberfläche des Separators beträgt wie beim Überstand des ersten hervorstehenden Bereichs zwischen 0,1 mm und 5 mm, bevorzugt zwischen 0,3 mm und 4 mm. Bevorzugt ist die Breite des Rands identisch mit der Größe des ersten Überstands oder etwas größer gewählt. The width of the passivated region or the frame formed by it on the surface of the separator is, like the projection of the first protruding region, between 0.1 mm and 5 mm, preferably between 0.3 mm and 4 mm. Preferably, the width of the edge is selected to be identical to the size of the first supernatant or slightly larger.

Beim Aufladen des galvanischen Elements bildet sich zwischen der Kathode und dem Stromableiter ein elektrisches Feld aus, wobei Lithium-Ionen entlang der Feldlinien von der Kathode in Richtung des Stromableiters wandern, um sich dort anzulagern. Durch die vorgesehene Passivierung eines an den Rand des Stromableiters angrenzenden Bereichs der Oberfläche des Stromableiters wird die Stärke des elektrischen Felds am Rand deutlich reduziert, so dass auch die Anlagerung von Lithium-Ionen im passivierten Bereich der Oberfläche verringert wird. Ist dabei der passivierte Bereich elektrisch isolierend ausgeführt, aber für Ionen leitfähig, können die Lithium-Ionen noch teilweise in den passivierten Bereich eindringen. Daher ist der passivierte Bereich bevorzugt sowohl elektrisch als auch ionisch isolierend ausgeführt. Einem möglichen Wachstum von Lithium-Dendriten im passivierten Bereich wird so vorgebeugt.When the galvanic element is charged, an electric field is formed between the cathode and the current conductor, with lithium ions migrating along the field lines from the cathode in the direction of the current conductor to accumulate there. The intended passivation of a region of the surface of the current conductor which adjoins the edge of the current collector significantly reduces the strength of the electric field at the edge, so that the addition of lithium ions in the passivated region of the surface is also reduced. If the passivated region is designed to be electrically insulating, but conductive to ions, the lithium ions can still partly penetrate into the passivated region. Therefore, the passivated region is preferably carried out both electrically and ionically insulating. The potential growth of lithium dendrites in the passivated region is thus prevented.

In einer Ausführungsform des Schichtaufbaus ist vorgesehen, dass der passivierte Bereich zumindest den Teil der Oberfläche des Stromableiters einschließt, der gegenüber dem ersten hervorstehenden Bereich des Separators liegt.In one embodiment of the layer structure, it is provided that the passivated region encloses at least the part of the surface of the current conductor that lies opposite the first protruding region of the separator.

In einer Ausführungsform des Schichtaufbaus ist im passivierten Bereich ein Passivierungsmaterial auf der dem Separator zugewandten Oberfläche des Stromableiters aufgebracht. In one embodiment of the layer structure, a passivation material is applied in the passivated region on the surface of the current conductor facing the separator.

In einer weiteren Ausführungsform überdeckt das Passivierungsmaterial nicht nur einen Teil der dem Separator zugewandten Oberfläche, sondern umschließt den Rand des Stromableiters U-förmig, so dass auch den Rand sowie ein Teil der Rückseite des Stromableiters vom Passivierungsmaterial überdeckt werden. In a further embodiment, the passivation material not only covers part of the surface facing the separator, but surrounds the edge of the current conductor in a U-shaped manner so that the edge and a part of the back side of the current collector are also covered by the passivation material.

Zudem ist es möglich, dass das Passivierungsmaterial einen zweiten hervorstehenden Bereich aufweist, in dem das Passivierungsmaterial nicht mit dem Separator überlappt. Die geometrischen Abmessungen (Länge und Breite) des Stromableiters zusammen mit dem Passivierungsmaterial sind in einer solchen Ausführungsform demnach größer als die geometrischen Abmessungen des Separators. Die Größe des zweiten Überstands kann zwischen 0,1 mm und 5 mm, bevorzugt zwischen 0,3 und 4 mm betragen.In addition, it is possible that the passivation material has a second protruding portion in which the passivation material does not overlap with the separator. The geometric dimensions (length and width) of the current collector together with the passivation material are thus larger in such an embodiment than the geometric dimensions of the separator. The size of the second supernatant may be between 0.1 mm and 5 mm, preferably between 0.3 and 4 mm.

In einer Ausführungsform des Schichtaufbaus ist vorgesehen, dass der Stromableiter im passivierten Bereich eine verringerte Dicke aufweist. Dabei kann in einer bevorzugten Ausführungsform die Gesamtdicke von Stromableiter und Passivierungsmaterial im passivierten Bereich so gewählt werden, dass die Gesamtdicke einer Dicke des Stromableiters außerhalb des passivierten Bereichs entspricht.In one embodiment of the layer structure, provision is made for the current conductor to have a reduced thickness in the passivated region. In this case, in a preferred embodiment, the total thickness of the current conductor and passivation material in the passivated region can be selected such that the total thickness corresponds to a thickness of the current conductor outside the passivated region.

Je nach benötigtem Anwendungsfall kann die Passivierung so ausgeführt werden, dass das Passivierungsmaterial bündig mit dem nicht passivierten Bereich des Stromableiters ist oder der passivierte Bereich kann so ausgestaltet werden, dass dieser über den nicht passivierten Teil der dem Separator zugewandten Oberfläche hinausragt. Im letzteren Fall wird über das Passivierungsmaterial ein Abstand zwischen dem Separator und dem nicht passivierten Teil des Stromableiters eingestellt, wodurch ein freier Raum entsteht. Dieser Raum kann beispielsweise genutzt werden, um Anodenaktivmaterial, wie beispielsweise metallisches Lithium, aufzunehmen. Depending on the required application, the passivation can be carried out so that the passivation material is flush with the non-passivated region of the current conductor or the passivated region can be designed such that it protrudes beyond the non-passivated part of the surface facing the separator. In the latter case, a distance between the separator and the non-passivated part of the current collector is set via the passivation material, whereby a free space is created. This space can be used, for example, to contain anode active material, such as metallic lithium.

Das Passivierungsmaterial ist beispielsweise ausgewählt aus Polyimid, einem Polyolefin, Polyethylenterephthalat (PET), Polytetrafluoroethylen (PTFE), einem Perfluoroalkoxy-Polymer (PFA), Zinn oder einem Metalloxid. The passivation material is, for example, selected from polyimide, a polyolefin, polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), a perfluoroalkoxy polymer (PFA), tin or a metal oxide.

Die aufgeführten Polymere können dabei insbesondere in Form eines selbstklebenden Kunststoffbands an den Rändern des Stromableiters auf dessen dem Separator zugewandten Oberfläche aufgebracht werden. Des Weiteren kann das Passivierungsmaterial auch mit den dem Fachmann bekannten Beschichtungsverfahren aufgebracht werden. The listed polymers can be applied in particular in the form of a self-adhesive plastic tape on the edges of the current collector on its surface facing the separator. Furthermore, the passivation material can also be applied using the coating method known to the person skilled in the art.

Die aufgeführten Polymere sind elektrische Isolatoren und daher besonders gut für die Passivierung geeignet. Aber auch Metalle mit vergleichsweiser schlechter elektrischer Leitfähigkeit wie Zinn sind für die Passivierung als Passivierungsmaterial geeignet. Ebenfalls ist es möglich, durch Oxidation einen Teil des Materials des Stromableiters in ein Passivierungsmaterial umzuwandeln. Wird das Passivierungsmaterial mittels Oxidation erzeugt, so nimmt das Passivierungsmaterial keinen bzw. nur wenig zusätzlichen Raum ein. Wird ein zusätzliches Passivierungsmaterial auf dem Stromableiter angeordnet, so wird dessen Dichte typischerweise zwischen 2 μm und 30 μm gewählt.The listed polymers are electrical insulators and therefore particularly suitable for passivation. But even metals with comparatively poor electrical conductivity, such as tin, are suitable for passivation as a passivation material. It is also possible to convert a part of the material of the current collector into a passivation material by oxidation. If the passivation material is produced by oxidation, the passivation material takes up little or no additional space. If an additional passivation material is arranged on the current conductor, then its density is typically chosen between 2 μm and 30 μm.

In einer alternativen Ausführungsform des Schichtaufbaus wird anstelle einer Metallfolie als Stromableiter ein Stromableiter verwendet, der eine Trägerfolie und eine leitfähige Beschichtung umfasst. Dabei ist vorgesehen, dass die leitfähige Beschichtung sich nicht über den passivierten Bereich der Oberfläche des Stromableiters erstreckt. In an alternative embodiment of the layer structure, instead of a metal foil as a current conductor, a current conductor is used which comprises a carrier foil and a conductive coating. It is provided that the conductive coating does not extend beyond the passivated region of the surface of the current conductor.

Als Material für die Trägerfolie sind beispielsweise Polyimid, Polyolefine oder Polyethylenterephthalat (PET) mit einer Dicke zwischen 7 μm und 25 μm geeignet. Typischerweise beträgt die Dicke der Trägerfolie 12 μm. Das Material für die elektrisch leitfähige Beschichtung ist beispielsweise ausgewählt aus Kupfer, Nickel, rostfreiem Stahl oder Kombinationen daraus, wobei die Dicke der leitfähigen Schicht beispielsweise zwischen etwa 2 μm und 15 μm liegt. Bevorzugt wird eine Schichtstärke zwischen 3 μm und 8 μm.As a material for the carrier film, for example, polyimide, polyolefins or polyethylene terephthalate (PET) with a thickness between 7 microns and 25 microns are suitable. The thickness of the carrier film is typically 12 μm. The material for the electrically conductive coating is for example selected from copper, nickel, stainless steel or combinations thereof, wherein the thickness of the conductive layer is for example between about 2 microns and 15 microns. A layer thickness between 3 μm and 8 μm is preferred.

In einer Ausführungsvariante ist es möglich, auf den nicht beschichteten Teil der Oberfläche, also dem passivierten Bereich, zusätzliches Passivierungsmaterial anzuordnen, um eine Reduzierung der Biegebelastung des Separators zu erreichen.In one embodiment, it is possible to arrange on the non-coated part of the surface, ie the passivated area, additional passivation material in order to achieve a reduction of the bending load of the separator.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft das Bereitstellen einer Batteriezelle umfassend mindestens ein galvanisches Element mit einem Schichtaufbau wie soeben beschrieben. Aus solchen Batteriezellen können auch größere Einheiten gefertigt werden. Beispielsweise können mehrere Batteriezellen zu einem Batteriemodul zusammengefasst werden, wobei eine Batterie eine Vielzahl von Batteriezellen bzw. Batteriemodulen umfassen kann. A further aspect of the invention relates to the provision of a battery cell comprising at least one galvanic element with a layer structure as just described. From such battery cells and larger units can be made. For example, a plurality of battery cells can be combined to form a battery module, wherein a battery can comprise a multiplicity of battery cells or battery modules.

Im Rahmen dieser Beschreibung wird der Begriff Batterie bzw. Batteriezelle wie in der Umgangssprache üblich verwendet, so dass von den Begriffen sowohl Primärbatterien als auch Sekundärbatterien (Akkumulatoren) umfasst sind. In the context of this description, the term battery or battery cell is used as is customary in the vernacular, so that the terms include both primary batteries and secondary batteries (accumulators).

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Bei üblichen Fertigungsverfahren für Batterien mit einem Festkörperelektrolyten wird der Separator, der auch gleichzeitig als Festkörper-Elektrolyt bzw. als Ionen-Leiter dient, mittels eines Beschichtungsverfahrens auf dem Stromableiter erzeugt. Daher ist es Verfahrenstechnisch nicht möglich, die Abmessungen des Stromableiters kleiner zu wählen, als die Abmessungen des Separators. Mittels des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schichtaufbaus ist es jedoch möglich, einen Teil der Oberfläche des Stromableiters zu passivieren, so dass die effektive Fläche des Stromableiters kleiner ist, als die Fläche des Separators. Von der Kathode in Richtung Stromableiter wandernde Lithium-Ionen lagern sich vermehrt im nicht passivierten Bereich an, so dass das Wachstum von Lithium-Dendriten im passivierten Bereich vermieden wird. In conventional manufacturing processes for batteries with a solid electrolyte, the separator, which also serves at the same time as a solid-state electrolyte or as an ion conductor, is produced by means of a coating method on the current collector. Therefore, it is not technically possible to choose the dimensions of the current collector smaller than the dimensions of the separator. By means of the layer structure proposed according to the invention, however, it is possible to passivate a part of the surface of the current conductor, so that the effective area of the current conductor is smaller than the area of the separator. From the cathode in the direction of current collector migrating lithium ions accumulate increasingly in the non-passivated region, so that the growth of lithium dendrites in the passivated region is avoided.

Da vorgesehen ist, den passivierten Bereich an den Rand des Stromableiters angrenzen zu lassen, wird somit ein Entstehen von Lithium-Dendriten am Rand des Stromableiters verhindert. Dies wiederum verhindert das Entstehen von Kurzschlüssen durch am Separator vorbeiwachsende Lithium-Dendriten. Since it is provided to allow the passivated region to be adjacent to the edge of the current collector, a formation of lithium dendrites at the edge of the current conductor is thus prevented. This in turn prevents the formation of short circuits due to lithium dendrites passing by the separator.

In vorteilhaften Fortbildungen des Schichtaufbaus ist es zudem möglich, den Separator mechanisch zu entlasten. Beim Aufladen des galvanischen Elements wandern Lithium-Ionen aus der Kathode in Richtung des Stromableiters, so dass zwischen dem Stromableiter und dem Separator eine Schicht metallisches Lithium entsteht. Der vom metallischen Lithium benötigte Raum wird normalerweise dadurch bereitgestellt, dass sich der Separator verformt und/oder der gesamte Zellstapel in der Höhe wächst. Wird hingegen der passivierte Bereich dadurch realisiert, dass ein Passivierungsmaterial auf der dem Separator zugewandten Oberfläche des Stromableiters angeordnet wird, kann bereits mit Hilfe des Passivierungsmaterials ein Abstand zwischen dem Separator und dem Stromableiter eingestellt werden. Durch diesen Abstand wird ein Raum zur Aufnahme des metallischen Lithiums geschaffen, so dass sich der Separator nicht oder nur noch weniger stark verformen muss, um die anwachsende metallische Lithiumschicht aufzunehmen. In advantageous developments of the layer structure, it is also possible to mechanically relieve the separator. When charging the galvanic element, lithium ions migrate from the cathode in the direction of the current conductor, so that a layer of metallic lithium is formed between the current conductor and the separator. The space required by the metallic lithium is normally provided by deforming the separator and / or growing the entire cell stack in height. If, however, the passivated region is realized by arranging a passivation material on the surface of the current collector facing the separator, a distance between the separator and the current conductor can already be set with the aid of the passivation material. By this distance, a space for receiving the metallic lithium is created, so that the separator does not have to deform or only to a lesser extent, to accommodate the growing metallic lithium layer.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1 eine erste Ausführungsform des Schichtaufbaus, 1 a first embodiment of the layer structure,

2 die erste Ausführungsform des Schichtaufbaus in einem geladenen Zustand, 2 the first embodiment of the layer structure in a charged state,

3a Detailansicht eines Rands eines Schichtaufbaus nach dem Stand der Technik, 3a Detail view of a rim of a layer construction according to the prior art,

3b Detailansicht eines Rands eines erfindungsgemäßen Schichtaufbaus, 3b Detail view of an edge of a layer structure according to the invention,

4a, 4b, 4c verschiedene Anordnungen eines Passivierungsmaterials auf einem Stromableiter, 4a . 4b . 4c various arrangements of a passivation material on a current conductor,

5 eine zweite Ausführungsform des Schichtaufbaus und 5 a second embodiment of the layer structure and

6 eine dritte Ausführungsform des Schichtaufbaus. 6 a third embodiment of the layer structure.

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten oder Elemente mit gleichen oder ähnlichen 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 denoted by the same or similar 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.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 stellt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus dar. 1 represents a first embodiment of the layer structure according to the invention.

In 1 ist ein Ausschnitt eines Schichtaufbaus 100 für ein galvanisches Element in einer Schnittdarstellung von der Seite dargestellt. Der Schichtaufbau 100 umfasst in dieser Reihenfolge einen Stromableiter 2, einen Separator 4 und eine Kathode 6. Die Kathode 6 ist dabei kleiner als der Separator 4 ausgeführt, so dass der Separator 4 einen ersten hervorstehenden Bereich 7 aufweist, in dem der Separator 4 nicht mit der Kathode 6 überlappt. Länge und Breite des Separators 4 und des Stromableiters 2 sind in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel identisch ausgeführt, so dass der Stromableiter 2 keinen Überstand mit Bezug zum Separator 4 aufweist. Dabei bezeichnet Länge die Abmessungen in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene und Breite bezeichnet die Abmessungen in einer Richtung parallel zu den Schichtebenen in der Zeichenebene. Mit dem Begriff Dicke wird eine Abmessung in Stapelrichtung des Schichtaufbaus 100 in der Zeichenebene bezeichnet. Demnach sind Länge und Breite der Kathode 6 kleiner gewählt als Länge und Breite des Separators 4. In 1 is a section of a layer structure 100 for a galvanic element in a sectional view from the side. The layer structure 100 includes in this order a current collector 2 , a separator 4 and a cathode 6 , The cathode 6 is smaller than the separator 4 run so that the separator 4 a first protruding area 7 in which the separator 4 not with the cathode 6 overlaps. Length and width of the separator 4 and the current conductor 2 are in the in 1 illustrated embodiment identical, so that the current conductor 2 no supernatant with respect to the separator 4 having. In this case, length denotes the dimensions in a direction perpendicular to the plane of the drawing and width denotes the dimensions in a direction parallel to the layer planes in the plane of the drawing. The term thickness becomes a dimension in the stacking direction of the layer structure 100 denoted in the drawing plane. Accordingly, the length and width of the cathode 6 smaller than the length and width of the separator 4 ,

Der Stromableiter 2 weist einen außen liegenden Rand 3 und eine dem Separator 4 zugewandte Oberfläche 5 auf. Auf der dem Separator 4 zugewandten Oberfläche 5 ist ein Passivierungsmaterial 12 aufgebracht, welches somit zwischen dem Stromableiter 2 und dem Separator 4 des Schichtaufbaus 100 liegt. Das Passivierungsmaterial 12 grenzt an den Rand 3 des Stromableiters 2 an und bildet einen passivierten Bereich 10 aus. Bevorzugt ist die Breite des passivierten Bereichs 10 identisch mit der Größe ersten hervorstehenden Bereich 7 oder etwas größer gewählt.The current collector 2 has an outer edge 3 and one to the separator 4 facing surface 5 on. On the separator 4 facing surface 5 is a passivation material 12 applied, which thus between the current conductor 2 and the separator 4 of the layer structure 100 lies. The passivation material 12 borders on the edge 3 of the current conductor 2 and forms a passivated area 10 out. The width of the passivated region is preferred 10 identical to the size of the first protruding area 7 or something bigger.

Das Passivierungsmaterial 12 ist ausgewählt aus einem Polyimid, einem Polyolefin, Polyethylenterephthalat (PET), Polytetrafluorethylen (PTFE), einem Perfluoroalkoxy-Polymer (PFA), Zinn oder einem Metalloxid. Der Stromableiter 2 ist ausgewählt aus Kupfer, Nickel, rostfreiem Stahl oder einer Kombination mindestens zweier dieser Materialien. Somit weist der Stromableiter 2 eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Die Passivierungsmaterialien hingegen sind entweder elektrische Isolatoren oder, wie beispielsweise im Fall von Zinn, im Vergleich zum Stromableiter 2 schlechte elektrische Leiter. Somit ist der passivierte Bereich 10 ein Bereich mit fehlender oder zumindest verminderter elektrischer Leitfähigkeit. The passivation material 12 is selected from a polyimide, a polyolefin, polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), a perfluoroalkoxy polymer (PFA), tin or a metal oxide. The current collector 2 is selected from copper, nickel, stainless steel or a combination of at least two of these materials. Thus, the current collector 2 a high electrical conductivity. The passivation materials, on the other hand, are either electrical insulators or, as in the case of tin, in comparison to the current collector 2 bad electrical conductor. Thus, the passivated area 10 an area with missing or at least reduced electrical conductivity.

Die Kathode 6 umfasst einen weiteren Stromableiter und ein Kathodenaktivmaterial, welches dem Separator 4 zugewandt ist. In der in 1 dargestellten Situation ist das aus dem Schichtaufbau 100 bestehende galvanische Element vollständig entladen, so dass sich zwischen dem Stromableiter 2 und dem Separator 4 kein Anodenaktivmaterial befindet. The cathode 6 comprises a further current collector and a cathode active material, which the separator 4 is facing. In the in 1 the situation shown is that of the layer structure 100 existing galvanic element completely discharged, leaving itself between the current conductor 2 and the separator 4 no anode active material is located.

2 zeigt den mit Bezug zu 1 beschriebenen Schichtaufbau 100 in einem geladenen Zustand. 2 shows the reference to 1 described layer structure 100 in a charged state.

In der in 2 dargestellten Situation ist das aus dem Schichtaufbau 100 bestehende galvanische Element geladen. Durch das Aufladen sind Lithium-Ionen aus der Kathode 6 durch den Separator 4 in Richtung Stromableiter 2 gewandert und haben sich dort als Anodenaktivmaterial 9 in Form einer Schicht aus metallischem Lithium angelagert. Der Stromableiter 2 und das Anodenaktivmaterial 9 bilden eine Anode 8 aus. Der Separator 4 trennt Kathode 6 und Anode 8 sowohl elektrisch als auch mechanisch voneinander, ist jedoch für Lithium-Ionen leitend. In the in 2 the situation shown is that of the layer structure 100 existing galvanic element loaded. By charging are lithium ions from the cathode 6 through the separator 4 in the direction of current conductors 2 have migrated there and as an anode active material 9 attached in the form of a layer of metallic lithium. The current collector 2 and the anode active material 9 form an anode 8th out. The separator 4 separates cathode 6 and anode 8th both electrically and mechanically, but is conductive for lithium ions.

Beim Laden des Schichtaufbaus 100 bildet sich ein elektrisches Feld zwischen Kathode 6 und Anode 8 bzw. dem Stromableiter 2 der Anode 8 aus. Lithium-Ionen wandern entlang der elektrischen Feldlinien aus der Kathode 6 in Richtung des Stromableiters 2, um sich dort anzulagern. Im passivierten Bereich 10 ist auf der dem Separator 4 zugewandten Oberfläche 5 des Stromableiters 2 das Passivierungsmaterial 12 aufgebracht. Da das Passivierungsmaterial 12 nicht leitend ist bzw. nur eine stark reduzierte elektrische Leitfähigkeit aufweist, bildet sich im passivierten Bereich 10 kein elektrisches Feld aus bzw. das elektrische Feld ist stark vermindert. Als Folge davon lagern sich im passivierten Bereich 10 keine Lithium-Ionen an, so dass sich das Anodenaktivmaterial 9 lediglich außerhalb des passivierten Bereichs 10 auf der Oberfläche 5 des Stromableiters 2 abscheiden kann.When loading the layer structure 100 An electric field forms between the cathode 6 and anode 8th or the current conductor 2 the anode 8th out. Lithium ions migrate out of the cathode along the electric field lines 6 in the direction of the current conductor 2 to accumulate there. In the passivated area 10 is on the separator 4 facing surface 5 of the current conductor 2 the passivation material 12 applied. Because the passivation material 12 is not conductive or has only a greatly reduced electrical conductivity, is formed in the passivated region 10 no electric field or the electric field is greatly reduced. As a consequence of this, they are stored in the passivated area 10 no lithium ions, so that the anode active material 9 just outside the passivated area 10 on the surface 5 of the current conductor 2 can separate.

Die Dicke 20 des Passivierungsmaterials 12 beträgt zwischen etwa 2 μm und 30 μm. Die durch das Aufladen gebildete Schicht aus metallischem Lithium, die das Anodenaktivmaterial 9 darstellt, hat typischerweise eine Dicke zwischen 15 μm und 45 μm. Wie aus 2 ersichtlich muss sich der Separator 4 verformen, um Raum für die Aufnahme des sich anlagernden Anodenaktivmaterials 9 zu schaffen. The fat 20 of the passivation material 12 is between about 2 microns and 30 microns. The layer of metallic lithium formed by the charging, which is the anode active material 9 typically has a thickness between 15 microns and 45 microns. How out 2 the separator must be visible 4 deform to accommodate the adsorbed anode active material 9 to accomplish.

In 3a ist ein Schichtaufbau 100‘ für ein galvanisches Element gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Der Schichtaufbau 100‘ umfasst in dieser Reihenfolge einen Stromableiter 2, ein Anodenaktivmaterial 9, einen Separator 4 und eine Kathode 6. Dabei bilden der Stromableiter 2 und das Anodenaktivmaterial 9 die Anode 8 aus. Der Schichtaufbau 100‘ befindet sich demnach in einem aufgeladenen Zustand. Aufgrund des ersten hervorstehende Bereichs 7 zwischen Kathode 6 und Separator 4 hat sich das Anodenaktivmaterial 9 hauptsächlich gegenüber der Kathode 6 auf der dem Separator 4 zugewandten Oberfläche 5 des Stromableiters 2 angelagert. Um dem Anodenaktivmaterial 9 Raum zu verschaffen, musste sich der Separator 4 verformen, wobei es zu einer starken Durchbiegung 14 des Separators 4 kommt. In 3a is a layered structure 100 ' for a galvanic element according to the prior art. The layer structure 100 ' includes in this order a current collector 2 , an anode active material 9 , a separator 4 and a cathode 6 , The current collector form this 2 and the anode active material 9 the anode 8th out. The layer structure 100 ' is therefore in a charged state. Due to the first protruding area 7 between cathode 6 and separator 4 has the anode active material 9 mainly opposite the cathode 6 on the separator 4 facing surface 5 of the current conductor 2 attached. To the anode active material 9 To get space, had to be the separator 4 deform, causing a strong deflection 14 of the separator 4 comes.

3b zeigt einen erfindungsgemäßen Schichtaufbau 100 für ein galvanisches Element ebenfalls in einem aufgeladenen Zustand. Im Vergleich zu 3a umfasst das erfindungsgemäße galvanische Element angrenzend an den Rand 3 des Stromableiters 2 den passivierten Bereich 10. Der passivierte Bereich 10 wird gebildet, indem zwischen Separator 4 und dem Stromableiter 2 im passivierten Bereich 10 das Passivierungsmaterial 12 angeordnet wird. Da das Passivierungsmaterial 12 bereits eine gewisse Dicke 20 aufweist, beispielsweise zwischen 2 μm und 30 μm, kommt es bei Anlagerungen des Anodenaktivmaterials 9 im Vergleich zu 3a nur noch zu einer reduzierten Durchbiegung 16 des Separators 4. Durch das Aufbringen des Passivierungsmaterials 12 wird somit nicht nur das Anlagern von Lithium-Ionen im passivierten Bereich 10 unterdrückt, sondern es wird auch die mechanische Belastung des Separators 4 beim Durchlaufen von Lade-/Entladezyklen reduziert. 3b shows a layer structure according to the invention 100 for a galvanic element also in a charged state. Compared to 3a comprises the galvanic element according to the invention adjacent to the edge 3 of the current conductor 2 the passivated area 10 , The passivated area 10 is formed by separating separator 4 and the current collector 2 in the passivated area 10 the passivation material 12 is arranged. Because the passivation material 12 already a certain thickness 20 has, for example, between 2 microns and 30 microns, it comes at deposits of the anode active material 9 compared to 3a only at a reduced deflection 16 of the separator 4 , By applying the passivation material 12 is thus not only the attachment of lithium ions in the passivated area 10 It also suppresses the mechanical stress on the separator 4 reduced when going through charge / discharge cycles.

In den 4a, 4b und 4c sind verschiedene Ausführungsformen der Anordnung des Passivierungsmaterials 12 auf dem Stromableiter 2 dargestellt. In the 4a . 4b and 4c are various embodiments of the arrangement of the passivation material 12 on the current collector 2 shown.

In 4a ist das Passivierungsmaterial 12 U-förmig am Rand 3 des Stromableiters 2 angeordnet. Bei dieser Anordnung werden sowohl die am Rand 3 befindlichen Seitenfläche des Stromableiters 2 als auch die Oberseite und die Unterseite des Stromableiters 2 mit dem Passivierungsmaterial 12 überdeckt. In 4a is the passivation material 12 U-shaped on the edge 3 of the current conductor 2 arranged. In this arrangement, both the edge 3 located side surface of the current collector 2 as well as the top and bottom of the current conductor 2 with the passivation material 12 covered.

In 4b ist das Passivierungsmaterial 12 angrenzend an den Rand 3 nur an einer Oberfläche des Stromableiters 2 angeordnet. Dies entspricht der in den 1, 2 und 3b dargestellten Ausführungsform.In 4b is the passivation material 12 adjacent to the edge 3 only on one surface of the current conductor 2 arranged. This corresponds to that in the 1 . 2 and 3b illustrated embodiment.

In 4c wird der Stromableiter 2 vom Passivierungsmaterial 12 ausgehend vom Rand 3, ähnlich wie mit Bezug zu 4a bereits beschrieben, umschlossen, jedoch weist das Passivierungsmaterial 12 einen zweiten hervorstehenden Bereich 13 auf. Bei Anordnung des in 4c dargestellten Stromableiters 2 zusammen mit dem Passivierungsmaterial 12 in einem Schichtaufbau 100 überlappt der zweite hervorstehende Bereich 13 nicht mit dem Separator 4, sondern ragt über diesen um einen zweiten Überstand hinaus. In 4c becomes the current conductor 2 from the passivation material 12 starting from the edge 3 , similar to related to 4a already described, but includes the passivation material 12 a second protruding area 13 on. When arranging the in 4c shown Stromableiters 2 together with the passivation material 12 in a layered structure 100 the second protruding area overlaps 13 not with the separator 4 but protrudes above this by a second supernatant.

In 5 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus 100 dargestellt. In 5 is a further embodiment of the layer structure according to the invention 100 shown.

5 zeigt den Schichtaufbau 100, der in dieser Reihenfolge einen Stromableiter 2, einen Separator 4 und eine Kathode 6 umfasst. Im Gegensatz zu den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen ist der Stromableiter 2 der in 5 dargestellten Ausführungsform nicht als Metallfolie ausgeführt, vielmehr umfasst der Stromableiter 2 in der Ausführungsform der 5 eine Trägerfolie 18 und eine auf der Trägerfolie 18 angeordnete leitfähige Schicht 19. Die leitfähige Schicht 19 ist dabei dem Separator 4 zugewandt. 5 shows the layer structure 100 that in this order a current collector 2 , a separator 4 and a cathode 6 includes. In contrast to the embodiments described above, the current conductor 2 the in 5 illustrated embodiment, not designed as a metal foil, but rather includes the current conductor 2 in the embodiment of the 5 a carrier film 18 and one on the carrier sheet 18 arranged conductive layer 19 , The conductive layer 19 is the separator 4 facing.

Der passivierte Bereich 10, der wieder an den Rand 3 des Stromableiters 2 angrenzt, ist in der Ausführungsform der 5 nicht durch Aufbringen eines Passivierungsmaterials 12 ausgebildet, sondern ist durch ein Fehlen der leitfähigen Schicht 19 im passivierten Bereich 10 gekennzeichnet. Die Trägerfolie 18 ist beispielsweise aus einem Polyimid, einem Polyolefin, Polyethylenterephthalat (PET) ausgewählt und daher nicht selbstständig elektrisch leitfähig. Erst durch das Vorsehen der elektrisch leitfähigen Schicht 19 wird eine elektrische Leitfähigkeit hergestellt. Da die leitfähige Schicht 19 im passivierten Bereich 10 fehlt, weist der Stromableiter 2 im passivierten Bereich 10 keine elektrische Leitfähigkeit auf. The passivated area 10 who is back to the edge 3 of the current conductor 2 adjacent is in the embodiment of the 5 not by applying a passivation material 12 formed, but is characterized by a lack of conductive layer 19 in the passivated area 10 characterized. The carrier foil 18 is for example selected from a polyimide, a polyolefin, polyethylene terephthalate (PET) and therefore not independently electrically conductive. Only by providing the electrically conductive layer 19 an electrical conductivity is produced. Because the conductive layer 19 in the passivated area 10 is missing, the current conductor indicates 2 in the passivated area 10 no electrical conductivity.

In 6 ist eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus 100 dargestellt. Der Schichtaufbau 100 umfasst wieder in dieser Reihenfolge den Stromableiter 2, den Separator 4 und die Kathode 6. Die Kathode 6 ist von ihren Abmessungen her kleiner als der Separator 4 ausgeführt, so dass der Separator 4 einen ersten hervorstehenden Bereich 7 aufweist, der nicht mit der Kathode 6 überlappt. In 6 is a third embodiment of the layer structure according to the invention 100 shown. The layer structure 100 includes again in this order the current conductor 2 , the separator 4 and the cathode 6 , The cathode 6 is smaller in size than the separator 4 run so that the separator 4 a first protruding area 7 that does not match the cathode 6 overlaps.

Der Stromableiter 2 ist wieder als Metallfolie ausgeführt, wobei die Metallfolie außerhalb des passivierten Bereichs 10 eine Dicke 22 aufweist. Innerhalb des passivierten Bereichs 10 weist der Stromableiter 2 eine verringerte Dicke 24 auf. Der Stromableiter 2 beginnt an seinem Rand 3 mit der verringerten Dicke 24 und verdickt sich am Ende des passivierten Bereichs 10, so dass außerhalb des passivierten Bereichs 10 der Stromableiter 2 wieder seine Dicke 22 aufweist. Die Passivierung ist in der Ausführungsform der 6 wieder über ein Passivierungsmaterial 12 hergestellt, welches in der in 6 dargestellten Ausführungsform U-förmig im Bereich des Rands 3 des Stromableiters 2 aufgebracht ist. Das heißt, dass das Passivierungsmaterial 12 ist nicht nur auf der dem Separator 4 zugewandten Oberfläche 5 des Stromableiters 2 aufgebracht ist, sondern auch an der den Rand 3 bildenden Seitenfläche und auf der Rückseite des Stromableiters 2 innerhalb des passivierten Bereichs 10. Die Dicke 20 des Passivierungsmaterials 12 ist dabei so gewählt, dass die Gesamtdicke aus dem Passivierungsmaterial 12 und der verringerten Dicke 24 des Stromableiters 2 der Dicke 22 des Stromableiters 2 außerhalb des passivierten Bereichs 10 entspricht. Der passivierte Bereich 10 grenzt somit bündig an den außerhalb des passivierten Bereichs 10 liegenden Teil des Stromableiters 2 an. The current collector 2 is again designed as a metal foil, wherein the metal foil outside the passivated area 10 a thickness 22 having. Within the passivated area 10 points the current collector 2 a reduced thickness 24 on. The current collector 2 starts at its edge 3 with the reduced thickness 24 and thickens at the end of the passivated area 10 , leaving outside the passivated area 10 the current conductor 2 his thickness again 22 having. The passivation is in the Embodiment of 6 again via a passivation material 12 produced in the in 6 illustrated embodiment U-shaped in the region of the edge 3 of the current conductor 2 is applied. That means that the passivation material 12 not only on the separator 4 facing surface 5 of the current conductor 2 is applied, but also on the edge 3 forming side surface and on the back of the current conductor 2 within the passivated area 10 , The fat 20 of the passivation material 12 is chosen so that the total thickness of the passivation material 12 and the reduced thickness 24 of the current conductor 2 the thick 22 of the current conductor 2 outside the passivated area 10 equivalent. The passivated area 10 thus borders flush with the outside of the passivated area 10 lying part of the current conductor 2 at.

Alternativ zu der in 6 dargestellten Passivierung mit Hilfe eines Passivierungsmaterials 12 kann eine bündige Ausgestaltung auch mit Hilfe einer lokalen Oxidation des Materials des Stromableiters 2 erreicht werden. Dabei wird das Metall des Stromableiters 2 nur innerhalb des passivierten Bereichs 10 oxidiert, so dass auch nur innerhalb des passivierten Bereichs 10 die elektrische Leitfähigkeit des Stromableiters 2 reduziert wird. Alternatively to the in 6 Passivation shown using a Passivierungsmaterials 12 can also be a flush design with the help of a local oxidation of the material of the current conductor 2 be achieved. At the same time, the metal of the current collector becomes 2 only within the passivated area 10 oxidized, leaving only within the passivated area 10 the electrical conductivity of the current conductor 2 is reduced.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und 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 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

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US6007935 [0005]
DE 102010050040 A1 [0006]

Claims

Layer structure ( 100 ) for a galvanic element, comprising in this order a current conductor ( 2 ), a separator ( 4 ) and a cathode ( 6 ), the separator ( 4 ) a first protruding area ( 7 ), in which the separator ( 4 ) not with the cathode ( 6 ), characterized in that the current collector ( 2 ) on a separator ( 4 ) facing surface ( 5 ) a passivated area ( 10 ), which adjoins an edge ( 3 ) of the current conductor ( 2 ) adjoins flush.

Layer structure ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the passivated region ( 10 ) at least the part of the surface ( 5 ) of the current conductor ( 2 ) facing the first protruding area (FIG. 7 ) of the separator ( 4 ) lies.

Layer structure ( 100 ) according to claim 1 or 2, characterized in that in the passivated region ( 10 ) a passivation material ( 12 ) on the surface ( 5 ) of the current conductor ( 2 ) is applied.

Layer structure ( 100 ) according to claim 3, characterized in that the passivation material ( 12 ) is arranged so that it is the edge ( 3 ) of the current conductor ( 2 ) U-shaped encloses.

Layer structure ( 100 ) according to claim 3 or 4, characterized in that the passivation material ( 12 ) a second protruding area ( 13 ), in which the passivation material ( 12 ) not with the separator ( 4 ) overlaps.

Layer structure ( 100 ) according to one of claims 3 to 5, characterized in that the current conductor ( 2 ) in the passivated area ( 10 ) a reduced thickness ( 24 ), the total thickness of current conductors ( 2 ) and passivation material ( 12 ) in the passivated area ( 10 ) of a thickness ( 22 ) of the current conductor ( 2 ) outside the passivated area ( 10 ) corresponds.

Layer structure ( 100 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the passivation material ( 12 ) is selected from polyimide, a polyolefin, polyethylene terephthalate, polytetrafluoroethylene, a perfluoroalkoxy polymer, tin or a metal oxide.

Layer structure ( 100 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the current conductor ( 2 ) a carrier film ( 18 ) and on the separator ( 4 ) facing surface ( 5 ) a conductive layer ( 19 ), wherein the conductive layer ( 19 ) not over the passivated area ( 10 ) of the surface ( 5 ) of the current conductor ( 2 ).

Layer structure ( 100 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the layer structure ( 100 ) between the current conductor ( 2 ) and the separator ( 4 ) an anode active material ( 9 ), wherein the anode active material ( 9 ) is a layer of metallic lithium, which by means of electrodeposition on the current conductor ( 2 ) is formed.

Battery cell comprising at least one galvanic element with a layer structure ( 100 ) according to one of claims 1 to 9.