DE102015203101B4

DE102015203101B4 - Batteriezellenaufbau mit dauerhaft voneinander getrennten Elektrodenräumen

Info

Publication number: DE102015203101B4
Application number: DE102015203101.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Feustel; Michael Kohl; Holger Althues; Philipp Thümmler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2015-02-20
Filing date: 2015-02-20
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2035-02-21
Also published as: DE102015203101A1

Abstract

Batteriezellenaufbau mit dauerhaft voneinander getrennten Elektrodenräumen, bestehend aus einem Gehäuse (1), dessen Grundfläche (1.1) und Deckfläche (1.2) aus einem elektrisch leitenden Werkstoff ausgebildet und die Grundfläche (1.1) und/oder die Deckfläche (1.2) vom übrigen Gehäuse elektrisch isoliert ist, wobei in dem Gehäuse (1) abwechselnd mindestens ein abgeschlossenes und gegenüber einem ersten Elektrolyten dichtes erstes Elektrodenmodul (2), das mit einem ersten, Elektrolyt (7) befüllt ist, wobei das erste Elektrodenmodul (2) aus einer ersten Elektrode, bevorzugt einer Anode (3) besteht, die mit einer Folie oder einem Metallschaum gebildet ist, und desweiteren die erste Elektrode (3) mit einem ersten Ableiter (5) für elektrischen Strom verbunden und zwischen zwei ionenleitfähigen Separatoren (6) angeordnet ist, und mindestens eine zweite Elektrode, bevorzugt eine Kathode (8), die mit einem zweiten Ableiter (9) für elektrischen Strom verbunden oder zumindest bereichsweise auch als zweiter Ableiter (9) ausgebildet ist, übereinander angeordnet sind, wobei der/die zweite(n) Ableiter (9) der mindestens einen zweiten Elektrode (8) zur Grundfläche (1.1) oder Deckfläche (1.2) und der/die ersten Ableiter (5) des mindestens einen Elektrodenmoduls (2) komplementär dazu zur Deckfläche (1.2) oder Grundfläche (1.1) des Gehäuses (1) geführt und mit diesen elektrisch leitend verbunden sind, wobei die ersten und/oder zweiten Ableiter (5, 9) gegenüber dem Gehäuse (1) elektrisch isoliert sind, und Hohlräume im Gehäuse (1) mit einem zweiten Elektrolyt (10) befüllt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Batteriezellenaufbau mit dauerhaft voneinander getrennten Elektrodenräumen. Durch die Trennung der Elektrodenräume wird es möglich, verschiedene Elektrolyte für Anoden und Kathoden zu verwenden.
Der aktuelle Stand der Batterietechnik umfasst unterschiedlichste Konzepte zur Verpackung der chemischen Elementarzellen. So kommen zum einen prismatische Zellen unterschiedlichster Form und Größe mit metallischem Gehäuse, und zum anderen Pouch-Zellen aus Polymeren zum Einsatz.
Die Kathoden und Anoden bestehen zumeist aus beschichteten Kupfer- oder Aluminiumfolien, die mittels eines auf Polymerbasis gebildeten Separators voneinander getrennt werden. Diese Folien werden im Fertigungsprozess der Batterie durch stapeln, wickeln oder falten zu Folienpaketen gebündelt und zusammen mit einem Elektrolyt in dem entsprechend dichten Gehäuse aufgenommen.
Andere Konzepte, wie z. B. die Bobbinbauweise werden mit einer dünnen Anodenschicht und einem verhältnismäßig dickem Kathodenkörper aufgebaut.
All diese Konzepte verwenden unabhängig von dessen Elektrodenaufbau und Gehäuse anoden- und kathodenseitig ein und denselben Elektrolyten.
Bei den bekannten bisher eingesetzten Elektrolyten ist es nachteilig, dass bei der Auswahl des Elektrolyts für die jeweilige chemische Konstellation der Batterie Kompromisse einzugehen sind. Der ausgewählte Elektrolyt muss zu Kathode und Anode kompatibel sein und die kathoden- und anodenseitigen Anforderungen erfüllen.
Um die Energieeffizienz der Batterien zu erhöhen, wurden Systeme mit zwei Elekrolyten entwickelt.
Solche Zweielekrolytsysteme werden bereits bei Redox-Flow-Batterien eingesetzt. Bei diesen Flüssigbatterien sind die Reaktionspartner in jeweils einem Elektrolyt gelöst, so dass für die Kathoden- und Anodenseite verschiedene Elektrolyte eingesetzt werden können. Die in unterschiedlichen Kreisläufen zirkulierenden Elektrolyte werden in der galvanischen Zelle von einer Membran getrennt, durch die der Ionentransport stattfindet. Das Konzept der Redox-Flow-Batterie benötigt somit neben dem Gehäuse für die Zelle je einen Behälter für die Lösungsmittel bzw. Elektrolyte und ein Pumpensystem zur Förderung der Flüssigkeiten.
In einem weiteren Konzept zum Aufbau einer Batteriezelle mit zwei Elektrolyten liegen die Reaktionspartner ebenfalls in flüssiger Form vor. Um eine Trennung von Kathode und Anode zu erreichen, wird die kathodenseitige Lösung in röhrenförmige Separatoren gefüllt, die einseitig geschlossen sind. Diese gefüllten Separatorröhren werden gebündelt und vom anodenseitigen flüssigen Elektrolyt umschlossen. Die Kontaktierung erfolgt zur Kathode über einen Aluminiumdraht in jedem Röhrchen und zur Anode mittels zum Gehäuse isolierten Kontakt in der anodenseitigen Elektrolyt.
Die bekannten Zweielektrolytsysteme haben den Nachteil, dass sie bedingt durch ihren Aufbau üblicherweise nur für stationäre Anwendungen genutzt werden können. Zudem sind sie auch durch ihre Form und Größe nicht für den Einsatz in am Markt verfügbaren mobilen Geräten geeignet.
So sind aus US 2014/0349172 A1 eine wiederaufladbare Batterie mit Stromkollektor sowie ein Montageverfahren dazu bekannt.
DE 697 01 866 T2 betrifft einen alkalischen Akkumulator mit einer Zinkkathode.
Ein sicherer elektrischer Speicher, insbesondere eine Lithiumbatterie mit einem besonderen Wandaufbau ist in DE 10 2008 006 920 A1 beschrieben.
Es ist also Aufgabe der Erfindung, einen Batteriezellenaufbau bereitzustellen, in dem die Verwendung von verschiedenen Elektrolyten für Anode und Kathode möglich ist, und durch den gleichzeitig die Nachteile der bekannten Zweielektrolytsysteme behoben werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Um Kathoden und Anoden dauerhaft voneinander zu trennen, basiert der erfindungsgemäße Batteriezellenaufbau auf einem abgeschlossenen und gegenüber Elektrolyten dichten Elektrodenmodul, wohingegen der jeweils andere Elektrolyt außerhalb des Elektrodenmoduls im Gehäuse angeordnet sein kann und eine Trennung der unterschiedlichen Elektroden und Elektrolyten mit den Separatoren erreicht werden kann.
Das Elektrodenmodul besteht aus einer ersten Elektrode, die mit einer Folie oder einem Metallschaum gebildet ist. Der Metallschaum kann aus Kupfer, Nickel, Nickelbasislegierungen, Edelstahl, Titan oder Aluminium bestehen. Die erste Elektrode als Anode kann mit einem Aktivmaterial beladen oder beschichtet sein. Geeignete Aktivmaterialien sind z. B. Na-Sb-Sn oder Na-Al-Si-B mit zusätzlichem Binder (PVDF) und Leitadditiv (Carbon Black). Dabei können N-Methylpyrrolidon (NMP) oder Isooktan als Lösungsmitte eingesetzt werden.
Die erste Elektrode ist mit einem ersten Ableiter für elektrischen Strom verbunden. Die erste Elektrode und der erste Ableiter sind zwischen zwei ionenleitfähigen Separatoren angeordnet, wobei der erste Ableiter zwischen den beiden Separatoren aus dem Elektrodenmodul herausgeführt ist.
Die ionenleitfähigen Separatoren können bevorzugt aus keramischen, besonders bevorzugt aus glaskeramischen Werkstoffen gebildet sein.
Das Elektrodenmodul ist mit einem ersten Elektrolyt befüllt. Dieser sollte an die jeweilige Auswahl der Elektrodenwerkstoffe, der Elektrolyten und dem Separatorwerkstoff angepasst sein und kann beispielsweise ausgewählt sein aus Natriumtrifluormethansulfonat in Tetraethylenglykoldimethylether, Natriumperchlorat in einem Gemisch aus Diethylcarbonat und Ethylencarbonat.
Ein weiterer Bestandteil des erfindungsgemäßen Batteriezellenaufbaus ist eine zweite Elektrode, die mit einem zweiten Ableiter für elektrischen Strom verbunden ist oder zumindest bereichsweise als zweiter Ableiter ausgebildet ist.
Mindestens ein Elektrodendenmodul und mindestens eine zweite Elektrode sind abwechselnd übereinander in einem Gehäuse angeordnet. Die Grundfläche und die Deckfläche des Gehäuses sind aus einem elektrisch leitenden Werkstoff ausgebildet. Mindestens die Grundfläche oder die Deckfläche ist vom Gehäuse elektrisch isoliert. Das Gehäuse ist für den zweiten Elektrolyten dicht.
In diesem Gehäuse sind der mindestens eine zweite Ableiter der mindestens einen, bevorzugt freistehend im Gehäuse angeordneten zweiten Elektrode, zur Grundfläche des Gehäuses, und der mindestens einen ersten Ableiter des mindestens einen Elektrodenmoduls zur Deckfläche des Gehäuses oder umgekehrt geführt. Dort sind der/die zweite(n) Ableiter elektrisch leitend mit der Grundfläche des Gehäuses und der/die erste(n) Ableiter elektrisch leitend mit der Deckfläche des Gehäuses oder umgekehrt verbunden. Dabei sind die ersten und/oder zweiten Ableiter gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert.
Die Hohlräume im Gehäuse sind mit einem zweiten Elektrolyt befüllt. Dieser sollte ebenfalls die jeweiligen Elektrodenwerkstoffe, die Elektrolyte und dem Separatorwerkstoff berücksichtigen und kann ausgewählt sein aus Natriumperchlorat und Phosphorpentasulfid-Komplex in Tetraethylenglykoldimethylether.
Bei der Erfindung kann die Abdichtung des Elektrodenmoduls gegenüber dem zweiten Elektrolyten mittels elektrolytresistentem Polymer, beispielsweise in Form von PET-Ringen, erfolgen. Das Elektrodenmodul kann mittels Induktion, Laserstrahlschweißen direkt oder mittels eines Siegelbandes indirekt gefügt sein.
Der erfindungsgemäße Batteriezellenaufbau ermöglicht die Verwendung von verschiedenen Elektrolyten für Anoden und Kathoden. Die Elektrolyte müssen nun nicht mehr auf Anode und Kathode abgestimmt werden, sondern können passend zum Werkstoff der jeweils verwendeten Elektrode ausgewählt werden. Durch die Auswahl eines geeigneten Elektrolyten hinsichtlich Zusammensetzung und Konzentration können im Vergleich zu konventionellen Batteriezellen die Energiedichte der Batteriezellen und die Anzahl der möglichen Ladezyklen vergrößert und die Ladezeiten verkürzt werden.
Der erfindungsgemäße Batteriezellenaufbau kann auf unterschiedlichste chemische Batteriekonzepte angewendet werden. So ist die Umsetzung unter anderem bei Lithium-Schwefel-, Lithium-Mangandioxid-, Lithium-Eisenphosphat-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid-, Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien denkbar. Auch für zukünftige chemische Entwicklungen in der Batterieforschung kann dieses Konzept eingesetzt werden.
Aus technischer Sicht können die auf diese Weise aufgebauten Batteriezellen sowohl in mobil als auch in stationär eingesetzten Batteriesystemen zum Einsatz kommen.
Bevorzugt sollten eine erste Elektrode eine Anode und ein erster Elektrolyt als anodenseitiger Elektrolyt dazu passend sein. Die zweite Elektrode sollte dementsprechend eine Kathode mit einem dazu passenden kathodenseitigen Elektrolyt sein. Bei den beschriebenen Beispielen werden die Elektroden, Elektrolyte und die Ableiter entsprechend bezeichnet. Prinzipiell können erste Elektroden aber auch Kathoden und zweite Elektroden auch Anoden mit den entsprechenden Elektrolyten und Ableitern sein.
Ein mit einer Kathode in Kontakt stehender Elektrolyt (kathodenseitiger Elektrolyt) ein Natriumsalz, das in einem Ether als Lösungsmittel gelöst ist, und/oder ein mit einer Anode in Kontakt stehender Elektrolyt (anodenseitiger Elektrolyt) ein Natriumsalz, das in einem Ether oder in einem Karbonat Lösungsmittel gelöst ist, sein.
Ein mit einer Kathode in Kontakt stehender Elektrolyt (10) kann Natriumperchlorat und Natriumsulfid-Phosphorpentasulfid-Komplex, der in Tetraethylenglykoldimethylether gelöst ist, sein.
Besonders bevorzugt kann als ein Elektrolyt, der mit einer Kathode in Kontakt steht, 1 mol/L Natriumperchlorat und 0,2 mol/L Natriumsulfid-Phosphorpentasulfid-Komplex, die in Tetraethylenglykoldimethylether sind, eingesetzt sein. Als ein mit einer Anode in Kontakt stehender Elektrolyt kann 1 mol/L Natriumtrifluormethansulfonat aufgelöst in Tetraethylenglykoldimethylether und 1 mol/L Natriumperchlorat aufgelöst in Diethylcarbonat, Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat oder Propylencarbonat eingesetzt sein.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 den Aufbau eines bei der Erfindung eingesetzten Anodenmoduls, und
2 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Batteriezelle.
In 1 ist ein bei der Erfindung eingesetztes Elektrodenmodul 2 gezeigt, das eine vorzugsweise kreisförmige runde Grundfläche aufweist und einen Durchmesser von z. B. 24 mm aufweisen kann. Es wird aus einer Anode 3 gebildet, die aus Metallschaum oder Folie besteht, und mit Na-Sb-Sn oder Na-Al-Si-B mit zusätzlichem Binder (PVDF) und Leitadditiv (Carbon Black) als Aktivmaterial 4 beladen sein kann. Dabei können N-Methylpyrrolidon (NMP) oder Isooktan als Lösungsmittel eingesetzt werden. Die verwendete Anode 3 kann aus einer chemisch stabilen offenporösen zellularen Struktur aus Inconel 625 mit einer Porengröße von 450 μm bestehen und im Beladungsprozess mit Aktivmaterial auf 0,9 mm kalandriert sein. An der Anode 3 ist ein Anodenableiter 5 aus z. B. Aluminium mit einer Dicke von 15 μm befestigt. Die Anode 3 mit dem evtl. vorhandenen Aktivmaterial 4 aus z. B. Natriumperchlorat und Phosphorpentasulfid-Komplex und dem Anodenableiter 5 ist zwischen zwei ionenleitfähigen Separatoren 6 mit einer Stärke von 100–300 μm angeordnet. Zur Abdichtung des Anodenmoduls 2 gegenüber dem zweiten kathodenseitigen Elektrolyt 10 ist ein elektrolytresistenter Ring aus einem Polymer 11 mit einer Dichtbreite von etwa 1–2 mm umlaufend um die Anode 3 angeordnet und mit den Separatoren 6 dicht gefügt, so dass die Anode 3 auf zwei einander gegenüber liegenden Seiten von den Separatoren 6 und auf den verbleibenden Seiten durch das elektrolytresistente Polymer 11 eingeschlossen ist. Dabei ist der Anodenableiter 5 durch das elektrolytresistente Polymer 11 hindurch aus dem Anodenmodul 2 heraus geführt. Das Anodenmodul 2 ist mit einem ersten, anodenseitigen Elektrolyt 7 aus Tetraethylenglykoldimethylether befüllt.
2 zeigt den Aufbau eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Batteriezellenaufbaus. In einem zylindrischen Gehäuse 1, das als 26650-Zelle ausgeführt sein kann, sind abwechselnd mindestens ein Elektrodenmodul 2 und mindestens eine Kathode 8 übereinander angeordnet. Die aus den Elektrodenmodulen 2 herausgeführten Anodenableiter 5 sind gemeinsam oder miteinander verbunden zur Deckfläche 1.1 des Gehäuses 1 geführt und dort elektrisch leitend durch Laserstrahl- oder Ultraschallschweißen mit der Deckfläche 1.1 aus elektrisch leitfähigem Werkstoff verbunden. Die mit den Kathoden 8 verbundenen oder bereichsweise aus diesen gebildeten Kathodenableiter 9 werden zur Grundfläche 1.2 des Gehäuses 1 geführt und sind dort elektrisch leitend durch Laserstrahl- oder Ultraschallschweißen mit der Grundfläche 1.2 aus elektrisch leitfähigem Werkstoffverbunden. Die Kathoden- und/oder Anodenableiter (5, 9), sowie mindestens die Grundfläche 1.1 oder die Deckfläche 1.2 des Gehäuses 1 können gegenüber dem Gehäuse 1 mittels chemisch beständiger Beschichtung der Gehäuseinnenseite oder Ummantelung der Anodenmodule und Elektroden mit einem chemisch beständigen Polymer elektrisch isoliert sein. Die Hohlräume im Gehäuse 1 sind mit einem zweiten, kathodenseitigen Elektrolyt 10 befüllt.

Claims

Batteriezellenaufbau mit dauerhaft voneinander getrennten Elektrodenräumen, bestehend aus einem Gehäuse (1), dessen Grundfläche (1.1) und Deckfläche (1.2) aus einem elektrisch leitenden Werkstoff ausgebildet und die Grundfläche (1.1) und/oder die Deckfläche (1.2) vom übrigen Gehäuse elektrisch isoliert ist, wobei in dem Gehäuse (1) abwechselnd mindestens ein abgeschlossenes und gegenüber einem ersten Elektrolyten dichtes erstes Elektrodenmodul (2), das mit einem ersten, Elektrolyt (7) befüllt ist, wobei das erste Elektrodenmodul (2) aus einer ersten Elektrode, bevorzugt einer Anode (3) besteht, die mit einer Folie oder einem Metallschaum gebildet ist, und desweiteren die erste Elektrode (3) mit einem ersten Ableiter (5) für elektrischen Strom verbunden und zwischen zwei ionenleitfähigen Separatoren (6) angeordnet ist, und mindestens eine zweite Elektrode, bevorzugt eine Kathode (8), die mit einem zweiten Ableiter (9) für elektrischen Strom verbunden oder zumindest bereichsweise auch als zweiter Ableiter (9) ausgebildet ist, übereinander angeordnet sind, wobei der/die zweite(n) Ableiter (9) der mindestens einen zweiten Elektrode (8) zur Grundfläche (1.1) oder Deckfläche (1.2) und der/die ersten Ableiter (5) des mindestens einen Elektrodenmoduls (2) komplementär dazu zur Deckfläche (1.2) oder Grundfläche (1.1) des Gehäuses (1) geführt und mit diesen elektrisch leitend verbunden sind, wobei die ersten und/oder zweiten Ableiter (5, 9) gegenüber dem Gehäuse (1) elektrisch isoliert sind, und Hohlräume im Gehäuse (1) mit einem zweiten Elektrolyt (10) befüllt sind.
Batteriezellenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der ersten Elektrode (3) mit einem Aktivmaterial (4) beladen oder beschichtet ist.
Batteriezellenaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite(n) Elektrode(n) freistehend innerhalb des Gehäuses (1) angeordnet ist (sind).
Batteriezellenaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Separatoren (6) aus keramischen, insbesondere glaskeramischen, Werkstoffen gebildet sind.
Batteriezellenaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Elektrodenmodul(e) (2) mit einem elektrolytresistenten Polymer (11), bevorzugt in Form von PET-Ringen, gegenüber dem zweiten Elektrolyten (10) abgedichtet ist/sind.
Batteriezellenaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmodul (2) mittels Induktion, Laserstrahlschweißen, Siegelbändern oder Klebstoffen gefügt ist.
Batteriezellenaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einer Kathode in Kontakt stehender Elektrolyt ein Natriumsalz, das in einem Ether als Lösungsmittel gelöst ist, und/oder ein mit einer Anode in Kontakt stehender Elektrolyt ein Natriumsalz, das in einem Ether oder in einem Karbonat Lösungsmittel gelöst ist, ist.
Batteriezellenaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einer Anode in Kontakt stehender Elektrolyt (7) aus Natriumtrifluormethansulfonat in Tetraethylenglykoldimethylether oder Natriumperchlorat in einem Gemisch aus Diethylcarbonat und Ethylencarbonat ausgewählt ist.
Batteriezellenaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einer Kathode in Kontakt stehender Elektrolyt (10) Natriumperchlorat und Natriumsulfid-Phosphorpentasulfid-Komplex, der in Tetraethylenglykoldimethylether gelöst ist, ist.
Batteriezellenaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (3) mit einem Metallschaum gebildet ist, der aus Kupfer, Nickel, Nickelbasislegierungen, Edelstahl, Titan oder Aluminium besteht.