DE102015205319A1 - Electric battery cell - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine stapelbare Batteriezelle (100) zum Speichern elektrischer Energie, mit einer ersten elektrisch leitenden Außenkontaktschicht (103-1), einer flächigen Anode (107-1), die in vollflächigem elektrischen Kontakt zur ersten Außenkontaktschicht (103-1) steht, einer zweiten elektrisch leitenden Außenkontaktschicht (103-2), einer flächigen Kathode (107-2), die in vollflächigem elektrischen Kontakt zur zweiten Außenkontaktschicht (103-3) steht und einer Separatorschicht (105), die zwischen der Anode (107-1) und der Kathode (107-2) angeordnet ist.The present invention relates to a stackable battery cell (100) for storing electrical energy, comprising a first electrically conductive outer contact layer (103-1), a planar anode (107-1) which is in full-surface electrical contact with the first outer contact layer (103-1) a second electrically conductive outer contact layer (103-2), a planar cathode (107-2) in electrical contact with the second outer contact layer (103-3) and a separator layer (105) arranged between the anode (107-1 ) and the cathode (107-2) is arranged.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine stapelbare Batteriezelle zum Speichern elektrischer Energie, wie beispielsweise in einem Akkumulator.The present invention relates to a stackable battery cell for storing electrical energy, such as in an accumulator.
Aktuelle Lithiumionen-Batterien ermöglichen eine ausreichende Energiedichte, Entladerate und Zyklenfestigkeit nur für elektronische Konsumgüter, wie beispielsweise Laptops oder Smartphones. Bei diesen Batterien sind die Ströme bei den abgerufenen Leistungen vergleichsweise gering. Bei Anwendungen in Elektrofahrzeugen ist jedoch eine höhere Energiedichte und Spannung als in Konsumgütern erforderlich.Current lithium-ion batteries provide sufficient energy density, discharge rate, and cycle life for electronic consumer goods only, such as laptops or smartphones. With these batteries, the currents at the retrieved services are comparatively low. However, electric vehicle applications require higher energy density and voltage than consumer products.
Primäre Aufgabe der Batteriezellenzellen ist es, Energie für einen elektrischen Antrieb bereitzustellen. Die Effizienz der Batteriezellen steigt mit Zunahme der Batteriespannung an, da ein Wärmeverlust nur über die Höhe des Stromflusses definiert wird. Bei den heutigen technischen Lösungen stellt der Innenwiderstand an den Batteriekontakten, d.h. der metallischen Verbindung zwischen den Einzelzellen einen entscheidenden Verlustfaktor durch Wärmeentwicklung dar. Dieser wirkt sich mit steigendem Strom stärker aus. Die innere Erwärmung der Batteriezelle verursacht zudem chemischen Stress, der über die Arrhenius-Gleichung beschreibbar ist. Mit einer steigenden Temperatur steigt die chemische Kinetik ablaufender Nebenreaktionen in der Batteriezelle exponentiell. Die Temperaturentwicklung durch hohe Ströme führt so langfristig zu einer Zellalterung und ist damit ein lebensdauerbestimmender Verschleißfaktor.The primary task of the battery cell cells is to provide energy for an electric drive. The efficiency of the battery cells increases with increasing battery voltage, since heat loss is only defined by the amount of current flow. In today's technical solutions, the internal resistance on the battery contacts, i. The metallic connection between the individual cells is a crucial loss factor through heat development. This affects stronger with increasing current. The internal heating of the battery cell also causes chemical stress, which can be described by the Arrhenius equation. As the temperature rises, the chemical kinetics of the side reactions in the battery cell increase exponentially. The temperature development due to high currents leads to cell aging in the long term and is thus a lifetime-determining wear factor.
Die Druckschrift
Die Druckschrift
Der Strom dieser Batteriezellen konzentriert sich in den Anschlussfahnen oder Schweißpunkten und verursacht lokal eine hohe Erwärmung der Batteriezellen, die zu punktueller Alterung führt.The current of these battery cells concentrates in the terminal lugs or welding points and locally causes a high heating of the battery cells, which leads to punctual aging.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine einfach kombinierbare Batteriezelle bereitzustellen, die in Kombination mit anderen Batteriezellen eine hohe Spannung bereitstellen kann, ohne sich in lokalen Bereichen zu stark zu erwärmen.It is the object of the present invention to provide an easily combinable battery cell which can provide high voltage in combination with other battery cells without overheating in local areas.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch eine stapelbare Batteriezelle zum Speichern elektrischer Energie gelöst, mit einer ersten elektrisch leitenden Außenkontaktschicht; einer flächigen Anode, die in vollflächigem elektrischen Kontakt zur ersten Außenkontaktschicht steht; einer zweiten elektrisch leitenden Außenkontaktschicht; einer flächigen Kathode, die in vollflächigem elektrischen Kontakt zur zweiten Außenkontaktschicht steht; und einer Separatorschicht, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass eine beliebige Batteriespannung durch Aufeinanderlegen mehrerer Batteriezellen erzeugt werden kann, ohne die Zellchemie zu ändern. Durch die großen Außenkontaktschichten wird eine punktuelle Erwärmung der Batteriezelle verhindert. According to a first aspect, the object is achieved by a stackable battery cell for storing electrical energy, having a first electrically conductive outer contact layer; a flat anode, which is in full-surface electrical contact with the first outer contact layer; a second electrically conductive outer contact layer; a two-dimensional cathode, which is in full-surface electrical contact with the second outer contact layer; and a separator layer disposed between the anode and the cathode. Thereby, the technical advantage is achieved that any battery voltage can be generated by stacking multiple battery cells without changing the cell chemistry. Due to the large outer contact layers, a punctual heating of the battery cell is prevented.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Batteriezelle ist die erste Außenkontaktschicht und/oder die zweite Außenkontaktschicht durch eine Metallplatte gebildet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass Wärme beim Laden und Entladen der Batteriezelle effizient über die Metallplatte angeführt werden kann.In an advantageous embodiment of the battery cell, the first outer contact layer and / or the second outer contact layer is formed by a metal plate. As a result, for example, the technical advantage is achieved that heat during charging and discharging of the battery cell can be efficiently led over the metal plate.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Batteriezelle weist die Metallplatte eine Aussparung zum Aufnehmen der Anode oder zum Aufnehmen der Kathode auf. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Anode oder die Kathode von der Metallplatte umgeben sind.In a further advantageous embodiment of the battery cell, the metal plate has a recess for receiving the anode or for receiving the cathode. As a result, for example, the technical advantage is achieved that the anode or the cathode are surrounded by the metal plate.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Batteriezelle ist die Aussparung mittig in der Metallplatte angeordnet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Wärme gleichmäßig zu allen Seiten hin abgeführt werden kann.In a further advantageous embodiment of the battery cell, the recess is arranged centrally in the metal plate. As a result, for example, the technical advantage is achieved that the heat can be dissipated evenly to all sides.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Batteriezelle ist die Metallplatte aus Aluminium oder Kupfer gebildet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Batteriezelle ein geringes Gewicht oder eine hohe Leitfähigkeit aufweist.In a further advantageous embodiment of the battery cell, the metal plate is formed of aluminum or copper. As a result, for example, the technical advantage is achieved that the battery cell has a low weight or high conductivity.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Batteriezelle ist die erste und/oder die zweite Außenkontaktschicht durch eine Metallfolie gebildet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Batteriezelle mit einem geringen Materialeinsatz hergestellt werden kann.In a further advantageous embodiment of the battery cell, the first and / or the second outer contact layer is formed by a metal foil. As a result, for example, the technical advantage is achieved that the battery cell can be manufactured with a low material usage.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Batteriezelle ist die Metallfolie mit dem Separatorschicht zusammenlaminiert. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Batteriezelle mit einer hohen Energiespeicherdichte hergestellt werden kann. In a further advantageous embodiment of the battery cell, the metal foil is laminated together with the separator layer. As a result, for example, the technical advantage is achieved that the battery cell can be manufactured with a high energy storage density.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Batteriezelle ist die erste Außenkontaktschicht und/oder die zweite Außenkontaktschicht teilweise mit einer Außenisolationsschicht bedeckt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass Teilbereiche der Außenkontaktschicht von einem Stromfluss ausgenommen werden können. In diesen Teilbereichen kann beispielsweise eine flächige elektrische Schaltung aufgesetzt werden.In a further advantageous embodiment of the battery cell, the first outer contact layer and / or the second outer contact layer is partially covered with an outer insulation layer. As a result, for example, the technical advantage is achieved that subregions of the outer contact layer can be excluded from a current flow. In these subareas, for example, a planar electrical circuit can be placed.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Batteriezelle ist die erste Außenkontaktschicht und/oder die zweite Außenkontaktschicht rechteckförmig. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein quaderförmiger Aufbau der Batterie realisiert werden kann.In a further advantageous embodiment of the battery cell, the first outer contact layer and / or the second outer contact layer is rectangular. As a result, the technical advantage is achieved, for example, that a cuboid structure of the battery can be realized.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe durch eine Batterie mit einem Stapel mehrerer Batteriezellen nach dem ersten Aspekt gelöst. Dadurch werden beispielsweise die gleichen technischen Vorteile, wie durch die Batteriezelle nach dem ersten Aspekt gelöst.According to a second aspect, the object is achieved by a battery having a stack of a plurality of battery cells according to the first aspect. As a result, for example, the same technical advantages, as solved by the battery cell according to the first aspect.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail below.
Es zeigen:Show it:
Die Batteriezelle
Im Inneren der Batteriezelle
Zwischen der Anode
Die erste Außenkontaktschicht
Die Reaktion läuft ab, wenn Lithium als Ion zur Kathode
Die Anode
Durch die Batteriezelle
Die ebenen Außenkontaktschichten
Eine aus dem Stromfluss entstehende Wärme, verursacht eine erhöhte Zelltemperatur und beschleunigt unerwünschte, chemische Nebenreaktionen. Diese Wärme kann durch die Metallplatten
Durch die hohe Fläche der Anode
Eine elektrische Kontaktierung der zueinander isolierten Batteriezellen
In einer vorteilhaften Ausführung wird die Batteriezelle
Dadurch ergibt sich ein weiterer technisch vorteilhafter Aufbau, um die Batteriezellen
In den beutelförmigen Aufbau wird die Anode
Der Elektrolyt
Die Batteriezellen
Die Batteriezellen
Die Dimension der Metallfolien kann beispielsweise ebenfalls eine Breite von 0,5 m und eine Länge von 1 m aufweisen. Die Batterie
Der Elektrolyt
Die Herstellung der Elektroden kann durch Verpressen erfolgen, bei dem ein mechanisches Verhaken von expandiertem Graphit unter hohem Druck in Kalandern stattfindet, beispielsweise bei einer Linienlast von 6000 N/mm. Dadurch wird eine poröse Graphitfolie hergestellt, in die die Aktivmaterialien von Anode und Kathode einschließlich Binder und Leitzusätzen eingelagert werden. Dadurch können lösemittelfreie Elektrodenfolien hergestellt werden. Die Graphitfolie weist dabei den Vorteil auf, selbst elektrisch leitfähig zu sein und so den elektrischen Kontakt durch viele, leitfähige Perkolationspfade zu unterstützen. Durch Freiheitsgrade im Prozess des Filmpressens können auch andere Elektroden- und Zellaufbauten realisiert werden.The production of the electrodes can be carried out by compression, in which a mechanical entanglement of expanded graphite takes place under high pressure in calenders, for example at a line load of 6000 N / mm. This produces a porous graphite foil into which the active materials of anode and cathode, including binders and conductive additives, are incorporated. As a result, solvent-free electrode films can be produced. The graphite foil in this case has the advantage of being itself electrically conductive and thus supporting the electrical contact through many conductive percolation paths. By degrees of freedom in the process of film pressing, other electrode and cell structures can be realized.
Im Allgemeinen sind die Materialien für die Anode
Durch den Zellaufbau der Batterie
Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren. All features explained and shown in connection with individual embodiments of the invention may be provided in different combinations in the article according to the invention, in order to simultaneously realize their advantageous effects.
Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt. The scope of the present invention is given by the claims and is not limited by the features illustrated in the specification or shown in the figures.
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