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Die Erfindung betrifft eine Komponente für eine Batteriezelle, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, welche eine derartige Komponente umfasst.
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Stand der Technik
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Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen.
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In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.
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Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen Stromableiter, auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Das Aktivmaterial für die Kathode enthält beispielsweise um ein Metalloxid wie Li2MnO3 sowie eine NCM-Legierung, also eine Legierung aus Nickel, Cobald und Mangan. Bei dem Aktivmaterial für die Anode handelt es sich beispielsweise um Silizium. Aber auch Graphit ist als Aktivmaterial für Anoden verbreitet.
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In das Aktivmaterial der Anode sind Lithiumatome eingelagert. Beim Betrieb der Batteriezelle, also bei einem Entladevorgang, fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode. Innerhalb der Batteriezelle wandern Lithiumionen bei einem Entladevorgang von der Anode zur Kathode. Dabei lagern die Lithiumionen aus dem Aktivmaterial der Anode reversibel aus, was auch als Delithiierung bezeichnet wird. Bei einem Ladevorgang der Batteriezelle wandern die Lithiumionen von der Kathode zu der Anode. Dabei lagern die Lithiumionen wieder in das Aktivmaterial der Anode reversibel ein, was auch als Lithiierung bezeichnet wird.
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Die Elektroden der Batteriezelle sind folienartig ausgebildet und unter Zwischenlage eines Separators, welcher die Anode von der Kathode trennt, zu einem Elektrodenwickel gewunden. Ein solcher Elektrodenwickel wird auch als Jelly-Roll bezeichnet. Die Elektroden können auch zu einem Elektrodenstapel übereinander geschichtet sein.
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Die beiden Elektroden des Elektrodenwickels oder des Elektrodenstapels werden mittels Kollektoren elektrisch mit Polen der Batteriezelle, welche auch als Terminals bezeichnet werden, verbunden. Eine Batteriezelle umfasst in der Regel eine oder mehrere Elektrodenwickel oder Elektrodenstapel. Die Elektroden und der Separator sind von einem in der Regel flüssigen Elektrolyt umgeben. Der Elektrolyt ist für die Lithiumionen leitfähig und ermöglicht den Transport der Lithiumionen zwischen den Elektroden.
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Die Batteriezelle weist ferner ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium gefertigt ist. Das Zellengehäuse ist in der Regel zylindrisch oder prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltet und druckfest ausgebildet. Die Terminals befinden sich dabei außerhalb des Zellengehäuses. Nach dem Verbinden der Elektroden mit den Terminals wird der Elektrolyt in das Zellengehäuse gefüllt.
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Eine gattungsgemäße Batteriezelle, die eine Anode und eine Kathode umfasst, wobei das Aktivmaterial der Anode Silizium aufweist, ist beispielsweise aus der
DE 10 2012 212 299 A1 bekannt.
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Silizium weist, als Aktivmaterial der Anode, eine im Vergleich zu Graphit erhöhte Speicherfähigkeit für Lithiumionen auf. Beim Aufnehmen sowie beim Abgeben von Lithiumionen kommt es bei dem Silizium zu einer relativ starken Volumenänderung. Diese belastet sowohl das Silizium als auch den gesamten Elektrodenwickel oder Elektrodenstapel. Das Silizium als Aktivmaterial der Anode kann mit dem flüssigen Elektrolyt reagieren, welches sich dann, gemeinsam mit dem enthaltenen Lithium, auf der Oberfläche des Aktivmaterials ablagert und dort eine Schicht bildet, welche als "solid electrolyte interphase" (SEI) bezeichnet wird. Die SEI schützt die Anode vor weiterem Angriff und ist daher für eine hohe Lebensdauer von entscheidender Bedeutung.
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Im Betrieb der Batteriezelle können Übergangsmetalle, insbesondere Nickel, Cobald und Mangan, von der Kathode zu der Anode wandern. Dort reagieren die Übergangsmetalle mit der dort vorhandenen "solid electrolyte interphase" (SEI) und können diese zerstören. Dadurch sinkt, langfristig, die Kapazität der Batteriezelle.
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Aus der
WO 2013/171021 A1 ist eine Kathodeneinheit für eine Batterie bekannt, welche einen viskoelastischen Gelbildner aufweist. Der viskoelastische Gelbildner, der die Funktion eines Binders übernimmt, ist dabei in das Aktivmaterial der Kathode integriert und stabilisiert die Kathodeneinheit. Insbesondere wird eine vorhandene "solid electrolyte interphase" (SEI) geschützt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Komponente für eine Batteriezelle vorgeschlagen. Dabei ist erfindungsgemäß zumindest ein Teil der Komponente mit einer Beschichtung versehen, welche einen viskoelastischen Gelbildner aufweist.
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Ein Gel ist ein disperses System aus mindestens einer festen und einer flüssigen Komponente. Die feste Komponente kann durch Polymere gebildet werden, welche in der Lage sind untereinander Wechsel zu wirken und dadurch ein kohärentes, dreidimensionales Netzwerk innerhalb der Flüssigkeit ausbilden. Die Wechselwirkungen der einzelnen Polymerketten untereinander können dabei sowohl elektrostatischer Natur oder durch van-der-Waals-Kräfte oder Wasserstoffbrückenbindungen ausgeprägt sein. Die einzelnen Polymerketten können auch partiell kovalent miteinander verbunden sein. Viskoelastizität bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das polymere Netzwerk durch Einwirkung einer äußeren Kraft, einer Scherbelastung, eine zeitabhängige und reversible Verformung zeigt. Im Besonderen bedeute dies, dass sich die Viskosität der Lösung mit steigender Scherbelastung verringert und nach Beendigung der mechanischen Belastung sich die ursprüngliche Viskosität zeitverzögert wieder einstellt.
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Überraschenderweise wurde herausgefunden, dass der viskoelastische Gelbildner freigesetzte Übergangsmetalle bindet, beziehungsweise einfängt. Derart gebundene Übergangsmetalle wandern dann nicht zu der Anode und können daher nicht mit der dort vorhandenen "solid electrolyte interphase" (SEI) reagieren.
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Die mit der Beschichtung versehene Komponente für die Batteriezelle ist beispielsweise eine Anode, die einen Stromableiter und ein Aktivmaterial aufweist, und die mit einer Anodenbeschichtung versehen ist. Die Anodenbeschichtung ist dabei insbesondere auf eine dem Stromableiter abgewandte Seite des Aktivmaterials der Anode aufgebracht. Innerhalb der Batteriezelle befindliche freie Übergangsmetalle werden von der Anodenbeschichtung gebunden und zurückgehalten. Damit gelangen freie Übergangsmetalle nicht zu dem Aktivmaterial der Anode sowie zu der "solid electrolyte interphase" (SEI).
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Die mit der Beschichtung versehene Komponente für die Batteriezelle ist beispielsweise eine Kathode, die einen Stromableiter und ein Aktivmaterial aufweist, und die mit einer Kathodenbeschichtung versehen ist. Die Kathodenbeschichtung ist dabei insbesondere auf eine dem Stromableiter abgewandte Seite des Aktivmaterials der Kathode aufgebracht. In der Kathode freigesetzte Übergangsmetalle werden von der Kathodenbeschichtung gebunden und zurückgehalten. Damit gelangen freie Übergangsmetalle nicht aus der Kathode heraus und insbesondere nicht zu dem Aktivmaterial der Anode sowie zu der "solid electrolyte interphase" (SEI).
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung enthält das kathodische Aktivmaterial der Kathode ebenfalls einen viskoelastischen Gelbildner. Dadurch werden in der Kathode freigesetzte Übergangsmetalle bereits unmittelbar nach Freisetzung gebunden.
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Vorzugsweise liegt der viskoelastischen Gelbildner dabei in einer Konzentration von etwa 1,5% bis 2,5%, vorzugsweise von 2%, in dem kathodischen Aktivmaterial vor.
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Die mit der Beschichtung versehene Komponente für die Batteriezelle ist beispielsweise ein Separator, welcher die Anode von der Kathode trennt, und der mit einer Separatorbeschichtung versehen ist. Die Separatorbeschichtung ist dabei insbesondere beidseitig auf den Separator aufgebracht, also auf eine der Anode zugewandte Seite und auf eine der Kathode zugewandte Seite. In der Kathode freigesetzte Übergangsmetalle werden von der Separatorbeschichtung gebunden und zurückgehalten. Damit gelangen freie Übergangsmetalle nicht aus der Kathode heraus zu dem Aktivmaterial der Anode sowie zu der "solid electrolyte interphase" (SEI).
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Der viskoelastische Gelbildner der Beschichtung der Komponente ist vorzugsweise aus der Gruppe der natürlichen Polysaccharide ausgewählt. Natürliche Polysaccharide schließen beispielsweise Homoglykane oder Heteroglykane, wie zum Beispiel Alginate, Carrageen, Pektine, Tragant, Guar-Gummi, Johannisbrotkernmehl, Agar-Agar, Gummi-Arabikum, Xanthan, natürliche und modifizierte Stärken, Dextrane, Dextrin, Maltodextrine, Chitosan, Glucane, wie beta-1,3-Glucan, beta-1,4-Glucan, wie Cellulose, Mucopolysaccharide, wie Hyaluronsäure, ein.
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Vorzugsweise weist der viskoelastische Gelbildner einen Anteil an Carboxylatgruppen, beispielsweise Alginat oder Carboxymethylcellulose, und/oder Carbonsäuregruppen auf. Carbonsäuregruppen sind ungeladene organische funktionelle Verbindungen, welche eine Carboxygruppe(-COOH) aufweisen. Wird eine Carboxygruppe deprotoniert erhält man eine einfach negativ geladene Carboxylatgruppe.
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Vorteilhaft weist die Beschichtung der Komponente eine Dicke zwischen 0,5 Mikrometer und 5 Mikrometer auf. Bei einer derartigen Schichtdicke ist die Funktion der Beschichtung der Komponente ausreichend, ohne dass die Grenzflächenleitfähigkeit zu hoch wird.
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Es wird auch eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens eine erfindungsgemäße Komponente umfasst.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt. Unter Consumer-Elektronik-Produkten sind insbesondere Mobiltelefone, Tablet-PCs oder Notebooks zu verstehen.
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Vorteile der Erfindung
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Wie bereits erwähnt, bindet der viskoelastische Gelbildner freigesetzte Übergangsmetalle. Somit können besagte Übergangsmetalle nicht zu der Anode wandern und daher nicht mit der dort vorhandenen "solid electrolyte interphase" (SEI) reagieren. Dadurch wird die "solid electrolyte interphase" (SEI) vor den Übergangsmetallen geschützt, und die Lebensdauer der Batteriezelle wird erhöht.
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Der viskoelastische Gelbildner, welcher in wässriger Lösung eingesetzt werden muss, kann vorteilhaft erst nach Aufbringung des Aktivmaterials der Kathode auf den Stromableiter und Trocknung auf die Komponente aufgebracht werden. Somit gelangt das Aktivmaterial der Kathode nicht in Kontakt mit Wasser, welches ansonsten das Aktivmaterial schädigen könnte.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer ersten Ausführungsform,
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2 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer zweiten Ausführungsform und
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3 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine Batteriezelle 2 gemäß einer ersten Ausführungsform schematisch dargestellt. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Zellengehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Das Zellengehäuse 3 kann aber auch aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt sein.
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Die Batteriezelle 2 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 gemäß der ersten Ausführungsform zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 gemäß der ersten Ausführungsform über die Terminals 11, 12 auch geladen werden. Die Terminals 11, 12 sind beabstandet voneinander an einer Deckfläche des prismatischen Zellengehäuses 3 angeordnet.
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Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 gemäß der ersten Ausführungsform ist ein Elektrodenwickel angeordnet, welcher zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, aufweist. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und unter Zwischenlage eines Separators 18 zu dem Elektrodenwickel gewickelt. Es ist auch denkbar, dass mehrere Elektrodenwickel in dem Zellengehäuse 3 vorgesehen sind. Anstelle des Elektrodenwickels kann auch beispielsweise ein Elektrodenstapel vorgesehen sein.
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Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial 41, welches folienartig ausgeführt ist. Das anodische Aktivmaterial 41 weist als Grundstoff Silizium oder eine Silizium enthaltende Legierung auf.
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Die Anode 21 umfasst ferner einen Stromableiter 31, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das anodische Aktivmaterial 41 und der Stromableiter 31 der Anode 21 sind flächig kontaktiert. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 gemäß der ersten Ausführungsform verbunden.
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Auf das anodische Aktivmaterial 41 ist eine Anodenbeschichtung 51 aufgebracht. Der Stromableiter 31 der Anode 21 und die Anodenbeschichtung 51 umschließen dabei das anodische Aktivmaterial 41. Die Anodenbeschichtung 51 weist einen viskoelastischen Gelbildner in einer Konzentration zwischen 10% und 30% auf. Der viskoelastische Gelbildner enthält lithiierte Carboxylatgruppen. Die Anodenbeschichtung 51 schützt somit das anodische Aktivmaterial 41 vor einem Eindringen von freigesetzten Übergangsmetallen.
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Bei der Kathode 22 handelt es sich vorliegend um eine HE(Hochenergie)-NCM(Nickel-Cobald-Mangan)-Kathode. Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial 42, welches folienartig ausgeführt ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 weist als Grundstoff eine NCM-Legierung auf, also eine Legierung aus Nickel, Cobald und Mangan. Weitere Bestandteile des kathodischen Aktivmaterials 42 sind insbesondere Li2MnO3, PVDF-Binder, Graphit und Ruß.
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Die Kathode 22 umfasst ferner einen Stromableiter 32, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 und der Stromableiter 32 der Kathode 22 sind flächig kontaktiert. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 gemäß der ersten Ausführungsform verbunden.
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Die Anode 21 und die Kathode 22 sind durch den Separator 18 voneinander getrennt. Der Separator 18 ist ebenfalls folienartig ausgebildet. Der Separator 18 ist elektrisch isolierend ausgebildet, aber ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig.
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Das Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 gemäß der ersten Ausführungsform ist mit einem flüssigen Elektrolyt 15, oder mit einem Polymerelektrolyt, gefüllt. Der Elektrolyt 15 umgibt dabei die Anode 21, die Kathode 22 und den Separator 18. Auch der Elektrolyt 15 ist ionisch leitfähig.
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In 2 ist eine Batteriezelle 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform schematisch dargestellt. Die Batteriezelle 2 umfasst ebenfalls ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Die Batteriezelle 2 gemäß der zweiten Ausführungsform ähnelt weitgehend der Batteriezelle 2 gemäß der ersten Ausführungsform. Im Folgenden wird daher insbesondere auf Unterschiede zu der Batteriezelle 2 gemäß der ersten Ausführungsform eingegangen.
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Auf das kathodische Aktivmaterial 42 ist eine Kathodenbeschichtung 52 aufgebracht. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 und die Kathodenbeschichtung 52 umschließen dabei das kathodische Aktivmaterial 42. Die Kathodenbeschichtung 52 weist einen viskoelastischen Gelbildner in einer Konzentration zwischen 10% und 30% auf. Der viskoelastische Gelbildner enthält lithiierte Carboxylatgruppen. Die Kathodenbeschichtung 52 verhindert ein Austreten von freigesetzten Übergangsmetallen und schützt somit das anodische Aktivmaterial 41 vor einem Kontakt mit besagten freigesetzten Übergangsmetallen.
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In 3 ist eine Batteriezelle 2 gemäß einer dritten Ausführungsform schematisch dargestellt. Die Batteriezelle 2 umfasst ebenfalls ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Die Batteriezelle 2 gemäß der dritten Ausführungsform ähnelt ebenfalls weitgehend der Batteriezelle 2 gemäß der ersten Ausführungsform. Im Folgenden wird daher insbesondere auf Unterschiede zu der Batteriezelle 2 gemäß der ersten Ausführungsform eingegangen.
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Auf den Separator 18 ist eine Separatorbeschichtung 53 aufgebracht. Die Separatorbeschichtung 53 weist einen viskoelastischen Gelbildner in einer Konzentration zwischen 10% und 30% auf. Der viskoelastische Gelbildner enthält lithiierte Carboxylatgruppen. Die Separatorbeschichtung 53 ist dabei beidseitig auf den Separator 18, also auf der der Kathode 22 zugewandten Seite ebenso wie auf der der Anode 21 zugewandten Seite, aufgebracht. Die Separatorbeschichtung 53 verhindert ein Durchwandern von Übergangsmetallen und schützt somit das anodische Aktivmaterial 41 vor einem Kontakt mit besagten freigesetzten Übergangsmetallen.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012212299 A1 [0009]
- WO 2013/171021 A1 [0012]
