DE102015217815A1 - Method for operating a battery cell - Google Patents

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Alexandra Wilde
Niluefer Baba
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Batteriezelle (2), welche ein negatives Terminal (11) und ein positives Terminal (12) aufweist, wobei die Terminals (11, 12) mit einer elektrischen Signalquelle (50) verbunden werden, und wobei die Batteriezelle (2) mit einem von der Signalquelle (50) erzeugten pulsierenden elektrischen Signal (60, 70) beaufschlagt wird.The invention relates to a method for operating a battery cell (2) having a negative terminal (11) and a positive terminal (12), wherein the terminals (11, 12) are connected to an electrical signal source (50), and wherein Battery cell (2) is acted upon by the signal source (50) generated pulsating electrical signal (60, 70).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Batteriezelle, welche ein negatives Terminal und ein positives Terminal aufweist.The invention relates to a method for operating a battery cell, which has a negative terminal and a positive terminal.

Stand der TechnikState of the art

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.Electrical energy can be stored by means of batteries. Batteries convert chemical reaction energy into electrical energy. Here, a distinction is made between primary batteries and secondary batteries. Primary batteries are only functional once, while secondary batteries, also referred to as accumulators, are rechargeable. A battery comprises one or more battery cells.

In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen sowie Lithium-Metall-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen sowie Lithium-Metall-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.In particular, so-called lithium-ion battery cells and lithium-metal battery cells are used in an accumulator. These are characterized among other things by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge. Lithium-ion battery cells and lithium-metal battery cells are used, inter alia, in motor vehicles, in particular in electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV) and plug-in hybrid electric vehicles (plug-in hybrid electric vehicles). PHEV) are used.

Lithium-Metall-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. Bei dem Aktivmaterial für die Kathode handelt es sich beispielsweise um ein Metalloxid. Bei dem Aktivmaterial für die Anode handelt es sich beispielsweise um Lithium. Aber auch Graphit ist als Aktivmaterial für Anoden verbreitet.Lithium-metal battery cells have a positive electrode, also referred to as a cathode, and a negative electrode, also referred to as an anode. The cathode and the anode each comprise a current conductor, on which an active material is applied. The active material for the cathode is, for example, a metal oxide. The active material for the anode is, for example, lithium. But also graphite is used as an active material for anodes.

Das Aktivmaterial der Anode enthält Lithiumatome. 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. Bei einem Ladevorgang der Batteriezelle wandern die Lithiumionen von der Kathode zu der Anode. Dabei werden die Lithiumionen auf der Anode elektrochemisch abgeschieden. The active material of the anode contains lithium atoms. During operation of the battery cell, ie during a discharge process, electrons flow in an external circuit from the anode to the cathode. Within the battery cell, lithium ions migrate from the anode to the cathode during a discharge process. During a charging process of the battery cell, the lithium ions migrate from the cathode to the anode. The lithium ions are deposited electrochemically on the anode.

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.The electrodes of the battery cell are formed like a foil and wound with the interposition of a separator, which separates the anode from the cathode, to an electrode coil. Such an electrode winding is also referred to as a jelly roll. The electrodes may also be stacked to form an electrode stack.

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.The two electrodes of the electrode coil or of the electrode stack are electrically connected by means of collectors to poles of the battery cell, which are also referred to as terminals. A battery cell typically includes one or more electrode coils or electrode stacks. The electrodes and separator are surrounded by a generally liquid electrolyte. The electrolyte is conductive to the lithium ions and allows the transport of lithium ions between the electrodes.

Die Batteriezelle weist ferner ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium gefertigt ist. Das Zellengehäuse ist beispielsweise 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. Anstelle eines festen Zellegehäuses kann auch eine weiche Folie vorgesehen sein, welche den Elektrodenwickel oder Elektrodenstapel umgibt. Derart ausgestaltete Batteriezellen werden auch als Pouchzellen bezeichnet.The battery cell further comprises a cell housing, which is made of aluminum, for example. The cell housing is, for example prismatic, in particular cuboid, designed and pressure-resistant. The terminals are located outside the cell case. After connecting the electrodes to the terminals, the electrolyte is filled in the cell housing. Instead of a fixed cell housing, it is also possible to provide a soft foil which surrounds the electrode winding or electrode stack. Such designed battery cells are also referred to as pouch cells.

Eine gattungsgemäße Batteriezelle, die eine Anode und eine Kathode umfasst, wobei das Aktivmaterial der Anode Lithium aufweist, ist beispielsweise aus der US 5,728,482 A bekannt. A generic battery cell comprising an anode and a cathode, wherein the active material of the anode comprises lithium, is for example from US 5,728,482 A known.

Problematisch bei bekannten Lithium-Metall-Batteriezellen sowie bei anderen Batteriezellen ist ein dendritisches Wachstum der Anode. Während der sich wiederholenden Lade- und Entladevorgänge der Batteriezelle kann sich Lithium dendritisch auf der Anode ablagern und von dort auf die Kathode zu wachsen. Wachsende Dendrite können den Separator perforieren und lokale Kurzschlüsse innerhalb der Batteriezelle verursachen. Wachsende Dendrite können somit die Lebensdauer der Batteriezelle deutlich verringern und sogar eine thermische Zerstörung der Batteriezelle, was auch als thermisches Durchgehen bezeichnet wird, verursachen.A problem with known lithium metal battery cells and with other battery cells is a dendritic growth of the anode. During the repeated charging and discharging of the battery cell lithium can dendritisch deposit on the anode and grow from there to the cathode. Growing dendrites can perforate the separator and cause local shorts inside the battery cell. Thus, growing dendrites can significantly reduce the life of the battery cell and even cause thermal damage to the battery cell, also known as thermal runaway.

Ein elektrochemisches Beschichtungsverfahren zur Abscheidung einer Schicht an einem Werkstück ist in der WO 2010/046392 A2 offenbart. Die Abscheidung erfolgt dabei in mehreren Sequenzen, welche unter anderem pulsartig ausgestaltet sind, und wird daher auch als "Pulsabscheidung" bezeichnet.An electrochemical coating method for depositing a layer on a workpiece is disclosed in U.S. Pat WO 2010/046392 A2 disclosed. The deposition takes place in several sequences, which are designed, inter alia, pulse-like, and is therefore also referred to as "pulse separation".

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Batteriezelle, welche ein negatives Terminal und ein positives Terminal aufweist, vorgeschlagen. Dabei werden die Terminals der Batteriezelle mit einer elektrischen Signalquelle verbunden, und die Batteriezelle wird mit einem von der Signalquelle erzeugten pulsierenden elektrischen Signal beaufschlagt.A method of operating a battery cell having a negative terminal and a positive terminal is proposed. In this case, the terminals of the battery cell are connected to an electrical signal source, and the battery cell is acted upon by a pulsed electrical signal generated by the signal source.

Durch die Beaufschlagung der Batteriezelle mit einem pulsierenden Signal erfolgt eine dendritreduzierte oder dendritfreie Abscheidung von Lithium auf einer mit dem negativen Terminal verbundenen Anode der Batteriezelle. Dabei findet insbesondere eine Pulsabscheidung statt. Lithium lagert sich somit homogener auf der Anode ab, und ein Wachstum von Dendriten ist gehemmt oder unterdrückt. By acting on the battery cell with a pulsating signal, a dendrite-reduced or dendrite-free deposition of lithium takes place on an anode of the battery cell connected to the negative terminal. In particular, a pulse separation takes place. Lithium thus deposits more homogeneously on the anode, and growth of dendrites is inhibited or suppressed.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Batteriezelle dabei mit einem pulsierenden Spannungssignal beaufschlagt. Mittels eines Spannungssignals ist eine Triebkraft für eine elektrochemische Reaktion kontrollierbar. Das Spannungssignal kann dabei einer Ruhespannung der Batteriezelle überlagert sein.According to an advantageous embodiment of the invention, the battery cell is acted upon with a pulsating voltage signal. By means of a voltage signal, a driving force for an electrochemical reaction can be controlled. The voltage signal can be superimposed on a rest voltage of the battery cell.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Batteriezelle mit einem pulsierenden Stromsignal beaufschlagt. Mittels des Stromsignals ist ein Fluss von elektroaktiven Spezies zu der Anode kontrollierbar. Das Stromsignal kann dabei einem Ruhestrom der Batteriezelle überlagert sein.According to another advantageous embodiment of the invention, the battery cell is charged with a pulsating current signal. By means of the current signal, a flow of electroactive species to the anode is controllable. The current signal can be superimposed on a quiescent current of the battery cell.

Beispielsweise ist das von der Signalquelle erzeugte pulsierende elektrische Signal rechteckförmig. Aber auch andere Gestaltungen des Signals sind durchaus denkbar, beispielsweise eine Dreieckform oder eine harmonische Schwingung.For example, the pulsating electrical signal generated by the signal source is rectangular. But other designs of the signal are quite conceivable, for example, a triangular shape or a harmonic oscillation.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Batteriezelle dabei während eines Ladevorgangs mit dem pulsierenden elektrischen Signal beaufschlagt. In diesem Fall kann die Signalquelle in eine Ladevorrichtung zum Laden der Batteriezelle integriert sein.According to an advantageous embodiment of the invention, the battery cell is charged during a charging process with the pulsating electrical signal. In this case, the signal source may be integrated in a charging device for charging the battery cell.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Batteriezelle während eines Entladevorgangs mit dem pulsierenden elektrischen Signal beaufschlagt. In diesem Fall kann die Signalquelle ständig mit der Batteriezelle verbunden sein. Handelt es sich um eine Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug, so kann die Signalquelle in ein Batteriesteuergerät integriert sein.According to another advantageous embodiment of the invention, the battery cell is acted upon during a discharging process with the pulsating electrical signal. In this case, the signal source may be constantly connected to the battery cell. If it is a traction battery in an electric vehicle, the signal source may be integrated into a battery control device.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Batteriezelle initial nach ihrer Herstellung mit dem pulsierenden elektrischen Signal beaufschlagt. Dadurch kann auf der Anode eine erhöhte Zahl von statistisch verteilten Keimzentren erzeugt werden, welche eine spätere homogene Abscheidung von Lithium auf der Anode bewirkt. Eine weitere Beaufschlagung der Batteriezelle mit dem pulsierenden elektrischen Signal im Betrieb ist somit nicht erforderlich.According to a further advantageous embodiment of the invention, the battery cell is initially charged after its preparation with the pulsating electrical signal. As a result, an increased number of statistically distributed germinal centers can be generated on the anode, which causes a later homogeneous deposition of lithium on the anode. Further loading of the battery cell with the pulsating electrical signal during operation is thus not necessary.

Vorzugsweise wird vor und/oder während der Beaufschlagung der Batteriezelle mit dem pulsierenden elektrischen Signal ein nicht-dendritischer, beziehungsweise ein dendritreduzierter, Zustand der Batteriezelle ermittelt. Mittels nichtlinearer Chaoskontrolle kann dann der so ermittelte nicht-dendritische, beziehungsweise dendritreduzierte, Zustand der Batteriezelle angesteuert und eingestellt werden.Preferably, before and / or during the charging of the battery cell with the pulsating electrical signal, a non-dendritic, or a dendritreduzierter, state of the battery cell is determined. By means of non-linear chaos control, the non-dendritic or dendrite-reduced state of the battery cell determined in this way can then be triggered and adjusted.

Die Chaoskontrolle ist beispielsweise in dem entsprechenden Kapitel im Lexikon der Physik, unter Controlling Chaos Edward Ott, Celso Grebogi, and James A. Yorke Phys. Rev. Lett. 64, 2837 – Published 4 June 1990 , offenbart.The chaos control is, for example, in the corresponding chapter in Lexicon of Physics, under Controlling Chaos Edward Ott, Celso Grebogi, and James A. Yorke Phys. Rev. Lett. 64, 2837 - Published 4 June 1990 , disclosed.

Die Form des pulsierenden elektrischen Signals wird vorteilhaft derart ermittelt, dass bei Beaufschlagung der Batteriezelle mit dem ermittelten pulsierenden elektrischen Signal der nicht-dendritische, beziehungsweise dendritreduzierte, Zustand der Batteriezelle stabilisiert wird. Die Form des Signals ist dabei durch mehrere Parameter beschreibbar. Zu diesen Parametern gehören beispielsweise eine Amplitude, eine Periodendauer sowie eine Gestalt des Signals. Mögliche Gestalten des Signals sind beispielsweise eine Rechteckform, eine Dreieckform oder eine harmonische Schwingung. The shape of the pulsating electrical signal is advantageously determined in such a way that, when the battery cell is acted upon by the determined pulsating electrical signal, the non-dendritic or dendrite-reduced state of the battery cell is stabilized. The shape of the signal can be described by several parameters. These parameters include, for example, an amplitude, a period and a shape of the signal. Possible shapes of the signal are, for example, a rectangular shape, a triangular shape or a harmonic oscillation.

Die Ermittlung der Form des Signals ist beispielsweise mittels Floquetmoden-Methode durchführbar. Der von der Signalquelle erzeugte Strom, sowie die von der Signalquelle erzeugte Spannung werden dabei mittels ermittelter Floquetmoden entsprechend moduliert. Anschließend wird eine geeignete Amplitude festgelegt. Die Amplituden des erforderlichen Spannungssignals sowie des erforderlichen Stromsignals und damit die notwendige Energie des pulsierenden elektrischen Signals sind relativ gering.The determination of the shape of the signal can be carried out, for example, by means of the floquet mode method. The current generated by the signal source, as well as the voltage generated by the signal source are modulated accordingly by means of determined floquet modes. Subsequently, a suitable amplitude is determined. The amplitudes of the required voltage signal and the required current signal and thus the necessary energy of the pulsating electrical signal are relatively low.

Die Floquetmoden-Methode ist beispielsweise in dem Aufsatz "Giant Improvement of Time-Delayed Feedback Control by Spatio-Temporal Filtering" von Nilüfer Baba, Andreas Amann, Eckehard Schöll, and Wolfram Just, erschienen im Phys. Rev. Lett. 89, 074101 – Published 26 July 2002 , beschrieben.The floquet-mode method is for example in the article "Giant Improvement of Time-Delayed Feedback Control by Spatio-Temporal Filtering" by Nilüfer Baba, Andreas Amann, Eckehard Schöll, and Wolfram Just, published in Phys. Rev. Lett. 89, 074101 - Published 26 July 2002 , described.

Die Ermittlung des nicht-dendritischen, beziehungsweise dendritreduzierten, Zustands der Batteriezelle wird insbesondere folgendermaßen durchgeführt: Zunächst wird die Batteriezelle in einen chaotischen Zustand überführt, anschließend werden instabile Zustände der Batteriezelle ermittelt, und aus den ermittelten instabilen Zuständen der Batteriezelle wird dann der nicht-dendritische Zustand der Batteriezelle ausgewählt. Der nicht-dendritische, beziehungsweise dendritreduzierte, Zustand ist dabei einer von vielen instabilen Zuständen mit einer regulären Dynamik, welche die Batteriezelle, insbesondere die Anode der Batteriezelle, annehmen kann. The determination of the non-dendritic, or dendrite-reduced, state of the battery cell is carried out in particular as follows: First, the battery cell is transferred into a chaotic state, then unstable states of the battery cell are determined, and from the determined unstable states of the battery cell is then the non-dendritic Condition of the battery cell selected. The non-dendritic, or dendrite-reduced, state is one of many unstable states with a regular dynamic which the battery cell, in particular the anode of the battery cell, can assume.

Die Ermittlung des nicht-dendritischen, beziehungsweise dendritreduzierten, Zustands kann beispielsweise mittels bekannter Methoden der nichtlinearen Dynamik, insbesondere der Methode der Attraktor-Rekonstruktion, erfolgen. Mittels linearer Stabilitätsanalyse können die instabilen Zustände mit regulärer Dynamik als instabile Fixpunkte der Batteriezelle bestimmt werden. Aus den so bestimmten instabilen Zuständen mit regulärer Dynamik kann somit der gewünschte instabile nicht-dendritische, beziehungsweise dendritreduzierte, Zustand ausgewählt werden.The determination of the non-dendritic or dendrite-reduced state can be carried out, for example, by means of known methods of nonlinear dynamics, in particular the method of attractor reconstruction. By means of linear stability analysis, the unstable states with regular dynamics can be determined as unstable fixed points of the battery cell. From the thus determined unstable states with regular dynamics, the desired unstable non-dendritic or dendrite-reduced state can thus be selected.

Die Methode der Attraktor-Rekonstruktion ist beispielsweise Chennaoui, A.; Pawelzik, K.; Liebert, W.; Schuster, H. G.; Pfister, G.: Attractor reconstruction from filtered chaotic time series. In: Physical Review A 41 (1990), p. 4051 , offenbartThe method of attractor reconstruction is, for example Chennaoui, A .; Pawelzik, K .; Liebert, W .; Schuster, HG; Pfister, G .: Attractor reconstruction from filtered chaotic time series. In: Physical Review A 41 (1990), p. 4051 , disclosed

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist das Wachstum von Dendriten in der Batteriezelle, insbesondere an der Anode, besonders an einer Lithium-Metall-Anode, gehemmt oder unterdrückt. Dadurch ist die Lebensdauer der Batteriezelle vorteilhaft erhöht und eine Gefährdung der Umwelt durch eine Schädigung, eine thermische Zerstörung sowie ein thermisches Durchgehen der Batteriezelle ist vermieden. Ferner ist der Verbrauch an Elektrolyt verringert und ein Trockenlaufen der Batteriezelle ist vermieden. Auch die Gefahr eines Kurzschlusses innerhalb der Batteriezelle durch eine Perforation des Separators ist verringert. Es findet keine Volumenvergrößerung durch Wachstum von Dendriten innerhalb der Batteriezelle statt und damit auch keine Beschädigung des Gehäuses der Batteriezelle. By the method according to the invention, the growth of dendrites in the battery cell, in particular at the anode, in particular at a lithium-metal anode, is inhibited or suppressed. As a result, the life of the battery cell is advantageously increased and a threat to the environment by damage, thermal destruction and thermal runaway of the battery cell is avoided. Furthermore, the consumption of electrolyte is reduced and dry running of the battery cell is avoided. The risk of a short circuit within the battery cell by a perforation of the separator is reduced. There is no increase in volume due to growth of dendrites within the battery cell and thus no damage to the housing of the battery cell.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet ferner die kommerzielle Fertigung von weiteren Batterietypen, beispielsweise Lithium-Schwefel oder Lithium-Luft, sowie von Batterietypen, welche bisher aufgrund von starker Dendritenbildung an der Lithium-Metall-Anode nicht wieder aufladbar waren. Damit sind insbesondere Batteriezellen mit erhöhter Energiekapazität herstellbar. Ferner können Stromableiter, welche die Elektroden, insbesondere die Anode, mit den Terminals verbinden, schmaler und leichter ausgeführt werden. Die Verwendung von reinen Lithium-Metall-Elektroden führt zu einem verringerten Gesamtgewicht der Batteriezelle und somit zu einer erhöhten gravimetrischen Energiedichte.The inventive method further allows the commercial production of other types of batteries, such as lithium-sulfur or lithium-air, as well as battery types, which were previously not rechargeable due to strong dendrite formation at the lithium-metal anode. This particular battery cells with increased energy capacity can be produced. Furthermore, current conductors which connect the electrodes, in particular the anode, to the terminals can be made narrower and lighter. The use of pure lithium metal electrodes leads to a reduced total weight of the battery cell and thus to an increased gravimetric energy density.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle mit angeschlossener Signalquelle, 1 a schematic representation of a battery cell with connected signal source,

2 einen zeitlichen Verlauf eines pulsierenden Spannungssignals, 2 a time course of a pulsating voltage signal,

3 einen zeitlichen Verlauf eines pulsierenden Stromsignals, 3 a time course of a pulsating current signal,

4 einen zeitlichen Verlauf eines initialen pulsierenden Spannungssignals, 4 a time course of an initial pulsating voltage signal,

5 einen zeitlichen Verlauf eines initialen pulsierenden Stromsignals und 5 a time course of an initial pulsating current signal and

6 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Ermittlung einer geeigneten Form des pulsierenden Signals. 6 a schematic representation of an arrangement for determining a suitable shape of the pulsating signal.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Eine Batteriezelle 2 ist in 1 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 oder Edelstahl gefertigt. Das Zellengehäuse 3 kann aber auch aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt sein. Auch andere Formen des Zellengehäuses 3 sind denkbar, beispielsweise kreiszylindrisch. Anstelle eines festen Zellengehäuses 3 kann auch eine weiche Folie vorgesehen sein, wenn die Batteriezelle 2 als Pouchzelle ausgestaltet ist.A battery cell 2 is in 1 shown schematically. The battery cell 2 includes a cell housing 3 , which is prismatic, in the present cuboid, is formed. The cell case 3 In the present case, it is designed to be electrically conductive and, for example, made of aluminum or stainless steel. The cell case 3 but can also be made of an electrically insulating material, such as plastic. Other forms of the cell housing 3 are conceivable, for example, circular cylindrical. Instead of a fixed cell case 3 may also be provided a soft film when the battery cell 2 designed as a pouch cell.

Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden. Die Terminals 11, 12 sind beabstandet voneinander an einer Deckfläche des prismatischen Zellengehäuses 3 angeordnet. The battery cell 2 includes a negative terminal 11 and a positive terminal 12 , About the terminals 11 . 12 can one from the battery cell 2 provided voltage can be tapped. Furthermore, the battery cell 2 over the terminals 11 . 12 also be loaded. The terminals 11 . 12 are spaced from each other on a top surface of the prismatic cell housing 3 arranged.

Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 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.Inside the cell case 3 the battery cell 2 an electrode winding is arranged, which two electrodes, namely an anode 21 and a cathode 22 , having. The anode 21 and the cathode 22 are each carried out like a film and with the interposition of a separator 18 wound to the electrode coil. It is also conceivable that a plurality of electrode windings in the cell housing 3 are provided. Instead of the electrode winding, an electrode stack can also be provided, for example.

Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial 41, welches folienartig ausgeführt ist. Das anodische Aktivmaterial 41 weist als Grundstoff Lithium oder eine Lithium enthaltende Legierung auf. Auch anders geartete Metallelektroden sind denkbar. Die Anode 21 umfasst ferner einen Stromableiter 31, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das anodische Aktivmaterial 41 und der Stromableiter 31 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden.The anode 21 includes an anodic active material 41 , which is designed like a film. The anodic active material 41 has as a base material lithium or a lithium-containing alloy. Other types of metal electrodes are conceivable. The anode 21 further includes a current collector 31 , which is also formed like a film. The anodic active material 41 and the current collector 31 are laid flat against each other and connected to each other.

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 verbunden.The current collector 31 the anode 21 is made electrically conductive and made of a metal, such as copper. The current collector 31 the anode 21 is electric with the negative terminal 11 the battery cell 2 connected.

Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial 42, welches folienartig ausgeführt ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 weist als Grundstoff ein Metalloxid auf, beispielsweise Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2). Die Kathode 22 umfasst ferner einen Stromableiter 32, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 und der Stromableiter 32 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden.The cathode 22 comprises a cathodic active material 42 , which is designed like a film. The cathodic active material 42 has as its base a metal oxide, for example lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ). The cathode 22 further includes a current collector 32 , which is also formed like a film. The cathodic active material 42 and the current collector 32 are laid flat against each other and connected to each other.

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 verbunden.The current collector 32 the cathode 22 is made electrically conductive and made of a metal, such as aluminum. The current collector 32 the cathode 22 is electric with the positive terminal 12 the battery cell 2 connected.

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.The anode 21 and the cathode 22 are through the separator 18 separated from each other. The separator 18 is also formed like a film. The separator 18 is electrically insulating, but ionically conductive, so permeable to lithium ions.

Das Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 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.The cell case 3 the battery cell 2 is with a liquid electrolyte 15 , or with a polymer electrolyte filled. The electrolyte 15 surrounds the anode 21 , the cathode 22 and the separator 18 , Also the electrolyte 15 is ionic conductive.

An die Terminals 11, 12 der Batteriezelle 2 ist eine Signalquelle 50 angeschlossen. Die Signalquelle 50 erzeugt ein elektrisches Signal in Form eines pulsierenden Spannungssignals 60 oder in Form eines pulsierenden Stromsignals 70. Die Batteriezelle 2 wird von dem von der Signalquelle 50 erzeugten pulsierenden elektrischen Signal beaufschlagt.To the terminals 11 . 12 the battery cell 2 is a signal source 50 connected. The signal source 50 generates an electrical signal in the form of a pulsating voltage signal 60 or in the form of a pulsating current signal 70 , The battery cell 2 is from that of the signal source 50 applied pulsed electrical signal applied.

Ein beispielhafter zeitlicher Verlauf eines von der Signalquelle 50 erzeugten pulsierenden Spannungssignals 60 ist in 2 dargestellt. Dabei ist auf der x-Achse die Zeit t aufgetragen und auf der y-Achse die zwischen den Terminals 11, 12 anliegende Spannung U. Das Spannungssignal 60 ist vorliegend rechteckförmig und schwankt zwischen einer Minimalspannung 62 und einer Maximalspannung 64. Die Minimalspannung 62 entspricht dabei annähernd einer Leerlaufspannung der Batteriezelle 2.An exemplary time course of one of the signal source 50 generated pulsating voltage signal 60 is in 2 shown. In this case, the time t is plotted on the x-axis and that between the terminals on the y-axis 11 . 12 applied voltage U. The voltage signal 60 is present rectangular and varies between a minimum voltage 62 and a maximum voltage 64 , The minimum voltage 62 This corresponds approximately to an open circuit voltage of the battery cell 2 ,

Ein beispielhafter zeitlicher Verlauf eines von der Signalquelle 50 erzeugten pulsierenden Stromsignals 70 ist in 3 dargestellt. Dabei ist auf der x-Achse die Zeit t aufgetragen und auf der y-Achse der durch die Terminals 11, 12 fließende Strom I. Das Stromsignal 70 ist vorliegend rechteckförmig und schwankt zwischen einem Minimalstrom 72 und einer Maximalstrom 74. Der Minimalstrom 72 ist dabei annähernd gleich null.An exemplary time course of one of the signal source 50 generated pulsating current signal 70 is in 3 shown. In this case, the time t is plotted on the x-axis and on the y-axis the time through the terminals 11 . 12 flowing current I. The current signal 70 is present rectangular and varies between a minimum current 72 and a maximum current 74 , The minimum current 72 is almost zero.

Ein beispielhafter zeitlicher Verlauf eines von der Signalquelle 50 erzeugten initialen pulsierenden Spannungssignals 60 ist in 4 dargestellt. Dabei ist auf der x-Achse die Zeit t aufgetragen und auf der y-Achse die zwischen den Terminals 11, 12 anliegende Spannung U. Das initiale Spannungssignal 60 ist vorliegend rechteckförmig und schwankt zwischen einer Minimalspannung 62 und einer Maximalspannung 64. Die Minimalspannung 62 entspricht dabei annähernd einer Leerlaufspannung der Batteriezelle 2. An exemplary time course of one of the signal source 50 generated initial pulsating voltage signal 60 is in 4 shown. In this case, the time t is plotted on the x-axis and that between the terminals on the y-axis 11 . 12 applied voltage U. The initial voltage signal 60 is present rectangular and varies between a minimum voltage 62 and a maximum voltage 64 , The minimum voltage 62 This corresponds approximately to an open circuit voltage of the battery cell 2 ,

Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer endet das initiale pulsierende Spannungssignal 60. Zwischen den Terminals 11, 12 der Batteriezelle 2 liegt eine Ruhespannung 66 an, welche vorliegend größer als die Minimalspannung 62 ist. Die Ruhespannung 66 entspricht einer Ladespannung, mit welcher die Batteriezelle 2 nach Beendigung des initialen pulsierenden Spannungssignals 60 weiter geladen wird.After a predetermined period of time, the initial pulsating voltage signal ends 60 , Between the terminals 11 . 12 the battery cell 2 is a rest voltage 66 which in this case is greater than the minimum voltage 62 is. The quiescent voltage 66 corresponds to a charging voltage with which the battery cell 2 after completion of the initial pulsating voltage signal 60 is loaded further.

Ein beispielhafter zeitlicher Verlauf eines von der Signalquelle 50 erzeugten initialen pulsierenden Stromsignals 70 ist in 5 dargestellt. Dabei ist auf der x-Achse die Zeit t aufgetragen und auf der y-Achse der durch die Terminals 11, 12 fließende Strom I. Das initiale Stromsignal 70 ist vorliegend rechteckförmig und schwankt zwischen einem Minimalstrom 72 und einer Maximalstrom 74. Der Minimalstrom 72 ist dabei annähernd gleich null. An exemplary time course of one of the signal source 50 generated initial pulsating current signal 70 is in 5 shown. In this case, the time t is plotted on the x-axis and on the y-axis the time through the terminals 11 . 12 flowing current I. The initial current signal 70 is present rectangular and varies between a minimum current 72 and a maximum current 74 , The minimum current 72 is almost zero.

Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer endet das initiale pulsierende Stromsignal 70. Durch die Terminals 11, 12 fließt ein Ruhestrom 76 an, welcher vorliegend größer als der Minimalstrom 72 ist. Der Ruhestrom 76 entspricht einem Ladestrom, mit welchem die Batteriezelle 2 nach Beendigung des initialen pulsierenden Stromsignals 70 weiter geladen wird.After expiration of a predetermined period of time, the initial pulsating current signal ends 70 , Through the terminals 11 . 12 a quiescent current flows 76 which, in the present case, is greater than the minimum current 72 is. The quiescent current 76 corresponds to a charging current with which the battery cell 2 after completion of the initial pulsating current signal 70 is loaded further.

Eine Anordnung zur Ermittlung einer geeigneten Form des pulsierenden elektrischen Signals, also des pulsierenden Spannungssignals 60 oder des pulsierenden Stromsignals 70, ist in 6 schematisch dargestellt. An die Batteriezelle 2 ist die Signalquelle 50 angeschlossen. Die Batteriezelle 2 ist ferner mit einem Verbraucher 55 verbunden. Die Batteriezelle 2 liefert dabei an den Verbraucher 55 eine elektrische Leistung mittels einer Spannung U und eines Stromes I.An arrangement for determining a suitable form of the pulsating electrical signal, that is the pulsating voltage signal 60 or the pulsating current signal 70 , is in 6 shown schematically. To the battery cell 2 is the signal source 50 connected. The battery cell 2 is also with a consumer 55 connected. The battery cell 2 delivers to the consumer 55 a electrical power by means of a voltage U and a current I.

Die Signalquelle 50 erfasst den zeitlichen Verlauf der besagten Spannung U und des besagten Stromes I. In der Signalquelle 50 oder in einer externen, hier nicht dargestellten Signalverarbeitungseinheit werden geeignete Formen des pulsierenden Spannungssignals 60 sowie des pulsierenden Stromsignals 70 ermittelt. Die Ermittlung des pulsierenden Spannungssignals 60 sowie des pulsierenden Stromsignals 70 wird vorliegend mittels Floquetmoden-Methode durchgeführt. The signal source 50 detects the time course of said voltage U and said current I. In the signal source 50 or in an external signal processing unit, not shown here, suitable forms of the pulsating voltage signal 60 and the pulsating current signal 70 determined. The determination of the pulsating voltage signal 60 and the pulsating current signal 70 is carried out in this case by means of floquet-mode method.

Mögliche Gestalten des pulsierenden Spannungssignals 60 sowie des pulsierenden Stromsignals 70, mit welche die Batteriezelle 2 zu beaufschlagen ist, sind beispielsweise eine Rechteckform, eine Dreieckform oder eine harmonische Schwingung. Aber auch andere Gestalten des pulsierenden elektrischen Signals sind denkbar.Possible shapes of the pulsating voltage signal 60 and the pulsating current signal 70 with which the battery cell 2 is to be acted upon, for example, a rectangular shape, a triangular shape or a harmonic oscillation. But other shapes of the pulsating electrical signal are conceivable.

Das von der Signalquelle 50 erzeugte Spannungssignal 60 sowie das von der Signalquelle 50 erzeugte Stromsignals 70 werden anschließend mittels der ermittelten Floquetmoden entsprechend moduliert. Auch werden jeweils eine geeignete Amplitude für das Spannungssignal 60 sowie für das Stromsignal 70 festgelegt.That from the signal source 50 generated voltage signal 60 as well as that of the signal source 50 generated current signal 70 are then modulated accordingly by means of the determined floquet modes. Also, each becomes a suitable amplitude for the voltage signal 60 as well as for the current signal 70 established.

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. The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Verfahren zum Betrieb einer Batteriezelle (2), welche ein negatives Terminal (11) und ein positives Terminal (12) aufweist, wobei die Terminals (11, 12) mit einer elektrischen Signalquelle (50) verbunden werden, und wobei die Batteriezelle (2) mit einem von der Signalquelle (50) erzeugten pulsierenden elektrischen Signal (60, 70) beaufschlagt wird. Method for operating a battery cell ( 2 ), which is a negative terminal ( 11 ) and a positive terminal ( 12 ), the terminals ( 11 . 12 ) with an electrical signal source ( 50 ), and wherein the battery cell ( 2 ) with one of the signal source ( 50 ) generated pulsating electrical signal ( 60 . 70 ) is applied. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (2) mit einem pulsierenden Spannungssignal (60) beaufschlagt wird.Method according to claim 1, characterized in that the battery cell ( 2 ) with a pulsating voltage signal ( 60 ) is applied. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (2) mit einem pulsierenden Stromsignal (70) beaufschlagt wird.Method according to claim 1, characterized in that the battery cell ( 2 ) with a pulsating current signal ( 70 ) is applied. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Signalquelle (50) erzeugte pulsierende elektrische Signal (60, 70) rechteckförmig ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the signal from the signal source ( 50 ) generated pulsating electrical signal ( 60 . 70 ) is rectangular. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (2) während eines Ladevorgangs mit dem pulsierenden elektrischen Signal (60, 70) beaufschlagt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the battery cell ( 2 ) during a charging process with the pulsating electrical signal ( 60 . 70 ) is applied. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (2) während eines Entladevorgangs mit dem pulsierenden elektrischen Signal (60, 70) beaufschlagt wird. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the battery cell ( 2 ) during a discharge process with the pulsating electrical signal ( 60 . 70 ) is applied. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (2) initial nach ihrer Herstellung mit dem pulsierenden elektrischen Signal (60, 70) beaufschlagt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the battery cell ( 2 ) initially after its manufacture with the pulsating electrical signal ( 60 . 70 ) is applied. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein nicht-dendritischer Zustand der Batteriezelle (2) ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a non-dendritic state of the battery cell ( 2 ) is determined. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des pulsierenden elektrischen Signals (60, 70) derart ermittelt wird, dass der nicht-dendritische Zustand der Batteriezelle (2) stabilisiert wird.Method according to claim 8, characterized in that the shape of the pulsating electrical signal ( 60 . 70 ) is determined such that the non-dendritic state of the battery cell ( 2 ) is stabilized. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des nicht-dendritischen Zustands der Batteriezelle (2) die Batteriezelle (2) in einen chaotischen Zustand überführt wird, instabile Zustände der Batteriezelle (2) ermittelt werden, und aus den ermittelten instabilen Zuständen der Batteriezelle (2) der nicht-dendritische Zustand der Batteriezelle (2) ausgewählt wird.A method according to claim 9, characterized in that for determining the non-dendritic state of the battery cell ( 2 ) the battery cell ( 2 ) is transferred into a chaotic state, unstable states of the battery cell ( 2 ) and from the determined unstable states of the battery cell ( 2 ) the non-dendritic state of the battery cell ( 2 ) is selected.
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