DE102016212782A1

DE102016212782A1 - Battery cell and battery

Info

Publication number: DE102016212782A1
Application number: DE102016212782.9A
Authority: DE
Inventors: Saskia Lupart; Sandra Zugmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-07-13
Filing date: 2016-07-13
Publication date: 2018-01-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (1) umfassend zumindest eine Einheit (2) mit einer Anode (3), einer Kathode (4), und einem zwischen Anode (3) und Kathode (4) angeordneten festen Elektrolytkörper (5), ein Gehäuse (6) mit zwei gegenüberliegenden Wänden (8), und zumindest ein Spannelement (7) zum Ausüben eines Drucks zwischen den Wänden (8) des Gehäuse (6) und der Einheit (2), wobei der Druck zumindest 10 MPa beträgt.The invention relates to a battery cell (1) comprising at least one unit (2) with an anode (3), a cathode (4), and a solid electrolyte body (5) arranged between the anode (3) and the cathode (4). 6) with two opposite walls (8), and at least one tensioning element (7) for exerting a pressure between the walls (8) of the housing (6) and the unit (2), the pressure being at least 10 MPa.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Batterie, umfassend eine Vielzahl derartiger Batteriezellen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Batteriezelle eine Vielzahl von verpressten Wiederholeinheiten aufweist, die einen Festelektrolyt umfassen. The present invention relates to a battery cell. Furthermore, the invention relates to a battery comprising a plurality of such battery cells. In particular, it is provided that the battery cell has a multiplicity of compressed repeat units comprising a solid electrolyte.

Aus dem Stand der Technik sind Lithiumbatterien bekannt, die einen Festelektrolyten umfassen. Solche Lithiumbatterien bieten einen Vorteil gegenüber Batterien mit herkömmlichen, organischen Elektrolyten, da der Festelektrolyt nicht entzündlich ist. Weiterhin weisen Festelektrolyte, da diese nicht nur nicht entzündlich sind, sondern auch Dendritenwachstum vermindern oder verhindern, erheblich verbesserte Sicherheitscharakteristika im Vergleich zu herkömmlichen, organischen Elektrolyten auf. Des Weiteren wird aufgrund der Selektivität der Ladungsträger und der hohen Stabilität von Festelektrolyten im Generellen, sowie die Zyklenstabilität, auch die kalendarische Lebensdauer verbessert, zudem tritt eine verminderte Selbstentladung auf. From the prior art lithium batteries are known which comprise a solid electrolyte. Such lithium batteries offer an advantage over batteries with conventional organic electrolytes because the solid electrolyte is not flammable. Furthermore, since these are not only non-flammable but also reduce or prevent dendrite growth, they have significantly improved safety characteristics as compared to conventional organic electrolytes. Furthermore, due to the selectivity of the charge carriers and the high stability of solid electrolytes in general, as well as the cycle stability, also improves the calendar life, also occurs to a reduced self-discharge.

Insbesondere bei Dickschichtzellen, das bedeutet bei Zellen, bei denen die einzelnen Lagen an Kathodenschichten zwischen 30 µm und 150 µm dick sind, spielen Volumenänderungen eine große Rolle im Vergleich zu Dünnschichtzellen. Üblicherweise werden pro Zelle mehrere Wiederholeinheiten, umfassend eine Kathode, einen Separator und eine Anode, verbaut. Der Separator umfasst dabei den Elektrolyten. Viele Aktivmaterialien, wie insbesondere Silizium, unterliegen einer sehr großen Volumenänderung von etwa 300 %. Da ein Festelektrolyt im Vergleich zu flüssigen Elektrolyten nicht in der Lage ist, eine solche Volumenänderung zu puffern, können Kontaktverluste oder Risse entstehen. Des Weiteren besteht die Gefahr bei Verwendung von Festelektrolyten, dass während der Zyklisierung die einzelnen Lagen gegeneinander verrutschen, wodurch die Gefahr von Kurzschlüssen entsteht. Especially in thick-film cells, which means in cells in which the individual layers of cathode layers between 30 microns and 150 microns thick, volume changes play a major role compared to thin-film cells. Usually, several repeating units, comprising a cathode, a separator and an anode, are installed per cell. The separator comprises the electrolyte. Many active materials, especially silicon, undergo a very large volume change of about 300%. Since a solid electrolyte is not able to buffer such a volume change compared to liquid electrolytes, contact losses or cracks can occur. Furthermore, there is the danger when using solid electrolytes that during cyclization, the individual layers slip against each other, whereby the risk of short circuits.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Batteriezelle bereitzustellen, die bei einfacher und kostengünstiger Herstellung und Montage sicher, zuverlässig und langlebig betreibbar ist. Es ist außerdem Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Batterie anzugeben. It is therefore an object of the invention to provide a battery cell that is safe, reliable and durable operable with simple and cost-effective production and assembly. It is also an object of the invention to provide a corresponding battery.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt. The object is achieved by the features of the independent claim. The dependent claims have preferred developments of the invention to the content.

Die Aufgabe wird somit gelöst durch eine Batteriezelle, umfassend zumindest eine Einheit mit einer Anode, einer Kathode und einem festen Elektrolytkörper. Der feste Elektrolytkörper ist somit ein Festelektrolyt. Der feste Elektrolytkörper ist zwischen Anode und Kathode angeordnet. Somit stellt die Einheit eine Wiederholeinheit dar, die mehrmals innerhalb einer Batteriezelle vorhanden sein kann. Besonders vorteilhaft sind in einer Batteriezelle zwischen einer und 1.000 solcher Einheiten angeordnet. Weiterhin umfasst die Batteriezelle ein Gehäuse mit zwei gegenüberliegenden Wänden. Außerdem ist ein Spannelement vorhanden, wobei das Spannelement einen Druck zwischen den Wänden des Gehäuses und der zumindest einen Einheit ausübt. Auf diese Weise ist die zumindest eine Einheit verspannbar, wobei der Druck auf die zumindest eine Einheit zumindest 10 MPa beträgt. Aus dem Stand der Technik ist ein Verspannen einzelner Batteriezellen bekannt, wobei dies lediglich der Montage der Batteriezellen und somit dem Festhalten der Batteriezellen an vordefinierten Orten geschuldet ist. Daher beträgt der Druck auf jede Batteriezelle maximal 1 MPa. Es konnte jedoch überraschend gezeigt werden, dass durch einen erheblich größeren Druck, das bedeutet durch einen Druck von zumindest 10 MPa, der auf jede Einheit innerhalb der Batteriezelle wirkt, ein Kontaktverlust zwischen den Komponenten der einzelnen Einheiten und/oder zwischen den Einheiten untereinander durch Volumenänderungen während der Zyklisierung der Batteriezelle vermieden werden können. Somit ist eine Beschädigung der Batteriezellen vermieden, wobei gleichzeitig die Lebensdauer der Batteriezellen verlängert ist. Daher lassen sich mittels der erfindungsgemäßen Batteriezelle Batterien aufbauen, die sehr langlebig und zuverlässig betreibbar sind, auch wenn Volumenänderungen während der Zyklisierung auftreten. The object is thus achieved by a battery cell comprising at least one unit with an anode, a cathode and a solid electrolyte body. The solid electrolyte body is thus a solid electrolyte. The solid electrolyte body is disposed between the anode and the cathode. Thus, the unit represents a repeating unit, which may be present several times within a battery cell. Particularly advantageously, between one and 1,000 such units are arranged in a battery cell. Furthermore, the battery cell comprises a housing with two opposite walls. In addition, a clamping element is present, wherein the clamping element exerts a pressure between the walls of the housing and the at least one unit. In this way, the at least one unit can be clamped, wherein the pressure on the at least one unit is at least 10 MPa. A clamping of individual battery cells is known from the prior art, which is only due to the assembly of the battery cells and thus the retention of the battery cells at predefined locations. Therefore, the pressure on each battery cell is at most 1 MPa. However, it has surprisingly been found that by a significantly greater pressure, that is to say by a pressure of at least 10 MPa acting on each unit within the battery cell, a loss of contact between the components of the individual units and / or between the units with each other by volume changes can be avoided during the cyclization of the battery cell. Thus, damage to the battery cells is avoided, at the same time the life of the battery cells is extended. Therefore, by means of the battery cell according to the invention batteries can be built, which are very durable and reliable operable, even if volume changes occur during the cyclization.

Die Batteriezelle ist insbesondere derart ausgebildet, dass der Druck auf die zumindest eine Einheit zumindest 80 MPa beträgt. Es konnte überraschend festgestellt werden, dass durch einen derartigen Druck Kontaktverluste durch Volumenänderungen während der Zyklisierung der Batteriezelle ideal entgegengewirkt werden kann. Durch einen derartigen Druck sind somit die einzelnen Komponenten einer Einheit und/oder die Einheiten untereinander wirksam aneinander gepresst, sodass ein Kontaktverlust bei Volumenänderungen durch die Zyklisierung der Batteriezelle nicht auftritt. Dies verhindert, dass Beschädigungen innerhalb der Batteriezelle auftreten, wodurch die Batteriezelle sehr zuverlässig und langlebig betreibbar ist. The battery cell is in particular designed such that the pressure on the at least one unit is at least 80 MPa. It has surprisingly been found that contact losses due to volume changes during the cyclization of the battery cell can be ideally counteracted by such a pressure. By such a pressure thus the individual components of a unit and / or the units are effectively pressed together, so that a contact loss does not occur with volume changes by the cyclization of the battery cell. This prevents damage occurring within the battery cell, whereby the battery cell is very reliable and durable operable.

Die Batteriezelle weist bevorzugt eine Vielzahl von zuvor beschriebenen Einheiten auf. Dabei ist die Vielzahl von Einheiten zwischen den Wänden des Gehäuses angeordnet. Das Spannelement ist zwischen zwei Einheiten und/oder zwischen einer Einheit und einer Wand angeordnet. Insbesondere ist das Spannelement ausgebildet, entlang einer Pressrichtung einen Druck auf die Einheiten auszuüben. Somit ist innerhalb einer Batteriezelle eine Verspannung der Komponenten der einzelnen Einheiten sowie der Einheiten untereinander ermöglicht. Dies bedeutet, dass sämtliche Komponenten der Batteriezelle, also sämtliche Anoden, Kathoden und Elektrolytkörper, miteinander verpresst sind, wobei der Druck auf jede einzelne Komponente, das bedeutet auf jede Anode, Kathode und auf jeden Elektrolytkörper, zumindest 10 MPa, insbesondere zumindest 80 MPa, beträgt. Das Spannelement ist dabei sehr einfach und kostengünstig in die Batteriezelle integrierbar. Besonders vorteilhaft sind zwei Spannelemente vorhanden, wobei jeweils zwischen jeder Wand des Gehäuses und der zumindest einen Einheit ein Spannelement vorhanden ist. Somit steht das zumindest eine Element nicht in direktem Kontakt zu einer Wand des Gehäuses, sondern wird jeweils von einem Spannelement umfasst. Dies gilt zumindest für eine vordefinierte Spannrichtung. Auf diese Weise lässt sich einfach und zuverlässig der zuvor beschriebene Druck von zumindest 10 MPa aufbringen. The battery cell preferably has a plurality of units described above. In this case, the plurality of units is arranged between the walls of the housing. The tensioning element is arranged between two units and / or between a unit and a wall. In particular, the clamping element is designed to exert a pressure on the units along a pressing direction. Thus, within a battery cell is a Tensioning of the components of the individual units and the units with each other allows. This means that all the components of the battery cell, that is to say all the anodes, cathodes and electrolyte bodies, are pressed together, the pressure on each individual component, that means on each anode, cathode and on each electrolyte body, of at least 10 MPa, in particular at least 80 MPa, is. The clamping element is very easy and inexpensive to integrate into the battery cell. Particularly advantageous two clamping elements are present, in each case between each wall of the housing and the at least one unit, a clamping element is present. Thus, the at least one element is not in direct contact with a wall of the housing, but is in each case encompassed by a clamping element. This applies at least for a predefined clamping direction. In this way, the previously described pressure of at least 10 MPa can be easily and reliably applied.

Das Spannelement ist vorteilhafterweise ein elastisches Element, insbesondere ein Federelement. Das Spannelement wird in einem vorgespannten Zustand, insbesondere in einem komprimierten Zustand, innerhalb des Gehäuses angeordnet. Dabei ist vorgesehen, dass die Rückstellkraft des vorgespannten elastischen Elements auf die zumindest eine Einheit den zuvor beschriebenen Druck von zumindest 10 MPa ausübt. Besonders vorteilhaft sind zwei solcher elastischer Elemente vorhanden, wobei an jeder Wand ein solches elastisches Element angeordnet ist. Die zumindest eine Zelle erfährt daher von beiden Seiten eine Druckbeaufschlagung, wodurch sich der zuvor beschriebene Druck von zumindest 10 MPa ergibt. The tensioning element is advantageously an elastic element, in particular a spring element. The tensioning element is arranged in a prestressed state, in particular in a compressed state, within the housing. It is provided that the restoring force of the prestressed elastic element on the at least one unit exerts the previously described pressure of at least 10 MPa. Two such elastic elements are particularly advantageously present, wherein such an elastic element is arranged on each wall. The at least one cell therefore undergoes pressurization from both sides, resulting in the previously described pressure of at least 10 MPa.

Das Spannelement stellt vorteilhafterweise einen Stromabnehmer zum Abgreifen einer Spannung der Batteriezelle dar. Insbesondere ist das Spannelement als Feder ausgebildet, wobei zumindest zwei solcher Federn vorhanden sind. Die Federn sind elektrisch leitfähig und gegeneinander nicht kurzgeschlossen, sodass diese als Stromabnehmer fungieren können. Ein zusätzlicher Stromabnehmer aus der Batteriezelle heraus ist damit nicht notwendig. Somit ist die Batteriezelle einfach und kompakt aufbaubar. The tensioning element advantageously represents a current collector for picking up a voltage of the battery cell. In particular, the tensioning element is designed as a spring, wherein at least two such springs are present. The springs are electrically conductive and not short-circuited against each other, so that they can act as a current collector. An additional pantograph out of the battery cell is therefore not necessary. Thus, the battery cell is simple and compact to assemble.

Die Kathode weist vorteilhafterweise einen ersten Festelektrolyt auf. Alternativ oder zusätzlich weist die Anode einen zweiten Festelektrolyt auf. Somit ist vorgesehen, dass die Kathode zumindest teilweise aus einem Material gebildet ist, das ein erster Festelektrolyt ist. Ebenso ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Anode zumindest teilweise aus einem Material gebildet ist, das ein zweiter Festelektrolyt ist. Dabei ist vorgesehen, dass der erste Festelektrolyt, der zweite Festelektrolyt und der Elektrolytkörper, der zwischen Anode und Kathode angeordnet ist, wahlweise aus dem gleichen oder aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind. Insbesondere können der erste Festelektrolyt und/oder der zweite Festelektrolyt aus einer Keramik oder aus einem Polymer gefertigt sein. The cathode advantageously has a first solid electrolyte. Alternatively or additionally, the anode has a second solid electrolyte. Thus, it is provided that the cathode is at least partially formed of a material which is a first solid electrolyte. Likewise, it is advantageously provided that the anode is at least partially formed from a material which is a second solid electrolyte. It is provided that the first solid electrolyte, the second solid electrolyte and the electrolyte body, which is arranged between anode and cathode, are optionally made of the same or of different materials. In particular, the first solid electrolyte and / or the second solid electrolyte may be made of a ceramic or of a polymer.

Die zumindest eine Einheit weist vorteilhafterweise eine Pufferschicht auf. Die Pufferschicht stellt das Spannelement dar. Sollte die Batteriezelle mehrere solcher Einheiten aufweisen, so kann wahlweise jede Einheit eine Pufferschicht umfassen, oder alternativ nur einen Teil der Einheiten. Durch das Integrieren der Pufferschicht in jede Einheit ist kein separates Spannelement vorhanden. Gleichzeitig findet eine optimale Verpressung der einzelnen Komponenten der Einheiten sowie der Einheiten untereinander statt. The at least one unit advantageously has a buffer layer. The buffer layer constitutes the tensioning element. If the battery cell has a plurality of such units, then optionally each unit may comprise a buffer layer, or alternatively only a part of the units. Integrating the buffer layer into each unit does not provide a separate tensioning element. At the same time there is an optimal compression of the individual components of the units and the units with each other.

Besonders vorteilhaft umfasst die Pufferschicht einen Polymerelektrolyt. Dabei stellt die Pufferschicht zusätzlich den Elektrolytkörper dar. Somit ist die Anzahl an Komponenten innerhalb der Batteriezelle vermindert. Durch die Pufferschicht ist einerseits das Spannelement, andererseits der feste Elektrolytkörper gebildet. Somit ist die Pufferschicht verformbar, insbesondere elastisch verformbar, und kann eine Spannkraft auf die übrigen Komponenten der Einheit oder der Einheiten der Batteriezelle aufbringen. Dadurch ist eine Druckausübung innerhalb der Batteriezelle einfach und kostengünstig realisierbar, wobei gleichzeitig ein fester Elektrolytkörper vorhanden ist. Wie zuvor beschrieben, kann eine solche Pufferschicht in einer oder in mehreren Einheiten innerhalb der Batteriezelle vorhanden sein. Particularly advantageously, the buffer layer comprises a polymer electrolyte. In this case, the buffer layer additionally constitutes the electrolyte body. Thus, the number of components within the battery cell is reduced. By the buffer layer on the one hand, the clamping element, on the other hand, the solid electrolyte body is formed. Thus, the buffer layer is deformable, in particular elastically deformable, and can apply a clamping force to the remaining components of the unit or the units of the battery cell. As a result, a pressure exerted within the battery cell is simple and inexpensive to implement, at the same time a solid electrolyte body is present. As previously described, such a buffer layer may be present in one or more units within the battery cell.

Der Elektrolytkörper ist vorteilhafterweise aus einer Keramik und/oder aus einem Polymer gefertigt. Somit kann der Elektrolytkörper an äußere Rahmenbedingungen der Batteriezelle optimal angepasst sein. The electrolyte body is advantageously made of a ceramic and / or of a polymer. Thus, the electrolyte body can be optimally adapted to external conditions of the battery cell.

Schließlich betrifft die Erfindung eine Batterie, umfassend zumindest eine Batteriezelle, wie zuvor beschrieben. Insbesondere umfasst die Batterie mehrere solcher Batteriezellen. Durch die Verwendung der zuvor beschriebenen Batteriezellen ist die Batterie sehr sicher und zuverlässig zu betreiben und weist gleichzeitig eine hohe Lebenserwartung auf. Insbesondere sind Kurzschlüsse aufgrund von Verschiebungen der Komponenten der Batteriezelle aufgrund von Zyklisierung verhindert. Finally, the invention relates to a battery comprising at least one battery cell, as described above. In particular, the battery comprises a plurality of such battery cells. By using the battery cells described above, the battery is very safe and reliable to operate and at the same time has a high life expectancy. In particular, short circuits due to shifts of the components of the battery cell due to cyclization are prevented.

Die Kathode jeder Einheit der Batteriezelle ist vorteilhafterweise aus einem Kathodenaktivmaterial, aus einem Festelektrolyt, aus einem Leitruß und aus einem Binder gefertigt. Dabei setzen sich die Bestandteile der Kathode wie folgt zusammen: Das Aktivmaterial macht einen Anteil von etwa 10 Volumenprozent bis 80 Volumenprozent aus. Etwa 10 Volumenprozent bis 70 Volumenprozent werden durch den Festelektrolyt gebildet. Der Leitruß stellt in etwa 1 Volumenprozent bis 30 Volumenprozent der Kathode dar. Schließlich ist ein Binder mit 0 Volumenprozent bis 30 Volumenprozent vorgesehen. Die so gefertigte Kathode weist eine Dicke von 20 µm bis 200 µm, vorteilhafterweise zwischen 40 µm und 100 µm, auf. The cathode of each unit of the battery cell is advantageously made of a cathode active material, a solid electrolyte, a Leitruß and a binder. The components of the cathode are composed as follows: The active material accounts for a share of about 10 percent by volume to 80 percent by volume. About 10 volume percent to 70 volume percent are going through formed the solid electrolyte. The conductive black represents about 1 volume percent to 30 volume percent of the cathode. Finally, a 0 percent to 30 volume percent binder is provided. The cathode produced in this way has a thickness of 20 μm to 200 μm, advantageously between 40 μm and 100 μm.

Die Anode jeder Einheit der Batteriezelle umfasst ein Anodenaktivmaterial, einen Festelektrolyten, einen Leitruß und einen Binder. Diese Bestandteile setzen sich zu der Anode wie folgt zusammen: Das Anodenaktivmaterial umfasst einen Anteil von 30 Volumenprozent bis 100 Volumenprozent. Der Festelektrolyt stellt einen Anteil zwischen 0 Volumenprozent und 70 Volumenprozent dar. Leitruß und Binder umfassen jeweils einen Anteil zwischen 0 Volumenprozent und 30 Volumenprozent. Insbesondere für Lithiummetalle und/oder deren Legierungen wird das reine Aktivmaterial ohne Festelektrolyt, Leitruß oder Binder verwendet. Die Dicke der so gefertigten Anode ist abhängig von äußeren Rahmenbedingungen der Batteriezelle. Bei Fertigung der Anode aus einem reinen Lithiummetall wird ein Überschuss von 50 % bis 200 % gewählt, ansonsten ein Überschuss zwischen 2 % und 70 %. Eine übliche Dicke ergibt sich somit zwischen 10 µm und 150 µm. The anode of each unit of the battery cell includes an anode active material, a solid electrolyte, a conductive black, and a binder. These ingredients combine to form the anode as follows: The anode active material comprises a proportion of from 30% to 100% by volume. The solid electrolyte represents a proportion of between 0 volume percent and 70 volume percent. Conductivity and binder each comprise a proportion of between 0 percent by volume and 30 percent by volume. In particular, for lithium metals and / or their alloys, the pure active material without solid electrolyte, Leitruß or binder is used. The thickness of the anode manufactured in this way depends on external conditions of the battery cell. When manufacturing the anode from a pure lithium metal, an excess of 50% to 200% is selected, otherwise an excess between 2% and 70%. A usual thickness thus results between 10 .mu.m and 150 .mu.m.

Der feste Elektrolytkörper weist vorteilhafterweise eine Dicke zwischen 0,1 µm und 80 µm auf. Besonders vorteilhaft beträgt die Dicke zwischen 0,1 µm und 40 µm. The solid electrolyte body advantageously has a thickness of between 0.1 μm and 80 μm. Particularly advantageously, the thickness is between 0.1 .mu.m and 40 .mu.m.

Es ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass sowohl die Anode und die Kathode als auch der Elektrolytkörper plattenförmig ausgebildet sind. Somit lassen sich die Komponenten einfach zu einer Einheit stapeln. Diese Einheiten lassen sich dann einfach wiederholt innerhalb der Batteriezelle anordnen. It is advantageously provided that both the anode and the cathode and the electrolyte body are plate-shaped. Thus, the components can be easily stacked into a unit. These units can then easily be arranged repeatedly within the battery cell.

Kathodenseitig ist vorteilhafterweise ein Ableiter aus Aluminium vorgesehen. Anodenseitig wird bevorzugt ein Ableiter aus Kupfer verwendet. Bei einem seriellen Aufbau der einzelnen Einheiten muss anstelle von Ableitern zwischen den einzelnen Einheiten zumindest eine elektronenleitende und gleichzeitig ionenblockende Schicht eingesetzt werden. Alternativ zu dem seriellen Aufbau können die Einheiten auch parallel angeordnet sein. Außerdem ist eine Mischung aus serieller Anordnung und paralleler Anordnung ermöglicht. On the cathode side, an arrester made of aluminum is advantageously provided. On the anode side, a copper arrester is preferably used. In the case of a serial construction of the individual units, at least one electron-conducting and simultaneously ion-blocking layer must be used instead of arresters between the individual units. As an alternative to the serial structure, the units can also be arranged in parallel. In addition, a mixture of serial arrangement and parallel arrangement is possible.

Eine Batteriezelle, wie zuvor beschrieben, kann auf diese Weise ein Volumen zwischen 0,01 Liter bis zu 500 Litern umfassen. Das Volumen ist je nach Anwendungsfall, insbesondere je nach gewünschter Kapazität, der Batteriezelle anpassbar. Durch den von dem Spannelement ausgeübten Druck von zumindest 10 MPa ist dabei stets sichergestellt, dass eine sichere und zuverlässige Funktionsweise bei langer Lebensdauer gewährleistet ist. A battery cell as described above may thus have a volume of between 0.01 liter to 500 liters. Depending on the application, in particular, depending on the desired capacity, the volume can be adapted to the battery cell. By the force exerted by the clamping element pressure of at least 10 MPa is always ensured that a safe and reliable operation is ensured with a long service life.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen: Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description and the figures. Show it:

1 eine schematische Abbildung einer Batteriezelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 1 a schematic illustration of a battery cell according to a first embodiment of the invention,

2 eine schematische Abbildung einer Batteriezelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und 2 a schematic illustration of a battery cell according to a second embodiment of the invention, and

3 eine schematische Abbildung einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 3 a schematic illustration of a battery according to an embodiment of the invention.

1 zeigt schematisch eine Batteriezelle 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batteriezelle 1 umfasst vier Einheiten 2 mit je einer Anode 3, einer Kathode 4 und einem Elektrolytkörper 5. Diese Einheiten 2 sind seriell angeordnet und stellen somit eine Wiederholeinheit innerhalb der Batteriezelle 1 dar. Innerhalb jeder Einheit 2 ist der feste Elektrolytkörper 5 zwischen der Anode 3 und der Kathode 4 angebracht. Somit ist keinerlei flüssiger Elektrolyt innerhalb der Batteriezelle 1 vorhanden. 1 schematically shows a battery cell 1 according to a first embodiment of the invention. The battery cell 1 includes four units 2 with one anode each 3 , a cathode 4 and an electrolyte body 5 , These units 2 are arranged serially and thus provide a repeat unit within the battery cell 1 within each unit 2 is the solid electrolyte body 5 between the anode 3 and the cathode 4 appropriate. Thus, there is no liquid electrolyte inside the battery cell 1 available.

Die Kathoden 4 sind aus einer Mischung von Kathodenaktivmaterial, Festelektrolyt, Leitruß und Binder zusammengesetzt. Die Gewichtung der Bestandteile ist dabei wie folgt:

– Kathodenaktivmaterial: 30 Volumenprozent bis 80 Volumenprozent
– Festelektrolyt: 10 Volumenprozent bis 70 Volumenprozent
– Leitruß: 1 Volumenprozent bis 30 Volumenprozent
– Binder: 0 Volumenprozent bis 30 Volumenprozent

The cathodes 4 are composed of a mixture of cathode active material, solid electrolyte, carbon black and binder. The weighting of the components is as follows:

- cathode active material: 30% by volume to 80% by volume
- Solid electrolyte: 10% by volume to 70% by volume
Conductive carbon black: 1% by volume to 30% by volume
Binder: 0% by volume to 30% by volume

Die Kathoden 4 sind insbesondere plattenförmig aufgebaut und weisen eine Dicke zwischen 20 µm und 200 µm, bevorzugt zwischen 40 µm und 100 µm, auf. Die Anoden 3 sind bevorzugt ebenfalls plattenförmig aufgebaut und weisen eine Dicke zwischen 10 µm und 150 µm auf. Die Anoden 3 sind aus einem Gemisch von Anodenaktivmaterial, Festelektrolyt, Leitruß und Binder gefertigt. Dabei ist die Gewichtung der einzelnen Bestandteile wie folgt:

– Anodenaktivmaterial: 30 Volumenprozent bis 100 Volumenprozent
– Festelektrolyt: 0 Volumenprozent bis 70 Volumenprozent
– Leitruß: 0 Volumenprozent bis 30 Volumenprozent
– Binder: 0 Volumenprozent bis 30 Volumenprozent

The cathodes 4 are in particular plate-shaped and have a thickness between 20 .mu.m and 200 .mu.m, preferably between 40 .mu.m and 100 .mu.m. The anodes 3 are preferably also plate-shaped and have a thickness between 10 .mu.m and 150 .mu.m. The anodes 3 are made of a mixture of anode active material, solid electrolyte, carbon black and binder. The weighting of the individual components is as follows:

Anode active material: 30% by volume to 100% by volume
Solid electrolyte: 0% by volume to 70% by volume
Conductive carbon black: 0% by volume to 30% by volume
Binder: 0% by volume to 30% by volume

Ist eine Anode 3 aus einem Anodenaktivmaterial umfassend Lithium und/oder Lithiumlegierungen gebildet, so wird das reine Anodenaktivmaterial verwendet. Die Dicke der plattenförmigen Anode 3 ist abhängig von äußeren Rahmenbedingungen der Batteriezelle 1, insbesondere vom sogenannten Balancing. Bei Verwendung eines reinen Lithiummetalls als Anodenaktivmaterial wird ein Überschuss von 50 % bis 200 % gewählt, ansonsten ein Überschuss zwischen 2 % und 70 %. Is an anode 3 formed from an anode active material comprising lithium and / or lithium alloys, the pure anode active material is used. The thickness of the plate-shaped anode 3 depends on external conditions of the battery cell 1 , especially from so-called balancing. When using a pure lithium metal as the anode active material, an excess of 50% to 200% is selected, otherwise an excess between 2% and 70%.

Der feste Elektrolytkörper 5 dient als Trennschicht zwischen Anode 3 und Kathode 4. Der feste Elektrolytkörper 5 kann ein keramischer Festelektrolyt oder alternativ ein polymerer Festelektrolyt sein. Ebenso ist eine Mischung aus keramischem und polymerem Festelektrolyt ermöglicht. Die zuvor beschriebenen festelektrolytischen Bestandteile von Anode 3 und Kathode 4 können aus demselben Material gefertigt sein wie der feste Elektrolytkörper 5. Alternativ können diese Materialien auch unterschiedlich sein. Der feste Elektrolytkörper 5 ist vorteilhafterweise ebenfalls plattenförmig aufgebaut und weist eine Dicke zwischen 0,1 µm und 80 µm auf, bevorzugt zwischen 0,1 µm und 40 µm. The solid electrolyte body 5 serves as a separating layer between the anode 3 and cathode 4 , The solid electrolyte body 5 may be a ceramic solid electrolyte or, alternatively, a polymeric solid electrolyte. Likewise, a mixture of ceramic and polymeric solid electrolyte is possible. The above-described solid electrolytic components of anode 3 and cathode 4 can be made of the same material as the solid electrolyte body 5 , Alternatively, these materials may be different. The solid electrolyte body 5 is advantageously also plate-shaped and has a thickness between 0.1 .mu.m and 80 .mu.m, preferably between 0.1 .mu.m and 40 .mu.m.

Die Anode 3 weist insbesondere einen nicht gezeigten Ableiter aus Kupfer auf. Die Kathode 4 weist bevorzugt einen nicht gezeigten Ableiter aus Aluminium auf. Bei dem in 1 gezeigten seriellen Aufbau der Einheiten 2 ist anstelle von Ableitern zwischen Anode 3 und benachbarter Kathode 4 eine nicht gezeigte Schicht vorhanden, die elektrodenleitend und gleichzeitig ionenblockend ausgebildet ist. The anode 3 In particular, has an arrester, not shown, made of copper. The cathode 4 preferably has a non-illustrated arrester made of aluminum. At the in 1 shown serial structure of the units 2 is instead of arresters between anode 3 and adjacent cathode 4 a layer, not shown, which is formed electrode-conducting and at the same time ion blocking.

Anstelle der in 1 gezeigten seriellen Anordnung der Einheiten 2 lässt sich alternativ auch ein paralleler Aufbau der Einheiten 2 realisieren. Besonders vorteilhaft sind parallele und serielle Anordnung kombiniert. Instead of in 1 shown serial arrangement of the units 2 Alternatively, it is also possible to set up the units in parallel 2 realize. Particularly advantageous parallel and serial arrangement are combined.

Die Batteriezelle 1 weist eine Größe zwischen 0,01 Liter und 500 Litern auf. Das Volumen der Batteriezelle 1 kann je nach Anwendungsfall, insbesondere je nach gewünschter Kapazität der Batteriezelle 1, unterschiedlich gewählt werden. The battery cell 1 has a size between 0.01 liters and 500 liters. The volume of the battery cell 1 can depending on the application, in particular depending on the desired capacity of the battery cell 1 , be chosen differently.

Die Einheiten 2 sind innerhalb eines Gehäuses 6 der Batteriezelle 1 angeordnet. Das Gehäuse 6 umfasst zwei gegenüberliegende Wände 8, wobei die Wände 8 insbesondere starre Wände sind. Zwischen jeder gegenüberliegenden starren Wand 8 und der benachbarten Einheit 2 ist ein Spannelement 7 vorhanden. Das Spannelement 7 ist ein elastisches Element, insbesondere ein Federelement, das in einem vorgespannten, insbesondere komprimierten, Zustand zusammen mit den Einheiten 2 in das Gehäuse 6 eingesetzt ist. Somit übt eine elastische Rückstellkraft des Spannelements 7 eine Druckkraft innerhalb des Gehäuses 6 zwischen den Wänden 8 aus. Diese Druckkraft führt zu einem Druck auf die einzelnen Einheiten 2, insbesondere auf die einzelnen Komponenten jeder Einheit 2. Ein solcher Druck beträgt zumindest 10 MPa, insbesondere zumindest 80 MPa. Es hat sich überraschend gezeigt, dass mit einem solchen Druck ein Kontaktverlust und/oder ein Verschieben der Einheiten 2 oder der einzelnen Komponenten der Einheiten 2, das bedeutet der Anode 3, der Kathode 4 sowie des Elektrolytkörpers 5, wirksam verhindert ist. Dies ist insofern von Bedeutung, da viele Aktivmaterialien von Anode 3 und Kathode 4 sehr großen Volumenänderungen von bis zu 300 % während einer Zyklisierung der Batteriezelle 1 unterworfen sind. Durch den fehlenden flüssigen Elektrolyten, der durch den festen Elektrolytkörper 5 ersetzt ist, kann ein solcher flüssiger Elektrolyt auch nicht als Puffer dienen. Durch die genannte Verpressung der Einheiten 2 sowie der einzelnen Komponenten der Einheiten 2, das bedeutet der Anode 3, der Kathode 4 und des festen Elektrolytkörpers 5, ist dennoch sichergestellt, dass trotz Volumenänderungen ein sicherer und zuverlässiger Kontakt der Einheiten 2 untereinander sowie der Komponenten der Einheiten 2 untereinander, das bedeutet von Anode 3, Kathode 4 und Elektrolytkörper 5 untereinander, bestehen bleibt, wodurch Beschädigungen der Batteriezelle 1 ausgeschlossen sind. Somit ist eine lange Lebensdauer vorhanden, während die Batteriezelle 1 gleichzeitig sicher und zuverlässig betreibbar ist. The units 2 are inside a housing 6 the battery cell 1 arranged. The housing 6 includes two opposite walls 8th , where the walls 8th especially rigid walls. Between every opposite rigid wall 8th and the adjacent unit 2 is a tensioning element 7 available. The tensioning element 7 is an elastic element, in particular a spring element, in a prestressed, in particular compressed, state together with the units 2 in the case 6 is used. Thus exerts an elastic restoring force of the clamping element 7 a compressive force within the housing 6 between the walls 8th out. This pressure force leads to a pressure on the individual units 2 , in particular to the individual components of each unit 2 , Such a pressure is at least 10 MPa, in particular at least 80 MPa. It has surprisingly been found that with such a pressure a loss of contact and / or a displacement of the units 2 or the individual components of the units 2 that means the anode 3 , the cathode 4 and the electrolyte body 5 , is effectively prevented. This is important because many active materials of anode 3 and cathode 4 very large volume changes of up to 300% during cyclization of the battery cell 1 are subject. Due to the lack of liquid electrolyte passing through the solid electrolyte body 5 is replaced, such a liquid electrolyte can not serve as a buffer. By the mentioned compression of the units 2 as well as the individual components of the units 2 that means the anode 3 , the cathode 4 and the solid electrolyte body 5 , it is nevertheless ensured that, despite volume changes, secure and reliable contact of the units 2 among themselves as well as the components of the units 2 with each other, that means from anode 3 , Cathode 4 and electrolyte body 5 with each other, persists, causing damage to the battery cell 1 excluded are. Thus, a long life is present while the battery cell 1 at the same time safe and reliable operable.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Batteriezelle 1. Dabei unterscheidet sich das zweite Ausführungsbeispiel von dem ersten Ausführungsbeispiel lediglich durch eine Pufferschicht 9. Die Pufferschicht 9 vereint die Spannelemente 7 sowie die festen Elektrolytkörper 5 aus dem ersten Ausführungsbeispiel in einem Bauteil. So ist die Pufferschicht 9 vorteilhafterweise als Polymerelektrolyt ausgebildet. Die Pufferschicht 9 ist somit einerseits ein fester Elektrolytkörper und kann somit dieselben Aufgaben übernehmen wie der Festelektrolytkörper 5 aus dem ersten Ausführungsbeispiel. Gleichzeitig ist die Pufferschicht 9 ein elastisch verformbares Element und lässt sich somit komprimiert, das bedeutet elastisch vorgespannt, in das Gehäuse 6 einsetzen. Die Pufferschicht 9 übt damit eine elastische Rückstellkraft auf die Anoden 3 und Kathoden 4 aus, wodurch sich wiederum die zuvor beschriebene Verpressung mit einem Druck von zumindest 10 MPa, insbesondere von zumindest 80 MPa, ergibt. Somit ist wiederum sichergestellt, dass sich die einzelnen Komponenten innerhalb der Batteriezelle 1 auch bei Volumenänderungen durch Zyklisierung der Batteriezelle 1 nicht voneinander lösen. Dadurch ist ein sicherer und zuverlässiger Betrieb der Batteriezelle 1 vorhanden, wobei gleichzeitig eine Lebensdauer der Batteriezelle verlängert ist. 2 shows a second embodiment of the battery cell 1 , In this case, the second embodiment differs from the first embodiment only by a buffer layer 9 , The buffer layer 9 combines the clamping elements 7 as well as the solid electrolyte body 5 from the first embodiment in a component. Such is the buffer layer 9 advantageously formed as a polymer electrolyte. The buffer layer 9 is thus on the one hand a solid electrolyte body and thus can take over the same tasks as the solid electrolyte body 5 from the first embodiment. At the same time, the buffer layer 9 an elastically deformable element and thus can be compressed, which means elastically biased in the housing 6 deploy. The buffer layer 9 thus exerts an elastic restoring force on the anodes 3 and cathodes 4 which in turn results in the previously described compression with a pressure of at least 10 MPa, in particular of at least 80 MPa. This in turn ensures that the individual components within the battery cell 1 even with volume changes due to cyclization of the battery cell 1 do not solve each other. This is a safe and reliable operation of the battery cell 1 present, at the same time a lifetime of the battery cell is extended.

Das zuvor beschriebene erste Ausführungsbeispiel der Batteriezelle 1 sowie das zweite Ausführungsbeispiel der Batteriezelle 2 kann insbesondere auch zu einem dritten Ausführungsbeispiel kombiniert werden. So ist insbesondere möglich, dass ein Teil der Einheiten 2 die beschriebene Pufferschicht 9 aufweist, während ein anderer Teil der Einheiten 2 lediglich den festen Elektrolytkörper 5 umfasst. Zusätzlich kann optional das Spannelement 7 oder eine Vielzahl von Spannelementen 7 vorhanden sein. The first embodiment of the battery cell described above 1 and the second embodiment of the battery cell 2 can be combined in particular to a third embodiment. So it is possible in particular that part of the units 2 the described buffer layer 9 while another part of the units 2 only the solid electrolyte body 5 includes. In addition, optionally, the clamping element 7 or a variety of clamping elements 7 to be available.

3 zeigt schließlich eine Batterie 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterie 10 umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel sechs Batteriezellen 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel oder dem zweiten Ausführungsbeispiel. Durch die Verwendung der Batteriezellen 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel oder dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Batterie 10 sehr sicher und zuverlässig zu betreiben und weist eine lange Lebenserwartung auf. 3 finally shows a battery 10 according to an embodiment of the invention. The battery 10 includes six battery cells in the embodiment shown 1 according to the first embodiment or the second embodiment. By using the battery cells 1 According to the first embodiment or the second embodiment, the battery 10 very safe and reliable operation and has a long life expectancy.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Batteriezelle battery cell
2 2: Einheit unit
3 3: Anode anode
4 4: Kathode cathode
5 5: Fester Elektrolytkörper Solid electrolyte body
6 6: Gehäuse casing
7 7: Spannelement clamping element
8 8th: Wand wall
9 9: Pufferschicht buffer layer
10 10: Batterie battery

Claims

Battery cell ( 1 ) comprising at least one unit ( 2 ) with - an anode ( 3 ), - a cathode ( 4 ), and - one between anode ( 3 ) and cathode ( 4 ) arranged solid electrolyte body ( 5 ), • a housing ( 6 ) with two opposite walls ( 8th ), and • at least one tensioning element ( 7 ) for applying a pressure between the walls ( 8th ) of the housing ( 6 ) and the unit ( 2 ), • where the pressure is at least 10 MPa.

Battery cell ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the pressure on the unit ( 2 ) is at least 80 MPa.

Battery cell ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of units ( 2 ) between the walls ( 8th ) of the housing ( 6 ) is arranged, wherein the clamping element ( 7 ) between two units ( 2 ) and / or between a unit ( 2 ) and a wall ( 8th ) is arranged.

Battery cell ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the clamping element ( 7 ) comprises an elastic element, which in a prestressed state, in particular in a compressed state, within the housing ( 6 ) is arranged.

Battery cell ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the clamping element ( 7 ) a current collector for tapping a voltage of the battery cell ( 1 ).

Battery cell ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the cathode ( 4 ) a first solid electrolyte and / or the anode ( 3 ) comprises a second solid electrolyte, wherein the first solid electrolyte, the second solid electrolyte and the electrolyte body ( 5 ) are optionally made of the same or different materials.

Battery cell ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one unit ( 2 ) a buffer layer ( 9 ), wherein the buffer layer ( 9 ) the tensioning element ( 7 ).

Battery cell ( 1 ) according to claim 7, characterized in that the buffer layer ( 9 ) comprises a polymer electrolyte, and wherein the buffer layer ( 9 ) the electrolyte body ( 5 ).

Battery cell ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolyte body ( 5 ) is made of a ceramic and / or a polymer.

Battery ( 10 ) comprising at least one battery cell ( 1 ) according to any one of the preceding claims.