DE102016215047A1 - Reference electrode for Li-ion cells - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flexleiter-Referenzelektrode für eine Lithiumionenzelle sowie eine Lithiumionenzelle, die diese umfasst. Die erfindungsgemäße Referenzelektrode umfasst einen Folienleiter, der mindestens eine elektrisch leitfähige Folie umfasst, die zwischen eine isolierende Substratfolie und eine isolierende Deckfolie eingebettet ist, wobei der Folienleiter mindestens eine Anschlussstelle aufweist, an der die leitfähige Folie freigelegt ist, um eine elektrische Anschlussmöglichkeit bereitzustellen, und zudem mindestens eine Aktivstelle aufweist, an der die leitfähige Folie freigelegt ist, und die freigelegte Stelle mit einem Aktivmaterial beschichtet ist.The present invention relates to a flexible conductor reference electrode for a lithium-ion cell and a lithium-ion cell comprising the same. The reference electrode according to the invention comprises a foil conductor which comprises at least one electrically conductive foil embedded between an insulating substrate foil and an insulating cover foil, the foil conductor having at least one connection point at which the conductive foil is exposed in order to provide an electrical connection possibility, and also has at least one active site at which the conductive film is exposed, and the exposed location is coated with an active material.
Description
Technisches Gebiet Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Referenzelektrode zum Einsatz in Lithiumionenzellen sowie eine Lithiumionenzelle, die diese umfasst. The present invention relates to a reference electrode for use in lithium-ion cells and a lithium-ion cell comprising the same.
Technischer Hintergrund Technical background
Galvanische Zellen wie Lithiumionenzellen umfassen zwei Arbeitselektroden mit unterschiedlichem Potential, wobei diejenige mit dem stärker negativen Potential beim Entladen als negative Elektrode (Anode) fungiert, die andere als positive Elektrode (Kathode). Die Zellspannung entspricht der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden. Galvanic cells, such as lithium-ion cells, comprise two working electrodes of different potential, the one with the more negative potential on discharge being the negative electrode (anode) and the other the positive electrode (cathode). The cell voltage corresponds to the potential difference between the electrodes.
Die Spannung der Batterie kann in Abhängigkeit von der Kinetik der beteiligten Reaktionen, der begrenzten Lithiumionenleitfähigkeit, und weiterer Faktoren mit steigendem Strom abnehmen. Das Ausmaß des Spannungsabfalls in Abhängigkeit vom Stromfluss kann dabei Rückschlüsse auf den Zustand der Batterie (State of Health, SOH) liefern, da sich, beispielsweise bei Schadstellen oder Degradation in den Elektroden, verringerter Leitfähigkeit des Elektrolyten oder Beschädigung des Separators und Ähnlichem, im Allgemeinen die Kinetik der Zellreaktionen ändern kann. The voltage of the battery may decrease with increasing current, depending on the kinetics of the reactions involved, the limited lithium ion conductivity, and other factors. The extent of the voltage drop as a function of the current flow can thereby draw conclusions about the state of the battery (SOH), since, for example, damage or degradation in the electrodes, reduced conductivity of the electrolyte or damage to the separator and the like, in general change the kinetics of cell reactions.
Wenn jedoch nur die Spannung zwischen der positiven und negativen Elektrode gemessen werden kann, so lässt sich nicht ermitteln, ob für einen Spannungsabfall die positive Elektrode, die negative Elektrode oder eine andere Komponente der Zelle maßgeblich ist. However, if only the voltage between the positive and negative electrodes can be measured, it is not possible to determine whether a voltage drop is due to the positive electrode, negative electrode or other component of the cell.
Um den Zustand der beiden Elektroden einzeln untersuchen zu können, kommt der Einsatz einer dritten Elektrode in Betracht, die als Referenzelektrode fungiert. So kann dann die Spannung nicht nur zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, sondern zusätzlich auch zwischen der ersten Elektrode und der Referenzelektrode und/oder zwischen der zweiten Elektrode und der Referenzelektrode gemessen werden. Die Spannungsmessung zwischen Referenzelektrode und Arbeitselektrode erfolgt dabei idealerweise stromlos. Dadurch wird es ermöglicht, den Zustand der ersten und der zweiten Elektrode unabhängig voneinander zu diagnostizieren. In order to be able to examine the condition of the two electrodes individually, it is possible to use a third electrode which functions as a reference electrode. Thus, the voltage can then be measured not only between the first and the second electrode, but in addition also between the first electrode and the reference electrode and / or between the second electrode and the reference electrode. The voltage measurement between the reference electrode and the working electrode is ideally currentless. This makes it possible to independently diagnose the state of the first and second electrodes.
Hierzu beschreibt
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
Aufgabenstellung task
Eine Schwierigkeit beim Einsatz von Referenzelektroden stellt die Integrierbarkeit in die Zelle dar. Beim Einsatz einer Referenzelektrode auf Basis eines mit Aktivmaterial beschichteten Drahtes besteht die Gefahr von Kurzschlüssen mit den Arbeitselektroden, so dass gegebenenfalls zusätzliche Separatoren vorzusehen sind. Die Dicke der Referenzelektrode sollte möglichst dünn sein, um mechanischen Druck auf die Arbeitselektroden und Inhomogenitäten zu vermeiden. Zudem können Referenzelektroden den Ionenfluss zwischen den Arbeitselektroden stören. Eine weitere Schwierigkeit, insbesondere beim Einsatz dünner Drähte, betrifft die Handhabbarkeit bei der Fertigung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obigen Probleme zu lösen. One difficulty with the use of reference electrodes is the integrability in the cell. When using a reference electrode based on a wire coated with active material, there is a risk of short circuits with the working electrodes, so that additional separators may have to be provided. The thickness of the reference electrode should be as thin as possible in order to avoid mechanical pressure on the working electrodes and inhomogeneities. In addition, reference electrodes can interfere with the ion flux between the working electrodes. Another difficulty, especially when using thin wires, concerns the handling in the production. The invention has for its object to solve the above problems.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird die Aufgabenstellung durch den Einsatz einer Flexleiter-Folie gelöst. Flexleiter sind Folienleiter, die einerseits eine im Vergleich zu einem Draht gleichen Querschnitts sehr geringe Schichtdicke aufweisen, und andererseits aufgrund ihrer Bahn- oder Streifenform gut handhabbar sind. Somit stellt die Erfindung eine Flexleiter-Referenzelektrode bereit, umfassend:
- – einen Folienleiter, der mindestens eine elektrisch leitfähige Folie umfasst, die zwischen eine isolierende Substratfolie und eine isolierende Deckfolie eingebettet ist, so dass die leitfähige Folie von der Umgebung isoliert ist;
- – wobei der Folienleiter mindestens eine Anschlussstelle aufweist, an der die elektrisch leitfähige Folie freigelegt ist, um eine elektrische Anschlussmöglichkeit bereitzustellen;
- – und der Folienleiter zudem mindestens eine Aktivstelle aufweist, an der die elektrisch leitfähige Folie freigelegt ist, und die freigelegte Stelle mit einem Aktivmaterial beschichtet ist.
- A film conductor comprising at least one electrically conductive film embedded between an insulating substrate film and an insulating cover film so that the conductive film is isolated from the environment;
- - wherein the foil conductor has at least one connection point at which the electrically conductive foil is exposed in order to provide an electrical connection possibility;
- - And the film conductor also has at least one active point at which the electrically conductive film is exposed, and the exposed position is coated with an active material.
Beschreibung der Zeichnungen Description of the drawings
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- (1)(1)
- Folienleiter foil conductor
- (1a)(1a)
- Substratfolie substrate film
- (1b)(1b)
- Deckfolie cover sheet
- (2)(2)
- Leitfähige Folie Conductive foil
- (3)(3)
- Anschlussstelle junction
- (4)(4)
- Aktivstelle active site
- (5)(5)
- Aktivmaterial active material
Folienleiter foil conductor
Erfindungsgemäß einsetzbare Folienleiter sind laminierte Mehrschichtfolien aus einer elektrisch leitfähigen Folie, insbesondere aus Metall, die zwischen isolierende, flexible Kunststofffolien eingebettet ist. Solche Folienleiter, im allgemeinen Sprachgebrauch auch als Flexleiter bezeichnet, sind im Stand der Technik grundsätzlich wohlbekannt und werden weit verbreitet für elektrische oder elektronische Geräte eingesetzt, in denen eine möglichst dünne, platzsparende, trotzdem gut handhabbare und mechanisch flexible Verdrahtung benötigt wird, beispielsweise für die Verbindung von Leiterplatten oder den Anschluss von Displays von Laptops und Mobiltelefonen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, auf Basis eines solchen Folienleiters eine Referenzelektrode für eine Lithiumionenzelle bereitzustellen. Film conductors which can be used according to the invention are laminated multilayer films made of an electrically conductive film, in particular of metal, which is embedded between insulating, flexible plastic films. Such film conductors, also commonly referred to as flex conductors, are generally well known in the art and are widely used for electrical or electronic equipment in which the thinnest possible, space-saving, yet easy to handle and mechanically flexible wiring is needed, for example for the Connecting printed circuit boards or connecting displays of laptops and mobile phones. The present invention is based on the idea of providing a reference electrode for a lithium-ion cell on the basis of such a foil conductor.
Üblicherweise liegt der erfindungsgemäß einsetzbare Folienleiter in Form eines Streifens oder eines Bandes vor, wobei ein oder mehrere Streifen aus elektrisch leitfähiger Folie zwischen Substrat- und Deckfolie eingebettet sind, so dass sie (abgesehen von Aktiv- und Anschlussstelle) von der Umgebung elektrisch isoliert sind. Für die Bereitstellung der Referenzelektrode genügt grundsätzlich ein einzelner eingebetteter Streifen der leitfähigen Folien, der an der Anschlussstelle bzw. Aktivstelle freigelegt ist. Beispielsweise kann sich die Anschlussstelle an einem Ende des Folienleiters (proximales Ende) befinden, und die Aktivstelle am anderen Ende (distales Ende). Usually, the film conductor which can be used according to the invention is in the form of a strip or a strip, wherein one or more strips of electrically conductive film are embedded between substrate and cover film, so that they are electrically isolated from the environment (apart from active and connection point). For the provision of the reference electrode is basically sufficient a single embedded strip of conductive films, which is exposed at the junction or active point. For example, the junction may be at one end of the foil conductor (proximal end) and the active site at the other end (distal end).
In gewissen Fällen, beispielsweise für die Bereitstellung mehrerer Mess-Stellen, können auch mehrere leitfähige Folienstreifen vorhanden sein, die gemeinsam zwischen Substrat- und Deckfolie eingebettet sind und jeweils wiederum an den Anschlussstellen und Aktivstellen freigelegt sind. In certain cases, for example for the provision of a plurality of measuring points, it is also possible for there to be a plurality of conductive foil strips which are jointly embedded between the substrate foil and cover foil and in turn exposed at the connection points and active sites.
Dabei muss nicht zwangsläufig jeder der eingebetteten leitfähigen Folienstreifen mit einer Aktivstelle versehen sein. Alternativ ist es auch möglich, dass der Folienleiter zusätzlich zu einem oder mehreren mit Aktivstelle versehenen leitfähigen Folienstreifen weitere leitfähige Folienstreifen für den Anschluss anderer Sensoren wie beispielsweise Temperatursensoren oder Drucksensoren bereitstellt, um zusätzlich zur Funktion als Referenzelektrode noch weitere Messdaten zum Zustand der Zelle liefern zu können. Not necessarily each of the embedded conductive foil strips must be provided with an active site. Alternatively, it is also possible for the film conductor to provide, in addition to one or more conductive film strips provided with active location, further conductive film strips for the connection of other sensors, such as temperature sensors or pressure sensors, in order to be able to supply additional measurement data on the state of the cell in addition to the function as a reference electrode ,
Bei der leitfähigen Folie handelt es sich vorzugsweise um eine Metallfolie, bevorzugt aus einem Metall mit hoher Duktilität und guter elektrischer Leitfähigkeit. Beispiele für geeignete Metalle sind Kupfer, Nickel, Aluminium, oder Legierungen von diesen. Insbesondere bevorzugt ist Kupfer oder eine Kupferlegierung. Bei der Auswahl des Materials ist auch das Potential des einzusetzenden Aktivmaterials zu berücksichtigen. So kommt Aluminium beispielsweise insbesondere für Aktivmaterialien mit einem Potential gegenüber Li/Li+ von 1 V oder mehr in Betracht, da bei niedrigeren Potentialen eine Legierungsbildung mit metallischem Lithium stattfinden kann. Bei Aktivmaterial mit Potentialen gegenüber Li/Li+ von weniger als 1 V ist Kupfer bevorzugt. Die Dicke der leitfähigen Folie beträgt im Allgemeinen 100 µm oder weniger, vorzugsweise 50 µm oder weniger, noch stärker bevorzugt 30 µm oder weniger. Beispielsweise sind Kupferfolien, die eingesetzt werden können, in Dicken von etwa 70 und 30 µm kommerziell erhältlich. Üblicherweise wird die leitfähige Folie als Streifen in einer Breite von 10 mm oder weniger, vorzugsweise 5 mm oder weniger, stärker bevorzugt 2 mm oder weniger eingesetzt, beispielsweise etwa 1 mm. The conductive foil is preferably a metal foil, preferably a metal with high ductility and good electrical conductivity. Examples of suitable metals are copper, nickel, aluminum, or alloys of these. Particularly preferred is copper or a copper alloy. When selecting the material, the potential of the active material to be used must also be considered. For example, aluminum is particularly suitable for active materials having a potential to Li / Li + of 1 V or more, since alloying with metallic lithium can take place at lower potentials. For active material with potentials to Li / Li + less than 1 V, copper is preferred. The thickness of the conductive film is generally 100 μm or less, preferably 50 μm or less, still more preferably 30 μm or less. For example, copper foils that can be used are commercially available in thicknesses of about 70 and 30 microns. Usually, the conductive film is used as a strip having a width of 10 mm or less, preferably 5 mm or less, more preferably 2 mm or less, for example, about 1 mm.
Die Substratfolie und die Deckfolie können aus einem beliebigen Kunststoffmaterial hergestellt sein, das unter den Einsatzbedingungen gegenüber dem Elektrolyten stabil ist. Beispiele sind Polyimid, Polyethylennaphtalat oder auch Polyolefine wie Polyethylen oder Polypropylen. Die Dicke der Substrat- und Deckfolie beträgt im Allgemeinen 100 µm oder weniger, vorzugsweise 50 µm oder weniger. Beispielsweise können Folien mit Dicken im Bereich von 30 bis 50 µm eingesetzt werden. The substrate film and the cover sheet may be made of any plastic material that is stable to the electrolyte under the conditions of use. Examples are polyimide, polyethylene naphthalate or polyolefins such as polyethylene or polypropylene. The thickness of the substrate and cover sheets is generally 100 μm or less, preferably 50 μm or less. For example, films with thicknesses in the range of 30 to 50 microns can be used.
Um eine zuverlässige und störungsfreie Integration in die Lithiumionenzelle zu erleichtern, ist der Folienleiter vorzugsweise möglichst dünn. Unter Berücksichtigung der oben genannten Dicken für die Substrat- und Deckfolie sowie für die leitfähige Folie ist die Gesamtdicke insgesamt typischerweise 300 µm oder weniger, vorzugsweise 200 µm oder weniger, stärker bevorzugt 150 µm oder weniger und noch stärker bevorzugt 100 µm oder weniger. To facilitate a reliable and trouble-free integration into the lithium-ion cell, the film conductor is preferably as thin as possible. Considering the above-mentioned thicknesses for the substrate and cover sheets as well as the conductive sheet, the total thickness is typically 300 μm or less, preferably 200 μm or less, more preferably 150 μm or less, and even more preferably 100 μm or less.
Was die geometrische Form betrifft, so kann der Folienleiter beispielsweise eine im Wesentlichen rechteckige Gestalt aufweisen. Allgemein ist die Gestalt jedoch beliebig und kann beispielsweise auch Biegungen oder Winkel aufweisen. Falls mehrere Streifen der leitfähigen Folie eingebettet sind, so können diese am distalen Ende auch verzweigt oder aufgefächert sein, um mehrere Mess-Stellen an verschiedenen Orten bereitzustellen. Die Gestalt des Folienleiters ist also nicht speziell beschränkt, und kann in der Praxis von der Umgebung des Einsatzes, dem Layout des Batteriemoduls und der Anordnung der Zellen und Steuergeräte abhängen. As far as the geometric shape is concerned, the foil conductor may, for example, have a substantially rectangular shape. Generally, however, the shape is arbitrary and may, for example, also have bends or angles. If multiple strips of the conductive foil are embedded, they may also be branched or fanned at the distal end to provide multiple measurement sites at different locations. Thus, the shape of the foil conductor is not particularly limited, and may in practice depend on the environment of the insert, the layout of the battery module, and the arrangement of the cells and controllers.
Eine spezielle Gestalt der Referenzelektrode gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist in den
Die Breite des Aktivstellenbereichs ist üblicherweise durch die Breite der leitfähigen Folie bestimmt und kann allgemein 5 mm oder weniger betragen, vorzugsweise 2 mm oder weniger, beispielsweise etwa 1 mm, wie in
Anschlussstelle und Aktivstelle Connection point and active point
An der Anschlussstelle kann der Streifen der leitfähigen Folie dadurch freigelegt sein, dass ein Teil der Substratfolie oder der Deckfolie entfernt ist, so dass ein elektrischer Kontakt zur Oberfläche der leitfähigen Folie möglich ist. At the connection point, the strip of the conductive film may be exposed by removing part of the substrate film or the cover film, so that electrical contact with the surface of the conductive film is possible.
Die Kontaktierung der leitfähigen Folie mit der Messeinrichtung kann an der Anschlussstelle beispielsweise über eine grundsätzlich bekannte Klemmbefestigung erfolgen. Solche Anschlussklemmen bieten sich insbesondere dann an, wenn der Folienleiter mehrere leitfähige Folienstreifen aufweist und als Mehrfach-Referenzelektrode und/oder in Kombination mit weiteren Sensoren eingesetzt wird, und direkt mit der Platine eines Steuergeräts verbunden werden soll. The contacting of the conductive foil with the measuring device can take place at the connection point, for example, via a basically known clamp fastening. Such terminals are particularly suitable when the film conductor has a plurality of conductive film strips and is used as a multiple reference electrode and / or in combination with other sensors, and is to be connected directly to the board of a control unit.
Alternativ kann die Anschlussstelle als Lötstelle ausgestaltet sein, die beispielsweise mit einem Draht verlötet wird. Hierzu ist der Streifen der leitfähigen Folie vorzugsweise zu einem Pad verbreitert. Das Pad kann zusätzlich mit einem Lötmetall, beispielsweise Zinn oder einer Zinnlegierung, beschichtet sein. Alternatively, the connection point can be designed as a solder joint, which is soldered, for example, with a wire. For this purpose, the strip of the conductive film is preferably widened to a pad. The pad may additionally be coated with a solder, for example tin or a tin alloy.
An der Aktivstelle ist ein Abschnitt der leitfähigen Folie freigelegt und mit Aktivmaterial beschichtet. Hier finden beim Betrieb der Referenzelektrode die elektrochemisch relevanten Reaktionen statt. At the active site, a portion of the conductive foil is exposed and coated with active material. Here, the electrochemically relevant reactions take place during the operation of the reference electrode.
Die Freilegung der leitfähigen Folie kann dabei über die Querschnittsfläche erfolgen, beispielsweise an der Kante des distalen Endes. Hierbei kann in einer bevorzugten Ausführungsform zusätzlich ein Überstand der Substratfolie und der Deckfolie vorgesehen sein, um elektrische Kurzschlüsse zwischen Aktivstelle und den Arbeitselektroden der Zelle oder anderen Komponenten zu vermeiden und die Aktivstelle vor mechanischen Beschädigungen zu schützen. Eine solche Ausgestaltung ist in den
Alternativ zur Freilegung der Querschnittsfläche kann auch ein Teil der Oberfläche der leitfähigen Folie durch Abtragung eines Teils der Substrat- und/oder Deckfolie ein- oder beidseitig freigelegt sein, um die Aktivstelle bereitzustellen. Diese Bauweise hat den Vorteil, dass ein im Vergleich zur Querschnittsfläche größerer Flächenabschnitt als Aktivstelle zur Verfügung steht. Allerdings ist bei Freilegung der Oberfläche allenfalls die der freigelegten Stelle abgewandte Seite elektrisch isoliert, so dass diese Bauweise insbesondere für Einsatz-Umgebungen in Betracht kommt, in denen die Aktivstelle nicht isoliert werden muss (etwa weil andere Zell-Komponenten wie z.B. der Separator die Isolierung bereitstellen können oder keine elektrisch leitfähigen Bauelemente in der Nähe sind). Falls erforderlich, kann auch eine zusätzliche Separatorfolie zur Isolierung vorgesehen werden, oder die Aktivstelle kann mit einem porösen Material beschichtet sein. As an alternative to exposing the cross-sectional area, a portion of the surface of the conductive foil may also be uncovered on one or both sides by removing a portion of the substrate and / or cover foil in order to provide the active site. This design has the advantage that a larger area compared to the cross-sectional area as an active site is available. However, when exposing the surface at most the side facing away from the exposed site is electrically isolated, so that this design is particularly suitable for use environments in which the active site does not need to be isolated (for example, because other cell components such as the separator isolation can provide or there are no electrically conductive components in the vicinity). If necessary, an additional separator film may also be provided for isolation, or the active site may be coated with a porous material.
Das Aktivmaterial ist nicht speziell beschränkt, und es kann ein beliebiges Material eingesetzt werden, das unter Reduktion bzw. Oxidation Lithiumionen aufnehmen oder abgeben kann. In Betracht kommen beispielsweise metallisches Lithium oder Materialien, die Lithiumionen interkalieren und deinterkalieren können, wie sie typischerweise auch in den Arbeitselektroden eingesetzt werden. The active material is not particularly limited, and any material that can absorb or release lithium ions under reduction or oxidation can be used. For example, metallic lithium or materials that can intercalate and deintercalate lithium ions, as typically used in the working electrodes, are contemplated.
Zwar erfolgt die Spannungsmessung idealerweise stromlos, doch können geringe Leckströme, die den Ladungszustand des Aktivmaterials ändern, nicht immer ausgeschlossen werden. Daher weist das Aktivmaterial vorzugsweise ein Spannungsplateau auf, d.h. das Redoxpotential ist über einen weiten Bereich näherungsweise unabhängig vom Ladungszustand. Im Hinblick darauf sind metallisches Lithium, Lithiumtitanat und Lithiumeisenphosphat besonders bevorzugt. Although the voltage measurement ideally takes place without current, small leakage currents which change the charge state of the active material can not always be excluded. Therefore, the active material preferably has a voltage plateau, i. the redox potential is approximately independent of the charge state over a wide range. In view of this, metallic lithium, lithium titanate and lithium iron phosphate are particularly preferred.
Beim Einsatz von metallischem Lithium besteht der Vorteil, dass das Aktivmaterial nicht im Voraus auf der Aktivstelle bereitgestellt werden muss, sondern nach Einbau in die Zelle in situ abgeschieden werden kann. Dazu wird die Referenzelektrode mit noch unbeschichteter Aktivstelle in die Zelle eingebracht. Anschließend wird ein Stromfluss zwischen Referenzelektrode und einer der Arbeitselektroden (wahlweise die positive oder die negative Elektrode) bewirkt, wobei die Referenzelektrode als Minuspol geschaltet ist, um metallisches Lithium auf der Aktivstelle abzuscheiden. The advantage of using metallic lithium is that the active material need not be provided in advance on the active site but can be deposited in situ after incorporation into the cell. For this purpose, the reference electrode is introduced into the cell with an uncoated active site. Subsequently, a current flow between the reference electrode and one of the working electrodes (optionally the positive or the negative electrode) is effected, wherein the reference electrode is connected as a negative pole to deposit metallic lithium on the active site.
Integration in Batteriemodule Integration in battery modules
Die erfindungsgemäße Referenzelektrode ist in Kombination mit beliebigen Typen von Lithiumionenzellen einsetzbar, insbesondere in Zellen mit Flüssigelektrolyt vom Wickel- oder Stapel-Typ. Aufgrund ihrer geringen Dicke kann die Referenzelektrode ins Innere des Wickels oder Stapels zwischen die Arbeitselektroden integriert werden. Alternativ dazu kommt auch eine Integration in das Zellgehäuse außerhalb des Wickels bzw. Stapels in Betracht. Integration in das Zentrum des Wickels entlang der Wickelachse ist ebenfalls möglich. The reference electrode according to the invention can be used in combination with any type of lithium ion cells, in particular in cells with liquid electrolyte of the winding or stack type. Due to its small thickness, the reference electrode can be integrated into the interior of the coil or stack between the working electrodes. Alternatively, integration into the cell housing outside of the roll or stack is also possible. Integration into the center of the roll along the winding axis is also possible.
Die Referenzelektrode kann als Mehrfach-Referenzelektrode konfiguriert sein. Hierzu beinhaltet der Folienleiter der Referenzelektrode mehrere mit Aktivstelle versehene leitfähige Folienstreifen, die aufgefächert sein können und an verschiedenen Orten im Zellinneren platziert werden können, um mehrere Messpunkte bereitzustellen. The reference electrode may be configured as a multiple reference electrode. For this purpose, the foil conductor of the reference electrode includes a plurality of active film strips provided with active site, which may be fanned out and placed at different locations in the cell interior to provide multiple measurement points.
Weiterhin kann, wie oben beschrieben, der Folienleiter zusätzlich zu einem oder mehreren mit Aktivstelle versehenen leitfähigen Folienstreifen noch weitere leitfähige Folienstreifen für den Anschluss anderer Sensoren bereitstellen, die dann mit weiteren Sensorelementen wie beispielsweise Druck- oder Temperatursensoren versehen werden können, um zusätzliche Daten über den Betriebszustand der Zelle zu liefern. In diesem Fall ist der Folienleiter vorzugsweise so aufgefächert oder konfektioniert, dass die anderen Sensorelemente an einem geeigneten Ort im Inneren des Zellgehäuses aber außerhalb des Wickels oder Stapels angebracht werden können, um mechanische Belastung der Arbeitselektroden zu vermeiden. Furthermore, as described above, in addition to one or more conductive film strips provided with active location, the film conductor can also provide further conductive film strips for the connection of other sensors, which can then be provided with further sensor elements, such as pressure or temperature sensors, for additional data on the film To deliver the operating state of the cell. In this case, the foil conductor is preferably fanned out or assembled so that the other sensor elements can be mounted at a suitable location inside the cell housing but outside the coil or stack in order to avoid mechanical loading of the working electrodes.
Der Folienleiter der Referenzelektrode kann aus der Zelle nach außen geführt sein, beispielsweise durch den Deckel oder durch eine Siegelnaht, und direkt mit der Messeinrichtung verbunden sein, beispielsweise über eine Klemmbefestigung auf der Leiterplatte eines entsprechenden Steuergeräts. Eine solche Bauweise ist insbesondere bevorzugt, wenn der Folienleiter mit mehreren Aktivstellen und Sensoren versehen ist. The foil conductor of the reference electrode may be led out of the cell to the outside, for example by the lid or by a sealed seam, and be connected directly to the measuring device, for example via a clamp on the circuit board of a corresponding control device. Such a construction is particularly preferred when the film conductor is provided with a plurality of active sites and sensors.
Alternativ dazu kann der Folienleiter vollständig im Gehäuseinneren angebracht und an der Anschlussstelle mit einem durch den Deckel hindurchgehenden Anschlusselement verbunden sein. Eine solche Bauweise bietet sich insbesondere für Einfach-Referenzelektroden mit nur einer Aktivstelle an. Alternatively, the film conductor can be completely mounted inside the housing and connected at the connection point with a connection element passing through the cover. Such a construction is particularly suitable for single reference electrodes with only one active point.
Beispiel example
Die vorliegende Erfindung wird nun am Beispiel einer Einfach-Referenzelektrode beschrieben, die ein Löt-Pad als Anschlussstelle und eine an der Querschnittsfläche angebrachte, nach hinten versetzte Aktivstelle aufweist, wie in den
Eine relativ zur Kante nach hinten versetzte freigelegte Querschnittsfläche wird erhalten, indem der Folienleiter am distalen Ende abgeschnitten wird, um die Querschnittsfläche der leitfähigen Folie auf Höhe der Kante freizulegen, und dann anschließend ein Teil der leitfähigen Folie durch Ätzen abgetragen wird. Diese Vorgehensweise ist in
Durch den Versatz zwischen Kante und Aktivstelle wird die Aktivstelle durch die überstehende Substrat- und Deckfolie vor Kurzschlüssen, aber auch vor mechanischen Beschädigungen geschützt. Um einerseits das Risiko von Kurzschlüssen zu minimieren und andererseits einen möglichst guten Kontakt der Aktivstelle mit dem Elektrolyten zu erreichen, ist der Versatz der mit Aktivmaterial beladenen Aktivstelle nach hinten üblicherweise 0,1 bis 1 mm, vorzugsweise 0,2 mm bis 0,5 mm. Due to the offset between the edge and the active site, the active site is protected from short-circuits, but also from mechanical damage, by the protruding substrate and cover foil. On the one hand to minimize the risk of short circuits and on the other hand the best possible Contact the active site with the electrolyte to achieve the offset of the active material loaded active site backwards is usually 0.1 to 1 mm, preferably 0.2 mm to 0.5 mm.
Ein Herstellungsverfahren ist in
Die Referenzelektrode kann einfach in bestehende Lithiumionenzellen, insbesondere in konventionelle Zellen mit Flüssigelektrolyt, integriert werden. Hierzu wird die Referenzelektrode zwischen die Arbeitselektroden eingebracht, was relativ zur Separatorfolie auf der Anodenseite oder der Kathodenseite erfolgen kann. Die erfindungsgemäße Referenzelektrode eignet sich sowohl zum Einsatz in Zellen vom Wickel-Typ als auch in Zellen vom Stapel-Typ.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 2009/036444 [0006] WO 2009/036444 [0006]
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