DE102016215667A1 - Separator-Stromableiter-Einheit für galvanische Zellen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Separator-Stromableiter-Einheit für eine galvanische Zelle, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Zelle. Die Separator-Stromableiter-Einheit weist einen Separator sowie eine Anzahl N ≧ 1 elektrisch leitender Stromableiter auf, die jeweils auf der Oberfläche des Separators angeordnet und mit dieser zu einer Einheit verbunden sind und dabei mit der Oberfläche des Separators eine jeweilige Grenzfläche ausbilden. Dabei weist jeder der Stromableiter ein poröses Material zur Aufnahme eines Elektrolyten auf, so dass die Separator-Stromableiter-Einheit durch die wenigstens eine Grenzfläche hindurch ionenleitend wirkt, wenn das poröse Material den Elektrolyten aufgenommen hat. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine galvanische Zelle mit einer solchen Separator-Stromableiter-Einheit und eine aus mehreren solcher Zellen aufgebaute Batterie. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erreichbare Energiedichte von galvanischen Zellen und Batterien, sowie deren Fertigbarkeit insbesondere im Hinblick auf deren Komplexität und/oder Fertigungszeiten zu verbessern.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Separator-Stromableiter-Einheit für galvanische Zellen, insbesondere für Lithium-Ionen-Zellen, eine galvanische Zelle mit einer solchen Separator-Stromableiter-Einheit, und eine Batterie mit einer Mehrzahl solcher Zellen.
  • Lithium-basierte galvanische Zellen und vor allem daraus aufgebaute Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren, werden in einer Vielzahl von elektrischen Geräten als elektrische Energiespeicher und -lieferanten verwendet. Zu den bekanntesten Anwendungen gehören dabei Lithium-Ionen-Akkumulatoren für Elektro- oder Hybrid-Fahrzeuge und für sogenannte Consumer-Produkte. Zu Letzteren gehören insbesondere mobile Endgeräte, wie etwa Notebook-Computer, Tablet-Computer, Mobiltelefone oder Kameras. Eine herkömmliche lithium-basierte Batterie, insbesondere für Elektro- oder Hybrid-Fahrzeuge, weist eine Mehrzahl von übereinandergestapelten einzelnen galvanischen Zellen auf, die jeweils eine negative und eine positive Elektrodenschicht aufweisen, die durch eine Separatorschicht voneinander räumlich und elektrisch getrennt sind. Die Zellen sind in der Regel parallel oder seriell miteinander verschaltet, um die für die Batterie erforderliche Gesamtspannung bzw. Stromlieferfähigkeit zu erreichen. Dabei kann der Zellstapel insbesondere entlang einer einzigen Stapelrichtung ausgerichtet sein, oder in Form eines sogenannten Elektrodenwickels aufgewickelt sein. Dementsprechend sind prismatische oder zylindrische Batteriegehäuseformen häufig vorzufinden, die den Zellstapel umschließen und auch mit mechanischer Festigkeit versehen.
  • Die einzelnen Elektroden des Zellstapels bestehen dabei üblicherweise aus einem dünnen schichtartigen und mechanisch belastbaren Trägersubstrat, das insbesondere zugleich elektrisch leitend sein kann und somit als Kollektorsubstrat und/oder Stromableiter der Elektrode dienen kann, sowie einem meist pastösen Aktivmaterial, das auf das Trägersubstrat einseitig oder beidseitig schichtartig aufgebracht ist. Inzwischen sind jedoch auch sogenannte "freistehende Elektroden" bzw. "FSE" bekannt, wobei es sich um Elektroden handelt, bei denen das Trägersubstrat entfällt, da das Aktivmaterial selbst die notwendige mechanische Festigkeit aufweist, um den bei der Herstellung und im Betrieb der galvanischen Zellen im Rahmen ihrer Auslegung bzw. Spezifikationen typischerweise auftretenden mechanischen Belastungen erfolgreich widerstehen zu können. Produkte und Technologien, die derartige freistehende Elektroden verwenden, werden derzeit beispielsweise von den Firmen „24M" und "Maxwell Technologies" entwickelt und teilweise angeboten. Freistehenden Elektroden für lithium-basierte galvanische Zellen und Verfahren zu ihrer Herstellung sind insbesondere in US 2015303481 A1 beschrieben.
  • Bei den heute bekannten lithium-basierten galvanischen Zellen und Batterien werden die zur Zuführung bzw. Abführung des elektrischen Stroms erforderlichen Stromableiter, die jeweils mit der bzw. den Elektroden einer bestimmten Polarität elektrisch leitend verbunden sind, separat hergestellt und müssen bei der Fertigung der Zelle bzw. Batterie mittels geeigneter Prozessschritte mit den jeweiligen Elektroden verbunden werden, bevor diese dann zusammen mit einem Separator zu einer Zelle kombiniert werden. Dies gilt auch im Falle von freistehenden Elektroden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erreichbare Energiedichte von galvanischen Zellen und Batterien, sowie deren Fertigbarkeit insbesondere im Hinblick auf eine Reduktion von deren Komplexität und/oder Fertigungszeiten zu verbessern.
  • Eine Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht durch eine Separator-Stromableiter-Einheit gemäß Anspruch 1, eine galvanische Zelle gemäß Anspruch 9 mit einer solchen Separator-Stromableiter-Einheit, und eine Batterie gemäß Anspruch 12 mit einer Mehrzahl solcher Zellen. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Separator-Stromableiter-Einheit für eine galvanische Zelle, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Zelle. Die Separator-Stromableiter-Einheit weist einen Separator sowie eine Anzahl N ≧ 1 elektrisch leitender Stromableiter auf, die jeweils auf der Oberfläche des Separators angeordnet und mit diesem zu einer Einheit verbunden sind, und dabei mit der Oberfläche des Separators eine jeweilige Grenzfläche ausbilden. Jeder der Stromableiter weist ein poröses Material zur Aufnahme eines Elektrolyten auf, so dass die Separator-Stromableiter-Einheit durch jede der Grenzflächen hindurch ionenleitend wirkt, wenn das poröse Material den Elektrolyten aufgenommen hat.
  • Unter einer "Separator-Stromableiter-Einheit" im Sinne der Erfindung ist ein als eine separate Einheit ausgebildetes Bauteil für eine galvanische Zelle und/oder eine Batterie aus mehreren galvanischen Zellen zu verstehen, das sowohl einen Separator als auch wenigstens einen damit verbundenen Stromableiter aufweist.
  • Unter einem "Separator" im Sinne der Erfindung ist dabei eine Komponente einer galvanischen Zelle zu verstehen, die eingerichtet ist, die negative und die positive Elektrode in der galvanischen Zelle räumlich und elektrisch zu trennen. Der Separator muss jedoch für die Ionen durchlässig sein, welche an der Umwandlung der in der Zelle gespeicherten chemischen in elektrische Energie beteiligt sind und dabei zwischen der negativen und der positiven Elektrode bzw. umgekehrt durch den Separator hindurch wandern müssen. Als Materialien kommen vorwiegend flüssigkeitsgetränkte mikroporöse Kunststoffe sowie Vliese aus Glasfaser oder Polyethylen zum Einsatz. Insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen werden zum Teil auch Separatoren in Form fluessigkeitsgetränkter mikroporöser Membranen eingesetzt, um den Ionendurchgang zu ermöglichen. Bei solchen Membranen handelt es sich meist um polymere Folien, die auch aus mehreren Lagen bestehen können. Ebenso sind hitzebeständige, mikroporöse keramische Separatoren, vor allem in flüssigkeitsgetränkter oder trockener Form, bekannt. Insbesondere für den Einsatz in Traktionsbatterien für Elektroautos und Hybridfahrzeuge sind auch Materialien als Separatoren bekannt, die auf einem sehr feinen Vliesstoff basieren, welcher keramisch beschichtet ist.
  • Unter einem "Stromableiter" im Sinne der Erfindung ist eine elektrisch leitende Struktur einer galvanischen Zelle oder Batterie zu verstehen, die mit einer oder einer Mehrzahl gleichartiger Elektroden elektrisch leitend verbunden ist, um beim Betrieb der Zelle von diesen Elektroden elektrischen Strom abzuführen oder ihn diesen zuzuführen.
  • Vorteilhaft sind bei dieser Lösung der Separator und ein oder mehrere Stromableiter zusammen als ein Bauteil bzw. eine Einheit ausgeführt, und müssen bei der Herstellung einer galvanischen Zelle nicht getrennt verarbeitet werden. Dies kann insbesondere genutzt werden, um die Komplexität des entsprechenden Fertigungsprozesses, insbesondere die Anzahl der entsprechenden Prozessschritte zu reduzieren. Des Weiteren kann jeder der Stromableiter, da er auf einer Oberfläche des Separators aufgebracht ist, dessen mechanische Festigkeit nutzen und somit dünner und mit weniger Material und somit weniger Masse ausgeführt werden, als dies bei einem freistehenden Stromableiter der Fall wäre. Auf diese Weise lässt sich somit auch die insbesondere gravimetrische Energiedichte von galvanischen Zellen erhöhen. Schließlich lässt sich auch andersherum die mechanische Festigkeit und Stabilität des meist als dünne Schicht bzw. Membran ausgeführten Separators durch dessen Verbindung mit dem Stromableiter bzw. den Stromableitern erhöhen, was wiederum eine Verkürzung der Taktzeit bei der Fertigung ermöglicht.
  • Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Separator-Stromableiter-Einheit und deren Weiterbildungen beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird, beliebig miteinander sowie mit den im Weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
  • Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform sind der Separator und jeder der Stromableiter jeweils schichtförmig ausgebildet und bilden zusammen einen Schichtstapel. Auf diese Weise ist eine besonders raumsparende Anordnung des Separators und des bzw. der Stromableiter gegeben, die insbesondere gut mit herkömmlichen Bauformen von galvanischen Zellen kombinierbar ist, da herkömmliche Separatoren oftmals ebenfalls als Schichtstapel ausgebildet sind. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung dazu ist die Separator-Stromableiter-Einheit als eine den Schichtstapel enthaltende Folie ausgebildet. Dies hat insbesondere auch den Vorteil, dass die Separator-Stromableiter-Einheit flexibel sein kann, was insbesondere zur Fertigung von galvanischen Zellen genutzt werden kann, bei denen eine Flexibilität, insbesondere eine Faltbarkeit des Separators erforderlich ist (zum Beispiel bei einem Zellaufbau mittels "Z-Faltung").
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens einer der Stromableiter auf den Separator in Form einer physikalisch oder chemisch abgeschiedenen Beschichtung aufgebracht. Die Beschichtung kann gemäß bevorzugter Weiterbildungen insbesondere mittels einer oder mehrerer der folgenden Beschichtungstechniken aufgebracht sein: Aufdampfen, galvanische Beschichtung, physikalische oder chemischer Dampfabscheidung ("Physical Vapor Deposition", PVD; "Chemical Vapor Deposition", CVD), flüssige stromfreie Beschichtung oder Sputtern. Auf diese Weise können vorteilhaft besonders dünne Stromableiterschichten auf dem Separator erzeugt werden, was insbesondere zur Steigerung der Energiedichte (insbesondere der gravimetrischen Energiedichte) von galvanischen Zellen genutzt werden kann.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gilt N ≧ 2, die Separator-Stromableiter-Einheit weist einen ersten und einen zweiten separaten Stromableiter auf, und der erste und der zweite Stromableiter sind so auf dem Separator angeordnet, dass der Separator zumindest teilweise zwischen dem ersten und dem zweiten Stromableiter liegt. Auf diese Weise ist es möglich, auf dem Separator jeweils sowohl für eine positive Elektrode als auch für eine negative Elektrode einer galvanischen Zelle jeweils einen oder mehrere Stromableiter vorzusehen. Dies ermöglicht einen besonders platzsparenden und somit im Sinne einer Steigerung der Energiedichte vorteilhaften Aufbau von entsprechenden galvanischen Zellen, da dann für keine der beiden Elektrodenarten ein separater Stromableiter vorgesehen werden muss (was wiederum entsprechende zusätzliche Fertigungsschritte mit sich bringen würde). Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung enthält der erste Stromableiter Kupfer oder Nickel. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der erste Stromableiter für eine negative Elektrode, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, vorgesehen ist. Gemäß einer Weiteren, damit bevorzugt auch kombinierbaren, Weiterbildung enthält der zweite Stromableiter Aluminium oder Nickel. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der zweite Stromableiter für eine positive Elektrode, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, vorgesehen ist.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine galvanische Zelle, die insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle sein kann. Die Zelle weist eine erste, elektrisch negative Elektrode, eine zweite, elektrisch positive Elektrode, und eine zwischen den beiden Elektroden angeordnete und mit diesen jeweils in Berührungskontakt stehende und mit einem Elektrolyten versehene Separator-Stromableiter-Einheit gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, insbesondere gemäß einer oder mehrerer seiner vorausgehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Weiterbildungen, auf.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Zelle gilt N ≧ 2, die Separator-Stromableiter-Einheit weist einen ersten und einen zweiten separaten Stromableiter auf, und der erste und der zweite Stromableiter sind so auf dem Separator angeordnet, dass der Separator zumindest teilweise zwischen dem ersten und dem zweiten Stromableiter liegt. Der erste Stromableiter enthält Kupfer oder Nickel und der zweite Stromableiter enthält Aluminium oder Nickel. Dabei steht der erste Stromableiter mit der ersten Elektrode und der zweite Stromableiter mit der zweiten Elektrode in Berührungskontakt. Auf diese Weise kann bei der Zelle auf zusätzliche Stromableiter verzichtet werden, da diese bereits in der Separator-Stromableiter-Einheit vorgesehen sind und mit der jeweiligen Elektrode elektrisch leitend in Kontakt stehen. Dementsprechend sind zur Herstellung einer solchen Zelle keine zusätzlichen Prozessschritte zum Einfügen und Verbinden von zusätzlichen Stromableitung erforderlich, was die Fertigungskomplexität für die Zelle entsprechend reduziert.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine der Elektroden, als freistehende Elektrode, FSE, ausgebildet. Bevorzugt gilt dies für alle Elektroden einer Elektrodenart (positiv bzw. negativ), besonders bevorzugt sogar für alle Elektroden der Zelle. Damit können die Komplexität der Fertigung der Zelle weiter reduziert sowie deren Energiedichte weiter erhöht werden, denn bei der Herstellung der Zelle kann sowohl auf zusätzliche Stromableiter als auch auf Trägersubstrate zur Herstellung der mechanischen Stabilität der Elektroden verzichtet werden. Stattdessen genügt es, je eine positive und negative freistehende Elektroden mit dem entsprechenden Stromableiter der Separator-Stromableiter-Einheit in Berührungskontakt zu bringen, etwa durch entsprechendes Aufeinanderstapeln, um eine galvanische Zelle herzustellen.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie. Sie weist einen Zellstapel auf, der eine Mehrzahl von aufeinandergestapelten galvanischen Zellen gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, insbesondere gemäß einer oder mehrerer seiner hierin beschriebenen Ausführungsformen und Weiterbildung, aufweist. Der Zellstapel kann insbesondere in Form eines klassischen Stapels mit mehreren entlang einer einzigen Stapelrichtung aufeinandergestapelten Einzelschichten oder in Form einer sogenannten "Z-Faltung“ vorliegen, bei der die Stapelung mittels einer Z-förmigen Faltung eines durchgängigen mehrschichtigen Substrats erfolgt, das die Elektroden und die Separator-Stromableiter-Einheit enthält. Auch eine Ausformung des Zellstapels als Elektrodenwickel, bei der das mehrschichtige Substrat in aufgewickelter Form vorliegt, ist grundsätzlich weiterhin möglich, jedenfalls, soweit das entsprechende Elektrodenmaterial sowie die Separator-Stromableiter Einheit die dafür erforderliche Flexibilität aufweisen. Die Erfindung kann besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit typischerweise zeitintensiven Stapel- oder Z-Faltungs-Prozessen zur Fertigung der Batterie eingesetzt werden, da insbesondere beim Übergang von Wickelprozessen zu einem dieser Prozesse aufgrund der erfindungsgemäß ermöglichten reduzierten Anzahl von Batteriekomponenten die Komplexität der Fertigungsprozesse reduziert und damit eine signifikante Effizienzerhöhung, insbesondere auch eine Reduktion der Prozesszeiten, bei der Fertigung der Batterie erreicht werden kann.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Batterie sind die Separator-Stromableiter-Einheiten der galvanischen Zellen des Zellstapels jeweils so ausgebildet, dass N ≧ 2 gilt und die jeweilige Separator-Stromableiter-Einheit einen ersten und einen zweiten separaten Stromableiter aufweist. Dabei sind der erste und der zweite Stromableiter jeweils so auf dem entsprechenden Separator angeordnet, dass der Separator zumindest teilweise zwischen dem ersten und dem zweiten Stromableiter liegt. Der erste Stromableiter enthält Kupfer oder Nickel der zweite Stromableiter enthalt Aluminium oder Nickel. Dabei steht der erste Stromableiter mit der ersten Elektrode und der zweite Stromableiter mit der zweiten Elektrode in Berührungskontakt. Innerhalb des Zellstapels weisen die entlang seiner Stapelrichtung aufeinander folgenden Separator-Stromableiter-Einheiten eine alternierende Ausrichtung auf, so dass bei unmittelbar aufeinanderfolgenden Separator-Stromableiter-Einheiten die jeweilige Reihenfolge der Anordnung der Stromableiter und Separatoren entlang der Stapelrichtung invertiert ist. Auf diese Weise wird eine Batterie mit verringerter Komplexität und optimierter Energiedichte zur Verfügung gestellt, bei der die einzelnen Zellen entlang einer Stapelrichtung aufeinandergestapelt sind. Dabei ist in jeder der Zellen zwischen den zugehörigen Elektroden eine Separator-Stromableiter-Einheit vorgesehen. Aufgrund der alternierenden Ausrichtung der aufeinanderfolgenden Separator-Stromableiter-Einheiten kann so auf einfache Weise insgesamt eine Serienschaltung der einzelnen Zellen der Batterie realisiert werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine der Elektroden der Batterie als integrale Elektrode ausgebildet, die zugleich als eine gleichartige Elektrode von zwei benachbarten der galvanischen Zellen im Zellstapel fungiert. Auf diese Weise ist die Anzahl der Komponenten der Batterie nochmals reduziert. Auch kann die Dicke und/oder Masse der integralen Elektrode geringer gewählt werden, als die Summe der Dicken bzw. Massen im Falle separater gleichartiger Elektroden der benachbarten Zellen, ohne deren mechanische Stabilität zu beeinträchtigen. So lässt sich eine weitere Steigerung der Energiedichte der Batterie erreichen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Batterie, sind die galvanischen Zellen mittels einer Z-Faltung zu dem Zellstapel gestapelt. Wie schon vorausgehend erwähnt, ermöglicht dies eine besonders hohe Energiedichte der Batterie und eine Fertigung des Zellstapels aus einem einzigen mehrschichtigen Substrat.
  • Die vorausgehend jeweils für die Separator-Stromableiter-Einheit beschriebenen Ausführungsformen, Weiterbildungen und Vorteile treffen entsprechend gleichermaßen auf die galvanische Zelle gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und die Batterie gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung zu.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
  • Dabei zeigt:
  • 1 schematisch eine Separator-Stromableiter-Einheit mit einem einzigen Stromableiter, gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 schematisch eine Separator-Stromableiter-Einheit gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der auf zwei gegenüber gegenüberliegenden Seiten eines Separators jeweils ein Stromableiter vorgesehen ist;
  • 3 schematisch eine galvanische Zelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die eine Separator-Stromableiter-Einheit gemäß 2 aufweist; und
  • 4 eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die aus einer Mehrzahl von übereinander gestapelten galvanischen Zellen mit integralen Elektroden benachbarter Zellen aufgebaut ist.
  • In den nachfolgenden Figuren, werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechende Elemente der Erfindung verwendet.
  • Zunächst wird auf 1 Bezug genommen, in der eine einfache Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Separator-Stromableiter-Einheit 1 schematisch dargestellt ist. Die Separator-Stromableiter-Einheit 1 weist einen Separator 2 auf, der insbesondere in Form einer mikroporösen Membran aus Kunststoff oder Keramik ausgebildet sein kann. Hierbei kann auf bekannte handelsübliche Separatoren, insbesondere auf solche für Lithium-Ionen-Batterien, zurückgegriffen werden.
  • Auf einer Hauptfläche des Separators 2 ist ein Stromableiter 3 als metallische Schicht aufgebracht, insbesondere aufgedampft. Abhängig davon, ob dieser Stromableiter beim Aufbau einer galvanischen Zelle mittels der Separator-Arbeiter-Einheit 1 als Stromableiter für eine negative oder eine positive Elektrode dienen soll ist das Material der metallischen Schicht entsprechend gewählt. Insbesondere ist für einen Stromableiter einer positiven Elektrode die Verwendung von Kupfer oder Nickel und für einen Stromableiter einer negativen Elektrode die Verwendung von Aluminium oder Nickel vorteilhaft. Dies gilt insbesondere dann, wenn die galvanische Zelle eine Lithium-Ionen-Zelle darstellt. Jeder der Stromableiter weist ein poröses Material zur Aufnahme eines Elektrolyten auf, so dass die Separator-Stromableiter-Einheit durch die wenigstens eine Grenzfläche hindurch ionenleitend wirkt, wenn das poröse Material den Elektrolyten aufgenommen hat. Bevorzugt weist die metallische Schicht selbst diese Porosität auf. Als Elektrolyt kommen hier vor allem die für herkömmliche Lithium-Ionen-Zellen bekannten Elektrolyten infrage.
  • Bei einer galvanischen Zelle, die mit einer Separator-Stromableiter-Einheit 1 gemäß dieser ersten Ausführungsform ausgestaltet ist, ist es möglich, nur für eine der beiden Elektroden der Zelle mittels der Separator-Arbeiter-Einheit 1 einen Stromableiter 3 zur Verfügung zu stellen, während die andere Elektrode mit einem zusätzlichen Stromableiter versehen ist, oder aufgrund ihrer speziellen Bauart, insbesondere im Falle einer freistehenden Elektrode, auf einen solchen verzichten kann.
  • In 2 ist eine Fortbildung der Separator-Stromableiter-Einheit 1 aus 1 gezeigt, bei der auf beiden gegenüberliegenden Hauptseiten des Separators 2 jeweils ein Stromableiter 3 bzw. 4, vorzugsweise als Schicht, aufgebracht ist. Dabei ist es zweckmäßig, dass ein erster der beiden Stromableiter 3 und 4, beispielsweise der Stromableiter 3, aus einem Material besteht, das aus chemischer und insbesondere elektrochemischer Sicht als Stromableiter für eine negative Elektrode geeignet ist. Entsprechendes gilt für den anderen der Stromableiter, dies sei im Beispiel der Stromableiter 4, im Hinblick auf eine positive Elektrode. Insbesondere kann der erste Stromableiter Kupfer oder Nickel und der zweite Stromableiter Aluminium oder Nickel enthalten oder daraus bestehen. Jeder der Stromableiter weist wieder ein poröses Material zur Aufnahme eines Elektrolyten auf, so dass die Separator-Stromableiter-Einheit insgesamt ionenleitend wirkt, wenn das poröse Material den Elektrolyten aufgenommen hat.
  • In 3 ist schematisch eine galvanische Zelle 7 dargestellt, die eine Separator-Stromableiter-Einheit gemäß 2 aufweist, die mit einem geeigneten Elektrolyten aufgefüllt ist. Speziell im Falle einer Lithium-Ionen-Batterie kann der Elektrolyt insbesondere Lithium-Ionen enthalten. Zusätzlich weist die Zelle 7 eine erste Elektrode 5 auf, die mit dem ersten Stromableiter 3 in Berührungskontakt steht, sowie eine zweite Elektrode 6, die mit dem zweiten Stromableiter 4 in Berührungskontakt steht. auf. Aufgrund des jeweiligen Berührungskontakts ist jede der beiden Elektroden 5 und 6 mit dem entsprechenden Stromableiter 3 bzw. 4 auch elektrisch leitend verbunden, sodass der jeweilige Stromableiter 3 bzw. 4 Ströme von und zu der jeweils zugehörigen Elektrode 5 bzw. 6 leiten kann. Jeder der Stromableiter (3; 4) weist ein poröses Material zur Aufnahme des Elektrolyten auf, so dass die Separator-Stromableiter-Einheit 1 durch die wenigstens eine Grenzfläche hindurch ionenleitend wirkt.
  • Die Stromableiter 3 und 4 können zudem externe Anschlüsse 8a bzw. 8b aufweisen. Die Anschlüsse 8a bzw. 8b können insbesondere dazu dienen, mehrere Zellen 7 miteinander zu einer Batterie zu verschalten, und/oder die von der Zelle 7 erzeugten elektrischen Spannungen bzw. Ströme anderen elektrischen Komponenten bereitzustellen.
  • 4 stellt schematisch eine Batterie 9, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, dar, die aus einer Mehrzahl von entlang einer Stapelrichtung (in der Darstellung aus 4 ist dies die horizontale Richtung) aufeinandergestapelten galvanischen Zellen 7 aufgebaut ist. Dabei sind die aufgrund der Stapelung jeweils einander zugewandten gleichartigen (d.h. positiven bzw. negativen) Elektroden 5 bzw. 6 von jeweils benachbarten galvanischen Zellen 7 jeweils zu einer integralen Elektrode 5 bzw. 6 zusammengefasst, die zugleich als eine entsprechende Elektrode der zwei benachbarten galvanischen Zellen 7 fungiert. Alternativ ist es natürlich auch möglich, die entsprechenden gleichartigen Elektroden 5 bzw. 6 für jede Zelle separat auszuführen und die im Zellstapel nebeneinanderliegenden gleichartigen Elektroden 5 bzw. 6 miteinander zu verbinden.
  • Jede der Zellen 7 weist eine Separator-Stromableiter-Einheit 1 auf, die zwischen den beiden integralen Elektroden 5 bzw. 6 der Zelle 7 angeordnet ist und mit ihren Stromableitern 3 bzw. 4 mit den jeweiligen Elektroden 5 bzw. 6 in Berührungskontakt und somit auch in elektrischem Kontakt steht. Dabei alterniert die Reihenfolge des ersten Stromableiters 3, des Separators 2 und des zweiten Stromableiter 4 der entlang der Stapelrichtung der Zellen 7 in den unmittelbar aufeinanderfolgenden Separator-Stromableiter-Einheiten 1, sodass jede der Elektroden 5 bzw. 6 nur von gleichartigen Stromableitern 3 bzw. 4 umgeben ist.
  • Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zu Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Separator-Stromableiter-Einheit
    2
    Separator
    3
    erster Stromableiter, insbesondere für negative Elektrode
    4
    zweite Stromableiter, insbesondere für positive Elektrode
    5
    erste, insbesondere negative Elektrode
    6
    zweite, insbesondere positive Elektrode
    7
    galvanische Zelle
    8a, b
    Anschlüsse der galvanischen Zelle
    9
    Batterie
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2015303481 A1 [0003]

Claims (15)

  1. Separator-Stromableiter-Einheit (1) für eine galvanische Zelle (7), insbesondere für eine Lithium-Ionen-Zelle, aufweisend: einen Separator (2); eine Anzahl N ≧ 1 elektrisch leitender Stromableiter (3; 4), die jeweils auf der Oberfläche des Separators (2) angeordnet und mit diesem zu einer Einheit verbunden sind, und dabei mit der Oberfläche des Separators (2) eine jeweilige Grenzfläche ausbilden; wobei jeder der Stromableiter (3; 4) ein poröses Material zur Aufnahme eines Elektrolyten aufweist, so dass die Separator-Stromableiter-Einheit (1) durch jede der Grenzflächen hindurch ionenleitend wirkt, wenn das poröse Material den Elektrolyten aufgenommen hat.
  2. Separator-Stromableiter-Einheit (1) gemäß Anspruch 1, wobei der Separator (2) und jeder der Stromableiter (3; 4) jeweils schichtförmig ausgebildet sind und zusammen einen Schichtstapel bilden.
  3. Separator-Stromableiter-Einheit (1) gemäß Anspruch 2, wobei die Separator-Stromableiter-Einheit (1) als eine den Schichtstapel enthaltende Folie ausgebildet ist.
  4. Separator-Stromableiter-Einheit (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Stromableiter (3; 4) auf den Separator (2) in Form einer physikalisch oder chemisch abgeschiedenen Beschichtung aufgebracht ist.
  5. Separator-Stromableiter-Einheit (1) gemäß Anspruch 4, wobei die Beschichtung mittels einer oder mehrerer der folgenden Beschichtungstechniken aufgebracht ist: Aufdampfen, galvanische Beschichtung, physikalische oder chemischer Dampfabscheidung oder Sputtern.
  6. Separator-Stromableiter-Einheit (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei: N ≧ 2 gilt; die Separator-Stromableiter-Einheit (1) einen ersten und einen zweiten separaten Stromableiter (3; 4) aufweist; und der erste und der zweite Stromableiter (3; 4) so auf dem Separator (2) angeordnet sind, dass der Separator (2) zumindest teilweise zwischen dem ersten und dem zweiten Stromableiter (3; 4) liegt.
  7. Separator-Stromableiter-Einheit (1) gemäß Anspruch 6, wobei der erste Stromableiter (3) Kupfer oder Nickel enthält.
  8. Separator-Stromableiter-Einheit (1) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei der zweite Stromableiter (4) Aluminium oder Nickel enthält.
  9. Galvanische Zelle (7), insbesondere Lithium-Ionen-Zelle, aufweisend: eine erste, elektrisch negative Elektrode (5); eine zweite, elektrisch positive Elektrode (6); und eine zwischen den beiden Elektroden (5; 6) angeordnete und mit diesen jeweils in Berührungskontakt stehende und mit einem Elektrolyten versehene Separator-Stromableiter-Einheit (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche.
  10. Galvanische Zelle (7) gemäß Anspruch 9, wobei die Separator-Stromableiter-Einheit (1) gemäß Anspruch 7 und/oder 8 ausgebildet ist, und der erste Stromableiter (3) mit der ersten Elektrode (5) und der zweite Stromableiter (4) mit der zweiten Elektrode (6) in Berührungskontakt steht.
  11. Galvanische Zelle (7) gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei zumindest eine der Elektroden (5; 6) als freistehende Elektrode, FSE, ausgebildet ist.
  12. Batterie (9), insbesondere Lithium-Ionen-Batterie, aufweisend einen Zellstapel, der eine Mehrzahl von aufeinandergestapelten galvanischen Zellen (7) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11 aufweist.
  13. Batterie (9) gemäß Anspruch 12, wobei: die Separator-Stromableiter-Einheiten (1) der galvanischen Zellen (7) des Zellstapels jeweils gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8 ausgebildet sind; und innerhalb des Zellstapels die entlang seiner Stapelrichtung aufeinander folgenden Separator-Stromableiter-Einheiten (1) eine alternierende Ausrichtung aufweisen, so dass bei unmittelbar aufeinander folgenden Separator-Stromableiter-Einheiten (1) die jeweilige Reihenfolge der Anordnung der Stromableiter (3; 4) und Separatoren (2) entlang der Stapelrichtung invertiert ist.
  14. Batterie (9) gemäß Anspruch 13, wobei wenigstens eine der Elektroden (5; 6) der Batterie (9) als integrale Elektrode ausgebildet ist, die zugleich als eine gleichartige Elektrode (5; 6) von zwei benachbarten der galvanischen Zellen (7) im Zellstapel fungiert.
  15. Batterie (9) gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei die galvanischen Zellen (7) mittels einer Z-Faltung zu dem Zellstapel gestapelt sind.
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