DE102017215292A1

DE102017215292A1 - Sensor device for a lithium-ion cell, lithium-ion cell

Info

Publication number: DE102017215292A1
Application number: DE102017215292.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Wünsch
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2019-02-28
Also published as: CN109428113B; CN109428113A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung (7) für eine Lithium-Ionen-Zelle eines Energiespeichers, insbesondere Pouch-Zelle (1), mit einer Referenzelektrode (10), die zwischen einer Anode (5) und einer Kathode (6) der Lithium-Ionen-Zelle (1) anordenbar und durch eine Auswerteeinrichtung (20) elektrisch kontaktierbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass sich die Referenzelektrode (10) entlang eines ringförmigen Rahmens (8) erstreckt, der einen zwischen Anode (5) und Kathode (6) anordenbaren Separator (4) trägt, wobei sich die Referenzelektrode (10) auf einer der Anode (5) und/oder auf einer der Kathode (6) zugewandten/zuwendbaren Stirnseite (12,13) des Rahmens (8) zumindest abschnittsweise erstreckt.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Lithium-Ionen-Zelle, insbesondere Pouch-Zelle, mit einer derartigen Sensorvorrichtung.

The invention relates to a sensor device (7) for a lithium-ion cell of an energy store, in particular pouch cell (1), having a reference electrode (10) which is disposed between an anode (5) and a cathode (6) of the lithium ions Cell (1) can be arranged and electrically contacted by an evaluation device (20). In this case, it is provided that the reference electrode (10) extends along an annular frame (8) carrying a separator (4) which can be arranged between the anode (5) and the cathode (6), the reference electrode (10) being located on one of the anodes (5) and / or on one of the cathode (6) facing / zuwendbaren end face (12,13) of the frame (8) extends at least in sections.
Furthermore, the invention relates to a lithium-ion cell, in particular pouch cell, with such a sensor device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für eine Lithium-Ionen-Zelle eines Energiespeichers, insbesondere Pouch-Zelle, mit einer Referenzelektrode, die zwischen einer Anode und einer Kathode der Lithium-Ionen-Zelle anordenbar und durch eine Auswerteeinrichtung elektrisch kontaktierbar ist.The invention relates to a sensor device for a lithium-ion cell of an energy storage, in particular pouch cell, with a reference electrode which can be arranged between an anode and a cathode of the lithium-ion cell and electrically contacted by an evaluation device.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Lithium-Ionen-Zelle, insbesondere Pouch-Zelle, mit einer derartigen Sensorvorrichtung.Furthermore, the invention relates to a lithium-ion cell, in particular pouch cell, with such a sensor device.

Sensorvorrichtungen und Lithium-Ionen-Zellen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die Offenlegungsschrift DE10 2012 202 433 A1 eine Sensorvorrichtung für eine Batteriezelle, die eine Referenzelektrode sowie eine Auswerteeinrichtung aufweist, wobei die Auswerteeinrichtung mit der Referenzelektrode einerseits und mit einer Anode und einer Kathode der Lithium-Ionen-Zelle andererseits elektrisch verbunden ist. Mittels dieser Referenzelektrode ist es möglich, ElektrodenPotentiale von Anode und Kathode zu erfassen und dadurch die Lithium-Ionen-Zelle beispielsweise im Betrieb auf ihre Leistungsfähigkeit oder eine gegebenenfalls eingetretene Alterung zu überwachen. Die Referenzelektrode ist dabei zwischen Kathode und Anode angeordnet, sodass sowohl zur Anode als auch zur Kathode jeweils ein elektrisches Potential messbar und dadurch der Zustand der Lithium-Ionen-Zelle ermittelbar ist. Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2014 220 993 A1 ist außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer Referenzelektrode für eine Lithium-Ionen-Zelle bekannt, bei welchem die Referenzelektrode auf einer Innenseite eines neutralen Metallbechers galvanisch abgeschieden wird.Sensor devices and lithium-ion cells of the type mentioned are known from the prior art. For example, the published patent application DE10 2012 202 433 A1 a sensor device for a battery cell, which has a reference electrode and an evaluation device, wherein the evaluation device with the reference electrode on the one hand and with an anode and a cathode of the lithium-ion cell on the other hand is electrically connected. By means of this reference electrode, it is possible to detect electrode potentials of the anode and cathode and thereby monitor the lithium-ion cell, for example during operation on their performance or any aging occurred. The reference electrode is arranged between the cathode and anode, so that both the anode and the cathode each have an electrical potential measurable and thereby the state of the lithium-ion cell can be determined. From the publication DE 10 2014 220 993 A1 In addition, a method for producing a reference electrode for a lithium-ion cell is known, in which the reference electrode is electrodeposited on an inner side of a neutral metal cup.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Sensorvorrichtung zu schaffen, die eine einfachere Integration in eine Lithium-Ionen-Zelle, insbesondere in eine Pouch-Zelle, ermöglicht und insbesondere auch bauraumsparend ausgebildet ist.The invention has for its object to provide an improved sensor device which allows easier integration into a lithium-ion cell, in particular in a pouch cell, and in particular is designed to save space.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dies hat den Vorteil, dass die Referenzelektrode bauraumsparend in die Lithium-Ionen-Zelle einbringbar ist, indem die Referenzelektrode dem zwischen Kathode und Anode anzuordnenden Separator zugeordnet ist. Die Referenzelektrode ist dabei an einem Rahmen angeordnet, welcher auch den Separator trägt. Durch das Anordnen des Separators zwischen Anode und Kathode wird damit auch gleichzeitig die Referenzelektrode zwischen Anode und Kathode positioniert. Damit wird der bisher übliche Separator durch die erfindungsgemäße Einheit aus Rahmen, Referenzelektrode und Separator, die insbesondere eine Vormontagebaugruppe darstellt, ersetzt. Hierdurch ist eine einfache Integration in die Lithium-Ionen-Zelle möglich. Die Referenzelektrode ist dabei auf der der Anode und/oder auf der der Kathode zugewandten oder zuordenbaren/zugeordneten Stirnseite des Rahmens angeordnet, um entweder ein Potential zur Anode, ein Potential zur Kathode oder sowohl ein Potential zur Anode als auch zur Kathode erfassen beziehungsweise messen zu können. Je nach Anwendungsfalls, kann es ausreichen, dass die Referenzelektrode nur auf einer der beiden Stirnseiten angeordnet ist. Bevorzugt ist die Referenzelektrode jedoch auf beiden Stirnseiten verfügbar, um eine vorteilhafte Potentialmessung zu beiden Elektroden (Anode und Kathode) der Lithium-Ionen-Zelle durchzuführen.The object underlying the invention is achieved by a sensor device having the features of claim 1. This has the advantage that the reference electrode is space-saving introduced into the lithium-ion cell by the reference electrode is assigned to be arranged between the cathode and anode separator. The reference electrode is arranged on a frame which also carries the separator. By arranging the separator between the anode and the cathode, the reference electrode is thus simultaneously positioned between the anode and the cathode. Thus, the hitherto conventional separator is replaced by the inventive unit of frame, reference electrode and separator, which is in particular a pre-assembly. As a result, a simple integration into the lithium-ion cell is possible. The reference electrode is arranged on that of the anode and / or on the cathode facing or assignable / associated end face of the frame to detect either a potential to the anode, a potential to the cathode or both a potential to the anode and to the cathode or measure can. Depending on the application, it may be sufficient that the reference electrode is arranged only on one of the two end faces. However, the reference electrode is preferably available on both end faces in order to carry out an advantageous potential measurement for both electrodes (anode and cathode) of the lithium-ion cell.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die Ringform des Rahmens entlang einer von einem Kreis abweichenden Form erstreckt. Damit ist der Rahmen nicht kreisförmig ausgebildet, sondern weist eine unregelmäßige Kontur auf, die eine eindeutige Positionierung des Rahmens in der Lithium-Ionen-Zelle und insbesondere bezüglich der Elektroden der Lithium-Ionen-Zelle erlaubt. Dadurch ist einerseits die Montage und andererseits die Betriebssicherheit der Sensorvorrichtung optimiert.According to a preferred embodiment of the invention it is provided that the annular shape of the frame extends along a shape deviating from a circle. Thus, the frame is not circular in shape, but has an irregular contour, which allows a clear positioning of the frame in the lithium-ion cell and in particular with respect to the electrodes of the lithium-ion cell. As a result, on the one hand, the assembly and, on the other hand, the operational reliability of the sensor device is optimized.

Insbesondere ist vorgesehen, dass sich die Ringform des Rahmens zumindest im Wesentlichen entlang einer Rechteckform erstreckt. Dadurch ist der Rahmen zusammen mit der Referenzelektrode vorteilhaft in einer Pouch-Zelle, die üblicherweise ebenfalls rechteckförmig ausgebildet ist, einsetzbar. Die Rechteckform bietet eine vorteilhafte Verdrehsicherung zwischen Rahmen und Gehäuse der Lithium-Ionen-Zelle und/oder zwischen Referenzelektrode und Elektrode an der Lithium-Ionen-Zelle.In particular, it is provided that the ring shape of the frame extends at least substantially along a rectangular shape. As a result, the frame is advantageously used together with the reference electrode in a pouch cell, which is usually also rectangular in shape. The rectangular shape provides an advantageous anti-rotation between the frame and housing of the lithium-ion cell and / or between the reference electrode and electrode on the lithium-ion cell.

Dazu ist bevorzugt vorgesehen, dass der Rahmen dazu ausgebildet ist, auf einer ersten Seite des Separators die Anode und auf einer von der ersten Seite abgewandten zweiten Seite des Separators die Kathode aufzunehmen. Kathode und Anode werden somit zumindest bereichsweise in den Rahmen bei der Montage eingeschoben und werden innerhalb des Rahmens durch den Separator voneinander getrennt. Dadurch, dass Anode und Kathode jeweils in den Rahmen einführbar sind, ist eine besonders bauraumsparende Ausführung der Lithium-Ionen-Zelle, insbesondere der Pouch-Zelle, möglich. Bevorzugt weist der Rahmen dabei Abstandshalter zum Begrenzen der maximalen Einstecktiefe von Anode und Kathode in dem Rahmen auf, um eine eindeutige und sichere Positionierung der Elektroden, insbesondere beabstandet zu dem Separator, zu gewährleisten. Durch die von einem Kreis abweichende Form, insbesondere durch die Rechteckform, ist der Rahmen außerdem an die Form der Elektroden der Lithium-Ionen-Zelle anpassbar beziehungsweise angepasst, sodass Anode und Kathode innerhalb des Rahmens verdrehsicher durch den Rahmen gehalten sind. Damit ist auch ein Verdrehen der Elektroden zueinander sicher verhindert.For this purpose, it is preferably provided that the frame is adapted to receive the anode on a first side of the separator and the cathode on a second side of the separator remote from the first side. Cathode and anode are thus at least partially inserted into the frame during assembly and are separated from each other within the frame by the separator. Characterized in that the anode and cathode are each inserted into the frame, a particularly space-saving design of the lithium-ion cell, in particular the pouch cell is possible. In this case, the frame preferably has spacers for limiting the maximum insertion depth of anode and cathode in the frame in order to ensure a clear and secure positioning of the electrodes, in particular spaced from the separator. By deviating from a circle shape, in particular by the rectangular shape, the frame is also adaptable to the shape of the electrodes of the lithium-ion cell or adapted so that the anode and cathode are held within the frame against rotation through the frame. For a twisting of the electrodes to each other is reliably prevented.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die Form des Rahmens an die Form von Anode und Kathode, zumindest an der Innenkontur des Rahmens, zur verdrehsicheren Aufnahme der Elektroden angepasst ist. Hierdurch wird die zuvor genannte Verdrehsicherung von Anode zu Kathode und auch von Referenzelektrode zu Anode und Kathode sicher gewährleistet.According to a preferred embodiment of the invention, it is therefore provided that the shape of the frame is adapted to the shape of the anode and cathode, at least on the inner contour of the frame, for the rotationally secure reception of the electrodes. As a result, the above rotation from anode to cathode and also from reference electrode to anode and cathode is guaranteed safe.

Weiterhin erstreckt sich die Referenzelektrode bevorzugt auf der jeweiligen Stirnseite des Rahmens ringförmig, also entlang der ringförmigen Stirnseite des Rahmens. Dadurch ergibt sich eine hohe Messgenauigkeit beim Erfassen der elektrischen Potentiale.Furthermore, the reference electrode preferably extends annularly on the respective front side of the frame, that is to say along the annular front side of the frame. This results in a high measurement accuracy when detecting the electrical potentials.

Besonders bevorzugt erstreckt sich die Referenzelektrode auf beiden Stirnseiten des Rahmens ringförmig. Das bedeutet, dass auf beiden Stirnseiten des Rahmens sich die Referenzelektrode durchgehend ringförmig erstreckt und jeweils einen eigenen Referenzelektrodenring, der der Anode und einen der Kathode zugeordnet ist, bildet oder aufweist. Hierdurch ist sowohl für die Kathode als auch für die Anode eine sichere Potentialmessung gewährleistet. Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass sich die Referenzelektrode auf der gegenüberliegenden Stirnseite nur abschnittsweise entlang des ringförmigen Rahmens erstreckt, sodass beispielsweise sich die Referenzelektrode in der ringförmigen Erstreckung des Rahmens mal auf der einen, mal auf der anderen Stirnseite verläuft, um zu beiden Elektroden der Lithium-Ionen-Zelle eine Potentialerfassung zu ermöglichen.Particularly preferably, the reference electrode extends annularly on both end sides of the frame. This means that on both end sides of the frame, the reference electrode extends continuously annular and each forms its own reference electrode ring which is associated with the anode and one of the cathode. As a result, a secure potential measurement is ensured both for the cathode and for the anode. Alternatively, it is preferably provided that the reference electrode on the opposite end side only partially extends along the annular frame, so that, for example, the reference electrode in the annular extension of the frame times on one, sometimes on the other end side extends to both electrodes of lithium Ion cell to enable potential detection.

Vorzugsweise weist die Referenzelektrode eine erste Ringbahn auf einer der Stirnseiten und eine zweite Ringbahn auf der anderen Stirnseite auf. Dadurch ist auf einfache Art und Weise auf beiden Stirnseiten des Rahmens die Referenzelektrode vorhanden. Dies stellt eine besonders kostengünstige Variante dar. Die beiden Ringbahnen sind elektrisch miteinander verbunden und insbesondere durch einen einzigen Kontaktanschluss von der Auswerteeinrichtung kontaktierbar. Der Kontaktanschluss ist insbesondere an der Rahmenaußenmantelfläche ausgebildet und/oder dort angeordnet.Preferably, the reference electrode has a first annular path on one of the end faces and a second annular path on the other end side. As a result, the reference electrode is present in a simple manner on both end sides of the frame. This represents a particularly cost-effective variant. The two ring paths are electrically connected to one another and, in particular, can be contacted by the evaluation device by means of a single contact connection. The contact connection is in particular formed on the frame outer circumferential surface and / or arranged there.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass sich die Referenzelektrode von der einen Stirnseite durch den Rahmen hindurch zu der anderen Stirnseite erstreckt. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Referenzelektrode entlang der Ringform des Rahmens mal auf der einen, mal auf der anderen Stirnseite entlang verläuft, wie oben bereits erläutert. Ist die Referenzelektrode jedoch auf beiden Stirnseiten ringförmig ausgebildet, so ist gemäß dieser Ausführungsform vorgesehen, dass die Referenzelektrode einen Abschnitt des Rahmens selbst bildet und zur Sicherung Halterung an dem Rahmen bevorzugt Durchbrüche aufweist, durch welche sich der Rahmen hindurch erstreckt, oder durch welche Befestigungsmittel zur Positionierung der Referenzelektrode an dem Rahmen hindurchführbar sind. In diesem Fall ist die Referenzelektrode also selbst rahmenförmig ausgebildet, beispielsweise in Form eines rahmenförmig verlaufenden Elektrodenstreifens, dessen Stirnseiten an den Stirnseiten des Rahmens freiliegen.According to an alternative embodiment of the invention, it is preferably provided that the reference electrode extends from the one end side through the frame to the other end side. This is the case, for example, when the reference electrode runs along the ring shape of the frame, sometimes on one side and another on the other side, as already explained above. However, if the reference electrode is of annular design on both end faces, it is provided according to this embodiment that the reference electrode forms a section of the frame itself and preferably has apertures for securing to the frame, through which the frame extends, or through which attachment means Positioning of the reference electrode can be passed to the frame. In this case, the reference electrode is therefore itself frame-shaped, for example in the form of a frame-shaped electrode strip whose end faces are exposed at the end faces of the frame.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Rahmen als Gehäuse für die Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet ist. Damit bildet der Rahmen der Sensorvorrichtung selbst das Gehäuse für die Lithium-Ionen-Zelle aus, wodurch eine besonders kompakte Ausführung der Lithium-Ionen-Zelle ermöglicht ist. Die Elektroden sind dazu in oder an dem Rahmen derart anordenbar, dass das Gehäuse geschlossen wird und der Elektrolyt nicht austreten kann. Dazu sind die Elektroden insbesondere an Halteplatten angeordnet, welche die Stirnseiten des Rahmens zumindest bereichsweise überdecken, um die sichere Anordnung zu gewährleisten, wobei die Verbindung von Rahmen und Halteplatten derart gewählt ist, dass die Referenzelektrode in Kontakt mit dem Elektrolyten verbleibt.Furthermore, it is preferably provided that the frame is designed as a housing for the lithium-ion cell. Thus, the frame of the sensor device itself forms the housing for the lithium-ion cell, whereby a particularly compact design of the lithium-ion cell is made possible. The electrodes can be arranged in or on the frame in such a way that the housing is closed and the electrolyte can not escape. For this purpose, the electrodes are arranged, in particular, on holding plates which cover the end faces of the frame at least in regions in order to ensure the secure arrangement, wherein the connection of frame and holding plates is selected such that the reference electrode remains in contact with the electrolyte.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung die Auswerteeinrichtung aufweist. Dabei ist die Auswerteeinrichtung beispielsweise an dem Rahmen angeordnet und wird von der Sensorvorrichtung mit geführt. Dadurch ergibt sich eine einfache Integration der Sensorvorrichtungen auch in bestehende Lithium-Ionen-Zellen oder Energiespeicher.In particular, it is provided that the sensor device has the evaluation device. In this case, the evaluation device is arranged, for example, on the frame and is guided by the sensor device. This results in a simple integration of the sensor devices into existing lithium-ion cells or energy storage.

Die erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Zelle, insbesondere Pouch-Zelle, mit den Merkmalen des Anspruchs 12 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Rahmen der Sensorvorrichtung an Form und Kontur von Anode und Kathode derart angepasst ist, dass diese verdrehsicher in/an dem Rahmen gehalten sind und insbesondere zumindest bereichsweise in den Rahmen hineinragen, wie zuvor bereits beschrieben.The lithium-ion cell according to the invention, in particular pouch cell, with the features of claim 12 is characterized by the sensor device according to the invention. This results in the already mentioned advantages. In particular, it is provided that the frame of the sensor device is adapted to shape and contour of anode and cathode, that they are held against rotation in / on the frame and in particular at least partially protrude into the frame, as previously described.

Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen

1 eine Lithium-Ionen-Zelle mit einer Sensorvorrichtung in einer vereinfachten Seitenansicht,
2 die Sensorvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht,
3 die Sensorvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Darstellung, und
4A bis 4C die Sensorvorrichtung gemäß weiterer Ausführungsbeispiele in mehreren vereinfachten Seitenansichten.

Further advantages and preferred features and combinations of features emerge in particular from the previously described and from the claims. In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Show this

1 a lithium-ion cell with a sensor device in a simplified side view,
2 the sensor device according to the first embodiment in a plan view,
3 the sensor device according to a second embodiment in a perspective view, and
4A to 4C the sensor device according to further embodiments in several simplified side views.

1 zeigt in einer vereinfachten Seitenansicht eine Lithium-Ionen-Pouch-Zelle 1, die ein Behältnis 2 aufweist, in welchem ein Elektrolyt 3 vorhanden ist. Das Behältnis wird dabei durch einen Separator 4 in zwei Teile geteilt, wobei in einen der Teile eine Anode 5 und in den anderen der Teile eine Kathode 6 als Elektroden der Pouch-Zelle 1 eingebracht sind. Um eine Alterung der Pouch-Zelle 1, insbesondere von Anode 5 und Kathode 6 erfassen zu können, ist es wünschenswert, diese auch im laufenden Betrieb überwachen zu können. Dazu ist es bekannt, eine Sensorvorrichtung 7 mit einer dritten Elektrode, eine sogenannte Referenzelektrode, in die Lithium-Ionen-Zelle hinzuzufügen, sodass die Referenzelektrode ebenfalls mit dem Elektrolyten 3 in Kontakt steht, und dadurch das elektrische Potential sowohl zu der Anode 5 als auch zu der Kathode 6 zu messen. Mit Bezug auf 2 bis 4 soll im Folgenden eine vorteilhafte Sensorvorrichtung 7 mit einer solchen Referenzelektrode vorgestellt werden, die in die Lithium-Ionen-Pouch-Zelle 1 einsetzbar ist, wobei die vorgestellte Sensorvorrichtung 7 sowohl konstruktiv bereits bei der Herstellung der Lithium-Ionen-Zelle berücksichtigt werden kann, oder auch in bereits bestehende Pouch-Zellen nachträglich einsetzbar ist. 1 shows a simplified side view of a lithium-ion pouch cell 1 that is a container 2 in which an electrolyte 3 is available. The container is thereby separated by a separator 4 divided into two parts, one of the parts being an anode 5 and in the other of the parts a cathode 6 as electrodes of the pouch cell 1 are introduced. To an aging of the pouch cell 1 , in particular of anode 5 and cathode 6 it is desirable to be able to monitor these during operation. For this purpose it is known a sensor device 7 with a third electrode, a so-called reference electrode, to be added to the lithium-ion cell, so that the reference electrode also with the electrolyte 3 is in contact, and thereby the electrical potential to both the anode 5 as well as to the cathode 6 to eat. Regarding 2 to 4 is an advantageous sensor device in the following 7 be presented with such a reference electrode in the lithium-ion pouch cell 1 can be used, wherein the presented sensor device 7 both structurally already in the production of the lithium-ion cell can be considered, or can be used subsequently in existing pouch cells.

2 zeigt dazu in einer vereinfachten Draufsicht die Sensorvorrichtung 7. Dies weise einen rechteckförmigen Rahmen 8 auf, in welchem der Separator 4 eingespannt ist. Das bedeutet, dass sich der Separator 4 über die gesamte von dem Rahmen 8 innenseitig gebildete Öffnung 9 erstreckt. Der Rahmen 8 verschließt die Öffnung 9 um 360° und ist insofern ringförmig ausgebildet. An dem Rahmen 8 ist außerdem eine Referenzelektrode 10 angeordnet, die sich entlang des ringförmigen Verlaufs des Rahmens 8 erstreckt und insofern ebenfalls ringförmig ausgebildet ist. An einer Seite des Rahmens 8 ist die Referenzelektrode 10 durch einen Anschluss 11 elektrisch kontaktierbar. Der Rahmen 8 ist nunmehr derart dimensioniert, dass er zwischen Anode 5 und Kathode 6 in das Behältnis 2 einschiebbar ist, sodass der Separator 4 zwischen Anode 5 und Kathode 6 liegt. Gleichzeitig liegt auch die Referenzelektrode 10 zwischen Anode 5 und Kathode 6, sodass die zuvor genannte vorteilhafte Potentialmessung durchführbar ist. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass die Höhe des Rahmens 8 (senkrecht zur Papierebene) nahezu der Dicke des Separators 4 entspricht, sodass die Referenzelektrode 10 bauraumsparend in eine bestehende Pouch-Zelle 1 einbringbar ist, um eine Testmessung durchzuführen. 2 shows in a simplified plan view of the sensor device 7 , This is a rectangular frame 8th on, in which the separator 4 is clamped. That means the separator 4 over the whole of the frame 8th inside formed opening 9 extends. The frame 8th closes the opening 9 around 360 ° and is so far annular. At the frame 8th is also a reference electrode 10 arranged along the annular course of the frame 8th extends and is thus also annular. On one side of the frame 8th is the reference electrode 10 through a connection 11 electrically contactable. The frame 8th is now dimensioned such that it is between anode 5 and cathode 6 in the container 2 is insertable, so that the separator 4 between anode 5 and cathode 6 lies. At the same time lies the reference electrode 10 between anode 5 and cathode 6 so that the aforementioned advantageous potential measurement is feasible. In this case, it is provided in particular that the height of the frame 8th (perpendicular to the paper plane) almost the thickness of the separator 4 matches, so the reference electrode 10 Space-saving in an existing pouch cell 1 can be introduced to perform a test measurement.

3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Sensorvorrichtung 7, wobei aus 2 bereits bekannte Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und insofern auf die obenstehende Beschreibung verwiesen wird. Es soll im Wesentlichen nur auf die Unterschiede eingegangen werden. 3 shows a second embodiment of the sensor device 7 , being out 2 already known elements are provided with the same reference numerals and insofar reference is made to the above description. Essentially, it is only about the differences.

Im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist nunmehr vorgesehen, dass der Rahmen 8 eine Höhe H aufweist, die deutlich größer ist als die Dicke des Separators 4, sodass der mittig in dem Rahmen 8 angeordnete Separator jeweils beabstandet zu Stirnseiten 12 und 13 des Rahmens 8 angeordnet ist. Dadurch bildet sich zwischen Separator 4 und der jeweiligen Stirnseite 12, 13 eine Aufnahmevertiefung 14 beziehungsweise 15, in welche die Elektroden der Pouch-Zelle 1 einsetzbar sind. So ist insbesondere vorgesehen, dass die Anode 5 in die Aufnahmevertiefung 14 und die Kathode 6 in die Aufnahmevertiefung 15 eingesetzt wird. Damit werden die Elektroden der Pouch-Zelle 1 zumindest bereichsweise in die jeweilige Aufnahmevertiefung 14, 15 versenkt und dadurch innerhalb des Rahmens 8 angeordnet und in diesen integriert. Zweckmäßigerweise ist die Innenkontur des Rahmens 8 beziehungsweise der jeweiligen Aufnahmevertiefung 14, 15 derart gewählt, dass sie korrespondierend zu der Außenkontur der jeweiligen Elektrode beziehungsweise Anode 5 oder Kathode 6 ausgebildet ist, sodass aufgrund der Rechteckform des Rahmens 8 und der Elektroden 5, 6 eine Verdrehsicherung zwischen diesen entsteht, sodass sich die Elektroden 5, 6 im Betrieb oder bei der Montage nicht zueinander verdrehen können. Entsprechend ist die Innenkontur des Rahmens 8 nur geringfügig größer als die Außenkontur der Elektroden 5, 6. Dadurch bildet der Rahmen 8 ein Gehäuse 16 für die Lithium-Ionen-Zelle, wobei das Gehäuse 16 zusammen mit den darin eingesetzten Elektroden 5, 6 eine vollständige Lithium-Ionen-Zelle bilden kann, wenn die Elektroden 5, 6 entsprechend in die Aufnahmevertiefungen 14, 15 abdichtend in diesen anordenbar sind. Dazu sind die Elektroden 5, 6 beispielsweise an entsprechenden Stirnplatten befestigt, welche an dem Rahmen 8 befestigbar sind und den Innenraum dicht abschließen. Dabei ist dann der Berührungskontakt zwischen den Elektroden 5, 6 oder den Halteplatten außerhalb der Elektrode 10 verortet, sodass diese mit dem Elektrolyten in Kontakt steht, um die gewünschten Messungen durchführen zu können.In contrast to the previous embodiment, it is now provided that the frame 8th has a height H which is significantly greater than the thickness of the separator 4 so that the middle in the frame 8th arranged separator each spaced from end faces 12 and 13 of the frame 8th is arranged. This forms between separator 4 and the respective front side 12 . 13 a recording recess 14 respectively 15 into which the electrodes of the pouch cell 1 can be used. It is thus provided in particular that the anode 5 into the receiving cavity 14 and the cathode 6 into the receiving cavity 15 is used. This will make the electrodes of the pouch cell 1 at least in some areas into the respective recording coverage 14 . 15 sunk and thereby within the frame 8th arranged and integrated into these. Conveniently, the inner contour of the frame 8th or the respective recording coverage 14 . 15 chosen such that they correspond to the outer contour of the respective electrode or anode 5 or cathode 6 is formed, so due to the rectangular shape of the frame 8th and the electrodes 5 . 6 an anti-rotation between these arises, so that the electrodes 5 . 6 can not twist each other during operation or during assembly. Accordingly, the inner contour of the frame 8th only slightly larger than the outer contour of the electrodes 5 . 6 , This forms the frame 8th a housing 16 for the lithium-ion cell, the housing 16 together with the electrodes inserted therein 5 . 6 can form a complete lithium-ion cell when the electrodes 5 . 6 correspondingly into the receiving pits 14 . 15 sealing in these are arrangeable. These are the electrodes 5 . 6 for example, attached to corresponding end plates, which on the frame 8th are fastened and close the interior tight. In this case, the contact between the electrodes is then 5 . 6 or the holding plates outside the electrode 10 locates so that it is in contact with the electrolyte in order to carry out the desired measurements.

In 2 und 3 ist erkennbar, dass die Referenzelektrode 10 an jeweils einer der Stirnseiten 12, 15 des Rahmens 8 angeordnet ist. Ist die Elektrode 10 tatsächlich an nur einer Stirnseite angeordnet, so kann nur das Potential zu einer der Elektroden 5 oder 6 gemessen werden. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Elektrode 10 an beiden Stirnseiten 12, 13 des Rahmens 8 vorhanden ist. Um dies zu erreichen, können unterschiedliche Varianten genutzt werden, die mit Bezug auf die 4A bis 4C im Folgenden erläutert werden sollen.In 2 and 3 it can be seen that the reference electrode 10 on each one of the front sides 12 . 15 of the frame 8th is arranged. Is the electrode 10 actually arranged on only one end face, so only the potential to one of the electrodes 5 or 6 be measured. It is preferably provided that the electrode 10 on both ends 12 . 13 of the frame 8th is available. In order to achieve this, different variants can be used with reference to the 4A to 4C will be explained below.

Die in 4A bis 4C gezeigten Ausführungsbeispiele der Sensorvorrichtung 7 haben gemeinsam, dass an jeder Stirnseite 12, 13 die Referenzelektrode 10 mit dem Elektrolyten in Kontakt steht.In the 4A to 4C shown embodiments of the sensor device 7 have in common that on each front 12 . 13 the reference electrode 10 is in contact with the electrolyte.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel in 4A, welches die Sensorvorrichtung 7 in einer Schnittdarstellung gemäß der Linie A-A aus 3 zeigt, ist vorgesehen, dass die Referenzelektrode 10 als Elektrodenstreifen ausgebildet ist, dessen Breite zumindest der Höhe H des Rahmens 8 entspricht, sodass er von beiden Stirnseiten 12, 13 vorsteht oder zumindest bündig mit diesen abschließt, wie in 4A gezeigt. Damit durchdringt die Referenzelektrode 10 den Rahmen 8 von einer Stirnseite 12 bis zur anderen Stirnseite 13. Gestrichelt sind in der 4A die Anode 5 und die Kathode 6 zum besseren Verständnis der in 3 gezeigten Lösung eingezeichnet, wobei die Elektroden 5, 6 hierbei bereichsweise in die jeweilige Aufnahmevertiefung 14, 15 eingesetzt sind. Dabei weist der Rahmen 8 bevorzugt nahe zu dem Separator 4 einen sich zu beiden Seiten des Separators 4 erstreckenden Abstandshalter 17 auf, der die maximale Einstecktiefe der Elektroden 5, 6 begrenzt, sodass sichergestellt ist, dass diese beabstandet zu der Referenzelektrode 10 liegen, sodass die Elektroden 5, 6 und die Referenzelektrode 10 jeweils durch den Elektrolyten 3 miteinander elektrisch verbunden sind.According to the embodiment in 4A which the sensor device 7 in a sectional view along the line AA 3 shows, it is provided that the reference electrode 10 is formed as an electrode strip whose width is at least the height H of the frame 8th matches, so it's from both ends 12 . 13 projects or at least flush with them, as in 4A shown. Thus, the reference electrode penetrates 10 the frame 8th from a front side 12 to the other end 13 , Dashed are in the 4A the anode 5 and the cathode 6 to better understand the in 3 shown solution, wherein the electrodes 5 . 6 in some areas into the respective receiving recess 14 . 15 are used. This shows the frame 8th preferably close to the separator 4 one to either side of the separator 4 extending spacers 17 on, the maximum insertion depth of the electrodes 5 . 6 limited so as to ensure that it is spaced from the reference electrode 10 lie so that the electrodes 5 . 6 and the reference electrode 10 each through the electrolyte 3 are electrically connected to each other.

4 zeigt eine Schnittdarstellung durch den Rahmen entlang der gestrichelten Linie B-B aus 3. Im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist die Elektrode 10 nunmehr derart ausgebildet und in dem Rahmen 8 angeordnet, dass sie abschnittsweise einmal entlang der einen Stirnseite 12 und andermal entlang der anderen Stirnseite 13 verläuft, sodass sie alternierend mal der Anode 5, mal der Kathode 6 zugeordnet ist. In diesem Fall erstreckt sich dann die Referenzelektrode 10 nicht ringförmig über eine Stirnfläche 12, 13 hinweg, sondern lediglich ringförmig entlang des Rahmens 8, wobei sie dabei abschnittsweise der jeweiligen Stirnseite 12, 13 zugeordnet ist. Auch mit dieser Referenzelektrode 10 ist jedoch das Messen der Potentiale zu Anode 5 und Kathode 6 durchführbar. 4 shows a sectional view through the frame along the dashed line BB 3 , In contrast to the previous embodiment, the electrode 10 now formed and in the frame 8th arranged in sections once along one end face 12 and other times along the other end 13 runs so that they alternately times the anode 5 , sometimes the cathode 6 assigned. In this case, then extends the reference electrode 10 not annular over an end face 12 . 13 but only annularly along the frame 8th , where they are sections of the respective front page 12 . 13 assigned. Also with this reference electrode 10 is, however, measuring the potentials to anode 5 and cathode 6 feasible.

4C zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Sensorvorrichtung 7 in einer Längsschnittdarstellung gemäß der Linie B-B aus 3. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass sich die Referenzelektrode 10 in zwei Ringbahnen 18, 19 aufteilt, die an jeweils einer Stirnseite 12, 13 angeordnet sind und sich somit ringförmig entlang des Rahmens 8 erstrecken. Die beiden Ringbahnen 18, 19 werden an dem Kontaktanschluss 11 zusammengeführt, sodass die Referenzelektrode 10 insgesamt durch den Kontaktanschluss 11 elektrisch kontaktierbar und die beschriebene Messung durchführbar ist. Dies stellt eine besonders einfache und kostengünstige Realisierung der Referenzelektrode 10 dar. 4C shows a further embodiment of the sensor device 7 in a longitudinal sectional view along the line BB 3 , According to this embodiment, it is provided that the reference electrode 10 in two ring tracks 18 . 19 divides, on each one front side 12 . 13 are arranged and thus annular along the frame 8th extend. The two ring tracks 18 . 19 be at the contact port 11 merged so that the reference electrode 10 in total through the contact connection 11 electrically contacted and the described measurement is feasible. This represents a particularly simple and inexpensive realization of the reference electrode 10 represents.

Zweckmäßigerweise sind die Elektroden 5, 6 sowie die Referenzelektrode 10 mit einer Auswerteeinrichtung 20 verbunden, wie es in 1 gezeigt ist, welche die Potentiale zu Anode 5 und Kathode 6 überwacht und beispielsweise an ein übergeordnetes Steuergerät übermittelt, sodass eine vorteilhafte Betriebsstrategie zum Verwenden der Lithium-Ionen-Zelle durchführbar ist.Conveniently, the electrodes 5 . 6 as well as the reference electrode 10 with an evaluation device 20 connected as it is in 1 it is shown which the potentials to anode 5 and cathode 6 monitored and transmitted, for example, to a higher-level control unit, so that an advantageous operating strategy for using the lithium-ion cell is feasible.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Pouch-ZellePouch cell
22: Behältniscontainer
33: Elektrolytelectrolyte
44: Separatorseparator
55: Anodeanode
66: Kathodecathode
77: Sensorvorrichtungsensor device
88th: Rahmenframe
99: Öffnungopening
1010: Referenzelektrodereference electrode
1111: KontaktanschlussContact Termination
1212: Stirnseitefront
1313: Stirnseitefront
1414: Aufnahmevertiefungreceiving recess
1515: Aufnahmevertiefungreceiving recess
1616: Gehäusecasing
1717: Abstandshalterspacer
1818: RingbahnRingbahn
1919: RingbahnRingbahn
2020: Auswerteeinrichtungevaluation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102012202433 A1 [0003]
DE 102014220993 A1 [0003]

Claims

Sensor device (7) for a lithium-ion cell of an energy storage device, in particular a pouch cell (1), having a reference electrode (10) connected between an anode (5) and a cathode (6) of the lithium-ion cell (1 ) and can be electrically contacted by an evaluation device (20), characterized in that the reference electrode (10) extends along an annular frame (8) which carries a separator (4) which can be arranged between the anode (5) and the cathode (6) , Wherein the reference electrode (10) on at least one of the anode (5) and / or on one of the cathode (6) facing / zuwendbaren end face (12,13) of the frame (8) extends.

Sensor device after Claim 1 , characterized in that the annular shape of the frame (8) extends along a shape deviating from a circle.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the annular shape of the frame (8) extends at least substantially along a rectangular shape.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the frame (8) is adapted to on a first side of the separator (4) the anode (5) and on a side facing away from the first side of the second separator (4) Cathode (6) at least partially absorb.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the shape of the frame (8) is adapted to the shape of the anode (5) and cathode (6) for the rotationally secure receiving this.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the reference electrode (10) on the respective end face (12,13) of the frame (8) extends annularly.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the reference electrode (10) extends annularly on both end faces (12, 13) of the frame (8).

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the reference electrode (10) has a first annular path on (18) one of the end faces (12,13) and a second annular path (19) on the other end face (12,13).

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the reference electrode (10) extends from one end face (12) through the frame (8) to the other end face (13).

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the frame (8) as a housing (16) for the lithium-ion cell (1) is formed.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises the evaluation device (20).

Lithium-ion cell, in particular pouch cell (1), having an anode (5) and a cathode (6), which are arranged in a housing (16) together with an electrolyte (3), wherein between anode (5) and cathode (6) a sensor device (7) according to one of Claims 1 to 11 is arranged.