DE102018100986A1

DE102018100986A1 - Galvanische Zelle

Info

Publication number: DE102018100986A1
Application number: DE102018100986.0A
Authority: DE
Inventors: Justus Speichermann
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-01-17
Filing date: 2018-01-17
Publication date: 2019-07-18
Anticipated expiration: 2038-01-18
Also published as: DE102018100986B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine galvanische Zelle (1) mit einer Anode (2), einer Kathode (3), einem porösen, flächigen Separator (4) zwischen Anode (2) und Kathode (3), sowie einem Elektrolyten.
Bei einer solchen Zelle ist vorgesehen, dass die Zelle (1) eine Einrichtung (6) zum Überwachen einer Materialspannung des Separators (4) in der Flächenerstreckung des Separators (4) aufweist.
Bei einer solchen Zelle ist eine besonders gute Qualitätssicherung aufgrund Überwachung des Separators gewährleistet.

Description

Die Erfindung betrifft eine galvanische Zelle, mit einer Anode, einer Kathode, einem porösen, flächigen Separator zwischen Anode und Kathode sowie einem Elektrolyten.
Galvanische Zellen, insbesondere Li-Ionen-Batteriezellen, setzen sich als galvanische Zelle aus Anode, Kathode, Separator und Elektrolyt zusammen. Hierbei können durchaus mehreren Anoden, mehrere Kathoden und mehrere Separatoren in der jeweiligen Batteriezelle vorgesehen sein.
Nach dem Stand der Technik werden Separatoren häufig als ein- bzw. mehrlagige Folien ausgeführt. Sie bestehen beispielsweise aus Polyethylen oder Polypropylen. Es handelt sich um Polymer-Separatoren.
Der Separator hat unter anderem die Funktion, die Elektroden - Anode, Kathode - räumlich zu separieren, dabei jedoch eine ausreichende Porosität zu besitzen. Die Porosität ermöglicht den lonenaustausch im Elektrolyten zwischen Anode und Kathode.
Eine wichtige Kenngröße für die Produkteigenschaften ist die Materialspannung in einer x-y-Ebene des Separators, das heißt der Folienebene. Diese wird im Rahmen der Qualifizierung ex situ, somit außerhalb der Zelle, in zerstörenden Zerreißfestigkeitstests geprüft.
Aus der US 2011 159 343 A ist eine galvanische Zelle mit einem als poröse Membran ausgebildeten Polymer-Separator bekannt. Dieser Separator findet Verwendung bei einer Lithium-Ionen-Batteriezelle. Hierbei ist vorgesehen, die Schrumpfungsrate eines Teststücks der Membran zu messen. Das Teststück wird hierbei in zwei Richtungen senkrecht zueinander bei Umgebungstemperatur vermessen, dann über einen relativ langen Zeitraum einer erhöhten Temperatur ausgesetzt, beispielsweise über 8 Stunden einer Temperatur von 105 °C ausgesetzt, anschließend erneut das Teststück in den beiden Raumrichtungen vermessen.
In der US 2012 251 860 A ist die Verwendung von zerstörungsfreien Bildgebungsverfahren zur Bestimmung des Aufbaus einer galvanischen Zelle beschrieben.
Die CN 105 352 804 beschreibt die Verwendung einer Zugprüfmaschine zum Erkennen der Lebensdauer einer Membran für eine Li-Ionen-Batteriezelle.
Die US 2016 149 181 A bezieht sich auf die Messung der mechanischen Festigkeit in einer Membran einer Li-Ionen-Batteriezelle.
Die US 2017 086 469 A beschreibt die Anwendung eines Spannungstests bei einer Membran, die in Batterien verwendet werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine galvanische Zelle der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine besonders gute Qualitätssicherung aufgrund Überwachung des Separators sichergestellt ist.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine galvanische Zelle, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.
Die Zelle weist eine Einrichtung zum Überwachen einer Materialspannung des Separators in der Flächenerstreckung des Separators auf.
Somit erfolgt die Überwachung der Materialspannung des Separators nicht ex situ, sondern in situ, damit innerhalb der galvanischen Zelle. Die Prüfung erfolgt nichtzerstörend, während der Produktion und/oder im aufgebauten Zustand bzw. Betrieb. Die verbesserte Qualitätsprüfung der Produkteigenschaften des Separators wird durch die überwachte Materialspannung in der flächigen Ebene des Separators realisiert.
Der Separator ist vorzugsweise durch eine ein- oder mehrlagige Folie gebildet.
Insbesondere besteht der Separator aus Kunststoff, vorzugsweise aus Polyethylen oder Polypropylen.
Der Separator kann Materialverdickungen und/oder Materialverdünnungen aufweisen, zum gezielten Übertragen der Veränderungen in der Materialspannung zu einem Messsystem. Beispielsweise münden Materialstränge mit dünneren Fasern in dickere Fasern und können so als ein einziger zusammengefasster Materialstrang zu einem Messsystem geführt werden.
Bei der Zelle handelt es sich insbesondere um eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.
Die Zelle ist insbesondere gemäß zweier grundsätzlicher Alternativen gestaltet:
Bei einer ersten grundsätzlichen Alternative ist vorgesehen, dass die Einrichtung zum Überwachen der Materialspannung des Separators in den Separator integriert ist. Bei der anderen grundsätzlichen Gestaltung ist vorgesehen, dass die Einrichtung zum Überwachen der Materialspannung außerhalb des Separators angeordnet ist. Eine Kombination beider Varianten ist durchaus denkbar.
Es ist bezüglich der einen Variante insbesondere vorgesehen, dass die Einrichtung mindestens einen in den Separator integrierten Dehnungsmesstreifen aufweist. Somit wird über den Dehnungsmessstreifen eine Längenveränderung des Separator unmittelbar ermittelt. Die Einrichtung kann durchaus auch mehrere Dehnungsmessstreifen aufweisen, beispielsweise zwei Dehnungsmessstreifen, die senkrecht zueinander angeordnet sind, womit der eine Dehnungsmessstreifen in einer x-Richtung, der anderen Dehnungsmessstreifen in einer senkrecht hierzu angeordneten y-Richtung, jeweils in der Flächenerstreckung des Separators, misst. Diese Messergebnisse können dann unmittelbar in einem elektrischen/elektronischen Prüfsystem ausgewertet werden, zur verbesserten Prüfung der Produkteigenschaften. Etwaige Abweichungen der Materialspannung in der Flächenerstreckung des Separator können somit detektiert werden.
Bei dieser ersten Variante kann beispielsweise alternativ vorgesehen sein, dass die Einrichtung mindestens einen in den Separator eingearbeiteten elektrischen Leiter aufweist. Bei diesem elektrischen Leiter kann es sich beispielsweise um einen solchen handeln, der zur Widerstandsmessung geeignet ist. Verändert sich die Länge des Leiters, führt dies zu einer Veränderung des Widerstands. Diese Veränderung des Widerstands wird mit dem entsprechenden elektrischen/elektronischen Prüfsystem ausgewertet, wie vorstehend erörtert. Es kann durchaus auch vorgesehen sein, dass bei Überschreiten einer maximalen Dehnung ein Widerstandsdraht reißt und dies zu einer signifikanten Veränderung des ohmschen Widerstands führt. Diese Änderung wird dann vom Prüfsystem ausgewertet.
Bei der zweiten Variante, bei der die Einrichtung zum Überwachen der Materialspannung außerhalb des Separators angeordnet ist, ist beispielsweise vorgesehen, dass Veränderungen der Materialspannung des Separators mittels der außerhalb des Separators angeordneten Einrichtung optoelektrisch erfasst werden. Somit sind die Mittel zum Erfassen der Veränderung der Materialspannung nicht in den Separator integriert, sondern es erfasst die außerhalb des Separators angeordnete Einrichtung Veränderungen des Separators optoelektrisch.
Unter diesem Aspekt ist insbesondere vorgesehen, dass in den Separator Lichtwellenleiter eingearbeitet sind und deren Lichtveränderung, bei Veränderung der Materialspannung des Separators, optoelektrisch mittels der Einrichtung erfasst wird. Alternativ oder kumulativ kann vorgesehen sein, dass der Separator eine Oberfläche aufweist, die bei Veränderung der Materialspannung des Separators ihr Reflexionsvermögen und/oder Absorptionsvermögen für bestimmte Wellenlängenbereiche von Licht verändert und eine veränderte Reflexion und/oder Absorption optoelektrisch erfasst wird.
Die Messsysteme können über die gesamte x- und y-Länge des Separators angebracht sein, zum Beispiel in linearer Ausführung oder in sinusförmiger Ausführung. Es kann ausreichen, wenn die Messsysteme nur an kritischen Stellen des Separators angebracht sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und der Beschreibung des in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels, ohne auf dieses beschränkt zu sein.
Es zeigt:

1 in einer räumlichen Ansicht einen Teilbereich einer galvanischen Zelle,
2 in einer räumlichen Ansicht einen bei der Zelle Verwendung findenden Separator, über eine Teillänge des Separators veranschaulicht.

Veranschaulicht sind in der 1 betreffend eine galvanische Zelle 1 zwei flächige Anoden 2, eine zwischen diesen beiden Anoden 2 angeordnete flächige Kathode 3 sowie zwei flächige Separatoren 4. Jeweils ein Separator 4 ist zwischen einer Anode 2 und der Kathode 3 angeordnet.
Der jeweilige Separator 4 besteht aus Kunststoff, insbesondere aus Polyethylen oder Polypropylen. Der jeweilige Separator 4 ist durch eine ein- oder mehrlagige Folie gebildet. Bei dieser galvanischen Zelle 1 handelt es sich um eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Im Inneren befindet sich ein Elektrolyt. Dieser Elektrolyt umgibt die Anoden 2, die Kathode 3 und die Separatoren 4.
Der jeweilige Separator 4 hat die Funktion, die Elektroden (Anode 2, Kathode 3) räumlich zu separieren, dabei jedoch eine ausreichende Porosität, veranschaulicht durch die Bezugsziffer 5 gemäß 2 zu besitzen. Die Porosität 5 ermöglicht den lonenaustausch im Elektrolyten zwischen Anode 2 und Kathode 3.
Eine wichtige Kenngröße für die Produkteigenschaften der Zelle 1 ist die Produkteigenschaft des Separators 4. Bei diesem ist die Materialspannung in der x-y-Ebene, das heißt der Folienebene, von Bedeutung.
2 veranschaulicht die Ausführung des jeweiligen Separators 4. In diesen ist eine Einrichtung 6 zum Überwachen der Materialspannung des Separators 4 in der Flächenerstreckung x-y des Separators 4 integriert. Diese Einrichtung 6 ist punktiert dargestellt. Sie erstreckt sich über die gesamte Länge des Separators 4 in x-Richtung. Somit lässt sich mit dieser Einrichtung 6 die Veränderung der Erstreckung des Separators 4 in x-Richtung ermitteln, somit dessen Materialspannung in der Folienebene, in x-Richtung. Senkrecht zu dieser Einrichtung 6, somit in y-Richtung, ist entsprechend eine weitere Einrichtung vorgesehen, die der Einrichtung 6 entspricht.
Bei dieser Einrichtung handelt es sich im konkreten Ausführungsbeispiel um einen Dehnungsmessstreifen. Der vom Dehnungsmessstreifen ermittelte Wert wird in einem elektrischen/elektronischen Prüfsystem ausgewertet, zur verbesserten Prüfung der Produkteigenschaften. Etwaige Abweichungen in der Materialspannung in der Separatorfolienebene können somit detektiert werden.
Bezugszeichenliste

1: galvanische Zelle
2: Anode
3: Kathode
4: Separator
5: Porosität
6: Einrichtung

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 2011159343 A [0006]
US 2012251860 A [0007]
CN 105352804 [0008]
US 2016149181 A [0009]
US 2017086469 A [0010]

Claims

Galvanische Zelle (1) mit einer Anode (2), einer Kathode (3), einem porösen, flächigen Separator (4) zwischen Anode (2) und Kathode (3), sowie einem Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (1) eine Einrichtung (6) zum Überwachen einer Materialspannung des Separators (4) in der Flächenerstreckung des Separators (4) aufweist.
Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (4) durch eine ein- oder mehrlagige Folie gebildet ist.
Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (4) aus Kunststoff, insbesondere aus Polyethylen oder Polypropylen besteht.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (4) Materialverdickungen und/oder Materialverdünnungen aufweist, zum Übertragen der Veränderungen in der Materialspannung zu einem Messsystem.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) zum Überwachen der Materialspannung des Separators (4) in den Separator (4) integriert ist.
Zelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) mindestens einen in den Separator (4) integrierten Dehnungsmessstreifen aufweist.
Zelle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) mindestens einen in den Separator (4) eingearbeiteten elektrischen Leiter, insbesondere Leiter zur Widerstandsmessung, aufweist.
Zelle nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Separator (4) integrierte Einrichtung (6) über die gesamte Länge und Breite des Separators (4) angebracht ist, insbesondere in gerader oder sinusförmiger Ausführung.
Zelle nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Separator (4) integrierte Einrichtung (6) an bezüglich der Verformung des Separators (4) kritischen Stellen angeordnet ist.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) zum Überwachen der Materialspannung außerhalb des Separators (4) angeordnet ist.
Zelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Veränderungen der Materialspannung des Separators (4) mittels der außerhalb des Separators (4) angeordneten Einrichtung (6) optoelektrisch erfasst werden.
Zelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in den Separator (4) Lichtwellenleiter eingearbeitet sind und eine Lichtveränderung des Lichtwellenleiters bei Veränderung der Materialspannung des Separators (4) optoelektrisch erfasst wird.
Zelle nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (4) eine Oberfläche aufweist, die bei Veränderung der Materialspannung des Separators (4) ihr Reflexionsvermögen und/oder Absorptionsvermögen für bestimmte Wellenlängenbereiche des Lichts verändert und eine veränderte Reflexion und/oder Absorption optoelektrisch erfasst wird.