DE102018117173A1

DE102018117173A1 - Mehrlaschige elektroden mit stromoptimierten elektronenwiderständen und batterien mit der gleichen ausstattung

Info

Publication number: DE102018117173A1
Application number: DE102018117173.0A
Authority: DE
Inventors: Sherman H. Zeng; Pablo Valencia jun.
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-07-17
Filing date: 2018-07-16
Publication date: 2019-01-17
Also published as: US10446823B2; CN109273758B; CN109273758A; US20190020013A1

Abstract

Lithiumatteriezellen und Batteriepakete, welche die gleiche Ausstattung umfassen, beinhalten einen Elektrolyten, und eine Anode und eine Kathode, die jeweils das Folgende beinhalten: einen Stromkollektor, der eine Länge aufweist, wobei die Länge ein erstes Ende und ein zweites Ende definiert, eine Breite, ein Host- oder aktives Material, welches auf dem Stromkollektor zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende angeordnet ist, eine erste Lasche, die sich vom ersten Ende erstreckt, und eine zweite Lasche, die sich vom zweiten Ende erstreckt, ein erster Elektronenwiderstand, der sich vom ersten Ende in Längsrichtung nach innen erstreckt, und als Option ein zweiter Elektronenwiderstand, der sich vom zweiten Ende aus in Längsrichtung nach innen erstreckt. Elektronenwiderstände umfassen eine Bereich, in dem Elektronfluss eingeschränkt oder nur minimal möglich ist. Eine Vielzahl von Zellen kann in einer ebenen Konfiguration gestapelt werden und eine Vielzahl von Anoden- und Kathodenlaschen können über entsprechende Sammelschienen verbunden sein. Die Batteriezelle kann eine Stromquelle für ein Elektro- /Hybridfahrzeug sein.

Description

EINLEITUNG
Lithiumionenbatterien beschreiben eine Klasse von wiederaufladbaren Batterien, in denen Lithiumionen sich zwischen einer negativen Elektrode (d.h. Anode) und der positiven Elektrode (d. h. Kathode) bewegen. Flüssige und Polymer-Elektrolyte können die Bewegung von Lithiumionen zwischen der Anode und der Kathode erleichtern. Lithiumionenbatterien erfreuen sich aufgrund ihrer hohen Energiedichte und ihrer Fähigkeit aufeinanderfolgende Auflade- und Entladezyklen zu durchlaufen, für den Einsatz in Verteidigungs-, Automobil-, und Raumfahrtanwendungen immer größerer Beliebtheit.
KURZDARSTELLUNG
Es wird eine Lithiumbatteriezelle bereitgestellt, die folgendes umfasst: ein Elektrolyt, eine innerhalb des Elektrolyten angeordnete Anode, einschließlich eines eine Länge aufweisenden Stromkollektors, wobei die Länge ein erstes Ende und ein zweites Ende definiert, eine Breite, ein auf dem Stromkollektor der Anode zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende angeordnetes Anoden-Hostmaterial, eine erste Lasche, die sich vom ersten Ende erstreckt und eine zweite Lasche, die sich von dem zweiten Ende erstreckt, und eine innerhalb des Elektrolyten angeordnete Kathode, einschließlich eines eine Länge aufweisenden Stromkollektors, wobei die Länge ein erstes Ende und ein zweites Ende definiert, eine Breite, ein kathodenaktives Material, das auf dem Stromkollektor der Kathode zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende angeordnet ist, eine erste Lasche, die sich vom ersten Ende und erstreckt und eine zweite Lasche, das sich vom zweiten Ende erstreckt und ein erster Kathoden-Elektronenwiderstand, der sich vom ersten Ende längs nach innen erstreckt. Die Anode kann weiterhin einen zweiten Anoden-Elektronenwiderstand beinhalten, der sich vom zweiten Ende der Anode und/oder von einem zweiten Kathoden-Elektronenwiderstand vom zweiten Ende der Kathode in Längsrichtung nach innen erstreckt. Die erste Lasche der Kathode kann zur zweiten Lasche der Kathode asymmetrisch sein, und/oder die erste Lasche der Anode kann zur zweiten Lasche der Anode asymmetrisch sein. Der erste Anoden-Elektronenwiderstand kann sich näher an der Mitte der Breite des ersten Endes der Anode befinden als das erste Ende der Anode und/oder der ersten Kathoden-Elektronenwiderstand kann sich näher an der Mitte der Breite des ersten Endes der Kathode befinden als die erste Lasche der Kathode. Der erste Anoden-Elektronenwiderstand kann sich neben der ersten Lasche der Anode und/oder der erste Kathoden-Elektronenwiderstand kann sich neben der ersten Lasche der Kathode befinden. Der erste Anoden-Elektronenwiderstand und/oder der erste Kathoden-Elektronenwiderstand können einen Schlitz im Anoden-Stromkollektor bzw. im Kathoden-Stromkollektor beinhalten. Der erste Anoden-Elektronenwiderstand und/oder der erste Kathoden-Elektronenwiderstand können einen Bereich mit im Wesentlichen keinem Anoden- bzw. Kathoden-Hostmaterial beinhalten. Der erste Anoden-Elektronenwiderstand und/oder der erste Kathoden-Elektronenwiderstand können über eine Laser-Ablation oder Metallklingenkerben des Anoden- bzw. Kathoden-Hostmaterials geformt werden. Die Anode und Kathode können so gestapelt werden, dass ihre entsprechenden Längen-Breiten-Ebenen im Wesentlichen eben mit dem ersten Ende der Anode nah dem ersten Ende der Kathode sind und der erste Anoden-Elektronenwiderstand kann sich zwischen der ersten Lasche der Anode bzw. und der ersten Lasche der Kathode befinden und/oder erste Kathoden-Elektronenwiderstand kann sich zwischen der ersten Lasche der Anode bzw. und der ersten Lasche der Kathode befinden. Die erste Lasche der Kathode kann zur zweiten Lasche der Kathode symmetrisch sein, und/oder die erste Lasche der Anode kann zur zweiten Lasche der Anode symmetrisch sein.
Es wird ein Batteriepaket bereitgestellt, einschließlich einer Vielzahl von Anoden, worin jede Anode Folgendes beinhaltet: eine Anodenlänge, wobei die Anodenlänge ein erstes Ende der Anode und ein zweites Ende der Anode definiert, eine Anodenbreite, eine erste Anodenlasche, die sich vom ersten Ende der Anode erstreckt, und eine zweite Anodenlasche, die sich vom zweiten Ende der Anode erstreckt, eine Vielzahl von Kathoden, worin jede Kathode Folgendes beinhaltet: eine Kathodenlänge, wobei die Kathodenlänge ein erstes Ende der Kathode und ein zweites Ende der Kathode definiert, eine Kathodenbreite, eine erste Kathodenlasche, die sich aus dem ersten Ende der Kathode erstreckt, und eine zweite Kathodenlasche, die sich aus dem zweiten Ende der Kathode erstreckt, ein erster Kathoden-Elektronenwiderstand, der sich vom ersten Ende in Längsrichtung nach innen erstreckt, und ein zweiter Kathoden-Elektronenwiderstand, der sich vom zweiten Ende in Längsrichtung nach innen erstreckt, eine Sammelschiene der Anode, welche die Vielzahl der ersten und zweiten Anodenlaschen mit einem Minuspol verbindet und eine Sammelschiene der Kathode, welche die Vielzahl der ersten und zweiten Kathodenlaschen mit einem Pluspol verbindet. Die Anoden und Kathoden können so gestapelt werden, dass ihre jeweiligen Längen-Breiten-Ebenen im Wesentlichen eben sind. Jeder der Anoden-Elektronenwiderstände und der zweite Anoden-Elektronwiderstand eine Länge aufweisen kann, die weniger als die Hälfte der Anodenlänge ist und jeder der ersten Kathoden-Elektronenwiderstände und der zweite Kathoden-Elektronenwiderstand eine Länge aufweisen, die weniger als die Hälfte der Länge der Kathode ist. Jede der ersten Anoden-Elektronenwiderstände, der zweiten Anoden-Elektronenwiderstände, der ersten Kathoden-Elektronenwiderstände und der zweite Kathoden-Elektronenwiderstände kann ein Schlitz sein. Eine oder mehrere der Anoden und der Kathoden können in der Mitte der Längsmitte dicker sein. Das Batteriepaket kann ein Lithium-Batteriepaket sein. Das Batteriepaket kann eine Stromquelle für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug sein. Jede der Anoden kann ein Längen-Breiten-Verhältnis von mindestens 2 und die Kathode kann ein Längen-Breiten-Verhältnis von mindestens 2 aufweisen.
Es wird ein Batteriepaket für ein elektrisches oder Hybridfahrzeug bereitgestellt, umfassend eine Mehrzahl von gestapelten Batteriezellen, worin jede Zelle eine Anode beinhaltet, einschließlich einer Länge, wobei die Länge ein erstes und ein zweites Ende, eine Breite, eine vom ersten Ende hervortretende Lasche, eine zweite Anodenlasche, die aus dem zweiten Ende der Anode hervortritt, ein erster Anoden-Elektronenwiderstand, der sich vom ersten Ende in Längsrichtung nach innen erstreckt und ein zweiter Anoden-Elektronenwiderstand, der sich vom zweiten Ende in Längsrichtung nach innen erstreckt, und eine im Elektrolyt befindliche Kathode einschließlich einer Länge, wobei die Länge ein erstes und ein zweites Ende definiert, eine Breite, eine erste Lasche, die sich aus dem ersten Ende erstreckt, eine zweite Kathodenlasche, die sich vom zweiten Ende erstreckt, ein erster Kathoden-Elektronenwiderstand, der sich vom ersten Ende in Längsrichtung nach innen erstreckt, und ein zweiter Kathoden-Elektronenwiderstand, der sich vom zweiten Ende in Längsrichtung nach innen erstreckt, worin die erste Lasche jeder Anode die zweite Lasche von mindestens einer weiteren Anode überlappt und berührt, die erste Lasche jeder Kathode überlappt und berührt die erste Lasche einer weiteren Kathode, und die zweite Lasche jeder Kathode überlappt und berührt die zweite Lasche einer weiteren Kathode, und worin jede Anode ein Längen-Breitenverhältnis von mindestens 1 und jede Kathode ein Längen-Breiten-Verhältnis von mindestens 1 hat. Jede der ersten Anoden-Elektronenwiderstände, der zweiten Anoden-Elektronenwiderstände, der ersten Kathoden-Elektronenwiderstände und der zweite Kathoden-Elektronenwiderstände kann ein Schlitz sein. Die Batteriezelle kann eine Lithiumbatteriezelle sein.
Weitere Zwecke, Vorteile und neuartige Merkmale der Ausführungsbeispiele ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste

1 veranschaulicht eine Lithiumbatteriezelle gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
2 veranschaulicht ein schematisches Diagramm eines Hybrid-Elektrofahrzeugs gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
3A ist eine Draufsicht auf eine Elektrode gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
3B veranschaulicht eine Draufsicht auf eine Elektrode gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
4A veranschaulicht eine schematische Seitenansicht eines Batteriepakets gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
4B veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines Batterie-Separators und einer Vielzahl von Anoden und einer Vielzahl von Kathoden gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; und
4C veranschaulicht eine Draufsicht eines Batteriepakets gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; einige Merkmale können größer oder kleiner dargestellt sein, um die Einzelheiten bestimmter Komponenten zu veranschaulichen. Folglich sind die hierin offenbarten aufbau- und funktionsspezifischen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachleuten die verschiedenen Arten und Weisen der Nutzung der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Wie der Fachleute verstehen, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die dargestellten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen und Implementierungen erwünscht sein.
1 veranschaulicht eine Lithiumbatteriezelle 10, die eine negative Elektrode (d. h. die Anode) 11, eine positive Elektrode (d. h. die Kathode) 14, einen Elektrolyten 17, der operativ zwischen der Anode 11 und der Kathode 14 angeordnet ist, und einen Separator 18 umfasst. Die Anode 11, Kathode 14 und der Elektrolyt 17 kann im Behälter 19 eingeschlossen sein, bei dem es sich zum Beispiel um einen harten (z. B metallischen) Kasten oder eine weiche (z. B. Polymer) Tasche handeln kann. Die Anode 11 und die Kathode 14 befinden sich an gegenüberliegenden Seiten des Separators 18, der ein mikroporöses Polymer oder ein anderes geeignetes Material umfassen kann, welches in der Lage ist, Lithiumionen und gegebenenfalls auch Elektrolyte (d.h. flüssige Elektrolyte) zu leiten. Zum Beispiel kann der Elektrolyt ein Polymer oder eine flüssige elektrolytische Lösung umfassen. Flüssige Elektrolyten 17 können unter anderem auch LiPF6, LiBF4 und LiClO4 umfassen, die in einem nicht wässrigen Lösungsmittel aufgelöst sind. Polymer-Elektrolyten 17 können ein oder mehrere Polymere, wie unter anderem auch Polyethylenoxid (PEO) oder Polyacrylnitril, oder ein oder mehrere Lithiumsalze, wie unter anderem auch LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiSICON oder LiPON beinhalten. Die Anode 11 beinhaltet im Allgemeinen einen Stromkollektor 12 und ein darauf aufgetragenes Lithium-Einlagerungs-Hostmaterial 13. Die Kathode 14 beinhaltet im Allgemeinen einen Stromkollektor 15 und ein darauf aufgetragenes lithiumbasiertes aktives Material 16. In einem Beispiel umfasst Anode 11 Lithium. In einer Ausführungsform umfasst Anode 11 Lithium und Kathode 14 umfasst Schwefel. Das aktive Material 16 kann Lithiumionen zum Beispiel bei einem höheren elektrischen Potenzial als das Einlagerungs-Hostmaterial 13 speichern. Die den zwei Elektroden zugeordneten Stromkollektoren 12 und 15 sind durch eine unterbrechbare externe Schaltung verbunden, die den Fluss von elektrischem Strom zwischen den Elektroden ermöglicht, um die Migration der Lithium-Ionen elektrisch auszubalancieren. Obwohl 1 das Hostmaterial 13 und das aktive Material 16 der Übersichtlichkeit halber auf schematische Art und Weise veranschaulicht, können das Hostmaterial 13 und das aktive Material 16 eine jeweils exklusive Schnittstelle zwischen der Anode 11 und der Kathode 14 und den Elektrolyt 17 umfassen.
Das Hostmaterial 13 kann jedes Lithium-Hostmaterial beinhalten, das die Interkalation, Deinterkalation und die Legierung von Lithiumionen ausreichend unterstützt und dabei als Minuspol der Lithium-Ionen-Batterie 10 fungiert. Das Hostmaterial 13 kann auch ein Polymer-Bindemittel beinhalten, um das Lithium-Hostmaterial strukturell zusammenzuhalten. Zum Beispiel kann das Hostmaterial 13 in einer Ausführungsform Graphit beinhalten, welches mit einem oder mehreren aus Polyvinyldienfluorid (PVdF), einem Ethylenpropylendienmonomer (EPDM)-Gummi, Carboxymethoxylcellulose (CMC), und Styrol, 1,3-Butadienpolymer (SBR) vermischt ist. Graphit und kohlenstoffhaltige Materialien werden zur Bildung der negativen Elektrode gern verwendet, da er wünschenswerte Eigenschaften bei der Interkalation und Deinterkalation von Lithiumionen aufweist, relativ nicht-reaktiv ist und Lithiumionen in Mengen speichern kann, die eine relativ hohe Energiedichte ergeben. Andere Materialien können auch verwendet werden, um das Hostmaterial 13 auszubilden, zum Beispiel unter anderem auch eines oder mehrere aus Lithiumtitanat, Silizium, Siliziumoxid, Zinn und Zinnoxid. Der Stromkollektor 12 der Anode kann unter anderem auch Kupfer, Aluminium, rostfreien Stahl und sonstige geeignete elektrisch leitende Materialien, die dem Fachmann bekannt sind, beinhalten. Der Stromkollektor 12 der Anode kann mit elektrisch hochleitfähigen Materialien behandelt (z. B. beschichtet) werden. Dazu gehört unter anderem auch eines oder mehrere aus leitfähigem Ruß, Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern, Graphen und Vapor Growth Carbon Fiber (VGCF).
Das aktive Material 16 kann jedes lithiumbasierte aktive Material beinhalten, welches in ausreichendem Maße in der Lage ist, einer Lithium-Interkalation und Deinterkalation unterzogen zu werden während es als der Pluspol der Batteriezelle 10 fungiert. Das aktive Material 16 kann auch ein Polymer-Bindemittel beinhalten, um das aktive Material auf Lithiumbasis strukturell zusammenzuhalten. Eine gemeinsame Klasse bekannter Materialien, die zur Herstellung des aktiven Materials 16 verwendet werden können, sind geschichtete Lithium-Übergangsmetall-Oxide. In verschiedenen Ausführungsformen kann das aktive Material 16 zum Beispiel ein oder mehrere aus den Folgenden umfassen: Spinel-Lithium-Manganoxid (LiMn2O4), Lithium-Cobaltoxid (LiCoO2), ein Nickel-Mangan-Cobaltoxid [Li(NixMnyCoz)O2], oder ein Lithium-Eisen-Polyanionoxid, wie Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) oder Lithium-Eisen-Fluorophosphat (Li2FePO4F) welches mit mindestens einem aus dem Folgenden vermischt ist: Polyvinyl-Dien-Fluorid (PVdF), ein Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Carboxy-Methoxyl-Cellulose (CMC), und Styrol, 1,3-Buta-Dien-Polymer (SBR). Andere aktive Materialien auf der Basis von Lithium können ebenfalls verwendet werden. Diese alternativen Materialien beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf, Lithium-Nickeloxid (LiNiO2), Lithium-Aluminium-Manganoxid (LixAlyMn1-yO2) und Lithium-Vanadiumoxid (LiV2O5), um nur einige zu nennen. Der Stromkollektor 15 der Kathode kann Aluminium oder jedes andere geeignete elektrisch leitende Material beinhalten, das dem Fachmann bekannt ist, und in einer Folie und einer Gitterform ausgebildet werden kann. Der Stromkollektor 15 der Kathode kann mit elektrisch hochleitfähigen Materialien behandelt (z. B. beschichtet) werden. Dazu gehört unter anderem auch eines oder mehrere aus leitfähigem Ruß, Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern, Graphen und Vapor Growth Carbon Fiber (VGCF).
Jede entsprechende Elektrolytlösung, die Lithiumionen zwischen der Anode 11 von der Kathode 14 leiten kann, kann in der Batteriezelle 10 verwendet werden. In einer Ausführungsform kann die Elektrolytlösung eine nichtwässrige, flüssige Elektrolytlösung sein, die ein Lithiumsalz gelöst in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln beinhaltet. Fachleuten sind die vielen nichtwässrigen flüssigen Elektrolytlösungen geläufig, die in der Batteriezelle 10 verwendet werden können, ebenso wie sie herzustellen und im Handel zu erwerben sind. Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein können, um die nichtwässrige, flüssige Elektrolytlösung zu bilden, beinhaltet LiClO4, LiAlCl4, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF4, LiB(C6H5)4 LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiPF6 und Kombinationen davon. Diese und ähnliche Lithiumsalze können unter anderem in einer Reihe von organischen Lösungsmitteln verwendet werden, beispielsweise: zyklischen Karbonaten (Ethylenkarbonat, Propylenkarbonat, Butylenkarbonat), azyklische Karbonaten (Dimethylkarbonat, Diethylkarbonat, Ethylmethylkarbonat), aliphatischen Karbonsäureestern (Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactonen (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Kettenstrukturethern (1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), zyklischen Ethern (Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran) und Mischungen aus diesen.
Der mikroporöse, polymere Separator 18 kann in einer Ausführungsform ein Polyolefin umfassen. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzelnen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein und kann entweder linear oder verzweigt sein. Wenn ein Heteropolymer, das von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, verwendet wird, kann das Polyolefin eine beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich solcher eines Blockcopolymers oder eines Randomcopolymers. Dasselbe gilt, wenn das Polyolefin ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist. In einer Ausführungsform kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder einer Mischung aus PE und PP sein. Der Separator 18 kann unter anderem gegebenenfalls mit Materialien die eines oder mehrerer aus den Folgenden beinhalten Beschichtung versehen werden: ketramikartiges Aluminiumoxid (z. B. Al₂O₃) und lithiierte zeolithartige Oxide. Lithiierte zeolithartige Oxide können die Sicherheit und Lebensdauer von Lithiumionenbatterien, wie der Batteriezelle 10, verbessern.
Der mikroporöse Polymerseparator 18 kann eine einzelne Schicht oder ein Mehrschicht-Laminat aus entweder einem trockenen oder nassen Verfahren sein. So kann beispielsweise in einer Ausführungsform eine einzelne Schicht des Polyolefins die Gesamtheit des mikroporösen Polymerseparators 18 bilden. Als weiteres Beispiel kann der mikroporöse polymere Separator 18 jedoch auch aus mehreren getrennten Schichten des gleichen oder eines nicht ähnlichen Polyolefins zusammengesetzt sein. Der mikroporöse polymere Separator 18 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, wie zum Beispiel, jedoch nicht beschränkt auf, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF) und/oder ein Polyamid (Nylon). Die Schicht aus Polyolefin und beliebige andere gegebenenfalls vorhandene Polymerschichten können außerdem im mikroporösen polymeren Separator 18 als eine faserige Schicht enthalten sein, um den mikroporösen polymeren Separator 18 mit geeigneten Struktur- und Porositätscharakteristika auszustatten. Fachleuten auf dem Gebiet sind nicht nur die vielen zur Verfügung stehenden Polymere und handelsüblichen Produkte bekannt, aus denen der mikroporöse Polymerseparator 18 hergestellt werden kann, sondern auch die vielen Verfahren, die eingesetzt werden können, um den mikroporösen Polymerseparator 18 herzustellen.
Die Batteriezelle 10 wird im Allgemeinen durch den reversiblen Fluss von Lithiumionen zwischen der Anode 11 und der Kathode 14 betrieben. Lithiumionen bewegen sich während des Ladevorgangs von der Kathode 14 zur Anode 11 und von der Anode 11 zur Kathode 14 während des Entladevorgangs. Zu Beginn einer Entladung enthält die Anode 11 eine hohe Konzentration von eingelagerten Lithiumionen während die Kathode 14 mehr oder weniger aufgebraucht ist und das Einrichten einer geschlossenen externen Schaltung zwischen der Anode 11 und der Kathode 14 veranlasst die eingelagerten Lithiumionen unter derartigen Umständen aus der Anode 11 extrahiert zu werden. Die extrahierten Lithiumionen werden in Lithiumionen und Elektronen aufgespalten, während sie einen Einlagerungshost am Übergang von der Elektrode zum Elektrolyt verlassen. Die Lithiumionen werden durch die Mikroporen des Separators 18 von der Anode 11 zur Kathode 14 durch den ionisch leitfähigen Elektrolyt 17 getragen, während die Elektronen gleichzeitig durch die externe Schaltung von der Anode 11 zur Kathode 14 übertragen werden, um die elektrochemische Zelle insgesamt auszugleichen. Der Elektronenfluss durch die externe Schaltung kann genutzt werden und solange in eine Aufladevorrichtung gespeist werden, bis das Niveau des in der negativen Elektrode eingelagerten Lithiums unterhalb eines Mindestniveaus fällt, oder falls kein Bedarf an Energie mehr besteht. Die Pfeile zeigen an, dass der Strom aus der Anode 11 herausfließt und dass der Strom in die Kathode 14 hineinfließt, weswegen die Batteriezelle 10 als sich in einem Aufladezustand befindlich gezeigt wird.
Die Batteriezelle 10 kann nach einer teilweisen oder vollen Entladung ihrer verfügbaren Kapazität wieder aufgeladen werden. Zum Aufladen oder die erneute Versorgung mit Strom der Lithiumionen-Batteriezelle wird eine externe Stromquelle (nicht dargestellt) an die positive und die negative Elektrode angeschlossen, um die elektrochemischen Reaktionen der Batterieentladung in umgekehrter Reihenfolge wieder auszuführen. Das bedeutet dass die externe Stromquelle während des Aufladens die in der Kathode 14 vorhandenen Lithiumionen extrahiert, um Lithiumionen und Elektronen zu produzieren. Die Lithiumionen werden durch den Separator durch die Elektrolytlösung zurückgetragen, und die Elektronen werden durch die externe Schaltung zurückgetrieben, beide Male in Richtung der Anode 11. Die Lithiumionen und die Elektronen und werden schließlich an der negativen Elektrode wieder zusammengeführt, wodurch in dieser wieder Lithium zum zukünftigen Entladen der Batteriezelle eingelagert wird.
Die Lithiumionenbatteriezelle 10, oder ein Batteriemodul oder Paket, welches eine Vielzahl von Batteriezellen 10 umfasst, die in Reihe und/oder parallel geschaltet sind, können verwendet werden, um eine zugeordnete Aufladevorrichtung reversibel mit Strom und Energie zu versorgen. Lithiumionenbatterien können unter anderem auch in verschiedenen elektronischen Verbrauchervorrichtungen (z. B., Laptop-Computer, Kameras, und Mobiltelefone/Smartphones), militärischer Elektronik (z. B., Radios Minendetektoren, und thermische Waffen), Flugzeugen, und Satelliten verwendet werden. Lithiumionenbatterien, Module und Pakete können in ein Fahrzeug, wie ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV), ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug (BEV), ein Plug-In HEV., oder ein Elektrofahrzeug mit erweiterter Reichweite (EREV) integriert werden, um genügend Strom und Energie zu erzeugen, um ein oder mehrere Systeme des Fahrzeugs zu betreiben. Zum Beispiel können Batteriezellen, Module und Pakete in Kombination mit einem Benzin- oder Diesel-Verbrennungsmotor verwendet werden, um das Fahrzeug anzutreiben (wie in Hybrid-Elektrofahrzeuge), oder kann alleine verwendet werden, um das Fahrzeug anzutreiben (wie in batteriebetriebenen Fahrzeugen).
2 veranschaulicht ein schematisches Diagramm eine Hybrid-Elektrofahrzeugs 1 einschließlich eines Batteriepakets 20 und zugehörigen Komponenten. Ein Batteriepaket, wie das Batteriepaket 20 kann eine Vielzahl von Batteriezellen 10 beinhalten. Eine Vielzahl von Batteriezellen 10 können parallel verbunden sein, um eine Gruppe zu bilden, und eine Vielzahl von Gruppen kann zum Beispiel in Serie geschaltet sein. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird verstehen, dass jede Anzahl an Batteriezellen Verbindungskonfigurationen beim Verwenden der hierin verwendeten Batteriezellen-Architekturen praktikabel ist, und wird ferner erkennen, dass Fahrzeuganwendungen sich nicht auf die beschriebene Fahrzeug-Architektur beschränken. Das Batteriepaket 20 kann einem Wechselrichter 2 Energie bereitstellen, der die Gleichstrom (DC)-Batteriespannung zu einem dreiphasigen Wechselstrom (AC)-Signal umwandelt, welches von einem Antriebsmotor 3 verwendet wird, um das Fahrzeug 1 anzutreiben. Ein Motor 5 kann verwendet werden, um einen Generator 4 anzutreiben, welcher wiederum Energie bereitstellen kann, um das Batteriepaket 20 über den Inverter 2 erneut aufzuladen. Externer (z. B. Gitter) Strom kann auch verwendet werden, um das Batteriepaket 20 über eine zusätzliche Schaltung (nicht dargestellt) erneut aufzuladen. Der Motor 5 kann zum Beispiel einen Benzin- oder Dieselmotor umfassen.
3A veranschaulicht eine Draufsicht einer exemplarischen Elektrode 30, die sich zum Verwenden in der Anode 11 und/oder der Kathode 14 eignet. Die Elektrode 30 ist durch eine Breite W und eine Länge L gekennzeichnet, wobei die Letztere ein erstes Ende 31 und ein zweites Ende 32 definiert. Die Länge L und die Breite W definieren zum Beispiel eine obere Seite und eine untere Seite. In dem Umfang, in dem die Länge L und die Breite W Abmessungen der Elektrode 30 beschrieben werden, sind sie entweder auf einen Stromkollektor oder einen Stromkollektor in Verbindung mit einer dementsprechenden Beschichtung (zum Beispiel ein Lithium-Einlagerungs-Hostmaterial oder ein lithiumbasiertes aktives Material) anwendbar, da, wenn die Letztere auf das Erstere aufgetragen wird, wird diese im Wesentlichen so verarbeitet, dass sie über dieselben Längen- und BreitenAbmessungen verfügt. Die Elektrode 30, wie durch die Länge L und die Breite definiert, wird als ein Rechteck veranschaulicht, aber andere Formen, wie ovale Formen, sind praktikabel, worin die Länge L zum Beispiel eine durchschnittliche Länge und die Breite W eine durchschnittliche Breite umfasst.
Die Elektrode 30 umfasst ferner eine erste Lasche 33, die sich vom ersten Ende 31 erstreckt und eine zweite Lasche 34, die sich vom zweiten Ende 32 erstreckt. Insbesondere erstrecken sich die ersten Lasche 33 und zweite Lasche 34 von der Elektrode 30 des Stromkollektors und sind damit elektrisch verbunden. Eine Lasche kann als ein Abschnitt einer Elektrode definiert werden, der zum Beispiel kein aktives Material oder kein Hostmaterial beinhaltet. Die erste Lasche 33 und die zweite Lasche 34 können dasselbe oder ein ähnliches Konstruktionsmaterial wie die Elektrode 30 des Stromkollektors oder jedes andere geeignete elektrisch leitfähige Material umfassen. Eine Breite der ersten Lasche 33 und der zweiten Lasche 34 kann, wie nachfolgend beschrieben werden wird, kleiner als die Breite W der Elektrode 30 ausfallen. Die Elektrode 30 (einschließlich der ersten Lasche 33 in der zweiten Lasche 34) kann zum Beispiel aus einer einteiligen Konstruktion bestehen. Die erste Lasche 33 und die zweite Lasche 34 können im Allgemeinen einander gegenüberliegen, und können, wie in 3A dargestellt, am ersten Ende 31 und am zweiten Ende 32 symmetrisch angeordnet sein. Alternativ, wie in 3B dargestellt, kann die erste Lasche 33 und die zweite Lasche 34 symmetrisch am ersten Ende 31 und am zweiten Ende 32 angeordnet sein, zum Beispiel um das Verpacken der die mehreren Batteriezellen einschließenden Elektrode 30 zu ermöglichen und/oder um die elektrischen Eigenschaften verbessern.
Wie in 3A und 3B dargestellt, umfasst die Elektrode 30 des Weiteren einen ersten Elektronenwiderstand 35 und optional einen zweiten Elektronen-Widerstand 36. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet die Elektrode 30 einen ersten Elektronen-Widerstand 35 und einen zweiten Elektron-Widerstand 36. Elektron-Widerstände verteilen die Stromdichte vorteilhaft in einer Elektrode, indem sie den kürzesten Strömungsweg von Elektronen unterbrechen, die sich durch die Elektrode bewegen. Dementsprechend verbessern Elektronen-Widerstände die Stromverteilung durch eine Elektrode. Ein Elektronenwiderstand umfasst eine Bereich, in dem Elektronenfluss eingeschränkt oder nur minimal möglich ist. Bei einigen Ausführungsformen umfasst ein Elektronen-Widerstand einen Schlitz. In einer besonderen Ausführungsform umfasst einen Elektronen-Widerstand einen Schlitz im Stromkollektor einer Elektrode. Bei einigen Ausführungsformen umfasst ein Elektronenwiderstand einen Bereich des Stromkollektors in dem kein oder im Wesentlichen kein aktives Material oder Hostmaterial vorhanden ist. Bei derartigen Ausführungsformen kann der Elektronenwiderstand über Laserablation oder Metallklingenkerben des aktiven oder Hostmaterials von der Elektrode geformt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Elektrode in der Nähe der Längenmitte der Elektrode dicker sein, um die erhöhte Stromdichte aufzunehmen, die von einem oder mehreren Elektronenwiderständen induziert wird.
Der erste Elektronenwiderstand 35 kann sich vom ersten Ende 31 in Längsrichtung nach innen und der zweite Elektronenwiderstand 36 kann sich vom ersten Ende 32 in Längsrichtung nach innen erstrecken. Wie in 3B für Elektroden mit asymmetrischen Laschen dargestellt, kann der Elektronenwiderstand einer entsprechenden Elektrodenseite sich näher bei der Mitte der Breite der Elektrode befinden, als die jeweilige Lasche. Bei einigen Ausführungsformen kann sich ein Elektronenwiderstand neben der Elektronenlasche der gleichen Elektrodenseite befindet. So kann zum Beispiel der erste Elektronenwiderstand 35 neben der ersten Elektrodenlasche 33 und/oder der zweite Elektronenwiderstand 36 kann neben der zweiten Elektrodenlasche 34 angeordnet sein. Die Position eines Elektronenwiderstands an einer Elektrode kann von der Ausrichtung der Anoden-/Kathodenpaare in einer Batteriezelle bestimmt werden. Insbesondere die Anode und Kathode können so gestapelt werden, dass ihre entsprechende Längen-Breiten-Ebenen im Wesentlichen eben sind und mit dem ersten Ende der Anode in der Nähe des ersten Endes der Kathode angeordnet sind. Bei solchen Ausführungsformen kann der Elektrodenwiderstand der Anode und/oder der Kathode so angeordnet sein, dass er sich zwischen der ersten Lasche der Anode bzw. der ersten Lasche befindet. Desgleichen kann der zweite Elektrodenwiderstand der Anode und/oder der Kathode so angeordnet sein, dass er sich zwischen der zweiten Lasche der Anode bzw. der zweiten Lasche befindet.
Die Elektronenwiderstände können unterschiedliche Formen und Längen aufweisen. Wie in 3A dargestellt, kann der Elektronenwiderstand rechteckig oder im Wesentlichen rechteckig sein. Wie in 3B dargestellt, können Elektronenwiderstände dreieckig sein. Andere Formen und Konfigurationen von Elektronenwiderständen sind ähnlich praktisch, wie für jeden Fachmann verständlich ist, nachdem diese Offenbarung geprüft wurde. Bei einigen Ausführungsformen ist die Länge der Elektronenwiderstände weniger als die Hälfte der Elektrodenlänge. Bei einigen Ausführungsformen, worin zwei Elektronenwiderstände einer gemeinsamen Elektrode asymmetrisch sind, können die Längen der Elektronenwiderstände die halbe Elektrodenlänge überschreiten.
4A veranschaulicht eine schematische Seitenansicht eines Batteriepakets 20, welches eine Vielzahl von Anoden 11 und Kathoden 14 umfasst, die jeweils durch einen Separator 18 isoliert sind. Anoden 11 und Kathoden 14 werden der Übersichtlichkeit wegen ohne Elektronen-Widerstand 35 und 36 dargestellt. Das Batteriepaket 20 kann eine Vielzahl von Batteriezellen 10 umfassen, worin jede Batteriezelle 10 eine Anode 11 und eine Kathode 14 umfasst. Im Allgemeinen trifft dies auf jede der Anoden 11 und der Kathoden 14, oder alternativ auf jede Batteriezelle 10 zu, sodass die Längen-Breiten-Ebenen jeder Elektrode im Wesentlichen parallel (d.h. innerhalb von 10 Grad) angeordnet sind. Solch eine gestapelte Ausrichtung stellt im Gegensatz zu anderen Elektrodenkonfigurationen Festigkeit und thermische Vorteile bereit, wie gewickelte oder spulenartige Elektroden des sog. „Jelly-Roll-Typs“. In einigen Ausführungsformen kann eine Batteriezelle 10 oder eine Vielzahl von Anoden 11 und Kathoden 14 einen Separator 18' des Z-Typs, wie in 4B dargestellt, verwenden. Der einzige Separator 18' des Z-Typs kann einmal oder eine Vielzahl von Malen gefaltet sein, um eine oder eine Vielzahl von Anoden 11 und Kathoden 14 anzunehmen. Insbesondere bilden die eine oder eine Vielzahl von Falten eine Vielzahl von Teilabschnitten des Separators 18', worin jeder Teilabschnitt zwischen zwei Elektroden (z. B. zwischen einer Anode 11 und einer Kathode 14) positioniert sein kann. Für jede Anzahl an Falten n umfasst der Separator 18' n+1 Teilabschnitte. Separatoren, wie Separator 18' können zum Beispiel den Wirkungsgrad der Herstellung verbessern.
Eine Vielzahl von Kathoden 14 kann am ersten Ende 31 mit der Batterie über eine erste Stromschiene 33' der Kathode und am zweiten Ende 32 der Batterie über eine zweite Stromschiene 34' der Kathode elektrisch verbunden sein. Eine Vielzahl von Anoden 11 kann am ersten Ende 31 der Batterie über eine erste Stromschiene 33" der Anode und am zweiten Ende 32 der Batterie über eine zweite Stromschiene 34" der Anode elektrisch verbunden werden. Jede Stromschiene kann mit verschiedenen Elektroden über die jeweilige Lasche der Elektrode elektrisch verbunden werden. Insbesondere kann eine erste Stromschiene 33' der Kathode mit einer Kathodenlasche oder einer Vielzahl von ersten Kathodenlaschen 33C am ersten Ende 31 der Batterie verbunden werden und die zweite Stromschiene 34' der Kathode kann mit einer Kathodenlasche oder einer Vielzahl von zweiten Kathodenlaschen 34C am zweiten Ende der Batterie 32 verbunden werden. Auf ähnliche Weise kann eine erste Stromschiene 33" der Anode mit einer Anodenlasche oder einer Vielzahl von ersten Anodenlaschen 33A am ersten Ende 31 der Batterie verbunden werden und die zweite Stromschiene 34" der Anode kann mit einer Anodenlasche oder einer Vielzahl von zweiten Anodenlaschen 34A am zweiten Ende der Batterie 32 verbunden werden. Wie dargestellt, ist jede Stromschiene mit einer Vielzahl von sich innerhalb des Kastens 19 befindlichen Elektroden verbunden und erstreckt sich nach außen aus dem Kasten 19, um eine elektrische Verbindung zu verschiedenen anderen Schaltungen (nicht dargestellt) herzustellen. In anderen Ausführungsformen können sich eine oder mehrere Zellenlaschen einer oder mehrerer Elektroden außerhalb des Kastens 19 erstrecken und eine Verbindung zu einer jeweiligen Stromschiene aufbauen. Die Stromschienen 33' und 34' stellen jeweils eine Verbindung zu einem entsprechenden Pluspol 37 der Batterie und die Stromschienen 33" and 34”stellen jeweils eine Verbindung zu einem entsprechenden Minuspol 38 der Batterie her. In einigen Ausführungsformen werden die Stromschienen 33' und 34' jeweils mit einem gemeinsamen Pluspol der Batterie (wie dargestellt) verbunden und/oder die Stromschienen 33" und 34" werden jeweils mit einem gemeinsamen Minuspol der Batterie (wie dargestellt) verbunden.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein Batteriepaket 20 eine Vielzahl von Anoden und eine Vielzahl von Kathoden und kann derart konfiguriert sein, dass eine oder mehrere aus der ersten Lasche jeder Anode sich mit der ersten Lasche mindestens einer anderen Anode überlappt und eine Verbindung damit eingeht, der zweiten Lasche jeder Anode sich mit der zweiten Lasche mindestens einer anderen Anode überlappt und eine Verbindung damit eingeht, der ersten Lasche jeder Kathode sich mit der ersten Lasche mindestens einer anderen Kathode überlappt und eine Verbindung damit eingeht, und der zweiten Lasche jeder Kathode sich mit der zweiten Lasche mindestens einer anderen Kathode überlappt und eine Verbindung damit eingeht. 4C veranschaulicht eine Draufsicht eines derartigen Batteriepakets 20, einschließlich einer Vielzahl von Anoden 11 und einer Vielzahl von Kathoden 14. 4C veranschaulicht ein Batteriepaket 20, welches drei Anoden 11 und drei Kathoden 14 zum alleinigen Zwecke der Veranschaulichung umfasst und nicht dazu dient, das Batteriepaket auf weniger als 3 Anoden 11 und Kathoden 14 oder mehr als drei Anoden 11 und Kathoden 14 zu beschränken. Wie veranschaulicht, beinhaltet jede der drei Anoden eine erste Lasche (31A*, 31A** und 31A***) der Anode und jede der drei Kathoden beinhaltet eine erste Lasche (31C*, 31C** und 31C***) der Kathode. Wie dargestellt, überlappen sich aufeinanderfolgende erste Laschen der Anode und überlappen sich aufeinanderfolgende erste Laschen der Kathode. Eine ähnliche Konfiguration ist am zweiten Ende 32 (nicht dargestellt) des Batteriepakets 20 praktikabel. In einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere erste Laschen der Anode sich mit einer Vielzahl anderer erster Laschen der Anode überlappen, und/oder eine oder mehrere erste Laschen der Kathode können sich mit einer Vielzahl von ersten Laschen der Kathode überlappen. Eine ähnliche Konfiguration ist am zweiten Ende 32 (nicht dargestellt) des Batteriepakets 20 praktikabel. Eine derartige Konfiguration erlaubt eine einfache und wirksame elektrische Verbindung der Batteriezellen 10 und lässt zu, dass die Laschen derart entworfen werden, dass sie die elektrische und thermische Leistung maximieren. Ferner können die sich überlappenden Laschen die Fertigung eines Batteriepakets 20 vereinfachen. Zum Beispiel können die Laschen laser- oder ultraschallgeschweißt sein. Sobald eine Vielzahl von Laschen zusammengeführt werden, kann eine Stromschiene mit einem einzelnen Punkt oder einer reduzierten Anzahl an Punkten elektrisch verbunden werden, um eine elektrische Verbindung mit dem Batteriepaket 20 herzustellen.
Das zweilaschige Design der Elektrode 30 in Kombination mit einem oder mehreren Elektronenwiderständen kann durch die Lithium-Metall-Batterien (z. B. Li-S-Batterien) und die Lithiumionenbatterien verwendet werden und diesen zahlreiche Vorteile verschaffen, einschließlich unter anderem eine verbesserte (d.h. gleichmäßigere) Stromverteilung, erhöhte Wärmeableitung, einen reduzierten Widerstand und ein reduziertes oder limitiertes Risiko einer Lithiumbeschichtung. Bei hohen Ladeströmen kann die Li+Ionen-Transportrate zu einer Anode zum Beispiel die Rate bei der Li+Ionen in der Lage sind, sich in das Anoden-Hostmaterial einzulagern, überschreiten. Bei hohen Ladeströmen kann die Li+Ionen-Transportrate zu einer Anode zum Beispiel die Rate bei der Li+Ionen in der Lage sind, sich in das Anode-Hostmaterial einzulagern, überschreiten. Dementsprechend können Li+ als metallisches Li abgelagert werden, da die Bedingungen einer Lithiumionenreduktion zu denen einer Einlagerung bevorzugt werden. Dieses Problem kann insbesondere während eines schnellen Aufladens bei hohen Stromstärken, beim Aufladen bei niedrigen Umgebungstemperaturen und bei verzögerten Lithiumionen-Bewegungen und bei regenerativem Bremsen in Fahrzeugen (d. h. die Energie wird vom Bremsen des Fahrzeugs erfasst und verwendet, um eine zugehörige Batterie, wie die Batterie 20 aufzuladen) besonders stark ausgeprägt sein. Die Lithiumbeschichtung kann die Leistung der Batterie beeinträchtigen und die Lebensdauer und Haltbarkeit der Batterie auf vielfältige Art und Weise verschlechtern. Insbesondere verursacht die Reduktion der freien Lithiumionen einen irreversiblen Kapazitätsverlust innerhalb einer Batteriezelle und das nicht homogene dendritische Beschichten kann einen Kurzschluss zwischen zwei gepaarten Elektronen verursachen. Insbesondere kann eine Lithiumbeschichtung durch eine ungleichmäßige Stromverteilung verursacht und verschärft werden. Die Vorteile der zweilaschigen Elektroden mit bestimmten Aspektverhältnissen, wie hierin beschrieben, ermöglichen höhere Auflade-/Entladespannungen (höherer Entldadestrom) mit minimalem oder reduziertem Risiko einer Lithiumbeschichtung.
Die zweilaschigen Elektroden (z. B. 30) und Batterien (z. B. Batteriezelle 10, Batteriepaket 20) einschließlich eines oder mehreren Elektronenwiderstände (z. B. 35, 36) sind besonders vorteilhaft, wenn die Elektrode sich durch einen hohen Längen-Breiten-Wirkungsgrad auszeichnet. Insbesondere können die Elektroden 30 Wirkungsgrade umfassen, die größer als 1 sind. In einigen Ausführungsformen umfassen die Elektroden 30 Wirkungsgrade, die größer als ca. 2 sind. In einigen Ausführungsformen umfassen die Elektroden 30 Wirkungsgrade, die größer als ca. 2,5 sind. In einigen Ausführungsformen umfassen Elektroden 30 Wirkungsgrade, die größer oder gleich etwa 3 sind. In einem Beispiel kann eine Elektrode 30 ein Aspektverhältnis von etwa 2,5 bis etwa 10 oder etwa 3 bis etwa 8 umfassen. In einem Beispiel kann eine Elektrode 30 des Stromkollektors eine Länge von etwa 300 mm bis etwa 600 mm und eine Breite von etwa 50 mm bis etwa 100 mm umfassen. In einer derartigen Ausführungsform kann der Stromkollektor eine Dicke von etwa bis etwa 0,03 mm oder etwa 0,005 mm bis etwa 0,025 mm umfassen. Wenn eine Elektrodenzusammensetzung (z. B. Anoden-Hostmaterial oder aktives Material der Kathode) auf die obere Seite der Elektrode und/oder die untere Seite der Elektrode aufgetragen wird, kann die Elektrode eine Gesamtdicke von bis zu etwa 0,5 mm oder etwa 0,05 mm bis etwa 0,5 mm umfassen.
Obwohl das zweilaschige Design die potentielle Energiedichte einer die Elektrode 30 einschließenden Batterie leicht reduziert, stellen die Abmessungen (d.h. Wirkungsgrad) der Elektrode 30 eine hohe Festigkeit und wirksame Wärmeableitung bereit, während die zwei Laschen verbesserte elektrische Eigenschaften, wie eine gleichmäßige Stromdichte bereitstellen. Elektronenwiderstände verbessern die Stromverteilung in Elektroden und Strom und liefern erhöhte Leistung und eine längere Lebensdauer der Elektronen. Ferner bietet die verlängerte Batterieform (d. h. optionale Elektroden mit hohem Wirkungsgrad) verbesserte Verpackungsaspekte in verschiedenen Anwendungen an, da eine einzelne Elektrode 30 in der Lage ist, zwei kleinere Elektroden zu ersetzen, die von einem Ende zum anderen Ende ausgerichtet sind und verringert den durch die Innenlaschen verursachten verschwendeten Raum.
Während oben exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen umfasst sind. Vielmehr dienen die in der Spezifikation verwendeten Worte der Beschreibung und nicht der Beschränkung und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht werden. Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden sein könnten, um Vorteile zu bieten oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Merkmale bevorzugt zu sein, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass ein oder mehrere Merkmale oder Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage usw. beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Daher sind Ausführungsformen, die nach dem Stand der Technik, in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen beschrieben sind, nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Lithiumbatteriezelle, umfassend: einen Elektrolyten; eine Anode, die innerhalb des Elektrolyten angeordnet ist und einen Stromkollektor einschließt, der das Folgende aufweist: eine Länge, wobei die Länge ein erstes Ende und ein zweites Ende definiert, eine Breite, ein auf dem Stromkollektor der Anode zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende angeordnetes Hostmaterial der Anoden, eine erste Lasche, die sich von dem ersten Ende erstreckt, eine zweite Lasche, die sich vom zweiten Ende erstreckt und einen ersten Anoden-Elektronenwiderstand, der sich vom ersten Ende in Längsrichtung nach innen erstreckt; und eine Kathode, die innerhalb des Elektrolyten angeordnet ist und einen Stromkollektor einschließt, der das Folgende aufweist: eine Länge, wobei die Länge ein erstes Ende und ein zweites Ende definiert, eine Breite, ein auf dem Stromkollektor der Kathode zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende angeordnetes aktives Material der Kathode, eine erste Lasche, die sich vom ersten Ende erstreckt und eine zweite Lasche, die sich vom zweiten Ende erstreckt und einem ersten Kathoden-Elektronenwiderstand, der sich vom ersten Ende in Längsrichtung nach innen erstreckt.
Batteriepaket, umfassend: eine Vielzahl von Anoden, worin jede Anode das Folgende beinhaltet: eine Anodenlänge, worin die Anodenlänge ein erstes Ende der Anode und ein zweites Ende der Anode definiert, eine Anodenbreite, eine erste Anodenlasche, die sich vom ersten Ende der Anode erstreckt und eine zweite Anodenlasche, die sich vom zweiten Ende der Anode erstreckt, einen ersten Anoden-Elektronenwiderstand, der sich vom ersten Ende in Längsrichtung nach innen erstreckt und einen zweiten Anoden-Elektronenwiderstand, der sich vom zweiten Ende in Längsrichtung nach innen erstreckt; eine Vielzahl von Kathoden, wobei jede Kathode das Folgende beinhaltet: eine Kathodenlänge, wobei die Kathodenlänge ein erstes Ende der Kathode und ein zweites Ende der Kathode definiert, eine Kathodenbreite, eine erste Kathodenlasche, die sich vom ersten Ende der Kathode erstreckt und eine zweite Kathodenlasche, die sich zweiten Ende der Kathode erstreckt, einen ersten Kathoden-Elektronenwiderstand, der sich vom ersten Ende in Längsrichtung nach innen erstreckt und einen zweiten Kathoden-Elektronenwiderstand, der sich vom zweiten Ende in Längsrichtung nach innen erstreckt; eine Sammelschiene der Anode, welche die Vielzahl der ersten Anodenlaschen und die Vielzahl der zweiten Anodenlaschen mit einem Minuspol verbindet; und eine Sammelschiene der Kathode, welche die Vielzahl der ersten Kathodenlaschen und die Vielzahl der zweiten Kathodenlaschen mit einem Pluspol verbindet; worin die Anoden und Kathoden so gestapelt werden können, dass ihre jeweiligen Längen-Breiten-Ebenen im Wesentlichen eben sind.
Batteriepaket für ein elektrisches oder Hybridfahrzeug, umfassend: eine Vielzahl von gestapelten Batteriezellen, jede Zelle umfassend: eine Anode mit einer Länge, wobei die Länge ein erstes Ende und ein zweites Ende definiert, eine Breite, eine erste Lasche, die sich vom ersten Ende der Anode erstreckt und eine zweite Lasche, die sich vom zweiten Ende der Anode erstreckt, einen ersten Anoden-Elektronenwiderstand, der sich vom ersten Ende in Längsrichtung nach innen erstreckt und einen zweiten Anoden-Elektronenwiderstand, der sich vom zweiten Ende in Längsrichtung nach innen erstreckt; und eine Kathode mit einer Länge, wobei die Länge ein erstes Ende und ein zweites Ende definiert, eine Breite, eine erste Lasche, die sich vom ersten Ende der Kathode erstreckt und eine zweite Lasche, die sich vom zweiten Ende der Kathode erstreckt, einen ersten Kathoden-Elektronenwiderstand, der sich vom ersten Ende in Längsrichtung nach innen erstreckt und einen zweiten Kathoden-Elektronenwiderstand, der sich vom zweiten Ende in Längsrichtung nach innen erstreckt; worin die erste Lasche jeder Anode sich mit der ersten Lasche mindestens einer anderen Anode überlappt und eine Verbindung damit eingeht, die zweite Lasche jeder Anode sich mit der zweiten Lasche mindestens einer anderen Anode überlappt und eine Verbindung damit eingeht, die erste Lasche jeder Kathode sich mit der ersten Lasche mindestens einer anderen Kathode überlappt und eine Verbindung damit eingeht, und die zweite Lasche jeder Kathode sich mit der zweiten Lasche mindestens einer anderen Kathode überlappt und eine Verbindung damit eingeht und worin jede Anode ein Längen-Breiten-Verhältnis von mindestens 1 aufweist und jede Kathode ein Längen-Breiten-Verhältnis von mindestens 1 aufweist.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die erste Lasche der Kathode zur zweiten Lasche der Kathode asymmetrisch ist, und/oder die erste Lasche der Anode zur zweiten Lasche der Kathode asymmetrisch ist.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der erste Anoden-Elektronenwiderstand sich näher an der Mitte der Breite des ersten Endes der Anode befindet als das erste Ende der Anode und/oder der erste Kathoden-Elektronenwiderstand sich näher an der Mitte der Breite des ersten Endes der Kathode befinden als die erste Lasche der Kathode befindet.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der erste Anoden-Elektronenwiderstand und/oder der erste Kathoden-Elektronenwiderstand jeweils einen Schlitz im Anoden-Stromableiter oder im Kathoden-Stromableiter umfasst.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der erste Anoden-Elektronenwiderstand und/oder der erste Kathoden-Elektronenwiderstand einen Bereich mit im Wesentlichen keinem Anoden- bzw. Kathoden-Hostmaterial umfasst.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Anode und Kathode so gestapelt werden können, dass ihre entsprechenden Längen-Breiten-Ebenen im Wesentlichen eben mit dem ersten Ende der Anode nah dem ersten Ende der Kathode sind, worin sich der erste Anoden-Elektronenwiderstand zwischen der ersten Lasche der Anode bzw. und der ersten Lasche der Kathode befindet und/oder erste Kathoden-Elektronenwiderstand sich zwischen der ersten Lasche der Anode bzw. und der ersten Lasche der Kathode befindet.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin jeder der ersten Anoden-Elektronenwiderstände und der zweite Anoden-Elektronenwiderstand eine Länge aufweist, die weniger als die Hälfte der Anodenlänge ist und jeder der ersten Kathoden-Elektronenwiderstände und der zweite Kathoden-Elektronenwiderstand eine Länge aufweisen, die weniger als die Hälfte der Länge der Kathode ist.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine oder mehrere der Anoden und Kathoden in der Nähe der Längenmitte dicker sind.