DE102018123910A1 - Batterie, insbesondere Lithium-Ionen Batterie - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie (1), bevorzugt Lithium-Ionen Batterie, umfassend eine Batteriezelle mit einer Kathodenschicht (2), eine Anodenschicht (3) und ein Elektrolyt (4) zum Bereitstellen eines Ionenübergangs zwischen der Kathodenschicht (2) und der Anodenschicht (3), ferner umfassend eine Heiz-Ableit-Schicht (6), wobei die Heiz-Ableit-Schicht (6) zum Ableiten von Ladung und zum separaten Beheizen des Elektrolyten (4) ausgebildet ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen Batterie, beispielsweise zur Verwendung als Traktionsbatterie eines Personenkraftfahrzeugs oder eines Lastwagens.
  • Stand der Technik
  • Lithium-Ionen Batterien, auch als Lithium-Ionen-Akkumulatoren bezeichnet, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie finden beispielsweise Einsatz bei der Energieversorgung elektrischer Geräte mit elektrischer Energie, etwa bei tragbaren Kleingeräten wie Laptops, Smartphones, sowie als Traktionsbatterien oder Hilfsbatterien in Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugen.
  • Es sind grundsätzlich zwei Typen von Lithium-Ionen Batterien bekannt, welche sich im Wesentlichen durch den verwendeten Elektrolyten unterscheiden. Einerseits finden als Elektrolyt flüssige Stoffe beziehungsweise Fluide in Lithium-Ionen Batterien Einsatz. Zum anderen sind Elektrolyte aus Feststoffen, sogenannte Festkörperelektrolyte zur Verwendung in Lithium-Ionen Batterien bekannt. Weiterhin ist auch die Kombination von Festkörperelektrolyt und Flüssigelektrolyt bekannt.
  • Die ionische Leitfähigkeit des Elektrolyten ist in hohem Maße temperaturabhängig. So sind Flüssigelektrolyte nicht unterhalb ihrer Gefriertemperatur verwendbar. Auch darüber ist der Wirkungsgrad einer Batterie mit Flüssigelektrolyt in hohem Maße von der Temperatur des Elektrolyten abhängig, da die Beweglichkeit der Ionen im Elektrolyt von der Temperatur des Elektrolyten abhängt.
  • Für Festkörperelektrolyte liegt das optimale Temperaturfenster deutlich über der Raumtemperatur, darum unterliegt ein nicht konditionierter Betrieb einer Lithium-Ionen Batterie unter normalen Umgebungsbedingungen Einschränkungen. Für Festkörperelektrolyte in Form von Polymeren ist 60°C eine typische Untergrenze des Temperaturfensters, ab der erst ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird.
  • Der Aufbau von Lithium-Ionen Batterien mit einem Festkörperelektrolyten und/oder einem Flüssigelektrolyten sowie hierzu verwendete Fertigungstechniken sind beispielsweise aus der DE 10 2016 213 159 A1 bekannt. Auf diesen bekannten Aufbau wird im Weiteren verwiesen.
  • Um den Elektrolyten der Batterie auf eine bevorzugte Temperatur anzuheben und in einem bevorzugten Temperaturfenster zu halten, ist es bekannt, Heizvorrichtungen an oder in der Batterie vorzusehen. Eine gängige Maßnahme ist das Beaufschlagen einer Kontaktfläche der Batterie mit einem vorbeiströmenden Temperierungsmedium, welches von außen kommend vorgeheizt durch einen an der beziehungsweise in der Batterie ausgebildeten Strömungskanal geleitet wird. Solche Systeme sind relativ träge, da das Temperierungsmedium erst extern erwärmt werden und von der externen Wärmequelle zu dem davon beabstandeten zu erwärmenden Element geleitet werden muss. Zudem müssen thermische Widerstände überwunden werden, bis die Wärme bei dem Elektrolyten ankommt. Letzteres gilt ebenso für außen an der Batterie aufgebrachte Heizfolien, welche ebenfalls bekannt sind.
  • Weiterführend sind Batterien bekannt, bei welchen eine Heizvorrichtung in der Batterie eigebracht ist, welche direkt in der Batterie Wärme abgibt. Solche Batterien beziehungsweise Batterieanordnungen sind beispielsweise aus der US 2003/0008205 A1 , der EP 3 203 573 A1 oder der DE 10 2016 213 159 A1 bekannt. Diese Anordnungen weisen jeweils eine separate Heizvorrichtung auf, mittels welcher im Inneren der Batterie der Elektrolyt beheizbar ist. Das Einbringen einer zusätzlichen Komponente, beispielsweise einer zusätzlichen Heizschicht, in einen Zellen-Schichtaufbau bedingt eine Verkomplizierung des Aufbaus der Zelle und somit der Batterie.
  • Darstellung der Erfindung
  • Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen Batterie, bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird durch eine Batterie, bevorzugt eine Lithium-Ionen Batterie, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.
  • Entsprechend wird eine Batterie, bevorzugt eine Lithium-Ionen Batterie, vorgeschlagen, umfassend eine Batteriezelle mit einer Kathodenschicht, einer Anodenschicht und einem Elektrolyten zum Bereitstellen eines Ionenübergangs zwischen der Kathodenschicht und der Anodenschicht. Erfindungsgemäß weist die Batterie eine Heiz-Ableit-Schicht auf, wobei die Heiz-Ableit-Schicht zum Ableiten von Ladung und zum separaten Beheizen des Elektrolyten ausgebildet ist.
  • Dadurch, dass die Batterie eine Heiz-Ableit-Schicht aufweist, wobei die Heiz-Ableit-Schicht zum Ableiten von Ladung und zum separaten Beheizen des Elektrolyten ausgebildet ist, kann ein Beheizen des Elektrolyten erfolgen, wenn über die Heiz-Ableit-Schicht kein Ableiten von Ladung erfolgt. Mit anderen Worten kann die Heiz-Ableit-Schicht entweder zum Beheizen verwendet werden, oder zum Ableiten von Ladung, wobei letzteres einem Laden oder Entladen der Batterie entspricht.
  • Folglich ist es dadurch möglich, vor der Ladungsentnahme oder vor dem Aufladen der Batterie mittels der Heiz-Ableit-Schicht zumindest den Elektrolyten vorzuheizen, sodass dieser eine Temperatur innerhalb eines bevorzugten Temperaturfensters aufweist, in welcher ein Betrieb mit einem akzeptablen oder sogar optimalen Wirkungsgrad der Batterie möglich ist.
  • Das Beheizen des Elektrolyten kann dabei direkt erfolgen, da die Heiz-Ableit-Schicht direkt in die Batterie integriert ist und als Ableiter direkt mit dem Elektrolyten in Kontakt steht. Dadurch kann die Aufheizung des Elektrolyten besonders schnell und ohne zusätzlich zu erwärmende Massen und die damit einhergehenden Verluste erfolgen.
  • Ferner ist eine derart ausgebildete Batterie in ihrem Aufbau gegenüber herkömmlichen Batterien vereinfacht, da es nicht mehr erforderlich ist, sowohl eine Ableiterschicht als auch eine separate Heizschicht vorzusehen.
  • Unter „Ableiten“ wird vorliegend ebenfalls ein Zuleiten von Ladungen verstanden, so dass die Heiz-Ableit-Schicht auch die Funktion einer Heiz-Zuleit-Schicht umfassen kann.
  • Unter „separat“ wird vorliegend verstanden, dass der separate Vorgang nur erfolgen kann, wenn der alternativ genannte Vorgang nicht durchgeführt wird. Mithin wird unter einem separaten Beheizen verstanden, dass das Beheizen nur dann möglich ist, wenn kein Ableiten (oder Zuleiten) von Ladung erfolgt.
  • Der Begriff „Batterie“ wird hierin dahingehend verstanden, dass die Batterie sowohl eine einzige Batteriezelle umfassen kann, als auch eine Mehrzahl von Batteriezellen zu einer Batterie zusammengestellt sein können.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Heiz-Ableit-Schicht auf einer der Anodenschicht abgewandten Seite der Kathodenschicht angeordnet und/oder eine Heiz-Ableit-Schicht auf einer der Kathodenschicht abgewandten Seite der Anodenschicht angeordnet. So kann auf eine separate Ableiterschicht beziehungsweise ein separates Ableitelememt auf der der Anodenschicht abgewandten Seite der Kathodenschicht und/oder auf eine separate Ableiterschicht beziehungsweise auf ein Ableitelement auf der der Anodenschicht abgewandten Seite der Kathodenschicht verzichtet werden.
  • Wenn eine Heiz-Ableit-Schicht auf einer der Anodenschicht abgewandten Seite der Kathodenschicht direkt an die Kathodenschicht angrenzend angeordnet ist und/oder eine Heiz-Ableit-Schicht auf einer der Kathodenschicht abgewandten Seite der Anodenschicht direkt an die Anodenschicht angrenzend angeordnet ist, kann durch den daraus resultierenden direkten Kontakt der vorgenannten direkt aneinander angrenzenden Schichten eine besonders effektive Ableitung von Ladung erfolgen. Zudem mag auch die Wärmeübertragung durch die Heiz-Ableit-Schicht auf die angrenzende Schicht und weiter zum Elektrolyten besonders effektiv erfolgen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Heiz-Ableit-Schicht mindestens eine - bevorzugt elektrisch isolierend ausgebildete - Isolierungslage, bevorzugt eine Keramiklage oder eine Polymerlage, besonders bevorzugt eine Al2O3 aufweisende Lage, und mindestens eine elektrisch leitende ohmsche Lage mit ohmschem Widerstand, bevorzugt eine Metalllage, besonders bevorzugt eine Nickel und/oder Chrom aufweisende Lage, auf, wobei die Heiz-Ableit-Schicht bevorzugt eine Mehrzahl von Isolierungslagen und eine Mehrzahl von ohmschen Lagen aufweist, wobei die Isolierungslagen und die ohmschen Lagen bevorzugt alternierend in der Heiz-Ableit-Schicht angeordnet sind. Dadurch kann ein besonders effizientes Beheizen und zudem ein gutes Ableiten von Ladung bereitgestellt werden.
  • Ohmsche Lagen sind an sich bekannt. Sie sind elektrisch leitend und weisen einen ohmschen Widerstand auf, so dass beim Anlegen einer Spannung an die ohmsche Lage beziehungsweise bei einem Stromdurchfluss durch die ohmsche Lage eine Erwärmung erfolgt. Weiterhin kann aufgrund der Leitfähigkeit der ohmschen Lage eine Ableitung von positiven und negativen Ladungen erfolgen.
  • Der Begriff „alternierend“ wird hier dahingehend verstanden, dass im Anschluss an eine ohmsche Lage eine Isolierungslage folgt, auf die Isolierungslage wieder eine ohmsche Lage folgt, usw., so dass sich ein Schichtaufbau ergibt, in welchem sich ohmsche Lagen und Isolierungslagen abwechseln.
  • Wenn die Heiz-Ableit-Schicht als äußerste zur Anodenschicht oder zur Kathodenschicht weisende Lage eine Isolierungslage aufweist, ist sichergestellt, dass beim Beheizen über die ohmschen Lagen, welche elektrisch leitend ausgebildet sind, keine Beeinflussung des Elektrolyten und/oder der Kathodenschicht und/oder der Anodenschicht erfolgt.
  • Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Heiz-Ableit-Schicht an einem ersten Ende eine erste Kontaktierung zum Verbinden mit einem ersten Pol, bevorzugt einem Pluspol, einer Stromversorgung auf und an einem zweiten Ende eine zweite Kontaktierung zum Verbinden mit einem zweiten Pol, bevorzugt einem Minuspol, der Stromversorgung auf. Dadurch ist es möglich, an die Heiz-Ableit-Schicht eine Spannung anzulegen, sodass sich entsprechend des ohmschen Widerstands der Heiz-Ableit-Schicht, bevorzugt der mindestens einen ohmschen Lage der Heiz-Ableit-Schicht, ein Stromfluss und damit auch eine Erwärmung der Heiz-Ableit-Schicht ergibt, welche das Beheizen des Elektrolyten ermöglicht.
  • Bevorzugt ist eine separate Stromversorgung vorgesehen, welche, wenn sich die Batterie nicht im Betrieb befindet, mithin kein Ableiten von Ladung erfolgt, mit der Heiz-Ableit-Schicht verbindbar ist. Durch die Stromversorgung der Heiz-Ableit-Schicht kann entsprechend ein Beheizen der Heiz-Ableit-Schicht erfolgen.
  • Die Stromversorgung kann alternativ auch über eine oder mehrere andere Zellen der Batterie erfolgen. So kann ein Erwärmen des Elektrolyten auf ein vorgegebenes Temperaturfenster erfolgen, ohne den Großteil der Zellen mit niedrigem Wirkungsgrad betreiben zu müssen. Die als Stromversorgung verwendeten Zellen können nach dem Heizen einen Kapazitätsausgleich von anderen Zellen erfahren, wie an sich bekannt.
  • Die Stromversorgung stellt bevorzugt eine Spannung von 1 V - 800 V bereit.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Steuerungs-/Regelungsvorrichtung vorgesehen, mittels welcher das Beheizen sowie der Beginn beziehungsweise das Freischalten des Ableitens von Ladung steuerbar/regelbar ist. Bevorzugt ist die Steuerungs-/Regelungsvorrichtung derart ausgebildet, dass bei einer Aktivierung beziehungsweise einem Einschalten der Batterie zuerst ein Beheizen erfolgt, und anschließend, beispielsweise wenn eine vorgegebene Temperatur in der Batterie erreicht ist oder eine vorgegebene Zeitspanne abgelaufen ist, das Ableiten von Ladung frei geschalten wird.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten weiteren Ausführungsform weist die mindestens eine ohmsche Lage ein elektrisch leitendes Metall auf und/oder weist die Isolierungslage ein keramisches Material und/oder ein Polymer auf.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Sensorik mit der Heiz-Ableit-Schicht verbunden, wobei die Sensorik dazu eingerichtet ist, eine Impedanz der Heiz-Ableit-Schicht zu messen und/oder Dendriten, bevorzugt Lithium-Dendriten zu erkennen und/oder ein Dendritenwachstum zu erkennen und zu überwachen. Dadurch ist es möglich, zu überprüfen, ob die von der Sensorik ermittelten Ist-Werte in einem vorgegebenen Soll-Bereich liegen, in welchem die Batterie ordnungsgemäß arbeitet. Fernerhin können drohende Kurzschlüsse infolge von übermäßigem Dendritenwachstum so detektiert und dann verhindert werden.
  • Ferner kann die Sensorik dazu eingerichtet sein, eine Temperatur des Elektrolyten zu erfassen, bevorzugt via eines Temperatursensoren.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Heiz-Ableit-Schicht eine Schichtdicke von kleiner/gleich 1 mm, bevorzugt kleiner/gleich 500 µm, besonders bevorzugt kleiner/gleich 200 µm, ganz besonders bevorzugt kleiner/gleich 100 µm, ganz besonders bevorzugt kleiner/gleich 50 µm, und ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 50 µm bis 1000 µm auf.
  • Eine besonders effektive Ausführungsform der Batterie kann bereitgestellt werden, wenn ein Elektrolyt in Form einer zwischen der Kathodenschicht und der Anodenschicht angeordneten Festkörperelektrolytschicht bereitgestellt ist. Die Festkörperelektrolytschicht kann dabei bevorzugt mittels des Beheizens via der Heiz-Ableit-Schicht auf eine Temperatur von mindestens 40 °C, bevorzugt mindestens 60 °C, besonders bevorzugt mindestens 80 °C, und ganz besonders bevorzugt mindestens 100 °C gebracht werden, bevor auf die Ableitung von Ladung, mithin dem eigentlichen Betrieb der Batterie, umgeschaltet wird.
  • Bevorzugt weist eine Festkörperelektrolytschicht ein Oxid, bevorzugt LiPON, Li7La3Zr2O12 (LLZO), xLi2S-yP2S5 (LPS)) und/oder ein Sulfid auf. Alternativ kann ein Festkörperelektrolyt ein amorphes Glas, ein Polymer, bevorzugt ein PEO-basiertes Polymer und/oder ein Gel-Polymer aufweisen, sowie Mischformen aus den oben genannten aufweisen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Elektrolyt in Form eines Flüssigelektrolyten bereitgestellt, wobei bevorzugt zwischen der Kathodenschicht und der Anodenschicht ein Separator, bevorzugt ein Polymer und/oder Keramik aufweisender Separator, zum Separieren von Anodenschicht und Kathodenschicht und/oder zum Separieren von Festkörperelektrolyt und Flüssigelektrolyt vorgesehen ist, wobei der Separator bevorzugt zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht angeordnet ist. Der flüssige Elektrolyt kann dabei bevorzugt mittels des Beheizens via der Heiz-Ableit-Schicht auf eine Temperatur oberhalb der Gefriertemperatur des Flüssigelektrolyten oder in einen Temperaturfenster, in welchem das flüssige Elektrolyt mit hohem Wirkungsgrad funktioniert, gehalten werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Batterie ein Festkörperelektrolyten und ein Flüssigelektrolyten auf. Der Festkörperelektrolyt und der Flüssigelektrolyt können dabei in Serie oder parallel in Bezug auf zwei Heiz-Ableit-Schichten beziehungsweise zwischen einer Heiz-Ableit-Schicht und einer herkömmlichen Ableitschicht angeordnet beziehungsweise verschaltet sein.
  • Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform weist die Kathodenschicht ein Metalloxid, bevorzugt NMC, NCA oder LMO mit LCO, auf, und/oder Anodenschicht Graphit, pder Graphit gemischt mit Silizium oder einem Lithium-Metall. Ferner kann die Ableiterschicht Kupfer aufweisen, bevorzugt wenn sie angrenzend an eine Anodenschicht angeordnet ist, oder die Ableiterschicht kann Aluminium aufweisen, bevorzugt wenn sie angrenzend an eine Kathodenschicht angeordnet ist.
  • Eine besonders vorteilhafte Wirkung von Heizen und Ableiten kann erzielt werden, wenn die Heiz-Ableit-Schicht ein Metall, bevorzugt Nickel und/oder Chrom, aufweist.
  • Ein besonders effektives Beheizen kann erzielt werden, wenn die Heiz-Ableit-Schicht derart ausgebildet ist, dass die Batterie eine Verlustwärmeleistung von 0,02 W/Ah bis 0,5 W/Ah, bevorzugt 0,04 W/Ah bis 0,1 W/Ah aufweist. Bevorzugt ist die Höhe der Verlustwärmeleistung über die Dimensionierung der Schichtdicke der Heiz-Ableit-Schicht einstellbar.
  • Figurenliste
  • Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
    • 1 schematisch eine Batterie gemäß einer ersten Ausführungsform;
    • 2 schematisch eine Batterie gemäß einer zweiten Ausführungsform;
    • 3 schematisch eine Batterie gemäß einer dritten Ausführungsform; und
    • 4 schematisch eine zylindrische Batterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen wie in 2 gezeigt.
  • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
  • In 1 ist schematisch eine Batterie 1 gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt. Die Batterie 1 ist vorliegend als Lithium-Ionen Batterie ausgebildet und umfasst eine Batteriezelle mit einer Kathodenschicht 2, einer Anodenschicht 3 und einem zwischen der Kathodenschicht 2 und der Anodenschicht 3 angeordneten Festkörperelektrolyten 4. Ferner weist die Batteriezelle der Batterie 1 eine Heiz-Ableit-Schicht 6 auf, welche auf einer der Anodenschicht 3 abgewandten Seite der Kathodenschicht 2 direkt an die Kathodenschicht 2 angrenzend angeordnet ist. Die Batterie 1 weist eine weitere Heiz-Ableit-Schicht 6 auf, welche an einer der Kathodenschicht 2 abgewandten Seite der Anodenschicht 3 direkt an die Anodenschicht 3 angrenzend angeordnet ist.
  • Die Heiz-Ableit-Schichten 6 sind zum Ableiten von Ladung und zum separaten Beheizen des Elektrolyten 4 ausgebildet. Mit anderen Worten stellen die Heiz-Ableit-Schichten 6 jeweils die Funktion einer herkömmlichen Ableiterschicht und die Funktion einer Heizschicht bereit, welche alternativ nutzbar sind.
  • Die Batterie 1 ist dabei derart ausgebildet, dass ein Beheizen über die Heiz-Ableit-Schichten 6 dann erfolgen kann, wenn über die Heiz-Ableit-Schichten 6 kein Ableiten von Ladung beziehungsweise Ladungen erfolgt.
  • Die Heiz-Ableit-Schichten 6 weisen jeweils eine Mehrzahl von Isolierungslagen aus einem keramischen Material oder einem Polymermaterial, sowie eine Mehrzahl von ohmschen Lagen, welche ein leitfähiges Metall aufweisen, auf, wobei die Isolierungslagen und die ohmschen Lagen alternierend angeordnet sind und gemeinsam die Heiz-Ableit-Schicht 6 ergeben. Hierbei ist die äußerste der Lagen, welche jeweils an die Kathodenschicht 2 beziehungsweise an die Anodenschicht 3 angrenzt, jeweils eine Isolierungslage.
  • Die Heiz-Ableit-Schicht 6 fungiert einerseits als Ableiterschicht zum Ableiten von Ladung an einen Pol 8,9 der Batterie 1, um den ordnungsgemäßen Betrieb der Batterie 1 bereitzustellen. Vorliegend ist die linke der beiden gezeigten Heiz-Ableit-Schichten 6 mit einem ersten Pol 8 der Batterie 1 und die rechte der beiden gezeigten Heiz-Ableit-Schichten 6 mit einem zweiten Pol 9 der Batterie 1 verbunden.
  • Um ein Beheizen über die Heiz-Ableit-Schichten 6 bereitzustellen zu können, sind diese mit einer Stromversorgung 60 beziehungsweise Spannungsversorgung verbindbar, wie in 1 beispielhaft für die linke der beiden Heiz-Ableit-Schichten 6 dargestellt. Die Heiz-Ableit-Schicht 6 weist an einem ersten Ende 66 eine erste Kontaktierung 64 auf, mittels welcher sie mit einem ersten Pol der der Stromversorgung 60 verbunden ist. Ferner weist die Heiz-Ableit-Schicht 6 an einem zweiten Ende 68, welches dem ersten Ende 66 gegenüberliegend ist, eine zweite Kontaktierung 64 auf, über welche die Heiz-Ableit-Schicht 6 mit einem zweiten Pol 9 der Stromversorgung 60 verbindbar ist.
  • Die Heiz-Ableit-Schicht 6 kann dabei mittels einer mit dem Bezugszeichen 62 angedeuteten Steuerungs-/Regelungsvorrichtung mit der Stromversorgung 60 verbunden werden. Die Steuerungs-/Regelungsvorrichtung 62 stellte dabei gleichzeitig sicher, dass ein Ableiten von Ladung über die Heiz-Ableit-Schicht 6 hin zu einem Pol der Batterie, vorliegend dem ersten Pol 8 der Batterie 1, nicht gleichzeitig erfolgen kann.
  • Folglich ist ein erster Stromkreis 10 bereitgestellt, welcher sich zwischen der Stromversorgung 60, der ersten Kontaktierung 64 am ersten Ende 66, über die Heiz-Ableit-Schicht 6, und der zweiten Kontaktierung 64 am zweiten Ende 68 erstreckt. Dieser erste Stromkreis 10 entspricht einem Heizstromkreis, der zum Heizen des Elektrolyten in der Batterie beziehungsweise der Batteriezelle vorgesehen ist.
  • Ferner ist ein zweiter Stromkreis 12 bereitgestellt, welcher dem eigentlichen Betriebsstromkreis der Batterie 1 entspricht und über welchen die Batterie oder die Batteriezelle geladen und entladen werden kann.
  • Der erste Stromkreis 10 und der zweite Stromkreis 12 können nur abwechselnd realisiert beziehungsweise geschlossen werden.
  • Ferner kann die Batterie 1 eine hier nicht gezeigte Sensorik aufweisen, wobei die Sensorik mit mindestens einer Heiz-Ableit-Schicht 6 verbunden sein kann. Die Sensorik kann dazu eingerichtet sein, eine Temperatur des Elektrolyten und/oder eine Impedanz der Heiz-Ableit-Schicht 6 zu messen und/oder zum Erkennen von Dendriten, bevorzugt Lithium-Dentriden, und/oder zum Erkennen und Überwachen eines Dentridenwachstums ausgebildet sein.
  • Vorliegend weisen die Heiz-Ableit-Schichten 6 jeweils eine Schichtdicke von 200 µm auf. Alternativ können aber auch andere Schichtdicken vorliegen, bevorzugt in einem Bereich von 50 µm bis 1000 µm.
  • Alternativ kann zumindest eine der Heiz-Ableit-Schichten 6 auch als herkömmliche Ableiterschicht ohne separate Heizfunktion bereitgestellt sein. Dann erfolgt ein Beheizen des Elektrolyten lediglich über die dediziert ausgebildeten Heiz-Ableit-Schichten 6.
  • In 1 ist eine Symmetrieachse 14 angedeutet, an welcher der dargestellte Aufbau der Batterie 1 gespiegelt sein kann, so dass das Bereitstellen einer Vielzahl von Batteriezellen vorgesehen sein kann. Der Aufbau der gesamten Batterie 1 kann folglich einer Vielzahl der dargestellten Zellen entsprechen, wobei die einzelnen Zellen jeweils an der Symmetrieachse 14 gespiegelt sein können.
  • 2 zeigt schematisch eine Batterie 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die Batterie 1 gemäß dieser zweiten Ausführungsform entspricht im Wesentlichen jener der in 1 gezeigten. Der Elektrolyt ist jedoch nicht als Festkörperelektrolyt bereitgestellt, sondern als Flüssigelektrolyt (nicht dargestellt). Folglich ist zwischen der Kathodenschicht 2 und der Anodenschicht 3 ein Separator 7 angeordnet. Lithium-Ionen Batterien mit Flüssigelektrolyt sind an sich prinzipiell bekannt. Die Batterie 1 dieser Ausführungsform weist entsprechende Heiz-Ableit-Schichten 6 entsprechend zu den in 1 beschriebenen auf.
  • Das Ableiten von Ladung sowie das separat dazu bereitgestellte Beheizen erfolgt wie zu 1 beschrieben.
  • 3 zeigt schematisch eine Batterie 1 gemäß einer dritten Ausführungsform, welche als Hybrid-Lithium-Ionen Batterie ausgebildet ist. Sie weist folglich eine Batteriezelle entsprechend der in 1 gezeigten auf, welche einen Festkörperelektrolyten 4 aufweist, wie rechts in 3 dargestellt ist. Ferner weist die Batterie 1 eine Batteriezelle auf, welche entsprechend 2 einen Flüssigelektrolyten und einen Separator 7 aufweist. Hierbei ist eine einzige Heiz-Ableit-Schicht 6, welche mit dem zweiten Pol 9 der Batterie verbunden ist, für beide Batteriezellen gemeinsam bereitgestellt.
  • Vorliegend kann die Steuerungs-/Regelungsvorrichtung ein Beheizen der einzelnen Heiz-Ableit-Schichten 6 individuell steuern/regeln. Dadurch ist es möglich, beispielsweise die an die Flüssigzelle mit dem Flüssigelektrolyten der Batterie 1 angebundenen Heiz-Ableit-Schichten 6 abzuschalten, wenn der flüssige Elektrolyt eine vorgegebene erste Temperatur erreicht hat, beispielsweise 20 °C. Ferner kann die nicht an die Flüssigzelle angebundene, in 3 rechts dargestellte Heiz-Ableit-Schicht 6 weiter zum Beheizen betrieben werden, sodass der Festkörperelektrolyt 4 weiter beheizt wird und eine zweite Temperatur, beispielsweise 80 °C, erreichen kann.
  • Anschließend kann die Steuerungs-/Regelungsvorrichtung die Batterie für den Betrieb freigeben, wobei dann die Beheizung der Elektrolyte über die Heiz-Ableit-Schichten 6 beendet wird und ein Ableiten von Ladungen ermöglicht wird, um die Batterie 1 im Entladebetrieb zu betreiben.
  • 4 zeigt eine zylindrische Batterie 1 wie in 2 gezeigt. Dabei ist eine Schicht 20 um einen nicht gezeigten zylindrischen Kern gewickelt. Entsprechend dem zu 2 beschriebenen Aufbaus der Batterie umfasst die Schicht 20 im Querschnitt gesehen, wie in 4 angedeutet eine Reihe von Bändern in der Reihenfolge anschließend Separator 7, Anodenschicht 3, Heiz-Ableit-Schicht 6, Anodenschicht 3, Separator 7, Kathodenschicht 2, Heiz-Ableit-Schicht 6, Kathodenschicht 2, wobei die Heiz-Ableit-Schichten 6 jeweils mit hier nicht gezeigten Ableitern zu den Kontakten 8, 9 zum ersten Pol 16 und zum zweiten Pol 18 der Batterie 1 verbunden sind. Zudem ist eine Vielzahl von Kontaktierungen 64 vorgesehen, mittels welcher entsprechend 2 die jeweiligen Heiz-Ableit-Schichten 6 via der Steuerungs-Regelungsvorrichtung 62 mit der Stromversorgung 60 verbindbar sind.
  • Die spiralförmig aufgewickelte Schicht 20 ist in einem Batteriegehäuse 22 einghaust und mittels einer Dichtung 24 abgedichtet.
  • Alternativ kann die Schicht 20 der Batterie 1 auch in Prismenbauweise gewickelt sein oder in Pouch-Bauweise gefaltet sein.
  • Ferner ist es möglich, dass die Batterie 1 eine Schicht 20 einen anderen Aufbau, bevorzugt im Wesentlichen wie in den 1 oder 3 gezeigt, aufweist.
  • Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batterie
    2
    Kathodenschicht
    3
    Anodenschicht
    4
    Festkörperelektrolyt
    5
    Separator
    6
    Heiz-Ableit-Schicht
    60
    Stromversorgung
    62
    Steuerungs-/Regelungsvorrichtung
    64
    Kontaktierung
    66
    Erstes Ende
    68
    Zweites Ende
    7
    Separator
    8
    Kontakt zu erstem Pol
    9
    Kontakt zum zweiten Pol
    10
    Erster Stromkreis
    12
    Zweiter Stromkreis
    14
    Symmetrieachse
    16
    Erster Pol
    18
    Zweiter Pol
    20
    Schicht
    22
    Batteriegehäuse
    24
    Dichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • US 2003/0008205 A1 [0008]
    • EP 3203573 A1 [0008]

Claims (10)

  1. Batterie (1), bevorzugt Lithium-Ionen Batterie, umfassend eine Batteriezelle mit einer Kathodenschicht (2), einer Anodenschicht (3) und einem Elektrolyten (4) zum Bereitstellen eines Ionenübergangs zwischen der Kathodenschicht (2) und der Anodenschicht (3), gekennzeichnet, durch eine Heiz-Ableit-Schicht (6), wobei die Heiz-Ableit-Schicht (6) zum Ableiten von Ladung und zum separaten Beheizen des Elektrolyten (4) ausgebildet ist.
  2. Batterie (1) gemäß Anspruch 1, wobei eine Heiz-Ableit-Schicht (6) auf einer der Anodenschicht (3) abgewandten Seite der Kathodenschicht (2) angeordnet ist und/oder eine Heiz-Ableit-Schicht (6) auf einer der Kathodenschicht (2) abgewandten Seite der Anodenschicht (3) angeordnet ist.
  3. Batterie (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eine Heiz-Ableit-Schicht (6) auf einer der Anodenschicht (3) abgewandten Seite der Kathodenschicht (2) direkt an die Kathodenschicht (2) angrenzend angeordnet ist und/oder eine Heiz-Ableit-Schicht (6) auf einer der Kathodenschicht (2) abgewandten Seite der Anodenschicht (3) direkt an die Anodenschicht (3) angrenzend angeordnet ist.
  4. Batterie (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Heiz-Ableit-Schicht (6) mindestens eine Isolierungslage, bevorzugt eine Keramiklage oder eine Polymerlage, besonders bevorzugt eine Al2O3 aufweisende Lage, und mindestens eine elektrisch leitende ohmsche Lage mit ohmschen Widerstand, bevorzugt eine Metalllage, besonders bevorzugt eine Nickel und/oder Chrom aufweisende Lage , aufweist, wobei die Heiz-Ableit-Schicht (6) bevorzugt eine Mehrzahl von Isolierungslagen und eine Mehrzahl von ohmschen Lagen aufweist, wobei die Isolierungslagen und die ohmschen Lagen bevorzugt alternierend angeordnet sind.
  5. Batterie (1) gemäß Anspruch 4, wobei die Heiz-Ableit-Schicht (6) als äußerste zur Anodenschicht (3) oder zur Kathodenschicht (2) weisende Lage eine Isolierungslage aufweist.
  6. Batterie (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Heiz-Ableit-Schicht (6) an einem ersten Ende (66) eine erste Kontaktierung (64) zum Verbinden mit einem ersten Pol, bevorzugt einem Pluspol, einer Stromversorgung (60) aufweist und an einem zweiten Ende (68) eine zweite Kontaktierung (64) zum Verbinden mit einem zweiten Pol, bevorzugt einem Minuspol, der Stromversorgung (60) aufweist.
  7. Batterie (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Sensorik mit der Heiz-Ableit-Schicht (6) verbunden ist, wobei die Sensorik dazu eingerichtet ist, eine Temperatur des Elektrolyten (4) zu ermitteln und/oder eine Impedanz der Heiz-Ableit-Schicht (6) zu ermitteln und/oder Dendriten zu erkennen, bevorzugt Lithium-Dendriten und/oder ein Dendritenwachstum zu erkennen.
  8. Batterie (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Heiz-Ableit-Schicht (6) eine Schichtdicke von kleiner/gleich 1 mm, bevorzugt kleiner/gleich 500 µm, besonders bevorzugt kleiner/gleich 200 µm, ganz besonders bevorzugt kleiner/gleich 100 µm, ganz besonders bevorzugt kleiner/gleich 50 µm, und ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 50 µm bis 1000 µm aufweist.
  9. Batterie (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Elektrolyt in Form einer zwischen der Kathodenschicht (2) und der Anodenschicht (3) angeordneten Festkörperelektrolytschicht (4) bereitgestellt ist.
  10. Batterie (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Elektrolyt in Form eines Flüssigelektrolyten bereitgestellt ist, wobei bevorzugt zwischen der Kathodenschicht (2) und der Anodenschicht (3) ein Separator (7), bevorzugt ein Polymer und/oder Keramik aufweisender Separator (7), zum Separieren von Anodenschicht (3) und Kathodenschicht (2) und/oder zum Separieren von Festkörperelektrolyt (4) und Flüssigelektrolyt vorgesehen ist, wobei der Separator (7) bevorzugt zwischen der Anodenschicht (3) und der Kathodenschicht (2) angeordnet ist.
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