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Die Erfindung betrifft eine Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle, die eine Kathode, welche einen aus einem metallischen Material gefertigten Stromableiter und eine kathodische Aktivmaterialschicht aufweist, eine Anode, welche einen aus einem metallischen Material gefertigten Stromableiter und eine anodische Aktivmaterialschicht aufweist, und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Separator umfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, welche mindestens eine erfindungsgemäße Elektrodeneinheit umfasst.
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Stand der Technik
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Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen.
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In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.
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Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen Stromableiter und eine Aktivmaterialschicht, welche ein elektrochemisches Aktivmaterial aufweist. Das Aktivmaterial für die Kathode enthält beispielsweise ein Metalloxid wie Li2MnO3, also Lithiummanganoxid, sowie eine NCM-Legierung, also eine Legierung aus Nickel, Cobald und Mangan. Das Aktivmaterial für die Anode enthält beispielsweise Silizium, Graphit, Lithium oder auch eine Mischungen aus diesen Stoffen.
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Die Elektroden der Batteriezelle sind folienartig ausgebildet und unter Zwischenlage von je einer Separatorlage, welche die Anode von der Kathode trennt, zu einem Elektrodenstapel übereinander geschichtet. Die Elektroden können auch zu einem Elektrodenwickel gewunden sein oder auf eine andere Art eine Elektrodeneinheit bilden. Eine Batteriezelle umfasst in der Regel eine oder mehrere Elektrodeneinheiten.
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Das Dokument
US 2013/0071741 offenbart eine negative Elektrode für eine Sekundärbatterie und einen Prozess zur Herstellung der Elektrode. Die negative Elektrode umfasst dabei einen Stromableiter und eine darauf angeordnete Aktivmaterialschicht. Der Stromableiter besteht beispielsweise aus einem Verbundmaterial aus Kupfer und Aluminium.
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Im Fall eines internen Kurzschlusses innerhalb der Elektrodeneinheit fließt ein interner Kurzschlussstrom zwischen der anodischen Aktivmaterialschicht und der kathodischen Aktivmaterialschicht durch den Separator. Ein solcher Kurzschluss kann entstehen, wenn ein Fremdkörper, beispielsweise ein Nagel, die Elektrodeneinheit und insbesondere den Separator durchdringt. Der Kurzschlussstrom verursacht eine starke Entwicklung von Verlustwärme innerhalb der Elektrodeneinheit und kann auch ein thermisches Durchgehen der Batteriezelle bewirken.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle vorgeschlagen. Die Elektrodeneinheit umfasst dabei eine Kathode, welche einen aus einem metallischen Material gefertigten Stromableiter und eine kathodische Aktivmaterialschicht aufweist, eine Anode, welche einen aus einem metallischen Material gefertigten Stromableiter und eine anodische Aktivmaterialschicht aufweist, und einen Separator, welcher zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Der Stromableiter der Kathode ist somit elektrisch leitfähig ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Der Stromableiter der Anode ist somit elektrisch leitfähig ausgeführt und beispielsweise aus Kupfer gefertigt.
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Erfindungsgemäß weist mindestens einer der Stromableiter der Elektrodeneinheit mindestens einen Sperrbereich auf, welcher eine im Vergleich zu dem metallischen Material verringerte elektrische Leitfähigkeit aufweist. Der Sperrbereich hat dabei einen signifikant höheren elektrischen Widerstand als das übrige metallische Material des Stromableiters.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Sperrbereich des Stromableiters aus einem Metalloxid gebildet. Wenn der Stromableiter der Kathode aus Aluminium gefertigt ist, so ist der mindestens eine Sperrbereich in dem Stromableiter der Kathode vorzugsweise aus Aluminiumoxid Al2O3 gebildet.
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Der Stromableiter der Kathode, die kathodische Aktivmaterialschicht, der Stromableiter der Anode, die anodische Aktivmaterialschicht und der Separator sind jeweils folienartig, also flach, ausgebildet und erstrecken sich vorwiegend in einer Ebene, welche durch eine Längsrichtung und eine Querrichtung definiert wird, wobei die Querrichtung rechtwinklig zu der Längsrichtung verläuft. In der Elektrodeneinheit sind der Stromableiter der Kathode, die kathodische Aktivmaterialschicht, der Stromableiter der Anode, die anodische Aktivmaterialschicht und der Separator in einer Stapelrichtung übereinander gestapelt, welche rechtwinklig zu der Längsrichtung und rechtwinklig zu der Querrichtung verläuft.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung durchdringt der mindestens eine Sperrbereich den mindestens einen Stromableiter in der Stapelrichtung vollständig. Das bedeutet, der mindestens eine Sperrbereich erstreckt sich von einer Oberfläche des folienartigen Stromableiters durch den Stromableiter hindurch bis zu der gegenüberliegenden Oberfläche des Stromableiters.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Sperrbereich zumindest annähernd geradlinig ausgebildet. Der Sperrbereich erstreckt sich also in eine gerade Richtung, welche rechtwinklig zu der Stapelrichtung, beispielsweise in die Längsrichtung oder in die Querrichtung, verläuft.
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Der mindestens eine Sperrbereich kann auch andere Formen aufweisen. Beispielsweise kann der Sperrbereich umlaufend in Form eines Kreises oder eines Polygons, insbesondere in Form einer Wabe, ausgebildet sein. Auch kann der Sperrbereich die Form eines Gitters aufweisen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Sperrbereiche in dem mindestens einen Stromableiter vorgesehen, welche in der Längsrichtung und/oder in der Querrichtung parallel versetzt zueinander angeordnet sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind benachbarte Sperrbereiche voneinander beabstandet angeordnet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gehen benachbarte Sperrbereiche ineinander über.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Stromableiter der Anode und der Stromableiter der Kathode als Verbundmaterial ausgebildet. Das Verbundmaterial umfasst beispielsweise eine Schicht aus Kupfer, welche den Stromableiter der Anode bildet, und eine Schicht aus Aluminium, welche den Stromableiter der Kathode bildet. Die beiden Schichten des Verbundmaterials sind beispielsweise mittels Walzplattierens miteinander verbunden. Ein solches Verbundmaterial wird auch als „Clad Material“ bezeichnet.
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Es wird auch eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens eine erfindungsgemäße Elektrodeneinheit umfasst.
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Vorzugsweise umfasst die Batteriezelle ferner mindestens eine Schnellentladevorrichtung, welche mit der Anode, insbesondere mit dem Stromableiter der Anode, und mit der Kathode, insbesondere mit dem Stromableiter der Kathode elektrisch verbunden ist.
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Eine Schnellentladevorrichtung ist ein Überbrückungselement in Form eines Schalters. Im normalen Betrieb der Batteriezelle ist die Schnellentladevorrichtung offen und isoliert die Anode und die Kathode elektrisch voneinander. Im Falle eines Fehlers wird die Schnellentladevorrichtung aktiviert und verbindet dann die Anode und die Kathode elektrisch miteinander. Daraufhin fließt ein Entladestrom durch die Schnellentladevorrichtung. Dadurch wird die Elektrodeneinheit der Batteriezelle entladen. Eine solche Schnellentladevorrichtung ist beispielsweise aus dem Dokument
DE 10 2012 005 979 A1 bekannt.
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Vorteile der Erfindung
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Bei einem Betrieb einer Batteriezelle mit intakter Elektrodeneinheit, also bei einem Entladevorgang, fließt ein Strom in einem äußeren Stromkreis von der Kathode zu der Anode. Dabei fließen Elektronen in dem äußeren Stromkreis von der Anode zu der Kathode. Innerhalb der Elektrodeneinheit fließt ein gleich großer Strom von der Anode zu der Kathode. Dabei wandern Lithiumionen von der anodischen Aktivmaterialschicht durch den Separator zu der kathodischen Aktivmaterialschicht. Dieser Strom durch die Lithiumionen fließt dabei fast ausschließlich in der Stapelrichtung durch die Elektrodeneinheit.
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Im Fall eines internen Kurzschlusses innerhalb der Elektrodeneinheit fließt ein interner Kurzschlussstrom ebenfalls in der Stapelrichtung an der Stelle des Kurzschlusses durch den Separator. Dabei fließen Elektronen an der Stelle des Kurzschlusses in der Stapelrichtung von der anodischen Aktivmaterialschicht durch den Separator zu der kathodischen Aktivmaterialschicht. Gleichzeitig wandern Lithiumionen an unbeschädigten Stellen in der Stapelrichtung von der anodischen Aktivmaterialschicht durch den Separator zu der kathodischen Aktivmaterialschicht. Ferner fließen Elektronen in den benachbarten Stromableitern in der Längsrichtung sowie in der Querrichtung, so dass ein Stromkreis des internen Kurzschlussstroms geschlossen ist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Elektrodeneinheit, wobei mindestens einer der Stromableiter mindestens einen Sperrbereich aufweist, welcher eine verringerte elektrische Leitfähigkeit und damit einen erhöhten elektrischen Widerstand aufweist, wird der Kurzschlussstrom in dem Stromableiter in der Längsrichtung sowie in der Querrichtung vorteilhaft reduziert. Damit wird auch der interne Kurzschlussstrom in dem ganzen Stromkreis reduziert. Dadurch ist auch die Entwicklung von Verlustwärme in Fall eines internen Kurzschlusses reduziert. Der reguläre Betriebsstrom der Batteriezelle, welcher in der Stapelrichtung durch die Elektrodeneinheit fließt, wird dabei nicht reduziert.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle mit einer Elektrodeneinheit und
- 3 eine Draufsicht auf einen Stromableiter.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt eine vereinfachte, schematische Darstellung einer Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Zellengehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Das Zellengehäuse 3 kann aber auch aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt sein.
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Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden.
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Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist eine Elektrodeneinheit 10 angeordnet, welche vorliegend als Elektrodenstapel ausgeführt ist. Die Elektrodeneinheit 10 weist zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, auf. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und durch einen Separator 18 voneinander separiert. Der Separator 18 ist ebenfalls folienartig ausgeführt und ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig.
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Die Anode 21 umfasst eine anodische Aktivmaterialschicht 41 und einen Stromableiter 31. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, vorliegend aus Kupfer. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
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Die Kathode 22 umfasst eine kathodische Aktivmaterialschicht 42 und einen Stromableiter 32. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, vorliegend aus Aluminium. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
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In der kathodischen Aktivmaterialschicht 42 der Elektrodeneinheit 10 sind Lithiumatome eingelagert. Bei einem Ladevorgang der Elektrodeneinheit 10 in der Batteriezelle 2 wandern Lithiumionen von der kathodischen Aktivmaterialschicht 42 durch den Separator 18 zu der anodischen Aktivmaterialschicht 41. Dabei werden die Lithiumionen in der anodischen Aktivmaterialschicht 41 eingelagert. Dieser Vorgang wird auch als Lithiierung bezeichnet. Gleichzeitig fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Kathode 22 zu der Anode 21.
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Beim Betrieb der Batteriezelle 2, also bei einem Entladevorgang der Elektrodeneinheit 10, fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Anode 21 zu der Kathode 22. Innerhalb der Elektrodeneinheit 10 wandern Lithiumionen von der anodischen Aktivmaterialschicht 41 durch den Separator 18 zu der kathodischen Aktivmaterialschicht 42. Dabei lagern die Lithiumionen aus der anodischen Aktivmaterialschicht 41 reversibel aus, was auch als Delithiierung bezeichnet wird.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle 2 mit einer Elektrodeneinheit 10. Die Elektrodeneinheit 10 umfasst vorliegend mehrere in einer Stapelrichtung z aufeinander gestapelte Stapelelemente 65. Jedes der Stapelelemente 65 weist in dieser Reihenfolge einen Separator 18, eine anodische Aktivmaterialschicht 41, einen Stromableiter 31 der Anode 21, einen Stromableiter 32 der Kathode 22 und eine kathodische Aktivmaterialschicht 42 auf.
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Innerhalb eines solchen Stapelelements 65 sind der Stromableiter 31 der Anode 21 und der Stromableiter 32 der Kathode 22 vorliegend als Verbundmaterial 60 ausgebildet. Das Verbundmaterial 60 umfasst dabei eine Schicht aus Kupfer, welche den Stromableiter 31 der Anode 21 bildet, und eine Schicht aus Aluminium, welche den Stromableiter 32 der Kathode 22 bildet. Die beiden Schichten des Verbundmaterials 60 sind elektrisch und mechanisch miteinander verbunden.
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Der Stromableiter 32 der Kathode 22, die kathodische Aktivmaterialschicht 42, der Separator 18, die anodische Aktivmaterialschicht 41 und der Stromableiter 31 der Anode 21, sind jeweils flach, ausgebildet und erstrecken sich vorwiegend in einer Ebene, welche durch eine Längsrichtung x und eine Querrichtung y definiert wird, wobei die Querrichtung y rechtwinklig zu der Längsrichtung x verläuft. Die Stapelrichtung z verläuft rechtwinklig zu der Längsrichtung x und rechtwinklig zu der Querrichtung y.
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Die Stapelelemente 65 sind somit in der Elektrodeneinheit 10 elektrisch seriell verschaltet. Der Stromableiter 31 der Anode 21 des in der gezeigten Darstellung oberen Stapelelements 65 ist mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 des in der gezeigten Darstellung unteren Stapelelements 65 ist mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
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Die Batteriezelle 2 umfasst ferner eine Schnellentladevorrichtung 70, welche mit dem negativen Terminal 11 und mit dem positiven Terminal 12 verbunden ist. Die Schnellentladevorrichtung 70 ist somit elektrisch mit dem Stromableiter 31 der Anode 21 und mit dem Stromableiter 32 der Kathode 22 verbunden. Die Schnellentladevorrichtung 70 ist ein Überbrückungselement in Form eines Schalters. Im normalen Betrieb der Batteriezelle 2 ist die Schnellentladevorrichtung 70 offen und isoliert die Terminals 11, 12 elektrisch voneinander. Im Falle eines Fehlers wird die Schnellentladevorrichtung 70 aktiviert und verbindet dann die Terminals 11, 12 elektrisch miteinander. Daraufhin fließt ein Entladestrom durch die Schnellentladevorrichtung 70. Dadurch wird die Elektrodeneinheit 10 der Batteriezelle 2 entladen.
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Der Stromableiter 32 der Kathode 22 weist mehrere Sperrbereich 50 auf, welche eine im Vergleich zu reinem Aluminium verringerte elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die Sperrbereiche 50 haben somit einen signifikant höheren elektrischen Widerstand als das übrige Material des Stromableiters 32 der Kathode 22.
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Die Sperrbereiche 50 durchdringen den Stromableiter 32 der Kathode 22 in der Stapelrichtung z vollständig. Das bedeutet, die Sperrbereiche 50 erstrecken sich von einer an die kathodische Aktivmaterialschicht 42 angrenzenden Oberfläche bis zu der gegenüberliegenden Oberfläche, die an den benachbarten Stromableiter 31 der Anode 21 angrenzt.
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3 zeigt eine Draufsicht auf einen Stromableiter 32 der Kathode 22 von einer in 2 dargestellten Stapelelement 65. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist, wie bereits erwähnt, vorwiegend aus Aluminium gefertigt und flach ausgebildet. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 erstreckt sich dabei in die Längsrichtung x und in die Querrichtung y. Ferner umfasst der Stromableiter 32 der Kathode 22 mehrere Sperrbereiche 50, welche eine im Vergleich zu reinem Aluminium verringerte elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
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Die Sperrbereiche 50 in dem Stromableiter 32 der Kathode 22 sind vorliegend aus Aluminiumoxid Al2O3 gebildet. Damit weisen die Sperrbereiche 50 eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit und einen verhältnismäßig hohen elektrischen Widerstand auf.
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Die Sperrbereiche 50 sind vorliegend geradlinig ausgebildet. Jeder der Sperrbereiche 50 erstreckt sich dabei nur in eine gerade Richtung, entweder in die Längsrichtung x oder in die Querrichtung y. Die in Längsrichtung x verlaufenden Sperrbereiche 50 weisen eine verhältnismäßig dünne aber konstante Breite in Querrichtung y auf. Die in Querrichtung y verlaufenden Sperrbereiche 50 weisen eine verhältnismäßig dünne aber konstante Breite in Längsrichtung x auf.
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In der Längsrichtung x verlaufende Sperrbereiche 50 sind dabei in der Querrichtung y parallel versetzt zueinander angeordnet. In der Querrichtung y verlaufende Sperrbereiche 50 sind dabei in der Längsrichtung x parallel versetzt zueinander angeordnet. Vorliegend sind die Sperrbereich 50 in dem Stromableiter 32 der Kathode 22 also annähernd in Form eines rechtwinkligen Gitters angeordnet.
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Benachbarte Sperrbereiche 50 sind vorliegend voneinander beabstandet angeordnet. Die einzelnen Sperrbereiche 50 in dem Stromableiter 32 der Kathode 22 sind also separat und diskret ausgebildet. Es ist auch denkbar, dass benachbarte Sperrbereiche 50 ineinander übergehen und somit beispielsweise ein durchgehendes Gitter bilden.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0071741 [0006]
- DE 102012005979 A1 [0021]
