DE102018204165A1

DE102018204165A1 - Lithiumionenzelle mit Verspann-Element zur Druckbeaufschlagung

Info

Publication number: DE102018204165A1
Application number: DE102018204165.2A
Authority: DE
Inventors: Dave Andre; Sonia Dandl; Anna Kolmotsevskaja; Frederik Morgenstern; Stefan Sedlmaier; Barbara Stiaszny; Sandra Zugmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2019-09-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithiumionenbatterie, die mindestens eine Elektrodenanordnung und mindestens ein Verspann-Element umfasst, das senkrecht zur Elektrodenfläche eine mechanische Schubspannung auf die Elektrodenanordnung ausübt. Beispielsweise können die Elektrodenanordnung und das Verspann-Element gemeinsam in ein formstabiles Außengehäuse eingebracht sein. Alternativ kann die Elektrodenanordnung in ein Pouch-Gehäuse eingebracht sein (Pouch-Zelle), und das Verspann-Element wirkt von außen auf die Pouch-Zelle.

Description

Technischer Hintergrund
In heutigen klassischen Lithiumionenbatterien mit Flüssigelektrolyt und Aktivmaterialien auf Interkalationsbasis wird das Zellinnenleben nicht verspannt. Der Druck, den das Gehäuse auf die darin befindlichen Jelly rolls bzw. Elektrodenstapel ausübt, ist die einzige Verspannung in diesem System. Eine weitere Verspannung kann allenfalls auf Modul- bzw. Speicherebene erfolgen, wobei z.B. eine oder mehrere Gruppen von Zellen mit einer Verspanneinrichtung gegeneinander gedrückt werden.
Gegenwärtig werden jedoch im Hinblick auf die Erhöhung der Energiedichte neue Batterie-Technologien erforscht, beispielsweise Batterien mit Konversionsaktivmaterialien, legierungsbildende Aktivmaterialien wie Silizium für die Anode oder Lithium-Schwefel-Zellen, bei denen eine große Volumendifferenz zwischen lithiiertem und delithiiertem Zustand besteht, die also einen signifikanten Volumenschub (Atmen der Zelle) während des Betriebs aufweisen. Bei diesen Materialen besteht die Gefahr, dass aufgrund der durch die Volumenänderungen bewirkten mechanischen Belastung eine verstärkte Degradierung eintritt und sich beispielsweise das Aktivmaterial von den Stromableitern ablösen kann.
Ein weiteres Beispiel sind All-Solid-State-Zellen, die zwar mit herkömmlichen Aktivmaterialien aufgebaut sein können, aber praktisch keine Porosität aufweisen, die die Volumenschübe abfangen kann. Auch hier besteht das Problem, dass die Volumenänderungen zur verstärkten Degradierung und zur Ablösung der Aktivmaterialschicht von den Stromableitern oder der als Separator fungierenden Festkörperelektrolytschicht führen können. Der Druck, der durch das Zellgehäuse auf die Elektrodenanordnung solcher Zellen ausgeübt wird, kann unzureichend sein, um dem Ablösen des Aktivmaterials entgegenzuwirken. Zudem ist der Druck typischerweise undefiniert und kann sich durch ein Ausbauchen der Zelle auch inhomogen über den Zellstapel übertragen. Dies kann zu lokal unterschiedlichen Abscheidungen führen, was die Probleme weiter verschärft.
Zusammenfassung der Erfindung
In Anbetracht der obigen Problematik wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine zellinterne Verspannvorrichtung zu implementieren, die eine möglichst homogene Druckbeaufschlagung auf die Elektrodenanordnung gewährleisten kann.
Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung eine Lithiumionenbatterie bereit, umfassend:

- mindestens eine Elektrodenanordnung, die zumindest eine negative Elektrode (Anode), eine positive Elektrode (Kathode) und einen dazwischenliegenden Separator sowie einen Elektrolyten umfasst;
- mindestens ein Verspann-Element, das senkrecht zur Elektrodenfläche eine mechanische Schubspannung auf die Elektrodenanordnung ausübt.

Die Elektrodenanordnung besteht typischerweise aus einer endlichen Abfolge von Kathode / Separator / Anoden - Folgen. Diese kann beispielsweise in Form gestapelter, diskreter Elemente vorliegen, die jeweils zumindest eine Anode, einen Separator und eine Kathode umfassen (Stapelbauweise). Alternativ kann die Elektrodenanordnung als Wickel vorliegen, so dass sich in Querschnittsrichtung ebenfalls eine Abfolge von Kathode / Separator / Anoden - Folgen ergibt.
Das Verspann-Element dient dazu, die Elektrodenanordnung gleichmäßig über die Elektrodenfläche mit Druck zu beaufschlagen, d.h., eine Schubspannung auf die Elektrodenanordnung auszuüben.
In einer möglichen Ausführungsform sind dazu ein oder mehrere Elektrodenanordnungen und ein oder mehrere Verspann-Elemente gemeinsam in ein formstabiles Hartgehäuse (Hardcase) eingebracht. Das Verspann-Element übt dabei eine expandierende Kraft aus und drückt so gegen die Elektrodenanordnung. Die Gehäusewand des Hardcase-Gehäuses fungiert dabei als Gegenlager.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Elektrodenanordnung in eine Folienumhüllung (Pouch-Gehäuse) eingebracht sein. Bei derartigen Pouch-Zellen ist kein zusätzliches Hardcase-Gehäuse nötig, da die Elektrodenanordnung bereits eingekapselt ist. Das Verspann-Element wirkt dann von außen auf die Pouchzelle. Gegebenenfalls kann weiterhin ein offenes Außengehäuse oder ein Rahmen vorgesehen sein, der als Gegenlager für das Verspann-Element fungiert.
Alternativ kann ein Verspann-Element eingesetzt werden, das eine komprimierende Kraft ausübt. In diesem ist kein Gegenlager nötig, da die Elektrodenanordnung direkt komprimiert wird. Beim Einsatz von Pouch-Zellen kann dann auch das offene Gehäuse oder der Rahmen entfallen.
Figurenliste

1 zeigt schematisch zwei mögliche Konfigurationen einer Lithiumionenbatterie. In der in 1A gezeigten Konfiguration sind in das äußere, formstabile Gehäuse (Hardcase) zwei oder mehrere Elektrodenanordnungen eingebracht. In der Konfiguration nach 1B ist in das Hardcase-Gehäuse eine einzelne als Stapel ausgeführte Elektrodenanordnung eingebracht.
2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der das Verspann-Element ein magnetisches Expansionselement ist, das aus zwei sich abstoßenden magnetischen Platten besteht. Die Plattenform erleichtert die homogene Druckausübung auf die Elektrodenanordnung. Als Gegenlager fungiert die Gehäusewand. Es sind zwei alternative Konfigurationen mit zwei Elektrodenanordnungen (2A) bzw. mit einer einzelnen als Stapel ausgeführten Elektrodenanordnung (2B) gezeigt.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der als Expansionselement ein expandierbares Material eingesetzt wird, das nach Zusammenbau der Zelle expandiert wird.
4 zeigt eine Ausführungsform mit Gasdruck-Expansionselement.
5 zeigt eine Ausführungsform, bei der zur Ausübung der Schubspannung ein Kompressionselement eingesetzt wird. Das Kompressionselement umfasst zur gleichmäßigen Druckbeaufschlagung zwei plattenförmige Druckübertragungselemente, zwischen die die Elektrodenanordnung eingebracht ist, sowie ein darum gewickeltes Band zur Ausübung der komprimierenden Kraft. Die Elektrodenanordnung kann von einem Pouch-Gehäuse umschlossen sein (5A) oder freiliegen (5B); in letzterem Fall ist der Gesamtverbund aus Elektrodenanordnung und Kompressionselement wiederum in ein Gehäuse einzubringen.
6 zeigt die Ausgestaltung der plattenförmigen Druckübertragungselemente des Kompressionselements als U-förmige Kantenschutzbleche.

Detaillierte Beschreibung
Zelltypen
Bei der erfindungsgemäßen Lithiumionenbatterie kann es sich um eine Zelle mit Flüssigelektrolyt oder um eine Festkörperzelle handeln. In beiden Fällen weist die Elektrodenanordnung der Batterie zumindest eine negative Elektrode, eine positive Elektrode und einen dazwischenliegenden Separator auf. Die grundsätzliche Bauweise ist im Stand der Technik bekannt.
In Zellen mit Flüssigelektrolyt ist die Elektrodenanordnung mit einem Flüssigelektrolyten getränkt. Der Separator ist porös, um einen Durchtritt von Lithiumionen zu ermöglichen. Die Elektroden umfassen jeweils eine Mischung, die ein Aktivmaterial, gegebenenfalls einen elektrisch leitfähigen Zusatz wie Leitruß und ein Bindemittel enthält und auf einen Stromableiter (meist Cu-Folie für die Anode und Al-Folie für die Kathode) aufgebracht ist. Die Elektroden sind typischerweise ebenfalls porös, um eine große Kontaktfläche zum Flüssigelektrolyten zu gewährleisten, Volumenvorhalt für die Ausdehnung während der Lithiierung vorzuhalten und den Austausch von Lithiumionen zwischen Elektrolyt und Aktivmaterial zu erleichtern.
Der Flüssigelektrolyt umfasst zumindest ein Lösemittel und ein Leitsalz. Optional können auch weitere Zusätze wie z.B. Filmbildner enthalten sein. Das Lösungsmittel umfasst bei typischen Lithiumionenzellen im Allgemeinen ein zyklisches Carbonat wie Ethylencarbonat oder Propylencarbonat, ein lineares Carbonat wie Dimethlycarbonat, Diethylcarbonat oder Ethylmethylcarbonat, oder ein Lacton wie Gamma-Butyrolakton. Bei Lithium-Schwefel-Zellen kommen hingegen meist Ether wie z.B. Dimethoxyethan (DME) in Mischung mit Dioxolan (DOL) zum Einsatz. Wässrige Elektrolyte können ebenfalls in Betracht kommen. Allerdings sind in diesem Fall die Elektrodenmaterialien so zu wählen, dass der Stabilitätsbereich von Wasser nicht überschritten wird, oder die Elektrodenoberfläche ist mit einer geeigneten lithiumdurchlässigen, wasserundurchlässigen Beschichtung zu versehen, um eine Reduktion bzw. Oxidation von Wasser durch das Anoden- bzw. Kathodenaktivmaterial zu verhindern.
Typischerweise wird eine Mischung aus mehreren der vorgenannten Lösemittel eingesetzt, z.B. aus Ethylencarbonat und ein oder mehreren linearen Carbonaten, um die erforderlichen Eigenschaften wie Viskosität und Dielektrizitätskonstante geeignet einzustellen. Das Leitsalz ist üblicherweise ein Lithiumsalz mit nichtkoordinierendem Anion wie z.B. PF₆ ^-. Als Separator wird meist eine poröse Polyolefinfolie verwendet.
Als Aktivmaterial für die negative Elektrode können Interkalationsmaterialien auf Kohlenstoffbasis zum Einsatz kommen, wie beispielsweise Graphit, Hard-Carbon oder Soft-Carbon oder LTO (Lithiumtitanoxid). Lithiumlegierungsbildende Aktivmaterialien wie Silizium, Aluminium, Gallium, Germanium, Zinn, Silber, Legierungen von diesen, oder auch Phosphor können ebenfalls eingesetzt werden. Optional können solche Legierungsbildner auch in Form eines Verbundmaterials mit Kohlenstoff verwendet werden, beispielsweise auf Kohlenstoff/Silizium-Basis. Zudem können binäre und ternäre Übergangsmetalloxide wie Fe₂O₃, MnO, Mn₃O₄, etc. als Konversionsanode eingesetzt werden. Da bei den Legierungsbildnern oder Verbundmaterialien, die Legierungsbildner enthalten sowie den Konversionsmaterialien, die Volumenänderungen bei der Lithiierung/Delithiierung am größten sind, ist dort der Einsatz der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft.
Beispiele für einsetzbare Kathoden-Aktivmaterialien sind Übergangsmetalloxide mit Schichtstruktur des Typs LiMO₂ (M = Co, Ni, Mn) wie LiCoO₂(LCO), LiNiO₂, LiMnO₂ oder Mischoxide wie LiNi_xMn_yCo_zO₂ (mit x+y+z=1; NMC), LiCo_0,85Al_0,15O₂ oder LiNi_0,8Co_0,15Al_0,05O₂ (NCA), Spinelle wie LiMn₂O₄ (LMO) oder auch im Olivin-Typ kristallisierende Phosphate wie LiFePO₄ (LFP) oder LiFe_0,15 Mn_0,85PO₄ (LFMP) . Die Verwendung einer Mischung von zwei oder mehreren dieser Materialien kommt ebenfalls in Betracht.
Alternativ können hier auch Konversionsmaterialien zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann hier FeF₃ angeführt werden. Das Konversionsmaterial ist dabei in Kombination mit einer Li-Metallanode oder einer Li-haltigen Anode einzusetzen, oder es ist ein Prä-Lithiierungsschritt für die Kathode vorzusehen. Der Einsatz der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit Konversionsmaterialien ist wiederum besonders vorteilhaft, da hier die Volumenänderungen am größten sind. Weiterhin kann die Erfindung auch mit Lithium-Schwefel-Batterien eingesetzt werden, bei denen Schwefel als KathodenAktivmaterial fungiert.
Bei einer Festkörperzelle wird eine Festkörperelektrolytschicht (Lithiumionenleiter) als Separator eingesetzt. Die Elektroden haben im Allgemeinen eine möglichst geringe Porosität und sind aus einem Verbundmaterial aufgebaut, das das Aktivmaterial, einen Festkörperelektrolyten und gegebenenfalls einen Leitfähigkeitszusatz und ein Bindemittel umfasst. Als Anode kommt auch metallisches Lithium, z.B. als Lithium-Folie in Betracht.
In solchen Verbundelektroden übernimmt der Festkörperelektrolyt die Rolle der mit Flüssigelektrolyt getränkten Poren im Fall der Flüssigelektrolyt-Zellen und gewährleistet den Austausch von Lithiumionen mit dem Aktivmaterial.
Die einsetzbaren Festkörperelektrolyte lassen sich grundsätzlich in anorganische Lithiumionenleiter und Polymerelektrolyte klassifizieren.
Ein Beispiel für anorganische Festkörperelektrolyte sind oxidische Lithiumionenleiter vom Granat-Typ wie Li₅La₃M₂O₁₂ (mit M = Nb, Ta), Li₇La₃Zr₂O₁₂ oder dotierte Derivate davon, wie z.B. Li₆La₂BaTa₂O₁₂. Weitere oxidische Lithiumionenleiter sind Verbindungen des Typs Li_2+2xZm_1-xGeO₄, die unter der Bezeichnung „LISICON“ (Li super ionic conductor) bekannt sind. Als Beispiele für Festkörperelektrolyte auf Sulfidbasis lassen sich Li₂S-P₂S₅ oder Li₂S-SiS₂-Li₃N anführen, die amorph (als Glas) oder teilkristallin vorliegen können. Kristalline sulfidische Lithiumionenleiter sind ebenfalls bekannt, beispielsweise Li_3,25Ge_0,25P_0,75S₄ und verwandte Verbindungen, die unter der Bezeichnung „thio-LISICON“ bekannt sind. Als Phosphat-basierter Festkörperelektrolyt kommen z.B. Lithium-Aluminium-Titan-Phosphate (LATP) in Betracht, beispielsweise mit der Stöchiometrie Li_1,5Al_0,5Ti_1,5 (PO₄)₃ oder Li_1,3Al_0,3Ti_1,7(PO₄)₃.
Ein Polymerelektrolyt umfasst ein Polymermaterial, das Lithiumionenleitfähigkeit aufweist, wie insbesondere Polyethylenoxid (PEO), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyphenylenether (PPO), Phosphazenpolymere wie MEEP oder auch Polyacrylnitril (PAN). Zur Verbesserung der Lithiumionenleitfähigkeit enthalten die Polymerelektrolyte üblicherweise ein Leitsalz wie Lithiumperchlorat, Lithiumtetrafluoroborat, Lithiumhexafluorophosphat, LiN(SO₂F)₂ (LiFSI) oder LiN(SO₂CF₃)₂ (LiTFSI). Ein bevorzugter Polymerelektrolyt ist PEO in Verbindung mit LiN(SO₂F)₂ (LiFSI) oder LiN(SO₂CF₃)₂ (LiTFSI).
Als Aktivmaterialien können in der Festkörperzelle grundsätzlich die gleichen Materialien wie bei der Flüssigelektrolytzelle zum Einsatz kommen. Daneben kommt als Anodenaktivmaterial auch metallisches Lithium in Betracht. Da solche Verbundelektroden idealerweise möglichst kompakt sind, d.h., nur ein kleines Leervolumen aufweisen, das die Volumenänderungen des Aktivmaterials abfängt, können selbst bei Aktivmaterialien mit geringer nomineller Volumenausdehnung starke mechanische Spannungen auftreten. Daher ist der Einsatz der vorliegenden Erfindung auch für Festkörperzellen besonders vorteilhaft.
Hybridzellen mit einer Festkörper-Halbzelle und einer Flüssigelektrolyt-Halbzelle sind ebenfalls möglich.
Aufbau der Zelle
Die Elektrodenanordnung aus negativer Elektrode, Separator und positiver Elektrode kann gewickelt oder gestapelt vorliegen.
In einer Zelle vom Wickel-Typ ist üblicherweise eine Abfolge von Separator, Anodenfolie, Separator und Kathodenfolie um einen gemeinsamen zylindrischen oder flachen (prismatischen) Kern aufgewickelt.
Bei Stapelbauweise können z.B. Einzelzellen aus Anode, Separator und Kathode, mit jeweils dazwischenliegenden Trennschichten zu einem Elektrodenstapel geformt werden. Alternativ ist auch das Stapeln von Doppelzellen („Bicells“) oder beidseitig mit Aktivmaterial beschichteten Elektroden möglich.
Die Stapelbauweise hat den Vorteil einer wohldefinierten Elektrodenebene mit parallelen Elektrodenflächen, was die Ausübung einer über die gesamte Elektrodenfläche gleichförmigen Schubspannung erleichtert. Ähnliches gilt auch für die flache Wickelbauweise. Bei zylindrischer Wickelbauweise muss hingegen die Ausübung der Schubspannung radial erfolgen, was schwieriger ist. Daher sind erfindungsgemäß die flache Wickelbauweise oder die Stapelbauweise bevorzugt, und die Stapelbauweise ist besonders bevorzugt.
In einer möglichen Ausführungsform umfasst die Batterie zudem ein formstabiles Außengehäuse (Hardcase), in das ein oder mehrere Elektrodenstapel bzw. Wickel eingebracht sind. Das Hardcase-Gehäuse kann dabei gleichzeitig als Gegenlager für die Ausübung der Schubspannung durch das Verspann-Element fungieren.
Eine weitere Ausführungsform sind sogenannten Pouch-Zellen, in denen der Elektrodenwickel bzw. Stapel in eine beutelartige Folienumhüllung („Pouch“) eingebracht ist, meist eine Verbundfolie, die zumindest eine Aluminium-Lage und eine versiegelbare Innen-Lage umfasst. Beim Einsatz von Pouch-Zellen kann auf ein geschlossenes Hardcase-Gehäuse verzichtet werden, da die Zellen bereits versiegelt sind. Als Gegenlager für das Verspann-Element kann gegebenenfalls ein offenes Außengehäuse oder ein Rahmen eingesetzt werden.
1A zeigt schematisch ein Hardcase-Gehäuse mit zwei Elektrodenanordnungen (z.B. Stapel oder Wickel) und 1B zeigt den Fall, dass ein einzelner Elektrodenstapel in den Hardcase eingebracht ist. Die vorliegende Erfindung eignet sich für den Einsatz in beiden Konfigurationen.
Im Fall von Zellen in Stapel- oder flacher Wickelbauweise hat das Außengehäuse üblicherweise eine quaderförmige oder prismatische Form, wobei zwei gegenüberliegende Seitenwände parallel zur den Elektrodenflächen der Elektrodenanordnung ausgerichtet sind. In diesem Fall kann das Verspann-Element beispielsweise zwischen die Elektrodenanordnung und eine der Seitenwände eingebracht werden, und die Schubspannung wird dadurch erzeugt, dass die Elektrodenanordnung vom Verspann-Element gegen die andere Seitenwand gedrückt wird.
Verspann-Element
Das Verspann-Element dient dazu, die Elektrodenanordnung gleichmäßig über die Elektrodenfläche mit Druck zu beaufschlagen, d.h., eine Schubspannung auf die Elektrodenanordnung auszuüben. Grundsätzlich kommen hierzu Verspann-Elemente in Betracht, die eine expansive Kraft ausüben (im Folgenden auch als Expansionselemente bezeichnet), und solche, die eine komprimierende Kraft ausüben (im Folgenden als Kompressionselemente bezeichnet).
Ein Expansionselement benötigt zur Erzeugung der Schubspannung ein Gegenlager. Diese Rolle wird typischerweise von der Gehäusewand des Hardcase-Gehäuses übernommen, wie oben beschrieben. So kann das Expansionselement einseitig oder beidseitig parallel zur Elektrodenebene zwischen die Gehäusewand und die Elektrodenanordnung eingebracht werden, um die Elektrodenanordnung gegen die Gehäusewand bzw. das jeweils gegenüberliegende andere Expansionselement zu drücken. Alternativ kann das Expansionselement zwischen zwei Elektrodenanordnungen eingebracht werden, um diese gegen die jeweils gegenüberliegende Gehäusewand zu drücken. Falls das Expansionselement bauartbedingt nur geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann letztere Ausführungsform im Hinblick auf die Vereinfachung der Kühlung bevorzugt sein. Beispielhafte Konfigurationen sind in den 2 bis 4 gezeigt.
Das Expansionselement weist vorzugsweise ein oder zwei starre plattenförmige Druckübertragungselemente auf, die am Elektrodenstapel anliegen und die Kraft gleichmäßig auf die Elektrodenfläche ausüben. Hierbei kann es sich beispielsweise um Metallbleche, etwa aus Aluminium, oder um Kunststoffplatten handeln, die vom kraftausübenden Bestandteil gleichmäßig gegen die Elektrodenfläche gedrückt werden. Metallplatten, insbesondere aus Aluminium, sind besonders bevorzugt, da sie gleichzeitig eine bessere Wärmeabfuhr ermöglichen.
Der Typ des Expansionselements lässt sich nach der Art der Krafterzeugung klassifizieren. Beispielsweise kann ein magnetisches Expansionselement, ein elastisches Expansionselement, ein Gasdruck-Expansionselement oder ein hydraulisches Expansionselement zum Einsatz kommen. Der auszuübende Druck kann beispielsweise im Bereich von 0,001-20 Tonnen/cm² liegen, vorzugsweise 0,01-5 Tonnen/cm², insbesondere 0,1-1 Tonnen/cm². Je nach Art des Expansionselements kann der Druck in Abhängigkeit von der Auslenkung konstant oder variabel sein, beispielsweise linear abhängig.
Bei einem magnetischen Expansionselement kommt die Schubspannung durch die Abstoßung gleich gegeneinander gerichteter und sich abstoßender Pole (NS-SN bzw. SN-NS) von Magneten zustande. Beispiele sind in 2 illustriert. In diesen Beispielen kommen starre magnetische Platten zum Einsatz, die gleichzeitig als Kraftübertragungselemente fungieren, um den Druck gleichmäßig auf die Elektrodenfläche zu übertragen. Die Platten sind entweder aus einem magnetisierten Material hergestellt, oder aus einem nichtmagnetischen Material wie Aluminium, das auf der Seite, die der Elektrodenanordnung abgewandt ist, mit Permanentmagneten versehen ist.
Durch Anbringung einer spiegelsymmetrisch orientierten zweiten Platte (Gegenplatte) oder einer entsprechenden Anordnung von Einzelmagneten (Gegenmagnete) entsteht zwischen der Platte und der Gegenplatte oder den Gegenmagneten eine magnetische Abstoßungskraft, die die Platte gegen die Elektrodenanordnung drückt und so eine Schubspannung auf die Elektrodenanordnung ausübt. Die Stärke der Schubspannung kann durch die Wahl der Magnete geeignet variiert werden.
Mögliche Konfigurationen sind in 3 gezeigt. So kann das magnetische Expansionselement aus zwei parallelen, sich abstoßenden Platten konfiguriert sein und mittig zwischen zwei Elektrodenanordnungen eingebracht werden, die sich wiederum in einem Hardcase-Außengehäuse befinden. Das Expansionselement drückt die Elektrodenanordnungen dann jeweils an die gegenüberliegende Gehäusewand.
Wie in der Figur ebenfalls gezeigt, können die Platten auch einseitig oder beidseitig zwischen Gehäusewand und Elektrodenanordnung eingebracht werden. Dabei kann die zweite, der Elektrodenanordnung abgewandte Platte auch weggelassen und durch eine entsprechende Anordnung von einzelnen Gegenmagneten eingesetzt werden.
Bei Anbringung zwischen Gehäusewand und Elektrodenanordnung ist es alternativ auch möglich, die Gegenplatte bzw. die Gegenmagnete außerhalb des Gehäuses auf der gegenüberliegenden Seite der Gehäusewand anzubringen. Dies erleichtert die Herstellung der Zelle, da das Expansionselement im unverspannten Zustand eingebracht werden kann.
Alternativ kann auch ein elastisches Expansionselement eingesetzt werden, in dem die Rückstellkraft eines komprimierten elastischen Körpers zur Ausübung der Schubspannung genutzt wird. Im einfachsten Fall kann es sich dabei um einen Elastomer-Block handeln, der bei der Zellherstellung im vorgespannten Zustand in das Gehäuse eingebracht wird und dann nur teilweise relaxiert, so dass eine verbleibende Spannung auf die Elektrodenanordnung wirkt. Um einen größeren Federweg zu ermöglichen, kann auch ein Elastomerschaum eingesetzt werden. Der Einsatz von Elementen, die aufgrund ihrer geometrischen Form elastisch deformierbar sind, wie z.B. Tellerfedern, Wellfedern oder anderer Federelemente, in Kombination mit einer oder mehreren starren Platten als Druckübertragungselement ist ebenfalls möglich.
Daneben ist es auch möglich, das elastische Expansionselement beim Zusammenbau der Batterie im unverspannten, expandierbaren Zustand einzubringen und dann die Expansion auszulösen, beispielsweise durch thermisches Triggern. Hierzu kann das Material beispielsweise im stark gekühlten Zustand eingebracht werden. Bei Erwärmung auf Raumtemperatur expandiert das Material. Expansionselemente aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, können ggf. durch flüssigen Stickstoff gekühlt werden (Fügen durch Kaltdehnen). Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz eines schäumbaren Materials, beispielsweise eines Polymers in Mischung mit einem Schäumungsmittel wie z.B: Butan oder Pentan. Durch Erwärmung wird das Schäumungsmittel verdampft und das Material expandiert.
Ein Gasdruck-Expansionselement umfasst einen beutelförmigen Bestandteil, beispielsweise einen Ballon, der zwischen zwei Druckübertragungselemente oder zwischen ein Druckübertragungselement und die Gehäusewand eingebracht ist und mit Gas gefüllt ist. Zudem kann ein Ventil vorgesehen sein, um den Druck im Ballon und damit die Schubspannung auf die Elektroden zu regulieren. Im Hinblick auf eine gleichmäßige Druckausübung auf den Elektrodenstapel kann der Ballon geeignet strukturiert sein und beispielsweise mehrere Kammern aufweisen. Als Arbeitsgas kann Luft oder Inertgas eingesetzt werden.
Zur Vereinfachung des Zusammenbaus wird das Gasdruck-Expansionselement wiederum vorzugsweise im nicht expandierten Zustand eingebracht und erst bei der Inbetriebnahme expandiert.
Ein hydraulisches Expansionselement funktioniert grundsätzlich analog zum Gasdruck-Expansionselement, allerdings erfolgt die Druckausübung durch ein hydraulisches Arbeitsfluid wie z.B. Öl. Da das Arbeitsfluid im Gegensatz zum Gas kaum komprimierbar ist, muss hier die Druckregulierung in jedem Fall durch das Ventil erfolgen.
Alternativ zu den oben beschriebenen Expansionselementen kann das Verspann-Element als Kompressionselement ausgeführt sein. Dabei wird die Elektrodenanordnung ins Innere des Kompressionselements eingebracht, und das Kompressionselement übt eine komprimierende Kraft auf die Elektrodenanordnung aus.
Um eine gleichmäßige Druckübertragung auf die Elektrodenanordnung zu gewährleisten, weist das Kompressionselement vorzugsweise mindestens ein kraftausübendes Element und zwei planare Druckübertragungselemente auf.
Die Elektrodenanordnung wird so eingebracht, dass die Druckübertragungselemente an den Elektrodenflächen anliegen und eine komprimierende gleichmäßige Kraft ausüben. Hierbei kann es sich beispielsweise um Metallbleche (z.B. aus Al) oder Kunststoffplatten handeln, die vom kraftausübenden Bestandteil gleichmäßig gegen die Elektrodenfläche gedrückt werden. Hierzu kann die Elektrodenanordnung beispielsweise sandwichartig zwischen zwei Druckübertragungselemente angeordnet sein, die dann durch die Wirkung des Kompressionselements gegeneinander gedrückt werden.
Optional kann die Elektrodenanordnung wiederum in ein Pouch-Gehäuse eingebracht sein, wobei dann kein zusätzliches Hardcase-Gehäuse nötig ist (5A). Für den Fall, dass der Elektrodenstapel freiliegend in das Kompressionselement eingebracht wird, ist hingegen ein zusätzliches Hardcase-Gehäuse nötig (5B).
Zum Schutz der Kanten der Elektrodenanordnung sind die Druckübertragungselemente vorzugsweise größer dimensioniert als die Elektrodenfläche und ragen über deren Kanten hinaus.
Besonders bevorzugt sind die Druckübertragungselemente an den Kanten um etwa 90° in Richtung der Elektrodenanordnung gebogen, so dass der Querschnitt U-förmig ist, wie in 6 gezeigt. Die Druckübertragungselemente fungieren dann gleichzeitig als Kantenschutzbleche, so dass die Elektrodenanordnung noch besser vor Beschädigung geschützt werden kann.
Beim kraftausübenden Element kann es sich beispielsweise, wie in 5 gezeigt, um ein gespanntes Elastomerband handeln, mit dem der Elektrodenstapel mitsamt den beiden Druckübertragungselementen, zwischen die er sandwichartig eingebracht ist, umwickelt ist. Je nach Art des Materials und der Umwickelung kann die Schubspannung geeignet eingestellt werden.
In gleicher Weise kann auch ein Elastomerschlauch eigesetzt werden. Falls eine geringere Elastizität erforderlich ist, können auch Elemente wie Kabelbinder oder Ratschen-Band zum Einsatz kommen. Zugfedern, die beispielsweise zwischen den gegenüberliegenden Druckübertragungselementen an den Kanten angebracht sind und diese mit Federkraft zusammenziehen, können ebenfalls verwendet werden.
Zur Vereinfachung des Zusammenbaus ist es wiederum bevorzugt, wenn das Kompressionselement in ungespanntem Zustand in das Zellgehäuse eingebracht werden kann und die Schubspannung erst nachträglich getriggert wird. Hierzu können beispielsweise Polymermaterialien eingesetzt werden, die sich durch Erwärmen oder Abkühlen zusammenziehen, beispielsweise Schrumpfschläuche oder ähnliches.
Die Ausführungsform mit Kompressionselement hat den Vorteil, dass ein Hardcase-Außengehäuse als Gegenlager nicht erforderlich ist. Damit kann ein leichteres Außengehäuse verwendet werden, oder das Außengehäuse kann, insbesondere im Fall von Pouch-Zellen, weggelassen werden.

Claims

Lithiumionenbatterie, umfassend: - mindestens eine Elektrodenanordnung, die zumindest eine negative Elektrode, eine positive Elektrode und einen dazwischenliegenden Separator umfasst; - mindestens ein Verspann-Element, das senkrecht zur Elektrodenfläche eine mechanische Schubspannung auf die Elektrodenanordnung ausübt.
Lithiumionenbatterie gemäß Anspruch 1, worin die Elektrodenanordnung gewickelt ist und als Jelly Roll vorliegt.
Lithiumionenbatterie gemäß Anspruch 1, worin die Elektrodenanordnung als Elektrodenstapel vorliegt.
Lithiumionenbatterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Elektrodenanordnung eine Pouch-Folie eingeschlossen ist, und das Verspann-Element außerhalb der Pouch-Folie angebracht ist.
Lithiumionenbatterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Batterie ein formstabiles Außengehäuse umfasst, in das die Elektrodenanordnung und das Verspann-Element eingebracht sind.
Lithiumionenbatterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das Verspann-Element mindestens ein planares Druckübertragungselement aufweist, das parallel zur Elektrodenfläche orientiert ist und die Kraft auf diese überträgt.
Lithiumionenbatterie gemäß Anspruch 6, worin das Verspann-Element ein Expansionselement ist, das zur Erzeugung der Schubspannung eine expansive Kraft auf die Elektrodenanordnung ausübt.
Lithiumionenbatterie gemäß Anspruch 7, worin das Expansionselement aus einem elastischen Expansionselement, einem Gasdruck-Expansionselement, einem hydraulischen Expansionselement und einem magnetischen Expansionselement ausgewählt ist.
Lithiumionenbatterie gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Verspann-Element ein Kompressionselement ist, in das die Elektrodenanordnung eingebracht ist und das zur Erzeugung der Schubspannung eine komprimierende Kraft auf die eingebrachte Elektrodenanordnung ausübt.
Lithiumionenbatterie gemäß Anspruch 9, worin das Kompressionselement zwei planare Druckübertragungselemente aufweist, zwischen denen mindestens eine Elektrodenanordnung eingebracht ist, sowie ein kraftausübendes Element, das die resultierende Anordnung mit einer Kompressionskraft beaufschlägt.
Lithiumionenbatterie gemäß Anspruch 10, worin mindestens zwei Kanten der Druckübertragungselemente in Richtung des Elektrodenstapels gebogen sind, so dass die Druckübertragungselemente einen im Wesentlichen U-Förmigen Querschnitt haben, um die Kanten der Elektrodenanordnung zu schützen.
Lithiumionenbatterie gemäß Anspruch 10 oder 11, worin das kraftausübende Element ein Band ist, das um die Druckübertragungselemente mit der dazwischenliegenden Elektrodenanordnung gewickelt ist.