DE102018216521A1 - Battery cell with at least one electrochemical cell and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle (102) mit zumindest einer elektrochemischen Zelle (100), die durch zwei, unter Verwendung eines Separators (106) aus Feststoffelektrolyt (118) elektrisch getrennte und chemisch wechselwirkende, als Anode (108) und Kathode (110) wirkende Elektroden (104) ausgebildet ist, wobei zumindest eine der Elektroden (104) auf der vom Separator (106) abgewandten Seite elektrisch leitend mit einem flächigen, elektrisch leitenden Ableiter (112) verbunden ist, wobei zwischen der Elektrode (104) und dem Ableiter (112) eine seitlich offene, elektrisch leitende, poröse Schicht (122) zum Ableiten von Gasen angeordnet ist.The invention relates to a battery cell (102) with at least one electrochemical cell (100), which is an anode (108) and cathode 110) acting electrodes (104), at least one of the electrodes (104) on the side facing away from the separator (106) being electrically conductively connected to a flat, electrically conductive conductor (112), between the electrode (104) and the arrester (112) has a laterally open, electrically conductive, porous layer (122) for discharging gases.
Description
Gebiet der ErfindungField of the Invention
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit zumindest einer elektrochemischen Zelle und ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle mit zumindest einer elektrochemischen Zelle.The invention relates to a battery cell with at least one electrochemical cell and a method for producing a battery cell with at least one electrochemical cell.
Stand der TechnikState of the art
In einer Batteriezelle kann ein Elektrolytmaterial zwischen einem Anodenmaterial und einem Kathodenmaterial verwendet werden. Eine einzelne elektrochemische Zelle der Batteriezelle weist dabei einen Stapel aus zumindest drei Schichten auf, wobei in einer ersten Schicht das Anodenmaterial enthalten ist, in einer zweiten Schicht das Elektrolytmaterial aber weder das Anodenmaterial noch das Kathodenmaterial enthalten ist und in einer dritten Schicht das Kathodenmaterial enthalten ist. Der Stapel ist auf entgegengesetzten Seiten elektrisch mit den zwei Polen der Batteriezelle verbunden. Die elektrische Verbindung kann durch sogenannte Ableiter erfolgen, die als elektrisch leitende Folien auf den entgegengesetzten Seiten angeordnet werden.In a battery cell, an electrolyte material can be used between an anode material and a cathode material. A single electrochemical cell of the battery cell has a stack of at least three layers, the anode material being contained in a first layer, but the electrolyte material being neither contained in the anode material nor the cathode material, and the cathode material being contained in a third layer . The stack is electrically connected to the two poles of the battery cell on opposite sides. The electrical connection can be made by so-called arresters, which are arranged as electrically conductive foils on the opposite sides.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Batteriezelle mit zumindest einer elektrochemischen Zelle und ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle mit zumindest einer elektrochemischen Zelle gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes ergeben sich aus der Beschreibung und sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.Against this background, the approach presented here presents a battery cell with at least one electrochemical cell and a method for producing a battery cell with at least one electrochemical cell according to the independent claims. Advantageous further developments and improvements of the approach presented here result from the description and are described in the dependent claims.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, bei einem Formierungsprozess oder während des Betriebes einer Batteriezelle entstehende Gase aus einem Zellstapel der Batteriezelle abzuführen. Dabei kann eine Ansammlung der Gase an als Diffusionshindernissen wirkenden elektrisch leitenden Folien im Zellstapel verhindert werden, wodurch eine Prozesssicherheit erhöht werden kann und eine Ausschussrate gesenkt werden kann.Embodiments of the present invention can advantageously make it possible to remove gases generated during a formation process or during the operation of a battery cell from a cell stack of the battery cell. Accumulation of the gases on electrically conductive foils acting as diffusion obstacles in the cell stack can be prevented, as a result of which process reliability can be increased and a reject rate can be reduced.
Es wird eine Batteriezelle mit zumindest einer elektrochemischen Zelle vorgeschlagen, wobei die Zelle durch zwei, unter Verwendung eines Separators aus Feststoffelektrolyt elektrisch getrennte und chemisch wechselwirkende, als Anode und Kathode wirkende Elektroden ausgebildet ist, wobei zumindest eine der Elektroden auf der vom Separator abgewandten Seite elektrisch leitend mit einem flächigen, elektrisch leitenden Ableiter verbunden ist, wobei zwischen der Elektrode und dem Ableiter zumindest eine seitlich offene, elektrisch leitende, poröse Schicht zum Ableiten von Gasen angeordnet ist.A battery cell with at least one electrochemical cell is proposed, the cell being formed by two electrodes which are electrically separated using a separator made of solid electrolyte and which interact chemically and act as an anode and cathode, at least one of the electrodes being electrical on the side facing away from the separator is conductively connected to a flat, electrically conductive arrester, at least one laterally open, electrically conductive, porous layer for discharging gases being arranged between the electrode and the arrester.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle, mit zumindest einer elektrochemischen Zelle vorgeschlagen, wobei die Zelle durch zwei, unter Verwendung eines Separators elektrisch getrennte und chemisch wechselwirkende, als Anode und Kathode wirkende Elektroden aufgebaut wird, wobei zumindest eine der Elektroden auf der vom Separator abgewandten Seite elektrisch leitend mit einem flächigen, elektrisch leitenden Ableiter verbunden wird, und zwischen der Elektrode und dem Ableiter eine seitlich offene, elektrisch leitende, poröse Schicht zum Ableiten von Gasen angeordnet wird, wobei die Batteriezelle unter Verwendung eines Formierungsprozesses formiert wird, unter Verwendung der porösen Schicht entgast wird und eine Umhüllung der Batteriezelle nach dem Entgasen fluiddicht versiegelt wird.Furthermore, a method for producing a battery cell with at least one electrochemical cell is proposed, the cell being constructed by two electrodes which are electrically separated and chemically interacting using an separator and act as anode and cathode, at least one of the electrodes on that of the separator opposite side is electrically conductively connected to a flat, electrically conductive arrester, and a laterally open, electrically conductive, porous layer for discharging gases is arranged between the electrode and the arrester, the battery cell being formed using a forming process using the porous layer is degassed and an envelope of the battery cell is sealed in a fluid-tight manner after degassing.
Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.Ideas for embodiments of the present invention can be viewed, inter alia, as based on the ideas and knowledge described below.
Unter einer Batteriezelle kann ein Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie in chemischer Form verstanden werden. Eine elektrochemische Zelle ist die kleinste Funktionseinheit der Batteriezelle. Die Batteriezelle kann mehrere elektrisch parallel geschaltete und/oder elektrisch in Reihe geschaltete elektrochemische Zellen aufweisen. Mehrere Batteriezellen können zu einer Batterie, beispielsweise einer Traktionsbatterie für ein Fahrzeug zusammengefügt werden.A battery cell can be understood as an energy store for storing electrical energy in chemical form. An electrochemical cell is the smallest functional unit of the battery cell. The battery cell can have a plurality of electrochemical cells connected in parallel and / or electrically connected in series. Several battery cells can be combined to form a battery, for example a traction battery for a vehicle.
Die Zelle weist eine Schichtfolge von verschiedenen elektrochemisch aktiven Materialien und elektrochemisch inerten Materialien auf. Elektroden der Zelle weisen die elektrochemisch aktiven Materialien auf. Ein zwischen den Elektroden angeordneter Separator weist elektrochemisch inertes Material auf.The cell has a layer sequence of different electrochemically active materials and electrochemically inert materials. Electrodes of the cell have the electrochemically active materials. A separator arranged between the electrodes has electrochemically inert material.
Zum Aufbauen der Zelle können die Materialien schichtweise übereinander angeordnet werden. Dabei können vorgefertigte Schichten gestapelt und/oder Schichten vor Ort erzeugt werden. Schichten können beispielsweise als Scheiben von einem Rohling abgeschnitten werden. Schichten können auch aus Flüssigkeiten oder Pasten erzeugt werden. Die Flüssigkeiten oder Pasten können Dispersionen eines oder mehrerer der Materialien in einem Lösungsmittel sein, die durch ein Entfernen des Lösungsmittels die Schicht bilden. Ebenso können die Schichten durch eine Reaktion von zwei oder mehr Komponenten aus dem flüssigen beziehungsweise pastösen Zustand in einen festen Zustand übergehen. Die Schichten können auch durch ein Erstarren von schmelzflüssiger Schmelze erzeugt werden. Ebenso können Schichten durch Umformen, also beispielsweise Walzen, Pressen oder Ziehen eines Rohlings erzeugt werden.To build up the cell, the materials can be arranged in layers one above the other. Prefabricated layers can be stacked and / or layers can be created on site. Layers can be cut off from a blank, for example as disks. Layers can also be created from liquids or pastes. The liquids or pastes can be dispersions of one or more of the materials in a solvent which form the layer by removing the solvent. Likewise, the layers can be formed by a reaction of two or more components from the liquid or change into a solid state. The layers can also be produced by solidification of the molten melt. Layers can also be produced by reshaping, for example rolling, pressing or drawing a blank.
Die verschiedenen elektrochemisch aktiven Materialien weisen eine elektrochemische Potenzialdifferenz auf. Je nach Materialpaarung wirkt eine der Elektroden als Anode und die andere Elektrode wirkt als Kathode. Ein elektrischer Stromfluss zwischen der Anode und der Kathode innerhalb der Zelle wird durch den Separator verhindert. Zwischen der Anode und Kathode bewegen sich beim Laden und Entladen der Batteriezelle Ionen der elektrochemisch aktiven Materialien als Ladungsträger durch den Separator.The various electrochemically active materials have an electrochemical potential difference. Depending on the material pairing, one of the electrodes acts as an anode and the other electrode acts as a cathode. An electrical current flow between the anode and the cathode within the cell is prevented by the separator. During charging and discharging of the battery cell, ions of the electrochemically active materials move between the anode and cathode as charge carriers through the separator.
Ein Ableiter kann als metallische Schicht beziehungsweise Folie ausgebildet sein. Der Ableiter kann als Diffusionshindernis wirken. Eine poröse Schicht kann miteinander verbundene Hohlräume in einem Grenzbereich zwischen der Elektrode und dem Ableiter aufweisen. Die poröse Schicht kann somit insbesondere offenporig sein. Die poröse Schicht kann bis zu einer seitlichen Kante des Ableiters beziehungsweise der Elektrode verlaufen und zu einer Umgebung der Zelle offen sein beziehungsweise mit der Umgebung in Kontakt stehen. Über die poröse Schicht können Umgebungsbedingungen in der Umgebung der Zelle im Bereich der Grenzfläche wirken. Wenn beispielsweise in der Umgebung ein niedriger Umgebungsdruck, wie ein näherungsweises Vakuum besteht, besteht auch in der porösen Schicht der niedrige Umgebungsdruck.An arrester can be designed as a metallic layer or foil. The arrester can act as an obstacle to diffusion. A porous layer can have interconnected cavities in a border area between the electrode and the arrester. The porous layer can thus in particular be open-pore. The porous layer can extend up to a lateral edge of the conductor or the electrode and can be open to an environment of the cell or be in contact with the environment. Ambient conditions in the vicinity of the cell in the area of the interface can act via the porous layer. For example, if there is a low ambient pressure in the environment, such as an approximate vacuum, the low ambient pressure also exists in the porous layer.
Bei einem Formierungsprozess kann die Batteriezelle von einem Fertigungszustand in einen Betriebszustand versetzt werden. Während des Formierungsprozesses kann die zumindest eine elektrochemische Zelle außerhalb einer Umhüllung der Batteriezelle angeordnet sein oder bereits in der Umhüllung angeordnet sein. Die Umhüllung kann noch geöffnet oder auch bereits geschlossen sein. Die Umhüllung kann eine Folie oder ein festes Gehäuse sein. Zum Formieren kann zumindest ein elektrisches Potenzial an den Polen der Batteriezelle angelegt werden, um zumindest eine gewünschte Reaktion in den elektrochemischen Zellen hervorzurufen. Beispielsweise kann zumindest ein unerwünschter Stoff an zumindest einer der Elektroden oxidiert oder reduziert werden, um in einen gasförmigen Zustand überzugehen und durch die poröse Schicht abgeführt zu werden. Nach dem Abführen des Gases kann die zumindest eine elektrochemische Zelle in der bereitstehenden geöffneten Umhüllung angeordnet werden. Die offene Umhüllung mit der Zelle darin wird nach dem Abführen des Gases verschlossen. Eine bereits geschlossene Umhüllung wird zum Abführen des Gases erneut geöffnet und wieder verschlossen.In a formation process, the battery cell can be switched from a manufacturing state to an operating state. During the formation process, the at least one electrochemical cell can be arranged outside an envelope of the battery cell or can already be arranged in the envelope. The casing can still be open or already closed. The covering can be a film or a solid housing. For forming, at least one electrical potential can be applied to the poles of the battery cell in order to cause at least one desired reaction in the electrochemical cells. For example, at least one undesired substance can be oxidized or reduced on at least one of the electrodes in order to change into a gaseous state and to be removed through the porous layer. After the gas has been removed, the at least one electrochemical cell can be arranged in the open casing provided. The open envelope with the cell in it is closed after the gas has been removed. An already closed envelope is opened and closed again to discharge the gas.
Die poröse Schicht kann durch ein Beschichten des Ableiters ausgebildet werden. Der Ableiter kann mit einem Schichtmaterial und einem Porenbildnermaterial beschichtet werden. Das Porenbildnermaterial kann anschließend entfernt werden. Das Schichtmaterial und das Porenbildnermaterial können in flüssigem oder pastösem Zustand auf den Ableiter aufgebracht werden. Das Schichtmaterial kann elektrisch leitend sein. Das Schichtmaterial kann auf dem Ableiter zu einer porösen Struktur erstarren, deren Poren durch das Porenbildnermaterial gefüllt sind. Das Porenbildnermaterial kann beispielsweise durch eine Temperaturerhöhung in einen gasförmigen Zustand gebracht werden und so aus den Poren entfernt werden. Das Porenbildnermaterial kann auch unter Verwendung eines Lösungsmittels aus den Poren gewaschen werden.The porous layer can be formed by coating the arrester. The arrester can be coated with a layer material and a pore-forming material. The pore-forming material can then be removed. The layer material and the pore-forming material can be applied to the arrester in a liquid or pasty state. The layer material can be electrically conductive. The layer material can solidify on the arrester to form a porous structure, the pores of which are filled by the pore-forming material. The pore-forming material can, for example, be brought into a gaseous state by an increase in temperature and can thus be removed from the pores. The pore-forming material can also be washed out of the pores using a solvent.
Die poröse Schicht kann alternativ als vorgefertigte Scheibe bereitgestellt werden und mit dem Ableiter und der Elektrode elektrisch leitend verbunden werden. Beispielsweise kann die Scheibe von einem Rohling abgeschnitten werden.As an alternative, the porous layer can be provided as a prefabricated disk and can be connected in an electrically conductive manner to the arrester and the electrode. For example, the disk can be cut off from a blank.
Die poröse Schicht kann bereichsweise zwischen der Elektrode und dem Ableiter ausgebildet sein. Angrenzend an einen Bereich mit der porösen Schicht kann zumindest ein anderer Bereich ohne die poröse Schicht angeordnet sein. Anders ausgedrückt kann sich die poröse Schicht nicht über die vollständige Kontaktfläche zwischen der Elektrode und dem Ableiter erstrecken. In einem Anteil der Fläche können die Elektrode und der Ableiter auch unmittelbar miteinander verbunden sein. Der Bereich mit der porösen Schicht kann als zumindest ein seitlich offener Kanal ausgebildet sein. Der Kanal kann gerade verlaufen oder gekrümmt ausgeführt sein.The porous layer can be formed in regions between the electrode and the arrester. Adjacent to an area with the porous layer, at least one other area can be arranged without the porous layer. In other words, the porous layer cannot extend over the entire contact area between the electrode and the arrester. In a portion of the area, the electrode and the arrester can also be directly connected to one another. The area with the porous layer can be designed as at least one laterally open channel. The channel can be straight or curved.
Die poröse Schicht kann streifenweise ausgebildet sein. Streifen mit der porösen Schicht und Streifen ohne die poröse Schicht können sich abwechseln. Insbesondere können die Streifen mit der porösen Schicht in regelmäßigen Abständen angeordnet sein. Dadurch kann das entstehende Gas leicht zum Rand der Zelle geleitet werden.The porous layer can be formed in strips. Stripes with the porous layer and stripes without the porous layer can alternate. In particular, the strips with the porous layer can be arranged at regular intervals. This allows the resulting gas to be easily directed to the edge of the cell.
Zumindest die poröse Schicht kann eine Oberfläche aus einem Kohlenstoffmaterial aufweisen. Die poröse Schicht kann kohlenstoffbeschichtet sein. Das Kohlenstoffmaterial kann die elektrische Leitfähigkeit der porösen Schicht verbessern. Der Ableiter kann durch die poröse Schicht hindurch mit der Schicht aus Kohlenstoffmaterial beschichtet werden.At least the porous layer can have a surface made of a carbon material. The porous layer can be carbon coated. The carbon material can improve the electrical conductivity of the porous layer. The arrester can be coated with the layer of carbon material through the porous layer.
Die poröse Schicht kann eine Dicke kleiner als 10 µm, insbesondere kleiner als 5 µm, insbesondere kleiner als 2 µm aufweisen. Porenbildner sind bevorzugt Fasern mit langer Ausdehnung in eine Richtung. Beispielsweise ist die x/y-Dimension kleiner der Schichtdicke, bevorzugt kleiner der halben Schichtdicke. The porous layer can have a thickness of less than 10 μm, in particular less than 5 μm, in particular less than 2 μm. Pore formers are preferred fibers with long unidirectional expansion. For example, the x / y dimension is less than the layer thickness, preferably less than half the layer thickness.
Die z-Dimension kann dabei größer als der zehnfache Durchmesser sein. Der Ableiter kann eine Stärke kleiner als 20 µm aufweisen.The z dimension can be larger than ten times the diameter. The arrester can have a thickness of less than 20 µm.
Der Ableiter kann auf einer der Elektrode gegenüberliegenden Seite mit einer weiteren Elektrode elektrisch leitend verbunden sein, Auf beiden Seiten des Ableiters kann zwischen der Elektrode und dem Ableiter je eine seitlich offene poröse Schicht angeordnet sein. Der Ableiter kann eine widerstandsoptimierte Stärke aufweisen beziehungsweise der Leitungsquerschnitt des Ableiters kann an einen Erwarteten Stromfluss durch den Ableiter angepasst sein. Dadurch kann ein Materialeinsatz verringert werden. Die weitere Elektrode ist Bestandteil einer benachbarten elektrochemischen Zelle der Batteriezelle.The arrester can be electrically conductively connected to a further electrode on a side opposite the electrode. On both sides of the arrester, a laterally open porous layer can be arranged between the electrode and the arrester. The arrester can have a resistance-optimized thickness, or the conductor cross section of the arrester can be adapted to an expected current flow through the arrester. This can reduce the amount of material used. The further electrode is part of an adjacent electrochemical cell of the battery cell.
Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale der Batteriezelle und des Verfahrens in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.It is noted that some of the possible features and advantages of the invention are described herein with respect to different embodiments. A person skilled in the art recognizes that the features of the battery cell and of the method can be combined, adapted or exchanged in a suitable manner in order to arrive at further embodiments of the invention.
FigurenlisteFigure list
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, wobei weder die Zeichnung noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
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1 zeigt eine Darstellung einer Schichtenfolge für eine Batteriezelle mit einer elektrochemischen Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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1 shows an illustration of a layer sequence for a battery cell with an electrochemical cell according to an embodiment.
Die Figur ist lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.The figure is only schematic and not to scale.
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. 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. 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 können je einen Stromableiter umfassen, an welchem ein Aktivmaterial angebracht ist. Das Aktivmaterial für die Kathode kann beispielsweise ein Metalloxid sein. Das Aktivmaterial für die Anode kann beispielsweise metallisches Lithium, Graphit, amorpher Kohlenstoff (hard carbon), Silizium oder eine Mischung der drei vorgenannten Materialien oder Li-Titanat sein.Electrical energy can be stored using batteries. Batteries convert chemical reaction energy into electrical energy. A distinction is made here between primary batteries and secondary batteries. Primary batteries are only functional once, while secondary batteries, also known as accumulators, can be recharged. A battery comprises one or more battery cells. So-called lithium-ion battery cells are used in particular in an accumulator. These are characterized, among other things, by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge. Lithium-ion battery cells are used in motor vehicles, in particular in electric vehicles (EV), hybrid vehicles (hybrid electric vehicles, HEV) and plug-in hybrid vehicles (plug-in hybrid electric vehicles, PHEV). Lithium-ion battery cells have a positive electrode, which is also called a cathode, and a negative electrode, which is also called an anode. The cathode and the anode can each comprise a current conductor to which an active material is attached. The active material for the cathode can be a metal oxide, for example. The active material for the anode can be, for example, metallic lithium, graphite, amorphous carbon (hard carbon), silicon or a mixture of the three aforementioned materials or Li-titanate.
Lithium-basierte Batterien erfordern normalerweise Materialien mit sehr geringen Mengen an Verunreinigungen (Battery-grade). Hauptgrund dafür ist, dass Verunreinigungen je nach elektrochemischer Stabilität an den Elektroden abreagieren, beispielsweise an der Anode reduziert oder an der Kathode oxidiert werden. Dies kann zu festen Reaktionsprodukten am Solid-Elektrolyt-Interface (SEI) oder mobilen Spezies im Elektrolyt führen. Beides führt normalerweise zu nachteiligen Batterieeigenschaften. Besonders anspruchsvoll sind Batterien mit metallischem Lithium als Anode, welches das geringste elektrochemische Potential aller Elemente aufweist (-3,04 V vs SHE). Bei diesem Potential werden die meisten Moleküle reduziert. Unter anderem werden Wassermoleküle oder Lösemittelmoleküle reduziert, die sich zum Beispiel prozessbedingt in den Batterieelektroden befinden können. Je nach Reaktion kann ein Reaktionsprodukt davon Wasserstoff sein. Von Wasserstoff ist bekannt, dass dieser mit Lithium zu Lithiumhydrid (LiH) reagieren kann. Lithiumhydrid bildet dabei vornehmlich grobe Strukturen auf der Anode, die zum Teil aus deren Oberfläche herausragen und beim Durchbrechen des Separators zu einem Kontakt mit der Kathode und zum Kurzschluss führen können. Daher ist es von Vorteil, entweder das Wasser und/oder die Lösemittelmoleküle/Verunreinigungen zu entfernen, bevor diese die Li-Metall Anode erreichen.Lithium-based batteries typically require materials with very low levels of contamination (battery-grade). The main reason for this is that, depending on the electrochemical stability, contaminants react on the electrodes, for example, they are reduced at the anode or oxidized at the cathode. This can lead to solid reaction products on the solid electrolyte interface (SEI) or mobile species in the electrolyte. Both of these normally result in adverse battery properties. Batteries with metallic lithium as anode, which has the lowest electrochemical potential of all elements (-3.04 V vs SHE), are particularly demanding. Most molecules are reduced at this potential. Among other things, water molecules or solvent molecules are reduced, which, for example, can be located in the battery electrodes due to the process. Depending on the reaction, a reaction product thereof can be hydrogen. Hydrogen is known to react with lithium to form lithium hydride (LiH). Lithium hydride primarily forms coarse structures on the anode, some of which protrude from the surface of the anode and can lead to contact with the cathode and a short circuit if the separator breaks. It is therefore advantageous to remove either the water and / or the solvent molecules / contaminants before they reach the Li-metal anode.
Ableiterfolien können beispielsweise mit Kohlenstoffbeschichtungen beschichtet werden. Diese Beschichtungen dienen vor allem einer Verringerung des Kontaktwiderstands und/oder zum Schutz des Aluminiums vor Korrosion. Diese Beschichtungen sind nicht offenporig und auch nicht notwendigerweise flächendeckend.Discharge foils can be coated with carbon coatings, for example. These coatings primarily serve to reduce the contact resistance and / or to protect the aluminum from corrosion. These coatings are not open-pore and do not necessarily cover the entire area.
Heutige Lithium Ionen Batterien basieren auf einem flüssigen Elektrolyten, der am Ende der Herstellung in die Batterie gefüllt wird. Um ein gezieltes SEI auf der Anode und Kathode herzustellen wird die Batterie direkt danach (also vor dem ersten Laden) einem Formierschritt unterzogen, bei dem bestimmte Potentiale an der Anode und Kathode angelegt werden, um bestimmte Spezies im Flüssigelektrolyten vorteilhaft zu oxidieren oder zu reduzieren. Auch können dadurch Verunreinigungen auf dieselbe Weise entfernt werden. Nach der Formierung werden alle entstandenen Gase aus der Zelle entfernt und die Batterie gasdicht verschlossen. Die Formierung der Li-Ionen Batterie erfolgt also vor dem ersten Zellzyklieren.Today's lithium ion batteries are based on a liquid electrolyte that is filled into the battery at the end of production. In order to produce a targeted SEI on the anode and cathode, the battery is subjected to a forming step immediately afterwards (i.e. before the first charge), in which certain potentials are applied to the anode and cathode in order to advantageously oxidize or reduce certain species in the liquid electrolyte. Contamination can also be removed in the same way. After formation, all gases are removed from the cell and the battery sealed gas-tight. The Li-ion battery is thus formed before the first cell cycling.
Auch bei Festelektrolyt-basierten Batteriezellen (z.B. mit einem Polymerelektrolyt) kann eine Art Formierung genutzt werden, um Verunreinigungen z.B. durch eine Reduktion zu entfernen. Eine Möglichkeit ist der Pre-Discharge, bei dem an der Kathode das Potential auf unter 1,5 V vs Li/Li+ verringert wird, wodurch z.B. Wasser und restliche organische Lösemittelmoleküle zu gasförmigen Spezies reduziert werden. Im Unterschied zu Flüssigelektrolyt-basierten Zellen ist dieses Gas innerhalb des Polymers an der Kathode eingeschlossen und kann Gasblasen bilden. Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird das Entfernen dieses Gases vereinfacht.A type of formation can also be used with solid electrolyte-based battery cells (e.g. with a polymer electrolyte) to prevent contamination e.g. to remove by reduction. One possibility is pre-discharge, in which the potential at the cathode is reduced to below 1.5 V vs Li / Li +, which means e.g. Water and residual organic solvent molecules are reduced to gaseous species. In contrast to liquid electrolyte-based cells, this gas is enclosed within the polymer at the cathode and can form gas bubbles. The approach presented here simplifies the removal of this gas.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Batteriezelle
Eine der Elektroden
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ableiter
Die Kathode
Die Anode
Auf der Rückseite der Anode
Zwischen dem Ableiter
Die Poren
Mit anderen Worten wird eine durchgängige beziehungsweise seitlich offene Gasdiffusionsschicht auf der Rückkontaktfolie einer Polymerelektrode vorgeschlagen, durch die eine gezielte Ableitung von Gasen aus dem Batterie-Stack ermöglicht wird. Für die Gasdiffusionsschicht werden Herstellungsverfahren vorgestellt. Weiterhin wird ein Verfahren zur Gaserzeugung und Entfernung (Formierung) vorgestellt. Die Schicht ist dabei eine gleichmäßige, flächige, poröse, „quasi-2D“ Gasdiffusionslage aus einer offenporigen Partikelschicht.In other words, a continuous or laterally open gas diffusion layer on the back contact film of a polymer electrode is proposed, by means of which a targeted discharge of gases from the battery stack is made possible. Manufacturing processes are presented for the gas diffusion layer. Furthermore, a process for gas generation and removal (formation) is presented. The layer is a uniform, flat, porous, "quasi-2D" gas diffusion layer made of an open-pore particle layer.
In
Entsteht in dieser Polymerbatterie Gas, zum Beispiel durch eine Vorentladung (engl. Pre-discharge), beim Zyklieren oder beim Erwärmen auf die Betriebstemperatur, so sammelt sich das Gas normalerweise zwischen Kathode
Hier ist ein Schnitt durch einen Batterie-Schichtstapel auf einer zusätzlichen Gasdiffusionsschicht beziehungsweise porösen Schicht
Die Ableiterfolie weist insgesamt eine Höhe von < 20 µm auf. Die Schichtstärke der Gasdiffusionsschicht ist mit < 10 µm möglichst gering, bevorzugt ist die Schicht
Die poröse Schicht
Die Partikel können beispielsweise aus kohlenstoffbasierten Materialien, wie Graphit oder Carbon black, leitfähigen Oxiden, wie SnO2 und/oder korrosionsstabilen Metallen, wie Titan bestehen. Der Binder kann beispielsweise aus PVDF oder Zellulose sein.The particles can consist, for example, of carbon-based materials such as graphite or carbon black, conductive oxides such as SnO2 and / or corrosion-stable metals such as titanium. The binder can be made of PVDF or cellulose, for example.
Zum Herstellen der Gasdiffusionsschicht auf der Ableiterfolie können die Partikel zusammen mit einem Bindermaterial in einem Lösemittel gelöst werden. Die Suspension kann flächig auf den Ableiter
Das Kathodenkomposit aus Kathodenpartikeln
Durch eine Formierung (Predischarge) vor dem ersten Laden kann effektiv ein Gehalt an Verunreinigungen in der Batterie verringert werden. Zum Formieren kann sich die Zelle
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.In conclusion, it should be pointed out that terms such as "showing", "comprehensive", etc. do not exclude other elements or steps and terms such as "one" or "one" do not exclude a large number. Reference signs in the claims are not to be viewed as a restriction.
Claims (9)
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- 2018-09-27 DE DE102018216521.1A patent/DE102018216521A1/en active Pending
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