DE102018217756A1 - Method for producing an electrode unit for a battery cell and battery cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit (10) für eine Batteriezelle, welche eine Anode (21) und eine Kathode (22) aufweist, wobei mindestens eine poröse und elektronisch isolierende Beschichtung (50) auf die Anode (21) und/oder auf die Kathode (22) mittels eines Spritzverfahrens oder eines Aufdampfverfahrens aufgebracht wird, und wobei die Anode (21) und die Kathode (22) derart aufeinander gelegt werden, dass die mindestens eine Beschichtung (50) die Anode (21) von der Kathode (22) trennt. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, welche mindestens eine Elektrodeneinheit (10) umfasst, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.The invention relates to a method for producing an electrode unit (10) for a battery cell, which has an anode (21) and a cathode (22), at least one porous and electronically insulating coating (50) on the anode (21) and / or is applied to the cathode (22) by means of a spraying process or a vapor deposition process, and the anode (21) and the cathode (22) are placed on top of one another in such a way that the at least one coating (50) removes the anode (21) from the cathode ( 22) separates. The invention also relates to a battery cell which comprises at least one electrode unit (10) which is produced by the method according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle, wobei die Elektrodeneinheit eine Anode und eine Kathode aufweist, und wobei mindestens eine poröse und elektrisch isolierende Beschichtung auf die Anode und/oder auf die Kathode aufgebracht wird. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, welche mindestens eine Elektrodeneinheit umfasst, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.The invention relates to a method for producing an electrode unit for a battery cell, the electrode unit having an anode and a cathode, and at least one porous and electrically insulating coating being applied to the anode and / or to the cathode. The invention also relates to a battery cell which comprises at least one electrode unit which is produced by the method according to the invention.
Stand der TechnikState of the art
Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Insbesondere sind Akkumulatoren bekannt, die wieder aufladbar sind. In einem Akkumulator finden beispielsweise 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. Eine Batterie umfasst eine oder mehrere Batteriezellen.Electrical energy can be stored using batteries. Batteries convert chemical reaction energy into electrical energy. In particular, rechargeable batteries are known. For example, lithium-ion battery cells are used 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). A battery comprises one or more battery cells.
Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen Elektrodeneinheiten auf. Eine Elektrodeneinheit weist 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 jeweils einen Stromableiter und eine Aktivmaterialschicht, welche ein elektrochemisches Aktivmaterial aufweist. Das Aktivmaterial für die Kathode enthält beispielsweise ein einfaches Metalloxid wie Li2MnO3, also Lithiummanganoxid, oder auch NCM, also ein Oxid aus drei Metallen, hier Nickel, Kobalt und Mangan. Das Aktivmaterial für die Anode enthält beispielsweise Silizium, Graphit, Lithium oder auch eine Mischungen aus diesen Stoffen.Lithium-ion battery cells have electrode units. An electrode unit has a positive electrode, which is also referred to as a cathode, and a negative electrode, which is also referred to as an anode. The cathode and the anode each comprise a current collector and an active material layer, which has an electrochemical active material. The active material for the cathode contains, for example, a simple metal oxide such as Li 2 MnO 3 , that is lithium manganese oxide, or also NCM, that is an oxide of three metals, here nickel, cobalt and manganese. The active material for the anode contains, for example, silicon, graphite, lithium or a mixture of these substances.
Bei der Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle werden Lagen der Anode und Lagen der Kathode unter Zwischenlage eines Separators aufeinander gelegt, beziehungsweise umeinander gewickelt. Hierbei hat der Separator die Funktion, den Abstand zwischen den Lagen der Anode und der Kathode aufrecht zu erhalten um die Lagen elektronisch voneinander zu isolieren und damit interne Kurzschlüsse zu vermeiden. Der Separator ist außerdem permeabel für Ionen um einen Ladungstransport zu gewährleisten. Um diese Funktionen zu erzielen sind insbesondere Polyethylen, Polypropylen oder Kombinationen aus diesen Materialien als Separatoren in Gebrauch.In the manufacture of an electrode unit for a battery cell, layers of the anode and layers of the cathode are placed on one another with the interposition of a separator, or are wound around one another. The separator has the function of maintaining the distance between the layers of the anode and the cathode in order to electronically isolate the layers from one another and thus to avoid internal short circuits. The separator is also permeable to ions to ensure charge transport. In order to achieve these functions, polyethylene, polypropylene or combinations of these materials are used in particular as separators.
Um eine hohe Energiedichte einer Elektrodeneinheit sowie einer Batteriezelle zu erhalten wird der Separator als möglichst dünne Folie ausgebildet. Auch ist es bekannt, den Separator nicht als eigenständige Folie zwischen Anode und Kathode zu legen sondern den Separator in Form einer porösen und elektronisch isolierenden Beschichtung auf eine der Elektroden aufzubringen.In order to obtain a high energy density of an electrode unit and a battery cell, the separator is designed as a film that is as thin as possible. It is also known not to place the separator as an independent film between the anode and cathode but rather to apply the separator to one of the electrodes in the form of a porous and electronically insulating coating.
Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle ist beispielsweise aus den Dokumenten
Aus dem Dokument
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle vorgeschlagen. Dabei weist die Elektrodeneinheit eine Anode, also eine negative Elektrode, und eine Kathode, also eine positive Elektrode, auf. Verfahrensgemäß wird zunächst mindestens eine poröse und elektronisch isolierende Beschichtung auf die Anode und/oder auf die Kathode mittels eines Spritzverfahrens oder eines Aufdampfverfahrens aufgebracht. Die Beschichtung ist spätestens nach Benetzung mit einem Elektrolyten auch ionisch leitfähig, also für Lithiumionen permeabel.A method for producing an electrode unit for a battery cell is proposed. The electrode unit has an anode, that is, a negative electrode, and a cathode, that is, a positive electrode. According to the method, at least one porous and electronically insulating coating is first applied to the anode and / or to the cathode by means of a spraying process or a vapor deposition process. The coating is also ionically conductive at the latest after wetting with an electrolyte, i.e. permeable to lithium ions.
Durch das Aufdampfverfahren werden elektronisch isolierende, poröse Spritzpulver, beziehungsweise Schichten auf eine Oberfläche der Anode und/oder der Kathode aufgebracht. Hierzu können Abscheidungen aus der Gasphase, beispielsweise PVD oder Sputtering, aus der flüssigen Phase, beispielsweise Spray coating oder Slurry+Blend, sowie ein dry coating eingesetzt werden.The vapor deposition process applies electronically insulating, porous wettable powders or layers to a surface of the anode and / or the cathode. Depositions from the gas phase, for example PVD or sputtering, from the liquid phase, for example spray coating or slurry + blend, and a dry coating can be used for this purpose.
Diese poröse, elektronisch isolierende Schicht kann beispielsweise aus einem Metalloxid bestehen, insbesondere Aluminiumoxid. Für Aufbringungsverfahren wie Sputtern, Pulsed Laser Deposition (PLD) und ähnliche lassen sich zum Beispiel direkt Targets bestehend aus Aluminiumoxid verwenden. Um eine poröse Schicht zu erhalten, sollte hierbei der Gasdruck beispielsweise größer 1 mBar gewählt werden und das Gas beispielsweise aus Luft oder reinem Sauerstoff bestehen. Insbesondere kann der Druck während des Sputterns und / oder des Aufdampfens und / oder der Laserdeposition Atmosphärendruck betragen. Insbesondere lässt sich die Schicht direkt nach dem Trocknungsprozess des Elektrodenmaterials aufbringen, während dieses sich noch auf der Rolle befindet. Dabei kann die Elektrodenfolie mittels Rolle-zu-Rolle durch eine entsprechende Aufdampfungsanlage geführt werden und so im kontinuierlichen Prozess bedampft werden. Alternativ lässt sich bei einem Elektrodenstapel auch jede Anode und/oder Kathode einzeln vor dem stacking-Prozess bedampfen. Insbesondere kann die so aufgebrachte Schicht eine Dicke von 0,1 bis 10 Mikrometer erreichen.This porous, electronically insulating layer can consist, for example, of a metal oxide, in particular aluminum oxide. For application processes such as sputtering, pulsed laser deposition (PLD) and similar, targets made of aluminum oxide can be used directly, for example. In order to obtain a porous layer, the gas pressure should, for example, be greater than 1 mbar and the gas should consist of air or pure oxygen, for example. In particular, the pressure during sputtering and / or vapor deposition and / or laser deposition can be atmospheric pressure. In particular, the layer can be applied directly after the drying process of the electrode material while it is still on the roll. The electrode foil can be guided roll-to-roll through a corresponding vapor deposition system and can thus be steamed in a continuous process. Alternatively, in the case of an electrode stack, each anode and / or cathode can also be vaporized individually before the stacking process. In particular, the layer applied in this way can reach a thickness of 0.1 to 10 micrometers.
Anschließend werden die Anode und die Kathode derart aufeinander gelegt, dass die mindestens eine Beschichtung die Anode von der Kathode trennt. Die Anode und die Kathode werden dabei vorzugsweise unmittelbar aufeinander gelegt, insbesondere wird also kein zusätzlicher Separator in Form einer zusätzlichen Folie dazwischen gelegt. Die Anode und die Kathode bilden gemeinsam mit der mindestens einen Beschichtung dazwischen bereits eine Elektrodeneinheit.The anode and the cathode are then placed on top of one another in such a way that the at least one coating separates the anode from the cathode. The anode and the cathode are preferably placed directly one on top of the other, so in particular no additional separator in the form of an additional film is placed between them. The anode and the cathode together with the at least one coating in between already form an electrode unit.
Die Anode und die Kathode können gemeinsam mit der mindestens einen dazwischen liegenden Beschichtung weiter zu einem Elektrodenwickel gewunden werden, welcher auch als Jelly-Roll bezeichnet wird. Dabei sind nur zwei Rollen, eine Rolle mit der Anode und eine Rolle mit der Kathode, übereinander zu positionieren. Eine zusätzliche Rolle für einen Separator ist nicht erforderlich. Die Herstellung des Elektrodenwickels ist somit vorteilhaft vereinfacht.The anode and the cathode, together with the at least one coating in between, can be wound further to form an electrode coil, which is also referred to as a jelly roll. Only two roles, one role with the anode and one role with the cathode, are to be positioned one above the other. An additional role for a separator is not necessary. The manufacture of the electrode coil is thus advantageously simplified.
Auch können die Anode und die Kathode gemeinsam mit der mindestens einen dazwischen liegenden Beschichtung zu Segmenten geschnitten werden, und die Segmente können zu einem Elektrodenstapel gestapelt werden. Dabei sind im Folgenden nur noch abwechselnd Anodensegmente und Kathodensegmente übereinander zu stapeln. Zusätzliche Separatorsegmente sind nicht erforderlich. Die Herstellung des Elektrodenstapels ist somit vorteilhaft vereinfacht.The anode and the cathode can also be cut into segments together with the at least one intermediate coating, and the segments can be stacked to form an electrode stack. In the following, anode segments and cathode segments only have to be stacked alternately. Additional separator segments are not required. The manufacture of the electrode stack is thus advantageously simplified.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nach dem Aufeinanderlegen der Anode und der Kathode die mindestens eine Beschichtung mit einem flüssigen Elektrolyt getränkt. Der Elektrolyt dringt dabei in die Poren, die in der Beschichtung enthalten sind, ein und erhöht dadurch die ionische Leitfähigkeit innerhalb der Elektrodeneinheit beziehungsweise ermöglicht dadurch erst die ionische Leitung zwischen Anode und Kathode. Als Elektrolyt kann insbesondere, aber nicht ausschließlich, ein Karbonat-haltiger Elektrolyt, bestehend beispielsweise aus Ethylenkarbonat, Dimethylkarbonat und / oder Diethylkarbonat mit einem Leitsalz, beispielsweise Lithiumhexafluorophosphat und weiteren Additiven wie beispielsweise Vinylenkarbont eingesetzt werden. According to an advantageous embodiment of the invention, the at least one coating is impregnated with a liquid electrolyte after the anode and the cathode have been placed on top of one another. The electrolyte penetrates into the pores that are contained in the coating, thereby increasing the ionic conductivity within the electrode unit or thereby enabling ionic conduction between the anode and cathode. In particular, but not exclusively, a carbonate-containing electrolyte, consisting for example of ethylene carbonate, dimethyl carbonate and / or diethyl carbonate with a conductive salt, for example lithium hexafluorophosphate and other additives such as vinylene carbon, can be used as the electrolyte.
Vorzugsweise wird die Elektrodeneinheit dabei zuerst in ein Zellengehäuse einer Batteriezelle eingesetzt, und anschließend wird das Zellengehäuse mit dem flüssigen Elektrolyt gefüllt. Somit sind die Anode und die Kathode von dem flüssigen Elektrolyt umgeben. Dabei dringt der flüssige Elektrolyt insbesondere in die Poren der Beschichtung und der Elektroden ein.The electrode unit is preferably first inserted into a cell housing of a battery cell, and then the cell housing is filled with the liquid electrolyte. Thus, the anode and the cathode are surrounded by the liquid electrolyte. The liquid electrolyte penetrates particularly into the pores of the coating and the electrodes.
Die mindestens eine Beschichtung umfasst ein Material, welches elektronisch isolierend, porös und gegebenenfalls, jedoch nicht notwendiger Weise, ionisch leitfähig ist. Vorzugsweise weist die mindestens eine Beschichtung ein Oxid auf oder besteht aus einem Oxid. Als Material für die Beschichtung sind insbesondere, aber nicht ausschließlich, die Oxide der folgenden chemischen Elemente und Kombinationen dieser von Interesse: Si, AI, Ti, Zr, Sc, Y, V, Nb, Cr, Mo, W, Sn.The at least one coating comprises a material which is electronically insulating, porous and optionally, but not necessarily, ionically conductive. The at least one coating preferably has an oxide or consists of an oxide. Of particular interest, but not exclusively, as the material for the coating are the oxides of the following chemical elements and combinations thereof: Si, Al, Ti, Zr, Sc, Y, V, Nb, Cr, Mo, W, Sn.
Die Dicke und der Herstellungsprozess der mindestens eine Beschichtung soll insbesondere so gewählt werden, dass eine dichte Schicht aus dem Material entsteht, welche Poren in der Größenordnung von einigen Nanometern bis hin zu Mikrometern, je nach gewünschter Funktionalität, aufweist. Bevorzugt weist die mindestens eine Beschichtung ein Dicke in einem Bereich zwischen 100 nm und 10 µm auf. Die Porenstruktur der mindestens einen Beschichtung kann hierbei je nach Prozess durch verschiedene Parameter wie beispielsweise Druck, Temperatur oder Precursormaterial der Targets eingestellt werden.The thickness and the manufacturing process of the at least one coating should in particular be chosen so that a dense layer of material is formed, which has pores in the order of a few nanometers to micrometers, depending on the desired functionality. The at least one coating preferably has a thickness in a range between 100 nm and 10 μm. Depending on the process, the pore structure of the at least one coating can be adjusted by various parameters such as pressure, temperature or precursor material of the targets.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Anode einen Stromableiter auf, auf welchen eine anodische Aktivmaterialschicht aufgebracht ist. Der Stromableiter der Anode ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Dabei wird die mindestens eine Beschichtung auf die anodische Aktivmaterialschicht aufgebracht. Die anodische Aktivmaterialschicht liegt somit zwischen dem Stromableiter der Anode und der Beschichtung.According to an advantageous embodiment of the invention, the anode has a current conductor on which an anodic active material layer is applied. The current collector of the anode is made electrically conductive and made of a metal, for example copper. The at least one coating is applied to the anodic active material layer. The anodic active material layer is thus between the current collector of the anode and the coating.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist beidseitig auf den Stromableiter der Anode jeweils eine anodische Aktivmaterialschicht aufgebracht. Dabei wird beidseitig auf die anodischen Aktivmaterialschichten jeweils eine Beschichtung aufgebracht. Es ist auch denkbar, dass nur auf eine der beiden anodischen Aktivmaterialschichten eine Beschichtung aufgebracht wird.According to an advantageous development of the invention, an anodic active material layer is applied to the current conductor of the anode on both sides. A coating is applied to both sides of the anodic active material layers. It is also conceivable that only on one of the two anodic active material layers is coated.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kathode einen Stromableiter auf, auf welchen eine kathodische Aktivmaterialschicht aufgebracht ist. Der Stromableiter der Kathode ist dabei elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Dabei wird die mindestens eine Beschichtung auf die kathodische Aktivmaterialschicht aufgebracht. Die kathodische Aktivmaterialschicht liegt somit zwischen dem Stromableiter der Kathode und der Beschichtung.According to a further advantageous embodiment of the invention, the cathode has a current conductor on which a cathodic active material layer is applied. The current conductor of the cathode is made electrically conductive and made of a metal, for example aluminum. The at least one coating is applied to the cathodic active material layer. The cathodic active material layer is thus between the current conductor of the cathode and the coating.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist beidseitig auf den Stromableiter der Kathode jeweils eine kathodische Aktivmaterialschicht aufgebracht. Dabei wird beidseitig auf die kathodischen Aktivmaterialschichten jeweils eine Beschichtung aufgebracht. Es ist auch denkbar, dass nur auf eine der beiden kathodischen Aktivmaterialschichten eine Beschichtung aufgebracht wird.According to an advantageous development of the invention, a cathodic active material layer is applied to the current conductor of the cathode on both sides. A coating is applied to both sides of the cathodic active material layers. It is also conceivable that a coating is applied only to one of the two cathodic active material layers.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens eine Beschichtung auf die Anode aufgebracht, und mindestens eine Beschichtung wird auf die Kathode aufgebracht. Die Beschichtungen werden dabei insbesondere auf die anodische Aktivmaterialschicht sowie auf die kathodische Aktivmaterialschicht aufgebracht.According to a further advantageous embodiment of the invention, at least one coating is applied to the anode and at least one coating is applied to the cathode. The coatings are applied in particular to the anodic active material layer and to the cathodic active material layer.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen die auf die Anode aufgebrachte Beschichtung und die auf die Kathode aufgebrachte Beschichtung dabei unterschiedliche Materialien auf. Insbesondere weisen die auf die Anode aufgebrachte Beschichtung und die auf die Kathode aufgebrachte Beschichtung Oxide von unterschiedlichen chemischen Elementen auf, beispielsweise Aluminiumoxid und Zirkonoxid.According to an advantageous development of the invention, the coating applied to the anode and the coating applied to the cathode have different materials. In particular, the coating applied to the anode and the coating applied to the cathode have oxides of different chemical elements, for example aluminum oxide and zirconium oxide.
Es wird auch eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens eine Elektrodeneinheit umfasst, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.A battery cell is also proposed which comprises at least one electrode unit which is produced by the method according to the invention.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Kosten zur Herstellung einer Elektrodeneinheit werden durch das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft verringert. Das Aufbringen einer Beschichtung auf die Anode und/oder auf die Kathode ist mittels des Spritzverfahrens sowie mittels des Aufdampfverfahrens einfach und kostengünstig durchführbar. Grundsätzlich ist das Aufbringen einer Beschichtung auf die Anode und/oder auf die Kathode kostengünstiger als die Herstellung eines herkömmlichen Separators in Form einer Folie.The costs for producing an electrode unit are advantageously reduced by the method according to the invention. The application of a coating to the anode and / or to the cathode can be carried out simply and inexpensively by means of the spraying process and by means of the vapor deposition process. Basically, applying a coating to the anode and / or to the cathode is less expensive than producing a conventional separator in the form of a film.
Bei einer durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Elektrodeneinheit ist kein zusätzlicher Separator erforderlich. Die Funktion eines herkömmlichen Separators wird von der Beschichtung übernommen. Die Beschichtung stellt den erforderlichen Abstand zwischen der Anode und der Kathode her und verhindert damit Kurzschlüsse. Die Beschichtung ist permeabel für den Ionentransport und reaktionsträge in Kontakt mit anderen Zellkomponenten. Die Beschichtung hat einen geringeren Platzbedarf als herkömmliche Separatoren, womit höhere Energiedichten erreicht werden können. Dabei sind Einsparungen des Volumens der Elektrodeneinheit von 5 % - 15 % im Vergleich zu einer herkömmlichen Elektrodeneinheit realistisch. Die Beschichtung zieht sich bei erhöhten Temperaturen nicht zusammen, es gibt also kein Schrumpfen (shrinkage) wie bei herkömmlichen Separatoren, was sicherheitstechnische Vorteile hat. Insbesondere sind Kurzschlüsse zwischen Anode und Kathode vermieden, welche bei schrumpfenden Separatoren auftreten können und ein thermisches Durchgehen der Batteriezelle verursachen können. Der ionische Zellwiederstand wird verringert, was eine höhere Leistungsdichte der Elektrodeneinheit zur Folge hat. Der Herstellungsprozess der Elektrodeneinheit wird günstiger. Zur Herstellung eines Elektrodenwickels sind nur zwei Rollen, eine Rolle mit der Anode und eine Rolle mit der Kathode, übereinander zu positionieren. Eine zusätzliche Rolle für einen Separator ist nicht erforderlich. Zur Herstellung eines Elektrodenstapels sind nur abwechselnd Anodensegmente und Kathodensegmente übereinander zu stapeln. Zusätzliche Separatorsegmente sind nicht erforderlich.In the case of an electrode unit produced by the method according to the invention, no additional separator is required. The coating functions as a conventional separator. The coating creates the required distance between the anode and the cathode and thus prevents short circuits. The coating is permeable for ion transport and inert in contact with other cell components. The coating takes up less space than conventional separators, which means higher energy densities can be achieved. Savings in volume of the electrode unit of 5% - 15% compared to a conventional electrode unit are realistic. The coating does not contract at elevated temperatures, so there is no shrinkage as with conventional separators, which has safety-related advantages. In particular, short circuits between the anode and cathode are avoided, which can occur in the case of shrinking separators and can cause the battery cell to run thermally. The ionic cell resistance is reduced, which results in a higher power density of the electrode unit. The manufacturing process of the electrode unit becomes cheaper. To produce an electrode coil, only two rollers, one roller with the anode and one roller with the cathode, have to be positioned one above the other. An additional role for a separator is not necessary. To produce an electrode stack, anode segments and cathode segments only have to be stacked alternately. Additional separator segments are not required.
Auch ist eine schnellere Befüllung der Batteriezelle mit Elektrolyt unter Umständen möglich, da gegebenenfalls keine verhältnismäßig kleinen Poren mit Durchmessern im Bereich von 10 nm eines herkömmlichen Separators befüllt werden müssen. Auch ist die in der Batteriezelle benötigte Menge an Elektrolyt vorteilhaft verringert, da die Beschichtung ein geringeres Volumen aufweist. Das reduziert weiter Kosten und Gewicht und erhöht gleichzeitig die Sicherheit, da im Falle eines Fehlerfalles weniger Elektrolyt mit Aktivmaterial reagieren oder aber mit Luftsauerstoff verbrennen kann. Die Beschichtung weist per Konstruktion und Materialeigenschaften per se ein besseres Sicherheitsverhalten auf, da sie sich bei Temperaturanstieg nicht zusammenzieht und auch unter Crash-Bedingungen aufgrund höherer mechanischer Stabilität ein Versagen der Elektrodeneinheit hinauszögert. Bei geeigneter Wahl des Materials der Beschichtung ist mit einer weiter erhöhten spezifischen ionischen Leitfähigkeit aufgrund des „soggy sand“-Effektes zu rechnen, welcher die Ausbildung von Raumladungszonen entlang eines perkolierten lonentransportweges beschreibt, entlang welchem aufgrund von Adsorption der Anionen die Kationenleitfähigkeit erhöht ist. Aufgrund der geringeren Dicke und reduzierter Tortuosität der Beschichtung ist mit einem reduzierten ionischen Widerstand der Elektrodeneinheit zu rechnen. Dadurch wird die Leistungsdichte der Batteriezelle weiter erhöht. Die höhere spezifische Leitfähigkeit und der reduzierte ionische Widerstand verbessern außerdem das Verhalten der Batteriezelle bei einer Schnellladung.A faster filling of the battery cell with electrolyte is also possible under certain circumstances, since it may not be necessary to fill relatively small pores with diameters in the range of 10 nm of a conventional separator. The amount of electrolyte required in the battery cell is also advantageously reduced since the coating has a smaller volume. This further reduces costs and weight and at the same time increases safety, since in the event of a fault, less electrolyte can react with active material or burn with atmospheric oxygen. The coating and material properties per se have better safety behavior, since they do not contract when the temperature rises and even under crash conditions due to greater mechanical stability, failure of the electrode unit is delayed. With a suitable choice of the material of the coating, a further increased specific ionic conductivity is to be expected due to the "soggy sand" effect, which describes the formation of space charge zones along a percolated ion transport path along which the cation conductivity is increased due to adsorption of the anions. Because of the lesser Thickness and reduced tortuosity of the coating can be expected with a reduced ionic resistance of the electrode unit. This further increases the power density of the battery cell. The higher specific conductivity and the reduced ionic resistance also improve the behavior of the battery cell during rapid charging.
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the description below.
Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle und -
2 eine schematische Schnittdarstellung einer Elektrodeneinheit.
-
1 a schematic representation of a battery cell and -
2nd is a schematic sectional view of an electrode unit.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
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.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference symbols, and a repeated description of these elements is dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.
Die Batteriezelle
Innerhalb des Zellengehäuses
Die Anode
Die Kathode
In der kathodischen Aktivmaterialschicht
Beim Betrieb der Batteriezelle
Auf den Stromableiter
Auf den Stromableiter
Die hier dargestellte Elektrodeneinheit
Die Beschichtungen
Vorliegend umfasst die hier dargestellte Elektrodeneinheit
Mehrere solche Anodensegmente und Kathodensegmente können gemeinsam mit den Beschichtungssegmenten zu einem Elektrodenstapel gestapelt werden. Beim Stapeln werden die Anodensegmente und die Kathodensegmente jeweils abwechselnd derart übereinander angeordnet, dass jeweils ein Beschichtungssegment zwischen einem Anodensegment und einem Kathodensegment liegt und das Anodensegment von dem Kathodensegment trennt.Several such anode segments and cathode segments can be stacked together with the coating segments to form an electrode stack. During stacking, the anode segments and the cathode segments are alternately arranged one above the other in such a way that in each case a coating segment lies between an anode segment and a cathode segment and separates the anode segment from the cathode segment.
Es ist auch denkbar, dass die Elektrodeneinheit
Das bandförmige Anodenelement und das bandförmige Kathodenelement können dann gemeinsam mit den Beschichtungselementen weiter zu einem Elektrodenwickel gewunden werden, welcher auch als Jelly-Roll bezeichnet wird. Dabei werden das bandförmige Anodenelement und das bandförmige Kathodenelement derart angeordnet, dass jeweils ein Beschichtungselement zwischen dem Anodenelement und dem Kathodenelement liegt und das Anodenelement von dem Kathodenelement trennt.The band-shaped anode element and the band-shaped cathode element can then be wound together with the coating elements to form an electrode coil, which is also referred to as a jelly roll. The band-shaped anode element and the band-shaped cathode element are arranged in such a way that in each case a coating element lies between the anode element and the cathode element and separates the anode element from the cathode element.
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.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the scope specified by the claims, which lie within the framework of professional action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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