DE102019001238A1 - Electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Elektrochemische Zelle (1) mit einem Elektrodenstapel, umfassend zumindest einen zumindest im Wesentlichen flach ausgebildeten Anodenstromsammler (3) und zumindest einen im Wesentlichen flach ausgebildeten Kathodenstromsammler (4), welche übereinander gestapelt sind, und zumindest einen zwischen dem Anodenstromsammler (3) und dem Kathodenstromsammler (4) angeordneten Separator, wobei der Anodenstromsammler (3) zumindest eine an einer Stirnseite angeordnete Anodenstromableiterfahne (5) und der Kathodenstromsammler (4) zumindest eine an einer Stirnseite angeordnete Kathodenstromableiterfahne (6) umfasst. Erfindungsgemäß nimmt eine Materialdicke des Anodenstromsammlers (3) ausgehend von der Stirnseite mit der Anodenstromableiterfahne (5) zu einer gegenüberliegenden Stirnseite linear ab und eine Materialdicke des Kathodenstromsammlers (4) nimmt ausgehend von der Stirnseite mit der Kathodenstromableiterfahne (6) zu einer gegenüberliegenden Stirnseite linear ab oder der Anodenstromsammler (3) und der Kathodenstromsammler (4) umfassen jeweils eine Stromleitstruktur (9, 10), welche einen von der Anodenstromableiterfahne (5) oder der Kathodenstromableiterfahne (6) geführten elektrischen Strom (I) derart lenken, dass ein Weg desselben mit zunehmendem Abstand von Anodenstromableiterfahne (5) oder der Kathodenstromableiterfahne (6) zunehmend nicht-linearer ausgebildet ist.The invention relates to an electrochemical cell (1) having an electrode stack, comprising at least one at least substantially flat anode current collector (3) and at least one substantially flat cathode current collector (4), which are stacked on top of each other, and at least one between the anode current collector (3 ) and the cathode current collector (4) arranged separator, wherein the anode current collector (3) at least one arranged on an end side Anodenstromableiterfahne (5) and the cathode current collector (4) at least one disposed on a front side Kathodenstromableiterfahne (6). According to the invention, a material thickness of the anode current collector (3) linearly decreases starting from the end face with the anode current collector lug (5) to an opposite end face and a material thickness of the cathode current collector (4) linearly decreases starting from the end face with the cathode current collector lug (6) to an opposite end face or the anode current collector (3) and the cathode current collector (4) each comprise a Stromleitstruktur (9, 10) which guide one of the Anodenstromableiterfahne (5) or the Kathodenstromableiterfahne (6) guided electric current (I) such that a way of the same increasing distance from Anodenstromableiterfahne (5) or the Kathodenstromableiterfahne (6) is increasingly non-linear formed.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an electrochemical cell according to the preamble of
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte elektrochemische Zelle anzugeben.The invention is based on the object of specifying an improved over the prior art electrochemical cell.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer elektrochemischen Zelle gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved with an electrochemical cell having the features specified in
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Eine elektrochemische Zelle mit einem Elektrodenstapel umfasst zumindest einen zumindest im Wesentlichen flach ausgebildeten Anodenstromsammler und zumindest einen im Wesentlichen flach ausgebildeten Kathodenstromsammler, welche übereinander gestapelt sind. Weiterhin umfasst die Einzelzelle zumindest einen zwischen dem Anodenstromsammler und dem Kathodenstromsammler angeordneten Separator, wobei der Anodenstromsammler zumindest eine an einer Stirnseite angeordnete Anodenstromableiterfahne und der Kathodenstromsammler zumindest eine an einer Stirnseite angeordnete Kathodenstromableiterfahne umfasst.An electrochemical cell having an electrode stack comprises at least one at least substantially flat anode current collector and at least one substantially flat cathode current collector, which are stacked one above the other. Furthermore, the individual cell comprises at least one separator arranged between the anode current collector and the cathode current collector, wherein the anode current collector comprises at least one anode current collector lug arranged on one end side and the cathode current collector at least one cathode current collector lug arranged on one end side.
Erfindungsgemäß nimmt eine Materialdicke des Anodenstromsammlers ausgehend von der Stirnseite mit der Anodenstromableiterfahne zu einer gegenüberliegenden Stirnseite linear ab und eine Materialdicke des Kathodenstromsammlers nimmt ausgehend von der Stirnseite mit der Kathodenstromableiterfahne zu einer gegenüberliegenden Stirnseite linear ab. Alternativ umfassen der Anodenstromsammler und der Kathodenstromsammler jeweils eine Stromleitstruktur, welche einen von der Anodenstromableiterfahne oder der Kathodenstromableiterfahne geführten elektrischen Strom derart lenken, dass ein Weg desselben mit zunehmendem Abstand von der Anodenstromableiterfahne oder der Kathodenstromableiterfahne zunehmend nicht-linearer ausgebildet ist.According to the invention, a material thickness of the anode current collector linearly decreases starting from the end side with the anode current collector lug to an opposite end side, and a material thickness of the cathode current collector linearly decreases starting from the end side with the cathode current collector lug to an opposite end side. Alternatively, the anode current collector and the cathode current collector each comprise a current conducting structure which directs an electric current conducted by the anode current collector tab or tab such that a path thereof becomes increasingly non-linear with increasing distance from the anode tab or tab.
Unter der Annahme einer homogenen Verteilung eines elektrischen Stromes im Anodenstromsammler und Kathodenstromsammler ist eine Änderung einer Stromdichte ausgehend von der Anodenstromableiterfahne zur gegenüberliegenden Stirnseite bzw. ausgehend von der Kathodenstromableiterfahne zur gegenüberliegenden Stirnseite in Richtung
Weil der Gradient des elektrischen Potenzials der Stromdichte proportional ist, ergibt sich über eine zweifache mathematische Integration, dass das elektrische Potenzial entlang der Richtung
Diese Abhängigkeit gilt sowohl für die Anode als auch für die Kathode, nur mit unterschiedlichen Vorzeichen. An die elektrochemische Zelle ist eine elektrische Spannung angelegt, welche sich aus einer Differenz zwischen einem elektrischen Potenzial des Kathodenstromsammlers und einem elektrischen Potenzial des Anodenstromsammlers ergibt. Das heißt, die angelegte elektrische Spannung an der Zelle ist in Richtung
Für elektrochemische Zellen gilt im Allgemeinen, dass ein diese durchfließender elektrischer Strom von der angelegten Spannung nach der so genannten Butler-Volmer-Formel exponentiell abhängig ist. Daraus resultiert, dass die elektrochemische Zelle, d. h. die Anodenstromsammler und Kathodenstromsammler nicht homogen belastet werden. Hierbei sind in Bereichen, welche sich in der Nähe zu den Stromableiterfahnen befinden, Stromdichten über elektrochemisch aktiven Schichten höher als in der Mitte der Zelle bzw. der Anodenstromsammler und Kathodenstromsammler.For electrochemical cells, it is generally true that an electric current flowing through them is exponentially dependent on the applied voltage according to the so-called Butler-Volmer formula. As a result, the electrochemical cell, i. H. the anode current collector and cathode current collector are not homogeneously loaded. In this case, in regions which are located in the vicinity of the current discharge lugs, current densities are higher above electrochemically active layers than in the middle of the cell or the anode current collectors and cathode current collectors.
Insbesondere für elektrochemische Zellen mit vergleichsweise großer Längenabmessung zwischen Anodenstromableiterfahne zur gegenüberliegenden Stirnseite bzw. Kathodenstromableiterfahne zur gegenüberliegenden Stirnseite, mit Anodenstromsammlern und Kathodenstromsammlern mit bestimmten Materialdicken und für elektrochemische Zellen, bei denen eine Schichtdicke eines aktiven Materials eine bestimmte Dicke aufweist, gibt es eine so genannte C-Raten-Grenze. Die C-Rate ist dabei eine Quantifizierung von wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichern, welche maximal zulässige Lade- und Entladeströme unter bestimmten Bedingungen angibt. Ab der genannten C-Raten-Grenze weisen überwiegend nur die Bereiche, die sich in der Nähe der Anodenstromableiterfahne bzw. Kathodenstromableiterfahne befinden, eine elektrochemische Aktivität auf, wobei in einem mittleren Bereich der elektrochemischen Zellen und somit der Anodenstromableiterfahne und Kathodenstromableiterfahne fast keine elektrochemische Aktivität zu verzeichnen ist. Dies kann beispielsweise zu einer schnelleren zyklischen Alterung der elektrochemischen Zelle führen.In particular, for electrochemical cells with comparatively large length dimension between Anodenstromableiterfahne to the opposite end or Kathodenstromableiterfahne to the opposite end, with anode current collectors and Kathodenstromsammlern with certain material thicknesses and for electrochemical cells in which a layer thickness of an active material has a certain thickness, there a so-called C-rate limit. The C rate is a quantification of rechargeable electrical energy storage, which indicates maximum allowable charging and discharging under certain conditions. From the stated C-rate limit, predominantly only the areas which are located in the vicinity of the Anodenstromableiterfahne or Kathodenstromableiterfahne, an electrochemical activity, wherein in a central region of the electrochemical cells and thus the Anodenstromableiterfahne and Kathodenstromableiterfahne almost no electrochemical activity is recorded. For example, this can lead to faster cyclic aging of the electrochemical cell.
Mittels der erfindungsgemäß vorgesehenen Abnahme der Materialdicke des Anodenstromsammlers und Kathodenstromsammlers ausgehend von der Stirnseite mit der jeweiligen Stromableiterfahne zu der gegenüberliegenden Stirnseite oder alternativ mittels der erfindungsgemäß vorgesehenen Stromleitstruktur wird ein linearer Verlauf des elektrischen Potenzials der Stromdichte erreicht. Das heißt, an unterschiedlichen Orten in der elektrochemischen Zelle liegt die gleiche elektrische Spannung an, so dass eine Differenz zwischen elektrischem Potenzial in Anode und Kathode unabhängig von Ortskoordinaten ist und somit jedes Ortselement der elektrochemischen Zelle mit dem gleichen elektrischen Strom geladen und entladen werden kann. Dies ermöglicht, dass auch elektrochemische Zellen mit großen Abmessungen und somit hoher Kapazität bei gleichzeitig großen C-Raten und hoher Energiedichte realisiert werden können, wobei eine zyklische Alterung der Zellen gleichzeitig minimiert ist. Dabei wird ein Verlust der Kapazität der Zelle während eines zyklischen Betriebs minimiert.By means of the inventively provided decrease in the material thickness of the anode current collector and cathode current collector starting from the end face with the respective Stromableiterfahne to the opposite end or alternatively by means of inventively provided Stromleitstruktur a linear course of the electrical potential of the current density is achieved. That is, at different locations in the electrochemical cell, the same voltage is applied, so that a difference between electric potential in the anode and cathode is independent of location coordinates and thus each location element of the electrochemical cell can be charged and discharged with the same electric current. This makes it possible to realize even large-capacity and thus high-capacity electrochemical cells with simultaneously high C-rates and high energy density, while at the same time minimizing cyclical aging of the cells. In doing so, a loss of cell capacity during cyclic operation is minimized.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:
-
1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Zelle, -
2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Zelle, -
3 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Zelle, -
4 schematisch ein Diagramm mit einem Verlauf eines elektrischen Potenzials entlang einer Richtung zwischen einer Anodenstromableiterfahne und einer gegenüberliegenden Stirnseite eines Anodenstromsammlers und zwischen einer Kathodenstromableiterfahne und einer gegenüberliegenden Stirnseite eines Kathodenstromsammlers, -
5 schematisch eine Draufsicht einer Flachseite eines Anodenstromsammlers mit einer Stromleitstruktur und -
6 schematisch eine Draufsicht einer Flachseite eines Kathodenstromsammlers mit einer Stromleitstruktur.
-
1 schematically a first embodiment of an electrochemical cell, -
2 schematically a second embodiment of an electrochemical cell, -
3 schematically a third embodiment of an electrochemical cell, -
4 3 is a schematic diagram showing a profile of an electrical potential along a direction between an anode current collector lug and an opposite end side of an anode current collector and between a cathode current collector lug and an opposite end side of a cathode current collector; -
5 schematically a plan view of a flat side of an anode current collector with a Stromleitstruktur and -
6 schematically a plan view of a flat side of a cathode current collector with a Stromleitstruktur.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
In
Die elektrochemische Zelle
Innerhalb des Gehäuses
Die Anodenstromsammler
Die übereinander angeordneten Anodenstromableiterfahnen
Im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Zelle
In
Unter der Annahme einer homogenen Verteilung eines elektrischen Stromes im Anodenstromsammler
Weil der Gradient des in
Diese Abhängigkeit gilt sowohl für die Anodenstromsammler
Dabei gilt für die elektrochemische Zelle
Für den Fall, dass die zwei Parabeln, welche den Verlauf der elektrischen Potenziale
Für elektrochemische Zellen
Für einen Anodenstromsammler
- σ =
- spezifische Leitfähigkeit,
- U =
- elektrische Spannung,
- i =
- elektrischer Strom.
- σ =
- specific conductivity,
- U =
- electrical voltage,
- i =
- electrical current.
Nach einer mathematischen Differenzierung der Gleichung (2) nach x (= Richtung
Gemäß Gleichung (1) soll eine konstante und homogene Stromdichteverteilung innerhalb der Anodenstromsammler
Weiterhin wird eine lineare Abnahme der Potenziale
Die zwei zuletzt genannten Bedingungen für das Ohm'sche Gesetz ergeben, dass
Somit ergibt sich, dass die spezifische Leitfähigkeit σ von der jeweiligen Anodenstromableiterfahne
Die genannten Gleichungen (1) bis (5) werden auch dann erfüllt, wenn die spezifische Leitfähigkeit σ durch die effektive Flächenleitfähigkeit (= Kehrwert vom Flächenwiderstand) ersetzt wird. Mit dieser Annahme ergibt sich, dass eine topologische Änderung der Anodenstromsammler
Um dies zu realisieren, ist in einer möglichen Ausführung der Zelle
Das heißt, Anodenstromsammler
In einer weiteren möglichen Ausführung der Zelle
Hierbei zeigt
Um die Verläufe der elektrischen Potenziale
Ein Abstand
Die effektive Flächenleitfähigkeit, die für den Betrieb der elektrochemischen Zelle
Für den speziellen Fall, bei der die Breite
Dabei sind die Stromablenkelemente
Um die Verläufe der elektrischen Potenziale
Ein Abstand
Die effektive Flächenleitfähigkeit, die für den Betrieb der elektrochemischen Zelle
Für den speziellen Fall, bei dem die Breite
Dabei sind die Stromablenkelemente
Die in den
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Zellecell
- 22
- Gehäusecasing
- 33
- AnodenstromsammlerAnode current collector
- 44
- KathodenstromsammlerCathode current collector
- 55
- AnodenstromableiterfahneAnodenstromableiterfahne
- 66
- KathodenstromableiterfahneKathodenstromableiterfahne
- 77
- Anodenstromableiteranode current
- 8 8th
- Kathodenstromableitercathode current
- 99
- StromleitstrukturStromleitstruktur
- 1010
- StromleitstrukturStromleitstruktur
- 11.1 bis 11.m11.1 to 11.m
- StromablenkelementStromablenkelement
- 12.1 bis 12.z12.1 to 12.z
- Stromablenkelement Stromablenkelement
- AA
- Längelength
- B(x)B (x)
- Abstanddistance
- II
- Stromelectricity
- LL
- Längelength
- OO
- Breitewidth
- R1 bis RnR1 to Rn
- Reiheline
- xx
- Richtungdirection
- yy
- Richtung direction
- φφ
- Potenzialpotential
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2016/0285105 A1 [0002]US 2016/0285105 A1 [0002]
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019001238.0A DE102019001238A1 (en) | 2019-02-20 | 2019-02-20 | Electrochemical cell |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019001238.0A DE102019001238A1 (en) | 2019-02-20 | 2019-02-20 | Electrochemical cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102019001238A1 true DE102019001238A1 (en) | 2019-08-22 |
Family
ID=67481705
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102019001238.0A Withdrawn DE102019001238A1 (en) | 2019-02-20 | 2019-02-20 | Electrochemical cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102019001238A1 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20160285105A1 (en) | 2013-08-23 | 2016-09-29 | Greatbatch Ltd. | Multi-thickness current collector |
-
2019
- 2019-02-20 DE DE102019001238.0A patent/DE102019001238A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20160285105A1 (en) | 2013-08-23 | 2016-09-29 | Greatbatch Ltd. | Multi-thickness current collector |
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|
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