DE102019121765A1

DE102019121765A1 - Lithium-Ionen-Batteriezelle sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Batteriezelle

Info

Publication number: DE102019121765A1
Application number: DE102019121765.2A
Authority: DE
Inventors: Justus Speichermann
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2021-02-18

Abstract

Es wird eine Li-lonen-Batteriezelle vorgeschlagen, die einen Zellraum sowie innerhalb des Zellraums angeordnet eine Anode, eine Kathode, einen Separator und einen flüssigen Zellraum-Elektrolyt (1) aufweist. Dem Zellraum zugänglich, weist die Li-Ionen-Batteriezelle eine Vorrichtung (2) zum Speichern und Abgeben eines separaten Elektrolyten (3) oder mindestens einer Unterkomponente dieses separaten Elektrolyten (3) auf.Ein Verfahren zur Aufrechterhaltung der Konzentration des Zellraum-Elektrolyten (1) schlägt die Speicherung des separaten Elektrolyten oder der mindestens einen Unterkomponente in der Vorrichtung sowie das Abgeben des separaten Elektrolyten oder der mindestens einen Unterkomponente aus der Vorrichtung in den Zellraum-Elektrolyten bei Erreichen eines definierten Zustands der Li-lonen-Batteriezelle vor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lithium (Li)-Ionen-Batteriezelle, die einen Zellraum, sowie innerhalb des Zellraums angeordnet eine Anode, eine Kathode, einen Separator und einen flüssigen Zellraum-Elektrolyten aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Aufrechterhalten der Konzentration des Zellraum-Elektrolyten bei einer solchen Li-lonen-Batteriezelle.
Li-lonen-Batteriezellen setzen sich als galvanische Zellen aus einer oder mehreren Anoden, einer oder mehreren Kathoden, einer oder mehreren Separatoren und einem umgebenden, flüssigen Elektrolyten zusammen. Dieser Elektrolyt befindet sich im Zellraum der Batteriezelle und ist im Rahmen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung als Zellraum-Elektrolyt bezeichnet.
Der Elektrolyt der Li-lonen-Batteriezelle besteht nach dem Stand der Technik in der Regel aus den Unterkomponenten organisches Lösungsmittel, lithiumbasierten Leitsalzen, wie zum Beispiel LiPF6, und Additiven, die der Optimierung der Produkteigenschaften dienen.
Im Betrieb der Li-lonen-Batteriezelle kommt es in Abhängigkeit von der Nutzungsdauer und der Belastung zum Alterungsmechanismus, sodass Komponenten im Elektrolyten verbraucht werden. Die Auswirkung der Alterung im Betrieb der Li-lonen-Batteriezelle sind ein reduzierter Energieinhalt sowie eine reduzierte Leistung, welche kundenerlebbar sein können.
Die Druckschriften US 2017/324076 A1 und US 2007/015048 A1 beschreiben jeweils eine Lithiumbatterie, die Mikro- oder anderweite Kapseln enthält, die mit einem Elektrolyten gefüllt sind. Der Elektrolyt kann hierbei kontrolliert freigesetzt werden.
Auch in der DE 10 2013 219 865 A1 und der CN 107331894 A ist jeweils eine Lithiumbatterie, die Mikro- oder anderweitige Kapseln enthält, die mit einem Elektrolyten gefüllt sind, beschrieben. Bei dem Elektrolyten handelt es sich um einen Hilfsstoff.
In der CN 104466242 ist eine Lithiumbatterie beschrieben, die ein Schwammträgerteil mit einem absorbierten Elektrolyten enthält.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Li-lonen-Batteriezelle anzugeben, die ein günstiges Alterungsverhalten aufweist. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, bei einer solchen Batteriezelle ein vorteilhaftes Verfahren zur Aufrechterhaltung dieses günstigen Alterungsverhaltens anzugeben.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Li-lonen-Batteriezelle, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, ferner durch ein Verfahren, das die Merkmale des Patentanspruchs 9 aufweist. Weiterbildungen der Batteriezelle und des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schlägt eine Li-lonen-Batteriezelle vor, die einen Zellraum sowie innerhalb des Zellraums angeordnet eine Anode, eine Kathode, einen Separator und einen flüssigen Zellraum-Elektrolyten aufweist. Hierbei weist die Li-Ionen-Batteriezelle, dem Zellraum zugänglich, eine Vorrichtung zum Speichern und Abgeben eines separaten Elektrolyten oder mindestens einer Unterkomponente dieses separaten Elektrolyten auf. Insbesondere handelt es sich um eine ausgewählte Unterkomponente dieses Elektrolyten.
Zum Ausgleich von Alterungserscheinungen kommt es zur Abgabe dieses separaten Elektrolyten, somit des gespeicherten Elektrolyten oder mindestens einer Unterkomponente dieses separaten Elektrolyten. Diese Ausgabe erfolgt zu einem bestimmten Zeitpunkt.
Folgende Ausführungsmöglichkeiten werden für die Speicherung des separaten Elektrolyten oder der mindestens einen Unterkomponente dieses separaten Elektrolyten als bevorzugt angesehen:

- Die Speicherung in einer oder mehreren abgeschlossenen Kapseln. Diese Kapseln sind insbesondere im Zellraum angeordnet, somit in dem flüssigen Zellraum-Elektrolyten, allerdings zu diesem gekapselt.
- Speicherung in einer Struktur mit schwammähnlichen Eigenschaften,
- Speicherung als Festkörper, aus dem sich die einen oder mehreren Unterkomponenten bzw. Bestandteile dieses separaten Elektrolyten herauslösen können.

Der separate Elektrolyt oder die mindestens eine Unterkomponente dieses separaten Elektrolyten interagiert/interagieren bis zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht mit dem Zellraum-Elektrolyten bzw. anderen Komponenten der Lithium-Ionen-Zelle.
Diese Ausbildung der Li-lonen-Batteriezelle ermöglicht eine Minimierung des erforderlichen Bauraums für die Speicherung, sodass negative Auswirkungen auf die Energiedichte der Li-lonen-Batteriezelle minimiert werden.
Überdies werden weitere Eigenschaften der Li-lonen-Batteriezelle nicht maßgeblich negativ beeinflusst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufrechterhalten der Konzentration des Zellraum-Elektrolyten bei der vorstehend genannten Li-lonen-Batteriezelle weist folgende Merkmale auf:

a. Speicherung des separaten Elektrolyten oder der mindestens einen Unterkomponente dieses separaten Elektrolyten in der Vorrichtung,
b. Abgeben des separaten Elektrolyten oder der mindestens einen Unterkomponente dieses separaten Elektrolyten aus der Vorrichtung in den Zellraum-Elektrolyten bei Erreichen eines definierten Zustands der Li-Ionen-Batterie.

Die Abgabe wird insbesondere ausgelöst durch eine oder mehrere Faktoren, die auch kombiniert werden können:

- Bei Erreichen eines bestimmten Zeitpunkts; zu diesem Zeitpunkt kommt es zum Beispiel zur Zersetzung der Kapselumhüllung,
- Bei Erreichen eines bestimmten mechanischen Drucks oder einer Kraft oder eines Kraftwechsels, mit der Konsequenz der Freisetzung,
- Bei Erreichen einer bestimmten Konzentration, die zur Freisetzung führt. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass die Abgabe/Freisetzung unter dem Aspekt der

Konzentration aufgrund eines Osmoseeffekts erfolgt.

- Bei Erreichen einer bestimmten Temperatur oder eines bestimmten Temperaturwechsels erfolgt die Freisetzung. Die Temperatur bzw. der Temperaturwechsel kann auf die Temperatur einer Komponente der Li-Ionen-Batteriezelle abgestimmt sein, beispielsweise die Temperatur des Zellraum-Elektrolyten.
- Bei Erreichen eines bestimmten elektrischen Potenzials oder Potenzialwechsels erfolgt die Freisetzung bzw. Abgabe.

Die Freisetzungsmethoden können auch so kombiniert werden, dass der separate Elektrolyt oder Unterkomponenten zeitlich gestaffelt freigesetzt werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und des in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels, ohne hierauf beschränkt zu sein.
Es zeigt:

1 für eine Li-lonen-Batteriezelle einen Teilbereich eines Zellraums mit darin befindlichem flüssigem Zellraum-Elektrolyten und im Zellraum-Elektrolyten schwimmenden Kapseln, die einen separaten Elektrolyten aufnehmen, veranschaulicht für einen Zeitpunkt t0,
2 die Anordnung gemäß der 1, veranschaulicht für einen Zeitpunkt t1,
3 die Anordnung gemäß der 1 und 2, veranschaulicht für einen Zeitpunkt t2.

Figurenbeschreibung
Eine Li-Ionen-Batteriezelle weist einen Zellraum sowie innerhalb des Zellraums angeordnet eine Anode, eine Kathode, einen Separator und einen flüssigen Zellraum-Elektrolyt 1 auf. Dem Zellraum zugänglich weist die Batteriezelle eine Vorrichtung 2 zum Speichern und Abgeben eines separaten Elektrolyten 3 oder mindestens einer ausgewählten Unterkomponente dieses separaten Elektrolyten 3 auf.
1 veranschaulicht, dass zum Zeitpunkt t0 der Zellraum-Elektrolyt 1 eine Start-Konzentration von Lösungsmitteln, Leitsalzen und Additiven besitzt. Die Vorrichtung 2 ist durch mehrere im Zellraum-Elektrolyten 1 schwimmende Kapseln gebildet. Diese enthalten den separaten Elektrolyten 3. Die Hülle der Vorrichtung 2, somit der Kapseln, ist dicht.
Zum Zeitpunkt t1, wie er in 2 veranschaulicht ist, hat die Konzentration im Zellraum-Elektrolyten 1 abgenommen. Die Hülle der Vorrichtung 2, somit der Kapseln, ist porös geworden und der separate Elektrolyt 3/konzentrierte Elektrolyt wird an den umgebenden Elektrolyten/Zellraum-Elektrolyten 1 abgegeben.
Zum Zeitpunkt t2, wie es in 3 veranschaulicht ist, hat die Konzentration im Zellraum-Elektrolyten 1 die Start-Konzentration wieder annähernd erreicht und von der Vorrichtung 2, somit den Kapseln, sind nur noch Reste der porösen Hülle vorhanden.
Die Abgabe von Elektrolyten bzw. der mindestens einen Unterkomponente gleicht den vorherigen Verbrauch aus bzw. verhindert das Auftreten von bestimmten Alterungseffekten durch den zusätzlichen Einsatz des Elektrolyten bzw. der Unterkomponente. Die Li-Ionen-Batteriezelle kann somit länger mit gleichbleibenden Leistungs- und Energieeigenschaften betrieben werden. Dies führt zu einer verbesserten Produktqualität.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2017324076 A1 [0005]
US 2007015048 A1 [0005]
DE 102013219865 A1 [0006]
CN 107331894 A [0006]

Claims

Li-lonen-Batteriezelle, die einen Zellraum sowie innerhalb des Zellraums angeordnet eine Anode, eine Kathode, einen Separator und einen flüssigen Zellraum-Elektrolyten (1) aufweist, wobei, dem Zellraum zugänglich, die Li-Ionen-Batteriezelle eine Vorrichtung (2) zum Speichern und Abgeben eines separaten Elektrolyten (3) oder mindestens einer Unterkomponente dieses separaten Elektrolyten (3) aufweist.
Li-Ionen-Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei der Zellraum mehrere Anoden und/oder mehrere Kathoden und/oder mehrere Separatoren aufweist.
Li-Ionen-Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zellraum-Elektrolyt (1) und der separate Elektrolyt (3) die mindestens eine Unterkomponente aufweist.
Li-lonen-Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Zellraum-Elektrolyt (1) und/oder der separate Elektrolyt (3) die Unterkomponenten organisches Lösungsmittel, lithiumbasierte Leitsalze und Additive aufweist.
Li-Ionen-Batteriezelle nach Anspruch 4, wobei der Zellraum-Elektrolyt (1) und/oder der separate Elektrolyt (3) aus den Unterkomponenten organisches Lösungsmittel, lithiumbasierte Leitsalze und Additive besteht.
Li-lonen-Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vorrichtung (2) als eine oder mehrere auflösbare Kapseln ausgebildet ist.
Li-lonen-Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Vorrichtung (2) als Struktur mit schwammähnlichen Eigenschaften ausgebildet ist.
Li-Ionen-Batteriezelle nach Anspruch 1 bis 7, wobei die Vorrichtung (2) als Festkörper ausgebildet ist.
Verfahren zum Aufrechterhalten der Konzentration eines Zellraum-Elektrolyten (1) bei einer Li-lonen-Batteriezelle, die gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist, mit folgenden Merkmalen: a. Speicherung des separaten Elektrolyten (3) oder der mindestens einen Unterkomponente des separaten Elektrolyten (3) in der Vorrichtung (2), b. Abgeben des separaten Elektrolyten (3) oder der mindestens einen Unterkomponente dieses separaten Elektrolyten (3) aus der Vorrichtung (2) in den Zellraum-Elektrolyten (1) bei Erreichen eines definierten Zustands der Batteriezelle.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der separate Elektrolyt (3) oder die mindestens eine Unterkomponente bei Erreichen eines bestimmten Zeitpunkts abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der separate Elektrolyt (3) oder die mindestens eine Unterkomponente bei Erreichen einer bestimmten Konzentration des Zellraum-Elektrolyten (1) abgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Abgabe unter dem Aspekt der Konzentration aufgrund eines Osmoseeffekts erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der separate Elektrolyt (3) oder die mindestens eine Unterkomponente bei Erreichen einer bestimmten Temperatur oder eines bestimmten Temperaturwechsels der Batteriezelle abgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der separate Elektrolyt (3) oder die mindestens eine Unterkomponente bei Erreichen eines bestimmten elektrischen Potenzials oder eines bestimmten Potenzialwechsels der Batteriezelle abgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei der separate Elektrolyt (3) oder ein oder mehrere Unterkomponenten des separaten Elektrolyten (3) zeitlich gestaffelt abgegeben werden.