DE102019131127A1

DE102019131127A1 - Feststoffbatterie

Info

Publication number: DE102019131127A1
Application number: DE102019131127.6A
Authority: DE
Inventors: Jose LOPEZ DE ARROYABE; Malte Finger; Frederik Morgenstern
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2021-05-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Feststoffbatterie mit zwei oder mehreren übereinandergestapelten Einzelstapeln, wobei jeder Einzelstapel aufweist: mehrere übereinandergestapelte, parallel verschaltete Feststoffzellen, die jeweils eine erste Elektrode erster Polarität, eine zweite Elektrode zweiter und der der ersten Polarität entgegengesetzter Polarität, und einen zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordneten Feststoffelektrolyten aufweisen, einen ersten Anschluss, der mit den ersten Elektroden der Feststoffzellen elektrisch verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit den zweiten Elektroden der Feststoffzelle elektrisch verbunden ist. Die mehreren Einzelstapel sind in Reihe geschaltet, indem der erste Anschluss eines Einzelstapels mit dem zweiten Anschluss des diesem in der Reihe folgenden Einzelstapels elektrisch verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Feststoffbatterie sowie ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Feststoffbatterie.
Batterien sind derzeit für elektrisch angetriebene Fahrzeuge von besonderem Interesse. Feststoffbatterien, welche auch als All-Solid-State-Batterien bezeichnet werden, enthalten ausschließlich feste Materialien und insbesondere Feststoffelektrolyten und weisen daher gegenüber flüssigen Elektrolyten enthaltenden Batterien Vorteile auf. Beispielsweise kann durch das Ersetzen des flüssigen Elektrolyten mit einem Feststoffelektrolyten das Risiko eines thermischen Durchgehens sowie einer Explosion der Batterie verringert sowie die Sicherheit und die Zyklenbeständigkeit der Batterie erhöht werden.
In den 1a und 1b ist der Aufbau einer Feststoffzelle 100 grafisch dargestellt. 1a zeigt eine perspektivische Explosionsansicht und 1b eine Seitenansicht. Eine Feststoffzelle 100 weist einen ersten Stromkollektor 113, eine erste Elektrode erster Polarität 103, einen Feststoffelektrolyten 102, eine zweite Elektrode zweiter und der der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität 101, und einen zweiten Stromkollektor 111 auf. Diese sind als Schichten/Lagen ausgebildet und in der angegebenen Reihenfolge nebeneinander angeordnet, so dass sich die Hauptflächen von zwei benachbarten Schichten/Lagen berühren. Die Dicke, d₀, der so gebildeten Anordnung beträgt beispielsweise 100 µm. Der erste Stromkollektor 113 kann an einem seiner Enden eine erste Fahne 123 aufweisen, und der zweite Stromkollektor an einem seiner Enden eine zweite Fahne 121. Zwischen diesen beiden Fahnen kann im geladenen Zustand der Feststoffzelle 100 eine Betriebsspannung U₀= 4,2 V gemessen werden.
Die Betriebsspannung kann erhöht werden, indem mehrere Feststoffzellen 100 in Reihe geschaltet werden. 1c zeigt beispielhaft eine Feststoffbatterie 130, die 16 in Reihe geschaltete Feststoffzellen 100₁, 100₂, 100₃, ... 100₁₆ enthält. Jede dieser Feststoffzelle hat einen der Feststoffzelle 100 entsprechenden Aufbau. Stromkollektoren, die im Innern der Feststoffbatterie 130 angeordnet sind, haben eine doppelte Funktion: die des ersten Stromkollektors für eine der ihm benachbarten Feststoffzellen und die des zweiten Stromkollektors für die andere der ihm benachbarten Feststoffzellen. Beispielsweise hat der mit den Bezugszeichen 113, und 1112 bezeichnete Stromkollektor die Funktion des ersten Stromkollektors für die Feststoffzelle 100, und die des zweiten Stromkollektors für die Feststoffzelle 100₂. Die äußeren Stromkollektoren 111₁ und 111₁₆ weisen jeweils eine Fahne 121₁ und eine Fahne 121₁₆ auf. Zwischen diesen beiden Fahnen kann im geladenen Zustand der Feststoffbatterie 130 eine Betriebsspannung U₁= 16 x 4,2 V = 67,2 V gemessen werden. Die Dicke der Feststoffbatterie 130, d₁, beträgt ca. 1,6 mm. Die in der 1c gezeigte Anordnung wird auch als bipolare Bauweise (oder Bipolar Solid State Bauweise) bezeichnet.
Aus Sicherheitsgründen wird in der Entwicklung und/oder Fertigung von Feststoffbatterien deren Betriebsspannung auf 60 V begrenzt. Die oberen Überlegungen zeigen jedoch, dass Feststoffbatterien mit 60 V Betriebsspannung, die eine bipolare Bauweise aufweisen, eine Dicke im Bereich von 1 bis 3 mm haben, und damit zu dünn sind, um eine sichere Handhabung zu ermöglichen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Feststoffbatterie bereitzustellen, die eine Betriebsspannung von 60 V nicht überschreitet, und eine Dicke im Bereich von 15 bis 25 mm aufweist, sodass die Feststoffbatterie in Entwicklung und Fertigung sicher gehandhabt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre des Anspruchs 1 erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Feststoffbatterie mit zwei oder mehreren übereinandergestapelten Einzelstapeln, wobei jeder Einzelstapel aufweist: mehrere übereinandergestapelte, parallel verschaltete Feststoffzellen, die jeweils eine erste Elektrode erster Polarität, eine zweite Elektrode zweiter und der der ersten Polarität entgegengesetzter Polarität, und einen zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordneten Feststoffelektrolyten aufweisen, einen ersten Anschluss, der mit den ersten Elektroden der Feststoffzellen elektrisch verbunden ist, und
einen zweiten Anschluss, der mit den zweiten Elektroden der Feststoffzelle elektrisch verbunden ist;
wobei die mehreren Einzelstapel in Reihe geschaltet sind, indem der erste Anschluss eines Einzelstapels mit dem zweiten Anschluss des diesem in der Reihe folgenden Einzelstapels elektrisch verbunden ist.
Dadurch kann eine Feststoffbatterie bereitgestellt werden, die auch bei einer Betriebsspannung von 60 V eine Dicke aufweist, die eine sichere Handhabung der Feststoffbatterie ermöglicht. Durch das Parallelverschalten der Feststoffzellen in einem Einzelstapel kann darüber hinaus auch eine Feststoffbatterie bereitgestellt werden, die einen kleineren Innenwiderstand aufweist als eine nach der bipolaren Bauweise hergestellten Feststoffbatterie.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Feststoffbatterie beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist jede Feststoffzelle ferner einen mit ihrer ersten Elektrode verbundenen ersten Stromkollektor und einen mit ihrer zweiten Elektrode verbundenen zweiten Stromkollektor auf, jeder erste Stromkollektor weist eine erste Fahne und jeder zweite Stromkollektor eine zweite Fahne auf, und die erste Fahne und die zweite Fahne sind auf gegenüberliegenden Seiten der Feststoffzelle angeordnet, die ersten Stromkollektoren aller in einem Einzelstapel enthaltenen Feststoffzellen sind über ihre ersten Fahnen miteinander und mit dem ersten Anschluss des Einzelstapels elektrisch verbunden, und die zweiten Stromkollektoren aller in einem Einzelstapel enthaltenen Feststoffzellen sind über ihre zweiten Fahnen miteinander und mit dem zweiten Anschluss des Einzelstapels elektrisch verbunden.
Dadurch können die Einzelstapel zuerst in Reihe geschaltet und dann durch Falten zu einem Stapel gestapelt werden, was die Fertigung der Feststoffbatterie wesentlich erleichtert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss eines Einzelstapels und dem zweiten Anschluss des diesem in der Reihe folgenden Einzelstapels mit einem Überwachungsanschluss versehen und mit diesem elektrisch verbunden.
Dadurch kann das Überwachen und Balancieren einzelner Einzelstapel ermöglicht werden. Darüber hinaus kann der durch die Feststoffbatterie fließende Hauptstrom an dem oder den Überwachungsanschlüssen vorbeigeführt und somit thermische Verluste an diesen vermieden werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind alle elektrischen Verbindungen zwischen einem ersten Anschluss eines Einzelstapels und einem zweiten Anschluss des diesem in der Reihe folgenden Einzelstapels jeweils mit einem Überwachungsanschluss versehen und mit diesem elektrisch verbunden.
Dadurch kann das Überwachen und Balancieren aller Einzelstapel ermöglicht werden. Darüber hinaus kann der durch die Feststoffbatterie fließende Hauptstrom an den Überwachungsanschlüssen vorbeigeführt und somit thermische Verluste an diesen vermieden werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist jeder Einzelstapel eine erste Hauptoberfläche und eine der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche auf,
die erste Hauptoberfläche wird jeweils von einem ersten Stromkollektor gebildet, die zweite Hauptoberfläche wird jeweils von einem zweiten Stromkollektor gebildet,
die Einzelstapel in der Feststoffbatterie sind so gestapelt, dass sich jeweils die zweite Hauptoberfläche eines Einzelstapels und die erste Hauptoberfläche des auf diesem gestapelten Einzelstapels berühren.
Dadurch können die Einzelstapel aufeinandergestapelt werden ohne vorher jedes einzelne oder zumindest einzelne Einzelstapel mit einem Gehäuse zu umgeben, um nebeneinanderliegende Hauptflächen von benachbarten Einzelstapeln zu isolieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der zweite Anschluss des Einzelstapels, der als erster in der Reihe angeordnet ist, und der erste Anschluss des Einzelstapels, der als letzter in der Reihe angeordnet ist, jeweils mit einem Hauptstromanschluss versehen und mit diesem elektrisch verbunden.
Dadurch kann der Anschluss eines Verbrauchers an die Feststoffbatterie, beispielsweise einer Antriebseinheit eines Elektrofahrzeugs, ermöglicht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Überwachungsanschluss eine Querschnittsfläche auf, die kleiner als die Querschnittsfläche eines Hauptstromanschluss ist.
Dadurch lässt sich Materialeinsparung und damit Gewichtsreduzierung erreichen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Betriebsspannung zwischen den beiden Hauptstromanschlüssen kleiner oder gleich 60 V.
Dadurch können vorgeschriebene Sicherheitsvorschriften eingehalten werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode in einem Bereich von 2,7 V bis 4,2 V. Dadurch kann man 12 bis 16 Einzelstapel in Reihe schalten, ohne die Obergrenze von 60 V für die Betriebsspannung in der Fertigung zu überschreiten. Darüber hinaus lässt sich die erfindungsgemäße Feststoffbatterie mit bekannten Feststoffzellen realisieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die Dicke einer Feststoffzelle in einem Bereich von 50 µm bis 300 µm, insbesondere in einem Bereich von 100 µm bis 150 µm.
Dadurch kann eine hohe Flexibilität beim Design eines Einzelstapels, insbesondere seiner Dicke erreicht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die Dicke der übereinandergestapelten Einzelstapel im Bereich von 15 mm bis 25 mm.
Dadurch kann die erfindungsgemäße Feststoffbatterie sicher hantiert werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Feststoffbatterie.
Dadurch kann einerseits ein sicheres Fahrzeug bereitgestellt werden, denn durch den Einsatz einer Feststoffbatterie ist das Risiko eines thermischen Durchgehens sowie einer Explosion der Batterie wesentlich verringert; andererseits kann die Reichweite des Fahrzeugs erhöht und die Kosten für das Fahrzeug reduziert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Hauptstromanschlüsse der Feststoffbatterie mit einer Antriebseinheit des Fahrzeugs elektrisch verbunden. Dadurch kann das Fahrzeug elektrisch angetrieben werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Fahrzeug ferner ein Batteriemanagementsystem auf und die Überwachungsanschlüsse der Feststoffbatterie sind mit dem Batteriemanagementsystem elektrisch verbunden. Dadurch können die Einzelstapel einzeln überwacht und balanciert werden, was die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Feststoffbatterie positiv beeinflusst.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
Figurenliste

1a schematisch eine perspektivische Explosionsansicht einer Feststoffzelle;
1b schematisch eine Seitenansicht der in 1 a gezeigten Feststoffzelle;
1c schematisch eine Feststoffbatterie mit in Reihe geschalteten Feststoffzellen (Feststoffbatterie in bipolare Bauweise);
2a schematisch eine perspektivische Explosionsansicht eines Einzelstapels (in unipolarer Bauweise);
2b schematisch eine Seitenansicht des in 2a gezeigten Einzelstapels;
3a schematisch eine erfindungsgemäße Feststoffbatterie;
3b schematisch eine weitere erfindungsgemäße Feststoffbatterie;
4 schematisch einen möglichen Zwischenschritt zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Feststoffbatterie;
5a schematisch eine weitere erfindungsgemäße Feststoffbatterie;
5b und 5c schematisch die Anordnung der Hauptstrom- und Überwachungsanschlüsse auf der Vorder- bzw. Rückseite eines Gehäuses, das die in 5a gezeigte Feststoffbatterie enthält.

In den Figuren werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechenden Elemente der Erfindung verwendet.
Die 3a zeigt eine Feststoffbatterie 300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese weist beispielhaft drei übereinandergestapelte Einzelstapel 200₁, 200₂ und 200₃ auf. Die Anzahl der Einzelstapel ist jedoch nicht auf drei beschränkt, sondern kann größer oder gleich zwei sein.
In den 2a und 2b ist der Aufbau der in der 3a gezeigten Einzelstapel 200₁, 200₂ und 200₃ grafisch dargestellt. 2a zeigt eine perspektivische Explosionsansicht und 2b eine Seitenansicht eines Einzelstapels 200. Dieser weist mehrere übereinandergestapelte oder nebeneinanderliegende Feststoffzellen auf, die jeweils einen ersten Stromkollektor, eine erste Elektrode erster Polarität, eine zweite Elektrode zweiter und der der ersten Polarität entgegengesetzter Polarität, einen zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordneten Feststoffelektrolyten, und einen zweiten Stromkollektor aufweisen. Diese sind als Schichten oder Lagen ausgebildet und so nebeneinanderangeordnet, dass sich die Hauptflächen von zwei benachbarten Schichten/Lagen berühren. Die Dicke, d₂, eines Einzelstapels 200 wird im Wesentlichen von der Anzahl der Feststoffzellen bestimmt. Beispielhaft sind in den 2a und 2b drei Feststoffzellen dargestellt. Die erste Feststoffzelle enthält: den ersten Stromkollektor 213₁, die erste Elektrode 203₁, den Festelektrolyten 202₁, die zweite Elektrode 201₁ und den zweiten Stromkollektor 211₁, die in dieser Reihenfolge nebeneinanderangeordnet sind. Die zweite Feststoffzelle enthält: den ersten Stromkollektor 213₁, die erste Elektrode 203₂, den Festelektrolyten 202₂, die zweite Elektrode 201₂ und den zweiten Stromkollektor 211₂, die in dieser Reihenfolge nebeneinanderangeordnet sind. Die dritte Feststoffzelle enthält: den ersten Stromkollektor 213₂, die erste Elektrode 203₃, den Festelektrolyten 202₃, die zweite Elektrode 201₃ und den zweiten Stromkollektor 211₂, die in dieser Reihenfolge nebeneinanderangeordnet sind. Die ersten Stromkollektoren 213₁ und 213₂ weisen jeweils eine erste Fahne 223₁ bzw. 223₂ auf, die an einer Seite des Einzelstapels 200 angeordnet sind; und die zweiten Stromkollektoren 211₁ und 211₂ weisen jeweils eine zweite Fahne 221₁ bzw. 221₂ auf, die an einer den ersten Fahnen 223₁ und 223₂ gegenüberliegenden Seite des Einzelstapels 200 angeordnet sind.
Die in einem Einzelstapel enthaltenen Feststoffzellen sind parallel miteinander verbunden. Die ersten Elektroden der Feststoffzellen sind (über mit ihnen verbundenen Stromkollektoren) mit einem ersten Anschluss verbunden. Die zweiten Elektroden der Feststoffzellen sind (über mit ihnen verbundenen Stromkollektoren) mit einem zweiten Anschluss verbunden. Zwischen dem ersten und zweiten Anschluss eines Einzelstapels kann eine Spannung von beispielsweise 4,2 V gemessen werden. In der in 3a gezeigten Ausführungsform weist der Einzelstapel 200₁ den ersten Anschluss 301₁ und den zweiten Anschluss 302₁ auf. Der erste Anschluss 301₁ ist über die ersten Fahnen 223₁ und 223₂ mit den ersten Stromkollektoren dieses Einzelstapels verbunden und der zweite Anschluss 302₁ über die zweiten Fahnen 221₁ und 221₂ mit den zweiten Stromkollektoren dieses Elektrodenstapels. Der Einzelstapel 200₂ weist den ersten Anschluss 301₂ und den zweiten Anschluss 302₂ auf. Der erste Anschluss 301₂ ist mit den ersten Stromkollektoren dieses Einzelstapels verbunden und der zweite Anschluss 302₂ mit den zweiten Stromkollektoren dieses Elektrodenstapel. Der Einzelstapel 200₃ weist den ersten Anschluss 301₃ und den zweiten Anschluss 302₃ auf. Der erste Anschluss 301₃ ist mit den ersten Stromkollektoren dieses Einzelstapels verbunden und der zweite Anschluss 302₃ mit den zweiten Stromkollektoren dieses Elektrodenstapel.
Erfindungsgemäß sind die Einzelstapel der Feststoffbatterie in Reihe geschaltet, indem der erste Anschluss eines Einzelstapels mit dem zweiten Anschluss des diesem in der Reihe folgenden Einzelstapels elektrisch verbunden ist. In der in der 3a gezeigten Ausführungsform sind die Einzelstapel über die elektrischen Verbindungen 312 und 321 in Reihe geschaltet; dabei verbindet die elektrische Verbindung 312 den ersten Anschluss 301₁ des Einzelstapels 200₁ mit dem zweiten Anschluss 302₂ des Einzelstapels 200₂ und die elektrische Verbindung 321 den ersten Anschluss 301₂ des Einzelstapels 200₂ mit dem zweiten Anschluss 302₃ des Einzelstapels 200₃.
Durch das Übereinanderstapeln und in Reihe schalten von mehreren Einzelstapeln lässt sich eine Feststoffbatterie mit einer Betriebsspannung von 60 V bereitstellen, die eine Dicke aufweist, die es erlaubt die Feststoffbatterie sicher zu handhaben. Diese Dicke, d₃, liegt im Bereich von 15 mm bis 25 mm. Die Spannung zwischen dem ersten und zweiten Anschluss eines Einzelstapels ist abhängig von der in ihm enthaltenen Feststoffzellenart und kann in einem Bereich von 2,7 V und 4,2 V liegen. Die maximale Anzahl der in Reihe geschalteten Einzelstapel ist durch das Verhältnis zwischen der Betriebsspannung der Feststoffbatterie und der Spannung zwischen dem ersten und zweiten Anschluss eines Einzelstapels bestimmt. Für eine Feststoffbatterie mit einer Betriebsspannung von 60 V liegt diese Anzahl in einem Bereich von 12 bis 16. Soll diese Feststoffbatterie eine Dicke d₃=25 mm aufweisen, dann muss die Dicke der Einzelstapel, d₂, in einem Bereich von 1,6 mm und 2 mm liegen.
An dem zweiten Anschluss 302₁ des Einzelstapels 200₁ und an dem ersten Anschluss 301₃ des letzten Einzelstapels 200₃ sind jeweils Hauptstromanschlüsse 303 bzw. 306 vorgesehen, die für den Anschluss der Antriebseinheit eines Elektrofahrzeugs konfiguriert sind. Die elektrischen Verbindungen 312 und 321 können jeweils mit einem Überwachungsanschluss 304 bzw. 305 versehen sein, die für den Anschluss eines Batteriemanagementsystems konfiguriert sind. Vorzugsweise weisen die Überwachungsanschlüsse 304 und 305 eine Querschnittsfläche auf, die kleiner als die Querschnittsfläche eines der Hauptstromanschlüsse 303 und 306 ist.
Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Feststoffbatterie kann die folgenden Schritte aufweisen: a) Bereitstellen von zwei oder mehreren Einzelstapeln, die jeweils mehrere übereinandergestapelte, parallel verschaltete Feststoffzellen aufweisen; b) Übereinanderstapeln der zwei oder mehreren Einzelstapel; und c) in Reihe schalten der zwei oder mehreren Einzelstapel.
Es ist vorteilhaft den Schritt c) vor dem Schritt b) auszuführen. In diesem Fall ist es vorteilhaft: i) die zwei oder mehreren Einzelstapel so hintereinander zu reihen, dass ihre Stromkollektoren parallel zueinander stehen, beispielsweise alle horizontal liegend; ii) benachbarte Einzelstapel so auszurichten, dass einem Einzelstapel, dessen oberer Stromkollektor ein erster Stromkollektor ist, ein Einzelstapel folgt, dessen oberer Stromkollektor ein zweiter Stromkollektor ist; und iii) benachbarte Einzelstapel so auszurichten, dass einem ersten Anschluss eines Einzelstapels der zweite Anschluss des ihm benachbarten Einzelstapels folgt.
Eine derartige Anordnung ist beispielhaft in 4 dargestellt. Sie zeigt die drei Einzelstapel 200₁, 200₂ und 200₃, wobei der oberste Stromkollektor des Einzelstapels 200₁ der erste Stromkollektor 213₂ ist, der oberste Stromkollektor des Einzelstapels 200₂ der zweite Stromkollektor 211₁ ist, und der oberste Stromkollektor des Einzelstapels 200₃ der erste Stromkollektor 213₂ ist. Des Weiteren folgt dem ersten Anschluss 301₁ des ersten Einzelstapels 200₁ der zweite Anschluss 302₂ des Einzelstapels 200₂, und dem ersten Anschluss 301₂ des Einzelstapels 200₂ der zweite Anschluss 302₃ des dritten Einzelstapels 200₃. Mit Hilfe dieser Anordnung lassen sich die in den 3a und 3b gezeigten Ausführungsformen 300 bzw. 400 mit den folgenden Schritten realisieren: elektrisches Verbinden der benachbarten ersten und zweiten Anschlüsse; Klappen oder Falten des Einzelstapels 200₁ in Richtung des Pfeiles 410 auf den Einzelstapel 200₂; und Klappen oder Falten des Einzelstapel 200₃ in Richtung des Pfeiles 420 unter den Einzelstapel 2002.
In der in der 3b gezeigten Feststoffbatterie 400 berühren sich der erste Stromkollektor 213₂ des Einzelstapels 200₁ und der zweite Stromkollektor 211₁ des Einzelstapels 200₂, berühren sich der zweite Stromkollektor 213₂ des Einzelstapels 200₂ und der zweite Stromkollektor 211₁ des Einzelstapels 200₃, ist die elektrische Verbindung 412, welche die Einzelstapel 200₁ und 200₂ in Reihe schaltet, durch elektrisches Verbinden der jeweiligen Fahnen ausgeführt, und ist die elektrische Verbindung 421, welche die Einzelstapel 200₂ und 200₃ in Reihe schaltet, durch elektrisches Verbinden der jeweiligen Fahnen ausgeführt.
Eine der Feststoffbatterie 400 entsprechende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist sehr vorteilhaft, weil benachbarte Einzelstapel nicht voneinander isoliert werden müssen, beispielsweise durch Umgeben mit einem Gehäuse. Darüber hinaus verringern die sich berührenden (in elektrischen Kontakt befindlichen) Stromkollektoren den Widerstand, den der Hauptstrom zwischen den Einzelstapeln überwinden muss, was den Innenwiderstand der Batterie und somit die Verluste in der Batterie reduziert.
Die 5a bis 5c zeigen eine weitere Ausführungsform 500 einer erfindungsgemäßen Feststoffbatterie. Diese Ausführungsform weist beispielhaft fünf übereinandergestapelte Einzelstapel 200₁ bis 200₅ auf, die von einem Gehäuse 510 (Hardcase oder Pouch) umgeben sind. Die Anzahl der Einzelstapel ist jedoch nicht auf fünf beschränkt, sondern kann größer oder gleich zwei sein.
Die 5a zeigt die ersten und zweiten Anschlüsse der jeweiligen Einzelstapel und die mit diesen verbundenen Stromkollektoren. Der Einzelstapel 200₁ hat den ersten Anschluss 301₁ und den zweiten Anschluss 302₁, der Einzelstapel 200₂ den ersten Anschluss der 301₂ und den zweiten Anschluss 302₂, etc. Die Einzelstapel sind übereinander gestapelt und in Reihe geschaltet. Der erste Anschluss 301₁ ist mit dem zweiten Anschluss 302₂ elektrisch verbunden, der erste Anschluss 301₂ mit dem zweiten Anschluss 302₃, etc. Die elektrische Verbindung zwischen zwei Anschlüssen erfolgt beispielsweise durch Verlöten oder Verschweißen von Fahnen, die an den mit den jeweiligen Anschlüssen verbunden Stromkollektoren vorgesehen sind. An den Anschlüssen 302₁ und 301₅ sind die Hauptstromanschlüsse 501 und 506 vorgesehen, und an den elektrischen Verbindungen, die zwei Einzelstapel in Reihe schalten, die Überwachungsanschlüsse 503, 504 und 505.
Die 5b zeigt die räumliche Anordnung der Anschlüsse 501, 503 und 505 auf der linken Seite des Gehäuses 510, und die 5c die räumliche Anordnung der Anschlüsse 502, 504 und 506 auf der rechten Seite des Gehäuses 510. Durch die räumliche Versetzung der Anschlüsse 501 bis 506 sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung steht in vorteilhafter Weise hinreichend Platz für Anschlüsse eines Batteriemanagementsystems sowie Anschlüsse eines Verbrauchers, beispielsweise der Antriebseinheit eines Elektrofahrzeugs, zur Verfügung. Die erfindungsgemäße Versetzung der Anschlüsse 501, 503 und 505 lässt sich durch ein versetztes Anordnen der Fahnen an den Stromkollektoren realisieren. Wie aus 5b leicht zu erkennen ist, sind die Fahnen der mit dem Anschluss 302₁ verbundenen Stromkollektoren an diesen seitlich links angeordnet, die Fahnen der mit den Anschlüssen 302₅ und 301₄ verbundenen Stromkollektoren an diesen seitlich rechts angeordnet, und die Fahnen der mit den Anschlüssen 302₃ und 301₂ verbundenen Stromkollektoren an diesen mittig angeordnet. Entsprechendes gilt für die Anschlüsse 502, 504 und 506, wie aus der 5c leicht zu erkennen ist.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
Bezugszeichenliste

100: Feststoffzelle
101, 201: Erste Elektrode (Kathode)
102, 202: Feststoffelektrolyt
103, 203: Zweite Elektrode (Anode)
111, 211: Erster Stromkollektor (Kathodenkollektor)
113, 213: Zweiter Stromkollektor (Anodenkollektor)
121, 221: Erste Fahne
123, 223: Zweite Fahne
130: Feststoffbatterie (bipolare Bauweise)
200: Einzelstapel mit mehreren Feststoffzellen in unipolarer Bauweise
300, 400: Erfindungsgemäße Feststoffbatterie
301: Erster Anschluss eines Einzelstapels
302: Zweiter Anschluss eines Einzelstapels
303, 306: Hauptstromanschluss
304, 305: Überwachungsanschluss
307-310: Hauptoberfläche
312, 321: Elektrische Verbindungen
410, 420: Richtungspfeile, die jeweils eine Faltung angeben
412, 421: Elektrische Verbindungen
500: Erfindungsgemäße Feststoffbatterie
501, 506: Hauptstromanschluss
502-504: Überwachungsanschluss
510: Gehäuse (Hardcase oder Pouch)

Claims

Feststoffbatterie (300,400) mit zwei oder mehreren übereinandergestapelten Einzelstapeln (200₁-200₃), wobei jeder Einzelstapel aufweist: mehrere übereinandergestapelte, parallel verschaltete Feststoffzellen, die jeweils eine erste Elektrode (203₁) erster Polarität, eine zweite Elektrode (201₁) zweiter und der der ersten Polarität entgegengesetzter Polarität, und einen zwischen der ersten Elektrode (203₁) und der zweiten Elektrode (201₁) angeordneten Feststoffelektrolyten (202₁) aufweisen, einen ersten Anschluss (301₁), der mit den ersten Elektroden (203₁, 203₂) der Feststoffzellen elektrisch verbunden ist, und einen zweiten Anschluss (302₁), der mit den zweiten Elektroden (201₁,201₂) der Feststoffzelle elektrisch verbunden ist; wobei die mehreren Einzelstapel in Reihe geschaltet sind, indem der erste Anschluss (301₁) eines Einzelstapels (200₁) mit dem zweiten Anschluss (302₂) des diesem in der Reihe folgenden Einzelstapels (200₂) elektrisch verbunden ist.
Feststoffbatterie nach Anspruch 1, wobei jede Feststoffzelle ferner einen mit ihrer ersten Elektrode (203₁) verbundenen ersten Stromkollektor (213₁) und einen mit ihrer zweiten Elektrode (201₁) verbundenen zweiten Stromkollektor (211₁) aufweist, jeder erste Stromkollektor (213₁) eine erste Fahne (223₁) und jeder zweite Stromkollektor (211₁) eine zweite Fahne (221₁) aufweist, und die erste Fahne (223₁) und die zweite Fahne (221₁) auf gegenüberliegenden Seiten der Feststoffzelle angeordnet sind, wobei die ersten Stromkollektoren (213₁, 213₂) aller in einem Einzelstapel enthaltenen Feststoffzellen über ihre ersten Fahnen (223₁, 223₂) miteinander und mit dem ersten Anschluss (301₁) des Einzelstapels elektrisch verbunden sind, und wobei die zweiten Stromkollektoren (211₁, 211₂) aller in einem Einzelstapel enthaltenen Feststoffzellen über ihre zweiten Fahnen (221₁, 221₂) miteinander und mit dem zweiten Anschluss (302₁) des Einzelstapels elektrisch verbunden sind.
Feststoffbatterie nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest eine elektrische Verbindung (312) zwischen dem ersten Anschluss (301₁) eines Einzelstapels und dem zweiten Anschluss (302₂) des diesem in der Reihe folgenden Einzelstapels mit einem Überwachungsanschluss (304) versehen und mit diesem elektrisch verbunden ist.
Feststoffbatterie nach Anspruch 3, wobei alle elektrischen Verbindungen (312,321) zwischen einem ersten Anschluss eines Einzelstapels und einem zweiten Anschluss des diesem in der Reihe folgenden Einzelstapels jeweils mit einem Überwachungsanschluss (304,305) versehen und mit diesem elektrisch verbunden ist.
Feststoffbatterie nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei jeder Einzelstapel (302₂) eine erste Hauptoberfläche (309) und eine der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche (308) aufweist, die erste Hauptoberfläche (307,309) jeweils von einem ersten Stromkollektor (213₂) gebildet wird, die zweite Hauptoberfläche (308,310) jeweils von einem zweiten Stromkollektor (211₁) gebildet wird, die Einzelstapel in der Feststoffbatterie so gestapelt sind, dass sich jeweils die zweite Hauptoberfläche (310) eines Einzelstapels (200₃) und die erste Hauptoberfläche (309) des auf diesem gestapelten Einzelstapels (200₂) berühren.
Feststoffbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Anschluss (302₁) des Einzelstapels (200₁), der als erster in der Reihe angeordnet ist, und der erste Anschluss (301₃) des Einzelstapels (200₃), der als letzter in der Reihe angeordnet ist, jeweils mit einem Hauptstromanschluss (303,306) versehen und mit diesem elektrisch verbunden sind.
Feststoffbatterie nach Anspruch 6, wobei der Überwachungsanschluss (304,305) eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner als die Querschnittsfläche eines Hauptstromanschluss (303,306) ist.
Feststoffbatterie nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Betriebsspannung zwischen den beiden Hauptstromanschlüssen kleiner oder gleich 60 V ist.
Feststoffbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode in einem Bereich von 2,7 V bis 4,2 V liegt.
Feststoffbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke (d₀) einer Feststoffzelle in einem Bereich von 50 µm bis 300 µm, insbesondere in einem Bereich von 100 µm bis 150 µm liegt.
Feststoffbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke (d₃) der übereinandergestapelten Einzelstapel im Bereich von 15 mm bis 25 mm liegt.
Fahrzeug mit einer Feststoffbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Fahrzeug nach Anspruch 12, wobei die Hauptstromanschlüsse der Feststoffbatterie mit einer Antriebseinheit des Fahrzeugs elektrisch verbunden sind.
Fahrzeug nach Anspruch 12 oder 13, das ferner ein Batteriemanagementsystem aufweist und die Überwachungsanschlüsse der Feststoffbatterie mit dem Batteriemanagementsystem elektrisch verbunden sind.