DE102019212014A1 - Process for the production of a layer system of a battery cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems (2) einer Batteriezelle (4), bei welchem ein poröses Schichtmaterial (14) mit einer offenen Porenstruktur (16, 16') erzeugt wird, bei welchem ein Gasfängermaterial (24) zur Bindung von Zellgasen in die Porenstruktur (16, 16') eingebracht wird, und bei welchem das Schichtmaterial (14) derart behandelt wird, dass die Poren (18, 20) der Porenstruktur (16, 16') teilweise verschlossen werden.The invention relates to a method for producing a layer system (2) of a battery cell (4), in which a porous layer material (14) with an open pore structure (16, 16 ') is produced, in which a gas scavenger material (24) for binding cell gases is introduced into the pore structure (16, 16 '), and in which the layer material (14) is treated in such a way that the pores (18, 20) of the pore structure (16, 16') are partially closed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems einer Batteriezelle. Die Erfindung betrifft weiterhin ein solches Schichtsystem und die Verwendung eines derartigen Schichtsystems sowie eine Batteriezelle mit einem entsprechenden Schichtsystem.The invention relates to a method for producing a layer system of a battery cell. The invention further relates to such a layer system and the use of such a layer system as well as a battery cell with a corresponding layer system.
Elektrisch beziehungsweise elektromotorisch angetriebene oder antreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, umfassen in der Regel einen Elektromotor, mit dem eine oder beide Fahrzeugachsen antreibbar sind. Zur Versorgung mit elektrischer Energie ist der Elektromotor üblicherweise an eine fahrzeuginterne (Hochvolt-)Batterie als elektrischen Energiespeicher angeschlossen.Motor vehicles driven or drivable by electric or electric motors, such as for example electric or hybrid vehicles, generally comprise an electric motor with which one or both vehicle axles can be driven. To supply electrical energy, the electric motor is usually connected to a (high-voltage) battery inside the vehicle as an electrical energy store.
Unter einer insbesondere elektrochemischen Batterie ist hier und im Folgenden insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen. Bei einer solchen (sekundären) Fahrzeugbatterie ist eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar. Derartige Fahrzeugbatterien sind beispielsweise als elektrochemische Akkumulatoren, insbesondere als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt. Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebsspannung weisen solche Fahrzeugbatterien typischerweise mindestens ein Batteriemodul auf, bei welchem mehrere einzelne Batteriezellen modular verschaltet sind.An electrochemical battery, in particular, is to be understood here and below as a so-called secondary battery (secondary battery) of the motor vehicle. In the case of such a (secondary) vehicle battery, the chemical energy used can be restored by means of an electrical (charging) process. Such vehicle batteries are designed, for example, as electrochemical accumulators, in particular as lithium-ion accumulators. In order to generate or provide a sufficiently high operating voltage, such vehicle batteries typically have at least one battery module in which several individual battery cells are connected in a modular manner.
Die Batteriezellen sind beispielsweise als elektrochemische (Dünn-)Schichtzellen ausgeführt. Die Dünnschichtzellen weisen einen geschichteten Aufbau mit einer Kathodenschicht (Kathode) und mit einer Anodenschicht (Anode) sowie mit einer dazwischen eingebrachten Separatorschicht (Separator) auf. Diese Bestandteile werden beispielsweise von einem flüssigen Elektrolyt (Flüssigelektrolyt) durchdrungen, welcher eine ionische Verbindung der Bestandteile beziehungsweise einen Ladungsausgleich erzeugt. Die Ionenleitung basiert hierbei auf Leitsalzen der Batteriezelle, welche in der Regel Lithium-Ionen sind.The battery cells are designed, for example, as electrochemical (thin) layer cells. The thin-film cells have a layered structure with a cathode layer (cathode) and with an anode layer (anode) and with a separator layer (separator) introduced in between. These components are penetrated by a liquid electrolyte (liquid electrolyte), for example, which creates an ionic compound of the components or a charge balance. The ionic conduction is based on conductive salts of the battery cell, which are usually lithium ions.
Die Lithium-Ionen sind während des Transports durch den Elektrolyten von einer sogenannten Solvationshülle umgeben, welche aus den organischen Molekülen des Elektrolyten und den Ionen des Leitsalzes aufgebaut ist. Die räumliche Dimension der Solvationshülle (Solvathülle) ist hierbei durch den Stokes-Radius charakterisierbar, welcher je nach verwendetem Lösemittel im Bereich zwischen etwa 0,2 nm bis 1 nm beträgt. Dies entspricht etwa einem Durchmesser zwischen 0,4 nm und 2 nm.During the transport through the electrolyte, the lithium ions are surrounded by a so-called solvation shell, which is made up of the organic molecules of the electrolyte and the ions of the conductive salt. The spatial dimension of the solvation shell (solvation shell) can be characterized by the Stokes radius, which, depending on the solvent used, is between approximately 0.2 nm and 1 nm. This corresponds approximately to a diameter between 0.4 nm and 2 nm.
Die Separatorschicht ist in der Regel eine aus Polymeren oder Keramiken aufgebaute poröse Membran. Mit anderen Worten ist das Schichtsystem des Separators mit einer Porenstruktur versehen. Die Separatorschicht trennt die Anode und die Kathode elektrisch voneinander, und verhindert somit einen Kurzschluss der Batteriezelle.The separator layer is usually a porous membrane composed of polymers or ceramics. In other words, the layer system of the separator is provided with a pore structure. The separator layer electrically separates the anode and the cathode from one another and thus prevents a short circuit in the battery cell.
Unter einer Porenstruktur ist hier und im Folgenden insbesondere eine räumliche Anordnung oder Verteilung einer Vielzahl von Poren in einem das Schichtsystem bildenden Schichtmaterial zu verstehen. Als Pore wird hierbei insbesondere eine lochartige Öffnung oder Aussparung oder Vertiefung, insbesondere eine Höhlung oder ein Hohlraum, in dem Schichtmaterial verstanden. Derartige Poren werden gemäß IUPAC nach deren (Poren-)Durchmesser unterschieden. Sogenannte makroskopische Poren (Makroporen) weisen durchschnittliche Porendurchmesser größer 50 nm (Nanometer) auf, wobei mesoskopische Poren (Mesoporen) durchschnittliche Porendurchmesser zwischen 2 nm und 50 nm aufweisen, und wobei mikroskopische Poren (Mikroporen) durchschnittliche Porendurchmesser kleiner 2 nm aufweisen. Entsprechend wird die Porosität des Schichtmaterials als makroporös, mesoporös, oder mikroporös bezeichnet.A pore structure is to be understood here and below in particular as a spatial arrangement or distribution of a multiplicity of pores in a layer material forming the layer system. In this context, a pore is understood to mean, in particular, a hole-like opening or recess or depression, in particular a cavity or a cavity, in the layer material. According to IUPAC, such pores are differentiated according to their (pore) diameter. So-called macroscopic pores (macropores) have average pore diameters greater than 50 nm (nanometers), mesoscopic pores (mesopores) having average pore diameters between 2 nm and 50 nm, and microscopic pores (micropores) having average pore diameters less than 2 nm. Correspondingly, the porosity of the layer material is referred to as macroporous, mesoporous, or microporous.
Die Porengröße und Porenverteilung des Separators beziehungsweise des Schichtsystems des Separators liegt hierbei typischerweise in einem Bereich, welcher einen einfachen Durchtritt von Lithium-Ionen in der Elektrolytlösung erlaubt. Üblicherweise werden makroporöse Separatoren mit einer durchschnittlichen Porengröße kleiner 1 µm (Mikrometer) verwendet.The pore size and pore distribution of the separator or of the layer system of the separator is typically in a range that allows lithium ions to easily pass through in the electrolyte solution. Macroporous separators with an average pore size of less than 1 µm (micrometer) are usually used.
Während des Betriebs von Lithium-Ionen-Zellen treten Zersetzungsreaktionen innerhalb der Batteriezelle auf, welche ausgasen, also ein gasförmiges Reaktions- oder Entstehungsprodukt erzeugen. Diese Gasentstehung oder Gasentwicklung tritt vermehrt während eines Ladevorgangs, insbesondere während eines ersten Ladeschritts, auf. Diese (Zell-)Gase sind abhängig von dem Elektrolytmaterial, wobei in der Regel im Wesentlichen Sauerstoff (O2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) gebildet werden. Derartige Zellgase sind typischerweise elektrisch neutral, also im Gegensatz zu den Ionen des Leitsalzes nicht elektrisch geladen, so dass Zellgase im Wesentlichen keine Solvationshülle im Elektrolyt aufweisen. Dadurch weisen diese Gase in der Regel vergleichsweise geringe Stokes-Radien auf.During the operation of lithium-ion cells, decomposition reactions occur within the battery cell, which outgas, i.e. generate a gaseous reaction or formation product. This generation or evolution of gas occurs increasingly during a charging process, in particular during a first charging step. These (cell) gases depend on the electrolyte material, with essentially oxygen (O 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ) being formed as a rule. Such cell gases are typically electrically neutral, that is to say, in contrast to the ions of the conductive salt, not electrically charged, so that cell gases essentially have no solvation shell in the electrolyte. As a result, these gases usually have comparatively small Stokes radii.
Die entstehenden Gase sammeln sich im Inneren der Batteriezelle an und bewirken eine Volumenzunahme oder Volumenexpansion der Batteriezelle und/oder weitere ungewünschte Nebenreaktionen.The resulting gases accumulate inside the battery cell and cause an increase in volume or volume expansion of the battery cell and / or other undesirable side reactions.
Batteriezellen sind in der Regel zum Schutz vor äußeren Einflüssen innerhalb eines Zellgehäuses angeordnet. Häufig sind mehrere Batteriezellen zu einem Zellstapel gestapelt und mittels eines Verspannungssystems gehalten und in einem gemeinsamen Zellgehäuse aufgenommen. Die gasbedingte Volumenzunahme der oder jeder Batteriezelle kann zu Beschädigungen (Risse) oder vollständigen Zerstörung der Batterie beziehungsweise des Zellgehäuses führen oder eine vorgesehene Berstmembran des Zellgehäuses öffnen.Battery cells are usually arranged within a cell housing to protect against external influences. Frequently, several battery cells are stacked to form a cell stack and held by means of a tensioning system and accommodated in a common cell housing. The gas-related increase in volume of the or each battery cell can lead to damage (cracks) or complete destruction of the battery or the cell housing, or can open a burst membrane provided in the cell housing.
Hierbei ist es beispielsweise möglich, den im Zellgehäuse vorhandenen Bauraum hinsichtlich einer solchen Volumenvergrößerten Batteriezelle auszulegen, wodurch der Bauraumbedarf der Batteriezelle erhöht und deren Energiedichte reduziert wird. Zusätzlich oder alternativ ist es beispielsweise ebenfalls möglich, ein zusätzliches Überdruckventil am Zellgehäuse vorzusehen, welches ein (Auf-)Platzen des Zellgehäuses verhindern soll. Derartige Überdruckventile verhindern zwar ein Platzen des Zellgehäuses, führen jedoch bei einem Auslösen dennoch zu einem Versagen der Batteriezelle.In this case it is possible, for example, to design the installation space available in the cell housing with regard to such a volume-enlarged battery cell, whereby the installation space requirement of the battery cell is increased and its energy density is reduced. Additionally or alternatively, it is also possible, for example, to provide an additional pressure relief valve on the cell housing, which is intended to prevent the cell housing from bursting open. Such overpressure valves prevent the cell housing from bursting, but still lead to failure of the battery cell when triggered.
Die Bildung der Zellgase kann typischerweise nicht verhindert werden. Es ist jedoch beispielsweise möglich, derartige Zellgase mittels eines Gasfängers zu binden, um so schädliche Einflüsse der Zellgase, wie beispielsweise einen Druckaufbau im Inneren der Batteriezelle, weitestgehend zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Unter einem „Gasfänger“ oder einem „Gasfängermaterial“ ist hier und im Folgenden insbesondere ein Material zu verstehen, welches auftretende Zellgase absorbiert und/oder adsorbiert, also physisch und/oder chemisch an sich bindet. Mit anderen Worten kann ein Gasfänger die auftretenden Zellgase absorbieren oder adsorbieren oder auch in einer Reaktion chemisch umsetzen und somit binden.The formation of cell gases typically cannot be prevented. However, it is possible, for example, to bind such cell gases by means of a gas trap in order to largely avoid or at least reduce harmful influences of the cell gases, such as a pressure build-up inside the battery cell. A “gas scavenger” or a “gas scavenger material” is to be understood here and in the following in particular as a material which absorbs and / or adsorbs occurring cell gases, that is to say binds physically and / or chemically to itself. In other words, a gas scavenger can absorb or adsorb the cell gases that occur or also convert them chemically in a reaction and thus bind them.
Aus der
In der
Nachteiligerweise erfordern derartige Gasfänger-Konzepte das Einbringen zusätzlicher Trägersysteme für die Gasfängermaterialien in die Batteriezelle beziehungsweise in das Zellgehäuse. Derartige Trägersysteme weisen einen zusätzlichen Bauraumbedarf in der Batteriezelle beziehungsweise in dem Zellgehäuse auf, wodurch der Bauraumbedarf der Batteriezelle selbst erhöht und deren Energiedichte nachteilig reduziert wird.Disadvantageously, such gas trap concepts require the introduction of additional carrier systems for the gas trap materials into the battery cell or into the cell housing. Such carrier systems require additional installation space in the battery cell or in the cell housing, as a result of which the installation space requirement of the battery cell itself is increased and its energy density is disadvantageously reduced.
Aus der
Die
Nachteiligerweise ist der eingebrachte Gasfänger - aufgrund der meso- oder markoskopischen Porengröße des Schichtsystems - sowohl für die Zellgase, als auch für die Leitsalze und den Elektrolyten zugänglich. Dadurch können Reaktions- oder Zerfallsprodukte der Gasfänger wieder in das Zellinnere, beispielsweise in den Elektrolyt, zurück gelangen, wodurch ungewünschte Nebenreaktionen bewirkt werden können.Disadvantageously, due to the mesoscopic or markoscopic pore size of the layer system, the introduced gas trap is accessible both to the cell gases and to the conductive salts and the electrolytes. As a result, reaction or decay products of the gas scavenger can get back into the cell interior, for example into the electrolyte, which can cause undesired side reactions.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems einer Batteriezelle anzugeben. Insbesondere soll bei einem solchen Schichtsystem ein Austreten von Reaktionsprodukte von Gasfängern in die Batteriezelle zuverlässig und einfach verhindert sein. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Schichtsystem und eine besonders geeignete Verwendung eines derartigen Schichtsystems sowie eine besonders geeignete Batteriezelle anzugeben.The invention is based on the object of specifying a particularly suitable method for producing a layer system of a battery cell. In particular, with such a layer system, escape of reaction products from gas traps into the battery cell should be reliably and simply prevented. The invention is also based on the object of specifying a particularly suitable layer system and a particularly suitable use of such a layer system as well as a particularly suitable battery cell.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Schichtsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie hinsichtlich der Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und hinsichtlich der Batteriezelle mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Schichtsystem und/oder die Verwendung und/oder die Batteriezelle übertragbar und umgekehrt. Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.With regard to the method, the object is achieved according to the invention with the features of claim 1 and with regard to the layer system with the features of claim 7 and with regard to the use with the features of claim 9 and with regard to the battery cell with the features of
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Herstellung eines Schichtsystems einer Batteriezelle geeignet und ausgestaltet. Hierbei wird ein poröses Schichtmaterial mit einer offenen Porenstruktur, also mit einer Vielzahl von Poren, erzeugt. Anschließend wird ein Gasfängermaterial zur Bindung von im Betrieb der Batteriezelle auftretenden Zellgasen in die Porenstruktur eingebracht. Verfahrensgemäß ist es vorgesehen, dass das Schichtmaterial derart behandelt wird, dass die Poren der Porenstruktur teilweise verschlossen werden. Die Poren werden also nicht vollständig verschlossen, sondern lediglich teilweise, dies bedeutet, dass eine jeweilige Porenöffnung verbleibt. Dadurch ist ein besonders geeignetes Herstellungsverfahren für ein Schichtsystem einer Batteriezelle realisiert.The method according to the invention is suitable and designed for producing a layer system of a battery cell. Here, a porous layer material with an open pore structure, that is to say with a large number of pores, is produced. Then a gas scavenger material is used to bind im Cell gases occurring during operation of the battery cell are introduced into the pore structure. According to the method, it is provided that the layer material is treated in such a way that the pores of the pore structure are partially closed. The pores are therefore not completely closed, but only partially, which means that a respective pore opening remains. A particularly suitable production method for a layer system of a battery cell is thereby implemented.
Die verbleibenden Porenöffnungen weisen hierbei vorzugsweise einen Durchmesser auf, welcher etwa gleich einer Mikro- oder Submikropore ist.The remaining pore openings here preferably have a diameter which is approximately equal to a micro- or sub-micropore.
Die bewirkten durchschnittlichen Porenöffnungen sind im Hinblick auf die Stokes-Radien vorzugsweise einerseits groß genug bemessen, damit die (ungeladenen) Zellgase, insbesondere Sauerstoff und/oder Kohlenstoffdioxid, in die Poren eindringen können. Andererseits sind die Porenöffnungen vorzugsweise klein genug dimensioniert, damit Leitsalze mit einer Solvationshülle, wie beispielsweise Lithium-Ionen, nicht in das Innere der Poren eindringen können, ohne deren Solvationshülle abzustreifen. Das Abstreifen der Solvationshülle ist für die Leitsalze energetisch ungünstig, so dass somit ein Eindringen der Leitsalze in die Poren verhindert ist. Insbesondere sind die Porenöffnungen klein genug dimensioniert, dass Reaktions- und/oder Zersetzungsprodukte des Gasfängermaterials nicht aus dem Poreninneren austreten. Dies bedeutet, dass das Gasfängermaterial die Zellgase in den teilweise verschlossenen Poren bindet, ohne dass Reaktions- und/oder Zerfallsprodukte in das Zellinnere gelangen können.The resulting average pore openings are preferably dimensioned large enough with regard to the Stokes radii on the one hand so that the (uncharged) cell gases, in particular oxygen and / or carbon dioxide, can penetrate into the pores. On the other hand, the pore openings are preferably dimensioned small enough so that conductive salts with a solvation shell, such as lithium ions, cannot penetrate the interior of the pores without stripping off their solvation shell. Stripping off the solvation shell is energetically unfavorable for the conductive salts, so that penetration of the conductive salts into the pores is prevented. In particular, the pore openings are dimensioned small enough that reaction and / or decomposition products of the gas scavenger material do not escape from the interior of the pores. This means that the gas trapping material binds the cell gases in the partially closed pores without reaction and / or decay products being able to get into the cell interior.
Erfindungsgemäß ist es somit vorgesehen, dass Porenöffnungen der Porenstruktur bewirkt werden, welche einerseits groß genug für das Eindringen von Zellgasen beziehungsweise Gasmolekülen dieser Zellgase in die Poren dimensioniert sind, und andererseits klein genug bemessen sind, dass Leitsalze der Batteriezelle und/oder Reaktions- und/oder Zerfallsprodukte des Gasfängermaterials nicht in die Poren hinein beziehungsweise hinaus strömen können. Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß eine genau definierte Größe der Porenöffnungen vorgesehen, welche spezifisch auf die in der Batteriezelle entstehenden Zellgase dimensioniert ist, so dass andere Zellbestandteile nicht ohne Weiteres in die Poren eindringen und Nebenprodukte aus der Pore nicht in die Zelle zurück gelangen können.According to the invention, it is thus provided that pore openings of the pore structure are created which on the one hand are dimensioned large enough for the penetration of cell gases or gas molecules of these cell gases into the pores, and on the other hand are dimensioned small enough that conductive salts of the battery cell and / or reaction and / or decomposition products of the gas trapping material cannot flow into or out of the pores. In other words, the invention provides a precisely defined size of the pore openings, which is specifically dimensioned for the cell gases produced in the battery cell, so that other cell components cannot easily penetrate the pores and by-products from the pore cannot get back into the cell.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird das Gasfängermaterial nicht einfach mit dem Schichtmaterial gemischt oder diesem untergemischt. Durch das Einbringen des Gasfängermaterials in die Porenstruktur sowie das anschließende teilweise verschließen der Poren verhindert im Wesentlichen einen direkten Kontakt des Gasfängermaterials und eines (flüssigen) Elektrolyten (Flüssigelektrolyt) der Batteriezelle. Durch die Reduzierung der Porenöffnungen sind die Poren und somit das Gasfängermaterial im Wesentlichen nicht zugänglich für den Elektrolyten. Erfindungsgemäß sind die Porenöffnungen hierbei im Hinblick auf die Gasmoleküle der auftretenden Zellgase dimensioniert, so dass lediglich diese Gasmoleküle in die Poren eindringen können. Dadurch ist das Gasfängermaterial nicht in einem direkten Kontakt mit dem Elektrolyten sondern lediglich mit den Zellgasen der Batteriezelle. Die Zersetzungs- und/oder Reaktionsprodukte passen hierbei geeigneterweise nicht durch die Porenöffnungen, und können somit nicht aus der Porenstruktur austreten.In contrast to the prior art, the gas trap material is not simply mixed with or mixed into the layer material. The introduction of the gas trap material into the pore structure and the subsequent partial closure of the pores essentially prevents direct contact between the gas trap material and a (liquid) electrolyte (liquid electrolyte) of the battery cell. As a result of the reduction in the pore openings, the pores and thus the gas trapping material are essentially inaccessible to the electrolyte. According to the invention, the pore openings are dimensioned with regard to the gas molecules of the cell gases occurring, so that only these gas molecules can penetrate into the pores. As a result, the gas trapping material is not in direct contact with the electrolyte but only with the cell gases of the battery cell. In this case, the decomposition and / or reaction products suitably do not fit through the pore openings and thus cannot escape from the pore structure.
Das Schichtsystem ist vorzugsweise eine Zellkomponente der Batteriezelle, also eine Elektroden- oder Separatorschicht. Dies bedeutet, dass die Zellkomponente selbst als Trägersystem für das Gasfängermaterial ausgebildet ist, so dass keine zusätzlichen Trägersysteme mit zusätzlichem Bauraumbedarf in der Batteriezelle oder einem Zellgehäuse notwendig sind.The layer system is preferably a cell component of the battery cell, that is to say an electrode or separator layer. This means that the cell component itself is designed as a carrier system for the gas trap material, so that no additional carrier systems with additional space requirements in the battery cell or a cell housing are necessary.
Als Schichtmaterial wird insbesondere ein Separatormaterial verwendet. Dies bedeutet, dass das Schichtsystem insbesondere als eine Separatorschicht oder als Separator der Batteriezelle ausgeführt ist.In particular, a separator material is used as the layer material. This means that the layer system is designed in particular as a separator layer or as a separator of the battery cell.
Im Falle einer Flüssig-Batteriezelle, also einer Batteriezelle mit einem Flüssigelektrolyten, ist das Schichtmaterial oder Separatormaterial, beispielsweise ein Polymer- oder Keramikmaterial. Bei einer Festkörper-Batteriezelle ist das Schichtmaterial beispielsweise das Material des Festkörperelektrolyten, welcher in Festkörper-Batteriezellen als Separator wirkt. Bei Festkörper-Batteriezellen sind insbesondere kathodenseitige thermische Ereignisse als Hauptursache für die Bildung von Sauerstoff als Zellgas verantwortlich, wobei zweckmäßigerweise insbesondere die kathodenseitige Porenstruktur mit einem Sauerstoff-Gasfängermaterial versehen ist.In the case of a liquid battery cell, that is to say a battery cell with a liquid electrolyte, the layer material or separator material is, for example, a polymer or ceramic material. In the case of a solid-state battery cell, the layer material is, for example, the material of the solid-state electrolyte, which acts as a separator in solid-state battery cells. In solid-state battery cells, thermal events on the cathode side in particular are responsible as the main cause for the formation of oxygen as cell gas, with the pore structure on the cathode side in particular being expediently provided with an oxygen gas scavenger material.
Die Porenöffnungen werden vorzugsweise derart reduziert, dass die Größe des Poreneingangs kleiner als der durch den Stokes-Radius bestimmte Durchmesser der Leitsalze im Elektrolyten der Batteriezelle sind. Da der Stokes-Radius lösungsmittelabhängig ist, sind die Porenöffnungen hierbei vorzugsweise lösungsmittelspezifisch dimensioniert. In einer besonders bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden die Porenöffnungen derart reduziert, dass die verbleibende durchschnittliche Porenöffnung kleiner als 0,5 nm ist. Mit anderen Worten weisen die Poren abschließend im Mittel eine Durchgangsöffnung mit einem Durchmesser kleiner als 0,5 nm auf. Dadurch ist ein besonders geeignetes Herstellungsverfahren für ein Schichtsystem einer Batteriezelle realisiert. Dadurch ist sichergestellt, dass lediglich Zellgase beziehungsweise Zellgasmoleküle durch die Porenöffnung gelangen können.The pore openings are preferably reduced in such a way that the size of the pore entrance is smaller than the diameter of the conductive salts in the electrolyte of the battery cell, which is determined by the Stokes radius. Since the Stokes radius is solvent-dependent, the pore openings are preferably dimensioned specifically for the solvent. In a particularly preferred embodiment of the method, the pore openings are reduced in such a way that the remaining average pore opening is smaller than 0.5 nm. In other words, the pores finally have, on average, a through opening with a diameter of less than 0.5 nm. A particularly suitable production method for a layer system of a battery cell is thereby implemented. This ensures that only Cell gases or cell gas molecules can pass through the pore opening.
Vorzugsweise weisen die Poren hierbei einen meso- oder makroskopischen Durchmesser auf, wobei lediglich der Poreneingang oder die Porenöffnung auf den Durchmesser einer Mikro- oder Submikropore reduziert wird.The pores here preferably have a meso- or macroscopic diameter, with only the pore entrance or the pore opening being reduced to the diameter of a micro- or sub-micropore.
Zur Erzeugung der insbesondere offenen Porenstruktur, also einer offenen Porosität des Schichtmaterials, ist es beispielsweise möglich, das Schichtmaterial chemisch zu ätzen oder mittels einer Elektrolyse zu behandeln. Unter einer offenen Porosität ist hierbei insbesondere eine Porenstruktur zu verstehen, bei welcher die Poren zumindest teilweise ineinander übergehend oder münden. Die erzeugten, vorzugsweise meso- oder markoskopischen, Poren werden anschließend mit dem Gasfängermaterial versehen. Anschließend werden die Poren teilweise verschlossen.In order to produce the particularly open pore structure, that is to say an open porosity of the layer material, it is possible, for example, to chemically etch the layer material or to treat it by means of electrolysis. An open porosity is to be understood here in particular as a pore structure in which the pores at least partially merge or open into one another. The generated, preferably mesoscopic or markoscopic, pores are then provided with the gas trapping material. The pores are then partially closed.
Zum Verschließen der Poren ist es in einer vorteilhaften Ausführung vorgesehen, dass das Schichtmaterial thermisch behandelt wird. Dadurch ist eine besonders einfache und zuverlässige Reduzierung der Porenöffnung auf vorzugsweise weniger als 0,5 nm möglich.To close the pores, it is provided in an advantageous embodiment that the layer material is thermally treated. A particularly simple and reliable reduction of the pore opening to preferably less than 0.5 nm is thereby possible.
Die (Behandlungs-)Temperatur der thermische Behandlung ist hierbei im Wesentlichen abhängig von dem verwendeten Schichtmaterial. Bei einem Polyethylen- (PE) oder anderen Polymermaterialien ist beispielsweise eine thermische Behandlung von etwa 100°C bis 150°C ausreichend, um Schrumpfungserscheinungen der Porenöffnungen zu bewirken, und die Porosität des Schichtmaterials zu reduzieren. Im Falle eines keramischen Schichtmaterials oder eines Festkörperelektrolytmaterials ist es notwendig, dass die Temperatur der thermische Behandlung im Sinterbereich der Materialien oder Keramiken liegt, beispielsweise zwischen 700°C bis 1200°C.The (treatment) temperature of the thermal treatment is essentially dependent on the layer material used. In the case of a polyethylene (PE) or other polymer material, for example, a thermal treatment of about 100 ° C. to 150 ° C. is sufficient to cause shrinkage phenomena in the pore openings and to reduce the porosity of the layer material. In the case of a ceramic layer material or a solid electrolyte material, it is necessary that the temperature of the thermal treatment is in the sintering range of the materials or ceramics, for example between 700 ° C and 1200 ° C.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird eine hierarchische Porenstruktur des Schichtmaterials erzeugt. Unter einer hierarchischen Porenstruktur wird hierbei insbesondere eine Porenstruktur verstanden, welche eine Vielzahl erster Poren mit einem vergleichsweise großen Porendurchmesser, und eine Vielzahl zweiter Poren mit einem vergleichsweise geringen Porendurchmesser aufweist, wobei die zweiten Poren insbesondere an einer Wand oder an einem Umfang der ersten Poren angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die erzeugte offene Porenstruktur des Schichtmaterials im Wesentlichen ein System von ineinander mündenden Poren bildet, wobei kleinere Poren insbesondere am Außenumfang größerer Poren in diese (ein)münden. Die kleineren, zweiten Poren erhöhen somit die innere Oberfläche der Porenstruktur beziehungsweise des Schichtmaterials.In a preferred embodiment of the method, a hierarchical pore structure of the layer material is generated. A hierarchical pore structure is understood here to mean in particular a pore structure which has a plurality of first pores with a comparatively large pore diameter and a plurality of second pores with a comparatively small pore diameter, the second pores being arranged in particular on a wall or on a circumference of the first pores are. This means that the generated open pore structure of the layer material essentially forms a system of pores opening into one another, with smaller pores opening into these, in particular on the outer circumference of larger pores. The smaller, second pores thus increase the inner surface of the pore structure or of the layer material.
Die größeren ersten Poren sind beispielsweise als Makro- oder Mesoporen ausgeführt, wobei die hierarchisch in diese einmündenden zweiten Poren insbesondere als Meso- oder Mikroporen ausgebildet sind. Das Gasfängermaterial wird hierbei insbesondere in die zweiten Poren eingebracht, wobei anschließend die Porenöffnung der zweiten Poren in die größeren ersten Poren auf einen durchschnittlichen Durchmesser kleiner 0,5 nm reduziert wird. Dadurch ist eine besonders geeignete Porenstruktur des Schichtmaterials realisiert. Die größeren (ersten) Poren stellen hierbei einen möglichst ungehinderten Elektrolyttransport der Leitsalze sicher, wobei die (zweiten) kleineren Poren an den Rändern der größeren Poren das Gasfängermaterial aufweisen, und die dadurch vergrößerte Porenoberfläche Zellgase besonders zuverlässig und sicher binden.The larger first pores are designed, for example, as macro or mesopores, the second pores opening hierarchically into them being designed in particular as mesopores or micropores. The gas trapping material is introduced into the second pores in particular, the pore opening of the second pores then being reduced to an average diameter of less than 0.5 nm in the larger first pores. This results in a particularly suitable pore structure of the layer material. The larger (first) pores ensure that the electrolyte transport of the conductive salts is as unimpeded as possible, with the (second) smaller pores having the gas trapping material at the edges of the larger pores, and the resulting increased pore surface binding cell gases particularly reliably and safely.
Das Gasfängermaterial ist beispielsweise für das Einfangen oder Binden von Kohlenstoffdioxid geeignet und ausgebildet. Als Gasfängermaterial für einen solchen Kohlendioxidfänger sind beispielsweise Kalk, aminomodifizierte Zeolite, Li-Silica-Monoethanolamin (MEA), Diethanolamin (DEA), Triethanolamin (TEA), N-Methyldiethanolamin (MDEA), 2-(2-Amino-Ethody)Ethanol (DGA), 2-Amino-2-Methyl-Propanol (AMP), Epoxyverbindungen und Aminverbindungen verwendbar.The gas trapping material is suitable and designed, for example, for trapping or binding carbon dioxide. As gas scavenger material for such a carbon dioxide scavenger, for example, lime, amino-modified zeolites, Li-silica monoethanolamine (MEA), diethanolamine (DEA), triethanolamine (TEA), N-methyldiethanolamine (MDEA), 2- (2-amino-ethody) ethanol ( DGA), 2-amino-2-methyl-propanol (AMP), epoxy compounds and amine compounds can be used.
Das Gasfängermaterial kann alternativ beispielsweise für das Einfangen oder Binden von Sauerstoff geeignet und ausgebildet sein. Als Gasfängermaterial für einen solchen Sauerstofffänger sind zum Beispiel Ascorbinsäure, Iso-Ascorbinsäure, Gallussäure sowie deren Salze, Tocopherol, Hydrochinone, Catechole, Di-Butyl-Hydroxitoloul, Die-Buthyl-Hydroxianisol, Pyrogallol, Sorbose, Glucose, Lignin, eisenbasierte Materialien, Hämoglobin, Thiosulphate, redoxaktive Harze oder die Gruppe der Zeolite möglich.The gas scavenger material can alternatively be suitable and designed, for example, for trapping or binding oxygen. As gas scavenger material for such an oxygen scavenger, for example, ascorbic acid, iso-ascorbic acid, gallic acid and their salts, tocopherol, hydroquinones, catechols, di-butyl-hydroxitoloul, die-butyl-hydroxianisole, pyrogallol, sorbose, glucose, lignin, iron-based materials, hemoglobin , Thiosulphates, redox-active resins or the group of zeolites are possible.
In einer besonders vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens wird ein Phosphan als Gasfängermaterial, insbesondere als Sauerstofffänger, verwendet. Phosphane werden typischerweise nicht in Batteriezellen zur Bindung von Sauerstoff eingesetzt, da die entstehenden Reaktionsprodukte viskose Öle sind. Durch den erfindungsgemäß kleinen Poreneingang beziehungsweise aufgrund der kleiner 0,5 nm bemessenen Porenöffnungen, werden solche entstehenden Öle jedoch zuverlässig innerhalb der Poren gehalten. Dadurch ist es möglich, ein Phosphan beziehungsweise eine Phosphanverbindung als Gasfänger- beziehungsweise Sauerstofffängermaterial zu verwenden. Dadurch werden neue Freiheiten bei der Herstellung von Schichtsystemen mit integrierten Gasfängermaterialien realisiert, wodurch ein besonders flexibles Verfahren ermöglicht ist.In a particularly advantageous embodiment of the method, a phosphine is used as a gas scavenger material, in particular as an oxygen scavenger. Phosphines are typically not used in battery cells to bind oxygen because the resulting reaction products are viscous oils. Due to the small pore entrance according to the invention or due to the pore openings of less than 0.5 nm, however, such oils that arise are reliably held within the pores. This makes it possible to use a phosphine or a phosphine compound as a gas scavenger or oxygen scavenger material. This creates new freedoms in the production of layer systems integrated gas trap materials realized, which enables a particularly flexible process.
In einer denkbaren Ausführung werden mit dem Gasfängermaterial versetzte Aktivkohlepartikel in die Porenstruktur eingebracht. Mit anderen Worten wird das Gasfängermaterial mittelbar in die Porenstruktur eingebracht. Dies bedeutet, dass die Aktivkohlepartikel beispielsweise mit dem Gasfängermaterial getränkt werden, und anschließend in die Porenstruktur oder das Porengerüst des Schichtmaterials eingebracht werden. Aktivkohle weist eine Porosität im meso- oder mikroskopischen Bereich auf. Geeigneterweise werden hierbei die Poren der Aktivkohlepartikel teilweise verschlossen, so dass die verbleibende durchschnittliche Porenöffnung kleiner als 0,5 nm ist. Die Poren der Porenstruktur des Schichtmaterials wird vorzugsweise lediglich soweit teilweise verschlossen, dass die Aktivkohlepartikel nicht aus der offenen Porenstruktur des Schichtmaterials gleiten oder austreten können. Geeigneterweise bilden die Aktivkohlepartikel innerhalb des Schichtmaterials kein perkolierendes Netzwerk, so dass die elektrisch isolierenden Eigenschaften des Schichtmaterials nicht negativ beeinflusst werden.In a conceivable embodiment, activated carbon particles mixed with the gas scavenger material are introduced into the pore structure. In other words, the gas scavenger material is introduced indirectly into the pore structure. This means that the activated carbon particles are impregnated with the gas-trapping material, for example, and then introduced into the pore structure or the pore structure of the layer material. Activated carbon has a porosity in the meso or microscopic range. The pores of the activated carbon particles are suitably partially closed, so that the remaining average pore opening is less than 0.5 nm. The pores of the pore structure of the layer material are preferably only partially closed to such an extent that the activated carbon particles cannot slide or escape from the open pore structure of the layer material. The activated carbon particles suitably do not form a percolating network within the layer material, so that the electrically insulating properties of the layer material are not adversely affected.
Das erfindungsgemäße Schichtsystem ist für eine Batteriezelle geeignet und eingerichtet. Das Schichtsystem ist insbesondere als Separatorschicht zwischen einer Kathode und einer Anode der Batteriezelle angeordnet und weist ein poröses Schichtmaterial mit einer Porenstruktur, und mindestens einem in die Porenstruktur eingebrachten oder integrierten Gasfängermaterial auf. Die durchschnittlichen Porenöffnungen der Poren der Porenstruktur sind hierbei kleiner als 0,5 nm. Dadurch ist ein besonders geeignetes Schichtsystem einer Batteriezelle realisiert. Der Durchmesser der Porenöffnungen ist hierbei im Hinblick auf die Gasmoleküle der auftretenden Zellgase dimensioniert, so dass lediglich diese Gasmoleküle durch die Porenöffnungen hindurch dringen können. Das Schichtsystem ist insbesondere mittels eines vorstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt.The layer system according to the invention is suitable and set up for a battery cell. The layer system is arranged in particular as a separator layer between a cathode and an anode of the battery cell and has a porous layer material with a pore structure and at least one gas scavenger material introduced or integrated into the pore structure. The average pore openings of the pores of the pore structure are here smaller than 0.5 nm. This results in a particularly suitable layer system of a battery cell. The diameter of the pore openings is dimensioned with regard to the gas molecules of the occurring cell gases, so that only these gas molecules can penetrate through the pore openings. The layer system is produced in particular by means of a method described above.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, vorzugsweise mit einem Flüssigelektrolyten.In an expedient embodiment, the battery cell is a lithium-ion battery cell, preferably with a liquid electrolyte.
In einer bevorzugten Verwendung wird das vorstehend beschriebene Schichtsystem als ein Separator in einer Batteriezelle verwendet. Dadurch ist eine besonders bauraumkompakte und leistungsverbesserte Batteriezelle ermöglicht. Insbesondere sind bei einer solchen Batteriezelle keine zusätzlichen Trägerstrukturen oder funktionale Strukturen des Zellgehäuses, wie beispielsweise ein Überdruckventil, notwendig.In a preferred use, the layer system described above is used as a separator in a battery cell. This enables a battery cell with a particularly compact installation space and improved performance. In particular, no additional support structures or functional structures of the cell housing, such as an overpressure valve, are necessary in such a battery cell.
Eine erfindungsgemäße Batteriezelle weist eine Kathode und eine Anode sowie ein dazwischen angeordnetes, vorstehend beschriebenes, Schichtsystem als Separator auf. Die erfindungsgemäße Batteriezelle ist besonders bauraumkompakt und weist bei einer gegebenen Baugröße eine besonders hohe Energiedichte auf. Die Batteriezelle ist vorzugsweise Teil einer Fahrzeugbatterie eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Dadurch ist eine besonders bauraumkompakte und leistungsverbesserte Fahrzeugbatterie realisiert. Dies bedingt eine Reduzierung des Einbaugewichts der Fahrzeugbatterie, was sich vorteilhaft auf die Reichweite des Kraftfahrzeugs überträgt.A battery cell according to the invention has a cathode and an anode and an above-described layer system arranged between them as a separator. The battery cell according to the invention is particularly compact in terms of installation space and has a particularly high energy density for a given size. The battery cell is preferably part of a vehicle battery of an electrically powered or drivable motor vehicle, in particular an electric or hybrid vehicle. As a result, a vehicle battery with a particularly compact installation space and improved performance is implemented. This necessitates a reduction in the installation weight of the vehicle battery, which is advantageously carried over to the range of the motor vehicle.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
-
1 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens eines Schichtsystems, -
2 eine Batteriezelle mit einem als Separator ausgeführten Schichtsystem, -
3 ausschnittsweise das Schichtsystem mit einer Porenstruktur in einer ersten Ausführungsform, -
4 ausschnittsweise eine hierarchische Pore der Porenstruktur gem.3 , -
5 ausschnittsweise das Schichtsystem mit einer Porenstruktur in einer zweiten Ausführungsform mit einer Vielzahl von Aktivkohlepartikeln, und -
6 ausschnittsweise eine Pore eines Aktivkohlepartikels gem.5 .
-
1 a flow diagram of a production method according to the invention of a layer system, -
2 a battery cell with a layer system designed as a separator, -
3 a section of the layer system with a pore structure in a first embodiment, -
4th a hierarchical pore of the pore structure according to FIG.3 , -
5 a section of the layer system with a pore structure in a second embodiment with a large number of activated carbon particles, and -
6th section of a pore of an activated carbon particle according to.5 .
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference symbols in all figures.
Die
Zur Herstellung des Schichtsystems
In dem in der
Die Poren
In einem zweiten Verfahrensschritt
In einem dritten Verfahrensschritt
Nachfolgend ist anhand der
In dieser Ausführungsform weist die Porenstruktur
Die porösen Aktivkohlepartikel
In dem Verfahrensschritt
Erfindungsgemäß werden durch das Verfahren Porenöffnungen
Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.The claimed invention is not restricted to the exemplary embodiments described above. Rather, other variants of the invention can also be derived therefrom by the person skilled in the art within the scope of the disclosed claims without departing from the subject matter of the claimed invention. In particular, all the individual features described in connection with the various exemplary embodiments can also be combined in other ways within the scope of the disclosed claims without departing from the subject matter of the claimed invention.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 22
- SchichtsystemShift system
- 44th
- BatteriezelleBattery cell
- 66
- Kathodecathode
- 88th
- Anodeanode
- 1010
- AbleiterArrester
- 1212
- VerfahrensschrittProcess step
- 1414th
- SchichtmaterialLayer material
- 16, 16'16, 16 '
- PorenstrukturPore structure
- 1818th
- Porepore
- 20, 20'20, 20 '
- Porepore
- 2222nd
- VerfahrensschrittProcess step
- 2424
- GasfängermaterialGas trap material
- 2626th
- VerfahrensschrittProcess step
- 28, 28'28, 28 '
- PorenöffnungPore opening
- 3030th
- AktivkohlepartikelActivated carbon particles
- 32, 3432, 34
- VerfahrensschrittProcess step
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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