DE102020004787A1

DE102020004787A1 - Bipolarbatterie mit Dichtungssystem

Info

Publication number: DE102020004787A1
Application number: DE102020004787.4A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-07-16
Filing date: 2020-07-16
Publication date: 2022-01-20

Abstract

Die Erfindung betriff Bipolarbatteriezellen, bei denen sich zwischen den Bipolarelektroden eine Siegelrandanordnung befindet, in die jeweils die Separatoren eingelassen sind, sodass ein elektrischer Kurzschluss zwischen den Bipolarelektroden verhindert wird und eine hermetische Abdichtung der Bipolarbatteriezellen gegen die Umgebung erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Siegelrandanordnung für Lithium-Ionen-Bipolarbatteriezellen-Stapel mit einer wiederkehrenden Abfolge flächiger Elemente, nämlich Bipolarelektroden, einem ersten Aktivmaterial, Separatoren und einem zweiten Aktivmaterial.
Bipolarbatteriezellen-Stapel, welche verkürzt auch als Bipolarbatterien bezeichnet werden können, sind nach einem Bipolar-Prinzip aufgebaut, welches aus dem Bereich der Brennstoffzelle bekannt ist. Bei der Bipolarelektrode handelt es sich um eine elektrisch leitfähige Folie, die mit Aktivmaterial beidseitig beschichtet ist. Dem Aktivmaterial wird auf einer Seite der Bipolarelektrode die Eigenschaft einer negativen Elektrode und auf der anderen Seite der Bipolarelektrode die Eigenschaft einer positiven Elektrode durch entsprechende Materialauswahl aufgeprägt. Eine Bipolarbatteriezelle entsteht dadurch, dass zwei Bipolarelektroden bezüglich der Aktivmaterialien gegengleich zueinander angeordnet werden, d.h. dass die negative Elektrode der einen Bipolarelektroden zu der positiven Elektrode der anderen Bipolarelektrode flächig angeordnet wird und zwar mit einem Separator als Zwischenlage. Zwischen benachbarten Bipolarelektroden ist an deren Außenrändern eine Abdichtung erforderlich, damit die Batteriezelle, die durch zwei jeweilige Hälften der Bipolarelektroden gebildet wird, mit einer Elektrolytfüllung versehen und diese Elektrolytfüllung innerhalb jeder Batteriezelle gehalten werden kann.
Die Bipolarbatteriezellen sind großflächig, plattenförmig übereinandergestapelt, wobei zweckmäßigerweise von einem vertikalen Übereinanderstapeln ausgegangen wird, was aber keine zwingende Stapelrichtung darstellt. In einer Bipolarbatterie sind in der Regel mehrere Bipolarelektroden übereinander angeordnet, sodass sich eine gewünschte Anzahl von Bipolarbatteriezellen einstellt. Die Bipolarbatteriezellen sind nicht einzeln mit einem Gehäuse umschlossen, wodurch sich die Energiedichte der Bipolarbatterie erhöht.
Es fließt durch die unmittelbare Verbindung der einzelnen Batteriezellen miteinander, der Strom über die gesamte Fläche jeder Batteriezelle, was den elektrischen Widerstand erheblich senkt und den Wirkungsgrad steigert. Die Batteriezellen können die in ihr gespeicherte Energie schnell abgeben und in einem Ladezyklus auch wieder schnell aufnehmen.
Das Abdichten der Bipolarbatteriezellen gegen die Umgebung wird auf dem Stand der Technik als bekanntes Problem beschrieben. Dreierlei Funktionen muss die zum Abdichten eingesetzte Siegelrandanordnung erfüllen:

- Verhindern des Austretens von Elektrolyt aus der Bipolarbatteriezelle in die Umgebung,
- Verhindern des Eintretens von Wasser oder Wasserdampf aus der Umgebung in die Bipolarbatteriezelle,
- Verhindern eines elektrischen Kurzschlusses zwischen jeweils zwei benachbarten Bipolarelektroden.

Zum Erfüllen der erstgenannten und zweitgenannten Funktion sind Anordnungen und Verfahren zur Herstellung dieser aus der einschlägigen Literatur bekannt. Unter anderem bekannt sind Siegelrandanordnungen auf einem Randbereich der flächigen Bipolarelektroden, die als ebenfalls flächige Körper oder aufgebrachte Filme ausgebildet sind, durch die mittels eingelegter Kapillare der Elektrolyt in die Bipolarbatteriezellen eingebracht wird, beispielsweise aus US6174337B1 . Weiterhin ist beispielsweise aus US020120171567A1 bekannt, die Siegelrandanordnung aus einer ersten und einer zweiten Schicht zu erzeugen, die jeweils aus ungehärtetem, thermoplastischem Kunststoff bestehen und die stoffschlüssig mit den jeweiligen Bipolarelektroden und miteinander gefügt sind. Ferner ist aus dem Stand der Technik, beispielsweise DE102018204522A1 bekannt, die Siegelrandanordnung ganz oder teilweise aus einem UV-härtenden Klebstoff auszubilden, der erst in Teilbereichen ausgehärtet ist und nach dem Entfernen einer Kapillare vollständig gehärtet ist.
Überdies ist aus DE102018201693A1 eine Siegelrandanordnung zum Abdichten von Bipolarbatteriezellen bekannt, die aus einer oder mehreren Schichten besteht, wobei der Separator, der sich körperlich zwischen jeweils zwei benachbarten Bipolarelektroden befindet, zwischen die Schichten der Siegelrandanordnung eingelassen ist. Keines der aus dem Stand der Technik hervorgehenden Verfahren und Anordnungen verhindert explizit den elektrischen Kurzschluss zwischen benachbarten Bipolarelektroden.
Ausgehend vom Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Bipolarbatteriezellen vorzuschlagen, deren Siegelrandanordnung die vorgenannten Funktionen vollständig erfüllt.
Die Aufgabe wird gelöst mit Bipolarbatteriezellen, bestehend aus mindestens zwei Bipolarelektroden, einem oder mehreren Separatoren und einer oder mehrerer im Randbereich der Bipolarelektroden angeordneten Siegelrandanordnungen, die derart gestaltet sind, dass der Separator in seiner äußeren Kontur in Länge und Breite größer ist als die Bipolarelektroden und so zwischen jeweils benachbarte Bipolarelektroden angeordnet ist, wodurch ein Kurzschluss zwischen den Bipolarelektroden verhindert. Ferner sind die Bipolarbatteriezellen derart gestaltet, dass der Separator umlaufend an der vollständigen Kontur über die Kanten der jeweils anliegenden Bipolarelektroden übersteht und die Siegelrandanordnung in der Art zwischen den Bipolarelektroden und dem Separator angeordnet ist, dass die Siegelrandanordnung sowohl zwischen benachbarten Bipolarelektroden als auch über die äußere Kontur der Bipolarelektroden und über die äußere Kontur des Separators hinausstehend ausgebildet ist. Auf diese Weise kommt es zum Berühren der Siegelrandanordnungen von jeweils benachbarten Bipolarbatteriezellen außerhalb der Kontur des Separators, sodass ein vollständiges Abdichten zur Umgebung erfolgt
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, die Siegelrandanordnung aus zwei Klebespuren bestehend auszuführen. Die erste Klebespur ist dabei umlaufend zwischen dem Randbereich einer ersten Bipolarelektrode und dem Separator angeordnet. Die zweite Klebespur ist dabei umlaufend zwischen dem Randbereich einer zweiten Bipolarelektrode und dem Separator angeordnet. Die erste Klebespur und die zweite Klebespur bilden jeweils geschlossene Konturen und die erste Klebespur und zweite Klebespur sind um eine gemeinsame Mitte angeordnet. Die Kontur der ersten Klebespur und der zweiten Klebespur ist dabei ungleich gestaltet, sodass sich eine innere und äußere Kleberspur ergibt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, zur Herstellung der Anordnung von mindestens zwei Bipolarelektroden, einem Separator und einer oder mehrerer Siegelrandanordnungen während des Aufstapelns einer Bipolarbatteriezelle eine erste Klebespur auf den Randbereich einer ersten Bipolarelektrode umlaufend aufzutragen und anschließend den Separator auf die Bipolarelektrode zu positionieren, sodass die Kontur des Separators an allen Seiten über die Kontur der ersten Bipolarelektrode hinaussteht und anschließend auf den Separator eine zweite Klebespur umlaufend aufzutragen und anschließend eine zweite Bipolarelektrode auf dem Separator zu positionieren, sodass die Kontur des Separators an allen Seiten über die Kontur der ersten Bipolarelektrode hinaussteht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, die Siegelrandanordnung aus einem oder mehreren Klebemitteln auf Basis eines Acrylats oder auf Basis eines Epoxids oder auf Basis eines Butylkautschuks auszuführen, mit den Eigenschaften einer Vergussmasse oder eines Ein-Komponenten-Klebers oder eines Zwei-Komponenten-Kleber, jeweils mit thermisch vernetzendem oder UV-vernetzendem oder thermoelastischen Verhalten auszuführen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, den Separator in der Siegelrandanordnung mit dem Klebemittel teilweise oder vollständig zu benetzen oder den Separator mit dem Klebemittel vollständig zu imprägnieren. Der Separator wird dafür als keramischen Vlies oder als mit keramischen Partikeln beschichtetes Kunststoffvlies oder als mit keramischen Partikeln beschichtete Kunststofffolie ausgebildet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Bipolarbatteriezellen in der Richtung, in er die Bipolarelektroden gestapelt sind, verpresst oder geheizt oder verpresst und geheizt, um das Klebemittel der Siegelrandanordnung zwischen den Bipolarelektroden teilweise in lateraler Richtung herauszudrücken.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, zwischen die erste Bipolarelektrode und den Separator an einer Stelle des Randes eine Kapillare in die erste Klebespur einzulegen oder eine Kapillare zwischen den Separator und eine zweite Bipolarelektrode in die zweite Klebespur einzulegen.
Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen anhand der beigefügten Figuren erläutert. Die Figuren illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung.

1 zeigt den Aufbau mehrerer übereinander gestapelter Bipolarbatteriezellen. Die Bipolarbatteriezellen bilden sich aus der gegengleichen Anordnung der Bipolarelektroden 100₁, 100₂, ... zueinander. Beispielhaft sind in 1 zwei Bipolarbatteriezellen dargestellt, die aus der Anordnung von drei Bipolarelektroden hervorgehen. Die Bipolarelektroden 100₁, 100₂, ... setzen sich aus einer geschichteten Anordnung jeweils aus einer elektrisch leitfähigen Folie 20₁, 20₂, ... sowie einer Beschichtung mit der Eigenschaft einer negativen Elektrode 30₁, 30₂, ... und einer Beschichtung mit der Eigenschaft einer positiven Elektrode 10₁, 10₂, ... zusammen. Die elektrisch leitfähigen Folien 20₁, 20₂, ... sind in der Ausdehnungsrichtung der Schicht größer als die jeweiligen Beschichtungen mit der Eigenschaft einer negativen Elektrode 30₁, 30₂, ... und Beschichtungen mit der Eigenschaft einer positiven Elektrode 10₁, 10₂, ..., sodass nicht beschichtete Randbereiche 25₁, 25₂, ... umlaufend an der gesamten äußeren Kontur der elektrisch leitfähigen Folien 20₁, 20₂, ... verbleiben. Auf diesen nicht beschichteten Randbereichen 25₁, 25₂, ... der elektrisch leitfähigen Folien 20₁, 20₂, ... befinden sich die Siegelrandanordnung 50₁, 50₂, ... , die eine Abdichtung der Bipolarbatteriezellen gegenüber der Umgebung ausbilden, indem die die Siegelrandanordnungen 50₁, 50₂, ... adhäsive oder stoffschlüssige Verbindungen mit den Oberflächen der elektrisch leitfähigen Folien 20₁, 20₂, ... in deren nicht beschichteten Randbereichen 25₁, 25₂, ... eingehen. Zwischen jeweils übereinenderliegenden Bipolarelektroden 100₁, 100₂, ... sind Separatoren 70₁, 70₂, ... flächig angeordnet, die einen elektrischen Kurzschluss zwischen jeweils benachbarten Bipolarelektroden 100₁, 100₂, ... verhindern. Erfindungsgemäß ist die Erstreckung der Separatoren 70₁, 70₂, ... in deren Ausdehnungsrichtung wiederum größer als die Erstreckung der elektrisch leitfähigen Folien 20₁, 20₂, ... der Bipolarelektroden 100₁, 100₂, ... Auf diese Weise erstecken sich die Separatoren 70₁, 70₂, ... umlaufend an deren Außenkante in die Siegelrandanordnungen 50₁, 50₂, ... hinein. Die Siegelrandanordnungen 50₁, 50₂, ... schließen auf diese Weise die Außenkanten der Separatoren 70₁, 70₂, ... ein, sodass die Separatoren 70₁, 70₂, ... nicht mit der Luft der Umgebung der Bipolarbatterie in Austausch kommen.
2 a) bis c) zeigen Zwischenprodukte bei der Herstellung und den Aufbau der Siegelrandanordnungen 50₁, 50₂, ... zwischen zwei benachbarten, gegengleich angeordneten Bipolarelektroden 100₁, 100₂, ... , die ihrerseits aus einer geschichteten Anordnung bestehend aus elektrisch leitfähigen Folien 20, 20, ... sowie Beschichtungen mit der Eigenschaft einer negativen Elektrode 30₁, 30₂, ... und Beschichtungen mit der Eigenschaft einer positiven Elektrode 10₁, 10₂, ... gebildet werden.
2 a) zeigt eine Bipolarelektrode 100₁ mit einer umlaufenden ersten Klebespur 40₁, appliziert auf einer Seite des nicht beschichteten Randbereichs 25₁ der elektrisch leitfähigen Folie 20₁.
2 b) zeigt eine Bipolarelektrode 100₁ mit einer umlaufenden ersten Klebespur 40₁, appliziert auf einer Seite des nicht beschichteten Randbereichs 25₁ der elektrisch leitfähigen Folie 20₁. Auf diese Bipolarelektrode 100₁ wird im Herstellprozess zunächst ein Separator 70₁ aufgelegt, auf den umlaufend an dessen Rand eine zweite Klebespur 45₁ appliziert ist.
2 c) zeigt den Zustand zweier Bipolarelektroden 100₁, 100₂, die durch entstehende Abfolge der Beschichtungen eine Bipolarbatteriezelle ausbilden. Zwischen den Bipolarelektroden ist in den nicht beschichteten Randbereichen 25₁, 25₂ der elektrisch leitfähigen Folien 20₁, 20₂ die Siegelrandanordnung durch Zusammenpressen der ersten Klebespur 40₁, des Separators 70₁ sowie der zweiten Klebespur 45₂ entstanden. Das Material, aus der die ersten Klebespuren 40₁, 40₂, ... und / oder die zweiten Klebespuren 45₁, 45₁, ... ausgebildet sind, benetzt oder durchdringt den Separator in dessen Randbereich.

Bezugszeichenliste

101, 102,: Beschichtung mit der Eigenschaft einer positiven Elektrode
201, 202,: elektrisch leitfähige Folie
251, 252,: nicht beschichteter Randbereich
301, 302,: Beschichtung mit der Eigenschaft einer negativen Elektrode
401, 402,: erste Klebespur
451, 452,: zweite Klebespur
501, 502,: Siegelrandanordnung
701, 702,: Separator
1001, 1002,: Bipolarelektrode

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 6174337 B1 [0006]
US 020120171567 A1 [0006]
DE 102018204522 A1 [0006]
DE 102018201693 A1 [0007]

Claims

Bipolarbatteriezellen, bestehend aus einer geschichteten, wiederkehrenden Abfolge von abwechselnd aufgestapelten Separatoren (70₁, 70₂, ...) und Bipolarelektroden (100₁, 100₂, ...), wobei die die Bipolarelektroden wiederum aus einer geschichteten Abfolge von elektrisch leitfähigen Folien (30₁, 30₂, ...), einer Beschichtung mit der Eigenschaft einer positiven Elektrode (10₁, 10₂, ...) und einer Beschichtung mit der Eigenschaft einer negativen Elektrode (30₁, 30₂, ...) bestehen und sich zwischen jeweils benachbarten Bipolarelektroden (100₁, 100₂, ...) im unbeschichteten Randbereich (25₁, 25₂, ...) der elektrisch leitfähigen Folien (20₁, 20₂, ...) eine in der Ausdehnungsebene angeordnete Siegelrandanordnung (50₁, 50₂, ...) zum Abdichten befindet, wobei - sich der Separator (70₁, 70₂, ...) in der Ausdehnungsrichtung der Schichten über den Rand der anliegenden Bipolarelektroden (100₁, 100₂, ...) hinaus erstreckt, - der Separator (70₁, 70₂, ...) in die Siegelrandanordnung (50₁, 50₂, ...) eingelassen ist und - die Siegelrandanordnung (50₁, 50₂, ...) die Außenkanten des Separators (70₁, 70₁, ...) umschließt.
Bipolarbatteriezellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zur Ausbildung der Siegelrandanordnung (50₁, 50₂, ...) eine erste Klebespur (40₁, 40₂, ...) zwischen dem nicht beschichteten Randbereich (25, 25, ...) einer Bipolarelektrode (100₁, 100₂, ...) und dem Separator (70₁, 70₂, ...) befindet und sich eine zweite Klebespur (45₁, 45₂, ...) auf der anderen Seite des Separators (70₁, 70₂, ...) zwischen dem Separator und dem nicht beschichteten Randbereich (25, 25, ...) einer nächsten Bipolarelektrode (100₁, 100₂, ...) befindet und die flächige Erstreckung in der Ausdehnungsrichtung der ersten Klebespur (40₁, 40₂, ...) ungleich der flächigen Erstreckung in der Ausdehnungsrichtung der zweiten Klebespur (45₁, 45₂, ...) ist.
Verfahren zur Herstellung von Bipolarbatteriezellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Siegelrandanordnung (50₁, 50₂, ...) in vier Herstellungsschritten erfolgt, wobei in einem ersten Schritt eine erste Klebespur (40_1, 40₂, ...) auf den nicht beschichteten Randbereich (25, 25, ...) einer Bipolarelektrode (100₁, 100₂, ...) appliziert wird und in einem zweiten Schritt eine zweite Klebespur (44₅, 45₂, ...) auf den Randbereich eines Separators (70₁, 70₂, ...) appliziert wird und in einem dritten Schritt der die zweite Klebespur (45₁, 45₂, ...) tragende Separator (70₁, 70₂, ...) und die die erste Klebespur tragende Bipolarelektrode (100₁, 100₂, ...) zu einander positioniert werden und in einem vierten Schritt eine zweite Bipolarelektrode (100₁, 100₂, ...) zu dem die zweite Klebespur (45₁, 45₂, ...) tragenden Separator (70₁, 70₂, ...) positioniert wird.
Bipolarbatteriezellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Siegelrandanordnung (50₁, 50₂, ...) aus Acrylat oder Butylkautschuk oder Epoxid oder aus zwei dieser Materialarten oder allen drei dieser Materialarten ausgebildet ist und sich die Eigenschaft eines Ein-Komponenten-Klebstoffs oder eines Zwei-Komponenten-Klebstoffs ausbildet und der Ein-Komponenten-Klebstoff oder Zwei-Komponenten-Klebstoff durch UV-Strahlung vernetzbar ist oder Wärmeeinbringung vernetzbar ist oder thermoplastische Eigenschaften aufweist.
Bipolarbatteriezellen nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (70₁, 70₂, ...) für das Material der Siegelrandanordnung (50₁, 50₂, ...) ganz oder teilweise durchlässig ist, indem der Separator als keramisches Vlies ausgebildet ist oder als imprägnierte Kunststofffolie ausgebildet ist oder als einlagige oder mehrlagige Kunststofffolie ausgebildet ist, oder das Material der Siegelrandanordnung (50₁, 50₂, ...) die Oberfläche des Separators (70₁, 70₂, ...) benetzt, indem der Separator als keramisches Vlies ausgebildet ist oder als imprägnierte Kunststofffolie ausgebildet ist oder als einlagige oder mehrlagige Kunststofffolie ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung von Bipolarbatteriezellen nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraft orthogonal zur Ausdehnungsrichtung der Bipolarelektroden (100₁, 100₂, ...) in die Bipolarbatteriezellen eingeleitet wird, um das Ausbilden der flächigen Erstreckung der Siegelrandanordnung (50₁, 50₂, ...) zu erhalten.
Verfahren zur Herstellung von Bipolarbatteriezellen nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarbatteriezellen auf eine Temperatur von 50°C bis 180 °C aufgeheizt werden, um das Ausbilden der flächigen Erstreckung der Siegelrandanordnung (50₁, 50₂, ...) zu erhalten.
Verfahren zur Herstellung von Bipolarbatteriezellen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die erste Klebespur (40₁, 40₂, ...) der Siegelrandanordnung (50₁, 50₂, ...) oder in die zweite Klebespur (45₁, 45₂, ...) der Siegelrandanordnung (50₁, 50₂, ...) eine Kanüle eingelegt wird und die Kanüle zwischen einer Bipolarelektrode (100₁, 100₂, ...) und dem Separator (70₁, 70₂, ...) oder zwischen dem Separator (70₁, 70₂, ...) und der nächste Bipolarelektrode (100₁, 100₂, ...) positioniert ist.
Bipolarbatteriezellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Siegelrandanordnung (50₁, 50₂, ...) neben einer ersten Klebespur (40₁, 40₂, ...) und einer zweiten Klebespur (45₁, 45₂, ...) eine oder mehrere weitere Klebespuren umfasst, die geometrisch weiter außerhalb der ersten Klebespur (40₁, 40₂, ...) und zweiten Klebespur (45₁, 45₂, ...) in der Ebene der Erstreckung der Bipolarelektroden (100₁, 100₂, ...) liegen und die erste Klebespur (40₁, 40₂, ...) und die zweite Klebespur (45₁, 45₂, ...) in der Ebene der Erstreckung der Bipolarelektroden (100₁, 100₂, ...) begrenzen.