DE102020004807A1

DE102020004807A1 - Endplatten für Bipolarbatterien

Info

Publication number: DE102020004807A1
Application number: DE102020004807.2A
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 betrifft eine Bipolarbatterie, die aus gestapelten Bipolarelektroden sowie aus zuvorderst und zuletzt angeordneten, abschließenden Schichten besteht und die abschließenden Schichten über Fügestellen mit Deckblechen verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarbatterie auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie, insbesondere dessen Endplatten, die den beidseitigen Abschluss eines Bipolarzellenstapels darstellen. Der Bau eines elektrischen Energiespeichers als Bipolarzellenstapel hat den Vorteil, dass die galvanischen Zellen nicht - wie konventionell gebräuchlich - einzeln gekapselt vorliegen, sondern der geometrische Aufbau eine Reihenschaltung von galvanischen Zellen erzeugt. Dadurch verringert sich die Bauteilanzahl und -vielfalt und sorgt damit für eine bessere Volumenausnutzung. Dies wiederum erlaubt ein höheres Energiespeichervermögen sowie eine höhere Leistungsfähigkeit bei gleichen geometrischen Abmaßen im Vergleich zu einer Batterie in konventioneller Bauweise.
Die Bipolarzellenstapel bestehen aus eine Schichtaufbau von gegengleich angeordneten Bipolarelektroden mit jeweils zwischen einzelnen Bipolarelektroden liegenden Separatoren, wobei die Bipolarelektroden und Separatoren mit einer definierten, eingebrachten Elektrolytmenge benetzt sind. Eine Bipolarelektrode ist eine plattenförmige Anordnung, bestehend aus wiederum plattenförmigen Elementen, nämlich

- einer elektrisch leitfähigen und zugleich Ionen-blockierenden Schicht,
- einer ersten Aktivmaterialschicht und
- einer zweiten Aktivmaterialschicht.

Der ersten Aktivmaterialschicht wird durch die Wahl des Aktivmaterials die Eigenschaft einer positiven oder negativen Elektrode aufgeprägt und der zweiten Aktivmaterialschicht wird durch die Wahl des Aktivmaterials die zur ersten Aktivmaterialschicht gegensätzliche Eigenschaft einer negativen respektive positiven Elektrode aufgeprägt, sodass sich auf gegenüberliegenden Seiten der elektrisch leitfähigen und zugleich Ionen-blockierenden Schicht unterschiedliche Aktivmaterialschichten befinden. Das abwechselnde Stapeln von Bipolarelektroden und Separatoren, bei dem die Zwischenräume zwischen den Bipolarelektroden zur Umgebung mittels Dichtungen abgetrennt sind, bildet einen Bipolarzellenstapel, der demnach einer Reihenschaltung von galvanischen Zellen, jeweils bestehend aus positiver Elektrode, Separator und negativer Elektrode, entspricht, wobei die einzelnen galvanischen Zellen durch die benachbarte Anordnung jeweils zweier Bipolarelektroden ausgebildet sind und sich die galvanischen Zellen die erste Aktivmaterialschicht einer ersten Bipolarelektrode und die zweite Aktivmaterialschicht einer zweiten Bipolarelektrode teilen. Bei Bipolarzellenstapeln mit Lithium-Ionen-Technologie wird die elektrisch leitfähige und zugleich Ionen-leitfähige Schicht der Bipolarelektroden typischerweise durch eine Folie aus Aluminium, Kupfer, Nickel, Edelstahl, einem Bimetall aus Kupfer und Aluminium, einem Bimetall aus Nickel und Aluminium oder einem leitfähigen Polymer gebildet.
Die erste galvanische Zelle in einem Bipolarelektrodenstapel, d.h. die dem Bipolarelektrodenstapel oberste oder unterste Zelle, wird dadurch ausgebildet, dass sich die erste Aktivmaterialschicht der ersten Bipolarelektrode und eine weitere Aktivmaterialschicht, die auf einer weiteren zuvorderst angeordneten, abschließenden Schicht vorhanden ist, gegenüberstehen. Analog wird die letzte galvanische Zelle in einem Bipolarelektrodenstapel, d.h. die dem Bipolarelektrodenstapel unterste oder oberste Zelle, dadurch ausgebildet, dass sich die zweite Aktivmaterialschicht der im Bipolarzellenstapel letzten Bipolarelektrode und eine weitere Aktivmaterialschicht, die auf einer weiteren zuletzt angeordneten, abschließenden Schicht vorhanden ist, gegenüberstehen. Über die zuvorderst und zuletzt angeordneten, abschließenden Schichten wird der Lade-und Entladestrom in den Bipolarzellenstapel eingeleitet.
Bekannte Anordnungen von Bipolarbatterien sehen zum elektrischen Kontaktieren der zuvorderst und zuletzt angeordneten, abschließenden Schichten vor, diese als leitfähige Substrate auszuführen, an die durch Formgebung oder mittels Kontaktfahne eine elektrische Verbindung angebracht ist, z.B. DE10081688T1 . Weiterhin sind Anordnungen für Bipolarbatterien bekannt, die die zuvorderst und zuletzt angeordneten, abschließenden Schichten als Bipolarelektrode mit angebrachter Kontaktfahne zum elektrischen Kontaktieren vorsehen, z.B. DE112018004337T5 . Ferner sind Anordnungen für Bipolarbatterien bekannt, die die zuvorderst und zuletzt angeordneten, abschließenden Schichten als leitfähige massive Platten ausführen, die das jeweilige Aktivmaterial tragen, z.B. EP1568089B1 .
Der Nachteil, die zuvorderst und zuletzt angeordneten, abschließenden Schichten als Substrate oder massive Platte auszuführen, ergibt sich aus der notwendigen Anwendung andersartiger Fertigungstechnologien im Vergleich zur Herstellung der Bipolarelektroden, die typischerweise im Roll-zu-Rolle-Verfahren hergestellt werden, was sich für plattenförmige Halbzeuge nicht anwenden lässt. Der Nachteil, die zuvorderst und zuletzt angeordneten, abschließenden Schichten als Bipolarelektrode auszuführen, besteht darin, dass die der beiden abschließenden Bipolarelektroden äußeren Aktivmaterialschichten nicht zur Energiespeicherung beitragen.
Das Kontaktieren der zuvorderst und zuletzt angeordneten, abschließenden Schichten mit einer daran gefügten Kontaktfahne verursacht eine inhomogene Stromeinleitung und begrenzt die Lade-und Entladestromstärke aufgrund der in der Regel geringen Leiterquerschnitte der Kontaktfahnen.
Ausgehend davon ist eine Bipolarbatterie vorzuschlagen, die zuvorderst und zuletzt angeordnete, abschließende Schichten des Bipolarzellenstapels umfassen, die im Rolle-zu-Rolle-Verfahren mit Aktivmaterial beschichtbar sind und eine elektrische Kontaktierung erlauben, die überdies einen sehr hohen Lade- und Entladestrom zulässt.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Bipolarbatterie aus der geschichteten Anordnung der Bipolarelektroden sowie Separatoren besteht und die zuvorderst und zuletzt angeordneten, abschließenden Schichten des Bipolarzellenstapels als einseitig beschichtete, elektrisch leitfähige und zugleich Ionen-leitfähige Schichten ausgebildet sind und diese elektrisch leitfähigen und zugleich Ionen-leitfähigen Schichten per Fügeverbindung mit Deckblechen verbunden sind und an diese Deckbleche per Formgebung oder zusätzliche Kontaktbleche eine elektrische Verbindung angebracht ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Fügeverbindung zwischen dem Deckblech und der einseitig beschichteten, elektrisch leitfähigen und zugleich Ionen-leitfähigen Schicht als am Rand derselben vollständig oder teilweise umlaufende Schweißnaht ausgeführt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Fügeverbindung zwischen dem Deckblech und der einseitig beschichteten, elektrisch leitfähigen und zugleich Ionen-leitfähigen Schicht als Laserschweißnaht ausgeführt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die zuvorderst oder zuletzt angeordnete, abschließende Schicht des Bipolarzellenstapels als Aluminiumfolie ausgeführt und die zuletzt oder zuvorderst angeordnete, abschließende Schicht des Bipolarzellenstapels als Kupferfolie ausgeführt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der zuvorderst und zuletzt angeordneten, abschließenden Schicht des Bipolarzellenstapels sieht vor,

- die elektrisch leitfähige und zugleich Ionen-leitfähige Schicht im Rolle-zu-Rolle-Verfahren mit dem jeweiligen Aktivmaterial einseitig zu beschichten,
- die Zielkontur der elektrisch leitfähigen und zugleich Ionen-leitfähigen Schicht auszuschneiden,
- die elektrisch leitfähige und zugleich Ionen-leitfähige Schichten an das Deckblech zu fügen und
- an das Deckblech ein Kontaktblech zu fügen.

Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen anhand der beigefügten Figuren erläutert. Die Figuren illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Hierin zeigen

1 schematisch die seitliche Schnittansicht einer Bipolarbatterie mit ausgebildeten drei galvanischen Zellen in einer Reihenschaltung, die durch abwechselndes Stapeln von Separatoren (30, 30, ...) und von Bipolarelektroden, jeweils aus einer elektrisch leitfähigen und zugleich Ionen-blockierenden Schicht 50₁, 50₂, ..., einer ersten Aktivmaterialschicht 10₁, 10₂, ... und einer zweiten Aktivmaterialschicht 20₁, 20₂, ... bestehend, und weiterhin bestehend aus einer auf der zuvorderst angeordneten, abschließenden Schicht 95 angeordneten weiteren Aktivmaterialschicht 25, die der ersten, auf der ersten Bipolarelektrode befindlichen, Aktivmaterialschicht 10₁ gegenübersteht und weiterhin bestehend aus einer auf der zuletzt angeordneten, abschließenden Schicht 96 angeordneten weiteren Aktivmaterialschicht 15, die der letzten, auf der ersten Bipolarelektrode befindlichen, Aktivmaterialschicht 10₂ gegenübersteht, und hierbei die zuvorderst angeordnete, abschließende Schicht 95 über Fügestellen 90₃, 90₄ mit einem unteren Deckblech 80 verbunden ist und die zuletzt angeordnete, abschließende Schicht 96 über Fügestellen 90₁, 90₂ mit einem oberen Deckblech 81 verbunden ist. Über nicht dargestellte Kontakte an den Deckblechen 80, 81 kann der Lade-Entladestrom in den Bipolarzellenstapel eingeleitet werden, wobei dieser sehr homogen eingeleitet wird, weil die vergleichsweise hohe Leitfähigkeit der Deckbleche 80, 81 eine sehr gute laterale Stromverteilung fördert. Ferner sorgt der vorgeschlagene Aufbau der Bipolarbatterie für eine feste Einhausung des Bipolarelektrodenstapels mit dessen gegenüber mechanischer Beanspruchung sehr empfindlichen Komponenten. Um bei Bipolarbatterien mit Lithium-Ionen-Technologie möglichst hohe Energieinhalte und Leistungsdichten zu erzeugen, wird als Aktivmaterial der Anoden häufig Kohlenstoff, in unterschiedlichen Modifikationen oder als Komposit, verwendet und als Aktivmaterial der Kathoden wird häufig ein Lithium-haltiges Schichtoxid der Übergangsmetalle Kobalt, Nickel, Aluminium oder Mangan beziehungsweise Gemische derer verwendet. Heutzutage wird aus Gründen der elektrochemischen Stabilität gegen Korrosion als Material der mit dem Aktivmaterial der Kathode im direkten Kontakt stehenden elektrisch leitfähigen und zugleich Ionen-blockierenden Schicht typischerweise Aluminium eingesetzt, weil die Oxidschicht das Alumnium zuverlässig passiviert. Ferner wird heutzutage als Material der mit dem Aktivmaterial der Anode im direkten Kontakt stehenden elektrisch leitfähigen und zugleich Ionen-blockierenden Schicht Kupfer oder Nickel eingesetzt, weil diese bezeichneten Metalle nicht mit Lithium legieren. Aus diesen genannten Gründen wird als gängiger Werkstoff der elektrisch leitfähigen und zugleich Ionen-blockierenden Schichten von Bipolarelektroden ein Bimetall als Folie eingesetzt, dass aus Aluminium und Kupfer oder aus Aluminium und Nickel besteht. Die Herstellung von Bimetallfolien ist aufwendiger als die Herstellung von Folien die nur aus Kupfer oder nur aus Aluminium bestehen, sodass die Bimetallfolien in der Regel etwas teurer sind. Daher ist in der vorgeschlagenen Bipolarbatterien die zuvorderst angeordnete, abschließende Schicht 95 als Aluminiumfolie ausgeführt und die zuletzt angeordnete, abschließende Schicht 96 als Kupferfolie ausgeführt.
2 zeigt beispielhaft die Draufsicht auf einen Zusammenbau, bestehend aus dem unteren Deckblech 80 als plattenförmiges Gebilde, auf dem sich die zuvorderst angeordnete, abschließenden Schicht 95 mit der darauf befindlichen Aktivmaterialschicht 25 befindet und die zuvorderst angeordnete, abschließenden Schicht 95 mit dem unteren Deckblech 80 über eine am Rand der zuvorderst angeordneten, abschließenden Schicht 95 befindlichen, umlaufenden Fügestelle 90₁, beispielsweise einer Laserschweißnaht, verbunden ist.

Bezugszeichenliste

101, 102,: erste Aktivmaterialschicht
15: Aktivmaterialschicht, die der zweiten Aktivmaterialschicht der letzten Bipolarelektrode gegenübersteht
201, 202,: zweite Aktivmaterialschicht
25: Aktivmaterialschicht, die der ersten Aktivmaterialschicht der ersten Bipolarelektrode gegenübersteht
301, 302,: Separator
401, 402,: Dichtung
501, 502,: elektrisch leitfähigen und zugleich Ionen-leitfähigen Schicht einer Bipolarelektrode
80: unteres Deckblech
81: oberes Deckblech
901, 902,: Fügeverbindung
95: zuvorderst angeordnete, abschließende Schicht des Bipolarzellenstapels
96: zuletzt angeordnete, abschließende Schicht des Bipolarzellenstapels

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

DE 10081688 T1 [0005]
DE 112018004337 T5 [0005]
EP 1568089 B1 [0005]

Claims

Bipolarbatterie, bestehend aus einem Bipolarzellenstapel, der besteht aus abwechselnd aufeinander gestapelten Separatoren und Bipolarelektroden und aus zuvorderst und zuletzt angeordneten, abschließenden Schichten (95, 96) des Bipolarzellenstapels, wobei - die zuvorderst und zuletzt angeordneten, abschließenden Schichten (95, 96) des Bipolarzellenstapels als elektrisch leitfähige und zugleich Ionen-leitfähige Schichten ausgebildet sind, - zuvorderst und zuletzt angeordneten, abschließenden Schichten (95, 96) des Bipolarzellenstapels einseitig mit Aktivmaterial (15, 25) beschichtet sind und - die zuvorderst und die zuletzt angeordneten, abschließenden Schichten (95, 96) des Bipolarzellenstapels per Fügeverbindung (90₁, 90₂, ...) mit Deckblechen (80, 81) verbunden sind.
Deckblech (80, 81) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass per Formgebung oder durch Anbringen eines zusätzlichen Kontaktbleches an das Deckblech eine elektrische Kontaktierung erfolgt.
Fügeverbindung (90₁, 90₂, ...) zwischen dem Deckblech und der einseitig beschichteten, elektrisch leitfähigen und zugleich Ionen-leitfähigen Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung (90₁, 90₂, ...) linienförmig am Rand der einseitig beschichteten, elektrisch leitfähigen und zugleich Ionen-leitfähigen Schicht vollständig umlaufend oder teilweise umlaufend verläuft.
Fügeverbindung (90₁, 90₂, ...) zwischen dem Deckblech und der einseitig beschichteten, elektrisch leitfähigen und zugleich Ionen-leitfähigen Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung (90₁, 90₂, ...) als Laserschweißnaht ausgeführt ist.
Zuvorderst und zuletzt angeordneten, abschließenden Schichten (95, 96) des Bipolarzellenstapels nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einseitig beschichtete, elektrisch leitfähige und zugleich Ionen-leitfähige Schichten aus einer Kupferfolie oder einer Aluminiumfolie bestehen.
Verfahren zur Herstellung einer zuvorderst oder zuletzt angeordneten, abschließenden Schicht (95, 96) des Bipolarzellenstapels nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass - die elektrisch leitfähige und zugleich Ionen-leitfähige Schicht (95, 96) im Rolle-zu-Rolle-Verfahren mit dem jeweiligen Aktivmaterial (15, 25) einseitig beschichten wird, - die Zielkontur der elektrisch leitfähigen und zugleich Ionen-leitfähigen Schicht (95, 96) ausgeschnitten wird, - die elektrisch leitfähige und zugleich Ionen-leitfähige Schichten (95, 96) an ein Deckblech (80, 81) gefügt wird und - an das Deckblech (80, 81) ein Kontaktblech gefügt wird.