DE102020111242A1 - Lithium Ion Battery - Google Patents

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Abstract

Eine Lithiumionenbatterie umfasst eine Elektrodenanordnung (10), wobei die Elektrodenanordnung (10) aus abwechselnden Schichten einer Kathode (14) und einer Anode (12) gebildet ist. Die Elektrodenanordnung (10) weist wenigstens eine äußerste Anode (25) auf, die eine Anoden-Trägerfolie (18) umfasst, welche beidseitig mit einem Anodenfilm (22) beschichtet ist, der ein Anodenaktivmaterial beinhaltet. Auf dem von der nächstgelegenen Kathode (14) der Elektrodenanordnung (10) abgewandten Anodenfilm (22) ist eine Stabilisierungsschicht (28) aufgebracht, die einer Verformung der äußersten Anode (25) entgegenwirkt.A lithium ion battery comprises an electrode arrangement (10), the electrode arrangement (10) being formed from alternating layers of a cathode (14) and an anode (12). The electrode arrangement (10) has at least one outermost anode (25) which comprises an anode carrier foil (18) which is coated on both sides with an anode film (22) which contains an anode active material. A stabilizing layer (28) which counteracts deformation of the outermost anode (25) is applied to the anode film (22) facing away from the closest cathode (14) of the electrode arrangement (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Lithiumionenbatterie.The invention relates to a lithium ion battery.

Im Folgenden wird der Begriff „Lithiumionenbatterie“ synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und Zellen verwendet, wie beispielsweise Lithium-Batterie, Lithium-Zelle, Lithiumionen-Zelle, Lithium-Polymer-Zelle und Lithiumionen-Akkumulator. Insbesondere sind wieder aufladbare Batterien (Sekundärbatterien) inbegriffen. Auch werden die Begriffe „Batterie“ und „elektrochemische Zelle“ synonym zum Begriff „Lithiumionen-Zelle“ genutzt. Die Lithiumionenbatterie kann auch eine Festkörperbatterie sein, beispielsweise eine keramische oder polymerbasierte Festkörperbatterie.In the following, the term “lithium ion battery” is used synonymously for all terms used in the prior art for galvanic elements and cells containing lithium, such as lithium batteries, lithium cells, lithium ion cells, lithium polymer cells and lithium ion accumulators. In particular, rechargeable batteries (secondary batteries) are included. The terms “battery” and “electrochemical cell” are also used synonymously with the term “lithium ion cell”. The lithium ion battery can also be a solid-state battery, for example a ceramic or polymer-based solid-state battery.

Lithiumionenbatterien haben zumindest zwei verschiedene Elektroden, eine positive (Kathode) und eine negative (Anode). Jede dieser Elektroden weist zumindest ein Aktivmaterial auf. Die Kathode und die Anode werden während des Herstellungsprozesses beispielsweise in Stapeln übereinander angeordnet, wobei zur elektrischen Isolierung zwischen Kathode und Anode ein Separator verwendet wird.Lithium ion batteries have at least two different electrodes, a positive (cathode) and a negative (anode). Each of these electrodes has at least one active material. The cathode and the anode are arranged, for example, in stacks one above the other during the manufacturing process, a separator being used for electrical insulation between the cathode and anode.

In Lithiumionenbatterien muss sowohl die Anode als auch die Kathode in der Lage sein, Lithiumionen aufzunehmen bzw. abzugeben. Die Aufnahme bzw. Abgabe der Lithiumionen kann zu einer Volumenänderung des Aktivmaterials führen, wobei das Ausmaß der Volumenänderung vom jeweiligen Aktivmaterial abhängig ist. Insbesondere Anodenmaterialien, die für Lithiumionenbatterien mit hohen Energiedichten in Frage kommen, zeigen starke Volumenänderungen. Die Kontrolle dieser Volumenänderung ist insbesondere während des ersten Ladevorgangs nach Ausbildung der SEI (engl. „solid electrolyte interface“) auf der Anode von besonderer Bedeutung.In lithium ion batteries, both the anode and the cathode must be able to absorb or release lithium ions. The uptake or release of lithium ions can lead to a change in volume of the active material, the extent of the change in volume being dependent on the respective active material. In particular, anode materials, which are suitable for lithium-ion batteries with high energy densities, show strong changes in volume. The control of this change in volume is particularly important during the first charging process after the SEI (solid electrolyte interface) has formed on the anode.

Ein entscheidender Faktor bei der Auslegung von Lithiumionenbatterien ist die erzielbare spezifische Energie. Die spezifische Energie gibt die Energie der Lithiumionenbatterie bezogen auf das Gewicht der Lithiumionenbatterie an (auch unter dem Begriff „gravimetrische Energiedichte“ bekannt). Jedoch erhöhen lediglich die in den Anoden und Kathoden enthaltenen Aktivmaterialien die Energie der Lithiumionenbatterie, während weitere notwendige Bauteile, beispielsweise Trägerfolien und Ableiter der Elektroden, zusätzliches Gewicht aufweisen, und sich daher negativ auf die spezifische Energie der Lithiumionenbatterie auswirken.A decisive factor in the design of lithium ion batteries is the specific energy that can be achieved. The specific energy indicates the energy of the lithium ion battery in relation to the weight of the lithium ion battery (also known under the term "gravimetric energy density"). However, only the active materials contained in the anodes and cathodes increase the energy of the lithium ion battery, while other necessary components, for example carrier foils and arresters of the electrodes, have additional weight and therefore have a negative effect on the specific energy of the lithium ion battery.

Um den Einfluss auf die spezifische Energie zu minimieren, können beidseitig beschichtete Trägerfolien für die Elektroden verwendet werden. Auf diese Weise kann die Anzahl der Trägerfolien bei gleichbleibender Menge an Aktivmaterial reduziert werden.In order to minimize the influence on the specific energy, carrier foils coated on both sides can be used for the electrodes. In this way, the number of carrier foils can be reduced while the amount of active material remains the same.

Dadurch ergeben sich jedoch Elektrodenanordnungen, in denen eine beidseitig beschichtete Anode eine äußerste Elektrode bildet. Somit zeigt in einer solchen Elektrodenanordnung lediglich das Aktivmaterial auf einer Seite der Trägerfolie in Richtung von Kathodenaktivmaterial. Während des ersten Ladevorgangs können sich daher nur auf dieser Seite Lithiumionen aus dem Kathodenaktivmaterial in das Anodenaktivmaterial einlagern.However, this results in electrode arrangements in which an anode coated on both sides forms an outermost electrode. Thus, in such an electrode arrangement, only the active material on one side of the carrier film points in the direction of the cathode active material. During the first charging process, lithium ions from the cathode active material can therefore only be incorporated into the anode active material on this side.

Zeigt das Anodenaktivmaterial eine Volumenänderung während der Einlagerung von Lithiumionen, tritt diese Volumenänderung entsprechend lediglich auf einer Seite der Trägerfolie der Anode auf, speziell auf der Seite, welche zur nächstgelegenen Kathode weist. Dadurch kann es zu einer asymmetrischen Verformung bzw. einem Einrollen der äußersten Anode kommen, die zur teilweisen oder vollständigen Ablösung der äußersten Anode von der Elektrodenanordnung führen kann. In auf diese Weise entstandenen Zwischenräumen kann sich Lithium ablagern, sodass sich Lithiumdendrite ausbilden können, welche sich wiederum negativ auf die Lebensdauer der Lithiumionenbatterie auswirken können.If the anode active material shows a change in volume during the storage of lithium ions, this change in volume occurs accordingly only on one side of the carrier foil of the anode, specifically on the side that faces the closest cathode. This can lead to an asymmetrical deformation or curling of the outermost anode, which can lead to partial or complete detachment of the outermost anode from the electrode arrangement. Lithium can be deposited in the spaces created in this way, so that lithium dendrites can form, which in turn can have a negative effect on the life of the lithium-ion battery.

Um die während des ersten Ladevorgangs stattfindende Volumenänderung zu reduzieren, kann die Anode vorlithiiert werden. Dazu wird noch vor dem Zusammenbau der Elektrodenanordnung das Anodenaktivmaterial zumindest teilweise mit Lithium infiltriert, sodass das Anodenaktivmaterial bereits ein entsprechend vergrößertes Volumen aufweist. Dadurch sind jedoch zusätzliche Herstellungsschritte notwendig, die aufwendig sind und zusätzliche Kosten verursachen.In order to reduce the volume change that occurs during the first charging process, the anode can be prelithiated. For this purpose, the anode active material is at least partially infiltrated with lithium before the electrode arrangement is assembled, so that the anode active material already has a correspondingly increased volume. As a result, however, additional manufacturing steps are necessary, which are complex and cause additional costs.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine zuverlässige Lithiumionenbatterie bereitzustellen.The object of the invention is to provide a reliable lithium ion battery.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lithiumionenbatterie mit einer Elektrodenanordnung, wobei die Elektrodenanordnung aus abwechselnden Schichten einer Kathode und einer Anode gebildet ist. Die Elektrodenanordnung weist wenigstens eine äußerste Anode auf, die eine Anoden-Trägerfolie umfasst, welche beidseitig mit einem Anodenfilm beschichtet ist, der ein Anodenaktivmaterial beinhaltet. Auf dem von der nächstgelegenen Kathode der Elektrodenanordnung abgewandten Anodenfilm ist eine Stabilisierungsschicht aufgebracht, die einer Verformung der äußersten Anode entgegenwirkt.The object is achieved according to the invention by a lithium ion battery with an electrode arrangement, the electrode arrangement being formed from alternating layers of a cathode and an anode. The electrode arrangement has at least one outermost anode which comprises an anode carrier foil which is coated on both sides with an anode film which contains an anode active material. On the anode film facing away from the closest cathode of the electrode arrangement, a stabilizing layer is applied which counteracts a deformation of the outermost anode.

Die Stabilisierungsschicht stabilisiert die Position der äußersten Anode, indem sie eine in Richtung der nächstliegenden Kathode gerichtete Kraft auf die Anode ausübt, insbesondere auf den Anodenfilm der äußersten Anode, der von der nächstliegenden Kathode abgewandt ist. Insbesondere wirkt die Stabilisierungsschicht einer Kraft entgegen, die durch eine Volumenänderung des Anodenfilms auf der zur nächstliegenden Kathode zugewandten Seite der äußersten Anode hervorgerufen wird.The stabilization layer stabilizes the position of the outermost anode by exerting a force on the anode in the direction of the closest cathode, in particular on the anode film of the outermost anode, which is from the nearest cathode is turned away. In particular, the stabilization layer counteracts a force which is caused by a change in volume of the anode film on the side of the outermost anode facing the closest cathode.

Die Erfinder haben erkannt, dass auf diese Weise eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Verfügung steht, ein Ablösen bzw. ein Aufrollen der äußersten Anode insbesondere während des ersten Ladevorgangs zu verhindern.The inventors have recognized that in this way a simple and inexpensive possibility is available to prevent the outermost anode from becoming detached or from rolling up, in particular during the first charging process.

Grundsätzlich könnte die äußerste Anode auch lediglich einen einzelnen Anodenfilm auf der der nächstgelegenen Kathode zugewandten Seite der Anoden-Trägerfolie aufweisen. Eine solche Anordnung hätte jedoch den Nachteil, dass die Anoden-Trägerfolie der äußersten Anode - und somit ein elektrisch leitfähiges Bauteil der Elektrodenanordnung - mit einem die Elektrodenanordnung umgebenden Gehäuse der Lithiumionenbatterie in Kontakt kommen könnte. In diesem Fall könnte ein interner Kurzschluss hervorgerufen werden. Zudem ist es im Herstellungsverfahren der Elektrodenanordnung kostengünstiger, lediglich eine einzelne Art von Anode herzustellen und/oder zu verwenden. Üblicherweise sind in Elektrodenanordnungen eine Vielzahl von Anoden und Kathoden enthalten. Diejenigen Anoden, die im Inneren der Elektrodenanordnung verbaut sind, sollten beidseitig beschichtete Anoden-Trägerfolien aufweisen, um eine möglichst hohe spezifische Energie der Lithiumionenbatterie zu ermöglichen. Daher weisen auch die als äußerste Anoden verwendeten Elektroden üblicherweise beidseitig beschichtete Anoden-Trägerfolien auf. Nichtsdestotrotz könnte eine Stabilisierungsschicht analog zur erfindungsgemäßen Lithiumionenbatterie direkt auf der der nächstgelegene Kathode abgewandten Seite der Anoden-Trägerfolie aufgebracht werden, sollte lediglich eine äußerste Anode mit einer einseitig beschichteten Anoden-Trägerfolie verwendet werden.In principle, the outermost anode could also have only a single anode film on the side of the anode carrier film facing the closest cathode. However, such an arrangement would have the disadvantage that the anode carrier film of the outermost anode - and thus an electrically conductive component of the electrode arrangement - could come into contact with a housing of the lithium ion battery surrounding the electrode arrangement. In this case, an internal short circuit could be caused. In addition, in the manufacturing process for the electrode arrangement, it is more cost-effective to manufacture and / or use only a single type of anode. A large number of anodes and cathodes are usually contained in electrode arrangements. Those anodes that are built into the interior of the electrode arrangement should have anode carrier foils coated on both sides in order to enable the highest possible specific energy of the lithium ion battery. Therefore, the electrodes used as the outermost anodes usually also have anode carrier foils coated on both sides. Nevertheless, a stabilization layer analogous to the lithium ion battery according to the invention could be applied directly to the side of the anode carrier film facing away from the nearest cathode, if only an outermost anode with an anode carrier film coated on one side should be used.

Das Anodenaktivmaterial umfasst insbesondere eine silizium- und/oder titanbasierte Komponente, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Silizium-Suboxid, Silizium-Kohlenstoff-Komposit, Siliziumlegierungen, Titan, Titanoxid, Titan-Kohlenstoff-Komposit und Kombinationen davon.The anode active material comprises in particular a silicon- and / or titanium-based component which is selected from the group consisting of silicon, silicon suboxide, silicon-carbon composite, silicon alloys, titanium, titanium oxide, titanium-carbon composite and combinations thereof.

Derartige Aktivmaterialien zeichnen sich durch besonders hohe Energiedichten aus. Jedoch zeigen diese Aktivmaterialien starke Volumenänderungen während des Lade- bzw. Entladevorgangs der Lithiumionenbatterie. Die erfindungsgemäße Lithiumionenbatterie ermöglicht es, die hohen Energiedichten dieser Aktivmaterialien auszunutzen, ohne dass sich deren starke Volumenänderungen negativ auf die Stabilität der Elektrodenanordnung auswirkt.Such active materials are characterized by particularly high energy densities. However, these active materials show large changes in volume during the charging and discharging of the lithium ion battery. The lithium ion battery according to the invention makes it possible to utilize the high energy densities of these active materials without their strong changes in volume having a negative effect on the stability of the electrode arrangement.

Der Begriff „starke Volumenänderung“ steht hier insbesondere für eine Volumenänderung bei der Einlagerung bzw. Auslagerung von Lithium, die größer ist als die Volumenänderung von Graphit bei der Einlagerung bzw. Auslagerung von Lithium.The term “strong change in volume” stands for a change in volume during the storage or removal of lithium that is greater than the change in volume of graphite during the storage or removal of lithium.

Insbesondere zeigt ein Anodenaktivmaterial eine starke Volumenänderung, wenn sich bei Aufnahme von 50 % der maximal reversibel interkalierbaren Molmenge Lithiums das Volumen des Anodenaktivmaterials mindestens um 50 % vergrößert und/oder bei Abgabe von 50 % der maximal reversibel von 50 % der maximal reversibel aufnehmbaren Molmenge Lithiums mindestens um 50 % verkleinert, jeweils bezogen auf das Volumen vor Aufnahme bzw. Abgabe von Lithium.In particular, an anode active material shows a strong change in volume when the volume of the anode active material increases by at least 50% when absorbing 50% of the maximum reversibly intercalable molar amount of lithium and / or when releasing 50% of the maximally reversible 50% of the maximally reversibly absorbable molar amount of lithium reduced by at least 50%, in each case based on the volume before the uptake or release of lithium.

Die silizium- und/oder titanbasierte Komponente liegt insbesondere in einem Anteil von 0,5 bis 30 Gew.-% vor, bevorzugt von 1 bis 26 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Anodenfilms.The silicon- and / or titanium-based component is in particular present in a proportion of 0.5 to 30% by weight, preferably 1 to 26% by weight, based on the total weight of the anode film.

Der Anodenfilm kann neben der silizium- und/oder titanbasierten Komponente noch weitere Anodenaktivmaterialien umfassen, beispielsweise Graphit. Die weiteren Anodenaktivmaterialien liegen insbesondere in einem Anteil von 65 bis 98 Gew.-% vor, bevorzugt von 70 bis 95 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Anodenfilms. Die weiteren Anodenaktivmaterialien weisen eine im Vergleich zur silizium- und/oder titanbasierten Komponente geringere Volumenänderung während der Einlagerung bzw. Auslagerung von Lithiumionen auf.In addition to the silicon- and / or titanium-based component, the anode film can also comprise further anode active materials, for example graphite. The further anode active materials are in particular present in a proportion of 65 to 98% by weight, preferably 70 to 95% by weight, based on the total weight of the anode film. The other anode active materials have a smaller change in volume compared to the silicon- and / or titanium-based component during the storage or removal of lithium ions.

In einer Variante ist die Stabilisierungsschicht eine Kupferfolie. Kupferfolien können eine geringe Dicke bei gleichzeitig hoher Stabilität aufweisen, sodass durch die Stabilisierungsschicht lediglich wenig zusätzliches Gewicht in die Lithiumionenbatterie eingebracht werden muss und/oder nur wenig zusätzlicher Bauraum benötigt wird. Zudem ist Kupferfolie günstig verfügbar, kann auf einfache Weise auf den Anodenfilm aufgebracht werden und ermöglicht eine sichere Haftung auf dem Anodenfilm. Kupferfolien werden auch als Anoden-Trägerfolie genutzt, sodass bekannte Verarbeitungsprozesse zum Aufbringen der Stabilisierungsschicht genutzt werden können und die Kompatibilität mit den weiteren Komponenten der Lithiumionenbatterie gewährleistet ist.In one variant, the stabilization layer is a copper foil. Copper foils can have a small thickness with high stability at the same time, so that only little additional weight has to be introduced into the lithium-ion battery through the stabilization layer and / or only little additional installation space is required. In addition, copper foil is available cheaply, can be applied to the anode film in a simple manner and enables secure adhesion to the anode film. Copper foils are also used as anode carrier foil, so that known processing processes can be used to apply the stabilization layer and compatibility with the other components of the lithium-ion battery is guaranteed.

In einer weiteren Variante ist die Stabilisierungsschicht aus einem Kunststoff gebildet, wobei der Kunststoff ausgewählt ist aus Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) sowie Copolymeren und Mischungen davon. Derartige Kunststoffe werden bereits für Separatoren in Lithiumionenbatterien eingesetzt und sind somit erwiesenermaßen kompatibel mit den weiteren Komponenten der Lithiumionenbatterie. Die Stabilisierungsschicht kann mittels Spritzgießen in beliebigen Formen aus dem Kunststoff geformt werden.In a further variant, the stabilization layer is formed from a plastic, the plastic being selected from polyethylene (PE), polypropylene (PP) and copolymers and mixtures thereof. Such plastics are already used for separators in lithium-ion batteries and are thus proven to be compatible with the other components of the lithium-ion battery. The stabilization layer can be injection molded in any shapes can be molded from the plastic.

Grundsätzlich muss die Stabilisierungsschicht bei der verwendeten Zellspannung der Lithiumionenbatterie stabil sein, insbesondere bei einer Zellspannung von 4,2 V wie sie in vielen Lithiumionenbatterien genutzt wird.In principle, the stabilization layer must be stable with the cell voltage used in the lithium ion battery, in particular with a cell voltage of 4.2 V as used in many lithium ion batteries.

Die Stabilisierungsschicht kann eine Dicke im Bereich von 5 bis 20 µm haben, bevorzugt von 8 bis 12 µm. Die Dicke der Stabilisierungsschicht muss auf das verwendete Anodenaktivmaterial abgestimmt werden, insbesondere auf den Anteil an silizium- und/oder titanbasierter Komponente im Anodenaktivmaterial. Grundsätzlich gilt dabei, dass mit einem höheren Anteil an silizium- und/oder titanbasierter Komponente die benötigte Dicke der Stabilisierungsschicht zunimmt, um der größeren Volumenänderung des Anodenaktivmaterials in ausreichendem Maß entgegenzuwirken. Gleichzeitig sollte die Dicke so gering wie möglich sein, um das Volumen und das Gewicht der Lithiumionenbatterie nicht unnötig zu vergrößern, also die volumetrische und gravimetrische Energiedichte der Lithiumionenbatterie möglichst hoch zu halten. Hat die Stabilisierungsschicht eine Dicke von mehr als 20 µm, steigt der zusätzliche Bedarf an Bauraum überproportional an. Weist die Stabilisierungsschicht eine Dicke von unter 5 µm auf, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die Stabilisierungsschicht einer Verformung der äußersten Anode nicht in ausreichendem Maße entgegenwirken kann.The stabilization layer can have a thickness in the range from 5 to 20 μm, preferably from 8 to 12 μm. The thickness of the stabilization layer must be matched to the anode active material used, in particular to the proportion of silicon and / or titanium-based components in the anode active material. In principle, the higher the proportion of silicon and / or titanium-based components, the greater the thickness of the stabilization layer required in order to counteract the greater volume change of the anode active material to a sufficient extent. At the same time, the thickness should be as small as possible in order not to increase the volume and weight of the lithium ion battery unnecessarily, that is to say to keep the volumetric and gravimetric energy density of the lithium ion battery as high as possible. If the stabilization layer is more than 20 µm thick, the additional space required increases disproportionately. If the stabilization layer has a thickness of less than 5 μm, the probability increases that the stabilization layer cannot sufficiently counteract a deformation of the outermost anode.

Um das zusätzliche Gewicht der Stabilisierungsschicht weiter zu reduzieren, kann die Stabilisierungsschicht nur in einem Randbereich der äußersten Anode angeordnet sein. Bevorzugt bildet die Stabilisierungsschicht einen Rahmen entlang des Randbereichs der äußersten Anode. Im Randbereich der äußersten Anode ist eine Verformung bzw. eine zumindest teilweise Ablösung des Anodenfilms und somit der äußersten Anode von der Elektrodenanordnung am wahrscheinlichsten. Daher ist ein Aufbringen der Stabilisierungsschicht in diesem Bereich am wirkungsvollsten, um eine Verformung der äußersten Anode entgegenzuwirken.In order to further reduce the additional weight of the stabilization layer, the stabilization layer can only be arranged in an edge region of the outermost anode. The stabilization layer preferably forms a frame along the edge region of the outermost anode. In the edge region of the outermost anode, deformation or at least partial detachment of the anode film and thus of the outermost anode from the electrode arrangement is most likely. Application of the stabilization layer in this area is therefore most effective in order to counteract deformation of the outermost anode.

Grundsätzlich kann die Stabilisierungsschicht jedoch auch jede andere Form aufweisen, die der Verformung bzw. zumindest teilweisen Ablösung der äußersten Anode in ausreichendem Maß entgegenwirkt.In principle, however, the stabilization layer can also have any other shape which counteracts the deformation or at least partial detachment of the outermost anode to a sufficient extent.

Ferner kann die Elektrodenanordnung und die Stabilisierungsschicht mit einer zusätzlichen Schicht an Separator umwickelt sein. Die zusätzliche Schicht an Separator verhindert, dass elektrisch leitende Bestandteile der Elektrodenanordnung mit einem Gehäuse der Lithiumionenbatterie in Kontakt kommen können. Somit kann ein Kurzschluss der Lithiumionenbatterie verhindert werden. Insbesondere für den Fall, dass die Stabilisierungsschicht eine Metallfolie ist, beispielsweise eine Kupferfolie, empfiehlt sich die Verwendung der zusätzlichen Schicht an Separator. Zugleich kann der Separator die Stabilisierungsschicht auf der äußersten Anode fixieren und somit die Wirkung der Stabilisierungsschicht auf den äußersten Anodenfilm weiter erhöhen.Furthermore, the electrode arrangement and the stabilization layer can be wrapped with an additional layer of separator. The additional layer of separator prevents electrically conductive components of the electrode arrangement from coming into contact with a housing of the lithium ion battery. Thus, a short circuit of the lithium ion battery can be prevented. In particular in the event that the stabilization layer is a metal foil, for example a copper foil, the use of the additional layer of separator is recommended. At the same time, the separator can fix the stabilization layer on the outermost anode and thus further increase the effect of the stabilization layer on the outermost anode film.

In einer weiteren Variante weist die Elektrodenanordnung an beiden Enden eine äußerst Anode auf, die mit einer Stabilisierungsschicht versehen ist. Auf diese Weise kann eine Verformung der äußersten Anoden auf beiden Enden der Elektrodenanordnung entgegengewirkt werden.In a further variant, the electrode arrangement has an extreme anode at both ends, which is provided with a stabilizing layer. In this way, deformation of the outermost anodes on both ends of the electrode arrangement can be counteracted.

Insbesondere kann die Elektrodenanordnung einen symmetrischen Aufbau hinsichtlich der Abfolge der Elektroden der Elektrodenanordnung aufweisen, sowie gleiche und/oder unterschiedliche Stabilisierungsschicht auf den jeweiligen äußersten Anoden aufweisen.In particular, the electrode arrangement can have a symmetrical structure with regard to the sequence of the electrodes of the electrode arrangement, and have the same and / or different stabilization layers on the respective outermost anodes.

Die Elektrodenanordnung liegt insbesondere als Flachwickel oder Elektrodenstapel vor. In derartigen Elektrodenanordnungen ergeben sich Geometrien, in denen zumindest eine äußerste Anode vorliegt, die durch die erfindungsgemäße Stabilisierungsschicht von einer Verformung während des Ladevorgangs bzw. des Entladevorgangs der Lithiumionenbatterie abgehalten werden kann.The electrode arrangement is in particular in the form of a flat coil or an electrode stack. In such electrode arrangements there are geometries in which there is at least one outermost anode, which can be kept from deformation during the charging process or the discharging process of the lithium ion battery by the stabilization layer according to the invention.

Zusätzlich zum Anodenaktivmaterial kann der Anodenfilm weitere Komponenten und Zusätze aufweisen, wie beispielsweise ein Bindemittel und/oder Leitfähigkeitsverbesserer. Als weitere Komponenten und Zusätze können alle üblichen im Stand der Technik bekannten Verbindungen und Materialien eingesetzt werden.In addition to the anode active material, the anode film can have further components and additives, such as a binding agent and / or conductivity improver. As further components and additives it is possible to use all of the customary compounds and materials known in the prior art.

Als Leitfähigkeitsverbesserer können Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltige Verbindungen, insbesondere Leitruß, Graphit, Carbon Nano Tubes (CNT) und/oder Graphen verwendet werden.Carbon or carbon-containing compounds, in particular carbon black, graphite, carbon nanotubes (CNT) and / or graphene can be used as conductivity improvers.

Leitfähigkeitsverbesserer sind insbesondere in einem Anteil von 0,1 bis 3 Gew.-% im Anodenfilm enthalten, bevorzugt von 0,1 bis 2 Gew.-%.Conductivity improvers are contained in the anode film in particular in a proportion of 0.1 to 3% by weight, preferably 0.1 to 2% by weight.

Das Bindemittel (Elektroden-Binder) dient dazu, das Anodenaktivmaterial und ggf. den Leitfähigkeitsverbesserer zusammenzuhalten. Das Bindemittel kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluoropropylen-Co-Polymer (PVdF-HFP), Polyethylenoxid (PEO), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyacrylat, Styrol-Butadien-Kautschuk, Polyvinylpyrrolidon (PVP), Carboxymethylcellulose (CMC), Mischungen und Copolymeren davon besteht.The binder (electrode binder) is used to hold the anode active material and, if necessary, the conductivity improver together. The binder can be selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene co-polymer (PVdF-HFP), polyethylene oxide (PEO), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyacrylate, styrene-butadiene rubber, polyvinylpyrrolidone (PVP ), Carboxymethyl cellulose (CMC), mixtures and copolymers thereof.

Der Anodenfilm umfasst insbesondere von 0,1 bis 3 Gew.-% Bindemittel, bevorzugt von 0,1 bis 2 Gew.-%.The anode film comprises in particular from 0.1 to 3% by weight of binder, preferably from 0.1 to 2% by weight.

Die Anoden-Trägerfolie ist insbesondere eine Kupferfolie.The anode carrier foil is in particular a copper foil.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden soll, und den Zeichnungen. In diesen zeigen:

  • - 1 einen Elektrodenstapel einer Lithiumionenbatterie wie im Stand der Technik bekannt,
  • - 2 eine äußerste Anode des Elektrodenstapels aus 1,
  • - 3 einen Elektrodenstapel einer erfindungsgemäßen Lithiumionenbatterie,
  • - 4 eine äußerste Anode des Elektrodenstapels aus 3,
  • - 5 eine Stabilisierungsschicht des Elektrodenstapels aus 3.
Further advantages and properties of the invention emerge from the following description of an exemplary embodiment, which should not be understood in a restrictive sense, and the drawings. In these show:
  • - 1 an electrode stack of a lithium ion battery as known in the prior art,
  • - 2 an outermost anode of the electrode stack 1 ,
  • - 3 an electrode stack of a lithium ion battery according to the invention,
  • - 4th an outermost anode of the electrode stack 3 ,
  • - 5 a stabilization layer of the electrode stack 3 .

In 1 ist eine Elektrodenanordnung 10 dargestellt, wie sie für Lithiumionenbatterien im Stand der Technik beschrieben ist.In 1 is an electrode assembly 10 shown as it is described for lithium ion batteries in the prior art.

Die Elektrodenanordnung 10 umfasst drei Anoden 12 sowie zwei Kathoden 14. Die Anoden 12 und die Kathoden 14 sind abwechselnd in einem Elektrodenstapel angeordnet, wobei zwischen jeder Anode 12 und Kathode 14 ein Separator 16 angeordnet ist.The electrode arrangement 10 includes three anodes 12th as well as two cathodes 14th . The anodes 12th and the cathodes 14th are arranged alternately in an electrode stack, with between each anode 12th and cathode 14th a separator 16 is arranged.

Jede der Anoden 12 weist eine Anoden-Trägerfolie 18 auf, die in der dargestellten Variante eine Kupferfolie ist, und jede der Kathoden 14 weist eine Kathoden-Trägerfolie 20 auf, die in der dargestellten Variante eine Aluminiumfolie ist.Each of the anodes 12th has an anode carrier foil 18th on, which is a copper foil in the variant shown, and each of the cathodes 14th has a cathode carrier foil 20th on, which is an aluminum foil in the variant shown.

Die Anoden 12 weisen auf beiden Seiten der jeweiligen Anoden-Trägerfolie 18 einen Anodenfilm 22 auf und die Kathoden 14 weisen auf beiden Seiten der jeweiligen Kathoden-Trägerfolie 20 einen Kathodenfilm 24 auf.The anodes 12th point on both sides of the respective anode carrier foil 18th an anode film 22nd on and the cathodes 14th point on both sides of the respective cathode carrier foil 20th a cathode film 24 on.

Die Anoden 12 an beiden Enden der Elektrodenanordnung 10 stellen äußerste Anoden 25 dar und sind in 1 mittels eines gestrichelten Rahmens hervorgehoben.The anodes 12th at both ends of the electrode assembly 10 put outermost anodes 25th dar and are in 1 highlighted by a dashed frame.

Die Anodenfilme 22 der Anoden 12 umfassen ein Anodenaktivmaterial, dass eine silizium- und/oder titanbasierte Komponente umfasst, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Silizium-Suboxid, Silizium-Kohlenstoff-Komposit, Siliziumlegierungen, Titan, Titanoxid, Titan-Kohlenstoff-Komposit und Kombinationen davon.The anode films 22nd the anodes 12th comprise an anode active material that comprises a silicon- and / or titanium-based component selected from the group consisting of silicon, silicon suboxide, silicon-carbon composite, silicon alloys, titanium, titanium oxide, titanium-carbon composite and combinations thereof.

Durch die silizium- und/oder titanbasierte Komponente zeigt das Anodenaktivmaterial der Anodenfilme 22 der Anoden 12 eine starke Volumenänderung bei der Einlagerung bzw. Auslagerung von Lithiumionen.Due to the silicon- and / or titanium-based component, the anode active material shows the anode films 22nd the anodes 12th a strong change in volume when storing or removing lithium ions.

Im Fall der äußersten Anoden 25 können sich Lithiumionen jedoch lediglich in denjenigen Anodenfilm 22 einlagern, der der jeweils nächstgelegenen Kathode 14 gegenüberliegt. Somit zeigt lediglich der der jeweils nächstgelegenen Kathode 14 gegenüberliegende Anodenfilm 22 der äußersten Anode 25 eine Volumenänderung, während der der nächstgelegenen Kathode 14 abgewandte Anodenfilm 22 diese Volumenänderung nicht aufweist.In the case of the outermost anodes 25th However, lithium ions can only reside in that anode film 22nd store that of the closest cathode 14th opposite. Thus, only shows the nearest cathode 14th opposite anode film 22nd the outermost anode 25th a change in volume, during that of the closest cathode 14th averted anode film 22nd does not have this change in volume.

2 zeigt die in 1 rechts dargestellte äußerste Anode 25, wobei 2 den Zustand illustriert, in welchem bereits Lithiumionen in den zur nächstgelegenen Kathode 14 weisenden Anodenfilm 22 eingelagert worden sind. 2 shows the in 1 outermost anode shown on the right 25th , whereby 2 illustrates the state in which lithium ions are already in the nearest cathode 14th pointing anode film 22nd have been stored.

Durch die Volumenänderung des zur nächstgelegenen Kathode 14 weisenden Anodenfilms 22 wird eine Kraft F1 erzeugt, die von der nächstgelegenen Kathode14 und dem Separator 16 in Richtung der äußersten Anode 25 weist und in 2 durch Pfeile angedeutet wird.By changing the volume of the nearest cathode 14th pointing anode film 22nd becomes a force F 1 generated by the closest cathode14 and the separator 16 towards the outermost anode 25th points and in 2 indicated by arrows.

Dadurch kann es zu einer Verformung der äußersten Anode 25 kommen, die zur zumindest teilweisen Ablösung der äußersten Anode 25 von der Elektrodenanordnung 10 führen kann, insbesondere vom Separator 16.This can cause deformation of the outermost anode 25th come that for at least partial detachment of the outermost anode 25th from the electrode arrangement 10 can lead, especially from the separator 16 .

Auf diese Weise können Zwischenräume 26 entstehen, in denen sich während des Betriebs der Lithiumionenbatterie metallisches Lithium abscheiden kann, das schließlich zur Bildung von Lithiumdendriten führen kann.This way, spaces can be created 26th arise in which metallic lithium can deposit during operation of the lithium-ion battery, which can ultimately lead to the formation of lithium dendrites.

In 3 ist eine Elektrodenanordnung 10 einer erfindungsgemäßen Lithiumionenbatterie dargestellt.In 3 is an electrode assembly 10 a lithium ion battery according to the invention shown.

Die erfindungsgemäße Lithiumionenbatterie entspricht im Wesentlichen der zuvor beschriebenen Lithiumionenbatterie gemäß dem Stand der Technik, sodass auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.The lithium ion battery according to the invention essentially corresponds to the lithium ion battery according to the prior art described above, so that reference is made to the statements above. The same components are provided with the same reference symbols.

Zusätzlich zu den in Bezug auf die aus dem Stand der Technik bekannte Lithiumionenbatterie beschriebenen Bestandteile, ist erfindungsgemäß eine Stabilisierungsschicht 28 vorgesehen, die jeweils auf die äußersten Anoden 25 aufgebracht wird.In addition to the components described in relation to the lithium ion battery known from the prior art, there is a stabilizing layer according to the invention 28 provided, each on the outermost anodes 25th is applied.

In 3 ist eine Kontaktfläche 29 zwischen der äußersten Anode 25 und der jeweiligen Stabilisierungsschicht 28 als gestrichelte Linie eingezeichnet.In 3 is a contact area 29 between the outermost anode 25th and the respective stabilization layer 28 shown as a dashed line.

Die Stabilisierungsschicht 28 wirkt einer Verformung der jeweiligen äußersten Anode 25 entgegen. Dieser Effekt ist in 4 verdeutlicht, in der analog zu 2 die in 3 rechts dargestellte äußerste Anode 25 der Elektrodenanordnung 10 dargestellt wird.The stabilization layer 28 acts to deform the respective outermost anode 25th opposite. This effect is in 4th clarified in the analog to 2 in the 3 outermost anode shown on the right 25th the electrode arrangement 10 is pictured.

Die Stabilisierungsschicht 28 sorgt für eine Kraft F2, die in 4 schematische durch Pfeile dargestellt ist und die der Kraft F1 entgegengewirkt, die durch die Volumenänderung des zur nächstgelegene Kathode 14 weisenden Anodenfilms 22 erzeugt wird.The stabilization layer 28 ensures a force F 2 , which in 4th schematic is represented by arrows and that of the force F 1 counteracted by the change in volume of the nearest cathode 14th pointing anode film 22nd is produced.

Somit wird eine Verformung der äußersten Anode 25 und somit auch einer zumindest teilweisen Ablösung der äußersten Anode 25 entgegengewirkt. Auf diese Weise kann die Entstehung der in 2 dargestellten Zwischenräume 26 verhindert werden. Auf diese Weise kann die Gefahr einer Lithiumabscheidung und einer Bildung von Lithiumdendriten weiter gesenkt werden.Thus, there is deformation of the outermost anode 25th and thus also an at least partial detachment of the outermost anode 25th counteracted. In this way, the in 2 illustrated spaces 26th be prevented. In this way, the risk of lithium deposition and the formation of lithium dendrites can be further reduced.

In 5 ist die in 3 dargestellte Stabilisierungsschicht 28 schematisch gezeigt. Wie zu sehen ist, liegt die Stabilisierungsschicht 28 in Form eines Rahmens vor. Dieser Rahmen wird entlang eines Randbereichs der jeweiligen äußersten Anode 25 aufgebracht.In 5 is the in 3 stabilization layer shown 28 shown schematically. As can be seen, the stabilization layer lies 28 in the form of a frame. This frame is along an edge area of the respective outermost anode 25th upset.

Entsprechend ist in der gezeigten Ausführungsform jede der Stabilisierungsschichten 28 an beiden Enden des Elektrodenstapels 10 baugleich ausgeführt. Grundsätzlich können sich die Stabilisierungsschichten 28 jedoch auch voneinander unterscheiden, beispielsweise im Material, in der Form und/oder in der Dicke.Correspondingly, in the embodiment shown, each of the stabilization layers is 28 at both ends of the electrode stack 10 identical in construction. Basically, the stabilization layers can 28 however, they also differ from one another, for example in terms of material, shape and / or thickness.

Die Stabilisierungsschicht 28 ist eine Kupferfolie, die eine Dicke im Bereich von 8 bis 12 µm hat. Derartige Kupferfolien sind kostengünstig und weltweit verfügbar können auf einfache Weise in die gewünschte Rahmenform verarbeitet werden.The stabilization layer 28 is a copper foil with a thickness in the range of 8 to 12 µm. Such copper foils are inexpensive and available worldwide and can easily be processed into the desired frame shape.

Die in 3 gezeigte erfindungsgemäße Elektrodenanordnung 10 kann mit einer zusätzlichen Schicht aus Separator 16 umwickelt werden, bevor sie in ein Gehäuse der erfindungsgemäßen Lithiumionenbatterie eingesetzt wird.In the 3 electrode arrangement according to the invention shown 10 can with an additional layer of separator 16 are wrapped before it is inserted into a housing of the lithium ion battery according to the invention.

Claims (9)

Lithiumionenbatterie mit einer Elektrodenanordnung (10), wobei die Elektrodenanordnung (10) aus abwechselnden Schichten einer Kathode (14) und einer Anode (12) gebildet ist, wobei die Elektrodenanordnung (10) wenigstens eine äußerste Anode (25) aufweist und die äußerste Anode (25) eine Anoden-Trägerfolie (18) umfasst, welche beidseitig mit einem Anodenfilm (22) beschichtet ist, der ein Anodenaktivmaterial beinhaltet, und wobei auf dem von der nächstgelegenen Kathode (14) der Elektrodenanordnung (10) abgewandten Anodenfilm (22) eine Stabilisierungsschicht (28) aufgebracht ist, die einer Verformung der äußersten Anode (25) entgegenwirkt.Lithium ion battery with an electrode arrangement (10), the electrode arrangement (10) being formed from alternating layers of a cathode (14) and an anode (12), wherein the electrode arrangement (10) has at least one outermost anode (25) and the outermost anode (25) comprises an anode carrier foil (18) which is coated on both sides with an anode film (22) which contains an anode active material, and wherein on the anode film (22) facing away from the closest cathode (14) of the electrode arrangement (10) a stabilization layer (28) is applied which counteracts a deformation of the outermost anode (25). Lithiumionenbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenaktivmaterial eine silizium- und/oder titanbasierte Komponente umfasst, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Silizium-Suboxid, Silizium-Kohlenstoff-Komposit, Siliziumlegierungen, Titan, Titanoxid, Titan-Kohlenstoff-Komposit, Titanaten und Kombinationen davon.Lithium ion battery Claim 1 , characterized in that the anode active material comprises a silicon and / or titanium-based component selected from the group consisting of silicon, silicon suboxide, silicon-carbon composite, silicon alloys, titanium, titanium oxide, titanium-carbon composite, titanates and combinations thereof. Lithiumionenbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsschicht (28) eine Kupferfolie ist.Lithium ion battery Claim 1 or 2 , characterized in that the stabilization layer (28) is a copper foil. Lithiumionenbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsschicht (28) aus einem Kunststoff gebildet ist, wobei der Kunststoff ausgewählt ist aus Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), sowie Copolymeren und Mischungen davon.Lithium ion battery Claim 1 or 2 , characterized in that the stabilization layer (28) is formed from a plastic, the plastic being selected from polyethylene (PE), polypropylene (PP), as well as copolymers and mixtures thereof. Lithiumionenbatterie nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsschicht (28) eine Dicke im Bereich von 5 bis 20 µm hat, bevorzugt von 8 bis 12 µm.Lithium ion battery according to one of the preceding claims, characterized in that the stabilization layer (28) has a thickness in the range from 5 to 20 µm, preferably from 8 to 12 µm. Lithiumionenbatterie nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsschicht (28) nur in einem Randbereich der äußersten Anode (25) angeordnet ist, bevorzugt einen Rahmen entlang des Randbereichs der äußersten Anode (25) bildet.Lithium ion battery according to one of the preceding claims, characterized in that the stabilization layer (28) is arranged only in an edge region of the outermost anode (25), preferably forms a frame along the edge region of the outermost anode (25). Lithiumionenbatterie nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (10) und die Stabilisierungsschicht (28) mit einer zusätzlichen Schicht eines Separators (16) umwickelt ist.Lithium ion battery according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode arrangement (10) and the stabilization layer (28) are wrapped with an additional layer of a separator (16). Lithiumionenbatterie nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (10) an beiden Enden eine äußerste Anode (25) aufweist, die mit einer Stabilisierungsschicht (28) versehen ist.Lithium-ion battery according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode arrangement (10) has an outermost anode (25) at both ends which is provided with a stabilizing layer (28). Lithiumionenbatterie nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (10) als Flachwickel oder Elektrodenstapel vorliegt.Lithium ion battery according to one of the preceding claims, characterized in that the Electrode arrangement (10) is present as a flat coil or electrode stack.
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