DE102020117301A1

DE102020117301A1 - Elektrodenstapel einer Lithiumzelle

Info

Publication number: DE102020117301A1
Application number: DE102020117301.6A
Authority: DE
Inventors: Klaus Schorb
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2022-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektrodenstapel (1) einer Lithiumzelle, wobei der Elektrodenstapel (1) mindestens eine beidseitig beschichtete Anode (2), beidseitig beschichtete Kathoden (3) und Separatoren (4) aufweist, wobei die mindestens eine beidseitig beschichtete Anode (2) und die beidseitig beschichteten Kathoden (3) alternierend gestapelt und zwischen diesen Separatoren (4) angeordnet sind.Hierbei weist mindestens eine Stapelseite (5) in Stapelrichtung außen eine einseitige beschichtete Anode (6) auf, wobei zwischen dieser einseitig beschichteten Anode (6) und der benachbarten beidseitig beschichteten Kathode (3) einer der Separatoren (4) angeordnet ist.Insbesondere ist vorgesehen, dass die einseitig beschichtete Anode (6, 8) außen eine Funktionsschicht (15) aufweist, beispielsweise eine Isolationsschicht oder eine leitfähige Schicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrodenstapel einer Lithiumzelle, wobei der Elektrodenstapel mindestens eine beidseitig beschichtete Anode, beidseitig beschichtete Kathoden und Separatoren aufweist, wobei die mindestens eine beidseitig beschichtete Anode und die beidseitig beschichteten Kathoden alternierend gestapelt und zwischen diesen Separatoren angeordnet sind.
Bei Lithium-Ionen/Lithiumpolymerzellen mit beidseitig beschichteten Elektroden sind die äußersten Elektroden immer Anoden, um das beim Laden aus den Kathoden ausgelagerte Lithium aufnehmen zu können. Die jeweilige Anode bzw. die jeweilige Kathode ist beidseitig mit Schichten von Aktivmaterial versehen. Die beschichteten Anoden des Elektrodenstapels sind somit identisch ausgebildet und es sind die beschichteten Kathoden des Elektrodenstapels identisch ausgebildet. Es ist ferner bekannt, Funktionsschichten außen auf Elektrodenstapel bzw. zwischen Zellen in einem Batteriemodul bzw. einer Hochvoltbatterie anzubringen, um z.B. die Wärmeübertragungsrate zwischen den Zellen zu reduzieren, sodass eine Wärmeübertragung beim Überhitzen einer Zelle im Fehlerfall (Thermal Runaway) reduziert ist, sodass benachbarte Zellen nicht überhitzen oder erst mit deutlicher zeitlicher Verzögerung überhitzen.
In der US 2014/335395 A ist eine Lithiumzelle mit einem Elektrodenstapel beschrieben. Hierbei ist bei der Lithiumzelle eine Anode des Elektrodenstapels nur einseitig beschichtet.
Aus der US 2015/147629 A , US 2016/204427 A und US 7,066,971 B ist es bekannt, eine Isolationsschicht zwischen benachbarten Lithiumzelle anzuordnen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Elektrodenstapel einer Lithiumzelle zu schaffen, der geringen Bauraum benötigt und eine universelle Verwendung gestattet.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Elektrodenstapel einer Lithiumzelle, wobei der Elektrodenstapel gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist. Weiterbildungen des Elektrodenstapels sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es wird ein Elektrodenstapel einer Lithiumzelle vorgeschlagen, wobei der Elektrodenstapel mindestens eine beidseitig beschichtete Anode, beidseitig beschichtete Kathoden und Separatoren aufweist, wobei die mindestens eine beidseitig beschichtete Anode und die beidseitig beschichteten Kathoden alternierend gestapelt und zwischen diesen Separatoren angeordnet sind. Bei diesem Elektrodenstapel weist mindestens eine Stapelseite in Stapelrichtung außen eine einseitig beschichtete Anode auf, wobei zwischen dieser einseitig beschichteten Anode und der benachbarten beidseitig beschichteten Kathode einer der Separatoren angeordnet ist.
Insbesondere ist vorgesehen, dass beide Stapelseiten in Stapelrichtung außen jeweils eine einseitig beschichtete Anode aufweisen, wobei zwischen dieser einseitig beschichteten Anode und der benachbarten beidseitig beschichteten Kathode einer der Separatoren angeordnet ist.
Bei dem Elektrodenstapel ist somit vorgesehen, dass die beschichtete Anode auf der einen Seite des Elektrodenstapels oder die auf abgewandten Seiten des Elektrodenstapels angeordneten beiden beschichteten Anoden jeweils nur einseitig beschichtet sind, auf derjenigen Seite, die dem Stapelinneren zugewandt ist.
Der Elektrodenstapel weist somit keine äußere Beschichtung der Anode auf, da diese Beschichtung funktionell nicht benötigt wird. Diese äußere Anode weist somit nur die dem Stapelinneren zugewandte Beschichtung auf, womit diese äußere beschichtete Anode das beim Laden aus den Kathoden ausgelagerte Lithium aufnehmen kann. Aufgrund des Entfalls dieser äußeren Beschichtung baut der Elektrodenstapel kompakt, benötigt somit nicht nur weniger Bauraum, sondern es geht auch eine Materialersparnis einher. Dies gilt insbesondere dann, wenn beide äußere Anoden nur einseitig beschichtet sind.
Von besonderem Vorteil ist, dass, aufgrund der nur einseitigen Beschichtung, die äußere Anode, somit in Stapelrichtung außen, mit einer Funktionsschicht versehen sein kann. Damit einher geht zwar ein größerer Bauraum des Elektrodenstapels, allerdings bei optimierter Funktionalität. So kann es sich bei der Funktionsschicht beispielsweise um eine thermische Isolationsschicht handeln, die auf die äußere Anode aufgebracht ist.
Es lässt sich somit die Funktion der Funktionsschicht bzw. Funktionsschichten in die Lithiumzellen integrieren. So kann eine zwischen die Lithiumzellen eingesetzte Isolationsmaterialschicht auf die außen liegende Anode bzw. außen liegenden Anoden direkt aufgebracht werden, beispielsweise eine Schicht aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid und dgl., durch beispielsweise Coaten, Aufkleben, Aufsprühen und dgl. Beispielsweise kann Inertmaterial je nach den benötigten Eigenschaften gegebenenfalls in dünner und kompakter Schicht aufgebracht werden. Um Handlingsprobleme zu vermeiden, die gegebenenfalls wegen der einseitigen Beschichtung der äußeren Anode infolge fehlenden Gegenzugs auf der nicht beschichteten Seite entstehen können, kann ein Gegenzug durch die Inertmaterialschicht ersetzt werden, die dünner und kompakter ausgeführt werden kann, als die funktionell erforderliche einseitige Beschichtung der Anode. Als Material kann beispielsweise das Material verwendet werden, mit dem Anoden heute schon teilweise beschichtet werden, um bei Separatorfehlern Kurzschlüsse zu verhindern, oder andere geeignete Materialien.
Bei Ausbildung der Funktionsschicht als elektrisch leitende Schicht, Metallschicht, insbesondere Kupferschicht, ist unmittelbar durch die Metallschicht eine entscheidende Voraussetzung zum Bestehen eines sogenannten Nail-Penetrationstests gegeben. Eine zusätzliche Kupferfolie, die zwischen der äußeren Anodenschicht und einem Gehäuse der Lithiumzelle mit Kontakt zu einem Anodenstromsammler anzubringen wäre, ist somit nicht erforderlich.
Durch das Aufbringen der Funktionsschicht auf die einseitig beschichtete Anode stellt sich die Anode als zweiseitig beschichtet dar. Dies vereinfacht die Modulmontage. Zudem vereinfacht die Integration der Funktionsschicht in die einseitig beschichtete Anode die Modulmontage, da die Teile bzw. Schichten zur Schaffung der Funktion in den Elektrodenstapel, konkret die äußere Anode, integriert sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der beigefügten Zeichnung und der Beschreibung des in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels, ohne hierauf beschränkt zu sein.
Es zeigt:

1 in einer schematischen Darstellung, in einer räumlichen Ansicht einen Elektrodenstapel einer Lithiumzelle.

Figurenbeschreibung
1 zeigt einen Elektrodenstapel 1 einer Lithiumzelle. Der Elektrodenstapel 1 weist eine beidseitig beschichtete Anode 2, zwei beidseitig beschichtete Kathoden 3 und Separatoren 4 auf. Die beidseitig beschichteten Anoden 2 und die beidseitig beschichteten Kathoden 3 sind alternierend gestapelt und es sind zwischen diesen die Separatoren 4 angeordnet. Eine Stapelseite 5, in Stapelrichtung außen, weist eine einseitig beschichtete Anode 6 auf. Zwischen dieser einseitig beschichteten Anode 6 und der benachbarten beidseitig beschichteten Kathode 3 ist einer der Separatoren 4 angeordnet. Der Elektrodenstapel 1 weist ferner auf einer der Stapelseite 5 entgegengesetzten Stapelseite 7, somit in Stapelrichtung außen, eine weitere, einseitig beschichtete Anode 8 auf. Zwischen dieser einseitig beschichteten Anode 8 und der benachbarten beidseitig beschichteten Kathode 3 ist einer der Separatoren 4 angeordnet.
Die jeweilige zweiseitig beschichtete Kathode 3 weist eine elektrisch leitende Kathode 9 und mit dieser verbundene, beidseitig der elektrisch leitenden Kathode 9 angeordnete Aktivmaterialschichten 10 auf. Die elektrisch leitende Kathode 9 ist z.B. eine Aluminium-Kathode, sie weist insbesondere eine Schichtstärke von einigen µm, z.B. 6-15 µm, auf.
Die beidseitig beschichtete Anode 2 weist eine elektrisch leitende Anode 11 und mit dieser verbundene, beidseitig der elektrisch leitenden Anode 11 angeordnete Aktivmaterialschichten 12 auf. Die metallische Anode 11 ist z.B. eine Kupfer-Anode oder eine Aluminium-Anode, sie weist insbesondere eine Schichtstärke von einigen µm, z.B. 6 - 15 µm, auf.
Die Stärke des jeweiligen Separators 4 beträgt einige µm, z.B. 6 bis 30 µm.
Die jeweilige einseitig beschichtete Anode 6 bzw. 8 weist eine elektrisch leitende Anode 13 und eine mit dieser verbundene, auf einer Seite der elektrisch leitenden Anode 13 angeordnete Aktivmaterialschicht 14 auf. Auch diese elektrisch leitende Anode 13 ist z.B. eine Kupfer-Anode oder eine Aluminium-Anode, sie weist insbesondere eine Schichtstärke von einigen µm, z.B. 6 - 15 µm, auf.
Die jeweilige einseitig beschichtete Anode 6 bzw. 8 weist in Stapelrichtung außen eine Funktionsschicht 15 auf. Diese Funktionsschicht ist beispielsweise eine thermische Isolationsschicht oder eine elektrisch leitende Schicht, insbesondere ist die Metallschicht z.B. eine Kupfer- oder Aluminiumschicht. Demnach ist die jeweilige mit der einseitig beschichteten Anode 6 bzw. 8 verbundene Funktionsschicht 15 in den Elektrodenstapel 1 bzw. die Lithiumzelle integriert.
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 2014335395 A [0003]
US 2015147629 A [0004]
US 2016204427 A [0004]
US 7066971 [0004]

Claims

Elektrodenstapel (1) einer Lithiumzelle, wobei der Elektrodenstapel (1) mindestens eine beidseitig beschichtete Anode (2), beidseitig beschichtete Kathoden (3) und Separatoren (4) aufweist, wobei die mindestens eine beidseitig beschichtete Anode (2) und die beidseitig beschichteten Kathoden (3) alternierend gestapelt und zwischen diesen Separatoren (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stapelseite (5) in Stapelrichtung außen eine einseitige beschichtete Anode (6) aufweist, wobei zwischen dieser einseitig beschichteten Anode (6) und der benachbarten beidseitig beschichteten Kathode (3) einer der Separatoren (4) angeordnet ist.
Elektrodenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Stapelseiten (5, 7) in Stapelrichtung außen jeweils eine einseitig beschichtete Anode (6, 8) aufweisen, wobei zwischen der jeweiligen einseitig beschichteten Anode (6, 8) und der benachbarten beidseitig beschichteten Kathode (3) einer der Separatoren (4) angeordnet ist.
Elektrodenstapel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beidseitig beschichtete Kathode (3) eine elektrisch leitende Kathode (9) und mit dieser verbundene, beidseitig der elektrisch leitenden Kathode (9) angeordnete Aktivmaterialschichten (10) aufweist.
Elektrodenstapel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Kathode (9) eine Aluminium-Kathode ist.
Elektrodenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine beidseitig beschichtete Anode (2) eine elektrisch leitende Anode (11) und mit dieser verbundene, beidseitig der elektrisch leitenden Anode (11) angeordnete Aktivmaterialschichten (12) aufweist.
Elektrodenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einseitig beschichtete Anode (6, 8) eine elektrisch leitende Anode (13) und eine mit dieser verbundene, auf einer Seite der elektrisch leitenden Anode (13) angeordnete Aktivmaterialschicht (14) aufweist.
Elektrodenstapel nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Anode (11, 13) eine Kupfer-Anode ist.
Elektrodenstapel nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Anode (11, 13) eine Aluminium-Anode ist.
Elektrodenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einseitig beschichtete Anode (6, 8) in Stapelrichtung außen eine Funktionsschicht (15) aufweist.
Elektrodenstapel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (15) eine thermische Isolationsschicht ist.
Elektrodenstapel nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (15) eine Metallschicht ist.
Elektrodenstapel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht eine Kupferschicht ist.
Elektrodenstapel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht eine Aluminiumschicht ist.
Elektrodenstapel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht eine elektrisch leitfähige Schicht ist.