DE102020200036A1 - Separator, battery comprising a separator and a method for producing a separator - Google Patents

Separator, battery comprising a separator and a method for producing a separator Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Separator, der folgendes umfasst:- eine Elektrodenstruktur; und- eine Beschichtung,wobei die Elektrodenstruktur gitterartig ausgebildet ist und die Beschichtung die Elektrodenstruktur elektrisch isolierend abdeckt.Ferner werden eine Batterie und ein Verfahren zur Herstellung eines Separators beschrieben.The present invention relates to a separator comprising: an electrode structure; and a coating, wherein the electrode structure is designed in the manner of a grid and the coating covers the electrode structure in an electrically insulating manner. A battery and a method for producing a separator are also described.

Description

Die Erfindung betrifft einen Separator, eine Batterie mit einem derartigen Separator und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Separator, der zusätzlich die Funktion einer Referenzelektrode erfüllt.The invention relates to a separator, a battery with such a separator and a method for producing the same. In particular, the invention relates to a separator which additionally fulfills the function of a reference electrode.

Durch das Einbringen einer dritten Elektrode, einer sogenannten Referenzelektrode, in eine Batterieanordnung ist es möglich, Elektrodenpotentiale von einer Kathode und einer Anode der Batterieanordnung mit Bezug zu dieser Referenzelektrode während des Batteriebetriebs zu erfassen. Daraus lassen sich Batteriebetriebsstrategien für die Nutzung der Batterieanordnung ableiten.By introducing a third electrode, a so-called reference electrode, into a battery arrangement, it is possible to detect electrode potentials from a cathode and an anode of the battery arrangement with reference to this reference electrode during battery operation. From this, battery operating strategies for the use of the battery arrangement can be derived.

In der DE 10 2014 001 260 A1 ist eine Batterie beschrieben, die wenigstens zwei Elektroden, wenigstens einen Separator, wenigstens eine Referenzelektrode und einen Elektrolyten aufweist. Die wenigstens eine Referenzelektrode ist benachbart oder auch in berührendem Kontakt zum Separator platziert oder in diesen integriert. Der Separator kann wenigstens eine Folienlage aufweisen. Dadurch kann die wenigstens eine Referenzelektrode direkt bei der Herstellung einer Separatorfolie in diese eingebettet werden. Ferner kann wenigstens einer der Referenzelektroden zumindest abschnittsweise drucktechnisch auf eine Folie aufgebracht sein.In the DE 10 2014 001 260 A1 describes a battery which has at least two electrodes, at least one separator, at least one reference electrode and an electrolyte. The at least one reference electrode is placed adjacent to or in touching contact with the separator or is integrated into it. The separator can have at least one film layer. As a result, the at least one reference electrode can be embedded in a separator film directly during the production thereof. Furthermore, at least one of the reference electrodes can be applied, at least in sections, to a film by printing technology.

Bisherige Batterieanordnungen mit einer Referenzelektrode sind meistens dergestalt, dass die Referenzelektrode als ein separates Bauteil vorliegt. Dies erschwert Hochskalierungen (Upscaling) oder Vergrößerungen von Batterieanordnungen oder vermindert eine Batterieperformance von Batterieanordnungen, die solche herkömmlichen Referenzelektroden umfassen.Previous battery arrangements with a reference electrode are usually such that the reference electrode is present as a separate component. This makes upscaling or enlargement of battery arrangements more difficult or reduces the battery performance of battery arrangements which include such conventional reference electrodes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Separator, eine verbesserte Batterie und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Separators bereitzustellen.The object of the present invention is to provide an improved separator, an improved battery and an improved method for producing a separator.

Diese Aufgabe wird durch den Separator nach Anspruch 1, die Batterie nach Anspruch 9 und das Verfahren nach Anspruch 10 gelöst.This object is achieved by the separator according to claim 1, the battery according to claim 9 and the method according to claim 10.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.Further advantageous embodiments of the invention emerge from the subclaims and the following description of preferred exemplary embodiments of the present invention.

Nach einem ersten Aspekt wird ein Separator für eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, bereitgestellt, der folgendes umfasst:

  • - eine Elektrodenstruktur; und
  • - eine Beschichtung,
wobei die Elektrodenstruktur gitterartig ausgebildet ist und die Beschichtung die Elektrodenstruktur elektrisch isolierend abdeckt. Insbesondere ist die Elektrodenstruktur auch derart ausgebildet, dass sie offene Hohlräume definiert.According to a first aspect, a separator for a battery, in particular a lithium-ion battery, is provided which comprises the following:
  • - an electrode structure; and
  • - a coating,
wherein the electrode structure is designed like a grid and the coating covers the electrode structure in an electrically insulating manner. In particular, the electrode structure is also designed in such a way that it defines open cavities.

Hierbei die Elektrodenstruktur als eine Referenzelektrode, die mit dem elektrisch isolierenden Material beschichtet wird und somit gleichzeitig als Separator für eine Batterie verwendet werden kann. Die Elektrodenstruktur bildet das Grundgerüst für den erfindungsgemäßen Separator, so dass der Separator gleichzeitig als Referenzelektrode verwendbar ist.Here the electrode structure as a reference electrode that is coated with the electrically insulating material and can thus be used at the same time as a separator for a battery. The electrode structure forms the basic structure for the separator according to the invention, so that the separator can also be used as a reference electrode.

Die Gitterartigkeit der Elektrodenstruktur ist auf verschiedene Arten erreichbar. So kann die Elektrodenstruktur als ein Leiter in Form eines Gitters, insbesondere einstückig, ausgebildet sein. Alternativ kann die Elektrodenstruktur als ein Gewebe oder ein Gelege von Filamenten ausgebildet sein. Diese verschiedenen Ausbildungen der Elektrodenstruktur weisen jeweils die Eigenschaft auf, dass die Elektrodenstruktur offene Hohlräume definiert, die sozusagen Gitterzwischenräume der gitterartigen Elektrodenstruktur darstellen.The lattice-like nature of the electrode structure can be achieved in various ways. Thus, the electrode structure can be designed as a conductor in the form of a grid, in particular in one piece. Alternatively, the electrode structure can be designed as a fabric or a scrim of filaments. These different designs of the electrode structure each have the property that the electrode structure defines open cavities which, so to speak, represent lattice spaces of the lattice-like electrode structure.

Die Gitterartigkeit der Elektrodenstruktur kann regelmäßig, aber auch unregelmäßig vorliegen. Dabei wird die Gitterartigkeit u.a. durch eine Gitterweite, eine Maschenweite oder (mittleren) Durchmesser der Hohlräume definiert sowie durch eine Verteilung der Hohlräume.The lattice-like nature of the electrode structure can be regular, but also irregular. The lattice-like character is defined, among other things, by a lattice width, a mesh size or (mean) diameter of the cavities, as well as a distribution of the cavities.

Insbesondere umfasst „gitterartig“ und „offene Hohlräume definierend“, dass die Elektrodenstruktur eine offene Porosität aufweist, die insbesondere zu herkömmlichen Separatoren vergleichbar ist. Diese vergleichbare Porosität liegt auch in dem erfindungsgemäßen Separator vor. Die Porosität kann regelmäßig, aber auch unregelmäßig, in dem erfindungsgemäßen Separator vorliegen. Die Poren bilden offene Kanäle, so dass ein Ionentransport zwischen der Kathode und der Anode der Batterie durch den erfindungsgemäßen Separator möglich ist.In particular, “lattice-like” and “defining open cavities” include that the electrode structure has an open porosity that is particularly comparable to conventional separators. This comparable porosity is also present in the separator according to the invention. The porosity can be regular, but also irregular, in the separator according to the invention. The pores form open channels so that ion transport between the cathode and the anode of the battery is possible through the separator according to the invention.

Die Elektrodenstruktur ist in der Regel aus einem Metall, das an Luft, im Wasser und in einem Lithium-Batterie-Elektrolyt chemisch stabil ist. Ferner ist das Elektrodenpotential der Elektrodenstruktur, also die Referenzelektrode, bekannt und (im Elektrolyt) vergleichsweise stabil. Mit anderen Worten, das Elektrodenpotential ist vordefiniert. Insbesondere kann die Elektrodenstruktur Platin als Elektrodenmaterial umfassen.The electrode structure is usually made of a metal that is chemically stable in air, in water and in a lithium battery electrolyte. Furthermore, the electrode potential of the electrode structure, that is to say the reference electrode, is known and is comparatively stable (in the electrolyte). In other words, the electrode potential is predefined. In particular, the electrode structure can comprise platinum as the electrode material.

Diese Referenzelektrode kann über geeignete Mittel, insbesondere eine elektrische Kontaktierung wie bspw. einen dünnen Draht, mit einer Messeinrichtung verbunden sein, um bspw. das Potential der Anode und/oder der Kathode von der die erfindungsgemäße Separatoranordnung aufweisenden Batterie zu ermitteln.This reference electrode can be connected to a measuring device via suitable means, in particular electrical contacting such as, for example, a thin wire, in order to determine, for example, the potential of the anode and / or the cathode of the To determine the inventive separator having battery.

Das Beschichtungsmaterial ist geeignet, wenn der Separator in der Batterie verbaut wird, einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Kathode und der Anode dieser Batterie zu verhindern. Das Beschichtungsmaterial ist somit elektrisch isolierend. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die beschichtete Referenzelektrode die Funktion eines Separators erfüllt, die Kathode und die Anode einer Batterie, insbesondere räumlich und elektrisch, voneinander zu trennen. Ferner ist die Beschichtung so dimensioniert, dass eine ausreichende elektrische Durchschlagfestigkeit für die Beschichtung gewährleistet ist.The coating material is suitable, if the separator is installed in the battery, to prevent an electrical short circuit between the cathode and the anode of this battery. The coating material is therefore electrically insulating. It can thereby be ensured that the coated reference electrode fulfills the function of a separator to separate the cathode and the anode of a battery, in particular spatially and electrically, from one another. Furthermore, the coating is dimensioned in such a way that sufficient dielectric strength is ensured for the coating.

Die Beschichtung deckt die Elektrodenstruktur ab. In manchen Ausführungsformen kann die Beschichtung eine gesamte Oberfläche der Elektrodenstruktur abdecken. Insbesondere wenn die Elektrodenstruktur als Gitter, Gewebe oder Gelege vorliegt, bleiben durch eine die gesamte Oberfläche der Elektrodenstruktur abdeckende Beschichtung die offenen Hohlräume zumindest teilweise frei.The coating covers the electrode structure. In some embodiments, the coating can cover an entire surface of the electrode structure. In particular if the electrode structure is in the form of a grid, fabric or scrim, the open cavities remain at least partially free due to a coating covering the entire surface of the electrode structure.

Alternativ oder ergänzend kann die Beschichtung nicht die gesamte Oberfläche der Elektrodenstruktur, sondern die Elektrodenstruktur selbst abdecken. Ferner kann die Beschichtung derart vorliegen, dass auch die offenen Hohlräume der Elektrodenstruktur, insbesondere vollständig, gefüllt sind. In diesen Fällen ist darauf zu achten, dass die Beschichtung bzw. die Füllung den oben erwähnten (diffusiven) Ionentransport zwischen Kathode und Anode ermöglicht.As an alternative or in addition, the coating cannot cover the entire surface of the electrode structure, but rather the electrode structure itself. Furthermore, the coating can be present in such a way that the open cavities of the electrode structure are also filled, in particular completely. In these cases it must be ensured that the coating or the filling enables the above-mentioned (diffusive) ion transport between cathode and anode.

Die beschichtete Elektrodenstruktur realisiert die Funktion eines Separators sowie einer Referenzelektrode in einem einzigen Bauteil. Dadurch kann die zum erfindungsgemäßen Separator zugehörige Referenzelektrode besonders einfach in eine Batterie angeordnet und verbaut werden. Durch die zu einem herkömmlichen Separator vergleichbare Porosität des erfindungsgemäßen Separators wird eine Batterieleistung durch den erfindungsgemäßen Separator nicht oder sehr wenig beeinflusst. Insbesondere kann durch eine gleichmäßige Verteilung der offenen Hohlräume in der Elektrodenstruktur innerhalb einer Batterie ein möglichst homogener ionischer Strom über die Fläche erreicht werden.The coated electrode structure performs the function of a separator and a reference electrode in a single component. As a result, the reference electrode associated with the separator according to the invention can be arranged and built into a battery in a particularly simple manner. As a result of the porosity of the separator according to the invention, which is comparable to a conventional separator, a battery performance is not or very little influenced by the separator according to the invention. In particular, an ionic current that is as homogeneous as possible over the surface can be achieved through a uniform distribution of the open cavities in the electrode structure within a battery.

So wird durch den erfindungsgemäßen einstückig ausgebildeten Separator ein möglichster homogener ionischer Strom über die Fläche erreicht, obwohl eine Referenzelektrode mitintegriert ist. Dadurch wird eine Batterieperformance weniger, wenn nicht sogar minimal, beeinflusst. Ferner kann der erfindungsgemäße Separator aufgrund seiner einstückigen Gestaltung besser an verschiedene Batterieanordnungen und -dimensionen sowie verschiedene Batteriezellformate angepasst werden.The separator according to the invention, which is embodied in one piece, achieves the most homogeneous ionic current possible over the surface, although a reference electrode is also integrated. This has a less, if not minimal, effect on battery performance. Furthermore, due to its one-piece design, the separator according to the invention can be better adapted to different battery arrangements and dimensions as well as different battery cell formats.

In einer weiteren Ausgestaltung kann die Beschichtung jedenfalls die gesamte Oberfläche der Elektrodenstruktur bedecken. In dieser Ausführungsform ist lediglich die Oberfläche der Elektrodenstruktur beschichtet, so dass die Porosität des erfindungsgemäßen Separators im Wesentlichen durch die offenen Hohlräume der Elektrodenstruktur definiert ist. Dadurch ist es möglich, den Ionentransport in einer Batterie durch die Geometrie der Elektrodenstruktur zu beeinflussen.In a further embodiment, the coating can in any case cover the entire surface of the electrode structure. In this embodiment, only the surface of the electrode structure is coated, so that the porosity of the separator according to the invention is essentially defined by the open cavities of the electrode structure. This makes it possible to influence the ion transport in a battery through the geometry of the electrode structure.

In einer Alternative kann die Elektrodenstruktur eine der folgenden Strukturen umfassen: Gewebe, Gewirke, Gelege. Mit anderen Worten, die Elektrodenstruktur ist als ein Gewebe, Gewirke oder Gelege ausgebildet. Diese Strukturen weisen eine homogene Verteilung der offenen Hohlräume auf, so dass innerhalb der Batterie ein möglichst homogener ionischer Strom über die Fläche begünstigt wird.In an alternative, the electrode structure can comprise one of the following structures: woven fabric, knitted fabric, scrim. In other words, the electrode structure is designed as a woven, knitted or non-woven fabric. These structures have a homogeneous distribution of the open cavities, so that an ionic current that is as homogeneous as possible over the surface is promoted within the battery.

Ferner kann die Elektrodenstruktur aus Filamenten gebildet sein. Diese Filamente können einen Durchmesser zwischen 1 µm und 10 µm aufweisen. In manchen Ausführungsformen weisen die Filamente der Elektrodenstruktur einen Durchmesser von 2 µm bis 4 µm auf. Hierbei sind alle Werte in diesen angegebenen Bereichen explizit offenbart und möglich.Furthermore, the electrode structure can be formed from filaments. These filaments can have a diameter between 1 µm and 10 µm. In some embodiments, the filaments of the electrode structure have a diameter of 2 μm to 4 μm. All values in these specified areas are explicitly disclosed and possible.

In einer weiteren Ausgestaltung kann der Separator eine Dicke zwischen 5 µm und 35 µm aufweisen. Insbesondere kann die Dicke auch zwischen 10 µm und 25 µm betragen. Hierbei sind alle Werte in diesem angegebenen Bereich explizit offenbart und möglich. Durch eine derartige Dicke des Separators kann der Innenwiederstand einer Batterie gering gehalten werden. Zudem kann eine hohe Packungsdichte der Batterie erreicht werden.In a further embodiment, the separator can have a thickness between 5 μm and 35 μm. In particular, the thickness can also be between 10 μm and 25 μm. All values in this specified range are explicitly disclosed and possible. With such a thickness of the separator, the internal resistance of a battery can be kept low. In addition, a high packing density of the battery can be achieved.

In einer Alternative kann die Beschichtung mittels eines Moleküllagenabscheidungsverfahrens gebildet werden. Dadurch können besonders homogene Beschichtungen realisiert werden, so dass eine gleichmäßige elektrische Durchschlagsfestigkeit der Beschichtung möglich ist. Gleichzeitig können durch das Moleküllagenabscheidungsverfahren besonders dünne Beschichtungen im unteren Mikrometerbereich gebildet werden, so dass eine Form bzw. Struktur der Elektrodenstruktur wenig oder sogar nicht beeinflusst wird. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die offenen Hohlräume der Elektrodenstruktur freibleiben.In an alternative, the coating can be formed using a molecular layer deposition process. In this way, particularly homogeneous coatings can be realized, so that a uniform dielectric strength of the coating is possible. At the same time, particularly thin coatings in the lower micrometer range can be formed by the molecular layer deposition process, so that a shape or structure of the electrode structure is little or even not influenced. This can ensure that the open cavities of the electrode structure remain free.

Alternativ kann für das Bilden der Beschichtung auch ein Dip-Coating-Verfahren angewendet werden.Alternatively, a dip coating process can also be used to form the coating.

In manchen Ausführungsbeispielen kann die Beschichtung aus einem Material gebildet sein, das gegen einen Elektrolyten einer Lithium-Ionen-Batterie beständig ist. Insbesondere kann eines der folgenden Beschichtungsmaterialien verwendet werden: wasserlösliches Polymer, PVDF, PTFE, PVA, Keramik. Als Keramik kann bspw. Aluminiumoxid Al2O3 verwendet werden. Ferner können auch andere, für herkömmliche Separatoren verwendete Materialien verwendet werden, wie bspw. Cellulose, PTFE, PFCF, PVC, Polyester, etc. sowie anorganische Komposite.In some exemplary embodiments, the coating can be formed from a material that is resistant to an electrolyte of a lithium-ion battery. In particular, one of the following coating materials can be used: water-soluble polymer, PVDF, PTFE, PVA, ceramic. Aluminum oxide Al 2 O 3 , for example, can be used as the ceramic. Furthermore, other materials used for conventional separators can also be used, such as cellulose, PTFE, PFCF, PVC, polyester, etc., as well as inorganic composites.

Nach einem zweiten Aspekt wird eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, bereitgestellt, die folgendes umfasst:

  • - eine Kathode;
  • - eine Anode; und
  • - einen der oben beschriebenen Separatoren, der zwischen der Kathode und Anode angeordnet ist.
According to a second aspect, a battery, in particular a lithium-ion battery, is provided which comprises the following:
  • - a cathode;
  • - an anode; and
  • - One of the separators described above, which is arranged between the cathode and anode.

In manchen Ausführungsformen weist der Separator eine Querschnittsfläche (in Richtung des lonentransports gesehen) auf, die im Wesentlichen einer Querschnittsfläche der Anode und/oder Kathode entspricht. Durch kann innerhalb der Batterie ein möglichst homogener ionischer Strom über die Fläche erzielt werden.In some embodiments, the separator has a cross-sectional area (viewed in the direction of ion transport) which essentially corresponds to a cross-sectional area of the anode and / or cathode. This enables the most homogeneous ionic current possible to be achieved over the surface within the battery.

Nach einem dritten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines der oben beschriebenen Separatoren bereitgestellt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

  • - Bereitstellen einer Elektrodenstruktur, die gitterartig und insbesondere offene Hohlräume definierend ausgebildet ist; und
  • - Beschichten der Referenzelektrodenschicht mit einem Separatormaterial.
According to a third aspect, a method for producing one of the separators described above is provided. The process consists of the following steps:
  • - Provision of an electrode structure which is designed like a grid and in particular to define open cavities; and
  • Coating the reference electrode layer with a separator material.

Die hier verwendeten Begriffe „Anode“ und „Kathode“ zur Bezeichnung von Batteriekomponenten beziehen sich auf die Funktion dieser Komponenten während eines Entladevorgangs der Batterie. Demnach ist die „Anode“ diejenige Elektrode, an der eine Oxidation stattfindet, und die „Kathode“ diejenige Elektrode, an der eine Reduktion stattfindet. Es versteht sich, dass bei aufladbaren Batterien, die Anode des Entladevorgangs zur Kathode des Ladevorgangs wird, und entsprechend die Kathode des Entladevorgangs zur Anode des Ladevorgangs.The terms “anode” and “cathode” used here to designate battery components refer to the function of these components during a discharge process of the battery. Accordingly, the “anode” is the electrode on which oxidation takes place, and the “cathode” is the electrode on which reduction takes place. It goes without saying that in the case of rechargeable batteries, the anode of the discharging process becomes the cathode of the charging process, and correspondingly the cathode of the discharging process becomes the anode of the charging process.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

  • 1 schematisch eine Batterieanordnung mit einem erfindungsgemäßen Separator;
  • 2 schematisch den erfindungsgemäßen Separator;
  • 3 eine Schnittansicht des in 2 gezeigten Separators;
  • 4 eine alternative Schnittansicht des in 2 gezeigten Separators;
  • 5 eine als Vlies ausgebildete Elektrodenstruktur; und
  • 6 ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Separators.
Embodiments of the invention will now be described by way of example and with reference to the accompanying drawings. It shows:
  • 1 schematically a battery arrangement with a separator according to the invention;
  • 2 schematically the separator according to the invention;
  • 3 a sectional view of the in 2 shown separator;
  • 4th an alternative sectional view of the in 2 shown separator;
  • 5 an electrode structure designed as a fleece; and
  • 6th a method for producing the separator according to the invention.

In 1 ist eine Batterie 1 gezeigt, die an einen elektrischen Verbraucher 20 angeschlossen ist. Die Batterie 1 weist eine Anode 2 und eine Kathode 4 auf. Ein Separator 6 ist zwischen der Anode 2 und Kathode 4 angeordnet und trennt diese voneinander, so dass ein elektrischer Kurzschluss zwischen Anode 2 und Kathode 4 verhindert wird. In der Batterie 1 sind keine weiteren Schichten zwischen der Anode 2, der Kathode 4 und dem Separator 6 gezeigt, jedoch können weitere Schichten vorliegen, wie z.B. zusätzliche Separatoren, Elektroden, SEI (solid electrolyte interfaces) möglich.In 1 is a battery 1 shown to an electrical consumer 20th connected. The battery 1 has an anode 2 and a cathode 4th on. A separator 6th is between the anode 2 and cathode 4th arranged and separates them from each other, so that an electrical short circuit between anode 2 and cathode 4th is prevented. In the battery 1 are no further layers between the anode 2 , the cathode 4th and the separator 6th shown, but additional layers can be present, such as additional separators, electrodes, SEI (solid electrolyte interfaces).

In 1 ist ein Entladevorgang der Batterie 1 dargestellt. Beim Entladevorgang fließen Elektronen von der Anode 2 über den Verbraucher 20 und eine optionale Messeinrichtung 22, insbesondere eine Strommesseinrichtung, zu der Kathode 4. Bei einem Aufladevorgang der Batterie 1 verläuft der Elektronenfluss entsprechend umgekehrt.In 1 is a discharging process of the battery 1 shown. During the discharge process, electrons flow from the anode 2 about the consumer 20th and an optional measuring device 22nd , in particular a current measuring device, to the cathode 4th . When the battery is charging 1 the electron flow is reversed accordingly.

Der Separator 6 umfasst eine später beschriebene und gezeigte Elektrodenstruktur 8a; 8b; 8c, die als eine Referenzelektrode verwendbar ist. Somit ist der Separator 6 zusätzlich als Referenzelektrode ausgebildet, so dass je nach Betrieb der Batterie 1 ein Elektrodenpotential der Anode 2 oder der Kathode 4 in Bezug zur Referenzelektrode ermittelt werden kann. In der in 1 gezeigten Anordnung ist das Elektrodenpotential der Kathode 4 in Bezug auf die Referenzelektrode (stromlos) mittels einer Messeinrichtung 24, insbesondere eine Spannungsmesseinrichtung, ermittelbar. Insbesondere kann die Messeinrichtung 24 sicherstellen, dass kein Stromfluss erfolgt.The separator 6th includes an electrode structure described and shown later 8a ; 8b ; 8c which can be used as a reference electrode. Thus is the separator 6th also designed as a reference electrode, so that depending on the operation of the battery 1 an electrode potential of the anode 2 or the cathode 4th can be determined in relation to the reference electrode. In the in 1 The arrangement shown is the electrode potential of the cathode 4th in relation to the reference electrode (currentless) by means of a measuring device 24 , in particular a voltage measuring device, can be determined. In particular, the measuring device 24 make sure that there is no current flow.

2 zeigt schematisch den Separator 6 in Form eines Gitters. Der Separator 6 umfasst die (später beschriebene und gezeigte) gitterartige Elektrodenstruktur 8a; 8b; 8c, die beschichtet ist. Der Separator 6 (und entsprechend die Elektrodenstruktur 8a; 8b; 8c) erstreckt sich hier in eine x- und eine y-Richtung. Ferner ist stellvertretend für Gitterweiten des Separators 6 in x-Richtung eine erste Gitterweite wx dargestellt und stellvertretend für Gitterweiten des Separators 6 in y-Richtung eine zweite Gitterweite wy . Die Gitterweiten wx und wy können denselben Wert aufweisen, so dass der Separator 6 als ein gleichmäßiges Gitter ausgebildet ist. Alternativ können die Gitterweiten wx und wy auch unterschiedliche Werte annehmen, so dass der Separator 6 als ein ungleichmäßiges Gitter ausgebildet ist. Dabei können die Gitterweiten wx und wy auch innerhalb der x- bzw. y-Richtung unterschiedliche Werte aufweisen. Durch die Gitterweiten wx und wy werden (Gitter-)Zwischenräume der Elektrodenstruktur definiert, die offene Hohlräume definieren. Der gitterartige Separator 6 weist somit offene Hohlräume auf. Die Gitterweiten wx und wy sind in der Regel derart dimensioniert, dass der Separator 6 eine lonendurchlässigkeit oder, anders ausgedrückt, eine lonentransportfähigkeit in z-Richtung aufweist. Gleichzeitig sind die Gitterweiten wx und wy derart dimensioniert, dass die Anode 2 und die Kathode 4 in der Batterie 1 jedenfalls durch den Separator 6 räumlich getrennt sind. Insbesondere sind die Gitterweiten wx und wy derart dimensioniert, dass bei einer (externen) Kompression der Batterie 1 die Anode 2 und die Kathode 4 räumlich voneinander getrennt sind. Eine Dicke des Separators 6 erstreckt sich in z-Richtung. Auch die Dicke des Separators 6 ist derart dimensioniert, dass die Anode 2 und die Kathode 4 in der Batterie 1 jedenfalls durch den Separator 6 räumlich getrennt sind. 2 shows schematically the separator 6th in the form of a grid. The separator 6th includes the grid-like electrode structure (described and shown later) 8a ; 8b ; 8c that is coated. The separator 6th (and accordingly the electrode structure 8a ; 8b ; 8c ) extends here in an x and a y direction. It is also representative of the grid widths of the separator 6th a first grid width in the x-direction w x shown and representative of grid widths of the separator 6th a second grid width in the y-direction w y . The grid widths w x and w y can have the same value, so the separator 6th is designed as a uniform grid. Alternatively, the grid widths w x and w y also assume different values, so that the separator 6th is designed as an uneven grid. The grid widths w x and w y also have different values within the x or y direction. Through the grid widths w x and w y (grid) spaces of the electrode structure are defined, which define open cavities. The grid-like separator 6th thus has open cavities. The grid widths w x and w y are usually dimensioned in such a way that the separator 6th has an ion permeability or, in other words, an ion transport capacity in the z-direction. The grid widths are at the same time w x and w y dimensioned such that the anode 2 and the cathode 4th in the battery 1 at least through the separator 6th are spatially separated. In particular, the grid widths w x and w y dimensioned in such a way that in the event of (external) compression of the battery 1 the anode 2 and the cathode 4th are spatially separated from each other. A thickness of the separator 6th extends in the z-direction. Also the thickness of the separator 6th is dimensioned so that the anode 2 and the cathode 4th in the battery 1 at least through the separator 6th are spatially separated.

In 3 ist eine teilweise Schnittansicht des Separator 6 aus 2 entlang der Achse gezeigt. Der Separator 6 weist die gitterartige Elektrodenstruktur 8a auf, die durch geeignete Herstellungsverfahren einstückig ausgebildet werden kann. Ferner kann die Gitterstruktur bspw. durch eines von einer einstückigen, verwebten, gewirkten, gelegten Elektrodenstrukturen realisiert werden. Möglich ist auch, ein Laserperforationsverfahren auf ein folienförmiges Elektrodenmaterial anzuwenden. Damit können Löcher in dieses folienförmiges Elektrodenmaterial „geschossen“ werden, wodurch ebenfalls eine gitterartige Elektrodenstruktur gebildet werden kann.In 3 Fig. 3 is a partial sectional view of the separator 6th out 2 shown along the axis. The separator 6th has the grid-like electrode structure 8a which can be formed in one piece by suitable manufacturing processes. Furthermore, the lattice structure can be implemented, for example, by one of a one-piece, woven, knitted, laid electrode structures. It is also possible to use a laser perforation method on a foil-shaped electrode material. With this, holes can be “shot” into this foil-shaped electrode material, whereby a grid-like electrode structure can also be formed.

Eine gesamte Oberfläche der Elektrodenstruktur 8a ist von einer Beschichtung 10 beschichtet. In der 2 gezeigten Ausführungsform deckt die Beschichtung 10 die gesamte Oberfläche der Elektrodenstruktur 8a derart ab, dass nach wie vor die Gitterzwischenräume freibleiben. Die Beschichtung 10 kann durch geeignete Verfahren wie Molekülellagenabscheidung und Dip-Coating auf die Oberfläche der Elektrodenstruktur 8 aufgebracht werden. In der Regel hat die Beschichtung 10 eine Dicke von zumindest einer Moleküllage. In der Regel weist die Beschichtung 10, insbesondere in Abhängigkeit einer Durchschlagfestigkeit eines Materials der Beschichtung 10, eine Dicke von wenigen Mikrometern auf.An entire surface of the electrode structure 8a is of a coating 10 coated. In the 2 The embodiment shown covers the coating 10 the entire surface of the electrode structure 8a in such a way that the gaps between the grids remain free. The coating 10 can be applied to the surface of the electrode structure 8 by suitable methods such as molecular layer deposition and dip coating. Usually the coating has 10 a thickness of at least one molecular layer. Usually the coating has 10 , in particular as a function of a dielectric strength of a material of the coating 10 , a thickness of a few micrometers.

Für die Beschichtung 10 wird ein elektrisch isolierendes Material verwendet, so dass der Separator 6 die Funktion erfüllen kann, einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 2 und der Kathode 4 zu verhindern. Ferner werden für die Beschichtung 10 solche Materialen verwendet, die gegen einen Elektrolyten der Batterie 1 beständig sind.For the coating 10 an electrically insulating material is used, making the separator 6th can fulfill the function of an electrical short circuit between the anode 2 and the cathode 4th to prevent. It is also used for the coating 10 such materials are used that act against an electrolyte of the battery 1 are persistent.

4 zeigt eine teilweise Schnittansicht entlang der Achse C für eine alternative Elektrodenstruktur 8b für den Separator 6, die aus einer Vielzahl von Filamenten 9, insbesondere (Metall-)Drähten, ausgebildet ist. Die Filamente 9 sind an ihren Berührungsstellen leitend aneinander angefügt, z.B. verschweißt, verlötet, verpresst. Die in 4 gezeigte Variante kann durch eine gewebte, gewirkte oder gelegte Anordnung der Filamente 9 erreicht werden. Wie auch schon bei 3 ist eine gesamte Oberfläche der Elektrodenstruktur 8b durch die Beschichtung 10 abgedeckt. 4th Figure 10 shows a partial sectional view along the axis C. for an alternative electrode structure 8b for the separator 6th made from a wide variety of filaments 9 , in particular (metal) wires, is formed. The filaments 9 are conductively joined to one another at their contact points, e.g. welded, soldered, pressed. In the 4th The variant shown can be a woven, knitted or laid arrangement of the filaments 9 can be achieved. As with 3 is an entire surface of the electrode structure 8b through the coating 10 covered.

Die in 3 gezeigte Elektrodenstruktur 8a, insbesondere deren (Gitter-)Stegabschnitte, und die in 4 gezeigten Filamente 9 weisen eine runde Querschnittsgeometrie auf. Anstelle der dargestellten Querschnittsgeometrien können auch andere Querschnittsgeometrien genutzt werden. So ist es möglich, z.B. ovale oder bandförmige Stegabschnitte der Elektrodenstruktur 8a bzw. Filamente 9 vorzusehen.In the 3 Electrode structure shown 8a , in particular their (lattice) web sections, and the in 4th filaments shown 9 have a round cross-sectional geometry. Instead of the cross-sectional geometries shown, other cross-sectional geometries can also be used. It is possible, for example, to have oval or band-shaped web sections of the electrode structure 8a or filaments 9 to be provided.

Ferner weisen die Stegabschnitte der Elektrodenstruktur 8a und die Filamente 9 in der Regel einen Durchmesser von wenigen Mikrometern auf, insbesondere zwischen 1 µm und 10 µm. In manchen Ausführungsformen weisen die Stegabschnitte und Filamente 9 einen Durchmesser von 2 µm bis 4 µm auf. Dadurch wird eine gravimetrische und volumetrische Energiedichte der Batterie 1 so wenig wie möglich negativ beeinflusst.Furthermore, the web sections have the electrode structure 8a and the filaments 9 usually a diameter of a few micrometers, in particular between 1 µm and 10 µm. In some embodiments, the web sections include filaments 9 a diameter of 2 µm to 4 µm. This creates a gravimetric and volumetric energy density for the battery 1 influenced negatively as little as possible.

5 zeigt eine Elektrodenstruktur 8c für den Separator 6, die als Vliesstruktur oder als Matte ausgebildet ist. Bei der Elektrodenstruktur 8c liegt das Elektrodenmaterial als eine Schicht aus einanderhaftenden und unregelmäßig angeordneten Filamenten 9 vor. 5 shows an electrode structure 8c for the separator 6th , which is designed as a fleece structure or as a mat. With the electrode structure 8c the electrode material lies as a layer of filaments that adhere to one another and are irregularly arranged 9 in front.

In 6 ist ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Separators 6 gezeigt. Dazu wird im Schritt S1 die Elektrodenstruktur 8a; 8b; 8c bereitgestellt. Im Schritt S2 wird die Elektrodenstruktur 8a; 8b; 8c beschichtet, insbesondere mittels Moleküllagenabscheidung oder Dip-Coating. Als Material wird eines der oben beschriebenen Materialien für die Beschichtung 10 verwendet. In der Regel wird durch den Schritt S2 die gesamte Oberfläche der Elektrodenstruktur 8a; 8b; 8c mit der Beschichtung 10 abgedeckt, so dass die Elektrodenstruktur 8a; 8b; 8c und der Separator 6 ein einziges Bauteil sind, also einstückig ausgebildet sind.In 6th is a method for producing the separator of the invention 6th shown. This is done in step S1 the electrode structure 8a ; 8b ; 8c provided. In step S2 becomes the electrode structure 8a ; 8b ; 8c coated, in particular by means of molecular layer deposition or dip coating. The material used for the coating is one of the materials described above 10 used. Usually is done by the step S2 the entire surface of the electrode structure 8a ; 8b ; 8c with the coating 10 covered so that the electrode structure 8a ; 8b ; 8c and the separator 6th are a single component, so are formed in one piece.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Batteriebattery
22
Anodeanode
44th
Kathodecathode
66th
Separatorseparator
8a-c8a-c
ElektrodenstrukturElectrode structure
99
FilamentFilament
1010
BeschichtungCoating
2020th
Verbraucherconsumer
2222nd
erste Messeinrichtungfirst measuring device
2424
zweite Messeinrichtungsecond measuring device
BB.
Achseaxis
CC.
Achseaxis
S1S1
Schritt S1Step S1
S2S2
Schritt S2Step S2
wxwx
erste Gitterweitefirst grid width
wywy
zweite Gitterweitesecond grid size

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102014001260 A1 [0003]DE 102014001260 A1 [0003]

Claims (10)

Separator (6) für eine Batterie (1), umfassend: - eine Elektrodenstruktur (8a; 8b; 8c); und - eine Beschichtung (10), wobei die Elektrodenstruktur (8a; 8b; 8c) gitterartig und insbesondere offene Hohlräume definierend ausgebildet ist und die Beschichtung (10) die Elektrodenstruktur (8a; 8b; 8c) elektrisch isolierend abdeckt.A separator (6) for a battery (1) comprising: - An electrode structure (8a; 8b; 8c); and - A coating (10), the electrode structure (8a; 8b; 8c) being designed like a grid and in particular defining open cavities and the coating (10) covering the electrode structure (8a; 8b; 8c) in an electrically insulating manner. Separator (6) nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (10) eine gesamte Oberfläche der Elektrodenstruktur (8a; 8b; 8c) bedeckt.Separator (6) Claim 1 wherein the coating (10) covers an entire surface of the electrode structure (8a; 8b; 8c). Separator (6) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektrodenstruktur (8a; 8b; 8c) eine der folgenden Strukturen umfasst: Gewebe, Gewirke, Gelege.Separator (6) Claim 1 or 2 , wherein the electrode structure (8a; 8b; 8c) comprises one of the following structures: woven fabric, knitted fabric, scrim. Separator (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Elektrodenstruktur (8a; 8b; 8c) aus Filamenten (9) gebildet ist, die einen Durchmesser zwischen 1 µm und 10 µm aufweisen.Separator (6) according to one of the preceding claims, wherein the electrode structure (8a; 8b; 8c) is formed from filaments (9) which have a diameter between 1 µm and 10 µm. Separator (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Separator (6) eine Dicke zwischen 5 µm und 35 µm, insbesondere zwischen 10 µm und 25 µm, aufweist.Separator (6) according to one of the preceding claims, wherein the separator (6) has a thickness between 5 µm and 35 µm, in particular between 10 µm and 25 µm. Separator (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Beschichtung (10) mittels eines Moleküllagenabscheidungsverfahrens gebildet ist.Separator (6) according to one of the preceding claims, wherein the coating (10) is formed by means of a molecular layer deposition process. Separator (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Beschichtung (10) aus einem Material geformt ist, das gegen einen Elektrolyten einer Lithium-Ionen-Batterie beständig ist.Separator (6) according to one of the preceding claims, wherein the coating (10) is formed from a material which is resistant to an electrolyte of a lithium-ion battery. Separator (6) nach Anspruch 7, wobei das Material eines von folgenden ist: wasserlösliches Polymer, PVDF, PTFE, PVA, Keramik.Separator (6) Claim 7 wherein the material is one of the following: water soluble polymer, PVDF, PTFE, PVA, ceramic. Batterie (1), insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, umfassend: - eine Kathode (4); - eine Anode (2); und - einen Separator (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der zwischen der Kathode (4) und Anode (2) angeordnet ist.Battery (1), in particular a lithium-ion battery, comprising: - a cathode (4); - an anode (2); and - a separator (6) according to one of the Claims 1 to 8th , which is arranged between the cathode (4) and anode (2). Verfahren zur Herstellung eines Separators (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend: - Bereitstellen einer Elektrodenstruktur (8a; 8b; 8c), die gitterartig ausgebildet ist und insbesondere offene Hohlräume definiert; und - Beschichten der Elektrodenstruktur (8a; 8b; 8c) mit einem Separatormaterial.Method for producing a separator (6) according to one of the Claims 1 to 8th comprising: - providing an electrode structure (8a; 8b; 8c) which is designed like a grid and in particular defines open cavities; and - coating the electrode structure (8a; 8b; 8c) with a separator material.
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