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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle und deren Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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Zur Umsetzung der Elektromobilität werden wieder aufladbare Batterien zur mehrfachen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie verwendet. Dafür sind Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer vergleichsweise großen Energiedichte, ihrer guten thermischen Stabilität und ihrer geringen Selbstentladung besonders geeignet.
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Eine Lithium-Ionen-Batterie umfasst in der Regel mehrere Batteriemodule. Ein Batteriemodul setzt sich wiederum aus mehreren Batteriezellen zusammen. Eine Batteriezelle weist typischerweise ein Batteriezellengehäuse auf, welches zumindest eine Elektrodeneinheit in Form eines Elektrodenwickels oder eines Elektrodenstapels aufnimmt. Ferner weist die Batteriezelle einen Elektrolyten auf, der ionenleitend ist. Dabei kann der Elektrolyt flüssig oder als Festkörper ausgeführt sein. Ein Festkörperelektrolyt weist verglichen mit einem flüssigen Elektrolyten eine geringere Entflammbarkeit und Explosionsgefahr auf. Diese Sicherheitscharakteristika ermöglichen einen besonders geeigneten Einsatz solcher Batteriezellen mit einem Festkörperelektrolyten im Rahmen der Elektromobilität.
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Aus dem Dokument
DE 10 2013 224 302 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, die eine negative Elektrode, eine positive Elektrode und eine auf der negativen Elektrode angeordnete Schutzschicht umfasst, wobei die Schutzschicht eine gitterförmige Struktur aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine Batteriezelle und eine Verwendung einer solchen mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereitgestellt.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezelle weist dabei mindestens eine Elektrodeneinheit auf, die eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen dazwischen angeordneten Separator umfasst. Dabei ist eine Zwischenschicht zwischen einer der Elektroden und dem Separator der mindestens einen Elektrodeneinheit angeordnet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Zwischenschicht einen gelartigen Elektrolyten aufweist. Dabei ist der gelartige Elektrolyt beispielsweise ein flüssiger Elektrolyt, welchem eine hohe Konzentration an Leitsalz zugegeben ist, oder ein Festkörperlelektrolyt, welchem ein flüssiges Lösungsmittel zugesetzt ist. Ein solcher gelartiger Elektrolyt weist hierbei eine höhere Viskosität als ein flüssiger Elektrolyt, jedoch eine niedrigere Viskosität als ein Festkörperelektrolyt auf.
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Weist eine der Elektroden der mindestens einen Elektrodeneinheit metallisches Lithium auf, tritt während eines Lade- oder Entladevorgangs der erfindungsgemäßen Batteriezelle möglicherweise ein unerwünschtes Wachstum von Lithiumdendriten an der Grenzfläche zwischen der betroffenen Elektrode und dem benachbarten Separator auf, welches zu einem Kurzschluss in der erfindungsgemäßen Batteriezelle führen kann. Der Grund dafür ist, dass Lithiumdendriten eine nadelartige Struktur aufweisen und somit von der Elektrode aus metallischem Lithium durch den Separator bis zu der anderen Elektrode der mindesten einen Elektrodeneinheit durchdringen können. Auf diese Weise kommen die beiden Elektroden der mindestens einen Elektrodeneinheit, welche üblicherweise gegenpolig ausführt sind, in Kontakt miteinander und ein Kurzschluss wird in der betroffenen Batteriezelle verursacht.
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Als Separator der mindestens einen Elektrodeneinheit wird ein Festkörperelektrolyt aus einem sulfidischen lonenleiter aufgrund deren hoher lonenleitfähigkeit bevorzugt. Jedoch können Zersetzungsreaktionen in einem solchen Separator auftreten, wenn der betroffene Separator direkt auf einer Elektrode aus metallischem Lithium angeordnet ist. Als Folge verdickt sich eine Grenzschicht (engl. solid electrolyte interphase), welche durch eine Reaktion des sulfidischen lonenleiters des Separators mit dem metallischen Lithium auf der betroffenen Elektrode entsteht. Diese verdickte Grenzschicht erschwert vor allem einen Ionentransport zwischen dem Separator und der Elektrode aus metallischem Lithium der mindestens einen Elektrodeneinheit. Dies verursacht wiederum einen erhöhten Innenwiederstand in der erfindungsgemäßen Batteriezelle.
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Dadurch, dass eine Zwischenschicht zwischen einer der Elektroden und dem Separator der mindestens einen Elektrodeneinheit angeordnet ist, wird die Elektrode aus metallischem Lithium von dem Separator aus einem Festkörperelektrolyten getrennt. Auf diese Weise werden das Bilden von Dendriten und zugleich das Verdicken einer Grenzschicht auf der einen Elektrode der mindestens einen Elektrodeneinheit vermieden. Da die Zwischenschicht ferner einen gelartigen Elektrolyten aufweist, wird ein Ionentransport von der einen Elektrode, worauf der gelartige Elektrolyt aufgebracht ist, durch die Zwischenschicht sowie den Separator bis zu der anderen Elektrode innerhalb der erfindungsgemäßen Batteriezelle gewährleistet.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteilhaft ist es, wenn ein Lithiumsalz mit einer Konzentration von mindestens 2 mol/l in dem gelartigen Elektrolyten enthalten ist.
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Weiter ist es vorteilhaft, wenn der gelartige Elektrolyt ein organisches Lösungsmittel in Form eines etherbasierten Lösemittels, eines esterbasierten Lösemittels, eines carbonatbasierten Lösemittels, eines nitrilbasierten Lösemittels, eines sulfoxidbasierten Lösemittels oder einer Mischung derselben aufweist. Als geeignete Lösungsmittel sind hier z.B. Diethylether, Ethylacetat, Dimethylcarbonat, Acetonitril oder Dimethylsulfoxid denkbar.
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Solche Lösungsmittel weisen eine relativ gute chemische Stabilität auf, wenn sie in Kontakt mit metallischem Lithium kommen.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn der gelartige Elektrolyt ein Polymer umfasst.
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Durch das Vorhandsein eines Polymers in dem gelartigen Elektrolyten wird die mechanische Stabilität der Zwischenschicht und somit der mindestens einen Elektrodeneinheit der erfindungsgemäßen Batteriezelle verbessert.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Zwischenschicht eine Dicke von maximal 5 µm aufweist. Vorzugsweise weist die Zwischenschicht dabei eine Dicke von maximal 2 µm auf.
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Diese Maßnahme stellt sicher, dass eine relativ dünne Zwischenschicht mit einem geringen elektrischen Widerstand in der erfindungsgemäßen Batteriezelle vorgesehen ist.
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Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Zwischenschicht eine poröse Struktur aufweist. Dabei sind die Poren der porösen Struktur der Zwischenschicht zumindest teilweise mit dem gelartigen Elektrolyten ausfüllt.
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Eine derartige Lösung bietet den Vorteil, dass der elektrische Widerstand an der Grenze zur Zwischenschicht verkleinert wird. Der Grund dafür ist, dass die Mobilität der Lithium-Ionen durch das Vorsehen des gelartigen Elektrolyten in den Poren der Zwischenschicht deutlich erhöht wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die negative Elektrode der mindestens einen Elektrodeneinheit metallisches Lithium aufweist.
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Da metallisches Lithium eine sehr große spezifische Kapazität besitzt, werden die gravimetrische und zugleich die volumetrische Energiedichte der erfindungsgemäßen Batteriezelle verbessert.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Separator der mindestens einen Elektrodeneinheit einen Festkörperelektrolyten aufweist.
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Ein solcher Separator lässt sich vorteilhaft mit einer negativen Elektrode aus metallischem Lithium kombinieren. Somit wird eine Batteriezelle mit einer reduzierten Entflammbarkeit und gleichzeitig einer verbesserten gravimetrischen sowie volumetrischen Energiedichte bereitgestellt.
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Die erfindungsgemäße Batteriezelle lässt sich vorteilhaft in einem Elektrofahrzeug (Electric Vehicle, EV), in einem Hybridfahrzeug (Hybride Electric Vehicle, HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) einsetzen.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Schnittansicht einer Elektrodeneinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
- 2 eine Schnittansicht einer Elektrodeneinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform einer Elektrodeneinheit 10 einer erfindungsgemäßen Batteriezelle schematisch dargestellt.
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Die Elektrodeneinheit 10 liegt z.B. in Form eines Elektrodenstapels vor und umfasst beispielsweise eine positive Elektrode 102, die auch als Kathode bezeichnet wird, einen Separator 103 und eine negative Elektrode 106, die auch als Anode bezeichnet wird. Die positive Elektrode 102 setzt sich hierbei aus einem positiven Elektrodenaktivmaterial 122 und einem positiven Stromableiter 112 zusammen. Das positive Elektrodenaktivmaterial 122 umfassend z.B. Lithium-Kobalt-Oxid ist auf dem positiven Stromableiter 112 aufgebracht, der z.B. in Form einer Aluminiumfolie ausgeführt ist.
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Die negative Elektrode 106 umfasst z.B. ein negatives Elektrodenaktivmaterial 126, welches auf einem negativen Stromableiter 116 aufgebracht ist. Dabei kann das negative Elektrodenaktivmaterial 126 beispielsweise Graphit, amorphen Kohlenstoff oder eine Mischung derselben aufweisen. Als geeignetes Material für den negativen Stromableiter 116 ist z.B. Kupfer denkbar.
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Um die positive Elektrode 102 von der negativen Elektrode 106 zu trennen, ist der Separator 103 zwischen den beiden Elektroden 102, 106 angeordnet. Dabei umfasst der Separator 103 bspw. einen gesinterten anorganischen lonenleiter wie z.B. Granate oder einen nicht gesinterten anorganischen lonenleiter wie z.B. sulfidische Gläser.
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Zwischen dem Separator 103 und der negativen Elektrode 106 ist eine Zwischenschicht 104 angeordnet. Die Zwischenschicht 104 ist z.B. porös ausgeführt, wobei sie bspw. ein Polymer als Basismaterial mit Poren umfasst, wobei die Poren mit einem gelartigen Elektrolyten ausgefüllt sind. Dabei weist sie als Polymer z.B. Polyolefine auf. Der gelartige Elektrolyt umfasst beispielsweise ein flüssiges Lösemittel aus Triethylenglycoldimethylether, in dem ein Leitsalz aus Lithiumtetrafluorborat gelöst ist. Dabei wird die zu verwendende Menge des Leitsalzes derart bestimmt, dass das Leitsalz mit einer Konzentration zwischen 2 mol/l und 6 mol/l in dem gelartigen Elektrolyten enthalten ist. Der gelartige Elektrolyt ist beispielsweise mittels einer Rakel, eines Kalanders oder einer Rotationsbeschichtung auf dem Separator 103 aufgebracht. Bei der Rotationsbeschichtung wird z.B. der Separator 103 auf einem Drehteller aufgebracht und der gelartige Elektrolyt wird mittels einer oberhalb des Drehtellers angeordneten Dosiereinrichtung auf dem Separator 103 aufgetragen. Die Elektrodeneinheit 10 wird z.B. in ein prismatisches oder folienartiges Gehäuse aufgenommen, um eine Batteriezelle auszubilden.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Elektrodeneinheit 20 einer erfindungsgemäßen Batteriezelle schematisch dargestellt. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.
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Die Elektrodeneinheit 20 ist beispielsweise als ein Elektrodenstapel ausgebildet und umfasst z.B. eine positive Elektrode 102 mit einem positiven Stromableiter 112 und einem positiven Elektrodenaktivmaterial 122. Weiter umfasst die Elektrodeneinheit 20 eine negative Elektrode 206, die z.B. aus metallischem Lithium ausgebildet ist. Dabei ist kein zusätzlicher negativer Stromableiter für die negative Elektrode 206 erforderlich, da die negative Elektrode 206 aus metallischem Lithium die Funktion eines negativen Stromableiters abdeckt. Zwischen der positiven Elektrode 102 und der negativen Elektrode 206 ist z.B. ein Separator 103 angeordnet, der einen Festkörperelektrolyten aufweist.
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Eine Zwischenschicht 104 ist beispielsweise zwischen dem Separator 103 und der negativen Elektrode 106 angeordnet. Dabei umfasst die Zwischenschicht 104 z.B. einen gelartigen Elektrolyten. Die Zwischenschicht 104 kann auch die Funktion eines Separators übernehmen und somit den Separator 103 ersetzen.
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Die Elektrodeneinheiten 10, 20 lassen sich vorteilhaft in Lithium-Ionen-Batterien verwenden. Diese wiederum finden Anwendung in E-Bikes oder Kraftfahrzeugen sowie in der stationären Speicherung elektrischer Energie.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013224302 A1 [0004]
