DE102021211598A1 - Current collector for a battery cell - Google Patents

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Miriam Kunze
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromsammler (16) für eine Batteriezelle (2), aufweisend eine Polymerfolie (22) aus einem Polymermaterial (26), und mindestens eine auf die Polymerfolie (22) aufgebrachte Metallschicht (20), wobei das Polymermaterial (26) eine für die Batteriezelle (2) sicherheitsrelevante Funktion realisiert.The invention relates to a current collector (16) for a battery cell (2), having a polymer film (22) made of a polymer material (26) and at least one metal layer (20) applied to the polymer film (22), the polymer material (26) having a for the battery cell (2) safety-related function implemented.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromsammler für eine Batteriezelle, aufweisend eine Polymerfolie aus einem elektrisch nicht leitenden Polymermaterial, und mindestens eine auf die Polymerfolie aufgebrachte Metallschicht aus einem Metallmaterial. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Batteriezelle mit einem solchen Stromsammler.The invention relates to a current collector for a battery cell, having a polymer film made from an electrically non-conductive polymer material and at least one metal layer made from a metal material applied to the polymer film. The invention also relates to a battery cell with such a current collector.

Elektrisch beziehungsweise elektromotorisch angetriebene oder antreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, umfassen in der Regel einen Elektromotor, mit dem eine oder beide Fahrzeugachsen antreibbar sind. Zur Versorgung mit elektrischer Energie ist der Elektromotor üblicherweise an ein fahrzeuginternes (Hochvolt-)Batteriesystem als elektrischen Energiespeicher angeschlossen.Motor vehicles that are driven or can be driven electrically or by an electric motor, such as electric or hybrid vehicles, generally include an electric motor with which one or both vehicle axles can be driven. To supply electrical energy, the electric motor is usually connected to a vehicle-internal (high-voltage) battery system as an electrical energy store.

Unter einer Fahrzeugbatterie ist insbesondere eine elektrochemischen Batterie beziehungsweise eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen. Bei einer solchen (sekundären) Fahrzeugbatterie ist eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar. Derartige Fahrzeugbatterien sind beispielsweise als elektrochemische Akkumulatoren, insbesondere als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt.A vehicle battery is to be understood in particular as an electrochemical battery or what is known as a secondary battery (secondary battery) of the motor vehicle. In such a (secondary) vehicle battery, chemical energy that has been consumed can be restored by means of an electrical (charging) charging process. Such vehicle batteries are designed, for example, as electrochemical accumulators, in particular as lithium-ion accumulators.

Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebsspannung weisen solche Fahrzeugbatterien typischerweise mindestens ein Batteriemodul (Batteriezellmodul) auf, bei welchem mehrere einzelne Batteriezellen modular verschaltet sind. Alternativ ist ein sogenanntes Cell2Pack-Design möglich, bei welchem die Batteriezellen direkt zu der Fahrzeugbatterie zusammengeschaltet, insbesondere parallelgeschaltet, und nicht vorab zu Modulen zusammengefasst werden.In order to generate or provide a sufficiently high operating voltage, such vehicle batteries typically have at least one battery module (battery cell module) in which several individual battery cells are connected in a modular manner. Alternatively, a so-called Cell2Pack design is possible, in which the battery cells are connected directly to the vehicle battery, in particular connected in parallel, and are not combined into modules in advance.

Die Batteriezellen sind beispielsweise als elektrochemische (Dünn-)Schichtzellen ausgeführt. Die Dünnschichtzellen weisen einen geschichteten Aufbau mit einer Kathodenschicht (Kathode) und mit einer Anodenschicht (Anode) sowie mit einer dazwischen eingebrachten Separatorschicht (Separator) auf. Diese Bestandteile werden beispielsweise von einem flüssigen Elektrolyt (Flüssigelektrolyt) durchdrungen, welcher eine ionische Verbindung der Bestandteile beziehungsweise einen Ladungsausgleich erzeugt.The battery cells are designed, for example, as electrochemical (thin) layer cells. The thin-film cells have a layered structure with a cathode layer (cathode) and with an anode layer (anode) and with a separator layer (separator) introduced in between. These components are permeated, for example, by a liquid electrolyte (liquid electrolyte), which creates an ionic connection between the components or a charge balance.

Zur Herstellung von Batteriezellen wird beispielsweise eine Aktivmaterial- oder Elektrodenmaterialschicht, auf einen folienartigen Stromsammler (Stromableiter, Stromkollektor) aufgetragen. Die Stromsammler sind hierbei häufig als Metallfolien ausgeführt, und dienen der elektrischen Kontaktierung des Elektrodenmaterials, wobei typischerweise Kupferfolien für die Anodenschichten und Aluminiumfolien für die Kathodenschichten eingesetzt werden.To produce battery cells, for example, an active material or electrode material layer is applied to a film-like current collector (current conductor, current collector). The current collectors are often designed as metal foils and are used for making electrical contact with the electrode material, with copper foils typically being used for the anode layers and aluminum foils for the cathode layers.

Unter einer „gravimetrischen Energiedichte“ der Batteriezelle ist hier und im Folgenden insbesondere zu verstehen, wie viel Energie pro Gewicht (Masse) in der Batteriezelle gespeichert werden kann. Die gravimetrischen Energiedichte wird in Kilowattstunden pro Kilogramm (kWh/kg) angegeben. Je höher die gravimetrische Energiedichte ist, desto leichter ist eine Batteriezelle bei gleicher gespeicherter Energiemenge. Insbesondere für die Elektromobilität sind hierbei Batteriezellen mit hoher gravimetrischen Energiedichte gewünscht.Here and in the following, a “gravimetric energy density” of the battery cell means in particular how much energy can be stored in the battery cell per weight (mass). The gravimetric energy density is given in kilowatt hours per kilogram (kWh/kg). The higher the gravimetric energy density, the lighter a battery cell is with the same amount of stored energy. Battery cells with a high gravimetric energy density are particularly desirable for electromobility.

Zur Verbesserung der gravimetrischen Energiedichte ist es beispielsweise möglich, die Stromsammler dünner und strukturiert zu generieren. Die Verarbeitung der immer dünneren Metallfolien ist jedoch schwieriger, so dass ein Ausschuss bei der Batteriezellenherstellung größer wird, da die dünnen Stromsammler leichter während der Verarbeitung reißen. Die Strukturierung des Stromsammlers erfordert hierbei in der Regel einen zusätzlichen Prozessschritt.To improve the gravimetric energy density, it is possible, for example, to make the current collectors thinner and more structured. However, the processing of the increasingly thin metal foils is more difficult, so that waste in battery cell production is increasing because the thin current collectors tear more easily during processing. The structuring of the current collector usually requires an additional process step.

Damit eine verbesserte gravimetrische Energiedichte der Batteriezelle erreicht wird, kann der rein metallische Stromsammler der Anode und/oder der Kathode auch durch einen Stromsammler aus einem Polymer mit (dünner) Metallschicht ersetzt werden, wobei eine Sicherheit und Lebensdauer der Batteriezelle durch geeignete Wahl der Polymere optimiert werden kann. Die Materialien von Polymer- oder Kunststofffolien weisen hierbei eine geringere Dichte als eine entsprechende Metallfolie auf, so dass eine entsprechende Baugewichtsreduzierung realisiert ist. Die Metallschicht oder Metallbeschichtung realisiert hierbei die elektrische Kontaktierung. Derartige Stromsammler sind beispielsweise in der US 2020/0052339 A1 , US 2021/0159507 A1 , und in der US 2021/0159490 A1 offenbart.In order to achieve an improved gravimetric energy density of the battery cell, the purely metallic current collector of the anode and/or the cathode can also be replaced by a current collector made of a polymer with a (thin) metal layer, with the safety and service life of the battery cell being optimized by a suitable choice of polymers can be. The materials of polymer or plastic foils have a lower density than a corresponding metal foil, so that a corresponding reduction in structural weight is achieved. In this case, the metal layer or metal coating realizes the electrical contacting. Such current collectors are, for example, in U.S. 2020/0052339 A1 , U.S. 2021/0159507 A1 , and in the US 2021/0159490 A1 disclosed.

Zur Reduzierung von Stromwärmeverlusten weisen die verschalteten Batteriemodule beziehungsweise Batteriezellen einen möglichst geringen elektrischen Innenwiderstand auf. Durch die niedrigen Innenwiderstände treten jedoch im Falle eines elektrischen Kurzschlusses vergleichsweise hohe Kurzschlussströme auf. Aufgrund der hohen Packungs- oder Energiedichte in Fahrzeugbatterien besteht hierbei die Gefahr, dass es beispielsweise aufgrund eines internen Kurzschlusses oder eines Überladens der Batteriezelle, zu einer sich selbst verstärkende Kettenreaktion kommt, welche als thermisches Durchgehen (thermische Propagation, engl.: thermal runaway) bezeichnet wird.To reduce current heat losses, the interconnected battery modules or battery cells have the lowest possible electrical internal resistance. Due to the low internal resistance, however, comparatively high short-circuit currents occur in the event of an electrical short-circuit. Due to the high packing or energy density in vehicle batteries, there is a risk that a self-reinforcing chain reaction will occur, for example due to an internal short circuit or overcharging of the battery cell, which is referred to as thermal runaway becomes.

Das thermische Durchgehen ist eine exotherme chemische Reaktion, bei welcher zum einen eine hohe Wärmeenergie freigesetzt wird, und zum anderen in den betroffenen Batteriezellen zusätzlich ein (Zell-)Gas entsteht, insbesondere aufgrund einer Zersetzung des Elektrolyts, wodurch in der Batteriezelle ein hoher Innendruck bewirkt wird. Aufgrund dessen kann sich die Batteriezelle verformen, brennen oder sogar explosionsartig den Gasdruck ablassen. Ein derartiges thermisches Durchgehen oder ein derartiger Brand aufgrund einer Selbstentzündung der Fahrzeugbatterie kann auch bei einer Beschädigung des Batteriesystems, beispielsweise im Zuge eines Fahrzeugunfalls oder Fahrzeugcrashs auftreten.Thermal runaway is an exothermic chemical reaction in which, on the one hand, a high level of heat energy is released and, on the other hand, a (cell) gas is also formed in the affected battery cells, in particular due to decomposition of the electrolyte, which causes high internal pressure in the battery cell becomes. As a result, the battery cell can deform, burn or even explode in gas pressure. Such a thermal runaway or such a fire due to self-ignition of the vehicle battery can also occur if the battery system is damaged, for example in the course of a vehicle accident or vehicle crash.

Bei einer Fahrzeugbatterie ist daher eine Brandprävention oder Brandschutz im Hinblick auf eine Selbstentzündung oder ein thermisches Durchgehen hinsichtlich der Betriebssicherheit sowie zum allgemeinen Personenschutz von besonderer Bedeutung. Der aus den Batteriezellen austretende Gasstrom (Gasvolumenstrom) weist einen hohen Volumenfluss und eine hohe (Gas-)Temperatur auf. Der Gasstrom enthält brennbare, leitfähige und glühende Stoffe/Partikel. Hierbei besteht die Gefahr, dass die im Gasstrom enthaltenen glühenden und leitfähigen Partikel weitere elektrische Kurzschlüsse bewirken, wenn der Gasstrom auf eine Hochvoltkomponente, beispielsweise einen Modulverbinder, trifft, so dass sich der Brand weiter ausbreitet.In the case of a vehicle battery, therefore, fire prevention or fire protection with regard to self-ignition or thermal runaway is of particular importance with regard to operational safety and general personal protection. The gas flow (gas volume flow) emerging from the battery cells has a high volume flow and a high (gas) temperature. The gas flow contains combustible, conductive and glowing substances/particles. There is a risk that the glowing and conductive particles contained in the gas flow will cause further electrical short circuits if the gas flow hits a high-voltage component, such as a module connector, so that the fire will spread further.

Batteriezellen weisen daher häufig zusätzliche Komponenten oder Bauteile auf, welche sicherheitsrelevante Funktionen, insbesondere für den Fall eines thermischen Durchgehens, realisieren. Die zusätzlichen Komponenten oder Bauteile reduzieren hierbei jedoch nachteiligerweise die gravimetrische Energiedichte der Batteriezelle.Battery cells therefore often have additional components or parts that implement safety-related functions, particularly in the event of a thermal runaway. However, the additional components or parts disadvantageously reduce the gravimetric energy density of the battery cell.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Stromsammler für eine Batteriezelle anzugeben. Insbesondere soll die gravimetrische Energiedichte der Batteriezelle verbessert werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Batteriezelle anzugeben.The invention is based on the object of specifying a particularly suitable current collector for a battery cell. In particular, the gravimetric energy density of the battery cell should be improved. The invention is also based on the object of specifying a particularly suitable battery cell.

Hinsichtlich des Stromsammlers wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Batteriezelle mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf den Stromsammler angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die Batteriezelle übertragbar und umgekehrt.With regard to the current collector, the object is achieved with the features of claim 1 and with regard to the battery cell with the features of claim 10. Advantageous refinements and developments are the subject of the dependent claims. The advantages and configurations listed with regard to the current collector can also be transferred to the battery cell and vice versa.

Der erfindungsgemäße Stromsammler ist für eine Batteriezelle, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Zelle, vorgesehen, sowie dafür geeignet und eingerichtet. Unter einem Stromsammler ist hier und im Folgenden insbesondere ein Stromkollektor oder Stromableiter zu verstehen, also eine Zellkomponente der Batteriezelle, auf welche ein Aktivmaterial oder Elektrodenmaterial oder Lithium aufgebracht wird, und welche zur elektrischen Kontaktierung des Aktiv- oder Elektrodenmaterials oder des Lithiums dient. Unter einem Aufbringen von Lithium wird hierbei sowohl ein Auflegen einer Lithiumfolie auf den Stromsammler, als auch ein Abscheiden von Lithium auf den Stromsammler verstanden.The current collector according to the invention is intended for a battery cell, in particular for a lithium-ion cell, and is suitable and set up for it. Here and below, a current collector is to be understood in particular as a current collector or current conductor, i.e. a cell component of the battery cell to which an active material or electrode material or lithium is applied and which is used for electrical contacting of the active or electrode material or the lithium. Applying lithium is understood here to mean both placing a lithium foil on the current collector and depositing lithium on the current collector.

Erfindungsgemäß ist der Stromsammler als ein Schichtsystem ausgeführt. Der Stromsammler weist hierbei eine Polymerfolie aus einem elektrisch nicht leitenden Polymermaterial, und mindestens eine auf die Polymerfolie aufgebrachte Metallschicht aus einem Metallmaterial auf. Unter einem Polymermaterial ist hierbei auch ein Polymer-Komposit-Material zu verstehen. Die Metallschicht ist beispielsweise durch eine stromlose galvanische Abscheidung oder mittels Pulverbeschichtung auf die Polymerfolie aufgebracht. Die Metallschicht kann jedoch auch durch physikalische Gasphasenabscheidung (engl.:, Physical Vapor Deposition, PVD) oder chemische Gasphasenabscheidung (engl.: Chemical Vapor Deposition, CVD) aufgebracht werden. Das Metallmaterial ist beispielsweise Kupfer oder Nickel, wenn der Stromsammler für eine Anode vorgesehen ist, oder Aluminium oder Nickel, wenn der Stromsammler für eine Kathode vorgesehen ist.According to the invention, the current collector is designed as a layered system. In this case, the current collector has a polymer film made of an electrically non-conductive polymer material, and at least one metal layer made of a metal material applied to the polymer film. A polymer material is also to be understood here as meaning a polymer composite material. The metal layer is applied to the polymer film, for example, by electroless galvanic deposition or by means of powder coating. However, the metal layer can also be applied by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD). The metal material is, for example, copper or nickel when the current collector is for an anode, or aluminum or nickel when the current collector is for a cathode.

Das Polymermaterial weist hierbei eine geringere Dichte als das Metallmaterial der Metallschicht auf, wobei die Foliendicke der Polymerfolie vorzugsweise größer als die Schichtdicke der Metallschicht dimensioniert ist.In this case, the polymer material has a lower density than the metal material of the metal layer, the film thickness of the polymer film preferably being dimensioned greater than the layer thickness of the metal layer.

Beispielsweise ist die Polymerfolie beidseitig mit der Metallschicht beschichtet. Dies bedeutet, dass die Metallschicht randseitig geschlossen um die Polymerfolie angeordnet ist.For example, the polymer film is coated on both sides with the metal layer. This means that the metal layer is arranged around the polymer film in a closed manner at the edge.

Erfindungsgemäß ist durch das Polymermaterial der Polymerfolie eine für die Batteriezelle sicherheitsrelevante Funktion realisiert. Unter einer „sicherheitsrelevanten Funktion“ ist hierbei eine Funktionalität oder Eigenschaft des Polymermaterials beziehungsweise der Polymerfolie zu verstehen, welche die Betriebssicherheit der Batteriezelle im Betrieb, insbesondere in einem Fehlerfall, wie beispielsweise einem thermischen Durchgehen, verbessert.According to the invention, a safety-relevant function for the battery cell is implemented by the polymer material of the polymer film. A "safety-relevant function" is understood to mean a functionality or property of the polymer material or the polymer film that improves the operational safety of the battery cell during operation, especially in the event of a fault, such as thermal runaway.

Durch die Polymerfolie wird das Baugewicht des Stromsammlers reduziert, wobei durch die Metallschicht weniger Metalleinsatz als für eine Metallfolie notwendig ist. Dadurch werden die Zellkosten in Bezug auf den Materialeinsatz reduziert, wobei auch die gravimetrische Energiedichte der Batteriezelle erhöht wird. Durch die Integration einer sicherheitsrelevanten Funktion in den Stromsammler können zusätzliche Komponenten oder Bauteile für diese Funktion bei der Batteriezelle entfallen, so dass die gravimetrische Energiedichte weiter verbessert wird. Durch eine geeignete Wahl der Prozessierung und Eigenschaften der Kunststoff- oder Polymerfolie ist somit eine einfache und aufwandreduzierte Realisierung der gewünschten Funktion realisierbar. Dadurch ist ein besonders geeigneter Stromsammler realisiert.The structural weight of the current collector is reduced by the polymer foil, with less metal being used than for a metal foil due to the metal layer. As a result, the cell reduces costs in relation to the use of materials, while also increasing the gravimetric energy density of the battery cell. By integrating a safety-relevant function in the current collector, additional components or components for this function can be omitted from the battery cell, so that the gravimetric energy density is further improved. A suitable choice of the processing and properties of the plastic or polymer film can thus be used to implement the desired function in a simple and cost-reduced manner. A particularly suitable current collector is realized as a result.

In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei der sicherheitsrelevanten Funktion um eine Temperierfunktion, eine Flammschutz- oder Brandschutzfunktion, oder eine Gasabsorptionsfunktion. Mit anderen Worten ist das Polymermaterial je nach Anforderung für eine Temperierfunktion, eine Flammschutz- oder Brandschutzfunktion, oder eine Gasabsorptionsfunktion ausgebildet.In a preferred embodiment, the safety-relevant function is a temperature control function, a flame retardant or fire protection function, or a gas absorption function. In other words, depending on the requirement, the polymer material is designed for a temperature control function, a flame retardant or fire protection function, or a gas absorption function.

Unter einer „Temperierfunktion“ ist hierbei insbesondere eine Heiz- oder Kühlfunktion zur Temperierung der Batteriezelle zu verstehen, mittels welcher die Batteriezelle auf einer möglichst konstanten Temperatur gehalten werden soll. Beispielsweise leitet das in dem Stromsammler integrierte Polymermaterial eine Wärmeentwicklung ab, wenn sich die Batteriezelle im Betrieb erwärmt, so dass die Batteriezelle temperiert beziehungsweise entwärmt oder gekühlt wird.A “temperature control function” is to be understood here in particular as a heating or cooling function for temperature control of the battery cell, by means of which the battery cell is to be kept at a temperature that is as constant as possible. For example, the polymer material integrated in the current collector dissipates heat when the battery cell heats up during operation, so that the temperature of the battery cell is controlled or heated or cooled.

Unter einer „Flammschutz- oder Brandschutzfunktion“ ist hierbei insbesondere eine Brand- oder Flammenbildungsprävention im Hinblick auf eine Selbstentzündung der Batteriezelle zu verstehen. Unter einem Brand ist hier und im Folgenden insbesondere ein Vorgang zu verstehen, bei welchem sich die Batteriemodule und/oder die Batteriezellen in einer unerwünschten chemischen Reaktion unter Wärmeentwicklung zersetzen. Brände in diesem Sinne sind insbesondere exotherme chemische Reaktionen der Batteriezellen, wie beispielsweise eine sich selbst verstärkende Kettenreaktion oder ein thermisches Durchgehen. Das Polymermaterial ist in diesem Falle also dazu ausgebildet, Brände innerhalb der Batteriezelle zu unterdrücken oder zu verhindern. Beispielsweise weist das Polymermaterial hierbei brandhemmende oder brandlöschende Eigenschaften auf. Beispielsweise ist dem Polymermaterial ein Flammschutzmittel beigesetzt.A "flame protection or fire protection function" is to be understood here in particular as a fire or flame prevention with regard to self-ignition of the battery cell. Here and in the following, a fire is to be understood in particular as a process in which the battery modules and/or the battery cells decompose in an undesired chemical reaction with the generation of heat. Fires in this sense are in particular exothermic chemical reactions of the battery cells, such as a self-reinforcing chain reaction or a thermal runaway. In this case, the polymer material is therefore designed to suppress or prevent fires within the battery cell. For example, the polymer material has fire-retardant or fire-extinguishing properties. For example, a flame retardant is added to the polymer material.

Unter einer „Gasabsorptionsfunktion“ ist hierbei insbesondere zu verstehen, dass das Polymermaterial im Betrieb entstehende Zellgase bindet. Bei dem Polymermaterial handelt es sich also um einen Gasfänger beziehungsweise um ein Gasfängermaterial. Unter einem „Gasfänger“ oder einem „Gasfängermaterial“ ist hier und im Folgenden insbesondere ein Material zu verstehen, welches auftretende Zellgase (insbesondere Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff) absorbiert und/oder adsorbiert, also physisch und/oder chemisch an sich bindet. Mit anderen Worten kann ein Gasfänger die auftretenden Zellgase absorbieren oder adsorbieren oder auch in einer Reaktion chemisch umsetzen und somit binden.A “gas absorption function” is to be understood here in particular as meaning that the polymer material binds cell gases that occur during operation. The polymer material is therefore a gas scavenger or a gas scavenger material. A “gas scavenger” or a “gas scavenger material” is to be understood here and in the following in particular as a material which absorbs and/or adsorbs cell gases (in particular carbon dioxide and oxygen) that occur, i.e. physically and/or chemically binds them to itself. In other words, a gas scavenger can absorb or adsorb the cell gases that occur or also chemically convert them in a reaction and thus bind them.

Während des Betriebs von Lithium-Ionen-Zellen treten Zersetzungsreaktionen innerhalb der Batteriezelle auf, welche ausgasen, also ein gasförmiges Reaktions- oder Entstehungsprodukt (Degradationsprodukt) erzeugen. Diese Gasentstehung oder Gasentwicklung tritt vermehrt während eines Ladevorgangs, insbesondere während eines ersten Ladeschritts, auf. Diese (Zell-)Gase sind abhängig von dem Elektrolytmaterial, wobei in der Regel im Wesentlichen Sauerstoff (O2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) gebildet werden, wobei auch entzündliche oder gesundheitsgefährdende Gase wie Ethen (C2H4), Wasserstoff (H2), oder Fluorwasserstoff (HF) gebildet werden können.During the operation of lithium-ion cells, decomposition reactions occur within the battery cell, which outgas, i.e. produce a gaseous reaction or formation product (degradation product). This gas formation or gas development occurs increasingly during a charging process, in particular during a first charging step. These (cell) gases depend on the electrolyte material, with oxygen (O 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ) generally being formed, with flammable or harmful gases such as ethene (C 2 H 4 ), hydrogen (H 2 ), or hydrogen fluoride (HF) can be formed.

Die entstehenden Gase sammeln sich im Inneren der Batteriezelle an und bewirken eine Volumenzunahme oder Volumenexpansion der Batteriezelle und/oder weitere ungewünschte Nebenreaktionen. Batteriezellen sind in der Regel zum Schutz vor äußeren Einflüssen innerhalb eines Zellgehäuses angeordnet. Häufig sind mehrere Batteriezellen zu einem Zellstapel gestapelt und mittels eines Verspannungssystems gehalten und in einem gemeinsamen Zellgehäuse aufgenommen. Die gasbedingte Volumenzunahme der oder jeder Batteriezelle kann zu Beschädigungen (Risse) oder vollständigen Zerstörung der Batterie beziehungsweise des Zellgehäuses führen oder eine vorgesehene Berstmembran des Zellgehäuses öffnen.The resulting gases accumulate inside the battery cell and cause an increase in volume or volume expansion of the battery cell and/or other undesirable side reactions. Battery cells are usually arranged inside a cell housing to protect them from external influences. Multiple battery cells are often stacked to form a cell stack and held in place by a bracing system and accommodated in a common cell housing. The gas-related increase in volume of the or each battery cell can lead to damage (cracks) or complete destruction of the battery or the cell housing, or an intended bursting membrane of the cell housing can open.

Die Bildung der Zellgase kann typischerweise nicht verhindert werden. Durch die Gasabsorptionsfunktion können somit die schädliche Einflüsse der Zellgase, wie beispielsweise einen Druckaufbau im Inneren der Batteriezelle, weitestgehend vermeiden oder zumindest reduziert werden.The formation of cell gases typically cannot be prevented. The gas absorption function can thus largely avoid or at least reduce the harmful effects of the cell gases, such as a pressure build-up inside the battery cell.

In einer zweckmäßigen Ausführung weist die Metallschicht eine gewisse Porosität auf. Dies bedeutet, dass die Metallschicht eine Anzahl von Poren oder Aussparungen (Löchern, Durchführöffnungen) aufweist, so dass die Metallschicht zumindest teilweise oder bereichsweise durchlässig oder permeabel ausgeführt ist. Dadurch wird die Polymerfolie nicht vollständig mittels der Metallschicht versiegelt oder eingeschlossen, sondern befindet sich zumindest teilweise in einem Kontakt mit der Umgebung. Dadurch können äußere Einflüsse mit dem Polymermaterial reagieren, so dass die sicherheitsrelevante Funktion zuverlässig realisiert wird. Dies ist insbesondere hinsichtlich der Gasabsorptionsfunktion vorteilhaft, bei welcher die Zellgase über die Porosität der Metallschicht in die Polymerfolie eindringen und dort gebunden werden können.In an expedient embodiment, the metal layer has a certain porosity. This means that the metal layer has a number of pores or recesses (holes, through-openings), so that the metal layer is designed to be permeable or permeable at least partially or in certain areas. As a result, the polymer film is not completely sealed or enclosed by the metal layer, but is at least partially in contact with the environment. As a result, external influences can react with the polymer material, so that the security relevant function is reliably implemented. This is particularly advantageous with regard to the gas absorption function, in which the cell gases can penetrate into the polymer film via the porosity of the metal layer and be bound there.

Der Durchmesser der Poren in der Metallschicht beträgt hierbei beispielsweise einige Mikrometer (µm) oder Millimeter (mm). Prinzipiell sind jedoch Porendurchmesser im Nanometerbereich (nm) bis Zentimeterbereich (cm), insbesondere Nanometerbereich bis Mikrometerbereich, möglich. Die Porengröße beträgt beispielsweise 1 nm bis 1 mm, bevorzugt 100 nm bis 0,1 mm, besonders bevorzugt 1 µm bis 10 µm. Die Poren in einer Kupferschicht weisen beispielsweise einen Durchmesser von etwa 1 mm (Millimeter) auf, wobei der Porendurchmesser einer Aluminiumschicht beispielsweise auf 0,8 mm bis 1,5 mm dimensioniert ist.The diameter of the pores in the metal layer is, for example, a few micrometers (μm) or millimeters (mm). In principle, however, pore diameters in the nanometer range (nm) to the centimeter range (cm), in particular the nanometer range to the micrometer range, are possible. The pore size is, for example, 1 nm to 1 mm, preferably 100 nm to 0.1 mm, particularly preferably 1 μm to 10 μm. The pores in a copper layer have a diameter of about 1 mm (millimeters), for example, with the pore diameter of an aluminum layer being dimensioned to be 0.8 mm to 1.5 mm, for example.

In einer denkbaren Ausbildung ist die Porosität durch eine Strukturierung in die Metallschicht eingebracht. Dies bedeutet, dass die Porosität nachträglich durch eine Bearbeitung in die Metallschicht eingebracht wird, die Porosität ergibt sich also nicht bereits durch die Beschichtung der Polymerfolie mit der Metallschicht. Beispielsweise werden hierbei eine Anzahl von Poren, Löchern oder Öffnungen in die Metallschicht eingebracht, zum Beispiel mittels eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls. Dadurch ist es möglich, die Porosität gezielt an eine jeweilige Anwendung beziehungsweise hinsichtlich einer jeweils zu realisierenden sicherheitsrelevanten Eigenschaft/Funktion der Kunststofffolie anzupassen.In a conceivable embodiment, the porosity is introduced into the metal layer by structuring. This means that the porosity is subsequently introduced into the metal layer by machining, so the porosity does not already result from the coating of the polymer film with the metal layer. For example, a number of pores, holes or openings are introduced into the metal layer, for example by means of a laser beam or an electron beam. This makes it possible to adapt the porosity in a targeted manner to a respective application or with regard to a safety-relevant property/function of the plastic film that is to be implemented in each case.

Alternativ ist die Porosität dadurch realisiert, dass in bestimmten oder vorgegebenen Bereichen keine Metallschicht auf die Polymerfolie aufgebracht wird. Dadurch entfällt eine nachträgliche Behandlung oder Strukturierung.Alternatively, the porosity is realized in that no metal layer is applied to the polymer film in certain or predetermined areas. This eliminates subsequent treatment or structuring.

In einer geeigneten Ausführung ist die Metallschicht möglichst dünn ausgeführt, so dass eine möglichst hohe Gewichtsersparnis realisiert wird. Die Metallschicht ist hierbei jedoch ausreichend dick für eine zuverlässige und betriebssichere elektrische Leitung und Kontaktierung. Vorzugsweise weist die Metallschicht hierbei eine Schichtdicke zwischen einigen Nanometer und einigen Mikrometern auf. Beispielsweise weist die Metallschicht eine Schichtdicke von 10 nm bis 10 µm, bevorzugt von 0,1 µm bis 5 µm, besonders bevorzugt von 0,5 µm bis 3 µm, auf.In a suitable embodiment, the metal layer is made as thin as possible, so that the greatest possible weight saving is achieved. In this case, however, the metal layer is sufficiently thick for reliable and operationally safe electrical conduction and contacting. In this case, the metal layer preferably has a layer thickness of between a few nanometers and a few micrometers. For example, the metal layer has a layer thickness of 10 nm to 10 μm, preferably 0.1 μm to 5 μm, particularly preferably 0.5 μm to 3 μm.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Polymerfolie einerseits zur Gewichtsreduktion möglichst dünn, andererseits auch ausreichend dick ausgeführt, so dass eine hinreichende mechanische Stabilität des Stromsammlers gewährleistet ist, so dass ein Ausschuss in der Batteriezellenherstellung reduziert wird. Die Polymerfolie weist hierbei weiterhin eine ausreichende Foliendicke auf, um die gewünschte Funktionalität zuverlässig und sicher zu realisieren. Je nach Funktionalität und Polymermaterial weist die Polymerfolie eine Foliendicke im Nanometerbereich bis Mikrometerbereich auf. Beispielsweise weist die Polymerfolie eine Foliendicke von 100 nm bis 20 µm, bevorzugt von 0,5 µm bis 10 µm, besonders bevorzugt 1 µm bis 5 µm auf.In an expedient embodiment, the polymer film is designed to be as thin as possible to reduce weight, but also sufficiently thick to ensure sufficient mechanical stability of the current collector, so that rejects in battery cell production are reduced. In this case, the polymer film also has a sufficient film thickness to reliably and safely implement the desired functionality. Depending on the functionality and polymer material, the polymer film has a film thickness in the nanometer range to the micrometer range. For example, the polymer film has a film thickness of 100 nm to 20 μm, preferably 0.5 μm to 10 μm, particularly preferably 1 μm to 5 μm.

In einer Ausgestaltung, in welcher die Polymerfolie beziehungsweise das Polymermaterial eine Temperierfunktion realisiert, ist das Polymermaterial als ein Phasenwechselmaterial (engl.: Phase Change Material), insbesondere als ein Fest-Fest-Phasenwechselmaterial (engl.: solidsolid PCM), ausgeführt. Unter einem Fest-Fest-Phasenwechselmaterial ist hierbei ein Phasenwechselmaterial zu verstehen, welches bei einer bestimmten Temperatur einen Phasenwechsel von einer festen Phase in eine (andere) feste Phase vollzieht. Das Phasenwechselmaterial ist dazu vorgesehen und geeignet in Abhängigkeit des Phasenwechsels Wärme aufzunehmen oder abzugeben. Je nach Zellchemie wird die Phasenübergangstemperatur des Phasenwechselmaterials knapp über der idealen Batteriezelltemperatur eingestellt, beziehungsweise es wird das Polymer- oder Phasenwechselmaterial nach seiner Phasenübergangstemperatur ausgewählt. Beispielsweise weist das Phasenwechselmaterial eine Phasenübergangstemperatur zwischen 20°C und 80°C, insbesondere zwischen 30°C und 60°C auf.In one configuration, in which the polymer film or the polymer material implements a temperature control function, the polymer material is designed as a phase change material, in particular as a solid-solid phase change material (solidsolid PCM). A solid-solid phase change material is to be understood here as a phase change material which, at a specific temperature, completes a phase change from a solid phase to a (different) solid phase. The phase change material is intended and suitable for absorbing or giving off heat depending on the phase change. Depending on the cell chemistry, the phase transition temperature of the phase change material is set just above the ideal battery cell temperature, or the polymer or phase change material is selected according to its phase transition temperature. For example, the phase change material has a phase transition temperature between 20°C and 80°C, in particular between 30°C and 60°C.

In einer denkbaren Ausgestaltungsform ist die Polymerfolie beispielsweise aus Polyurethan mit einer Foliendicke von 5 µm ausgeführt, wobei eine unstrukturierte/unporöse Nickel-Kuper-Legierung (Ni-Cu) als Metallschicht mit einer Schichtdicke von 2 µm auf die Polymerfolie aufgebracht ist. Die Temperierfunktionalität ist hierbei beispielsweise für einen Temperaturbereich zwischen 55 °C und 60 °C ausgelegt.In a conceivable embodiment, the polymer film is made of polyurethane with a film thickness of 5 μm, with an unstructured/non-porous nickel-copper alloy (Ni-Cu) being applied to the polymer film as a metal layer with a layer thickness of 2 μm. The temperature control functionality is designed for a temperature range between 55 °C and 60 °C, for example.

In einer weiteren denkbaren Ausgestaltungsform ist die Polymerfolie beispielsweise vollständig von der Metallschicht eingehüllt oder umschlossen (Metallhülle). In diesem Fall kann auch ein Phasenwechselmaterial mit einem Fest-Flüssig-Phasenwechsel verwendet werden, da das Polymermaterial nicht auslaufen oder austreten kann. Beispielsweise kann hierbei eine 10 µm dicke Polymerfolie aus Paraffin verwendet werden, da die flüssige Phase durch den Druck auf die Schichten nicht wegfließen kann. Die Metallschicht oder Metallhülle weist hierbei eine Dicke von etwa 5 µm auf, wobei keine Porosität vorgesehen ist. Diese Ausgestaltungsform weist hierbei eine Temperierfunktion im Bereich zwischen 45 °C und 55 °C auf.In a further conceivable embodiment, the polymer film is, for example, completely enveloped or surrounded by the metal layer (metal envelope). In this case, a phase change material with a solid-liquid phase change can also be used since the polymeric material cannot leak or leach out. For example, a 10 μm thick polymer film made of paraffin can be used here, since the liquid phase cannot flow away due to the pressure on the layers. The metal layer or metal shell here has a thickness of about 5 μm, with no porosity being provided. This embodiment has a temperature control function in the range between 45°C and 55°C.

In einer Ausgestaltung, in welcher die Polymerfolie beziehungsweise das Polymermaterial eine Flammschutz- oder Brandschutzfunktion realisiert, ist ein Flammschutzmittel in das Polymermaterial eingebettet.In one configuration, in which the polymer film or the polymer material implements a flame retardant or fire protection function, a flame retardant is embedded in the polymer material.

In einer möglichen Ausgestaltungsform ist die Polymerfolie als ein Polyolefin, insbesondere als ein Polyethylen, ausgeführt, welches mit einem Brand- oder Flammschutzmittel, beispielsweise Aluminiumhydroxid, versetzt ist. Die Polymerfolie weist hierbei beispielsweise eine Foliendicke von etwa 8 µm auf, wobei eine etwa 2 µm dicke Metallschicht aus Kupfer aufgebracht ist. Die Metallschicht ist hierbei beispielsweise nicht strukturiert. Die Flammschutz- oder Brandschutzfunktion wird hierbei insbesondere durch eine kühlende Wasserabgabe des Aluminiumhydroxids realisiert-In one possible embodiment, the polymer film is designed as a polyolefin, in particular as a polyethylene, to which a fire retardant or flame retardant, for example aluminum hydroxide, has been added. In this case, the polymer film has, for example, a film thickness of approximately 8 μm, with an approximately 2 μm thick metal layer made of copper being applied. In this case, the metal layer is not structured, for example. The flame protection or fire protection function is realized here in particular by a cooling release of water from the aluminum hydroxide.

In einer ebenso möglichen, alternativen, Ausgestaltungsform ist die Polymerfolie aus einem Polyehterimid hergestellt. Die Polymerfolie weist hierbei vorzugsweise eine Foliendicke von etwa 5 µm auf, wobei eine etwa 3 µm dicke Metallschicht aus Aluminium auf die Polymerfolie aufgebracht ist. Die Aluminiumschicht ist hierbei vorzugsweise nicht strukturiert. Die Flammschutz- oder Brandschutzfunktion wird hierbei insbesondere dadurch realisiert, dass das Polymer schwer entflammbar ist, und somit brandhemmend wirkt.In an alternative embodiment that is also possible, the polymer film is made of a polyetherimide. The polymer film preferably has a film thickness of about 5 μm, with an approximately 3 μm thick aluminum metal layer being applied to the polymer film. In this case, the aluminum layer is preferably not structured. The flame retardant or fire protection function is realized here in particular by the fact that the polymer is flame retardant and thus has a fire retardant effect.

In einer Ausgestaltung, in welcher die Polymerfolie beziehungsweise das Polymermaterial eine Gasabsorptionsfunktion realisiert, ist Graphen in das Polymermaterial eingebettet.In one configuration, in which the polymer film or the polymer material implements a gas absorption function, graphene is embedded in the polymer material.

In einer möglichen Ausgestaltungsform ist die Polymerfolie als ein 4 µm dickes Graphen-Polymer-Komposit ausgeführt, wobei als Polymer beispielsweise Polymethylmetaacrylat (PMMA) verwendet wird. Als Metallschicht ist beispielsweise eine 3 µm dicke Aluminiumschicht aufgebracht. Die Metallschicht weist hierbei eine Porosität auf, welche beispielsweise mittels einer Strukturierung oder durch im Zuge des Abscheideprozess realisiert wird. Der Stromsammler ist hierbei mit einem Flüssigelektrolyten umspült, so dass entstehende Zellgase von der Polymerfolie beziehungsweise dem Graphen adsorbierbar oder absorbierbar sind.In one possible embodiment, the polymer film is designed as a 4 μm thick graphene-polymer composite, with polymethylmetaacrylate (PMMA), for example, being used as the polymer. A 3 μm thick aluminum layer, for example, is applied as the metal layer. In this case, the metal layer has a porosity, which is realized, for example, by means of structuring or by means of in the course of the deposition process. In this case, the current collector is flushed with a liquid electrolyte, so that cell gases that are produced can be adsorbed or absorbed by the polymer film or the graphene.

Es sind jedoch auch gasabsorbierende Ausführungen ohne Graphen denkbar. In einer ebenso möglichen Ausgestaltungsform ist die Polymerfolie beispielsweise als ein Polymerkern aus Polystyrol, insbesondere aus einem Polystyrolschaum, ausgeführt, auf welche eine 2 µm dicke Kupferschicht als Metallschicht aufgebracht ist. Im Bereich der Anode sind hierbei insbesondere Polymerfolien aus fluorierten Polymeren denkbar.However, gas-absorbing designs without graphene are also conceivable. In an embodiment that is also possible, the polymer film is designed, for example, as a polymer core made from polystyrene, in particular from a polystyrene foam, to which a 2 μm thick copper layer is applied as a metal layer. In the area of the anode, polymer films made from fluorinated polymers are particularly conceivable.

Die erfindungsgemäße Batteriezelle ist insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle. Die Batteriezelle ist beispielsweise als eine prismatische Zelle, zylindrische Zelle, oder als eine Pouchzelle ausgeführt. Die Batteriezelle weist hierbei mindestens einen vorstehend beschriebenen Stromsammler auf. Insbesondere weist die Batteriezelle einen Elektrodenstapel mit einer Anzahl von (Anoden- und Kathoden-)Stromsammlern auf. Durch die erfindungsgemäße Stromsammler wird die gravimetrische Energiedichte der Batteriezelle vorteilhaft erhöht. Dadurch ist eine besonders geeignete Batteriezelle, insbesondere für Anwendungen in der Elektromobilität realisiert.The battery cell according to the invention is in particular a lithium-ion cell. The battery cell is designed, for example, as a prismatic cell, a cylindrical cell, or as a pouch cell. In this case, the battery cell has at least one current collector as described above. In particular, the battery cell has an electrode stack with a number of (anode and cathode) current collectors. The gravimetric energy density of the battery cell is advantageously increased by the current collector according to the invention. This results in a particularly suitable battery cell, in particular for applications in electromobility.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:

  • 1 in perspektivischer Ansicht eine prismatische Batteriezelle, und
  • 2 in Schnittansicht eine Batterieelektrode der Batteriezelle.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing. It shows in schematic and simplified representations:
  • 1 a perspective view of a prismatic battery cell, and
  • 2 a sectional view of a battery electrode of the battery cell.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference symbols in all figures.

Die 1 zeigt eine prismatische Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 ist beispielsweise eine Lithium-lonen-Zelle. Die Batteriezelle 2 weist hierbei ein prismatisches Zellgehäuse (Zellcan) 4 auf, welches in der 1 teilweise geöffnet dargestellt ist, so dass ein Elektrodenwickel 6 der Batteriezelle 2 sichtbar ist. Anstelle eines Elektrodenwickels 6 ist auch ein Elektrodenstapel möglich, beispielsweise wenn die Batteriezelle 2 als eine Pouch- oder Softbag-Zelle ausgeführt ist.The 1 shows a prismatic battery cell 2. The battery cell 2 is a lithium-ion cell, for example. The battery cell 2 in this case has a prismatic cell housing (Zellcan) 4, which in the 1 is shown partially open, so that an electrode coil 6 of the battery cell 2 is visible. Instead of an electrode coil 6, an electrode stack is also possible, for example if the battery cell 2 is designed as a pouch or soft bag cell.

Der Elektrodenwickel 6 ist als ein gewickeltes oder gerolltes Schichtsystem ausgeführt, und weist eine Anodenschicht 8 und eine Kathodenschicht 10 sowie zwei Separatorschichten 12 auf, wobei je eine Separatorschicht 12 zwischen der Anodenschicht 8 und der Kathodenschicht 10 angeordnet ist. Die Anodenschicht 8 und die Kathodenschicht 10 bilden hierbei die Elektroden der Batteriezelle 2, also als Batterieelektroden, welche mit den Batteriepolen 14 verschaltet sind.The electrode coil 6 is designed as a wound or rolled layer system and has an anode layer 8 and a cathode layer 10 as well as two separator layers 12 , one separator layer 12 being arranged between the anode layer 8 and the cathode layer 10 . The anode layer 8 and the cathode layer 10 here form the electrodes of the battery cell 2, ie as battery electrodes which are connected to the battery poles 14.

Die 2 zeigt in schematischer und vereinfachter Darstellung den Aufbau der Elektrodenschichten 8, 10. Die Elektrodenschicht weist einen folienartigen Stromsammler 16 auf, auf welchen beidseitig eine Aktivmaterialbeschichtung 18 aufgebracht ist.The 2 1 shows the structure of the electrode layers 8, 10 in a schematic and simplified representation. The electrode layer has a foil-like current collector 16, to which an active material coating 18 is applied on both sides.

Der Stromsammler 16 ist hierbei ebenfalls als ein Schichtsystem mit einer beidseitig mit einer Metallschicht 20 versehenen Polymerfolie 22 ausgeführt. Die Aktivmaterialbeschichtung 18 ist hierbei auf die Metallschicht 20 aufgebracht. Die Metallschicht 20 ist beispielsweise durch eine stromlose galvanische Abscheidung oder mittels Pulverbeschichtung auf die Polymerfolie 22 aufgebracht.The current collector 16 is here also as a layer system with a both sides with a Metal layer 20 provided polymer film 22 running. In this case, the active material coating 18 is applied to the metal layer 20 . The metal layer 20 is applied to the polymer film 22, for example, by electroless galvanic deposition or by means of powder coating.

Bei einem Stromsammler 16 der Anodenschicht 8 ist das Metallmaterial 24 der Metallschicht 20 insbesondere Kupfer, wobei das Metallmaterial 24 als Aluminium ausgeführt ist, wenn es sich um den Stromsammler 16 der Kathodenschicht 10 handelt. Entsprechend handelt es sich bei der Aktivmaterialbeschichtung 18 um ein Anodenmaterial bei der Anodenschicht 8, und um ein Kathodenmaterial bei der Kathodenschicht 10.In the case of a current collector 16 of the anode layer 8, the metal material 24 of the metal layer 20 is in particular copper, with the metal material 24 being embodied as aluminum when the current collector 16 of the cathode layer 10 is concerned. Accordingly, the active material coating 18 is an anode material for the anode layer 8 and a cathode material for the cathode layer 10.

Die Polymerfolie 22 ist aus einem elektrisch nicht leitenden Polymermaterial 26 hergestellt, welches eine geringere Dichte als das Metallmaterial 24 der Metallschicht 20 aufweist. Die Polymerfolie 22 weist hierbei eine Foliendicke 28 auf, welche größer als eine Schichtdicke 30 der Metallschicht 20 dimensioniert ist.The polymer film 22 is made from an electrically non-conductive polymer material 26 which has a lower density than the metal material 24 of the metal layer 20 . In this case, the polymer film 22 has a film thickness 28 which is dimensioned greater than a layer thickness 30 of the metal layer 20 .

Die Metallschicht 20 weist vorzugsweise eine Porosität 32 mit einer Anzahl von Poren oder Löchern 34 auf, welche beispielsweise durch eine nachträgliche Bearbeitung oder Strukturierung in die Metallschicht 20 eingebracht ist. Durch die Porosität 32 befindet sich die Polymerfolie 22 zumindest abschnittsweise in einem Kontakt mit der Umgebung. Insbesondere befindet sich die Polymerfolie 22 hierbei in einem Kontakt mit einem (Flüssig-)Elektrolyten der Batteriezelle 2.The metal layer 20 preferably has a porosity 32 with a number of pores or holes 34, which are introduced into the metal layer 20, for example, by subsequent processing or structuring. Due to the porosity 32, the polymer film 22 is in contact with the environment at least in sections. In particular, the polymer film 22 is in contact with a (liquid) electrolyte of the battery cell 2.

Durch das Polymermaterial 26 der Polymerfolie 22 ist eine für die Batteriezelle 2 sicherheitsrelevante Funktion, insbesondere eine Temperierfunktion, eine Flammschutz- oder Brandschutzfunktion, oder eine Gasabsorptionsfunktion, realisiert.The polymer material 26 of the polymer film 22 implements a safety-relevant function for the battery cell 2, in particular a temperature control function, a flame retardant or fire protection function, or a gas absorption function.

Beispielsweise ist die Polymerfolie 22 hierbei als ein Polyolefin, insbesondere als ein Polyethylen, ausgeführt, welches mit einem Brand- oder Flammschutzmittel, beispielsweise Aluminiumhydroxid, versetzt ist. Die Polymerfolie 22 weist beispielsweise eine Foliendicke 28 von etwa 8 µm auf, wobei eine etwa 2 µm dicke Metallschicht 20 aus Kupfer aufgebracht ist. Der Stromsammler 16 ist hierbei insbesondere für die Anodenschicht 8 ausgeführt.For example, the polymer film 22 is designed here as a polyolefin, in particular as a polyethylene, to which a fire retardant or flame retardant, for example aluminum hydroxide, has been added. The polymer film 22 has, for example, a film thickness 28 of approximately 8 μm, with an approximately 2 μm thick metal layer 20 made of copper being applied. In this case, the current collector 16 is designed in particular for the anode layer 8 .

Für die Kathodenschicht 10 ist beispielsweise ein Stromsammler 16 mit einer Polymerfolie 22 aus einem Polyehterimid vorgesehen. Die Polymerfolie 22 weist hierbei vorzugsweise eine Foliendicke 28 von etwa 5 µm auf, wobei eine etwa 3 µm dicke Metallschicht 20 aus Aluminium auf die Polymerfolie 22 aufgebracht ist.For example, a current collector 16 with a polymer film 22 made of a polyetherimide is provided for the cathode layer 10 . In this case, the polymer film 22 preferably has a film thickness 28 of approximately 5 μm, with an approximately 3 μm thick metal layer 20 made of aluminum being applied to the polymer film 22 .

In einer Ausführungsform, in welcher die Polymerfolie 22 beziehungsweise das Polymermaterial 26 eine Temperierfunktion realisiert, ist das Polymermaterial 26 als ein Phasenwechselmaterial, insbesondere als ein Fest-Fest-Phasenwechselmaterial, ausgeführt.In an embodiment in which the polymer film 22 or the polymer material 26 implements a temperature control function, the polymer material 26 is designed as a phase change material, in particular as a solid-solid phase change material.

Beispielsweise ist die Polymerfolie 22 aus Polyurethan mit einer Foliendicke 28 von 5 µm ausgeführt, wobei eine unstrukturierte/unporöse Nickel-Kuper-Legierung (Ni-Cu) als Metallschicht 20 mit einer Schichtdicke 30 von 2 µm aufgebracht ist. Alternativ ist die Polymerfolie 22 beispielsweise vollständig von der Metallschicht 20 eingehüllt oder umschlossen. In diesem Fall kann eine 10 µm dicke Polymerfolie 22 aus Paraffin verwendet werden. Die Metallschicht 20 oder Metallhülle weist hierbei eine Schichtdicke 30 von etwa 5 µm auf, wobei keine Porosität vorgesehen ist.For example, the polymer film 22 is made of polyurethane with a film thickness 28 of 5 μm, with an unstructured/non-porous nickel-copper alloy (Ni-Cu) being applied as the metal layer 20 with a layer thickness 30 of 2 μm. Alternatively, the polymer film 22 is completely encased or surrounded by the metal layer 20, for example. In this case, a 10 μm thick polymer film 22 made of paraffin can be used. The metal layer 20 or metal shell here has a layer thickness 30 of approximately 5 μm, with no porosity being provided.

In einer Ausführungsform, in welcher die Polymerfolie 22 beziehungsweise das Polymermaterial 26 eine Flammschutz- oder Brandschutzfunktion realisiert, ist ein Flammschutzmittel in das Polymermaterial 26 eingebettet.In an embodiment in which the polymer film 22 or the polymer material 26 implements a flame retardant or fire protection function, a flame retardant is embedded in the polymer material 26 .

In einer Ausgestaltung, in welcher die Polymerfolie beziehungsweise das Polymermaterial eine Gasabsorptionsfunktion realisiert, ist beispielsweise Graphen in das Polymermaterial eingebettet.In one configuration, in which the polymer film or the polymer material implements a gas absorption function, graphene is embedded in the polymer material, for example.

In einer möglichen Ausgestaltungsform ist die Polymerfolie 22 als ein 4 µm dickes Graphen-Polymer-Komposit ausgeführt, wobei als Polymer beispielsweise Polymethylmetaacrylat (PMMA) verwendet wird. Als Metallschicht 20 ist beispielsweise eine 3 µm dicke, mit Porosität 32 versehene, Aluminiumschicht aufgebracht.In one possible embodiment, the polymer film 22 is designed as a 4 μm thick graphene-polymer composite, with polymethylmetaacrylate (PMMA), for example, being used as the polymer. For example, a 3 μm thick aluminum layer provided with porosity 32 is applied as the metal layer 20 .

Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.The claimed invention is not limited to the embodiments described above. Rather, other variants of the invention can also be derived from this by the person skilled in the art within the scope of the disclosed claims without departing from the subject matter of the claimed invention. In particular, all of the individual features described in connection with the various exemplary embodiments can also be combined in other ways within the scope of the disclosed claims, without departing from the subject matter of the claimed invention.

BezugszeichenlisteReference List

22
Batteriezellebattery cell
44
Zellgehäusecell case
66
Elektrodenwickelelectrode coil
88th
Anodenschichtanode layer
1010
Kathodenschichtcathode layer
1212
Separatorschichtseparator layer
1414
Batteriepolbattery pole
1616
Stromsammlercurrent collector
1818
Aktivmaterialbeschichtungactive material coating
2020
Metallschichtmetal layer
2222
Polymerfoliepolymer film
2424
Metallmaterialmetal material
2626
Polymermaterialpolymer material
2828
Foliendickefilm thickness
3030
Schichtdickelayer thickness
3232
Porositätporosity
3434
Porepore

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 2020/0052339 A1 [0009]US 2020/0052339 A1 [0009]
  • US 2021/0159507 A1 [0009]US 2021/0159507 A1 [0009]
  • US 2021/0159490 A1 [0009]US 2021/0159490 A1 [0009]

Claims (10)

Stromsammler (16) für eine Batteriezelle (2), aufweisend - eine Polymerfolie (22) aus einem Polymermaterial (26), und - mindestens eine auf die Polymerfolie (22) aufgebrachte Metallschicht (20), - wobei das Polymermaterial (26) eine für die Batteriezelle (2) sicherheitsrelevante Funktion realisiert.Current collector (16) for a battery cell (2), having - a polymer film (22) made of a polymer material (26), and - at least one metal layer (20) applied to the polymer film (22), - Wherein the polymer material (26) realizes a safety-relevant function for the battery cell (2). Stromsammler (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial (26) der Polymerfolie (22) eine Temperierfunktion, eine Flammschutz- oder Brandschutzfunktion, oder eine Gasabsorptionsfunktion realisiert.Current collector (16) after claim 1 , characterized in that the polymer material (26) of the polymer film (22) realizes a temperature control function, a flame retardant or fire protection function, or a gas absorption function. Stromsammler (16) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (20) eine Porosität (32) aufweist.Current collector (16) after claim 1 or 2 , characterized in that the metal layer (20) has a porosity (32). Stromsammler (16) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität (32) durch eine Strukturierung in die Metallschicht (20) eingebracht ist.Current collector (16) after claim 3 , characterized in that the porosity (32) is introduced by structuring in the metal layer (20). Stromsammler (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (20) eine Schichtdicke (30) zwischen 10 nm und 10 µm aufweist.Current collector (16) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the metal layer (20) has a layer thickness (30) between 10 nm and 10 µm. Stromsammler (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerfolie (22) eine Foliendicke (28) zwischen 100 nm und 20 µm aufweist.Current collector (16) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the polymer film (22) has a film thickness (28) between 100 nm and 20 µm. Stromsammler (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Polymermaterial (26) eine Temperierfunktion realisiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial (26) ein Phasenwechselmaterial ist.Current collector (16) according to one of Claims 1 until 6 , The polymer material (26) realizes a temperature control function, characterized in that the polymer material (26) is a phase change material. Stromsammler (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Polymermaterial (26) eine Flammschutz- oder Brandschutzfunktion realisiert, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flammschutzmittel in das Polymermaterial (26) eingebettet ist.Current collector (16) according to one of Claims 1 until 6 , wherein the polymer material (26) realizes a flame retardant or fire protection function, characterized in that a flame retardant is embedded in the polymer material (26). Stromsammler (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Polymermaterial (26) eine Gasabsorptionsfunktion realisiert, dadurch gekennzeichnet, dass Graphen in das Polymermaterial (26) eingebettet ist.Current collector (16) according to one of Claims 1 until 6 , wherein the polymer material (26) realizes a gas absorption function, characterized in that graphene is embedded in the polymer material (26). Batteriezelle (2), insbesondere Lithium-Ionen-Zelle, aufweisend mindestens einen Stromsammler (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Battery cell (2), in particular lithium-ion cell, having at least one current collector (16) according to one of Claims 1 until 9 .
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