DE102021212076A1

DE102021212076A1 - Batteriezelle

Info

Publication number: DE102021212076A1
Application number: DE102021212076.8A
Authority: DE
Inventors: Kartik Jamadar
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-10-26
Filing date: 2021-10-26
Publication date: 2023-04-27
Anticipated expiration: 2041-10-27
Also published as: DE102021212076B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einem Elektrodenstapel (5) mit zumindest einer Kathode (K), einer Anode (A) und einem Separator (S), der die Kathode (K) und die Anode (A) elektrisch voneinander trennt, wobei der Separator (S) während eines Batterieladevorgangs oder eines Batterieentladevorgangs für Ionen durchlässig ist, die sich unter Erzeugung eines Stromflusses zwischen der Kathode (K) und der Anode (A) bewegen. Erfindungsgemäß ist der Batteriezelle eine Separator-Steuerung (21) zugeordnet, mittels der der Separator (S) elektrostatisch aufladbar ist. Im elektrostatisch aufgeladenen Zustand weisen der Separator (S) und die Ionen gleichnamige Ladungen auf, wodurch der Stromfluss zwischen der Kathode (K) und der Anode (A) unterbrochen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Mittels des Separators einer Batteriezelle werden die Kathode und die Anode räumlich voneinander getrennt und voneinander elektrisch isoliert. Damit ein Batterieladevorgang sowie ein Batterieentladevorgang ablaufen kann, ist der Separator durchlässig für Ionen. Während des Batterielade- bzw. -entladevorgangs bewegen sich die Ionen unter Erzeugung eines Stromflusses zwischen der Kathode und der Anode. Der Separator kann in Doppelfunktion auch als Shutdown-Separator wirken, der zum Beispiel im Falle eines thermischen Durchgehens der Batteriezelle die lonenbewegung zwischen der Kathode und der Anode unterbricht.
Eine gattungsgemäße Batteriezelle weist einen Elektrodenstapel mit zumindest einer Kathode, einer Anode und einem Separator auf. Der Separator ist mit einer Shutdown-Funktion versehen. Diese kann im Stand der Technik durch eine, im Schichtaufbau des Separators integrierte Shutdown-Schicht mit niedriger Schmelztemperatur realisiert sein. Im Falle eines thermischen Durchgehens schmilzt die Shutdown-Schicht, wodurch der Stromfluss zwischen Anode und Kathode unterbrochen ist.
Eine solche Shutdown-Funktion ist somit nur temperaturabhängig aktivierbar, das heißt nur bei Erreichen der Schmelztemperatur der Shutdown-Schicht.
Aus der US-2017/0222281 A1 , aus der DE 11 2016 000 907 T5 , aus der DE 10 2017 218 588 A1 und aus der DE 11 2016 001 677 T5 ist jeweils ein Schichtaufbau eines Separators in einer Batteriezelle bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Batteriezelle bereitzustellen, in der die Shutdown-Funktion des Separators mit im Vergleich zum Stand der Technik größerer Anzahl von Freiheitsgraden realisierbar ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einer Batteriezelle mit einem Elektrodenstapel aus. Dieser ist aus zumindest einer Kathode, einer Anode und einem Separator aufgebaut, der die Kathode und die Anode elektrisch voneinander trennt. Der Separator ist während eines Batterieladevorgangs oder eines Batterieentladevorgangs für Ionen durchlässig, die sich unter Bildung eines Stromflusses zwischen der Kathode und der Anode bewegen. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist der Batteriezelle eine Separator-Steuerung zugeordnet, mittels der der Separator elektrostatisch aufladbar ist. Im elektrostatisch aufgeladenen Zustand weisen der Separator und die Ionen gleichnamige Ladungen auf, die sich voneinander abstoßen. Dadurch wird die lonenbewegung durch den Separator und somit der Stromfluss zwischen der Kathode und der Anode unterbrochen. Der Separator wirkt daher als ein Shutdown-Separator, der bei entsprechender Ansteuerung den Lade- oder Entladevorgang der Batteriezelle unterbricht. Auf diese Weise kann ein thermisches Durchgehen der Batteriezelle verhindert werden, und zwar unabhängig von der in der Batteriezelle vorherrschenden Prozesstemperatur.
Der Separator-Herstellungsprozess entspricht im Wesentlichen einem konventionellen Trockenherstellungsprozess. Der Separator kann aus insgesamt drei Hauptschichten bestehen, und zwar aus zwei PP-Deckschichten und einer mittleren elektrostatisch aufladbaren PE-Schicht. Die mittleren elektrostatisch aufladbaren PE-Schicht ist erfindungsgemäß so aufgebaut, dass eine schnelle positive elektrostatische Aufladung ermöglicht ist. Beispielhaft kann die mittlere elektrostatisch aufladbare PE-Schicht eine PE-Basisschicht aufweisen, die mit Polymeren beschichtet ist. Die drei Hauptschichten können in einem Extrusionsverfahren hergestellt werden. Anschließend können die drei Hauptschichten zusammenlaminiert werden.
Die PE-Basisschicht der mittleren elektrostatisch aufladbaren PE-Schicht kann zunächst mit Graphenoxid (GO) beschichtet werden und dann erneut mit Polydiallyldimethylammonium (PDDA), Polyethylenimin (PEI) und Polyallylaminhydrochlorid (PAH) beschichtet werden. Die Beschichtung mit Polykationen führte dazu, dass sich die GO-Membran schnell positiv elektrostatisch auflädt, wenn sie mit einem elektrostatischen Ladegerät (nachfolgend als lonisator bezeichnet) in Kontakt kommt. Eigentlich hat die GO-Schicht auf der PE-Basisschicht keine elektrostatische Ladung. Nur wenn es in Kontakt mit dem lonisator kommt, wird diese sehr schnell positiv aufgeladen.
Für die Beschichtung der GO-Schicht kann jedes beliebige Polykation verwendet werden. PDDA ist am bevorzugtesten, da es eine maximale elektrostatische Ladung erzeugen kann. Die GO-Schicht mit Beschichtung hat eine Dicke von etwa 100 nm.
Üblicherweise weist die Batteriezelle eine Vielzahl von Separatoren auf. Die zum Beispiel dreilagig aufgebauten Separatoren weisen eine Dicke zwischen 15 und 20 Mikrometer auf. Daher ist es nicht wünschenswert, dass sich die Kollektorbereiche (nachfolgend als Separator-Ableiter bezeichnet) der Separatoren auf der gleichen Seite befindet. Daher haben einige Separatoren einen Kollektorbereich auf der linken und einige auf der rechten Seite der Batteriezelle. Die Kollektoren (das heißt Separator-Ableiter) der linken Seite werden miteinander verbunden und die Kollektoren der rechten Seite werden miteinander verbunden.
Die wesentlichen Aspekte der Erfindung sind nachfolgend aufgelistet: So kann die PE-Mittelschicht (hergestellt im Extrusionsprozess) des Separators mit einer GO-PDDA-Beschichtung versehen sein, die sich leicht elektrostatisch positiv aufladen lässt. Die Beschichtung erfolgt im Tauchverfahren. Die PE-Schicht (Mittelschicht) des Separators wird mit einer Dicke von etwa 100 nm beschichtet.
Die Zelle wird auf herkömmliche Weise hergestellt. Wichtig ist nur, dass der Separator auch einen Kollektorbereich (das heißt Separator-Ableiter) aufweist, der aus der Pouch-Zelle herausragt. Dieser Kollektorbereich ist mit dem lonisator verbunden. Der lonisator ist über einen Signalverstärker mit dem Batteriemanagementsystem verbunden. Sobald das Batteriemanagementsystem Anomalien in der Zelle erkennt (angezeigt durch einen Temperaturanstieg), sendet es ein Shutdownsignal an den Ionisator. Der lonisator hat eine Metallnadel bzw. Kontaktstift, der in den Separator eindringt und mit der mittleren PE-Schicht in Kontakt kommt. Der lonisator nimmt Elektronen aus der GO-PDDA-Schicht auf. Dadurch wird diese Schicht positiv geladen. Aufgrund des positiv geladenen Separators können die Lithium-Ionen der Anode den Separator nicht passieren. Sie werden abgestoßen. Wenn keine Lithium-Ionen passieren können, ist der Stromkreis offen und die Zelle ist stillgelegt. In ähnlicher Weise können während des Ladevorgangs keine Lithiumionen von der Kathode zur Anode gelangen, wenn der Separator positiv geladen ist. Das bedeutet, dass die Shutdownfunktion des Separators in beide Richtungen wirkt, das heißt sowohl während des Ladens als auch während der Entladung. Die Shutdown-Funktion des Separator wird deaktiviert, wenn der lonisator abgeschaltet wird. Auf diese Weise kann der Abschalteffekt dauerhaft oder vorübergehend aufrechterhalten werden. Der Separator kann aus drei Hauptschichten bestehen. Die äußere Schicht besteht aus PP und die innere Schicht aus PE. Die innere PE-Schicht weist eine dünne Beschichtung aus GO-PDDA auf. Diese Schicht wird durch Eintauchen des PE nach dem Extrusionsprozess hergestellt. Diese Schicht kann sich sehr schnell elektrostatisch positiv aufladen und eine hohe positive Ladung pro Flächeneinheit erzeugen. Der Separator hat zumindest einen Kollektorbereich (das heißt Separator-Ableiter), der aus der Pouch-Zelle herausragt, und zwar ähnlich wie ein Stromabnehmer für Kathode und Anode. Der Kollektorbereich des Separators wird durch Ultraschallschweißen zusammengeschweißt. Normalerweise können einige wenige Separatoren in der Zelle auf der rechten Seite und einige auf der linken Seite einen Kollektor haben, so dass das Zellgehäuse von beiden Seiten gleichmäßig versiegelt ist. An diesen geschweißten Kollektorbereich ist ein lonisator angeschlossen. Dieser lonisator ist mit dem Batteriemanagementsystem verbunden.
Bevorzugt überwacht das Batteriemanagementsystem die Temperatur der Zelle und sendet ein Shutdownsignal an den lonisator, wenn die Temperatur in der Zelle plötzlich ansteigt. Der lonisator hat eine Metallnadel bzw. Kontaktstift. Dieser wird in den Separator gestochen. Auf diese Weise kommt der lonisator in Kontakt mit der mittleren Schicht des Separators. Dieser entzieht der mit GO-PDDA beschichteten, elektrostatisch aufladbaren Schicht Elektronen. Auf diese Weise wird der Separator positiv geladen. Es gibt auch andere Arten von Ionisatoren, die eine positive Ladung im Separator erzeugen können, indem sie positiv geladene Teilchen in den Separator transportieren. Sobald der Separator positiv geladen ist, stößt er die Bewegung der Lithium-Ionen ab. Auf diese Weise schließt sich der Separator. Zuvor wurde gezeigt, dass die Metallnadel in permanentem Kontakt mit dem Separator steht. Es ist auch möglich, eine bewegliche Metallnadel zu verwenden. Das bedeutet, dass der Separator vorübergehend positiv geladen werden kann. Der Separator wird nur dann aufgeladen, wenn die Nadel in Kontakt mit der mittleren Schicht des Separators ist. Dieses Prinzip des Shutdown-Separators kann auch für andere positive Metallionen wie Magnesium, Natrium usw. verwendet werden, so dass dieser Separator nicht nur für Lithium-Ionen-Batterien geeignet ist. Die Abschaltung des Separators kann ohne thermische Energie erfolgen. Das bedeutet, dass der erfindungsgemäße Separator weit unterhalb einer Shutdown-Temperatur von ca. 120°C funktionsunfähig geschaltet werden kann. Dadurch ergibt sich eine hohe Zellsicherheit gegen Kurzschluss aufgrund von Dendriten, Graten oder schwebenden Metallpartikeln. Die Zelle wird daher stillgelegt lange bevor ein Schaden eintritt. Zudem ist das derzeit gängige Verfahren zur Herstellung von Separatoren sehr gut geeignet, um den erfindungsgemäßen Separator herzustellen. Der Herstellungsprozess der Zelle bleibt auch bei Verwendung des erfindungsgemäßen Separators unverändert, außer dass der Stromabnehmerbereich (das heißt der Separator-Ableiter) des Separators ebenfalls geschweißt und mit dem lonisator verbunden werden sollte. Alle drei Hauptschichten des Separators können aus demselben Material bestehen. Nur die mittlere Schicht sollte durch Beschichtung mit GO-PDDA-Partikeln elektrostatisch aufladbar gemacht werden. Dadurch wird der Herstellungsprozess des Separators weniger komplex.
Der erfindungsgemäße Separator kann bei Lithium- und Festkörperbatterien angewendet werden, die metallisches Lithium als Anode verwenden. Hier können die Dendritenentwicklung und die damit verbundene Gefahr eines Kurzschlusses genau überwacht werden. Der erfindungsgemäße Separator kann zudem vorübergehend stillgelegt und wieder verwendet werden. Das bedeutet, dass man die Bewegung der Lithiumionen durch den Separator vorübergehend reduzieren oder stoppen kann. Das bedeutet, dass eine vorübergehende Abschaltung der Zelle möglich ist, anstatt die Zelle dauerhaft abzuschalten. Eine teilweise Stilllegung der Batteriezelle ist durch Verwendung von funktionell voneinander getrennt ansteuerbaren Separatorgruppen ermöglicht, wie es später noch beschrieben wird. Die elektrostatische Ladung kann sehr schnell entladen und geladen werden. Dies bedeutet, dass die Reaktionszeit des Separators im Vergleich zu herkömmlichen, thermisch aktivierbaren Shutdown-Separatoren sehr schnell ist. Der lonisator arbeitet mit elektrischer Energie. Wenn der lonisator genügend Ladung aufgebaut hat, kann er auch ohne GO-PDDA-Beschichtung elektrostatische Ladung an den Separator abgeben.
Nachfolgend sind Erfindungsaspekte nochmals im Einzelnen hervorgehoben. So kann in der Separator-Steuerung eine Steuereinheit und zumindest ein lonisator eingebunden sein. Der lonisator kann von der Steuereinheit mit einem Shutdownsignal angesteuert werden. Sofern ein solches Shutdownsignal am Signaleingang des Ionisators anliegt, startet dieser eine elektrostatische Aufladung des Separators.
In einer technischen Umsetzung der Batteriezelle können nicht nur die Kathode und die Anode jeweils einen Kathoden-Ableiter und einen Anoden-Ableiter aufweisen, der durch ein Batteriezellengehäuse nach gehäuseaußen geführt ist, um einen externen Stromabgriff zu ermöglichen. Zusätzlich kann auch der Separator einen Separator-Ableiter aufweisen, der mit dem Ionisator in elektrischem Kontakt bringbar ist. Im Hinblick auf die hohe Packagedichte innerhalb des Zellgehäuses ist es bevorzugt, wenn die Steuereinheit und der lonisator der Separator-Steuerung nicht innerhalb, sondern außerhalb des Zellgehäuses der Batteriezelle angeordnet sind. In diesem Fall wird der Separator-Ableiter durch das Zellgehäuse hindurch nach gehäuseaußen geführt, um einen elektrischen Kontakt mit dem gehäuseaußen angeordneten lonisator zu ermöglichen.
Der Separator weist einschließlich seines Separator-Ableiters bevorzugt einen Dreilagenaufbau auf, der aus einer elektrisch aufladbaren mittleren Schicht sowie aus elektrisch isolierenden Deckschichten aufgebaut ist, die beidseitig der mittleren Schicht angeordnet sind.
Es muss gewährleistet sein, dass die Shutdown-Funktion des Separators im Normalbetrieb der Batteriezelle betriebssicher deaktiviert bleibt und lediglich bei Vorliegen eines von der Steuereinheit generierten Shutdownsignals aktiviert wird. Vor diesem Hintergrund kann der lonisator zumindest einen Kontaktstift aufweisen, der zwischen einer Isolierstellung und einer Kontaktstellung verstellbar ist. In der Isolierstellung kann der Kontaktstift des Ionisators außer elektrischem Kontakt mit dem Separator sein. In diesem Fall kann der Kontaktstift unter Zwischenlage der isolierenden Deckschicht von der elektrostatisch aufladbaren mittleren Schicht beabstandet sein. Alternativ dazu kann in der Kontaktstellung der Kontaktstift des Ionisators in elektrischem Kontakt mit dem Separator mit dem Separator sein. In diesem Fall kann der Kontaktstift die elektrisch isolierende Deckschicht durchdringen und die elektrostatisch aufladbare mittlere Schicht kontaktieren.
Die Stellbewegung des Kontaktstiftes von seiner Isolierstellung in seine Kontaktstellung kann bei Anliegen des Shutdownsignals am lonisator initiiert werden. Sobald kein Shutdownsignal mehr am lonisator anliegt, kann gegebenenfalls der Kontaktstift wieder in seine Isolierstellung selbsttätig rückgestellt werden.
Bevorzugt kann die Batteriezelle eine Pouchzelle sein. Deren Zellgehäuse kann aus zwei tiefgezogenen Folienmaterial-Gehäuseschalen aufgebaut sein. Die beiden Gehäuseschalen sind an ihren Gehäuseflanschen an einer Fügeebene zusammengefügt. Die Anoden- und Kathoden-Ableiter sind dabei an einander gegenüberliegenden Zellgehäuse-Seiten zwischen den Gehäuseflanschen nach gehäuseaußen geführt. Zusätzlich zu den Anoden- und Kathoden-Ableitern kann auch der Separator-Ableiter zwischen den beiden Gehäuseflanschen nach gehäuseaußen geführt sein. Im Hinblick auf eine einwandfreie Funktionsfähigkeit der Batteriezelle ist es von Relevanz, den Separator-Ableiter funktionell von den Anoden- und Kathoden-Ableitern zu trennen. Vor diesem Hintergrund kann der Separator-Ableiter in der Fügeebene mit einem Querabstand zu den Anoden- und Kathoden-Ableitern positioniert sein.
In einer technischen Realisierung der Batteriezelle kann der Elektrodenstapel eine Anzahl von Separatoren aufweisen. Die Separatoren können zumindest in zwei Separatorgruppen unterteilt sein. In jeder Separatorgruppe sind die Separator-Ableiter zu einem Separator-Gesamtableiter zusammengefügt. Auf diese Weise kann jeder Separatorgruppe jeweils eine eigene Separator-Steuerung zugeordnet sein. Mittels dieser kann unabhängig von der anderen Separatorgruppe eine elektrostatische Aufladung der zugeordneten Separatorgruppe durchgeführt werden. Dadurch kann beispielhaft nur in einem Teil des Elektrodenstapels die Shutdown-Funktion aktiviert sein, während im anderen Teil des Stapels die Shutdown-Funktion deaktiviert bleibt.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die elektrostatisch aufladbare mittlere Schicht des Separators aus einem Beschichtungssystem gebildet sein, das eine Basisschicht, insbesondere eine PE-Basisschicht, aufweist. Die Basisschicht kann in Dickenrichtung nach außen beidseitig mit jeweils einer Graphenoxidschicht und mit einer PDDA-Schicht sowie bevorzugt noch mit einer PEI-Schicht und mit einer PAH-Schicht beschichtet sein.
Mittels des Ionisators können beispielhaft Elektronen aus der elektrostatisch aufladbaren mittleren Schicht des Separators abgezogen werden. Auf diese Weise bilden sich in der elektrostatisch aufladbaren mittleren Schicht positiv geladene Polykationen, die gleichnamig wie die Ionen (das heißt beispielhaft positiv geladene Lithium-Ionen) aufgeladen sind.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 eine Batteriezelle mit angedeutetem Lade-/Entladestromkreis sowie mit angedeuteter Separator-Steuerung;
2a und 2b jeweils Ansichten eines Elektrodenstapels in Explosionsdarstellung;
3a bis 3d Ansichten, anhand derer die Funktionsweise der Separator-Steuerung veranschaulicht ist;
4 in einer Detailansicht einen lonisator;
5 eine Ansicht, anhand der ein Schichtaufbau des Separators veranschaulicht ist; und
6 ein Ablaufdiagramm, das eine Prozessabfolge zur Herstellung des Separators zeigt.

In der 1 ist eine Batteriepouchzelle gezeigt, deren Zellgehäuse aus zwei Gehäuseschalen aufgebaut ist, die jeweils aus tiefgezogenem Folienmaterial gebildet sind. Die beiden Gehäuseschalen sind mittels ihrer Gehäuseflansche 3 an einer Fügeebene F zusammengefügt, und zwar mit einem Heißsiegelverfahren sowie unter Bildung einer umlaufenden Siegelnaht 4 zwischen den Gehäuseflanschen 3. Innerhalb des Zellgehäuses ist ein in der 2a oder 2b angedeuteter Elektrodenstapel 5 angeordnet. Dieser besteht in den 2a und 2b aus insgesamt fünf Separatoren S sowie zwei Anoden A und zwei Kathoden K, die wechselweise übereinander gestapelt sind. Die Anoden A sind in den 2a und 2b in einer Zellgehäuse-Seitenrichtung (in den 1 und 2 nach rechts) mit Anoden-Stromableiter bzw. Kontaktfahnen 7 verlängert. Diese sind im Zusammenbauzustand (1 oder 2a) zusammengefügt und zwischen den Gehäuseflanschen 3 des Zellgehäuses nach gehäuseaußen geführt. In gleicher Weise sind die Kathoden K in der Zellgehäuse-Seitenrichtung (in den 1 und 2 nach links) mit Kathoden-Stromableitern bzw. Kontaktfahnen 9 verlängert. Diese sind ebenfalls als zusammengefügte Einheit nach gehäuseaußen geführt. In der 1 sind die Anoden- und Kathoden-Ableiter 7, 9 an einem Lade-/Entladestromkreis angeschlossen, in dem im Ladevorgang ein Ladegerät 11 und im Entladevorgang ein Verbraucher 13 (das heißt eine Fahrzeug-Elektromaschine) eingebunden ist. Zusätzlich sind in den 1 und 2 auch die Separatoren S in der Zellgehäuse-Seitenrichtung mit Separator-Ableitern 15 verlängert. Die Separatoren S sind in der 2a oder 2b in zwei Separatorgruppen unterteilt. Die in der 2a oder 2b gezeigte obere Separatorgruppe weist zwei Separatoren S auf, deren Separator-Ableiter 15 in der Zellgehäuse-Seitenrichtung - wie auch der Kathoden-Ableiter 9 - nach links abragen. Die Separator-Ableiter 15 der oberen Separatorgruppe sind zu einem gemeinsamen Separator-Gesamtableiter 17 zusammengefügt, der im Zusammenbauzustand (1) zwischen den Gehäuseflanschen 3 nach gehäuseaußen geführt ist. Die untere Separatorgruppe weist in der 2 insgesamt drei einzelne Separatoren S auf, deren Separator-Ableiter 15 in der Zellgehäuse-Seitenrichtung - wie auch der Anoden-Ableiter 7 - nach rechts verlängert sind. Die Separator-Ableiter 15 der unteren Separatorgruppe sind ebenfalls zu einem Separator-Gesamtableiter 19 zusammengefügt, der zwischen den Gehäuseflanschen 3 des Zellgehäuses nach gehäuseaußen geführt ist.
Die beiden Separator-Gesamtableiter 17, 19 sind Bestandteile einer Separator-Ansteuerung 21 (1), in der an jedem Separator-Gesamtableiter 17, 19 ein Ionisator 23 angeschlossen ist. Die Ionisatoren 23 sind jeweils unter Zwischenschaltung eines Signalverstärkers 25 in Signalverbindung mit einem Batteriemanagementsystem als Steuereinheit 27.
Die beiden Separator-Gesamtableiter 17, 19 sind in der 1 zusammen mit den Kathoden- und Anoden-Stromableitern 7, 9 in gemeinsamer Fügeebene F zwischen den beiden Gehäuseschalen des Zellgehäuses nach gehäuseaußen geführt. Um die Funktionsfähigkeit der Batteriezelle nicht zu beeinträchtigen, sind die beiden Separator-Gesamtableiter 17, 19 jeweils über einen ausreichend großen Querversatz Δx (1) von den Anoden- und Kathoden-Ableitern 7, 9 beabstandet.
Die Arbeitsweise der Lithium-lonen-Batteriezelle in unterschiedlichen Betriebszuständen wird anhand der 3a bis 3d beschreiben. Die 3a betrifft einen Entladevorgang, bei dem die Anode A und die Kathode K an einem Entladestromkreis mit zwischengeschaltetem elektrischen Verbraucher 13 angeschlossen sind. Beim Entladevorgang werden die in der Anode A eingelagerten Lithium-Ionen durch den Separator S hindurch in Richtung Kathode K bewegt, wodurch ein Stromfluss erzeugt wird, mit dem den der Verbraucher 13 angetrieben wird. Umgekehrt dazu betrifft die 3b einen Ladevorgang, bei dem die in der Kathode K eingelagerten Lithium-Ionen sich durch den Separator S in Richtung Anode A bewegen. Die Kathode K und die Anode A sind im dargestellten Ladevorgang an einen Ladestromkreis mit zwischengeschaltetem Ladegerät 11 angeschlossen. In der 3c ist während eines Ladevorgangs die Shutdown-Funktion des Separators S aktiviert worden, bei der die Steuereinheit 27 den Ionisator 23 mit einem Shutdownsignal SD ansteuert. Bei Anliegen des Shutdownsignals SD am Ionisator 27 lädt dieser den Separator S elektrostatisch auf. Hierzu zieht der lonisator 23 Elektronen vom Separator S ab, wodurch sich positiv geladene Polykationen im Separator S bilden. Die Polykationen im Separator S und die Lithium-Ionen weisen gleichnamige (das heißt positive) Ladungen auf, die sich voneinander abstoßen. Auf diese Weise wird im Ladevorgang ein Stromfluss zwischen der Kathode K und der Anode A unterbrochen, um zum Beispiel ein thermisches Durchgehen der Batteriezelle zu verhindern. In der 3d ist während des Entladevorgangs die Shutdown-Funktion des Separators S aktiviert worden, bei der die Steuereinheit 27 den Ionisator 23 mit einem Shutdownsignal SD ansteuert. Analog zur 3c wird der Entladevorgang unterbrochen.
Je nach Bedarf kann in der 1 die Steuereinheit 27 beide Ionisatoren 23 ansteuern, oder alternativ nur einen der beiden Ionisatoren 23 mit dem Shutdownsignal SD ansteuern. In diesem Fall wird die Batteriezelle nur teilweise stillgelegt, so dass der nicht stillgelegte Bereich des Elektrodenstapels 5 weiter in Entlade- oder Ladevorgängen eingebunden sein kann.
Wie aus der 2b hervorgeht, weist der Separator S einen Dreilagenaufbau auf, und zwar mit einer elektrostatisch aufladbaren mittleren Schicht 29 sowie mit elektrisch isolierenden PP-Deckschichten 31 beidseitig der mittleren Schicht 29. Gemäß der 5 ist der lonisator 23 mit einem hubverstellbaren Kontaktstift 33 ausgebildet, der zwischen einer Isolierstellung I und einer Kontaktstellung K hubverstellbar ist. In der Isolierstellung I ist der Kontaktstift 33 des Ionisators 23 unter Zwischenlage der isolierenden Deckschicht 31 außer Kontakt mit der elektronstatisch aufladbaren mittleren Schicht 29. Demgegenüber durchdringt der Kontaktstift 33 des Ionisators 23 in der Kontaktstellung K die elektrisch isolierende Deckschicht 31 und kontaktiert die elektrostatisch aufladbare mittlere Schicht 29. Die Stellbewegung des Kontaktstifts 33 von seiner Isolierstellung I in seine Kontaktstellung K wird initiiert, sobald eine der Steuereinheit 27 generiertes Shutdownsignal SD am Ionisator 23 anliegt. Sobald das Shutdownsignal SD nicht mehr vorliegt, kann der Kontaktstift 33 gegebenenfalls selbsttätig wieder in seine Isolierstellung I zurückkehren.
In der 4 ist des Schichtaufbau des Separators S in einer Detailansicht gezeigt. Demnach ist die elektrostatisch aufladbare mittlere Schicht 29 des Separators S aus einem Beschichtungssystem gebildet, das eine PE-Basisschicht 35 aufweist. Die PE-Basisschicht 35 ist in Dickenrichtung nach außen beidseitig jeweils mit einer Graphenoxidschicht 37 und mit einer PDDA-Schicht 39 sowie mit einer PEI-Schicht 41 und einer äußeren PAH-Schicht 43 beschichtet. Die so gebildete mittlere Schicht 29 ist beidseitig mit den beiden isolierenden PP-Deckschichten 31 überdeckt.
Anhand der 6 ist in einem Blockschaltdiagramm eine Prozessroute zur Herstellung des Separators S angedeutet. Demzufolge wird zunächst in einem Extrusionsschritt die leitfähige PE-Basisschicht 35 erzeugt. Diese wird in einem Beschichtungsschritt mit der Graphenoxidschicht 37, der PDDA-Schicht 39, der PEI-Schicht 41 und der PAH-Schicht 43 beschichtet, und zwar unter Bildung der elektrostatisch aufladbaren mittleren Schicht 29, die noch als Bandware vorliegt. Die mittlere Schicht 29 wird einer Wärmebehandlung unterzogen. Anschließend erfolgt eine Lamination, bei der die mittlere Schicht 29 in einem Endlosprozess mit den beiden ebenfalls wärmebehandelten äußeren PP-Deckschichten 31 zu einer Separator-Bandware laminiert werden. Die Separator-Bandware wird in einem weiteren Prozessschritt einer Kaltstreckung und einer Heißstreckung unterworfen. In der Kaltstreckung werden Mikrorisse erzeugt, wobei oberhalb und unterhalb der Separator-Bandware jeweils eine Trägerfolie platziert ist. In der Heißstreckung werden Mikroporen erzeugt. Anschließend erfolgt eine Delamination, bei der die Trägerfolien von der Separator-Bandware getrennt werden. In einem abschließenden Prozessschritt wird die Separator-Bandware zu einzelnen Separatoren S abgelängt sowie zugeschnitten.
Bezugszeichenliste

3: Gehäuseflansch
5: Elektrodenstapel
7: Anoden-Stromableiter
9: Kathoden-Stromableiter
11: Ladegerät
13: Verbraucher
15: Separator-Ableiter
17: Separator-Gesamtableiter
19: Separator-Gesamtableiter
21: Separator-Steuerung
23: lonisator
25: Signalverstärker
27: Steuereinheit
29: elektrostatisch aufladbare mittlere Schicht
31: isolierende Deckschicht
33: Kontaktstift
35: PE-Basisschicht
37: Graphenoxid-Schicht
39: PDDA-Schicht
41: PEI-Schicht
43: PAH-Schicht
A: Anode
K: Kathode
S: Separator
Δx: Abstand
F: Fügeebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2017/0222281 A1 [0005]
DE 112016000907 T5 [0005]
DE 102017218588 A1 [0005]
DE 112016001677 T5 [0005]

Claims

Batteriezelle mit einem Elektrodenstapel (5) mit zumindest einer Kathode (K), einer Anode (A) und einem Separator (S), der die Kathode (K) und die Anode (A) elektrisch voneinander trennt, wobei der Separator (S) während eines Batterieladevorgangs oder eines Batterieentladevorgangs für Ionen durchlässig ist, die sich unter Erzeugung eines Stromflusses zwischen der Kathode (K) und der Anode (A) bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriezelle eine Separator-Steuerung (21) zugeordnet ist, mittels der der Separator (S) elektrostatisch aufladbar ist, und dass im elektrostatisch aufgeladenen Zustand der Separator (S) und die Ionen gleichnamige Ladungen aufweisen, wodurch der Stromfluss zwischen der Kathode (K) und der Anode (A) unterbrochen ist, so dass insbesondere der Separator (S) als Shutdown-Separator wirkt, der bei entsprechender Ansteuerung den Lade- oder Entladevorgang der Batteriezelle unterbricht, um insbesondere ein thermisches Durchgehen der Batteriezelle zu verhindern.
Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Separator-Steuerung (21) eine Steuereinheit (27) und zumindest ein Ionisator (23) eingebunden sind, der von der Steuereinheit (27) mit einem Shutdownsignal (SD) ansteuerbar ist, und dass bei Anliegen des Shutdownsignals (SD) der Ionisator (23) den Separator (S) elektrostatisch auflädt.
Batteriezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (S) einen Separator-Ableiter (15) aufweist, der mit dem Ionisator (23) in elektrischem Kontakt bringbar ist, und/oder dass insbesondere die Steuereinheit (27) und der Ionisator (23) außerhalb eines Zellgehäuses (1) der Batteriezelle angeordnet sind, in dem sich der Elektrodenstapel (5) befindet.
Batteriezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator-Ableiter (15) durch das Zellgehäuse (1) nach gehäuseaußen geführt ist für einen elektrischen Kontakt mit dem gehäuseaußen angeordneten lonisator (23).
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (S), insbesondere mitsamt Separator-Ableiter (15), zumindest einen Dreilagenaufbau aufweist, und zwar mit einer elektrostatisch aufladbaren mittleren Schicht (29) sowie elektrisch isolierenden Deckschichten (31) beidseitig der mittleren Schicht (29).
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionisator (23) zumindest einen Kontaktstift (33) aufweist, der zwischen einer Isolierstellung (I) und einer Kontaktstellung (K) verstellbar ist, und dass in der Isolierstellung (I) der Kontaktstift (33) des Ionisators (23) außer elektrischen Kontakt mit dem Separator (S) ist, insbesondere unter Zwischenlage der isolierenden Deckschicht (31) von der elektrostatisch aufladbaren mittleren Schicht (29) beabstandet ist, und dass in der Kontaktstellung (K) der Kontaktstift (33) des Ionisators (23) in elektrischen Kontakt mit dem Separator (S) ist, und dass insbesondere in der Kontaktstellung (K) der Kontaktstift (33) die elektrisch isolierende Deckschicht (31) durchdringt und die elektrostatisch aufladbare mittlere Schicht (29) kontaktiert.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellgehäuse (1) aus zwei Gehäuseschalen aufgebaut ist, deren Gehäuseflansche (3) an einer Fügeebene (F) zusammengefügt sind, und dass Anoden- und Kathoden-Ableiter (7, 9) zwischen den Gehäuseflanschen (3) nach gehäuseaußen geführt sind, und dass insbesondere der Separator-Ableiter (15) ebenfalls zwischen den Gehäuseflanschen (3) nach gehäuseaußen geführt ist, und zwar insbesondere in der Fügeebene (F) mit Querabstand (Δx) zu den Anoden- oder Kathoden-Ableitern (7, 9).
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenstapel (5) eine Anzahl von Separatoren (S) aufweist, und dass die Separatoren (S) in zumindest zwei Separatorgruppen unterteilt sind, und dass in jeder Separator-Gruppe die Separator-Ableiter (15) zu einem Separator-Gesamtableiter (17, 19) zusammengefügt sind, und dass jeder Separatorgruppe jeweils eine eigene Separator-Steuerung (21) zugeordnet ist, mittels der unabhängig von der anderen Separatorgruppe eine elektrostatische Aufladung durchführbar ist.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatisch aufladbare mittlere Schicht (29) des Separators (S) aus einem Beschichtungssystem gebildet ist, das eine Basisschicht (35), insbesondere eine PE-Basisschicht, aufweist, und dass die Basisschicht (35) in Dickenrichtung nach außen beidseitig jeweils mit einer Graphenoxidschicht (37) und mit einer PDDA-Schicht (39) sowie bevorzugt noch mit einer PEI-Schicht (41) und mit einer PAH-Schicht (43) beschichtet ist.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Ionisators (23) Elektronen aus der elektrostatisch aufladbaren mittleren Schicht (29) des Separators (S) abziehbar sind, und zwar unter Bildung von positiv geladenen Polykationen in der mittleren Schicht (29) des Separators (S).