DE102021212431B3 - Separator layer and electrode arrangement for a battery cell - Google Patents
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Abstract
Separatorlage (1) für eine Batteriezelle (2), wobei die Separatorlage (1) eine erste Seitenfläche (3), eine gegenüberliegend angeordnete zweite Seitenfläche (4) und dazwischen ein Substrat (5) zur Durchleitung von Ionen umfasst, wobei die erste Seitenfläche (3) durch eine erste Schicht (6) und die zweite Seitenfläche (4) durch eine zweite Schicht (7) gebildet ist, die jeweils eine Adhäsionswirkung aufweisen, so dass die Elektroden (8, 9) einer Batteriezelle (2) durch die Separatorlage (1) miteinander adhäsiv verbindbar sind; wobei die erste Schicht (6) und die zweite Schicht (7) voneinander unterschiedlich ausgeführt sind. Weiter wird eine Elektrodenanordnung (15) für eine Batteriezelle (2) angegeben. Separator layer (1) for a battery cell (2), the separator layer (1) comprising a first side surface (3), a second side surface (4) arranged opposite and a substrate (5) in between for the passage of ions, the first side surface ( 3) is formed by a first layer (6) and the second side surface (4) by a second layer (7), each having an adhesive effect, so that the electrodes (8, 9) of a battery cell (2) through the separator layer ( 1) are adhesively bondable to each other; the first layer (6) and the second layer (7) being different from each other. An electrode arrangement (15) for a battery cell (2) is also specified.
Description
Die Erfindung betrifft eine Separatorlage und eine Elektrodenanordnung für eine Batteriezelle.The invention relates to a separator layer and an electrode arrangement for a battery cell.
Für den Antrieb von Kraftfahrzeugen werden vermehrt Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Insbesondere weist z. B. ein Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeuges auf, wobei die elektrische Maschine durch die in der Batteriezelle gespeicherte elektrische Energie antreibbar ist. Batterien werden üblicherweise aus Batteriezellen zusammengesetzt, wobei jede Batteriezelle einen Stapel von Anoden-, Kathoden- und Separatorlagen aufweist. Zumindest ein Teil der Anoden- und Kathodenlagen sind als Stromableiter ausgeführt, zur Ableitung des von der Batteriezelle bereitgestellten Stroms hin zu einem außerhalb der Batteriezelle angeordneten Verbraucher. Es sind Batteriezellen mit flüssigen oder festen Elektrolyten (Festkörper-Batterie) bekannt.Batteries, in particular lithium-ion batteries, are increasingly being used to drive motor vehicles. In particular, z. B. a motor vehicle has an electric machine for driving the motor vehicle, wherein the electric machine can be driven by the electrical energy stored in the battery cell. Batteries are typically assembled from battery cells, with each battery cell having a stack of anode, cathode and separator sheets. At least part of the anode and cathode layers are designed as current collectors for diverting the current provided by the battery cell to a consumer arranged outside the battery cell. Battery cells with liquid or solid electrolytes (solid-state battery) are known.
Die vorliegende Separatorlage wird insbesondere in einer Batteriezelle mit einem flüssigen Elektrolyten oder in einer Festkörperbatteriezelle, die also ausschließlich feste Komponenten umfasst (all-solid-state-Batteriezelle bzw. Festkörper-Batteriezelle, semisolid Elektrolyte eingeschlossen, z. B. Polymere, also auch einen festen Elektrolyten), eingesetzt.The present separator layer is used in particular in a battery cell with a liquid electrolyte or in a solid-state battery cell, which therefore only comprises solid components (all-solid-state battery cell or solid-state battery cell, semi-solid electrolytes included, e.g. polymers, i.e. also a solid electrolytes) used.
Eine Batteriezelle umfasst insbesondere ein Gehäuse, das insbesondere gasdicht ausgeführt ist, und darin angeordnet mindestens einen Stapel aufeinander angeordneter Elektrodenfolien bzw. -lagen. Das Gehäuse kann als formfestes Gehäuse (z. B. prismatische Zelle oder Rundzelle) oder zumindest teilweise aus einem elastisch verformbaren Folienmaterial (Pouchzelle) ausgeführt sein. Auch eine Kombination beider Gehäusearten ist möglich.A battery cell comprises in particular a housing, which is designed in particular to be gas-tight, and arranged therein at least one stack of electrode foils or layers arranged one on top of the other. The housing can be designed as a dimensionally stable housing (e.g. prismatic cell or round cell) or at least partially made of an elastically deformable film material (pouch cell). A combination of both housing types is also possible.
Bei der Herstellung einer Elektrode einer Batteriezelle wird ein sogenanntes Trägermaterial, insbesondere ein bandförmiges Trägermaterial, z. B. eine Trägerfolie, einseitig oder beidseitig zumindest teilweise mit einem Aktivmaterial beschichtet. Die an der Elektrode ausgebildeten Stromableiter (Ableiterfähnchen) werden insbesondere durch unbeschichtete Bereiche des Trägermaterials gebildet. Das Trägermaterial umfasst z. B. Kupfer, eine Kupferlegierung, Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.In the manufacture of an electrode of a battery cell, what is known as a carrier material, in particular a strip-shaped carrier material, e.g. B. a carrier film, at least partially coated on one side or both sides with an active material. The current conductors (conductor lugs) formed on the electrode are formed in particular by uncoated areas of the carrier material. The carrier material includes z. B. copper, a copper alloy, aluminum or an aluminum alloy.
Separatorlagen werden als lonenleiter zwischen unterschiedlichen Elektroden, also zwischen Anoden und Kathoden eingesetzt. Es ist bekannt, dass Separatorlagen auf beiden, hin zu den unterschiedlichen Elektroden orientierten, Seitenflächen Beschichtungen mit adhäsiver Wirkung, also sogenannte Adhäsionsbeschichtungen, aufweisen können. Die adhäsive Wirkung ermöglicht eine Fixierung der einzelnen Lagen, also der Elektrodenlagen und der Separatorlagen zueinander.Separator layers are used as ion conductors between different electrodes, ie between anodes and cathodes. It is known that separator layers can have coatings with an adhesive effect, ie so-called adhesion coatings, on both side surfaces oriented towards the different electrodes. The adhesive effect enables the individual layers, ie the electrode layers and the separator layers, to be fixed to one another.
Adhäsionsbeschichtungen auf Separatorlagen kommen zum Einsatz, um entweder den Produktionsprozess zu verbessern/zu beschleunigen und/ oder die Eigenschaften von Lithium-Ionen Zellen (z.B. Sicherheit, Langlebigkeit, etc.) zu verbessern. Dabei kann es aufgrund der unterschiedlichen Beschaffenheit der Anode und der Kathode zu einer unterschiedlich starken/ guten Adhäsion des Separators an die jeweiligen Elektroden kommen, so dass z. B. an einer Elektrode die Anhaftung zu stark ist und ggf. der Innenwiderstand steigt oder dass die Anhaftung zu schwach ist und es ggf. zu einer Bildung einer Lücke kommt, welche sich negativ auf die Lebensdauer der Zelle auswirken kann.Adhesion coatings on separator layers are used to either improve/accelerate the production process and/or improve the properties of lithium-ion cells (e.g. safety, durability, etc.). Due to the different nature of the anode and the cathode, adhesion of the separator to the respective electrodes may differ, so that e.g. B. the adhesion to an electrode is too strong and the internal resistance may increase, or the adhesion is too weak and a gap may form, which can have a negative effect on the life of the cell.
Es ist bekannt, auf beiden Seitenflächen der Separatorlage die gleiche Adhäsionsbeschichtung aufzubringen. Dabei wird versucht eine Art Balance der Haftung zu beiden Elektroden zu finden. Dies kann durch folgende, beispielhafte Maßnahmen erfolgen:
- a) Anpassung der Beschichtungsart der Adhäsionsbeschichtung (Gravure Coating, d. h. eher vollflächig gegenüber Spray coating, d. h. eher inselartig);
- b) Auswahl des, eine adhäsive Wirkung aufweisenden Materials, z. B. PMMA (Polymethylmethacrylat), PVdF (Polyvinylidenfluorid) oder PVdF-HFP-Co-Polymer (PVdF-Hexafluoropropylen-Co-Polymer); inklusive Anpassung der Molmasse;
- c) Anpassung der Laminationsparameter (z. B. Druck, Temperatur, Zeit) der Laminationsvorrichtung, also der Parameter, mit denen die Haftung der Adhäsionsbeschichtung prozessual beeinflusst wird; und
- d) Dicke der Adhäsionsbeschichtung.
- a) Adaptation of the type of coating of the adhesion coating (gravure coating, ie rather full-surface compared to spray coating, ie rather island-like);
- b) Selection of the material having an adhesive effect, e.g. B. PMMA (polymethyl methacrylate), PVdF (polyvinylidene fluoride) or PVdF-HFP copolymer (PVdF-hexafluoropropylene copolymer); including adjustment of the molar mass;
- c) adjustment of the lamination parameters (e.g. pressure, temperature, time) of the laminating device, ie the parameters with which the adhesion of the adhesion coating is influenced by the process; and
- d) Thickness of the adhesion coating.
Es ist weiter bekannt, eine (Seitenfläche einer) Separatorlage hin zur Kathode anders auszuführen als hin zur Anode. Z. B. können keramische Schichten vorgesehen sein, die bei Lithium-Ionen Batteriezellen hin zur Kathode angeordnet sind. Die Adhäsionsbeschichtungen sind auch dabei jedoch immer gleich ausgeführt. Damit ist ein Kompromiss zwischen der Haftung zur Anode und der Haftung zur Kathode zu schließen.It is also known to design a (side surface of a) separator layer differently towards the cathode than towards the anode. For example, ceramic layers can be provided, which are arranged towards the cathode in lithium-ion battery cells. However, the adhesive coatings are always the same. This means that a compromise between adhesion to the anode and adhesion to the cathode has to be made.
Aus der
Die
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere sollen eine Separatorlage und Elektrodenanordnung vorgeschlagen werden, bei der eine zwischen Separatorlage und Elektrode vorgesehene Schicht mit adhäsiver Wirkung gezielt im Hinblick auf die jeweils benachbart angeordnete Elektrode ausgeführt ist.The object of the present invention is to at least partially solve the problems cited with reference to the prior art. In particular, a separator layer and electrode arrangement are to be proposed in which a layer provided between the separator layer and the electrode is designed with an adhesive effect in a targeted manner with regard to the respectively adjacent electrode.
Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Separatorlage mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und eine Elektrodenanordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 8 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.A separator layer having the features according to patent claim 1 and an electrode arrangement having the features according to
Es wird eine Separatorlage für eine Batteriezelle vorgeschlagen, wobei die Separatorlage eine erste Seitenfläche und eine gegenüberliegend angeordnete zweite Seitenfläche und dazwischen ein Substrat zur Durchleitung von Ionen umfasst. Die erste Seitenfläche ist durch eine erste Schicht und die zweite Seitenfläche durch eine zweite Schicht gebildet, wobei jede dieser Schichten jeweils eine Adhäsionswirkung aufweist, so dass die Elektroden einer Batteriezelle durch die Separatorlage miteinander adhäsiv verbindbar sind. Die erste Schicht und die zweite Schicht sind voneinander unterschiedlich ausgeführt, insbesondere (ausschließlich) im Hinblick auf ihre adhäsiven Eigenschaften.A separator layer for a battery cell is proposed, wherein the separator layer comprises a first side face and a second side face arranged opposite, and a substrate between them for the passage of ions. The first side surface is formed by a first layer and the second side surface by a second layer, each of these layers having an adhesive effect so that the electrodes of a battery cell can be adhesively connected to one another through the separator layer. The first layer and the second layer are designed differently from one another, in particular (exclusively) with regard to their adhesive properties.
Der hier verwendete Begriff Schicht dient insbesondere der Beschreibung der räumlichen Gestalt. Die jeweilige Schicht bildet also die jeweilige Seitenfläche. Die Schicht kann nach Art einer Beschichtung ausgeführt oder aufgetragen sein. Die Schicht weist insbesondere eine im Wesentlichen konstante Dicke auf. Die Schicht kann z. B. durch Spray Coating (also thermisches Spritzen) aufgetragen sein.The term layer used here serves in particular to describe the spatial shape. The respective layer thus forms the respective side surface. The layer can be designed or applied in the manner of a coating. In particular, the layer has a substantially constant thickness. The layer can e.g. B. be applied by spray coating (ie thermal spraying).
Die Durchleitung von Ionen wird insbesondere durch die Separatorlage gewährleistet, d. h. durch das Substrat und die beschriebenen Schichten.The passage of ions is ensured in particular by the separator layer, i. H. through the substrate and the described layers.
Die Adhäsionswirkung dient insbesondere der Verbindung der Elektroden miteinander durch die Separatorlage, so dass diese hinsichtlich ihrer Lage zueinander fixiert sind.The adhesive effect serves in particular to connect the electrodes to one another through the separator layer, so that they are fixed in relation to one another in terms of their position.
Insbesondere unterscheiden sich die erste Schicht und die zweite Schicht zumindest in Bezug auf eine der folgenden Eigenschaften voneinander:
- • Art eines die adhäsive Wirkung aufweisenden Materials (z. B. PVdF, Acrylat oder PVdF-HFP);
- • Mischungsverhältnis von unterschiedlichen Materialien;
- • Molmasse;
- • Kristallitgröße (also die Größe der kristallinen Teile eines Werkstoffes bzw. Materials oder eines polykristallinen Gefüges);
- • Anteil von PVdF (Polyvinylidenfluorid) oder von HFP (Hexafluoropropylen bzw. Fluorpolymer) in einem PVdF-HFP Co-Polymer der Adhäsionsbeschichtung;
- • Morphologie und Haftungseigenschaft, z. B. eingestellt durch eine unterschiedliche Verarbeitung bzw. Prozessierung des Materials, z. B. weil das Material wasser- oder lösungsmittelbasiert ist;
- • Dicke, in einer Normalenrichtung zur Seitenfläche;
- • Anteil einer Bedeckung der jeweiligen Seitenfläche, also z. B. vollflächige Bedeckung der jeweiligen Seitenfläche oder nur inselartig oder punktuell.
- • Type of material exhibiting the adhesive effect (e.g. PVdF, acrylate or PVdF-HFP);
- • mixing ratio of different materials;
- • Molar mass;
- • Crystallite size (ie the size of the crystalline parts of a material or a polycrystalline structure);
- • Percentage of PVdF (polyvinylidene fluoride) or HFP (hexafluoropropylene or fluoropolymer) in a PVdF-HFP copolymer of the adhesion coating;
- • Morphology and adhesion properties, e.g. B. set by a different processing or processing of the material, z. B. because the material is water or solvent based;
- • Thickness, in a direction normal to the face;
- • Percentage of coverage of the respective side surface, ie z. B. full-surface coverage of the respective side surface or only isolated or selectively.
Insbesondere umfasst das die adhäsive Wirkung umfassende Material zumindest eines der folgenden Materialien:
- • PVdF;
- • Acrylat;
- • PVdF-HFP.
- • PVDF;
- • acrylate;
- • PVdF HFP.
Insbesondere weist zumindest die erste Schicht oder die zweite Schicht, bevorzugt beide Schichten, in einer Normalenrichtung zur Seitenfläche eine Dicke von 0,05 bis 5 µm [Mikrometer], insbesondere von 0,1 bis 3 µm, auf.In particular, at least the first layer or the second layer, preferably both layers, has a thickness of 0.05 to 5 μm [microns], in particular 0.1 to 3 μm, in a direction normal to the side surface.
Insbesondere weist die Separatorlage zwischen dem Substrat und zumindest der ersten Schicht oder der zweiten Schicht eine keramische Schicht auf. Insbesondere ist die keramische Schicht aus Al2O3 oder Böhmit oder einer Mischung daraus ausgeführt bzw. weist zumindest diese Bestandteile auf. Die keramische Schicht kann (zusätzlich) SiO2, TiO2, Al2O3, BaSO4, CaCO3 oder BN aufweisen.In particular, the separator layer has a ceramic layer between the substrate and at least the first layer or the second layer. In particular, the ceramic layer is made of Al 2 O 3 or boehmite or a mixture thereof or has at least these components. The ceramic layer can (additionally) have SiO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , BaSO 4 , CaCO 3 or BN.
Insbesondere weist zumindest die keramische Schicht in einer Normalenrichtung zur Seitenfläche eine Dicke von 0,05 bis 7 µm, bevorzugt von 0,1 bis 5 µm, auf.In particular, at least the ceramic layer has a thickness of 0.05 to 7 μm, preferably 0.1 to 5 μm, in a direction normal to the side surface.
Erfindungsgemäß weist die Separatorlage zwischen dem Substrat und der ersten Schicht oder der zweiten Schicht eine Aramid-Schicht auf. Insbesondere ist die Aramid-Schicht dabei zwischen dem Substrat und der Kathode, bzw. zwischen dem Substrat und der ersten Schicht in Richtung hin zur Kathode, angeordnet. Insbesondere weist die Separatorlage dann keine weiteren keramischen Schichten auf.According to the invention, the separator layer has an aramid layer between the substrate and the first layer or the second layer. In particular, the aramid layer is arranged between the substrate and the cathode, or between the substrate and the first layer in the direction towards the cathode. In particular, the separator layer then has no further ceramic layers.
Insbesondere weist zumindest die erste Schicht oder die zweite Schicht, bevorzugt beide Schichten, keramische Partikel auf. Insbesondere weist z. B. nur die erste Schicht keramische Partikel auf, wenn nur zwischen dem Substrat und der zweiten Schicht eine keramische Schicht angeordnet ist, und umgekehrt.In particular, at least the first layer or the second layer, preferably both layers, has ceramic particles. In particular, z. For example, only the first layer has ceramic particles if only a ceramic layer is arranged between the substrate and the second layer, and vice versa.
Insbesondere sind die keramischen Partikel in der ersten und/ oder zweiten Schicht anders ausgeführt als die keramischen Partikel in der keramischen Schicht, z. B. hinsichtlich des Materials, der Größe der Partikel, der Konzentration der Partikel in der jeweiligen Schicht, der Partikelmorphologie (also der Struktur und/ oder der Form der Partikel), der Härte, der Dichte oder der BET-Oberfläche.In particular, the ceramic particles in the first and/or second layer are designed differently than the ceramic particles in the ceramic layer, e.g. B. with regard to the material, the size of the particles, the concentration of the particles in the respective layer, the particle morphology (i.e. the structure and/or the shape of the particles), the hardness, the density or the BET surface.
Insbesondere werden asymmetrische, also unterschiedliche, Adhäsionsbeschichtungen auf der Separatorlage vorgeschlagen. Konkret bedeutet dies insbesondere, dass sich die Adhäsionsschicht (erste Schicht) auf der einen Seitenfläche der Separatorlage von der Adhäsionsschicht (zweite Schichte) auf der anderen Seitenfläche voneinander unterscheiden können. Infolge der Modifikation der jeweiligen Schicht, also der ersten Schicht und/ oder der zweiten Schicht, kann dem unterschiedlichen Charakter der Anode und der Kathode Rechnung getragen werden.In particular, asymmetrical, ie different, adhesion coatings on the separator layer are proposed. Specifically, this means in particular that the adhesion layer (first layer) on one side surface of the separator layer can differ from the adhesion layer (second layer) on the other side surface. As a result of the modification of the respective layer, ie the first layer and/or the second layer, the different character of the anode and the cathode can be taken into account.
Eine bevorzugte Ausgestaltung umfasst beispielsweise, dass das Substrat der Separatorlage auf einem oder mehreren Polyolefin(en) basiert und einen Monolayer- oder Multilayer-Aufbau aufweist. Insbesondere ist das Substrat zusätzlich einseitig mit einer Keramik bzw. einer keramischen Schicht, z. B. Al2O3 oder Böhmit oder eine Mischung daraus, beschichtet. Die Keramik bzw. keramische Schicht kann (zusätzlich) SiO2, TiO2, Al2O3, BaSO4, CaCO3 oder BN aufweisenA preferred configuration includes, for example, that the substrate of the separator layer is based on one or more polyolefin(s) and has a monolayer or multilayer structure. In particular, the substrate is additionally coated on one side with a ceramic or a ceramic layer, e.g. B. Al 2 O 3 or boehmite or a mixture thereof coated. The ceramic or ceramic layer can (additionally) have SiO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , BaSO 4 , CaCO 3 or BN
Wenn die Separatorlage nur eine (einzelne) Schicht mit keramischen Partikeln bzw. nur eine (einzelne) keramische Schicht aufweist, fallen insbesondere geringere Kosten aufgrund nur einer Keramikbeschichtung an. Zudem ist die Separatorlage bei gleicher Substratdicke dünner, so dass die volumetrische Energiedichte der Batteriezelle vergrößert ist. Weiterhin ist die Separatorlage leichter, so dass die gravimetrische Energiedichte erhöht ist. Weiterhin ist der Wassereintrag in die Batteriezelle durch den Separator aufgrund der geringeren Anzahl an keramischen Partikeln reduziert.If the separator layer has only one (single) layer with ceramic particles or only one (single) ceramic layer, the costs are lower because of only one ceramic coating. In addition, the separator layer is thinner with the same substrate thickness, so that the volumetric energy density of the battery cell is increased. Furthermore, the separator sheet is lighter, so that the gravimetric energy density is increased. Furthermore, the entry of water into the battery cell through the separator is reduced due to the lower number of ceramic particles.
Sind keine keramischen Partikel in der ersten Schicht und/ oder zweiten Schicht vorhanden, können Kosten eingespart und eine leichtere Batteriezelle bereitgestellt werden, da so insgesamt weniger keramische Partikel eingesetzt werden.If there are no ceramic particles in the first layer and/or second layer, costs can be saved and a lighter battery cell can be provided, since fewer ceramic particles are used overall.
Die keramische Schicht weist insbesondere eine Dicke von 0,1 bis 5 µm [Mikrometer] auf.In particular, the ceramic layer has a thickness of 0.1 to 5 μm [microns].
Auf der keramischen Schicht ist insbesondere eine Adhäsionsbeschichtung bzw. erste oder zweite Schicht aufgebracht, die insbesondere eine Dicke von 0,1 bis 3 µm [Mikrometer] aufweist.In particular, an adhesion coating or first or second layer is applied to the ceramic layer, which in particular has a thickness of 0.1 to 3 μm [micrometers].
Die keramische Schicht ist in einer Lithium-lonen-Batteriezelle vorzugsweise in Richtung Kathode ausgerichtet angeordnet. Die Adhäsionsbeschichtung bzw. erste oder zweite Schicht besteht auf der einen Seitenfläche der Separatorlage aus einem nicht-fluorierten Polymer, wie z. B. Acrylat, vorzugsweise PMMA. Die Adhäsionsbeschichtung bzw. erste oder zweite Schicht besteht auf der anderen Seitenfläche der Separatorlage aus einem fluorierten Polymer, z. B. aus PVdF bzw. PVdF-HFP oder einer Mischung daraus.In a lithium-ion battery cell, the ceramic layer is preferably arranged aligned in the direction of the cathode. The adhesion coating or first or second layer consists on one side of the separator layer of a non-fluorinated polymer, such as. B. acrylate, preferably PMMA. The adhesion coating or first or second layer consists of a fluorinated polymer, e.g. B. from PVdF or PVdF-HFP or a mixture thereof.
Insbesondere ist die PVdF-HFP Schicht entweder dicker als die Acrylatschicht oder die PVdF-HFP Schicht besitzt eine größere Oberflächenabdeckung als die Acrylatschicht (oder beides).In particular, the PVdF-HFP layer is either thicker than the acrylate layer or the PVdF-HFP layer has a larger surface area coverage than the acrylate layer (or both).
In einer Lithium-lonen-Batteriezelle wird die Acrylatschicht des Separators vorzugsweise auf der hin zur Anode weisenden Seitenfläche der Separatorlage angeordnet.In a lithium-ion battery cell, the acrylate layer of the separator is preferably arranged on the side surface of the separator layer pointing towards the anode.
Insbesondere wird Acrylat auf der hin zur Anode orientierten Seitenfläche der Separatorlage gegenüber Fluor-basierten adhäsiv wirkenden Materialien bevorzugt, da PVdF bei den geringen Potentialen der Anode zersetzt werden kann. Zudem können Adhäsionsschichten auf Basis von Acrylat dünner prozessiert werden, was vorteilhaft für die Dicke der Separatorlage und damit die volumetrische und gravimetrische Energiedichte der Batteriezelle ist. Insbesondere werden fluorierte Polymere auf der hin zur Kathode orientierten Seitenfläche als Materialien mit adhäsiver Wirkung eingesetzt, weil diese eine hohe oxidative Stabilität aufweisen.In particular, acrylate on the side surface of the separator layer oriented toward the anode is preferred to fluorine-based adhesive materials, since PVdF can be decomposed at the low potentials of the anode. In addition, adhesive layers based on acrylate be processed thinner, which is advantageous for the thickness of the separator layer and thus the volumetric and gravimetric energy density of the battery cell. In particular, fluorinated polymers are used on the side surface oriented towards the cathode as materials with an adhesive effect because they have high oxidative stability.
Es wird weiter eine Elektrodenanordnung für eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest umfassend eine Kathode, eine Anode sowie dazwischen angeordnet die beschriebene Separatorlage.An electrode arrangement for a battery cell is also proposed, at least comprising a cathode, an anode and the described separator layer arranged between them.
Insbesondere umfasst bei der Elektrodenanordnung die Separatorlage eine erste Seitenfläche und eine gegenüberliegend angeordnete zweite Seitenfläche und dazwischen ein Substrat zur Durchleitung von Ionen. Die erste Seitenfläche ist durch eine erste Schicht und die zweite Seitenfläche durch eine zweite Schicht gebildet, wobei jede dieser Schichten jeweils eine Adhäsionswirkung aufweist, so dass die Elektroden einer Batteriezelle durch die Separatorlage miteinander adhäsiv verbunden sind. Die erste Schicht und die zweite Schicht sind voneinander unterschiedlich ausgeführt, insbesondere (ausschließlich) im Hinblick auf ihre adhäsiven Eigenschaften. Die erste Schicht und die zweite Schicht sind insbesondere an der Separatorlage angeordnet und werden nach dem Aufbringen der einzelnen Elektrodenlagen auf die Separatorlagen mit den Elektroden durch einen Aktivierungsprozess (z. B. Rollenpressen in Kombination mit einem Temperatureintrag oder Heizpresse) adhäsiv verbunden. Alternativ können die ersten Schichten und die zweiten Schichten zumindest teilweise an den Elektroden angeordnet sein, so dass das Substrat bzw. die weiteren Schichten der Separatorlagen erst nach dem Aufbringen der einzelnen Elektrodenlagen und Separatorlagen über die erste bzw. zweite Schicht mit den Separatorlagen adhäsiv verbunden werden.In particular, in the electrode arrangement, the separator layer comprises a first side surface and a second side surface arranged opposite, and a substrate between them for the passage of ions. The first side surface is formed by a first layer and the second side surface by a second layer, each of these layers having an adhesive effect, so that the electrodes of a battery cell are adhesively connected to one another by the separator layer. The first layer and the second layer are designed differently from one another, in particular (exclusively) with regard to their adhesive properties. The first layer and the second layer are arranged in particular on the separator layer and are adhesively connected to the electrodes by an activation process (e.g. roller presses in combination with a temperature input or heating press) after the individual electrode layers have been applied to the separator layers. Alternatively, the first layers and the second layers can be arranged at least partially on the electrodes, so that the substrate or the further layers of the separator layers are only adhesively connected to the separator layers via the first or second layer after the application of the individual electrode layers and separator layers .
Insbesondere ist die erste Schicht hin zur Kathode und die zweite Schicht hin zur Anode angeordnet. Insbesondere weist das Substrat zumindest ein Polyolefin oder eine Mehrzahl von Polyolefinen auf. Das Substrat ist insbesondere als Monolayer (also mit einer homogen ausgeführten Verteilung von Bestandteilen) oder als Multilayer (also bestehend aus einer Mehrzahl unterschiedlich ausgeführter Schichten) ausgeführt.In particular, the first layer is arranged towards the cathode and the second layer towards the anode. In particular, the substrate has at least one polyolefin or a plurality of polyolefins. The substrate is designed in particular as a monolayer (that is to say with a homogeneous distribution of components) or as a multilayer (that is to say consisting of a plurality of differently designed layers).
Insbesondere weist die Separatorlage zwischen dem Substrat und der ersten Schicht eine keramische Schicht auf, wobei die erste Schicht zumindest ein fluoriertes Polymer (z. B. PVdF oder PVdF-HFP oder eine Mischung daraus) und die zweite Schicht ausschließlich nicht-fluorierte Polymere (z. B. Acrylat und/ oder PMMA) aufweist.In particular, the separator layer has a ceramic layer between the substrate and the first layer, the first layer containing at least one fluorinated polymer (e.g. PVdF or PVdF-HFP or a mixture thereof) and the second layer containing exclusively non-fluorinated polymers (e.g B. acrylate and / or PMMA).
Die Separatorlage bzw. Elektrodenanordnung ist insbesondere für den Einsatz in einer Lithium-lonen-Batteriezelle vorgesehen.The separator layer or electrode arrangement is intended in particular for use in a lithium-ion battery cell.
Die Elektroden umfassen insbesondere ein Trägermaterial, z. B. eine Kupfer- oder Aluminiumfolie. Das verwendete Trägermaterial besteht insbesondere aus 3 bis 15 µm dickem Kupfer für die Anode und 3 bis 15 µm [Mikrometer] dickem Aluminium für die Kathode. Das Trägermaterial ist zumindest auf einer größten Seitenfläche der Elektrode, ggf. auch auf den einander gegenüberliegenden größten Seitenflächen zumindest teilweise mit einem Aktivmaterial beschichtet.In particular, the electrodes comprise a carrier material, e.g. B. a copper or aluminum foil. The carrier material used consists in particular of 3 to 15 μm thick copper for the anode and 3 to 15 μm [microns] thick aluminum for the cathode. The carrier material is at least partially coated with an active material on at least one of the largest side surfaces of the electrode, possibly also on the largest side surfaces lying opposite one another.
Es wird weiter eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest umfassend ein Batteriezellengehäuse und darin angeordnet mindestens die beschriebene Elektrodenanordnung.A battery cell is also proposed, at least comprising a battery cell housing and at least the described electrode arrangement arranged therein.
Die Batteriezelle ist insbesondere eine Pouchzelle (mit einem verformbaren Batteriezellengehäuse bestehend aus einer Pouchfolie) oder eine prismatische Zelle (mit einem formfesten Batteriezellengehäuse). Eine Pouchfolie ist ein bekanntes verformbares Gehäuseteil, dass als Batteriezellengehäuse für sogenannte Pouchzellen eingesetzt wird. Es handelt sich dabei um ein Kompositmaterial, z. B. umfassend mindestens einen Kunststoff und Aluminium.The battery cell is in particular a pouch cell (with a deformable battery cell housing consisting of a pouch film) or a prismatic cell (with a dimensionally stable battery cell housing). A pouch film is a well-known deformable housing part that is used as a battery cell housing for so-called pouch cells. It is a composite material, e.g. B. comprising at least one plastic and aluminum.
Die Batteriezelle ist insbesondere eine Lithium-lonen-Batteriezelle. Die Batteriezelle kann aber auch eine Natrium- oder eine andere Batteriezelle sein.The battery cell is in particular a lithium-ion battery cell. However, the battery cell can also be a sodium battery cell or another battery cell.
Eine Batteriezelle ist ein Stromspeicher, der z. B. in einem Kraftfahrzeug zum Speichern von elektrischer Energie eingesetzt wird. Insbesondere weist z. B. ein Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeuges (einen Traktionsantrieb) auf, wobei die elektrische Maschine durch die in der Batteriezelle gespeicherte elektrische Energie antreibbar ist.A battery cell is an electricity storage device that B. is used in a motor vehicle for storing electrical energy. In particular, z. B. a motor vehicle has an electric machine for driving the motor vehicle (a traction drive), wherein the electric machine can be driven by the electrical energy stored in the battery cell.
Es wird weiter ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest umfassend einen Traktionsantrieb und eine Batterie mit mindestens einer der beschriebenen Batteriezellen, wobei der Traktionsantrieb durch die mindestens eine Batteriezelle mit Energie versorgbar ist.A motor vehicle is also proposed, at least comprising a traction drive and a battery with at least one of the battery cells described, wherein the traction drive can be supplied with energy by the at least one battery cell.
Die Ausführungen zu der Separatorlage sind insbesondere auf die Elektrodenanordnung, die Batteriezelle und/ oder das Kraftfahrzeug übertragbar und umgekehrt.The explanations regarding the separator layer can be transferred in particular to the electrode arrangement, the battery cell and/or the motor vehicle and vice versa.
Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.The use of indefinite articles ('a', 'an', 'an' and 'an') particularly in the claims and those reflecting them Description, is to be understood as such and not as a numeral. Correspondingly introduced terms or components are to be understood in such a way that they are present at least once and in particular can also be present several times.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.As a precaution, it should be noted that the numerals used here (“first”, “second”, ...) primarily (only) serve to distinguish between several similar objects, sizes or processes, i.e. in particular no dependency and/or sequence of these objects, sizes or make processes mandatory for each other. Should a dependency and/or order be necessary, this is explicitly stated here or it is obvious to the person skilled in the art when studying the specifically described embodiment. If a component can occur several times (“at least one”), the description of one of these components can apply equally to all or part of the majority of these components, but this is not mandatory.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
-
1 : eine erste Ausführungsvariante einer Separatorlage, in einer Seitenansicht im Schnitt; -
2 : eine zweite Ausführungsvariante einer Separatorlage, in einer Seitenansicht im Schnitt; -
3 : eine Elektrodenanordnung einer Batteriezelle mit der Separatorlage nach1 , in einer Seitenansicht im Schnitt; -
4 : eine dritte Ausführungsvariante einer Separatorlage, in einer Seitenansicht im Schnitt; und -
5 : eine vierte Ausführungsvariante einer Separatorlage, in einer Seitenansicht im Schnitt.
-
1 : a first embodiment variant of a separator layer, in a side view in section; -
2 : a second embodiment variant of a separator layer, in a side view in section; -
3 : according to an electrode arrangement of a battery cell with the separator layer1 , in a side view in section; -
4 : a third embodiment variant of a separator layer, in a side view in section; and -
5 : a fourth embodiment variant of a separator layer, in a side view in section.
Die erste Ausführungsvariante umfasst, dass das Substrat 5 zusätzlich einseitig mit einer Keramik bzw. einer keramischen Schicht 12, z. B. Al2O3 oder Böhmit oder eine Mischung daraus, beschichtet ist. Die keramische Schicht 12 kann (zusätzlich) SiO2, TiO2, Al2O3, BaSO4, CaCO3 oder BN aufweisen. Die keramische Schicht 12 weist in der Normalenrichtung 10 zur Seitenfläche 3, 4 eine Dicke 11 auf.The first embodiment includes that the
Auf der keramischen Schicht 12 ist eine Adhäsionsbeschichtung bzw. die erste Schicht 6 aufgebracht, die ihrerseits eine Dicke 11 aufweist. Die keramische Schicht 12 ist in Richtung Kathode 8 ausgerichtet angeordnet. Alternativ ist die zwischen dem Substrat 5 und der ersten Schicht 6 angeordnete keramische Schicht 12 als Aramid-Schicht 13 ausgeführt.An adhesion coating or the
Die Adhäsionsbeschichtung bzw. zweite Schicht 7 besteht auf der zweiten Seitenfläche 4 der Separatorlage 1 aus einem nicht-fluorierten Polymer, wie z. B. Acrylat, vorzugsweise PMMA. Die Adhäsionsbeschichtung bzw. erste Schicht 6 besteht auf der ersten Seitenfläche 3 der Separatorlage 1 aus einem fluorierten Polymer, z. B. aus PVdF bzw. PVdF-HFP oder einer Mischung daraus.The adhesion coating or
In einer Lithium-lonen-Batteriezelle wird die Acrylatschicht der Separatorlage 1, also die zweite Schicht 7 auf der hin zur Anode 9 weisenden zweiten Seitenfläche 4 der Separatorlage 1 angeordnet.In a lithium-ion battery cell, the acrylate layer of the separator layer 1, that is to say the
Im Unterschied zur ersten Ausführungsvariante ist das Substrat 5 vorliegend auf beiden Seiten mit einer keramischen Schicht 12 beschichtet.In contrast to the first embodiment variant, the
Die Elektrodenanordnung 15 umfasst eine Kathode 8 (hier nicht dargestellt) eine Anode 9 sowie dazwischen angeordnet die Separatorlage 5 gemäß der ersten Ausführungsvariante.The
Die Anode 9 umfasst ein Trägermaterial 17. Das Trägermaterial 17 ist auf einer größten Seitenfläche der Anode 9 teilweise mit einem Aktivmaterial 16 beschichtet. Der unbeschichtete Teil des Trägermaterials 17 bildet den Ableiter 18. Das Aktivmaterial 16 der Anode 9 ist mit einer keramischen Schicht 12 beschichtet. Die an der zweiten Seitenfläche 4 ausgebildete zweite Schicht 7 ist mit der keramischen Schicht 12 der Anode 9 verbunden.The
Im Unterschied zur ersten Ausführungsvariante weist die zweite Schicht 7 keramische Partikel 14 auf.In contrast to the first variant, the
Im Unterschied zur dritten Ausführungsvariante weist auch die erste Schicht 6 keramische Partikel 14 auf, so dass keine keramische Schicht 12 vorgesehen ist.In contrast to the third embodiment variant, the
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Separatorlageseparator layer
- 22
- Batteriezellebattery cell
- 33
- erste Seitenflächefirst face
- 44
- zweite Seitenflächesecond side face
- 55
- Substratsubstrate
- 66
- erste Schichtfirst layer
- 77
- zweite Schichtsecond layer
- 88th
- Kathode (Elektrode)cathode (electrode)
- 99
- Anode (Elektrode)anode (electrode)
- 1010
- Normalenrichtungnormal direction
- 1111
- Dickethickness
- 1212
- keramische Schichtceramic layer
- 1313
- Aramid-SchichtAramid layer
- 1414
- (keramische) Partikel(ceramic) particles
- 1515
- Elektrodenanordnungelectrode arrangement
- 1616
- Aktivmaterialactive material
- 1717
- Trägermaterialcarrier material
- 1818
- Ableiterarrester
Claims (9)
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---|---|---|---|
DE102021212431.3A DE102021212431B3 (en) | 2021-11-04 | 2021-11-04 | Separator layer and electrode arrangement for a battery cell |
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ID=85284313
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Citations (3)
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US20150050544A1 (en) | 2013-08-14 | 2015-02-19 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Rechargeable lithium battery |
EP3024063A1 (en) | 2014-11-19 | 2016-05-25 | Samsung SDI Co., Ltd. | Separator for rechargeable lithium battery |
EP3696880A1 (en) | 2019-02-18 | 2020-08-19 | Samsung SDI Co., Ltd. | Separator and lithium battery including the same |
-
2021
- 2021-11-04 DE DE102021212431.3A patent/DE102021212431B3/en active Active
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R020 | Patent grant now final |