DE102022107902A1

DE102022107902A1 - Wiederaufladbare elektrochemische lithiumionen-zellen mit isolierten laschen und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE102022107902A1
Application number: DE102022107902.3A
Authority: DE
Inventors: Sherman H. Zeng; Youngnam Kim; Christopher Schlaupitz; Xingcheng Xiao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-05-10
Filing date: 2022-04-02
Publication date: 2022-11-10
Also published as: CN115332735A; US20220359959A1

Abstract

Eine elektrochemische Lithiumionen-Zellenanordnung umfasst eine erste Elektrode mit einer ersten Polarität und einem ersten Stromkollektor, der eine erste elektrisch leitfähige Lasche an einem Rand der ersten Elektrode bildet. Die erste elektrisch leitfähige Lasche ist im Wesentlichen von einem ersten Isoliermaterial bedeckt. Eine zweite Elektrode hat die erste Polarität und einen zweiten Stromkollektor, der an einem Rand der zweiten Elektrode eine zweite elektrisch leitfähige Lasche bildet. Die zweite elektrisch leitfähige Lasche ist im Wesentlichen von einem zweiten Isoliermaterial bedeckt. Eine Schweißlinse wird durch mindestens einen Teil des ersten Isoliermaterials und des zweiten Isoliermaterials hindurch gebildet und verbindet die erste elektrisch leitfähige Lasche und die zweite elektrisch leitfähige Lasche miteinander. Es werden auch Verfahren zur Herstellung von elektrochemischen Lithiumionen-Zellen bereitgestellt.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf elektrochemische Lithiumionen-Zellen mit Elektroden mit vollständig elektrisch isolierten und elektrisch leitfähigen Laschen, um Kurzschlüsse zu minimieren oder zu verhindern und die Leistung der elektrochemischen Zellen zu verbessern.
Elektrochemische Zellen, wie z.B. Lithiumionen-Batterien, können in einer Vielzahl von Konsumgütern und Fahrzeugen eingesetzt werden, z.B. in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen. Typische Lithiumionen-Batterien enthalten mindestens eine positive Elektrode oder Kathode, mindestens eine negative Elektrode oder Anode, ein Elektrolytmaterial und optional einen Separator. Ein Stapel von Lithiumionen-Batteriezellen kann in einem elektrochemischen Gerät elektrisch verbunden werden, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Lithiumionen-Batterien funktionieren, indem Lithiumionen reversibel zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode hin- und her geleitet werden. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein Separator und/oder ein Elektrolyt angeordnet sein. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen geeignet und kann in fester, flüssiger oder Gel-Form vorliegen. Lithiumionen können sich während des Ladens der Batterie von einer Kathode (positiven Elektrode) zu einer Anode (negativen Elektrode) und beim Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung bewegen.
Jede der negativen und positiven Elektroden innerhalb eines Stapels kann mit einem Stromkollektor (typischerweise ein Metall, wie Kupferfolie für die Anode und Aluminiumfolie für die Kathode) elektronisch verbunden sein. Das aktive Elektrodenmaterial kann durch Prozesse wie Beschichtung, Laminierung oder Verklebung auf die Metallstromkollektorfolie aufgebracht werden. Jeder Stromkollektor hat mindestens einen Laschenbereich, der Teil des Stromkollektors ist oder einstückig mit diesem ist und der durch Prozesse wie Schneiden, Ausklinken oder Stanzen hergestellt wird und in einem Stapel elektrochemischer Zellen mit anderen Laschenbereichen durch ein Fügeverfahren, wie Schweißen, verbunden werden kann. Während des Betriebs der Batterie können die zu den Stromkollektoren der positiven und negativen Elektroden gehörenden angeschweißten Laschen durch eine externe Schaltung verbunden sein, die den durch Elektronen erzeugten Strom zwischen den Elektroden fließen lässt, um den Transport der Lithiumionen zu kompensieren. So kann z.B. während der Entladung der Zelle der interne Li⁺-Ionenstrom von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode durch den elektronischen Strom kompensiert werden, der durch den externen Stromkreis von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode der Batteriezelle fließt.
Um unbeabsichtigte Kurzschlüsse zu vermeiden, die durch den Kontakt zwischen Metall-Laschen oder -Anschlüssen verursacht werden, wo ein Kontakt einen internen Kurzschluss verursachen könnte, sollten Teile jedes Metall-Stromkollektors, jeder -Lasche oder jedes -Anschlusses nicht in direktem Kontakt zueinander stehen, z.B. kann das aktive Elektrodenmaterial isoliert sein. Zum Beispiel kann ein Isolierband auf dem entsprechenden Teil, wie den blanken Flächen des Stromkollektors, z.B. im Bereich der Laschen, angebracht sein bzw. werden.
Um Kurzschlüsse zwischen den Laschen verschiedener Stromkollektoren zu vermeiden, können in einem oder mehreren Bereichen isolierende Materialien angebracht werden. Die Isolierung wird derzeit nur an der positiven oder Kathodenelektrode und in der Regel nur in einer minimalen Höhe auf dem Laschenbereich des Stromkollektors aufgebracht. Die negative oder Anodenlasche ist in der Regel völlig unbeschichtet und hat keine Isolierung. Daher kann der unbedeckte Bereich des elektrisch leitfähigen Stromkollektors oberhalb des elektroaktiven Elektrodenmaterials, aber unterhalb eines Schweißbereichs, in dem die Laschen verbunden sind, ein potentielles Risiko für einen harten oder weichen Kurzschluss oder beides mit einer Elektrode anderer Polarität darstellen. Außerdem können die Folien, aus denen die Stromkollektoren und/oder Laschen gebildet sind, empfindlich sein und sich bei der Montage verbiegen. Jedes unbeabsichtigte Falten kann eine Quelle für Kurzschlüsse sein, insbesondere wenn die Lasche unbeschichtete Bereiche aufweist. Ein solches Kurzschlussverhalten ist bei verschiedenen Batterietypen unterschiedlich und nicht vorhersehbar. Es wäre wünschenswert, solche Fertigungsschwankungen zu minimieren und die Gefahr von Kurzschlüssen zu verringern.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf wiederaufladbare elektrochemische Lithiumionen-Zellen mit isolierten Laschen und Verfahren zu deren Herstellung.
In bestimmten Variationen bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf eine elektrochemische Zellenanordnung, die eine erste Elektrode mit einer ersten Polarität und einem ersten Stromkollektor umfasst, der eine erste elektrisch leitfähige Lasche an einem Rand der ersten Elektrode bildet. Die erste elektrisch leitfähige Lasche ist im Wesentlichen von einem ersten Isoliermaterial bedeckt. Die elektrochemische Zellenanordnung umfasst ferner eine zweite Elektrode mit der ersten Polarität und einem zweiten Stromkollektor, der eine zweite elektrisch leitfähige Lasche an einem Rand der zweiten Elektrode bildet. Die zweite elektrisch leitfähige Lasche ist im Wesentlichen von einem zweiten Isoliermaterial bedeckt. Eine Schweißlinse wird durch mindestens einen Teil des ersten Isoliermaterials und des zweiten Isoliermaterials hindurch gebildet und verbindet die erste elektrisch leitfähige Lasche und die zweite elektrisch leitfähige Lasche miteinander.
In bestimmten Aspekten umfasst die elektrochemische Lithiumionen-Zellenanordnung außerdem eine erste elektrische Leitung, die mit der Schweißlinse und den verbundenen ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Laschen in elektrischer Verbindung steht.
In bestimmten Aspekten enthält die elektrochemische Lithiumionen-Zellenanordnung außerdem ein zusätzliches drittes Isoliermaterial, das über den freiliegenden Oberflächen der Schweißlinse angeordnet ist.
In bestimmten Aspekten bildet der Rand der ersten Elektrode einen Anschlussbereich, der mit dem ersten Isoliermaterial beschichtet ist, und der Rand der zweiten Elektrode bildet einen Anschlussbereich, der mit dem zweiten Isoliermaterial beschichtet ist.
In bestimmten Aspekten umfasst die elektrochemische Lithiumionen-Zellenanordnung ferner eine dritte Elektrode mit einer zweiten Polarität und einem dritten Stromkollektor, der eine dritte elektrisch leitfähige Lasche auf der dritten Elektrode bildet. Die dritte elektrisch leitfähige Lasche ist im Wesentlichen von einem dritten Isoliermaterial bedeckt. In bestimmten Aspekten umfasst die elektrochemische Lithiumionen-Zellenanordnung ferner eine vierte Elektrode mit der zweiten Polarität und einem vierten Stromkollektor, der eine vierte elektrisch leitfähige Lasche bildet, die an einem Rand der vierten Elektrode angeordnet ist. Die vierte elektrisch leitfähige Lasche ist im Wesentlichen von einem vierten Isoliermaterial bedeckt, wobei die Schweißlinse eine erste Schweißlinse ist. Durch das dritte Isoliermaterial und das vierte Isoliermaterial hindurch wird eine zweite Schweißlinse gebildet, die die dritte elektrisch leitfähige Lasche mit der vierten elektrisch leitfähigen Lasche verbindet.
In bestimmten Aspekten sind das erste und das zweite Isoliermaterial aus der Gruppe ausgewählt, die besteht aus: Tonerden, Kieselsäuren, lithiierten Zeolithen, Polymeren auf Fluorbasis, Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylalkohol (PVA), Natriumcarboxymethylcellulose, Styrol-Butadien-Kautschuk, Polyacrylnitril, Polyimid und Kombinationen davon.
In bestimmten anderen Variationen bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf eine elektrochemische Lithiumionen-Zellenanordnung mit einer ersten Elektrode mit einer ersten Polarität und einem ersten Stromkollektor, der eine erste elektrisch leitfähige Lasche an der ersten Elektrode bildet. Die erste elektrisch leitfähige Lasche ist im Wesentlichen mit einem ersten Isoliermaterial bedeckt, das einen lithiierten Zeolithen enthält. Eine zweite Elektrode mit der ersten Polarität und einem zweiten Stromkollektor bildet eine zweite elektrisch leitfähige Lasche an einem Rand der zweiten Elektrode. Die zweite elektrisch leitfähige Lasche ist im Wesentlichen mit einem zweiten Isoliermaterial bedeckt, das einen lithiierten Zeolithen enthält. Eine Schweißlinse wird durch mindestens einen Teil des ersten Isoliermaterials und des zweiten Isoliermaterials hindurch gebildet und verbindet die erste elektrisch leitfähige Lasche und die zweite elektrisch leitfähige Lasche miteinander.
In bestimmten Aspekten steht eine erste elektrische Leitung in elektrischer Verbindung mit der Schweißlinse und den verbundenen ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Laschen.
In bestimmten Aspekten umfasst die elektrochemische Lithiumionen-Zellenanordnung ferner eine dritte Elektrode mit einer zweiten Polarität und einem dritten Stromkollektor, der eine dritte elektrisch leitfähige Lasche auf der dritten Elektrode bildet. Die dritte elektrisch leitfähige Lasche ist im Wesentlichen von einem dritten Isoliermaterial bedeckt. Eine vierte Elektrode mit der zweiten Polarität und mit einem vierten Stromkollektor bildet eine vierte elektrisch leitfähige Lasche, die an einem Rand der vierten Elektrode angeordnet ist. Die vierte elektrisch leitfähige Lasche ist im Wesentlichen von einem vierten Isoliermaterial bedeckt, wobei die Schweißlinse eine erste Schweißlinse ist. Durch das dritte Isoliermaterial und das vierte Isoliermaterial hindurch wird eine zweite Schweißlinse gebildet, die die dritte elektrisch leitfähige Lasche mit der vierten elektrisch leitfähigen Lasche verbindet.
In weiteren Variationen bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Lithiumionen-Zellenanordnung. In einem Aspekt umfasst das Verfahren das Verschweißen einer ersten elektrisch leitfähigen Lasche einer ersten Elektrode, die von einem ersten Isoliermaterial bedeckt ist, mit einer zweiten elektrisch leitfähigen Lasche einer zweiten Elektrode, die von einem zweiten Isoliermaterial bedeckt ist. Das Schweißen erfolgt durch mindestens einen Teil des ersten Isoliermaterials und des zweiten Isoliermaterials hindurch, um eine Schweißlinse zu bilden.
In bestimmten Aspekten ist das Schweißen ein Laserschweißverfahren oder ein Widerstandsschweißverfahren.
In bestimmten Aspekten umfasst das Verfahren ferner das Aufbringen des ersten Isoliermaterials vor dem Schweißen auf mindestens einen Teil eines ersten Anschlussrandes eines ersten Stromkollektors in der Nähe eines zentralen Bereichs, auf dem sich ein erstes elektroaktives Material der ersten Elektrode befindet. Ferner wird das zweite Isoliermaterial auf mindestens einen Teil eines zweiten Anschlussrandes eines zweiten Stromkollektors in der Nähe eines zentralen Bereichs aufgebracht, auf dem ein zweites elektroaktives Material der zweiten Elektrode angeordnet ist.
In bestimmten weiteren Aspekten umfasst das Verfahren ferner das Entfernen eines Teils des ersten Anschlussrandes, um die erste elektrisch leitfähige Lasche mit dem darauf angeordneten ersten Isoliermaterial zu bilden. Das Verfahren umfasst ferner das Entfernen eines Teils des zweiten Anschlussrandes, um die zweite elektrisch leitfähige Lasche mit dem darauf angeordneten zweiten Isoliermaterial zu bilden.
Bei bestimmten weiteren Aspekten verbleibt nach dem Entfernen des Teils des ersten Anschlussrandes ein Teil des ersten Isoliermaterials an dem ersten Anschlussrand, und nach dem Entfernen des Teils des zweiten Anschlussrandes verbleibt ein Teil des zweiten Isoliermaterials an dem zweiten Anschlussrand.
In bestimmten Aspekten umfasst das Aufbringen des ersten Isoliermaterials das Aufbringen einer ersten Aufschlämmung, die ein Bindemittelmaterial und eine Vielzahl von elektrisch isolierenden Teilchen enthält, und das Entfernen von Flüssigkeiten aus der ersten Aufschlämmung, um das erste Isoliermaterial zu bilden. Das Verfahren umfasst ferner das Aufbringen des zweiten Isoliermaterials, einschließlich des Aufbringens einer zweiten Aufschlämmung, die ein Bindemittelmaterial und eine Vielzahl von elektrisch isolierenden Teilchen enthält, und des Entfernens von Flüssigkeiten aus der zweiten Aufschlämmung, um das zweite Isoliermaterial zu bilden.
Bei bestimmten weiteren Aspekten wird die erste Aufschlämmung während eines Beschichtungsprozesses des ersten elektroaktiven Materials auf dem ersten Stromkollektor auf den ersten Anschlussrand des ersten Stromkollektors aufgebracht. Die zweite Aufschlämmung wird während eines Beschichtungsprozesses des zweiten elektroaktiven Materials auf dem zweiten Stromkollektor auf den zweiten Anschlussrand des zweiten Stromkollektors aufgebracht.
In bestimmten weiteren Aspekten wird die erste Aufschlämmung nach einem Beschichtungsprozess des ersten elektroaktiven Materials auf dem ersten Stromkollektor auf den ersten Anschlussrand des ersten Stromkollektors aufgebracht. Die zweite Aufschlämmung wird nach einem Beschichtungsprozess des zweiten elektroaktiven Materials auf dem zweiten Stromkollektor auf den zweiten Anschlussrand des zweiten Stromkollektors aufgebracht.
In bestimmten Aspekten wird die erste Aufschlämmung während eines Beschichtungsprozesses des ersten elektroaktiven Materials auf dem ersten Stromkollektor auf den Anschlussrand des ersten Stromkollektors aufgebracht. Die zweite Aufschlämmung wird während des Beschichtungsprozesses des zweiten elektroaktiven Materials auf dem zweiten Stromkollektor auf den Anschlussrand des zweiten Stromkollektors aufgebracht.
In bestimmten weiteren Aspekten erfolgt das Aufbringen des ersten Isoliermaterials durch Eintauchen des ersten Anschlussrandes in ein Aufschlämmungsbad und Trocknen zur Bildung des ersten Isoliermaterials. Das Aufbringen des zweiten Isoliermaterials erfolgt durch Eintauchen des zweiten Anschlussrandes in ein Aufschlämmungsbad und Trocknen zur Bildung des zweiten Isoliermaterials.
Bei bestimmten weiteren Aspekten umfasst das Verfahren nach dem Schweißen auch das Aufbringen eines dritten Isoliermaterials auf die freiliegenden Oberflächen der Schweißlinse.
In bestimmten Aspekten umfasst das Verfahren ferner vor dem Schweißen: Entfernen eines Teils eines ersten Anschlussrandes eines ersten Stromkollektors, um die erste elektrisch leitfähige Lasche zu bilden, und Entfernen eines Teils eines zweiten Anschlussrandes eines zweiten Stromkollektors, um die zweite elektrisch leitfähige Lasche zu bilden. Ein erstes Isoliermaterial kann dann auf die erste elektrisch leitfähige Lasche aufgebracht werden, und ein zweites Isoliermaterial kann auf die zweite elektrisch leitfähige Lasche aufgebracht werden.
Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der hier gegebenen Beschreibung ergeben. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1 zeigt ein Beispiel für eine wiederaufladbare elektrochemische Lithiumionen-Zelle mit einer Vielzahl von Elektroden.
2A zeigt eine Vorderansicht einer Elektrode mit einem oberen Bereich einer elektrisch leitfähigen Lasche, die nicht mit einem isolierenden Material bedeckt ist.
2B ist eine Schnittansicht der Elektrode entlang der Linie B-B' von 2A.
3A zeigt eine Vorderansicht einer Elektrode mit einem Anschlussbereich und einer elektrisch leitfähigen Lasche, die mit einem isolierenden Material beschichtet ist, durch das eine Schweißlinse gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung gebildet ist.
3B ist eine Schnittansicht der Elektrode entlang der Linie B-B' von 3A.
4A zeigt eine Vorderansicht einer Elektrode mit einer elektrisch leitfähigen Lasche, die mit einem isolierenden Material beschichtet ist, durch das eine Schweißlinse gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung gebildet ist.
4B ist eine Schnittansicht der Elektrode entlang der Linie B-B' von 4A.

Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden beispielhafte Ausführungsformen angegeben, so dass diese Offenbarung gründlich ist und Fachleuten der volle Umfang vermittelt wird. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie z.B. Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleuten ist klar, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen realisiert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollte, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden bekannte Prozesse, bekannte Vorrichtungsstrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und soll nicht einschränkend wirken. Wie hier verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „enthaltend“ und „aufweisend“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der verwendet wird, um die verschiedenen hier dargelegten Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff unter bestimmten Aspekten alternativ auch als ein einschränkenderer und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z.B. „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte nennt, ausdrücklich auch Ausführungsformen, die aus solchen genannten Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „bestehend im Wesentlichen aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale wesentlich beeinflussen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale nicht wesentlich beeinflussen, können in die Ausführungsform einbezogen werden.
Alle hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie notwendigerweise in der besprochenen oder dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewandt werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“, „in Eingriff“, „verbunden“ oder „gekoppelt“ mit einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, kann sie bzw. es direkt auf, in Eingriff, verbunden oder gekoppelt mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn dagegen ein Element als „direkt auf“, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, dürfen keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in ähnlicher Weise interpretiert werden (z.B. „zwischen“ versus „direkt zwischen“, „neben“ versus „direkt neben“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht bzw. Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hier verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, dies ist durch den Kontext klar angegeben. So könnte ein erster Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt, der/die/das im Folgenden erörtert wird, als zweiter Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vorher“, „nachher“, „innen“, „außen“, „unter“, „unterhalb“, „unten“, „oben“, „oberhalb“ und dergleichen können hier der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu gedacht sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen der in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Vorrichtung oder des Systems zu umfassen.
In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, die geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen mit etwa dem genannten Wert sowie solche mit genau dem genannten Wert umfassen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der ausführlichen Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z.B. von Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Etwa“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Wertes; ungefähr oder ziemlich nahe am Wert; fast). Wenn die Ungenauigkeit, die durch „etwa“ gegeben ist, in der Technik mit dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anderweitig verstanden wird, dann bedeutet „etwa“, wie es hier verwendet wird, zumindest Abweichungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, optional weniger als oder gleich 4 %, optional weniger als oder gleich 3 %, optional weniger als oder gleich 2 %, optional weniger als oder gleich 1 %, optional weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Unterbereiche.
Beispielhafte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Die vorliegende Technologie betrifft elektrochemische Zellen, die z.B. in Kraftfahrzeugen oder anderen Fahrzeugen (z.B. Motorräder, Boote) eingesetzt werden können, aber auch in elektrochemischen Zellen verwendet werden können, die in einer Vielzahl von anderen Industrien und Anwendungen, wie z.B. als nicht einschränkendes Beispiel in Geräten der Unterhaltungselektronik, verwendet werden.
Im Allgemeinen kann sich eine elektrochemische Zelle auf eine Einheit beziehen, die mit anderen Einheiten verbunden sein kann. Eine Vielzahl elektrisch verbundener Zellen, z.B. solche, die übereinandergestapelt sind, kann als Modul betrachtet werden. Ein Pack bezieht sich im Allgemeinen auf eine Vielzahl von operativ verbundenen Modulen, die in verschiedenen Kombinationen von Reihen- oder Parallelschaltungen elektrisch verbunden sein können. Das Batteriemodul kann daher in einer Beutelstruktur oder einem Gehäuse untergebracht sein oder mit einer Vielzahl anderer Batteriemodule einen Batteriepack bilden. In bestimmten Aspekten kann das Batteriemodul Teil einer prismatischen Hybridzellenbatterie sein.
Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer elektrochemischen Lithiumionen-Zelle 20 (z.B. Batterie) ist in 1 gezeigt. Wie Fachleute wissen, werden die jeweiligen Komponenten beim Zusammenbau ohne Zwischenraum zusammengedrückt. Außerdem kann jede Zelleinheit zwischen einer positiven und einer negativen Elektrode gebildet sein, wobei die Vielzahl der Einheitszellen eine Batterie bilden, die ein Stapel von Einheitszellen sein kann. In verschiedenen Aspekten sind die gezeigten Ausführungsformen repräsentativ, aber nicht notwendigerweise einschränkend, für Batteriekonfigurationen, die gemäß der vorliegenden Lehre hergestellt wurden, und können auf verschiedene andere elektrochemische Geräte und Strukturen angewendet werden. Die Batterie 20 kann mindestens zwei positive Elektroden 30, 50 und mindestens zwei negative Elektroden 40, 60 umfassen. Die Batterie 20 kann außerdem einen Elektrolyten 100 enthalten. Der Elektrolyt 100 kann ein Festkörperelektrolyt, eine Flüssigkeit oder ein Gel sein, wobei in diesem Fall die in 1 gezeigten Separatorkomponenten 22 zwischen den positiven und negativen Elektroden angeordnet sind.
Eine erste positive Elektrode 30 kann parallel zu einer zweiten positiven Elektrode 50 verlaufen, und eine erste negative Elektrode 40 kann dazwischen angeordnet sein, wobei zwischen jeder gegenüberliegenden positiven und negativen Elektrode Separatoren 22 angeordnet sind. Eine zweite negative Elektrode 60 kann parallel zu einer Seite oder Oberfläche der zweiten positiven Elektrode 50 liegen, die der negativen Elektrode 40 gegenüberliegt. In bestimmten Aspekten können, wie dargestellt, die positiven und negativen Elektroden 30, 40, 50, 60 in einem einzigen Batteriegehäuse 110 angeordnet sein, das einen Elektrolyten 100 enthält. Fachleuten ist jedoch klar, dass in verschiedenen anderen Aspekten auch andere Gehäusesysteme oder -konstruktionen vorhanden sein können. Außerdem können die erste positive Elektrode 30 und die zweite positive Elektrode 50 die gleiche oder unterschiedliche Zusammensetzungen haben, während die erste negative Elektrode 40 und die zweite negative Elektrode 60 die gleiche oder unterschiedliche Zusammensetzungen haben können. Andere Variationen können kondensatorgestützte Batterien mit im Stapel angeordneten kapazitiven Elektroden (nicht gezeigt) umfassen.
Wie oben ausgeführt, kann jeder geeignete Elektrolyt 100, sei es in fester, flüssiger oder Gel-Form, der Lithiumionen zwischen den Elektroden 30, 40, 50, 60 leiten kann, in der Batterie 20 verwendet werden. In 1 ist der Elektrolyt 100 eine Flüssigkeit oder ein Gel, die bzw. das mit Separatoren 22 verwendet wird, die zwischen Elektroden mit unterschiedlichen Polaritäten angeordnet sind.
In verschiedenen Aspekten kann die erste positive Elektrode 30 einen ersten positiven Stromkollektor 32 und eine oder mehrere darauf angeordnete erste positive elektroaktive Materialschichten 34 umfassen. Die eine oder mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 34 können in elektrischer Verbindung mit dem ersten positiven Stromkollektor 32 angeordnet sein. Der erste positive Stromkollektor 32 weist außerdem eine Lasche 38 an einem Anschlussrand 39 auf. Die hier besprochenen Laschen, wie die Lasche 38, sind elektrisch leitfähig und können aus dem gleichen Material wie ein Stromkollektor, z.B. einer Metallfolie, hergestellt werden. In bestimmten Aspekten sind die hier erörterten Laschen einstückig mit dem Stromkollektor ausgebildet. Die Laschen können sich über die gesamte Länge des Anschlussrandes 39 (die dem elektroaktiven Bereich entspricht) erstrecken oder nur einen Teil der Länge des Anschlussrandes 39 ausmachen, die dem aktiven Elektrodenbereich entspricht. In einer solchen Variation kann die Lasche durch Einkerben oder Stanzen des Stromkollektors an dem Anschlussrand 39 gebildet werden. Die erste positive elektroaktive Materialschicht 34 kann an, auf oder nahe einer ersten Oberfläche 36 des ersten positiven Stromkollektors 32 angeordnet sein. Die erste positive elektroaktive Materialschicht 34 des ersten positiven Stromkollektors 32 kann der negativen Elektrode 40 zugewandt sein. Die Lasche 38 erstreckt sich über den Anschlussrand 39 und den mit der ersten positiven elektroaktiven Materialschicht 34 beschichteten Bereich hinaus.
In verschiedenen Aspekten kann die zweite positive Elektrode 50 einen zweiten positiven Stromkollektor 52 und eine oder mehrere zweite positive elektroaktive Materialschichten 54 umfassen, die auf einem Teil davon angeordnet sind. Die eine oder mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 54 können in elektrischer Verbindung mit dem zweiten positiven Stromkollektor 52 angeordnet sein. Beispielsweise kann die zweite positive elektroaktive Materialschicht 54 auf, an oder in der Nähe einer oder mehrerer paralleler Hauptflächen 56 des zweiten positiven Stromkollektors 52 (entlang voneinander abgewandter Seiten) angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine Hauptfläche 56 des zweiten positiven Stromkollektors 52 der negativen Elektrode 40 zugewandt sein, während die andere Hauptfläche 56 des zweiten positiven Stromkollektors 52 der Verbundelektrode 60 zugewandt sein kann. Der zweite positive Stromkollektor 52 weist außerdem mindestens eine Lasche 58 auf, die sich über einen Anschlussrand 59 und damit über einen mit der zweiten positiven elektroaktiven Materialschicht 54 beschichteten Bereich hinaus erstreckt. Die zweite positive Elektrode 50 kann eine geringere Länge haben als die erste negative Elektrode 40 und die zweite negative Elektrode 60.
Die Stromkollektoren können den Elektronenfluss zwischen den positiven Elektroden und einem externen Stromkreis erleichtern. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 120 und eine Lastvorrichtung 130 die erste positive Elektrode 30 (über den ersten positiven Stromkollektor 32) und die zweite positive Elektrode 50 (über den zweiten positiven Stromkollektor 52) verbinden.
Die ersten und zweiten positiven Stromkollektoren 32, 52 können Metall enthalten, z.B. eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -sieb oder Streckmetall. In bestimmten Aspekten können der erste und der zweite positive Stromkollektor 32, 52 aus einem dünnen Film oder einer Folie bestehen. Ein positiver Stromkollektor kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 Mikrometer (1 µm) bis weniger als oder gleich etwa 30 µm haben. Die positiven Stromkollektoren 32, 52 können aus Aluminium, rostfreiem Stahl und/oder Nickel oder anderen geeigneten elektrisch leitfähigen Materialien gebildet sein, die Fachleuten bekannt sind. In verschiedenen Aspekten können der erste und der zweite positive Stromkollektor 32, 52 gleich oder unterschiedlich sein. Die erste positive Elektrode 30 kann im Vergleich zur ersten negativen Elektrode 40 eine geringere Länge haben.
Die eine oder mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 34 und die eine oder mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 54 können jeweils ein positives elektroaktives Material auf Lithiumbasis umfassen, das in der Lage ist, Lithium-Einlagerung und -Auslagerung, -Legierung und -Entlegierung oder -Plattierung und -Abstreifen zu durchlaufen, während es als positiver Anschluss der Batterie 20 fungiert. Soweit hier nicht im Einzelnen erörtert, sind Beispiele für Zusammensetzungen und Materialien zur Herstellung verschiedener Lithiumionen-Batteriekomponenten, einschließlich positiver elektroaktiver Materialien, in der US-Patentanmeldung 2021/0091424 von Gao et al. beschrieben, die durch Verweis in vollem Umfang einbezogen sei. In verschiedenen Aspekten können die eine oder mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 34 das gleiche oder ein anderes positives elektroaktives Material auf Lithiumbasis umfassen wie die eine oder mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 54. Beispielsweise kann jede der einen oder mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 34 und der einen oder mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 54 durch eine Vielzahl positiver elektroaktiver Teilchen (nicht gezeigt) gebildet sein, die ein oder mehrere Übergangsmetallkationen, wie Mangan (Mn), Nickel (Ni), Cobalt (Co), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Vanadium (V) und Kombinationen davon, umfassen. Unabhängige Vielzahlen solcher positiver elektroaktiver Teilchen können in Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionalen Strukturen der einen oder mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 34 und der einen oder mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 54 zu bilden. In bestimmten Variationen können die eine oder mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 34 und die eine oder mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 54 außerdem einen Elektrolyten 100 enthalten, z.B. eine Vielzahl von Elektrolytteilchen (nicht gezeigt). In verschiedenen Aspekten können die eine oder mehreren ersten oder zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 34, 54 außerdem ein oder mehrere elektrisch leitfähige Materialien, die einen Elektronenleitungspfad bereitstellen, und/oder mindestens ein polymeres Bindemittelmaterial (das die strukturelle Integrität der positiven Elektroden 30 oder 50 verbessert) enthalten. Die eine oder mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 34 und/oder die eine oder mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 54 können in bestimmten Variationen jeweils eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 1.000 µm aufweisen.
In verschiedenen Aspekten können die erste negative Elektrode 40 und die zweite negative Elektrode 60 einen ersten negativen Stromkollektor 42 bzw. einen zweiten negativen Stromkollektor 62 sowie eine oder mehrere erste negative elektroaktive Materialschichten 44 und eine oder mehrere zweite negative elektroaktive Materialschichten 64 umfassen. Die eine oder mehreren ersten negativen elektroaktiven Materialschichten 44 können in elektrischer Verbindung mit dem ersten negativen Stromkollektor 42 angeordnet sein. Beispielsweise kann die erste negative elektroaktive Materialschicht 44 auf, an oder in der Nähe einer oder mehrerer paralleler Hauptflächen 46 des ersten negativen Stromkollektors 42 (entlang voneinander abgewandter Seiten 46) angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine Hauptfläche 46 des ersten negativen Stromkollektors 42 der ersten positiven Elektrode 30 zugewandt und die andere Hauptfläche 46 des ersten negativen Stromkollektors 42 der zweiten positiven Elektrode 50 zugewandt sein. Der erste negative Stromkollektor 42 weist außerdem mindestens eine Lasche 48 an einem Anschlussrand 49 auf, die sich über den mit der ersten negativen elektroaktiven Materialschicht 44 beschichteten Bereich hinaus erstreckt.
In ähnlicher Weise kann die zweite negative elektroaktive Materialschicht 64 in elektrischer Verbindung mit dem zweiten negativen Stromkollektor 62 angeordnet sein. Beispielsweise kann die zweite negative elektroaktive Materialschicht 64 auf, an oder in der Nähe der Hauptfläche 66 des zweiten negativen Stromkollektors 62 angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine Hauptfläche 66 des zweiten negativen Stromkollektors 62 der zweiten positiven Elektrode 50 zugewandt sein. Der zweite negative Stromkollektor 62 weist außerdem mindestens eine Lasche 68 an einem Anschlussrand 69 auf, die sich über den Bereich des Stromkollektors 62 hinaus erstreckt, der mit der zweiten negativen elektroaktiven Materialschicht 64 beschichtet ist. Die ersten und zweiten negativen Stromkollektoren 42, 62 können Metall, z.B. eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -sieb oder Streckmetall enthalten. In bestimmten Aspekten können der erste und der zweite negative Stromkollektor 42, 62 aus einem dünnen Film oder einer Folie bestehen. Ein negativer Stromkollektor kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 15 µm haben. Der erste und der zweite negative Stromkollektor 42, 62 können aus Kupfer oder einem anderen geeigneten elektrochemisch stabilen, elektrisch leitfähigen Material gebildet sein, das Fachleuten bekannt ist. Die erste negative Elektrode 40 und die zweite negative Elektrode 60 können eine größere Länge haben als die erste positive Elektrode 30 und die zweite positive Elektrode 50.
Bei der ersten und der zweiten negativen Elektrode 40, 60 können die eine oder mehreren ersten negativen elektroaktiven Materialschichten 44 und die eine oder mehreren zweiten negativen elektroaktiven Materialschichten 64 jeweils ein negatives elektroaktives Material umfassen, das ein Lithium-Wirtsmaterial ist, das als negativer Anschluss der Batterie 20 fungieren kann. In verschiedenen Aspekten können die eine oder mehreren ersten negativen elektroaktiven Materialschichten 44 das gleiche oder ein anderes negatives elektroaktives Material auf Lithiumbasis umfassen wie die eine oder mehreren zweiten negativen elektroaktiven Materialschichten 64. Zum Beispiel kann jede der einen oder mehreren ersten negativen elektroaktiven Materialschichten 44 und der einen oder mehreren zweiten negativen elektroaktiven Materialschichten 64 ein oder mehrere negative elektroaktive Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Graphit, Graphen, Lithium-Metall, Lithium-Legierung, Silicium (Si), Silicium-Legierung, Siliciumoxid, Aktivkohle (AC), hartem Kohlenstoff (HC), weichem Kohlenstoff (SC), Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Lithium-Titanoxid (Li₄Ti₅O₁₂), Zinn (Sn), Vanadiumoxid (V₂O₅), Titandioxid (TiO₂), Titan-Nioboxid (Ti_xNb_yO_z, wobei 0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 24 und 0 ≤ z ≤ 64), Eisensulfid (FeS) und Kombinationen davon.
In verschiedenen Aspekten können die eine oder mehreren ersten oder zweiten negativen elektroaktiven Materialschichten 44, 64 eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 1.000 µm haben. In verschiedenen Aspekten können die eine oder mehreren ersten oder zweiten negativen elektroaktiven Materialschichten 44, 64 außerdem einen Elektrolyten 100 enthalten, z.B. eine Vielzahl von Elektrolytteilchen oder einen flüssigen Elektrolyten (nicht gezeigt); und optional ein oder mehrere elektrisch leitfähige Materialien, die einen Elektronenleitungspfad bereitstellen, und/oder mindestens ein polymeres Bindemittelmaterial (das die strukturelle Integrität der negativen Elektrode 40 oder 60 verbessert) enthalten.
Die negative Elektrodenlasche 48 ist elektrisch mit dem innen angeordneten ersten negativen Stromkollektor 42 und den ersten negativen elektroaktiven Materialschichten 44 verbunden, die zusammen die erste negative Elektrode 40 bilden. In ähnlicher Weise ist die negative Elektrodenlasche 68 elektrisch mit dem innen angeordneten zweiten negativen Stromkollektor 62 und der zweiten negativen elektroaktiven Materialschicht 64 verbunden, die zusammen die zweite negative Elektrode 60 bilden. Die unterbrechbare externe Schaltung 120 und die Lastvorrichtung 130 können die erste negative Elektrode 40 (über den ersten negativen Stromkollektor 42) und die zweite negative Elektrode 60 (über den zweiten negativen Stromkollektor 62) verbinden.
So ist die positive Elektrodenlasche 38 elektrisch mit dem innen angeordneten ersten positiven Stromkollektor 32 und der ersten positiven elektroaktiven Materialschicht 34 verbunden, die zusammen die erste positive Elektrode 30 bilden. Die positive Elektrodenlasche 58 ist elektrisch mit dem innen angeordneten zweiten positiven Stromkollektor 52 und der zweiten positiven elektroaktiven Materialschicht 54 verbunden, die zusammen die zweite positive Elektrode 50 bilden. Die positiven Elektroden 30, 50 und die negativen Elektroden 40, 60 sind durch den porösen Separator 22 elektrisch voneinander getrennt. Wie dargestellt, erstreckt sich jeder Separator 22 über die Anschlussenden der Laschen 38, 48, 58 und 68 hinaus, um eine elektrische Isolierung zwischen Laschen entgegengesetzter Polarität zu gewährleisten.
Außerdem können die positiven Laschen 38, 58 ausgerichtet und miteinander verbunden werden, z.B. durch Schweißen, um eine einzige positive zusammengesetzte Lasche zu bilden, die mit einer positiven elektrischen Leitung verbunden werden kann. Die negativen Laschen 48, 68 können ausgerichtet und miteinander verbunden werden, z.B. durch Schweißen, um eine einzige negative zusammengesetzte Lasche zu bilden, die mit einer negativen elektrischen Leitung verbunden werden kann.
Nachdem die gemeinsamen positiven Laschen zusammengeschweißt sind, können sie in geeigneter Weise abgedeckt oder ummantelt werden, um eine Vielzahl von positiven elektrischen Konnektoren zu bilden. Die positiven elektrischen Konnektoren können an andere elektrische Leitungen mit der gleichen Polarität angeschlossen werden, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreise, oder sie können selbst Anschlüsse für die externe Verbindung mit einer Last und einer Stromquelle bilden. Bestimmte Beispiele für die Herstellung der elektrischen Anschlüsse können z.B. die Verwendung einer einstufigen Ultraschallschweißung umfassen, um die Elektrodenlaschenfolie mit externen Anschlüssen (z.B. äußeren Laschen zur Bildung der endgültigen Zelle) zu verschweißen. Alternativ kann die Elektrodenlaschenfolie zunächst mit Ultraschall verschweißt werden, um dann die Folie mit den äußeren Anschlüssen mit Ultraschall zu verschweißen. Ein weiteres Beispiel ist das Ultraschallschweißen, bei dem zunächst die Elektrodenlaschenfolie verschweißt wird, und anschließend das Laser- und/oder Widerstandsschweißen, bei dem die Folie mit den äußeren Anschlüssen verschweißt wird. In bestimmten Aspekten enthält ein äußerer Anschluss für eine positive Elektrode beispielsweise Aluminium.
In ähnlicher Weise können die gemeinsamen negativen Laschen nach dem Zusammenschweißen in geeigneter Weise abgedeckt oder ummantelt werden, um eine Vielzahl negativer elektrischer Konnektoren zu bilden. Die negativen elektrischen Konnektoren können an andere elektrische Leitungen mit der gleichen Polarität angeschlossen werden, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreise, oder sie können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden, in der gleichen Weise wie oben im Zusammenhang mit dem positiven elektrischen Konnektor beschrieben. In bestimmten Aspekten umfasst ein externer Anschluss für eine negative Elektrode zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Nickel und nickelbeschichtetes Kupfer. Die elektrochemische Lithiumionen-Zellenanordnung kann in andere Komponenten, wie z.B. ein Gehäuse oder einen Beutel, eingebaut werden.
Zum Hintergrund: Bei den heutigen Herstellungsverfahren sind die Laschen der Elektroden, die durch Schweißen miteinander verbunden werden, oft blank und werden später mit einem elektrisch isolierenden Material überzogen. Bei anderen Verfahren wird ein Teil der Lasche für den Schweißvorgang frei gelassen, und später kann ein Teil der Lasche mit einem Isoliermaterial versehen werden. 2A-2B zeigen eine herkömmliche Ausführung einer Doppelschichtelektrode 150 mit aktiven Materialschichten, die auf zwei Seiten eines Stromkollektors ausgebildet sind. 2A ist eine Vorderansicht der Elektrode 150, während 2B eine Seitenansicht der Elektrode 150 zeigt. Die Elektrode 150 weist ein erstes elektroaktives Material 152 auf, das auf zwei Seiten eines Stromkollektors 160 angeordnet ist. Der Stromkollektor 160 erstreckt sich über einen Anschlussrand 162 der Elektrode 150 hinaus, um eine erste elektrisch leitfähige Lasche 164 zu bilden. In der gezeigten Ausführung kann ein unterer Bereich 166 der Lasche 164 mit einem ersten elektrisch isolierenden Material 168 versehen sein, das darauf angeordnet ist. Ein oberer Bereich 170 der Lasche 164 bleibt jedoch unbeschichtet und ist blankes Metall (je nachdem, aus welchem Metall der Stromkollektor 160 gefertigt ist). Bei den aktuellen Verfahren wird der unbeschichtete obere Bereich 170 mit anderen Laschen anderer Elektrodenschichten in der Anordnung verschweißt. Der obere Bereich 172 der Lasche bleibt für den Schweißvorgang unbeschichtet. Auf diese Weise wird im unbeschichteten oberen Bereich 170 eine Schweißlinse 172 gebildet. Nach dem Schweißen wird zumindest ein Teil (gezeigt) oder die gesamte freiliegende Schweißlinse 172 mit einem zweiten elektrisch isolierenden Material 174, z.B. einem elektrisch isolierenden Band, abgedeckt.
Während dieses Prozesses verbleibt häufig ein Spalt des unbeschichteten Stromkollektors 160 in der Lasche 164 zwischen dem ersten elektrisch isolierenden Material 168 und dem zweiten isolierenden Material 174. Dieser unbeschichtete Bereich bietet die Möglichkeit des Auftretens eines elektrischen Kurzschlusses, wenn die Laschen bei der Montage falsch ausgerichtet werden und sich in unmittelbarer Nähe zu anderen elektrisch leitfähigen Bauteilen unterschiedlicher Polarität oder den elektroaktiven Materialien selbst befinden oder diese berühren.
Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Stromkollektormaterialien, einschließlich der Laschen am Anschlussende, häufig aus einer dünnen Schicht eines flexiblen oder verformbaren Materials bestehen. Daher sind diese Materialien während des Herstellungs- und Montageprozesses anfällig für unvorhersehbare Falten und Knicke, die beim Zusammenbau mit anderen Komponenten in der elektrochemischen Zelle zum Auftreten eines weichen oder harten elektrischen Kurzschlusses führen können. Darüber hinaus kann die elektrochemische Zelle bei der Verwendung in Fahrzeugen Vibrationen und mechanischen Kräften ausgesetzt sein, die zu Verschiebungen, Verbiegungen und ähnlichem führen. Bei Variationen, bei denen die elektrisch leitfähigen Laschen völlig unbeschichtet sind oder einige unbeschichtete Bereiche aufweisen (vor oder nach dem Schweißen), wurde beobachtet, dass die Laschen gelegentlich einen unerwünschten Kontakt mit anderen Bauteilen herstellen und zu einem potentiellen Kurzschluss und Ausfall der Zelle oder einer verminderten Leistung führen. Darüber hinaus dient der Separator bei bestimmten aktuellen Ausführungen als einzige elektrische Isolierung zwischen der negativen und der positiven Elektrode. Der Separator ragt in der Regel über die Kante der negativen und positiven Elektroden hinaus (wenn die Länge der positiven Elektrode kürzer ist als die Länge der negativen Elektrode), aber der Separator bedeckt nicht den Laschenbereich. Dadurch erhöht sich das Risiko eines Kurzschlusses zwischen der negativen und der positiven Elektrode, wenn der Separator aufgrund von Ausrichtungsfehlern, thermischem Schrumpfen, Falten und Knicken während des Zusammenbaus versagt.
Die vorliegende Technologie modifiziert daher den Herstellungsprozess, um die Oberflächenabdeckung der Laschen mit elektrisch isolierenden Materialien zu verbessern, zum Beispiel vor dem Schweißen, und gleichzeitig qualitativ hochwertige Schweißlinsen durch die elektrisch isolierenden Materialien hindurch zu bilden. Darüber hinaus bietet das auf den Laschen verwendete elektrisch isolierende Material in bestimmten Variationen nicht nur einen elektrischen Widerstand, sondern kann auch die Leistung der elektrochemischen Zelle verbessern, da es aus speziellen isolierenden Materialien besteht, wie weiter unten beschrieben wird. Die vorliegende Technologie kann mögliche Probleme mit dem Separator, der während des Betriebs der Batterie nicht richtig ausgerichtet ist oder sich verschiebt/schrumpft, wodurch seine Fähigkeit zur elektrischen Isolierung möglicherweise beeinträchtigt wird, weiter verringern.
3A-3B zeigen den Aufbau einer Doppelschichtelektrode 200 gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Die hier beschriebenen Konzepte sind auch auf einseitige Elektroden anwendbar. Die Elektrode 200 weist ein elektroaktives Material 202 auf, das auf zwei Seiten eines Stromkollektors 210 angeordnet ist. Der Stromkollektor 210 erstreckt sich über einen Anschlussrand 212 der Elektrode 200 hinaus, um eine elektrisch leitfähige Lasche 214 zu bilden. Die Lasche 214 ist nicht auf die in 3A-3B gezeigte Form beschränkt und kann sich auch an einer anderen Stelle befinden, oder es können mehrere Laschen vorhanden sein, z.B. an anderen Rändern.
Die hier besprochenen Laschen können, wie die Lasche 214, eine rechteckige Form haben und somit eine Breite und Höhe aufweisen. In bestimmten Variationen kann eine Lasche eine Breite aufweisen, die der Gesamtbreite des gesamten Anschlussrandes des negativen oder positiven Stromkollektors im Elektrodenbereich (wo sich die elektroaktive Materialschicht befindet) entspricht. In anderen Variationen hat jede Lasche eine Breite, die weniger als die Hälfte der Länge jedes Anschlussrandes der Elektrode einnimmt, z.B. kann eine Laschenbreite größer als oder gleich etwa 15 % bis kleiner als oder gleich etwa 45 % einer Gesamtlänge jedes jeweiligen Randes sein. In bestimmten Aspekten kann die Höhe der Lasche mehr als oder gleich etwa 5 mm bis weniger als oder gleich etwa 30 mm betragen. In bestimmten anderen Aspekten kann die Breite der Lasche größer als oder gleich etwa 30 mm bis kleiner als oder gleich etwa 300 mm sein.
In der gezeigten Ausführung kann auf der Lasche 214 ein erstes elektrisch isolierendes Material 220 angeordnet sein. Insbesondere bedeckt das erste elektrisch isolierende Material 220 nicht nur die elektrisch leitfähige Lasche 214, sondern erstreckt sich auch den Anschlussrand 212 entlang von einer ersten Seite 222 der Elektrode 200 zu einer zweiten Seite 224 der Elektrode 200, um einen seitlichen Streifen 226 aus isolierendem Material zu bilden, wie am besten in 3A dargestellt.
In bestimmten Variationen kann das elektrisch isolierende Material 220 die freiliegenden Oberflächen der Lasche 214 im Wesentlichen bedecken. Mit „im Wesentlichen beschichten oder bedecken“ ist gemeint, dass das erste elektrisch isolierende Material 220 mehr als oder gleich etwa 90 % des freiliegenden Oberflächenbereichs der Lasche 214 bedecken kann, optional mehr als oder gleich etwa 92 % des freiliegenden Oberflächenbereichs, optional mehr als oder gleich etwa 95 % des freiliegenden Oberflächenbereichs, optional mehr als oder gleich etwa 97 % des freiliegenden Oberflächenbereichs, optional mehr als oder gleich etwa 98 % des freiliegenden Oberflächenbereichs, optional mehr als oder gleich etwa 99 % des freiliegenden Oberflächenbereichs und in bestimmten Aspekten 100 % des freiliegenden Oberflächenbereichs der Lasche 214. Insbesondere erstreckt sich das erste elektrisch isolierende Material 220 von dem Anschlussrand 212 des Körpers der Elektrode 200 bis zu einem oberen Rand 228 der Lasche 214. Bei dieser Variation bietet das Vorhandensein des seitlichen Streifens 226 entlang dem Anschlussrand 212 einen zusätzlichen Schutz vor einem möglichen Kurzschluss, aber auch abschirmende und elektrisch isolierende Eckbereiche 240, die zwischen dem Anschlussrand 212 und der Lasche 214 gebildet sind. Wäre der seitliche Streifen 226 nicht vorhanden, könnte elektrischer Strom von der Lasche 214 durch die Schultern 240 fließen und mit dem elektroaktiven Material 202 in Kontakt treten.
Die beschichtete Lasche 214 kann dann mit anderen Laschen anderer Elektrodenschichten in der Anordnung verschweißt werden, um eine Schweißlinse 230 zu bilden. Wie weiter unten noch näher erläutert wird, kann die Auswahl des Isoliermaterials in Kombination mit der Art des gewählten Schweißverfahrens sicherstellen, dass die Schweißlinse 230 die erforderliche elektrische Leitfähigkeit aufweist und gleichzeitig einen besseren Schutz vor unbeabsichtigtem Falten oder Knicken der Materialien bietet. Nachdem die Schweißlinse 230 gebildet ist, werden zumindest ein Teil oder alle freiliegenden Oberflächen der Schweißlinse 230 mit einem zweiten elektrisch isolierenden Material 232, wie einem elektrisch isolierenden Band, beschichtet.
In einer alternativen, nicht gezeigten Variation kann ein oberer Bereich der Lasche 214 in der Nähe des oberen Randes 228 für den Schweißvorgang unbeschichtet sein, so dass die Schweißlinse 230 nur teilweise durch einen Teil des elektrisch isolierenden Materials 220 gebildet wird. In dieser Variation kann die Lasche 214 nur teilweise von dem Isoliermaterial bedeckt sein, das zum Beispiel mehr als oder gleich etwa 50 % des freiliegenden Oberflächenbereichs der Lasche 214, optional mehr als oder gleich etwa 60 % des freiliegenden Oberflächenbereichs, optional mehr als oder gleich etwa 75 % des freiliegenden Oberflächenbereichs, optional mehr als oder gleich etwa 80 % des freiliegenden Oberflächenbereichs, optional mehr als oder gleich etwa 85 % des freiliegenden Oberflächenbereichs, optional mehr als oder gleich etwa 90 % des freiliegenden Oberflächenbereichs der Lasche 214 bedeckt. Nach dem Schweißen kann der obere Bereich dann mit dem zweiten elektrisch leitfähigen Material 232 beschichtet werden. Es ist zu beachten, dass eine solche Variation weniger vorteilhaft sein kann als die oben beschriebene, bei der im Wesentlichen die gesamte freiliegende Oberfläche der Lasche 214 bedeckt ist, da potentielle Kurzschlussprobleme mit den freiliegenden elektrisch leitfähigen Oberflächen immer noch Probleme verursachen können, wenn sie vor dem Schweißen auftreten. Insbesondere erstrecken sich das erste elektrisch isolierende Material 220 und das zweite elektrisch isolierende Material 232 gemeinsam vom Anschlussrand 212 des Körpers der Elektrode 200 bis zu einem oberen Rand 228 der Lasche 214, um nach dem Schweißen eine vollständige isolierende Abdeckung zu gewährleisten.
4A-4B zeigen den Aufbau einer Doppelschichtelektrode 250 gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Die Elektrode 250 weist ein elektroaktives Material 252 auf, das auf zwei Seiten eines Stromkollektors 260 angeordnet ist. Der Stromkollektor 260 erstreckt sich über einen Anschlussrand 262 der Elektrode 250 hinaus, um eine elektrisch leitfähige Lasche 264 zu bilden. Wie bei anderen Variationen sind die Platzierung und die Anzahl der Laschen 264 nicht auf die gezeigte Ausgestaltung beschränkt. Auf der Lasche 264 kann ein erstes elektrisch isolierendes Material 270 angeordnet sein. In dieser Ausführungsform bedeckt das erste elektrisch isolierende Material 270 insbesondere nur die elektrisch leitfähige Lasche 264, erstreckt sich aber somit nicht entlang dem Anschlussrand 262 von einer ersten Seite 272 der Elektrode 250 zu einer zweiten Seite 274 der Elektrode 250 und ist daher nicht deckungsgleich mit dieser. Bei dieser Variation wird weniger von dem ersten elektrisch isolierenden Material 270 verwendet.
In bestimmten Variationen kann das elektrisch isolierende Material 270 die freiliegenden Oberflächen der Lasche 264 im Wesentlichen bedecken, wie oben beschrieben. Das erste elektrisch isolierende Material 270 erstreckt sich von dem Anschlussrand 262 des Körpers der Elektrode 250 bis zu einem oberen Rand 278 der Lasche 264.
Die beschichtete Lasche 214 kann dann mit anderen Laschen anderer Elektrodenschichten in der Anordnung verschweißt werden, um eine Schweißlinse 280 zu bilden. Mindestens ein Teil oder alle freiliegenden Oberflächen der Schweißlinse 280 sind mit einem zweiten elektrisch isolierenden Material 282, wie einem elektrisch isolierenden Band, beschichtet. Das erste elektrisch isolierende Material 270 und das zweite elektrisch isolierende Material 282 erstrecken sich vom Anschlussrand 262 des Körpers der Elektrode 250 bis zum oberen Rand 278 der Lasche 264, um nach dem Schweißen eine vollständige isolierende Abdeckung zu gewährleisten.
In einer alternativen, nicht gezeigten Variation kann ein oberer Bereich der Lasche 264 in der Nähe des oberen Randes 278 für den Schweißvorgang unbeschichtet sein, so dass die Schweißlinse 280 nur teilweise durch einen Teil des elektrisch isolierenden Materials 270 gebildet wird. Bei dieser Variation kann die Lasche 264 nur teilweise mit dem Isoliermaterial bedeckt sein, wie oben beschrieben. Nach dem Schweißen kann der obere Bereich dann mit dem zweiten elektrisch leitfähigen Material 282 beschichtet werden.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung daher eine elektrochemische Lithiumionen-Zellenanordnung bereit, die eine erste Elektrode mit einer ersten Polarität und eine zweite Elektrode mit der gleichen Polarität wie die erste Elektrode umfasst. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode können zum Beispiel beide negative Elektroden oder alternativ positive Elektroden sein. Die erste Elektrode hat einen ersten Stromkollektor, der an einem Rand der ersten Elektrode eine erste elektrisch leitfähige Lasche bildet. Die erste elektrisch leitfähige Lasche ist im Wesentlichen von einem ersten Isoliermaterial bedeckt. Die zweite Elektrode bildet eine zweite elektrisch leitfähige Lasche an einem Rand der zweiten Elektrode, wobei die zweite elektrisch leitfähige Lasche im Wesentlichen von einem zweiten Isoliermaterial bedeckt ist. Das erste und das zweite Isoliermaterial können die gleiche Zusammensetzung haben oder sich voneinander unterscheiden. Eine Schweißlinse wird durch mindestens einen Teil des ersten Isoliermaterials und des zweiten Isoliermaterials hindurch gebildet und verbindet die erste elektrisch leitfähige Lasche und die zweite elektrisch leitfähige Lasche miteinander.
In bestimmten Aspekten umfasst die elektrochemische Lithiumionen-Zellenanordnung außerdem eine erste elektrische Leitung, die mit der Schweißlinse und den verbundenen ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Laschen elektrisch verbunden ist. Eine elektrische Verbindung zwischen der externen Leitung und den jeweiligen Laschen kann durch einen der folgenden Prozesse hergestellt werden: Ultraschallschweißen, Laserschweißen, Widerstandspunktschweißen oder eine mechanische Verbindung durch einen Bolzen oder eine Linse. So kann in bestimmten Variationen eine externe Leitung an die Schweißlinse geschweißt werden. So wird beispielsweise eine Außenschweißnaht in der Regel durch den ersten Schweißpunkt hindurch übergeschweißt, wodurch alle Laschen miteinander verschweißt werden.
In bestimmten Variationen wird ein zusätzliches drittes Isoliermaterial über freiliegenden Oberflächen der Schweißlinse angebracht. In verschiedenen Aspekten können die hier beschriebenen elektrisch isolierenden Materialien, einschließlich des ersten, zweiten und dritten elektrisch isolierenden Materials, gemeinsame Eigenschaften haben. Die Isoliermaterialien können bei Standardtemperaturbedingungen einen Widerstand von größer oder gleich etwa 10 MΩ bis kleiner oder gleich etwa 10⁶ MΩ, optional größer oder gleich etwa 100 MΩ bis kleiner oder gleich etwa 10⁶ MΩ, optional größer oder gleich etwa 250 MΩ bis kleiner oder gleich etwa 10⁶ MΩ oder optional größer oder gleich etwa 500 MΩ bis kleiner oder gleich etwa 10⁶ MΩ aufweisen.
In bestimmten Aspekten können die Isoliermaterialien ein isolierendes keramisches Material oder ein isolierendes polymeres Material sein. In bestimmten Variationen kann das Isoliermaterial ein keramikartiges Material sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Tonerden (Al₂O₃), Kieselerden (SiOx, wie Siliciumdioxid (SiO₂)), Phosphaten, Zeolithen (die sowohl Tonerden (Al₂O₃) als auch Kieselerden (SiOx) enthalten) und Kombinationen davon.
In anderen Aspekten kann das Isoliermaterial ein polymeres Material sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Polymeren auf Vinylbasis, wie z.B. Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylchlorid (PVC) und isolierenden Polymeren auf Fluorbasis, wie Poly(tetrafluorethylen) (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVdF), fluoriertem Ethylen-Propylen (FEP), Polyperfluorcyclobutanen, Polyvinylidenfluorid-Copolymeren (z.B. PVdF-Hexafluorpropylen oder (PVdF-HFP)) und Polyvinylidenfluorid-Terpolymeren, Polyvinylfluorid, wasserlöslichen Bindemitteln, wie Styrol-Butadien-Kautschuk, Natriumcarboxymethylcellulose, Styrol-Butadien-Kautschuk und Natriumcarboxymethylcellulose (SBR+CMC), Polyacrylnitril, Polyimid und Kombinationen oder Copolymeren davon.
In bestimmten Variationen sind die Isoliermaterialien aus der Gruppe ausgewählt, die besteht aus: Tonerden, Kieselsäuren, Zeolithen, Polymeren auf Fluorbasis, wie z.B. Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylalkohol (PVA), Natriumcarboxymethylcellulose, Styrol-Butadien-Kautschuk, Polyacrylnitril, Polyimid und Kombinationen davon.
Bei dem Isoliermaterial kann es sich auch um ein Material handeln, das die Leistung der elektrochemischen Lithiumionen-Zellenanordnung erhöht. Wie in 1 gezeigt, sind die Laschen der Elektroden dem Elektrolyten ausgesetzt und kommen mit diesem in Kontakt. In bestimmten Variationen kann das elektrisch isolierende Material, das zur Beschichtung der Oberflächen der Laschen verwendet wird, dazu dienen, die Leistung der Zelle zu verbessern, indem es beispielsweise unerwünschte Spezies abfängt oder die Verfügbarkeit von Lithium während des Zyklusbetriebs der elektrochemische(n) Zelle(n) erhöht oder den Verbrauch verringert. Ein solches aktives Material kann zum Beispiel ein lithiumionenausgetauschtes Zeolithmaterial sein. Der Begriff „lithiumionenausgetauschtes Zeolithmaterial“ bezeichnet einen Zeolithen, der mit Lithiumionen ionenausgetauscht wurde, so dass eine Vielzahl von Lithiumionen im Zeolithen als freie Ionen und/oder als Ionen außerhalb des Gerüsts vorhanden sind, wie es in der u.a. von der vorliegenden Anmelderin eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 10,950,836 von Xiao et al. beschrieben ist, die hier durch Verweis in vollem Umfang aufgenommen sei.
In einer Variation kann das Isoliermaterial ein lithiumionenausgetauschtes Zeolithteilchen umfassen, das im Wesentlichen aus Teilchen eines oder mehrerer natürlicher oder synthetischer Zeolithmaterialien bestehen oder diese enthalten kann. Zeolithe sind mikroporöse, kristalline Aluminosilikatmaterialien, die ein dreidimensionales Gerüst aus tetraedrischen AlO₂- und SiO₂-Einheiten und Kationen außerhalb des Gerüsts aufweisen. Jede AlO₂-Einheit bringt eine negative Ladung in das Gerüst ein, die durch die Kationen außerhalb des Gerüsts ausgeglichen wird. Die Kationen außerhalb des Gerüsts können organischer oder anorganischer Natur sein. In verschiedenen Aspekten können die lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen ein dreidimensionales Gerüst aus tetraedrischen AlO₂- und SiO₂-Einheiten und Lithiumkationen (Li⁺) außerhalb des Gerüsts umfassen. Die Menge der in den lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen vorhandenen Lithiumkationen außerhalb des Gerüsts kann zumindest teilweise vom Si:AI-Verhältnis des spezifischen Zeolithmaterials und der Kationenaustauschkapazität (CEC) des Zeolithmaterials abhängen. In den lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen können die Lithiumkationen (Li+) mehr als oder gleich etwa 90 Atomprozent (Atom-%), mehr als oder gleich etwa 95 Atom-%, mehr als oder gleich 99 Atom-% oder etwa 100 Atom-% der Kationen außerhalb des Gerüsts in den Zeolithteilchen ausmachen. In einigen Ausführungsformen kann der Zeolith in dehydrierter Form vorliegen.
In einigen Ausführungsformen können die lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen beispielsweise vor dem Betrieb in einer elektrochemischen Zelle weniger als oder gleich etwa 10 Atom-%, weniger als oder gleich etwa 5 Atom-% oder weniger als oder gleich etwa 1 Atom-% eines oder mehrerer der folgenden Kationen außerhalb des Gerüsts enthalten: Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca⁺, H⁺ und NH₄ ⁺. In einigen Ausführungsformen können die lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen weniger als oder gleich etwa 1 Atom-% eines oder mehrerer von H⁺ und NH₄ ⁺ enthalten. In einigen Ausführungsformen können die lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen eines oder mehrere der Kationen H⁺ und NH₄ ⁺ in einer Menge enthalten, die größer ist als die von einem oder mehreren der folgenden Kationen: Na⁺, K⁺, Mg²⁺ und Ca⁺. Zusätzlich oder alternativ können die lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen im Wesentlichen frei von einem oder mehreren der folgenden Kationen sein: Na⁺, K⁺, Mg²⁺ und Ca⁺.
Die Kristallstrukturen von Zeolithen enthalten Zwischenräume (oder Käfige) von molekularer Größe. So können Zeolithe als Adsorptionsmittel verwendet werden, um Moleküle selektiv zu adsorbieren, indem sie die Moleküle in ihren Zwischenräumen speichern. Der Zugang zu den Zwischenräumen innerhalb eines Zeoliths erfolgt über Porenöffnungen (oder Kanäle) im Kristallgitter des Zeoliths, die durch Ringe aus miteinander verbundenen Atomen von Sauerstoff (O), Silicium (Si) und/oder Aluminium (AI) gebildet sind. Größe und Form dieser Porenöffnungen begrenzen die Größe und Form der Moleküle, die vom Zeolithen adsorbiert werden können, und werden zumindest teilweise durch die Anzahl der Tetraedereinheiten (oder alternativ der Sauerstoffatome), aus denen die Ringe bestehen, und durch die Art der im Zeolithen vorhandenen Kationen außerhalb des Gerüsts bestimmt. So können die lithiumausgetauschten Zeolithteilchen einen durchschnittlichen Porendurchmesser aufweisen, der eine oder mehrere der folgenden Fähigkeiten aufweist: (i) selektives Absorbieren von Wassermolekülen (z.B. Spurenmengen) aus dem flüssigen Elektrolyten, ohne die organischen Lösungsmittelmoleküle oder die Lithiumsalzionen in der Elektrolytlösung im Elektrolyten zu adsorbieren. In einigen Ausführungsformen können die lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen einen durchschnittlichen Porendurchmesser aufweisen, der größer ist als der Ionenradius von Wasser (H₂O), aber kleiner als der Ionenradius der organischen Lösungsmittelmoleküle in der Elektrolytlösung. Insbesondere können die lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen einen durchschnittlichen Porendurchmesser von weniger als oder gleich etwa 1,5 nm, weniger als oder gleich etwa 1 nm, weniger als oder gleich etwa 0,75 nm, weniger als oder gleich etwa 0,5 nm, weniger als oder gleich etwa 0,25 nm, weniger als oder gleich etwa 0,1 nm oder etwa 0,01 nm aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können die lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen einen durchschnittlichen Porendurchmesser von mehr als oder gleich etwa 0,01 nm bis weniger als oder gleich etwa 1,5 nm, mehr als oder gleich etwa 0,01 nm bis weniger als oder gleich etwa 1 nm, mehr als oder gleich etwa 0,1 nm bis weniger als oder gleich etwa 1 nm oder mehr als oder gleich etwa 0,25 nm bis weniger als oder gleich etwa 0,75 nm aufweisen. Zeolithmaterialien mit Porenöffnungen mit den oben beschriebenen Breiten oder Durchmessern können Zeolithmaterialien mit Porenöffnungen umfassen, die durch 8-, 9-, 10- und/oder 12-teilige Ringe definiert sind.
Zeolithmaterialien können nach der kristallinen Struktur ihres eckenteilenden Netzwerks aus tetraedrisch koordinierten Atomen oder T-Atomen (z.B. Si und Al) kategorisiert werden. Zeolithstrukturen werden in der Regel durch einen aus drei Großbuchstaben bestehenden und von der International Zeolite Association („IZA“) zugewiesenen Gerüsttyp-Code beschrieben oder definiert. Eine Auflistung aller vom IZA vergebenen Gerüsttyp-Codes findet sich im Atlas of Zeolite Framework Types, Sixth Revised Edition, Elsevier (2007).
In einigen Ausführungsformen können die lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen Teilchen eines Zeolithmaterials mit einem SiO₂-Al₂O₃-Verhältnis von weniger als oder gleich etwa 50, weniger als oder gleich etwa 40, weniger als oder gleich etwa 30, weniger als oder gleich etwa 20 oder etwa 10 umfassen. Die lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen können Teilchen eines Zeolithmaterials mit einem SiO₂:Al₂O₃-Verhältnis im Bereich von mehr als oder gleich etwa 10 bis weniger als oder gleich etwa 50, mehr als oder gleich etwa 10 bis weniger als oder gleich etwa 40, mehr als oder gleich etwa 10 bis weniger als oder gleich etwa 20, mehr als oder gleich etwa 20 bis weniger als oder gleich etwa 50, etwa 20 bis etwa 40, oder etwa 30 bis etwa 50 umfassen. In einigen Ausführungsformen werden lithiumionenausgetauschte Zeolithteilchen mit mehr SiO₂ im Vergleich zu Al₂O₃ bevorzugt, z.B. mit einem SiO₂:Al₂O₃-Verhältnis von mehr als etwa 10, z.B. für erhöhte Stabilität. In anderen Ausführungsformen werden lithiumionenausgetauschte Zeolithteilchen mit mehr Al₂O₃ im Vergleich zu SiO₂, z.B. mit einem SiO₂:Al₂O₃-Verhältnis von weniger als etwa 10, bevorzugt, z.B. für eine erhöhte Flusssäure (HF)-Fängerfunktion des porösen Separators zum Schutz der positiven Elektrode.
Die lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen können ein Zeolithmaterial mit einem Gerüsttyp umfassen, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus NAT, EDI, THO, ANA, YUG, GOO, MON, HEU, STI, BRE, FAU, MFI, LTL, LTA und einer Kombination daraus. Die lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen können beispielsweise ein Zeolithmaterial aus der Gruppe umfassen, die besteht aus Zeolith A, Zeolith Y, Zeolith L, ZSM-5 und einer Kombination davon.
Die lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen, die als Beschichtungsmaterial auf einer Lasche angeordnet sind, können in Kontakt mit dem Elektrolyten stehen. Die lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen können so formuliert oder ausgewählt werden, dass sie bestimmte Zielverbindungen innerhalb der elektrochemischen Zelle adsorbieren, abfangen, einschließen oder anderweitig hemmen, ohne den Transport oder den Nettofluss von Lithiumionen durch die elektrochemische Zelle zu beeinträchtigen. Beispielsweise können die Teilchen der lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen abhängig von dem oben beschriebenen Porendurchmesser, dem durchschnittlichen Teilchendurchmesser und/oder dem Kationengehalt so formuliert oder ausgewählt werden, dass sie die Bewegung von Wassermolekülen, Polysulfidmolekülen, Wasserstoffionen, HF und Übergangsmetallionen, wie Mn²⁺- und Fe^2+/3+-Ionen, innerhalb der elektrochemischen Zelle 10 einschließen oder hemmen. Die Zielverbindungen können in den lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen entweder physikalisch, chemisch oder sowohl physikalisch als auch chemisch eingeschlossen werden.
So kann die Aufnahme der lithiumionenausgetauschten Zeolithteilchen in die Überzugsschicht auf den Laschen der Elektroden dazu beitragen, ein als „Spannungsabfall“ bezeichnetes Phänomen zu verhindern, den Kapazitätsabfall und die Impedanz zu verringern, den Coulomb-Wirkungsgrad zu verbessern, eine gleichmäßige Stromverteilung entlang der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche aufrechtzuerhalten, die Korrosion zu verringern und das Ausgasen der Zelle zu verhindern.
In bestimmten Aspekten kann ein Isoliermaterial ein Verbundstoff sein, der eine Polymermatrix oder ein Bindemittel enthält, in dem isolierende Teilchen angeordnet sind. Bei der Polymermatrix kann es sich um ein Polymer auf Fluorbasis, Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylalkohol (PVA) und Kombinationen davon handeln. Bei den isolierenden Teilchen oder dem Pulver kann es sich um eine isolierende Keramik handeln, wie z.B. Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Zeolith, lithiiertes Zeolith und Kombinationen davon. In bestimmten Aspekten kann das Isoliermaterial mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 % des polymeren Bindemittels und mehr als oder gleich etwa 5 % bis weniger als oder gleich etwa 95 % der isolierenden Teilchen enthalten. Derartige Isoliermaterialien können als Beschichtung im Schlickergussverfahren auf die Lasche aufgebracht werden. In anderen Variationen kann das Isoliermaterial ein flächiges Material, eine Folie oder ein Band sein, das aus einem Polymer besteht, wie z.B. Polyvinylchlorid, Polyvinylalkohol oder Polymere auf Fluorbasis. Isolierbandmaterialien können einen Widerstand von mehr als oder gleich etwa 100 MΩ bis weniger als oder gleich etwa 10⁶ MΩ aufweisen. Als nicht einschränkendes Beispiel sei ein geeignetes Isolierbandmaterial genannt, das von 3M als Scotch® Super-Vinyl-Elektroband verkauft wird. In bestimmten Aspekten ist ein erstes Isoliermaterial, das vor dem Schweißen auf die Lasche aufgebracht wird, ein elektrisch isolierendes Verbundmaterial, das eine Polymermatrix mit isolierenden Teilchen umfasst, während ein zweites Isoliermaterial, das nach dem Schweißen auf die Lasche aufgebracht wird, ein elektrisch isolierendes Verbundmaterial oder ein Band, eine Folie oder ein Film sein kann.
Je nach den Eigenschaften der einzelnen Materialien kann die Dicke des Isolationsüberzugs variieren. Im Allgemeinen können die Isoliermaterialien jedoch in einer Dicke von mehr als oder gleich etwa 2 µm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm aufgebracht werden.
In anderen Variationen bildet der Rand der ersten Elektrode einen Anschlussbereich, der zusätzlich mit dem ersten Isoliermaterial beschichtet ist, und der Rand der zweiten Elektrode bildet einen Anschlussbereich, der in ähnlicher Weise mit dem zweiten Isoliermaterial beschichtet ist.
Die vorliegende Offenbarung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Lithiumionen-Zellenanordnung bereit. In einer Variation umfasst das Verfahren das Verschweißen einer ersten elektrisch leitfähigen Lasche einer ersten Elektrode, die von einem ersten Isoliermaterial bedeckt ist, mit einer zweiten elektrisch leitfähigen Lasche einer zweiten Elektrode, die von einem zweiten Isoliermaterial bedeckt ist. Wie Fachleute wissen, sind die Verfahren nicht auf nur zwei Elektroden beschränkt, sondern können auch die Herstellung vieler weiterer Elektroden für die elektrochemische Zelle umfassen. Das Schweißen erfolgt durch mindestens einen Teil des ersten Isoliermaterials und des zweiten Isoliermaterials hindurch, um eine Schweißlinse zu bilden.
Das Schweißen kann durch Ultraschallschweißen, Laserschweißen oder Widerstandsschweißen erfolgen. In bestimmten Aspekten kann das Schweißen ein Laserschweiß- oder Widerstandspunktschweißverfahren sein, da solche Verfahren dazu beitragen, die Temperaturen zu erhöhen und/oder die Metalle zu schmelzen, so dass eine Schmelze entsteht, die die Isolierschichten durchdringen kann. Im Allgemeinen besteht das Ziel darin, eine Schweißlinse zu bilden, die die elektrische Leitfähigkeit der Laschen zu einer externen Leitung nicht verringert, während die Laschen weiterhin von den Elektroden isoliert werden. Das Schweißen könnte die Isolierschicht beeinträchtigen oder beschädigen, daher wird nach dem Schweißen ein drittes Isoliermaterial oder eine dritte Beschichtung aufgebracht, z.B. durch Hinzufügen einer Lage Isolierband oder durch Eintauchen der geschweißten Laschen in einen Isoliermaterialvorläufer, so dass sich eine Beschichtung über der Schweißlinse bilden kann.
In bestimmten Aspekten kann das Verfahren vor dem Schweißen ferner das Aufbringen des ersten Isoliermaterials auf mindestens einen Teil eines ersten Anschlussrandes eines ersten Stromkollektors in der Nähe eines zentralen Bereichs umfassen, auf dem sich ein erstes elektroaktives Material der ersten Elektrode befindet. Das Verfahren kann ferner das Aufbringen des zweiten Isoliermaterials auf mindestens einen Teil eines zweiten Anschlussrandes eines zweiten Stromkollektors in der Nähe eines zentralen Bereichs umfassen, auf dem sich ein zweites elektroaktives Material der zweiten Elektrode befindet.
In einem weiteren Aspekt kann das Verfahren das Entfernen eines Teils des ersten Anschlussrandes beinhalten, um die erste elektrisch leitfähige Lasche mit dem darauf angeordneten ersten Isoliermaterial zu bilden, und das Entfernen eines Teils des zweiten Anschlussrandes, um die zweite elektrisch leitfähige Lasche mit dem darauf angeordneten zweiten Isoliermaterial zu bilden. Bei dem Entfernungsprozess kann es sich um einen Schneid-, Kerb-, Stanz- oder Ätzprozess handeln, bei dem Teile der jeweiligen Stromkollektoren entfernt werden, um die elektrisch leitfähigen Laschen zu bilden.
In bestimmten weiteren Aspekten umfasst das Verfahren ferner das Aufbringen des ersten Isoliermaterials durch Auftragen einer ersten Aufschlämmung, die ein Bindemittel und eine Vielzahl von elektrisch isolierenden Teilchen umfasst. Das Verfahren umfasst auch das Entfernen von Flüssigkeiten aus der Aufschlämmung durch Trocknen, um das erste Isoliermaterial zu bilden. Das zweite Isoliermaterial wird ebenfalls durch Auftragen einer zweiten Aufschlämmung aufgebracht, die ein Bindemittel und eine Vielzahl von elektrisch isolierenden Teilchen enthält, und durch Entfernen von Flüssigkeiten aus der Aufschlämmung, um das zweite Isoliermaterial zu bilden.
Eine Aufschlämmung kann durch Mischen von Teilchen, z.B. elektrisch isolierenden Teilchen, mit einer polymeren Bindemittelverbindung, einem nichtwässrigen Lösungsmittel, optional einem Weichmacher und optional elektrisch leitfähigen Teilchen hergestellt werden. Bei dem polymeren Bindemittel kann es sich um eines der oben genannten elektrisch isolierenden Polymere handeln, einschließlich Polyvinylalkohol, Polyvinylchlorid und fluorhaltiger Polymere, wie oben diskutiert. Geeignete nichtwässrige aprotische organische Lösungsmittel sind u.a. verschiedene Alkylcarbonate, wie z.B. cyclische Carbonate (z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC)), lineare Carbonate (z.B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (z.B. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Ether mit Kettenstruktur (z.B. 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), zyklische Ether (z.B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran), 1,3-Dioxolan), Schwefelverbindungen (z.B. Sulfolan) und Kombinationen davon. Die Aufschlämmung kann gemischt oder gerührt und dann dünn auf das Substrat aufgetragen werden, z.B. mit einer Rakel auf einen ausgewählten Bereich des Stromkollektors. In einer Variation kann das Lösungsmittel durch Wärme oder Strahlung verdampft werden, so dass ein fester Rückstand oder ein isolierender Film/eine isolierende Beschichtung zurückbleibt. Es kann notwendig sein, den restlichen Weichmacher vor dem Einbau in die Batteriezelle zu extrahieren oder zu entfernen.
In bestimmten Variationen kann das Verfahren das Aufbringen der ersten Aufschlämmung auf den Anschlussrand des ersten Stromkollektors während oder gleichzeitig mit einem Beschichtungsprozess des ersten elektroaktiven Materials auf dem ersten Stromkollektor und das Aufbringen der zweiten Aufschlämmung auf den Anschlussrand des zweiten Stromkollektors während oder gleichzeitig mit einem Beschichtungsprozess des zweiten elektroaktiven Materials auf dem zweiten Stromkollektor umfassen. Auf diese Weise kann die Aufschlämmung zur Bildung der Isolierschicht gleichzeitig mit der Aufschlämmung zur Bildung des aktiven Elektrodenbereichs auf den Stromkollektor aufgebracht werden.
Ein elektroaktiver Bereich kann durch Mischen von Teilchen, die elektroaktive Materialien enthalten, zu einer Aufschlämmung mit einer polymeren Bindemittelverbindung, einem nichtwässrigen Lösungsmittel, optional einem Weichmacher und optional elektrisch leitfähigen Teilchen hergestellt werden. Die Aufschlämmung kann gemischt oder gerührt werden und dann z.B. mit einer Rakel dünn auf ein Substrat des Stromkollektors aufgetragen werden. Es kann wiederum Wärme oder Strahlung angewendet werden, um das Lösungsmittel aus dem Elektrodenfilm zu verdampfen, wobei ein fester Rückstand zurückbleibt. Wenn sowohl die isolierende Aufschlämmung als auch die Aufschlämmung aus elektroaktivem Material gleichzeitig aufgetragen werden, kann die Anwendung von Wärme, Vakuum oder Strahlung gleichzeitig über das Anschlussende und/oder den Laschenbereich erfolgen, um sowohl die isolierende Materialschicht als auch die elektroaktive Schicht zu bilden. Der Elektrodenfilm kann weiter verfestigt werden, wobei Wärme und Druck auf den Film angewendet werden, um ihn zu sintern und zu kalandern. In anderen Variationen kann der Film bei mäßiger Temperatur an der Luft getrocknet werden, um selbsttragende Filme bzw. Folien zu bilden. Bei beiden Arten von Substraten kann es wiederum notwendig sein, den restlichen Weichmacher vor dem Einbau in die Batteriezelle zu extrahieren oder zu entfernen.
In einer alternativen Variation kann das Verfahren das Aufbringen der ersten Aufschlämmung auf den Anschlussrand des ersten Stromkollektors nach einem Beschichtungsprozess des ersten elektroaktiven Materials auf dem ersten Stromkollektor und das Aufbringen der zweiten Aufschlämmung auf den Anschlussrand des zweiten Stromkollektors nach einem Beschichtungsprozess des zweiten elektroaktiven Materials auf dem zweiten Stromkollektor umfassen. Auf diese Weise kann die Aufschlämmung zur Bildung der Isolierschicht auf den Stromkollektor aufgebracht werden, nachdem das elektroaktive Material bzw. der elektroaktive Elektrodenfilm bereits auf dem Stromkollektor gebildet worden ist.
In bestimmten Aspekten kann das Verfahren das Aufbringen der ersten Aufschlämmung auf den Anschlussrand des ersten Stromkollektors umfassen, so dass sie sich während eines Beschichtungsprozesses des ersten elektroaktiven Materials auf dem ersten Stromkollektor mit dem Anschlussrand deckt. Das Verfahren kann auch beinhalten, dass die zweite Aufschlämmung auf den Anschlussrand des zweiten Stromkollektors aufgebracht wird, so dass sie sich während eines Beschichtungsprozesses des zweiten elektroaktiven Materials auf dem zweiten Stromkollektor mit dem Anschlussrand deckt.
In bestimmten Aspekten erfolgt das Aufbringen des ersten Isoliermaterials durch Eintauchen des ersten Anschlussrandes in ein Aufschlämmungsbad und Trocknen, um das erste Isoliermaterial zu bilden, und das Aufbringen des zweiten Isoliermaterials erfolgt durch Eintauchen des zweiten Anschlussrandes in ein Aufschlämmungsbad und Trocknen, um das zweite Isoliermaterial zu bilden.
In anderen Aspekten verbleibt nach dem Entfernen des Teils des ersten Anschlussrandes ein Teil des ersten Isoliermaterials auf dem ersten Anschlussrand (wie in den 3A-3B gezeigt), und nach dem Entfernen des Teils des zweiten Anschlussrandes verbleibt ein Teil des zweiten Isoliermaterials auf dem zweiten Anschlussrand.
In anderen Variationen werden das erste Isoliermaterial und das zweite Isoliermaterial nur auf einen Teil eines ersten Anschlussrandes eines ersten Stromkollektors aufgebracht, nämlich nur auf den Laschenbereich, oder auf einen Teil des zweiten Anschlussrandes eines zweiten Stromkollektors (wie in 4A-4B gezeigt). Die Lasche kann vor dem Anbringen eingekerbt oder abgeschnitten worden sein. Auf diese Weise wird weniger Isoliermaterial verbraucht.
In einer weiteren Variation umfasst das Verfahren ferner vor dem Schweißen: Entfernen eines Teils eines ersten Anschlussrandes eines ersten Stromkollektors, um die erste elektrisch leitfähige Lasche zu bilden, und Entfernen eines Teils eines zweiten Anschlussrandes eines zweiten Stromkollektors, um die zweite elektrisch leitfähige Lasche zu bilden. Ein erstes Isoliermaterial kann dann auf die erste elektrisch leitfähige Lasche aufgebracht werden, und ein zweites Isoliermaterial kann auf die zweite elektrisch leitfähige Lasche aufgebracht werden.
Nach dem Zusammenschweißen der Laschen kann das Verfahren ferner das Aufbringen eines dritten Isoliermaterials auf die freiliegenden Oberflächen der Schweißlinse umfassen. Dies kann durch Anbringen eines Bandes, einer Folie oder eines flächigen Materials über den freiliegenden Bereichen der Schweißlinse oder durch Aufbringen des dritten Isoliermaterials als Aufschlämmung auf die geschweißten Laschen erfolgen, z.B. durch Tauchbeschichtung der geschweißten Laschen in einem Aufschlämmungsbad. Auf diese Weise entstehen verbesserte Elektroden, bei denen Isoliermaterialien verwendet werden, um die blanken Bereiche der Elektrodenbereiche abzudecken und so potentielle interne harte und weiche Kurzschlüsse zwischen zwei Elektroden innerhalb der Zelle zu verhindern oder zu minimieren. Dies trägt dazu bei, die Sicherheit der Batteriezellen und die Leistung des Batteriesystems zu verbessern (z.B. Minimierung des Spannungsabfalls aufgrund eines weichen Kurzschlusses an den Elektroden oder Zellen). Jede einzelne Elektrode kann vollständig elektrisch isoliert sein, wobei jedoch ein Isoliermaterial, z.B. ein Klebeband oder eine Aufschlämmungsbeschichtung, verwendet wird, das den gesamten Bereich der blanken Folie im Bereich der Laschen und Anschlussenden der Elektroden bedecken kann.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben werden. Dieselbe kann auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Solche Variationen sind nicht als außerhalb der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Änderungen sollen in den Schutzbereich der Offenbarung einbezogen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2021/0091424 [0051]
US 10950836 [0081]

Claims

Elektrochemische Lithiumionen-Zellenanordnung, umfassend: eine erste Elektrode mit einer ersten Polarität und einem ersten Stromkollektor, der an einem Rand der ersten Elektrode eine erste elektrisch leitfähige Lasche bildet, wobei die erste elektrisch leitfähige Lasche im Wesentlichen von einem ersten Isoliermaterial bedeckt ist; eine zweite Elektrode mit der ersten Polarität und mit einem zweiten Stromkollektor, der an einem Rand der zweiten Elektrode eine zweite elektrisch leitfähige Lasche bildet, wobei die zweite elektrisch leitfähige Lasche im Wesentlichen von einem zweiten Isoliermaterial bedeckt ist; und eine Schweißlinse, die durch mindestens einen Teil des ersten Isoliermaterials und des zweiten Isoliermaterials hindurch gebildet ist und die erste elektrisch leitfähige Lasche mit der zweiten elektrisch leitfähigen Lasche verbindet.
Elektrochemische Lithiumionen-Zellenanordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine erste elektrische Leitung, die mit der Schweißlinse und den verbundenen ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Laschen elektrisch verbunden ist.
Elektrochemische Lithiumionen-Zellenanordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein zusätzliches drittes Isoliermaterial, das über freiliegenden Oberflächen der Schweißlinse angeordnet ist.
Elektrochemische Lithiumionen-Zellenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Rand der ersten Elektrode einen mit dem ersten Isoliermaterial beschichteten Anschlussbereich bildet und der Rand der zweiten Elektrode einen mit dem zweiten Isoliermaterial beschichteten Anschlussbereich bildet.
Elektrochemische Lithiumionen-Zellenanordnung nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine dritte Elektrode mit einer zweiten Polarität und einem dritten Stromkollektor, der eine dritte elektrisch leitfähige Lasche auf der dritten Elektrode bildet, wobei die dritte elektrisch leitfähige Lasche im Wesentlichen von einem dritten Isoliermaterial bedeckt ist; und eine vierte Elektrode mit der zweiten Polarität und mit einem vierten Stromkollektor, der eine vierte elektrisch leitfähige Lasche bildet, die an einem Rand der vierten Elektrode angeordnet ist, wobei die vierte elektrisch leitfähige Lasche im Wesentlichen von einem vierten Isoliermaterial bedeckt ist, wobei die Schweißlinse eine erste Schweißlinse ist, und eine zweite Schweißlinse durch das dritte Isoliermaterial und das vierte Isoliermaterial hindurch gebildet ist und die dritte elektrisch leitfähige Lasche mit der vierten elektrisch leitfähigen Lasche verbindet.
Elektrochemische Lithiumionen-Zellenanordnung nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Isoliermaterial aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Tonerden, Kieselsäuren, lithiierten Zeolithen, Polymeren auf Fluorbasis, Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylalkohol (PVA), Natriumcarboxymethylcellulose, Styrol-Butadien-Kautschuk, Polyacrylnitril, Polyimid und Kombinationen davon.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Lithiumionen-Zellenanordnung, umfassend: Schweißen einer ersten elektrisch leitfähigen Lasche einer ersten Elektrode, die von einem ersten Isoliermaterial bedeckt ist, an eine zweite elektrisch leitfähige Lasche einer zweiten Elektrode, die von einem zweiten Isoliermaterial bedeckt ist, wobei das Schweißen durch mindestens einen Teil des ersten Isoliermaterials und des zweiten Isoliermaterials hindurch erfolgt, um eine Schweißlinse zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Schweißen ein Laserschweißprozess oder ein Widerstandsschweißprozess ist.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend vor dem Schweißen: Aufbringen des ersten Isoliermaterials auf mindestens einen Teil eines ersten Anschlussrandes eines ersten Stromkollektors in der Nähe eines zentralen Bereichs, auf dem sich ein erstes elektroaktives Material der ersten Elektrode befindet; Aufbringen des zweiten Isoliermaterials auf mindestens einen Teil eines zweiten Anschlussrandes eines zweiten Stromkollektors in der Nähe eines zentralen Bereichs, auf dem sich ein zweites elektroaktives Material der zweiten Elektrode befindet; Entfernen eines Teils des ersten Anschlussrandes, um die erste elektrisch leitfähige Lasche mit dem darauf angeordneten ersten Isoliermaterial zu bilden; und Entfernen eines Teils des zweiten Anschlussrandes, um die zweite elektrisch leitfähige Lasche mit dem darauf angeordneten zweiten Isoliermaterial zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei nach dem Schweißen ferner ein drittes Isoliermaterial auf freiliegende Oberflächen der Schweißlinse aufgebracht wird.