DE102022112390A1

DE102022112390A1 - Gestapelte elektrodenarchitekturen für elektrochemische vorrichtungen und verfahren zur herstellung elektrochemischer vorrichtungen

Info

Publication number: DE102022112390A1
Application number: DE102022112390.1A
Authority: DE
Inventors: Michael A. Lelli; Jing Gao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-08-20
Filing date: 2022-05-17
Publication date: 2023-02-23
Also published as: CN115708241A; US20230054685A1

Abstract

Vorgestellt werden gestapelte Elektrodenkonstruktionen für elektrochemische Vorrichtungen, Verfahren zur Herstellung/Verwendung solcher elektrochemischen Vorrichtungen und zylindrische und prismatische Batteriezellen der Lithiumklasse mit gestapelten Elektrodenarchitekturen. Eine elektrochemische Vorrichtung verwendet mehrere erste (z. B. Anoden-) Elektroden und mehrere zweite (z. B. Kathoden-) Elektroden, von denen jede ein aktives (Anoden-/Kathoden-) Elektrodenmaterial, das von einem Elektrodenkörper getragen wird, und eine flexible Lasche umfasst, die aus dem Elektrodenkörper herausragt. Mehrere elektrisch isolierende Separatoren sind zwischen den Elektroden angeordnet und entlang einer zentralen Stapelachse mit den Elektroden gestapelt, um einen Elektrodenstapel zu bilden. Ein erster elektrisch leitender Stromkollektor umgibt den Elektrodenstapel ganz oder teilweise und ist mit den Elektrodenlaschen der ersten Elektroden fest verbunden, um diese elektrisch anzuschließen. Ein zweiter elektrisch leitender Stromkollektor ist innerhalb des ersten Stromkollektors angeordnet, im Wesentlichen parallel zur zentralen Stapelachse ausgerichtet und mit den Elektrodenlaschen der zweiten Elektroden in Presspassung, um diese elektrisch zu verbinden.

Description

EINFÜHRUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf elektrochemische Geräte. Insbesondere beziehen sich Aspekte dieser Offenbarung auf gestapelte Elektrodenkonstruktionen für zylindrische und prismatische Batteriezellen der Lithium-Klasse.
Heutige Serienfahrzeuge, wie z. B. das moderne Automobil, sind ursprünglich mit einem Antriebsstrang ausgestattet, der das Fahrzeug antreibt und die Bordelektronik des Fahrzeugs versorgt. Bei Kraftfahrzeugen beispielsweise besteht der Antriebsstrang in der Regel aus einer Antriebsmaschine, die das Antriebsdrehmoment über ein automatisches oder manuell geschaltetes Getriebe an das Antriebssystem des Fahrzeugs (z. B. Differential, Achswellen, Kurvenmodule, Räder usw.) überträgt. In der Vergangenheit wurden Kraftfahrzeuge mit Hubkolben-Verbrennungsmotoren (ICE) angetrieben, da diese leicht verfügbar und relativ kostengünstig waren, ein geringes Gewicht aufwiesen und einen hohen Wirkungsgrad aufwiesen. Zu diesen Motoren gehören Dieselmotoren mit Selbstzündung (CI), Ottomotoren mit Fremdzündung (SI), Zwei-, Vier- und Sechstaktmotoren sowie Rotationsmotoren, um nur einige Beispiele zu nennen. Hybridelektrische und vollelektrische Fahrzeuge (zusammenfassend als „Elektroantrieb“ bezeichnet) hingegen nutzen alternative Energiequellen für den Antrieb des Fahrzeugs und minimieren oder eliminieren so die Abhängigkeit von einem auf fossilen Brennstoffen basierenden Motor für Zugkraft.
Ein vollelektrisches Fahrzeug (FEV) - umgangssprachlich auch als „Elektroauto“ bezeichnet - ist eine Fahrzeugkonfiguration mit Elektroantrieb, bei der der Verbrennungsmotor und die zugehörigen peripheren Komponenten des Antriebsstrangs vollständig entfallen und ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS) und ein Fahrmotor für den Fahrzeugantrieb verwendet werden. Die Motorbaugruppe, die Kraftstoffversorgung und das Abgassystem eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor werden in einem batteriegestützten FEV durch einen oder mehrere Traktionsmotoren, ein Traktionsbatteriepaket und eine Batteriekühl- und Ladetechnik ersetzt. Hybrid-Elektrofahrzeug-Antriebsstränge (HEV) hingegen nutzen mehrere Zugkraftquellen, um das Fahrzeug anzutreiben, wobei in der Regel ein Verbrennungsmotor in Verbindung mit einem batterie- oder brennstoffzellenbetriebenen Fahrmotor betrieben wird. Da Fahrzeuge mit Elektroantrieb in der Lage sind, ihre Leistung aus anderen Quellen als dem Motor zu beziehen, können HEV-Motoren ganz oder teilweise abgeschaltet werden, während das Fahrzeug durch den/die Elektromotor(en) angetrieben wird.
Viele handelsübliche Hybrid- und vollelektrische Fahrzeuge verwenden eine wiederaufladbare Traktionsbatterie, um die erforderliche Energie für den Betrieb der Traktionsmotoren zu speichern und zu liefern. Um eine Zugkraft mit ausreichender Reichweite und Geschwindigkeit zu erzeugen, ist ein Traktionsbatteriepaket deutlich größer, leistungsfähiger und hat eine höhere Kapazität (Ampere-Stunden) als eine normale 12-Volt-Batterie für Start, Beleuchtung und Zündung (SLI). Moderne Traktionsbatteriepakete fassen beispielsweise Stapel von Batteriezellen (z. B. 8-16 Zellen/Stapel) zu einzelnen Batteriemodulen (z. B. 10-40 Modul e/Paket) zusammen, die mit einem Batteriepaketgehäuse oder -träger auf dem Fahrzeugchassis montiert werden. Gestapelte elektrochemische Batteriezellen können über eine elektrische Verbindungsplatine (ICB) oder eine Front-End-Gleichstromschienenanordnung in Reihe oder parallel geschaltet werden. Ein spezielles elektronisches Batteriesteuermodul (Electronic Battery Control Module, EBCM) regelt in Zusammenarbeit mit dem Antriebsstrang-Steuermodul (Powertrain Control Module, PCM) und dem Wechselrichtermodul für die Antriebsleistung (Traction Power Inverter Module, TPIM) das Öffnen und Schließen der Batterieschütze, um den Betrieb der Batterie zu steuern.
Es gibt vier Haupttypen von Batterien, die in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen verwendet werden: Lithium-Batterien, Nickel-Metallhydrid-Batterien, Ultrakondensator-Batterien und Blei-Säure-Batterien. Wie bei den Lithium-Batterien bilden Lithium-Metall-Batterien (Primärbatterien) und Lithium-Ionen-Batterien (Sekundärbatterien) den Großteil der handelsüblichen Lithium-Batterie-Konfigurationen, wobei Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer höheren Stabilität, Energiedichte und Wiederaufladbarkeit in Kraftfahrzeuganwendungen eingesetzt werden. Eine Standard-Lithium-Ionen-Zelle besteht im Allgemeinen aus mindestens zwei leitfähigen Elektroden, einem Elektrolytmaterial und einem durchlässigen Separator, die alle in einer elektrisch isolierten Verpackung eingeschlossen sind. Eine Elektrode dient als positive („Kathode“) Elektrode und die andere Elektrode dient als negative („Anode“) Elektrode während der Entladung der Zelle. Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien funktionieren, indem sie Lithium-Ionen reversibel zwischen diesen negativen und positiven Elektroden hin- und herleiten. Der Separator - häufig eine mikroporöse Polymermembran - ist zwischen den beiden Elektroden angeordnet, um elektrische Kurzschlüsse zu verhindern und gleichzeitig den Transport von ionischen Ladungsträgern zu ermöglichen. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithium (Li)-Ionen geeignet und kann in fester Form (z. B. Festkörperdiffusion), in flüssiger Form (z. B. Flüssigphasendiffusion) oder in quasifester Form (z. B. Festelektrolyt, der in einem flüssigen Träger eingeschlossen ist) vorliegen. Beim Entladen der Batterie unter Last bewegen sich die Lithium-Ionen von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode und beim Aufladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung.
BESCHREIBUNG
Vorgestellt werden gestapelte Elektrodenkonstruktionen für elektrochemische Geräte, Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb solcher elektrochemischen Geräte sowie zylindrische und prismatische Batteriezellen der Lithiumklasse mit gestapelten Elektrodenstrukturen. Eine zylindrische Lithium-Metall-Batterie enthält beispielsweise einen Stapel ringförmiger Anodenelektroden, die mit ringförmigen Kathodenelektroden verschachtelt sind. An den gegenüberliegenden Längsenden des Stapels können Isolierpads angebracht sein, und der isolierte Stapel ist in einem schützenden Außengehäuse (d. h. einem „Zellengehäuse“) verpackt. Die gestapelten Elektroden sind in einem Stromkollektorzylinder untergebracht, so dass die Anodenelektroden, die Kathodenelektroden und der Stromkollektorzylinder zueinander koaxial sind und einen Stromkollektorstab umschließen. Ein elektrisch isolierender und ionenleitender Separator (z. B. ein polymerer Separator, der in einen flüssigen Elektrolyten eingetaucht ist oder einen festen Elektrolyten enthält) kann zwischen jedem Paar benachbarter Elektroden angeordnet sein.
Ein Satz von Elektroden (z. B. die Kathodenelektroden) wird auf die Stromabnehmerstange gepresst und ist dadurch über Laschen mit innerem Durchmesser (ID), die von einem zentralen Loch der Elektroden radial nach innen ragen, elektrisch mit ihr verbunden. Die Außenränder dieser Elektroden können mit einem elektrischen Isolator abgedeckt werden, oder der Durchmesser dieser Elektroden kann verringert werden, um die Außenränder vom Inneren des Stromabnehmerzylinders zu entfernen.
Umgekehrt wird der andere Elektrodensatz (z. B. die Anodenelektroden) in den Stromkollektorzylinder eingepresst und dadurch über die radial nach außen ragenden OD-Laschen der Elektroden elektrisch mit diesem verbunden. Die Innenkanten dieser Elektroden können mit einem elektrischen Isolator abgedeckt werden, oder der Durchmesser des zentralen Lochs dieser Elektroden kann vergrößert werden, um die Innenkanten von der Außenseite der Stromabnehmerstange zu befreien. Darüber hinaus kann ein Vorspannelement, z. B. eine Schraubendruckfeder, zwischen den gestapelten Elektroden und einer Gehäusekappe oder einem Gehäuseboden zusammengedrückt werden, um die Elektroden im Inneren des Gehäuses gegeneinander zu drücken.
Zu den damit verbundenen Vorteilen zumindest einiger der offengelegten Konzepte gehört eine Architektur mit gestapelten Elektroden, die es zylindrischen und prismatischen Batteriezellen ermöglicht, den Stapel ineinandergreifender Elektroden, z. B. für Lithium-Metall-Anodenanwendungen, von außen zu komprimieren. Außerdem können prismatische Batteriezellen durch das flache Aneinanderlegen der Elektroden in einem Stapel die Anzahl der Elektrodenschichten erhöhen, z. B. im Vergleich zu herkömmlichen „Jelly Roll“-Konfigurationen. Zu den weiteren Vorteilen gehören eine verbesserte Wärmeableitung und eine reduzierte Elektrodengeometrie, die zu einer gleichmäßigen Stromdichte, Elektrodenmorphologie und mechanischen Eigenschaften beiträgt. Neben der verbesserten thermischen Leistung und den einheitlichen Betriebsparametern können die vorgestellten Konzepte dazu beitragen, die Reichweite, den Kraftstoffverbrauch und die Akkuleistung von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen zu erhöhen. Die offengelegten Merkmale ermöglichen auch eine „anodenlose“ Konstruktion, die mehrere Kollektoren enthält oder im Wesentlichen aus diesen besteht, wobei das Lithium von einer oder mehreren Kathoden geliefert wird, die auf einem Anodenkollektor aufliegen und sich von diesem ablösen, um einen Ionentransfer zu ermöglichen.
Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich auf elektrochemische Vorrichtungen, wie zylindrische und prismatische Batteriezellen, die in den Batteriemodulen von Fahrzeugantriebsbatteriepacks verwendet werden. In einem Beispiel umfasst eine elektrochemische Vorrichtung zwei Sätze von Elektroden: mehrere erste (Anoden-)Elektroden, von denen jede eine oder mehrere Schichten aus aktivem (Anoden-)Elektrodenmaterial aufweist, die von einem jeweiligen Elektrodenkörper getragen werden; und mehrere zweite (Kathoden-)Elektroden, von denen jede eine oder mehrere Schichten aus aktivem (Kathoden-)Elektrodenmaterial aufweist, das sich vom aktiven Material der ersten Elektroden unterscheidet und von einem jeweiligen Elektrodenkörper getragen wird. Aus dem Körper jeder Elektrode ragen eine oder mehrere flexible Elektrodenlaschen heraus. Elektrisch isolierende Separatoren sind zwischen den Elektroden angeordnet und entlang einer zentralen Stapelachse mit den Elektroden gestapelt, um einen Elektrodenstapel zu bilden. Ein erster (negativer) Stromkollektor umgibt den Elektrodenstapel ganz oder teilweise. Der Satz erster Elektroden ist elektrisch mit dem ersten Stromkollektor verbunden, indem die Elektrodenlaschen der ersten Elektroden durch Presspassung mit einer Gegenfläche des ersten Stromkollektors verbunden werden. Zusätzlich befindet sich ein zweiter Stromkollektor innerhalb des ersten Stromkollektors und ist im Wesentlichen parallel zur zentralen Stapelachse ausgerichtet. Der Satz zweiter Elektroden ist elektrisch mit dem zweiten Stromkollektor verbunden, indem die Elektrodenlaschen der zweiten Elektroden durch Presspassung mit einer Gegenfläche des zweiten Stromkollektors verbunden werden.
Weitere Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich auf Lithium-Batteriezellen mit schweißfreien, gestapelten Elektrodenstrukturen, wiederaufladbare Batteriepacks, die solche Lithium-Batteriezellen verwenden, und Kraftfahrzeuge, die mit solchen Batteriepacks ausgestattet sind. Wie hierin verwendet, können die Begriffe „Fahrzeug“ und „Kraftfahrzeug“ austauschbar und synonym verwendet werden, um jede relevante Fahrzeugplattform einzuschließen, wie z. B. Personenfahrzeuge (ICE, HEV, FEV, Brennstoffzelle, voll- und teilautonome Fahrzeuge usw.), Nutzfahrzeuge, Industriefahrzeuge, Raupenfahrzeuge, Geländewagen und All-Terrain-Fahrzeuge (ATV), Motorräder, landwirtschaftliche Geräte, Wasserfahrzeuge, Flugzeuge, E-Bikes, E-Scooter, usw. Für nicht-automobile Anwendungen können die offengelegten Konzepte für jede logisch relevante Verwendung umgesetzt werden, einschließlich eigenständiger Kraftwerke und tragbarer Stromversorgungseinheiten, Photovoltaiksysteme, tragbarer elektronischer Geräte, Pumpenanlagen, Werkzeugmaschinen, Geräte usw. Obwohl nicht per se beschränkt, können die offengelegten Konzepte besonders vorteilhaft für die Verwendung in zylindrischen und prismatischen Lithium-Metall-Dosenzellen sein.
In einem Beispiel umfasst ein Kraftfahrzeug eine Fahrzeugkarosserie mit einem Fahrgastraum, mehrere Räder, die drehbar an der Fahrzeugkarosserie befestigt sind (z. B. über Radeckenmodule, die an ein Unibody-Fahrgestell oder ein Body-on-Frame-Fahrgestell gekoppelt sind), und andere Standard-Erstausrüstungen. Bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb arbeiten ein oder mehrere elektrische Fahrmotoren allein (z. B. bei FEV-Antriebssträngen) oder in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor (z. B. bei HEV-Antriebssträngen), um selektiv ein oder mehrere Räder anzutreiben und das Fahrzeug voranzutreiben. Ein wiederaufladbares Traktionsbatteriepaket ist an der Fahrzeugkarosserie angebracht und kann den/die Traktionsmotor(en) mit Strom versorgen.
Um die Diskussion des vorangegangenen Beispiels fortzusetzen, enthält das Traktionsbatteriepaket mehrere Batteriezellen der Lithiumklasse. Jede Batteriezelle ist mit einer Vielzahl von ersten Elektroden, von denen jede ein erstes aktives Elektrodenmaterial aufweist, das von einem im Wesentlichen flachen ersten Körper getragen wird, und einer Vielzahl von zweiten Elektroden, von denen jede ein zweites aktives Elektrodenmaterial aufweist, das sich von dem ersten aktiven Elektrodenmaterial unterscheidet und von einem im Wesentlichen flachen zweiten Körper getragen wird, hergestellt. Mehrere flexible Elektrodenlaschen ragen aus dem Körper jeder ersten Elektrode heraus, und mehrere flexible Elektrodenlaschen ragen aus dem Körper jeder zweiten Elektrode heraus. Ein Satz von im Wesentlichen flachen und elektrisch isolierenden Separatoren ist zwischen den Elektroden angeordnet und entlang einer zentralen Stapelachse mit den Elektroden gestapelt, um einen Elektrodenstapel zu bilden. Ein erster elektrisch leitender Stromabnehmer, der den Elektrodenstapel zumindest teilweise umgibt, ist mit den flexiblen Elektrodenlaschen der ersten Elektroden in Presspassung. Darüber hinaus ist ein zweiter Stromabnehmer innerhalb des ersten Stromabnehmers angeordnet und im Wesentlichen parallel zur zentralen Stapelachse ausgerichtet. Der zweite Stromkollektor ist in Presspassung mit den zweiten Elektrodenlaschen der zweiten Elektroden.
Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich auf Herstellungsverfahren, Steuerlogik und computerlesbare Medien (CRM) zur Herstellung und/oder Verwendung der offengelegten elektrochemischen Geräte, Batteriepacks und/oder Fahrzeuge. In einem Beispiel wird ein Verfahren zum Zusammenbau einer elektrochemischen Vorrichtung vorgestellt. Dieses repräsentative Verfahren umfasst in beliebiger Reihenfolge und in beliebiger Kombination mit beliebigen der oben und unten offenbarten Optionen und Merkmale Aufnehmen einer Vielzahl von ersten Elektroden, die jeweils ein erstes aktives Elektrodenmaterial aufweisen, das von einem ersten Körper getragen wird, und eine flexible erste Elektrodenlasche, die von dem ersten Körper vorsteht; Aufnehmen einer Vielzahl von zweiten Elektroden, die jeweils ein zweites aktives Elektrodenmaterial aufweisen, das sich von dem ersten aktiven Elektrodenmaterial unterscheidet, das von einem zweiten Körper getragen wird, und eine flexible zweite Elektrodenlasche, die von dem zweiten Körper vorsteht; Aufnehmen einer Vielzahl von elektrisch isolierenden Separatoren; Einfügen jedes der Separatoren zwischen eine der ersten Elektroden und eine der zweiten Elektroden; Stapeln der ersten und zweiten Elektroden mit den verschachtelten Separatoren entlang einer zentralen Stapelachse, um einen Elektrodenstapel zu definieren; Positionieren eines ersten Stromkollektors zumindest teilweise um den Elektrodenstapel herum, so dass die ersten Elektrodenlaschen in den ersten Stromkollektor eingreifen, um dadurch die ersten Elektroden mit dem ersten Stromkollektor elektrisch zu verbinden; und Positionieren eines zweiten Stromkollektors innerhalb des ersten Stromkollektors und im Wesentlichen parallel zur zentralen Stapelachse ausgerichtet, so dass die zweiten Elektrodenlaschen in den zweiten Stromkollektor eingreifen, um dadurch die zweiten Elektroden mit dem zweiten Stromkollektor elektrisch zu verbinden. Die oben und unten beschriebenen Verfahrensschritte können manuell (z.B. durch einen Bediener), automatisiert (z.B. durch eine Roboterzelle) oder in einer Kombination aus beidem durchgeführt werden.
Bei allen offengelegten Vorrichtungen, Fahrzeugen und Verfahren können die Elektrodenkörper der ersten und zweiten Elektrode jeweils eine im Wesentlichen flache, ringförmige Form aufweisen. Eine weitere Option ist, dass die Elektrodenkörper jeweils zentrale Löcher aufweisen, die koaxial auf der zentralen Stapelachse ausgerichtet sind, um einen Stapelhohlraum zu definieren, der sich durch die Mitte des Elektrodenstapels erstreckt. In diesem Fall umfasst der zweite Stromabnehmer einen länglichen, elektrisch leitenden Stab, der sich axial durch den zentralen Stapelhohlraum erstreckt. Jede Lasche jeder zweiten Elektrode kann mehrere Elektrodenlaschen umfassen, die von einer Kante mit innerem Durchmesser ihres Elektrodenkörpers radial nach innen ragen, in Umfangsrichtung um den Elektrodenkörper herum beabstandet sind und gegen eine Außenfläche des elektrisch leitenden Stabes gebogen sind. Der Elektrodenkörper jeder zweiten Elektrode kann eine Außenkante mit einer elektrischen Isolierschicht aufweisen, um z. B. einen elektrischen Kontakt mit dem ersten Stromabnehmer zu verhindern.
Bei allen offengelegten Vorrichtungen, Fahrzeugen und Verfahren kann der erste Stromabnehmer einen elektrisch leitenden Zylinder umfassen, der konzentrisch zum Elektrodenstapel ist und diesen umgibt. In diesem Fall kann jede Elektrodenlasche jeder ersten Elektrode mehrere Elektrodenlaschen aufweisen, die von einem Außenumfang ihres Elektrodenkörpers radial nach außen ragen, in Umfangsrichtung um den Elektrodenkörper herum beabstandet sind und gegen eine Innenfläche des elektrisch leitenden Zylinders gebogen sind. Der Elektrodenkörper jeder ersten Elektrode kann eine Innenkante mit einer elektrischen Isolierschicht aufweisen, um z. B. einen elektrischen Kontakt mit dem zweiten Stromabnehmer zu verhindern. Bei den Separatoren kann es sich um ringförmige, poröse Polymerplatten handeln.
Bei allen offengelegten Vorrichtungen, Fahrzeugen und Verfahren kann die elektrochemische Vorrichtung auch ein starres Außengehäuse umfassen, in dem der Elektrodenstapel und die beiden Stromabnehmer sicher untergebracht sind. Das Außengehäuse kann eine zweiteilige Konstruktion mit einem Hauptgehäuse und einer Gehäusekappe sein, die ein offenes Ende des Hauptgehäuses verschließt. Ein optionales Vorspannelement kann zwischen dem Elektrodenstapel und entweder der Gehäusekappe oder dem Hauptgehäuse zusammengedrückt werden. Das Vorspannelement kann zwischen einem Paar nichtleitender Platten oder Metallplatten liegen, die jeweils mit einer Isolierschicht überzogen sind. Die Gehäusekappe kann mit einer oder mehreren passiven oder aktiven Gasentlüftungen versehen sein.
Bei allen offengelegten Vorrichtungen, Fahrzeugen und Verfahren können die Elektrodenkörper der ersten Elektroden jeweils eine im Wesentlichen flache erste polygonale Form mit einer ersten Größe (z. B. ein Rechteck mit einer vergrößerten Draufsichtsfläche) haben, und die Elektrodenkörper der zweiten Elektroden können jeweils eine im Wesentlichen flache zweite polygonale Form mit einer zweiten Größe haben, die sich von der ersten Größe unterscheidet (z. B. ein Rechteck mit einer reduzierten Draufsichtsfläche). In diesem Beispiel kann der zweite Stromabnehmer eine elektrisch leitende Platte umfassen, die sich in Längsrichtung entlang einer seitlichen Seite des Elektrodenstapels erstreckt, an die zweiten Elektroden angrenzt und von den ersten Elektroden beabstandet ist. Darüber hinaus umfasst der erste Stromabnehmer einen elektrisch leitenden Zylinder, der koaxial zu den ersten und zweiten Elektroden angeordnet ist und diese umgibt. Es ist auch denkbar, dass der erste Stromkollektor eine weitere elektrisch leitende Platte enthält, die sich in Längsrichtung entlang einer anderen Seite des Elektrodenstapels erstreckt, die der elektrisch leitenden Platte des zweiten Stromkollektors gegenüberliegt. In diesem Fall stößt die elektrisch leitende Platte des ersten Stromkollektors an die ersten Elektroden und ist von den zweiten Elektroden beabstandet.
Die obige Zusammenfassung stellt nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung dar. Vielmehr werden die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und damit verbundene Vorteile dieser Offenbarung aus der folgenden detaillierten Beschreibung von anschaulichen Beispielen und Modi zur Durchführung der vorliegenden Offenbarung leicht ersichtlich sein, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Figuren und den beigefügten Ansprüchen betrachtet werden. Darüber hinaus schließt diese Offenbarung ausdrücklich alle Kombinationen und Unterkombinationen der oben und unten beschriebenen Elemente und Merkmale ein.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines repräsentativen elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einem elektrischen Hybrid-Antriebsstrang, der eine elektrische Motor-Generator-Einheit (MGU) verwendet, die von einem wiederaufladbaren Traktionsbatterie-Paket in Übereinstimmung mit den Aspekten der vorliegenden Offenbarung angetrieben wird.
2 ist eine schematische Darstellung eines repräsentativen elektrochemischen Geräts der Lithium-Klasse, das gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung arbeitet.
3A-3C zeigen eine Seitenschnittansicht bzw. zwei Draufsichtsdarstellungen einer repräsentativen zylindrischen Batteriezelle mit einer gestapelten Elektrodenarchitektur in Übereinstimmung mit den Aspekten der offenbarten Konzepte.
4 ist ein Arbeitsablaufdiagramm, das ein repräsentatives Fertigungssystem und -verfahren für den Zusammenbau einer zylindrischen Batteriezelle mit gestapeltem Elektrodendesign veranschaulicht, wobei einige oder alle der dargestellten Vorgänge gespeicherten, steuerungsausführbaren Anweisungen in Übereinstimmung mit Aspekten der offenbarten Konzepte entsprechen können.
5A und 5B zeigen die Draufsicht bzw. den Seitenschnitt einer repräsentativen prismatischen Batteriezelle mit einer gestapelten Elektrodenarchitektur gemäß den Aspekten der offengelegten Konzepte.
6A und 6B zeigen eine Draufsicht bzw. einen Seitenschnitt einer anderen repräsentativen prismatischen Batteriezelle mit einer gestapelten Elektrodenarchitektur gemäß den Aspekten der offengelegten Konzepte.

Repräsentative Ausführungsformen dieser Offenbarung sind als nicht einschränkende Beispiele in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die neuen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die besonderen Formen beschränkt sind, die in den oben aufgezählten Zeichnungen dargestellt sind. Vielmehr soll die Offenbarung alle Modifikationen, Äquivalente, Kombinationen, Unterkombinationen, Permutationen, Gruppierungen und Alternativen abdecken, die in den Anwendungsbereich dieser Offenbarung fallen, wie sie zum Beispiel von den beigefügten Ansprüchen umfasst werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung kann in vielen verschiedenen Formen verwirklicht werden. Repräsentative Beispiele der Offenbarung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden hier im Detail beschrieben, wobei diese Ausführungsformen als Beispiel für die offengelegten Prinzipien und nicht als Einschränkungen der allgemeinen Aspekte der Offenbarung dienen. Zu diesem Zweck sollten Elemente und Beschränkungen, die z. B. in den Abschnitten „Zusammenfassung“, „Einleitung“, „Zusammenfassung“, „Beschreibung der Zeichnungen“ und „Detaillierte Beschreibung“ beschrieben, aber nicht ausdrücklich in den Ansprüchen dargelegt sind, nicht in die Ansprüche aufgenommen werden, weder einzeln noch insgesamt, weder durch Implikation noch durch Schlussfolgerung noch auf andere Weise. Darüber hinaus sind die hier besprochenen Zeichnungen möglicherweise nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich zu Lehrzwecken. Daher sind die in den Abbildungen dargestellten spezifischen und relativen Abmessungen nicht als einschränkend zu verstehen.
Für die Zwecke der vorliegenden detaillierten Beschreibung gilt, sofern nicht ausdrücklich ausgeschlossen: Der Singular schließt den Plural ein und umgekehrt; die Wörter „und“ und „oder“ gelten sowohl im Konjunktiv als auch im Disjunktiv; die Wörter „jeder“ und „alle“ bedeuten „jeder und alle“; und die Wörter „einschließlich“, „enthaltend“, „umfassend“, „habend“ und Permutationen davon bedeuten jeweils „einschließlich ohne Einschränkung“. Darüber hinaus können Wörter der Annäherung wie „ungefähr“, „fast“, „im Wesentlichen“, „im Allgemeinen“, „ungefähr“ und dergleichen hier im Sinne von „bei, nahe oder fast bei“ oder „innerhalb von 0-5 % von“ oder „innerhalb akzeptabler Fertigungstoleranzen“ oder einer beliebigen logischen Kombination davon verwendet werden. Schließlich können sich richtungsbezogene Adjektive und Adverbien wie „vorn“, „hinten“, „innen“, „außen“, „steuerbord“, „backbord“, „vertikal“, „horizontal“, „nach oben“, „nach unten“, „vorne“, „hinten“, „links“, „rechts“ usw. auf ein Kraftfahrzeug beziehen, z. B. auf die Vorwärtsfahrt eines Kraftfahrzeugs, wenn das Fahrzeug auf einer horizontalen Fahrfläche betrieben wird.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugsnummern auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, ist in 1 eine schematische Darstellung eines repräsentativen Kraftfahrzeugs gezeigt, das allgemein mit 10 bezeichnet und hier zu Diskussionszwecken als Personenkraftwagen mit einem parallelen Hybrid-Elektro-Antriebsstrang mit zwei Kupplungen (P2) dargestellt ist. Das dargestellte Kraftfahrzeug 10 - hier auch kurz als „Kraftfahrzeug“ oder „Fahrzeug“ bezeichnet - ist lediglich eine beispielhafte Anwendung, mit der neue Aspekte dieser Offenbarung praktiziert werden können. In gleicher Weise sollte die Umsetzung der vorliegenden Konzepte in einem Hybrid-Elektro-Antriebsstrang auch als eine repräsentative Umsetzung der hier offenbarten neuen Konzepte verstanden werden. Es versteht sich von selbst, dass Aspekte dieser Offenbarung auf andere Antriebsstrang-Architekturen angewandt, in jeden logisch relevanten Kraftfahrzeugtyp eingebaut und sowohl für automobile als auch nicht-automobile Anwendungen genutzt werden können. Schließlich wurden nur ausgewählte Komponenten gezeigt und werden hier im Detail beschrieben. Nichtsdestotrotz können die Fahrzeuge und elektrochemischen Geräte, die im Folgenden erörtert werden, zahlreiche zusätzliche und alternative Merkmale und andere verfügbare periphere Komponenten und Hardware enthalten, um die verschiedenen Methoden und Funktionen dieser Offenbarung auszuführen.
Das repräsentative Fahrzeug-Antriebsstrangsystem ist in 1 mit einer Antriebsmaschine - hier dargestellt durch eine startfähige Verbrennungsmotor-Baugruppe 12 und eine elektrische Motor/Generator-Einheit (MGU) 14 - dargestellt, die über ein mehrgängiges Automatikgetriebe 16 antriebsmäßig mit einer Antriebswelle 15 eines Achsantriebssystems 11 verbunden ist. Der Motor 12 überträgt seine Leistung, in der Regel in Form eines Drehmoments über eine Motorkurbelwelle 13, auf eine Eingangsseite des Getriebes 16. Das Motordrehmoment wird zunächst über die Kurbelwelle 13 übertragen, um eine motorgetriebene Torsionsdämpferbaugruppe 26 in Drehung zu versetzen, und gleichzeitig über die Torsionsdämpferbaugruppe 26 auf eine Motortrennvorrichtung 28 übertragen. Diese Motortrennvorrichtung 28 überträgt, wenn sie in Betrieb ist, das von der ICE-Baugruppe 12 über den Dämpfer 26 empfangene Drehmoment auf die Eingangsstruktur der Drehmomentwandlerbaugruppe 18. Wie der Name schon sagt, kann die Motortrennvorrichtung 28 selektiv ausgekuppelt werden, um den ICE 12 vom Motor 14, der TC-Baugruppe 18 und dem Getriebe 16 zu trennen.
Um das Hybridfahrzeug 10 von 1 anzutreiben, ist das Getriebe 16 so ausgelegt, dass es die vom Verbrennungsmotor 12 und dem Motor 14 abgegebene Zugkraft aufnimmt, selektiv manipuliert und an das Achsantriebssystem 11 des Fahrzeugs verteilt. Das Achsantriebssystem 11 wird hier durch eine Antriebswelle 15, ein hinteres Differential 22 und ein Paar Hinterräder 20 dargestellt. Die Kraftübertragung 16 und der Drehmomentwandler 18 von 1 können sich eine gemeinsame Getriebeölwanne oder einen „Sumpf“ 32 für die Versorgung mit Hydraulikflüssigkeit teilen. Eine gemeinsame Getriebepumpe 34 sorgt für ausreichenden Hydraulikdruck, um hydraulisch betätigte Elemente des Getriebes 16, der Drehmomentwandlerbaugruppe 18 und - bei einigen Ausführungen - der Motorabschaltvorrichtung 28 selektiv zu betätigen.
Die ICE-Baugruppe 12 treibt das Fahrzeug 10 unabhängig vom elektrischen Fahrmotor 14 an, z. B. in einem „Nur-Motor“-Betriebsmodus, oder in Zusammenarbeit mit dem Motor 14, z. B. in den Betriebsmodi „Fahrzeugstart“ oder „Motorboost“. In dem in 1 dargestellten Beispiel kann die ICE-Baugruppe 12 ein beliebiger verfügbarer oder später entwickelter Motor sein, wie z. B. ein selbstgezündeter Dieselmotor oder ein fremdgezündeter Benzin- oder Flex-Fuel-Motor, der leicht so angepasst werden kann, dass er seine verfügbare Ausgangsleistung typischerweise mit einer bestimmten Anzahl von Umdrehungen pro Minute (U/min) bereitstellt. Obwohl in 1 nicht explizit dargestellt, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass das Achsantriebssystem 11 jede verfügbare Konfiguration annehmen kann, einschließlich Vorderradantrieb (FWD), Hinterradantrieb (RWD), Vierradantrieb (4WD), Allradantrieb (AWD), 6X4, usw.
In 1 ist auch eine elektrische Motor-/Generatoreinheit („Motor“) 14 dargestellt, die über eine Motorträgernabe, eine Welle oder einen Riemen 29 mit dem hydrodynamischen Drehmomentwandler 18 verbunden ist. Der Drehmomentwandler 18 wiederum verbindet den Motor 14 antriebsmäßig mit einer Eingangswelle 17 des Getriebes 16. Die Elektromotor-/Generatoreinheit 14 besteht aus einer ringförmigen Statorbaugruppe 21, die eine zylindrische Rotorbaugruppe 23 umschreibt und konzentrisch zu dieser angeordnet ist. Der Stator 21 wird über ein elektrisches Hochspannungssystem mit elektrischen Leitern/Kabeln 27, die über geeignete Dichtungs- und Isolierdurchführungen (nicht abgebildet) durch das Motorgehäuse geführt werden, mit Strom versorgt. Umgekehrt kann elektrische Energie von der MGU 14 zu einem fahrzeuginternen Traktionsbatteriepaket 30 geleitet werden, z. B. durch regeneratives Bremsen. Der Betrieb aller dargestellten Komponenten des Antriebsstrangs kann von einem fahrzeuginternen oder -externen Steuergerät oder einem Netzwerk von Steuergeräten und Vorrichtungen gesteuert werden, das in 1 durch eine programmierbare elektronische Steuereinheit (ECU) 25 dargestellt ist.
Die Kraftübertragung 16 kann ein Differentialgetriebe 24 verwenden, um selektiv variable Drehmoment- und Drehzahlverhältnisse zwischen den Getriebeeingangs- und -ausgangswellen 17 bzw. 19 zu erreichen. Eine Form des Differentialgetriebes ist die Planetengetriebeanordnung, die den Vorteil der Kompaktheit und der unterschiedlichen Drehmoment- und Drehzahlverhältnisse zwischen den Gliedern des Planetengetriebes bietet. Traditionell werden hydraulisch betätigte Vorrichtungen zur Erzeugung des Drehmoments, wie Kupplungen und Bremsen, selektiv in Eingriff gebracht, um die vorgenannten Getriebeelemente zu aktivieren und die gewünschten Vorwärts- und Rückwärtsdrehzahlverhältnisse zwischen den Eingangs- und Ausgangswellen 17, 19 des Getriebes herzustellen. Das Getriebe 16 ist als 6- oder 8-Gang-Automatikgetriebe konzipiert, kann aber auch andere, funktionell geeignete Konfigurationen annehmen, z. B. stufenlose Getriebe (CVT), automatisiert-manuelle Getriebe usw.
Die hydrodynamische Drehmomentwandlerbaugruppe 18 in 1 dient als Flüssigkeitskupplung, um den Motor 12 und den Motor 14 mit dem internen Planetengetriebe 24 des Leistungsgetriebes 16 zu verbinden. In einer inneren Fluidkammer der Drehmomentwandlerbaugruppe 18 befindet sich ein mit Schaufeln versehenes Laufrad 36, dem eine mit Schaufeln versehene Turbine 38 gegenüberliegt. Das Laufrad 36 steht in serieller Strömungsverbindung mit der Turbine 38, wobei ein Stator (nicht dargestellt) zwischen dem Laufrad 36 und der Turbine 38 angeordnet ist, um die Strömung dazwischen selektiv zu verändern. Die Übertragung des Drehmoments vom Motor und den Motorabtriebselementen 13, 29 auf das Getriebe 16 über die TC-Baugruppe 18 erfolgt durch Rührerregung der Hydraulikflüssigkeit, z. B. des Getriebeöls, in der internen Flüssigkeitskammer des TC, die durch die Drehung der Laufrad- und Turbinenschaufeln 36, 38 verursacht wird. Zum Schutz dieser Komponenten ist die Drehmomentwandlerbaugruppe 18 mit einem TC-Pumpengehäuse konstruiert, das hauptsächlich durch einen getriebeseitigen Pumpenmantel 40 definiert ist, der fest mit einem motorseitigen Pumpendeckel 42 verbunden ist, so dass dazwischen eine Kammer für hydraulische Arbeitsflüssigkeit gebildet wird.
In 2 ist eine beispielhafte elektrochemische Vorrichtung in Form einer wiederaufladbaren Lithium-Batterie 110 dargestellt, die eine Gleichstrom-Schnellladung (DCFC) ermöglicht und eine gewünschte elektrische Last, wie z. B. das Fahrzeug 10 von 1, mit Strom versorgt. Die Batterie 110 umfasst ein Paar elektrisch leitender Elektroden, nämlich eine erste (negative oder Anode) Arbeitselektrode 122 und eine zweite (positive oder Kathode) Arbeitselektrode 124, die in einem schützenden Außengehäuse 120 untergebracht sind. Zumindest in einigen Konfigurationen kann das Batteriegehäuse 120 eine hüllenartige Tasche sein, die aus Aluminiumfolie oder einem anderen geeigneten Folienmaterial besteht. Beide Seiten einer Metalltasche können mit einer Polymerbeschichtung versehen sein, um das Metall von den inneren Zellenelementen und gegebenenfalls von benachbarten Zellen zu isolieren. Alternativ kann das Batteriegehäuse (oder „Zellengehäuse“) 120 die Form einer zylindrischen Metalldose, d. h. für zylindrische Batteriezellenkonfigurationen, oder einer polyedrischen Metallbox, d. h. für prismatische Batteriezellenkonfigurationen, annehmen. Der Verweis auf eine der beiden Arbeitselektroden 122, 124 als „Anode“ oder „Kathode“ oder als „positiv“ oder „negativ“ beschränkt die Elektroden 122, 124 nicht auf eine bestimmte Polarität, da sich die Systempolarität ändern kann, je nachdem, ob die Batterie 110 in einem Lade- oder Entlademodus betrieben wird. Obwohl 2 eine einzelne Batteriezelleneinheit zeigt, die in das Batteriegehäuse 120 eingesetzt ist, kann das Gehäuse 120 auch einen Stapel von mehreren Zelleneinheiten (z.B. fünf- bis fünftausend Zellen oder mehr) aufnehmen.
Unter weiterer Bezugnahme auf 2 kann die Anodenelektrode 122 mit einem aktiven Anodenelektrodenmaterial hergestellt werden, das in der Lage ist, während eines Batterieladevorgangs Lithiumionen aufzunehmen und während eines Batterieentladevorgangs Lithiumionen abzugeben. In zumindest einigen Ausführungsformen wird die Anodenelektrode 122 ganz oder teilweise aus einem Lithiummetall hergestellt, z. B. aus Lithium-Aluminium (LiAl)-Legierungsmaterialien mit einem Li/Al-Atomverhältnis im Bereich von 0 Atom-%≤ Li/Al<70 Atom-%, und/oder Aluminiumlegierungen mit einem Al-Atomverhältnis >50 Atom-% (z. B. Lithiummetall wird geschmolzen). Weitere Beispiele für geeignete aktive Anoden-Elektrodenmaterialien sind kohlenstoffhaltige Materialien (z. B. Graphit, harter Kohlenstoff, weicher Kohlenstoff usw.), Silizium, Silizium-Kohlenstoff-Mischmaterialien (Silizium-Graphit-Verbundwerkstoff), Li4Ti5O12, Übergangsmetalle (Legierungstypen, z. B. Sn), Metalloxide/Sulfide (z. B. SnO2, FeS und dergleichen) usw. In diesem Zusammenhang kann die Kathodenelektrode 124 mit einem aktiven Kathodenelektrodenmaterial hergestellt werden, das in der Lage ist, während eines Batterieladevorgangs Lithiumionen zu liefern und während eines Batterieentladevorgangs Lithiumionen aufzunehmen. Das Kathodenmaterial 124 kann beispielsweise Lithium-Übergangsmetalloxid, -phosphat oder -silikat umfassen, wie LiM02 (M=Co, Ni, Mn oder Kombinationen davon), LiM204 (M=Mn, Ti oder Kombinationen davon), LiMPO4 (M=Fe, Mn, Co oder Kombinationen davon) und LiMxM'2-x04 (M, M'=Mn oder Ni). Weitere Beispiele für geeignete aktive Kathodenelektrodenmaterialien sind Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid (NCM), Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA), Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Aluminium-Oxid (NCMA) und andere Lithium-Übergangsmetalloxide.
Im Inneren des Batteriegehäuses 120 befindet sich zwischen den beiden Elektroden 122, 124 ein poröser Separator 126, der als mikroporöser oder nanoporöser polymerer Separator ausgeführt sein kann. Der poröse Separator 126 kann eine nichtwässrige flüssige Elektrolytzusammensetzung und/oder eine feste Elektrolytzusammensetzung enthalten, die zusammen mit 130 bezeichnet werden und auch in der negativen Elektrode 122 und der positiven Elektrode 124 vorhanden sein können. Ein negativer Elektrodenstromkollektor 132 kann auf oder in der Nähe der negativen Elektrode 122 angeordnet sein, und ein positiver Elektrodenstromkollektor 134 kann auf oder in der Nähe der positiven Elektrode 124 angeordnet sein. Der negative Elektrodenstromkollektor 132 und der positive Elektrodenstromkollektor 134 sammeln und transportieren jeweils freie Elektronen zu und von einem externen Stromkreis 140. Ein unterbrechbarer externer Stromkreis 140 mit einer Last 142 ist mit der negativen Elektrode 122 über ihren jeweiligen Stromkollektor 132 und die Elektrodenlasche 136 und mit der positiven Elektrode 124 über ihren jeweiligen Stromkollektor 134 und die Elektrodenlasche 138 verbunden. Der Separator 126 kann eine plattenförmige Struktur sein, die aus einer porösen Polyolefinmembran besteht, z. B. mit einer Porosität von etwa 35 % bis 65 % und einer Dicke von etwa 25-30 Mikrometern. Elektrisch nicht leitende Keramikpartikel (z. B. Siliziumdioxid) können auf die porösen Membranoberflächen der Separatoren 126 aufgebracht werden.
Der poröse Separator 126 kann sowohl als elektrischer Isolator als auch als mechanische Stützstruktur fungieren, indem er zwischen den beiden Elektroden 122, 124 eingefügt wird, um zu verhindern, dass die Elektroden einander physisch berühren und somit ein Kurzschluss entsteht. Zusätzlich zur Bereitstellung einer physischen Barriere zwischen den Elektroden 122, 124 kann der poröse Separator 126 einen Pfad mit minimalem Widerstand für den internen Durchgang von Lithiumionen (und verwandten Anionen) während des Zyklus der Lithiumionen bereitstellen, um den Betrieb der Batterie 110 zu erleichtern. Bei einigen optionalen Konfigurationen kann der poröse Separator 126 ein mikroporöser polymerer Separator sein, der ein Polyolefin enthält. Bei dem Polyolefin kann es sich um ein Homopolymer handeln, das von einem einzigen Monomerbestandteil abgeleitet ist, oder um ein Heteropolymer, das von mehr als einem Monomerbestandteil abgeleitet ist, und das entweder linear oder verzweigt sein kann. In einer Festkörperbatterie kann die Rolle des Separators teilweise/vollständig durch eine feste Elektrolytschicht übernommen werden.
Im Betrieb als wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS) erzeugt die Batterie 110 elektrischen Strom, der an eine oder mehrere Lasten 142 übertragen wird, die mit dem externen Stromkreis 140 verbunden sind. Bei der Last 142 kann es sich um eine beliebige Anzahl von elektrisch betriebenen Geräten handeln. Einige nicht einschränkende Beispiele für stromverbrauchende Lastgeräte sind ein Elektromotor für ein Hybrid-Elektrofahrzeug oder ein reines Elektrofahrzeug, ein Laptop- oder Tablet-Computer, ein Mobiltelefon, schnurlose Elektrowerkzeuge und -geräte, tragbare Stromstationen usw. Die Batterie 110 kann eine Vielzahl anderer Komponenten enthalten, die hier der Einfachheit und Kürze halber nicht dargestellt werden, aber dennoch ohne weiteres verfügbar sind. So kann die Batterie 110 beispielsweise eine oder mehrere Dichtungen, Polkappen, Laschen, Batteriepole und andere handelsübliche Komponenten oder Materialien enthalten, die sich an oder in der Batterie 110 befinden können. Darüber hinaus können die Größe und Form sowie die Betriebseigenschaften der Batterie 110 je nach der jeweiligen Anwendung, für die sie ausgelegt ist, variieren.
Nachfolgend werden gestapelte Elektrodenarchitekturen zur Verbesserung der thermischen Leistung und der gleichmäßigen Betriebseigenschaften elektrochemischer Geräte, wie zylindrische und prismatische Batteriezellenformate, erörtert. Als nicht einschränkendes Beispiel kann eine zylindrische Batteriezelle einen Stapel ringförmiger oder teilringförmiger Elektroden verwenden, die mit ringförmigen oder teilringförmigen Separatoren verschachtelt sind. Die Innenkanten der Kathodenelektroden sind mit einem positiven Stromkollektor verbunden, der sich in der Mitte des Zellstapels befindet, während die Außenkanten der Anodenelektroden mit einem negativen Stromkollektor verbunden sind, der den Elektrodenstapel umhüllt oder zwischen dem Stapel und einem Zellengehäuse angeordnet ist. Alternativ können die Anodenelektroden mit einem negativen Stromkollektor in der Mitte des Zellstapels verbunden sein, während die Kathodenelektroden mit einem positiven Stromkollektor verbunden sein können, der an den Elektrodenstapel angrenzt oder ihn umgibt.
Jede Elektrode ist mit einem der Stromabnehmer durch eine Presspassung zwischen dem Stromabnehmer und den elektrisch leitenden Laschen der Elektrode verbunden, die auf den Stromabnehmer gepresst und dadurch gegen diesen gefaltet werden. Andere schweißfreie Schnittstellenoptionen können eine Schnapp- oder Schlüsselbefestigung der Elektroden an den entsprechenden Stromabnehmern umfassen. Die Laschen der Kathoden- und Anodenelektroden können durch Vorformen einer bestimmten Anzahl von Schlitzen hergestellt werden (z. B. 3-50 Schlitze im Abstand um eine Innenkante der Elektrode oder 3-100 Schlitze im Abstand um eine Außenkante der Elektrode), um das Falten der Laschen zu ermöglichen. Diese Schlitze können mit dem Radius der ringförmigen Elektroden fluchten oder einen Winkelversatz zum Radius aufweisen. Die ringförmigen Elektroden können durch Schneiden der einzelnen Elektroden während der Beschichtung und Verarbeitung von Rolle zu Rolle, der Rotationsbeschichtung (Spin Coating), des Drucks, der Wiederverwertung von Ausschussmaterial usw. hergestellt werden. Das zylindrische Zellformat mit gestapelten Elektroden kann z. B. mit Hilfe eines steuerungsautomatisierten Roboter-Montageprozesses zusammengebaut werden, um eine ordnungsgemäße Stapelausrichtung, Elektrodenverbindung und Stapelkompression sicherzustellen. Die vorgestellten Konzepte können sowohl auf zylindrische Batteriezellen, wie sie in den und dargestellt sind, als auch auf prismatische Batteriezellen, wie sie in den , , und dargestellt sind, angewendet werden.
Um die Anodenelektroden vom positiven Stromkollektor und die Kathodenelektroden vom negativen Stromkollektor elektrisch zu isolieren, kann eine Schicht aus dielektrischem Material oder einem anderen elektrisch isolierenden Material auf die nicht angrenzende Kante jeder Elektrode aufgebracht werden (d. h. auf die Kante, die nicht elektrisch mit dem vorgesehenen Stromkollektor verbunden ist). Die elektrische Isolierung kann auch durch einen verringerten Außendurchmesser der ringförmigen Kathoden- (oder Anoden-) Elektroden erreicht werden, um einen Kontakt mit dem negativen (positiven) Stromkollektor zu verhindern, und durch einen vergrößerten Innendurchmesser der Anoden- (oder Kathoden-) Elektroden, um einen Kontakt mit dem positiven (negativen) Stromkollektor zu verhindern. Während eine schweißfreie Schnittstelle zwischen Lasche und Kollektor zur Vereinfachung des Zusammenbaus und zur Verringerung der Herstellungszeit und - kosten erwünscht sein kann, können die zusammenpassenden Kanten der Kathoden- und Anodenelektroden optional mit den entsprechenden Stromkollektoren verschweißt werden.
Beim Zusammenbau der Zelle können Separatorblätter auf die axialen Flächen der Kathodenelektroden, die axialen Flächen der Anodenelektroden oder auf ausgewählte Oberflächen beider Elektroden vorlaminiert werden, so dass sich zwischen jedem benachbarten Paar von Kathoden- und Anodenelektroden mindestens ein Separator befindet. Nach dem Laminieren der Separatorblätter werden die Kathoden- und Anodenelektroden dann abwechselnd auf eine Stützform gelegt, die die Elektroden zu einem Elektrodenstapel ausrichtet. Der Elektrodenstapel wird dann mit Hilfe eines pneumatischen Kolbens oder eines anderen geeigneten Pressmechanismus mit den Anoden- und Kathodenstromabnehmern in Eingriff gebracht. Alternativ können die Anoden- und Kathodenstromabnehmer mit dem Elektrodenstapel in Eingriff gepresst werden, während der Stapel stationär gehalten wird. In beiden Fällen werden die Elektroden durch Presspassung mit den Stromabnehmern verbunden, indem die radial abstehenden Elektrodenlaschen auf die Stromabnehmer gepresst und gefaltet werden. Einer oder mehrere oder alle der beschriebenen Herstellungsvorgänge können automatisiert werden, z. B. unter Verwendung eines Roboters zum Bewegen und Positionieren eines temporären Stapelgehäuses und eines zentralen Kollektors in Bezug auf die gestapelten Elektroden mit ineinandergreifenden Separatoren. Nach dem Einpressen des Elektrodenstapels in das provisorische Gehäuse und auf den zentralen Kollektor wird die Stapel-Kollektor-Gehäuse-Baugruppe zum Zusammenfügen mit einem Zellgehäuse (oder Außenkollektor) und einer oder mehreren Isolierschichten transportiert. Diese neue Unterbaugruppe wird dann mit einer Zellkappe, einer Federplatte und einer Federunterbaugruppe zusammengefügt, z. B. in einer Weise, die sicherstellt, dass der Stapel unter Druck gehalten wird.
Jede Elektrode kann mit einer Drehung in der Ebene mit einem vordefinierten Versatzwinkel in Bezug auf die Platzierung der unmittelbar vorangehenden Elektrode gestapelt werden. Zum Beispiel kann ein bestimmter Ursprungspunkt einer ersten Elektrode bei 0 Grad von einer kalibrierten Startkoordinate liegen. Eine zweite Elektrode wird auf die erste Elektrode gestapelt; der festgelegte Ursprungspunkt der zweiten Elektrode kann sich in einem Winkel von 1 bis 60 Grad von der kalibrierten Startkoordinate befinden. Dieser Vorgang wird für jede weitere Elektrode wiederholt, wenn der Stapel gebildet wird. Die zylindrische Zelle kann eine pneumatische Entlüftung oder eine wiederverschließbare Entlüftung mit einem federbelasteten Ventil aufweisen, um das in der Zelle erzeugte Gas abzulassen. Die zylindrische Zelle kann eine Feder oder ein anderes geeignetes Vorspannelement enthalten, um den Stapel kontinuierlich zu komprimieren.
In den 3A-3C ist eine repräsentative elektrochemische Vorrichtung 210 - dargestellt als wiederaufladbare zylindrische Batteriezelle der Lithiumklasse - mit einer schweißfreien, gestapelten Elektrodenarchitektur dargestellt. Die dargestellte elektrochemische Vorrichtung 210 kann sowohl für Fahrzeuganwendungen, wie z. B. das Traktionsbatteriepaket 30 des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 10 von 1, als auch für Nicht-Fahrzeuganwendungen, wie z. B. eine Verbraucherbatterie, eine Industriebatterie, eine Deep-Cycle-Batterie, eine Stand-by-Batterie usw., eingesetzt werden. Obwohl sie sich in ihrem Aussehen unterscheiden, ist vorgesehen, dass alle im Folgenden beschriebenen Merkmale und Optionen der elektrochemischen Vorrichtungen 210, 310 und 410 der 3A, 5A bzw. 6A einzeln oder in beliebiger Kombination ineinander und in das Batteriepaket 30 von 1 oder die Batterie 110 von 2 und umgekehrt eingebaut werden können. Als repräsentativer Punkt der Ähnlichkeit umfasst die elektrochemische Vorrichtung 210 (hier auch als „Batteriezelle“ bezeichnet) eine oder mehrere erste (negative oder Anoden-) Arbeitselektroden 222 und eine oder mehrere zweite (positive oder Kathoden-) Arbeitselektroden 224, die in einem optionalen Zellengehäuse (z. B. dem äußeren Schutzgehäuse 120 von 2) untergebracht sein können.
3B ist eine Draufsicht auf eine der ersten (Anoden-)Elektroden 222 in der elektrochemischen Vorrichtung 210, z. B. entlang der Schnittlinie 3B-3B von 3A. Zur Vereinfachung der Konstruktion und zur Erleichterung der Herstellung kann es wünschenswert sein, dass alle ersten (Anoden-)Elektroden 222 im Wesentlichen strukturell identisch sind, z. B. innerhalb akzeptabler Fertigungstoleranzen. Jede Anodenelektrode 222 kann mit einem im Wesentlichen flachen, ringförmigen Hauptkörper 221 hergestellt werden, der aus einem elektrisch leitenden metallischen Material, wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, gestanzt, geschnitten oder bearbeitet werden kann. Zwei Schichten aus aktivem (Anoden-)Elektrodenmaterial 223 sind an den gegenüberliegenden Hauptflächen des Elektrodenhauptkörpers 221 befestigt. Das aktive Elektrodenmaterial 223, das vom Hauptkörper 221 getragen wird, kann aus allen handelsüblichen Optionen bestehen, einschließlich derer, die oben in Bezug auf das aktive Material der Anodenelektrode 122 beschrieben wurden, zum Beispiel. Eine oder mehrere flexible Elektrodenlaschen 225 (z. B. acht im gezeigten Beispiel) ragen von einer Außenkante des Hauptkörpers 221 der Elektrode radial nach außen. Wie dargestellt, sind die Elektrodenlaschen 225 mit dem Hauptkörper 221 als einteilige Struktur einstückig ausgebildet. Einen inneren Durchmesserrand des Hauptkörpers 221 bedeckt eine Beschichtung aus elektrischer Isolierung 229, die sich kontinuierlich um ein zentrales Durchgangsloch 227 des Hauptkörpers 221 erstreckt.
Bei „anodenlosen“ elektrochemischen Geräten - ohne Anoden im Ausgangszustand - fungieren eine oder mehrere negative Elektroden als Stromkollektor, während Lithium von einer oder mehreren Kathodenelektroden auf den/die negativen Stromkollektor(en) abgeschieden und von diesen abgezogen wird. Anders ausgedrückt: Lithiumionen können während des anfänglichen Ladevorgangs aus der/den Kathode(n) extrahiert und als metallisches Lithium auf einen oder mehrere Stromkollektoren abgeschieden werden. Während eines anschließenden Entladevorgangs können Lithiumionen von den Stromabnehmern abgelöst und wieder in die Kathode eingelagert werden. Die Beseitigung des Lithiummetalls auf der Anodenseite von Batterien im eingebauten Zustand oder von vollständig entladenen Batterien verringert die Probleme, die sich aus dem Vorhandensein großer Mengen von Lithiummetall in der Zelle ergeben.
3C ist eine Draufsicht auf eine der zweiten (Kathoden-)Elektroden 224 in der elektrochemischen Vorrichtung 210, z.B. entlang der Schnittlinie 3C-3C von 3A aufgenommen. Ähnlich wie bei den Anodenelektroden 222 kann es wünschenswert sein, dass alle zweiten (Kathoden-)Elektroden 224 im Wesentlichen strukturell identisch zueinander sind. Zum Beispiel kann jede Kathodenelektrode 224 mit einem im Wesentlichen flachen, ringförmigen Hauptkörper 231 hergestellt werden, der aus einem elektrisch leitenden metallischen Material gestanzt, geschnitten oder bearbeitet werden kann. Eine Schicht aus aktivem (Kathoden-)Elektrodenmaterial 233 ist an jeder axial beabstandeten, gegenüberliegenden Hauptfläche des Elektrodenhauptkörpers 231 befestigt. Das aktive Elektrodenmaterial 233, das vom Hauptkörper 231 der Kathode getragen wird, kann alle handelsüblichen Optionen umfassen, einschließlich der oben in Bezug auf das aktive Material der Kathodenelektrode 122 beschriebenen, zum Beispiel. Eine oder mehrere flexible Elektrodenlaschen 235 (z. B. acht im dargestellten Beispiel) ragen von einer ID-Kante des Elektrodenhauptkörpers 231 radial nach innen. Die Elektrodenlaschen 235 können sich kontinuierlich um ein zentrales Durchgangsloch 237 des Hauptkörpers 231 erstrecken. Wie dargestellt, sind die Elektrodenlaschen 235 einstückig mit dem Hauptkörper 231 ausgebildet. Eine Außenkante des Hauptkörpers 231 ist mit einer Beschichtung aus elektrischer Isolierung 239 bedeckt. Alternativ können die Isolationsbeschichtungen 229, 239 ganz weggelassen werden und die zugehörigen Elektrodenkanten radial nach innen/außen von ihren nicht zusammenpassenden Kollektoren beabstandet werden.
Ein im Wesentlichen flacher, ringförmiger Separator 226 ist zwischen jedem benachbarten Elektrodenpaar 222, 224 eingefügt, wie am besten in der Inspektionsansicht von 3A zu sehen ist. Diese ringförmigen Separatoren 226 können als poröse oder mikroporöse Polymerfolien hergestellt werden, die einen physischen Kontakt zwischen ihren jeweiligen Elektrodenpaaren 222, 224 verhindern, aber dennoch Ionenleitfähigkeit ermöglichen. Jede der porösen polymeren Trennfolien 226 kann mit einem flüssigen Elektrolyten 228 getränkt werden, der für die Leitung von Lithiumionen geeignet ist. Bei elektrochemischen Geräten, die einen festen Elektrolyten verwenden, kann der Separator 226 eine nicht poröse Struktur sein. Es ist vorgesehen, dass jeder Separator 226 eine einteilige, einheitliche Struktur ist.
Um den Elektrodenstapel 230 mit den Elektroden 222, 224 und den dazwischen liegenden Trennblechen 226 herum befindet sich ein erster Lithium-Ionen-Stromkollektor 232 (Anode), der dazu beiträgt, den elektrischen Strom zwischen den komplementären Arbeitselektroden zu leiten. Gemäß dem dargestellten Beispiel kann der erste Stromkollektor 232 im Wesentlichen aus einem starren Metallzylinder bestehen, der z. B. aus rostfreiem Stahl, Aluminium, Nickel oder Kupfer gebildet ist. Bei dieser Konfiguration ist der Stromabnehmer 232 konzentrisch mit der ersten und zweiten Elektrode 222, 224 ausgerichtet und umschließt diese. Dieser elektrisch leitende Zylinder kann eine einteilige Konstruktion mit einer hohlen, rechtwinkligen Zylindergeometrie mit einem offenen proximalen Ende 241 sein, das in Längsrichtung von einem geschlossenen distalen Ende 243 beabstandet ist. Der Stromabnehmer 232 kann in ähnlicher Weise funktionieren wie der negative Elektrodenstromabnehmer 132, der oben in der Diskussion von 2 beschrieben wurde.
In diesem Beispiel kann der erste Stromabnehmer 232 als äußeres Schutzgehäuse 210 der Vorrichtung fungieren, um den Elektrodenstapel 230 zu isolieren und zu schützen. Eine optionale Gehäusekappe 236 kann starr am offenen proximalen Ende 241 des Stromabnehmers 232 angebracht werden und dieses abschließen. Diese Gehäusekappe 236 trägt dazu bei, den Elektrodenstapel 230 und andere interne Bauteile der elektrochemischen Vorrichtung 210 innerhalb des Stromabnehmers 232 zu sichern. Um den Elektrodenstapel 230 nach dem Zusammenbau der elektrochemischen Vorrichtung 210 unter Druck zu halten, übt ein Vorspannelement 238 Druck auf ein Ende des Stapels 230 aus. Obwohl als Schraubendruckfeder dargestellt, kann das Vorspannelement 238 in 3A jede geeignete Vorrichtung annehmen, die Druck ausüben kann, wie z. B. schaumstoffartige Zwischenlagen oder Kissen, Blattfedern, hydraulische Druckvorrichtungen usw. Bei schraubenförmigen Federkonfigurationen kann das Vorspannelement 238 zwischen zwei scheibenförmigen Polymer-Federtellern eingebettet sein: dem festen Federteller 240A und dem beweglichen Federteller 240B. Die feste Federplatte 240A befindet sich an der Außenseite des Vorspannelements 238 und ist starr mit dem Kollektor 232 verbunden, während die bewegliche Federplatte 240B an der Innenseite des Vorspannelements 238 sitzt und axial im Kollektor 232 gleitet. Das Vorspannelement 238 und die Platten 240A-B sind ihrerseits zwischen zwei scheibenförmigen Lagen der Isolierung 242 eingebettet; der Stapel aus Feder 238, Platten 240 und Isolierung 242 ist zwischen der Gehäusekappe 236 und dem Elektrodenstapel 230 eingeschlossen. Eine aktive oder passive Entlüftungsvorrichtung 245 kann sich optional durch die Gehäusekappe 236 und die angrenzende Isolationsschicht 242 und Federplatte 240A erstrecken.
Die Anodenelektroden 222 sind mechanisch mit dem Anodenstromkollektor 232 durch eine Faltlaschenpresspassung verbunden, um den Stromkollektor 232 mit dem entsprechenden Satz von Elektroden 222 elektrisch zu verbinden. Wiederum unter Bezugnahme auf 3A und die damit dargestellte Inspektionsansicht ist der Außendurchmesser D1 der Anodenelektroden 222 größer als der Innendurchmesser D2 des Anodenstromkollektors 232. Darüber hinaus ist jede der nach außen vorstehenden Elektrodenlaschen 225 ausreichend flexibel, so dass das Drücken des Elektrodenstapels 230 in den Stromkollektor 232 oder das Drücken des Kollektors 232 auf den Stapel 230 entlang einer zentralen Stapelachse A1-A1 dazu führt, dass sich die Laschen 225 gegen eine kreisförmige Öffnung am proximalen Ende 241 des Kollektors 232 biegen. Sobald sie gebogen sind, gleiten die Laschen 225 an einer Innenwand des Stromabnehmers 232 entlang und drücken sich in diese hinein, um so die Elektroden 222 mit dem Abnehmer 232 elektrisch zu verbinden. Um die Gefahr eines Kurzschlusses zu vermeiden, trägt die Schicht der elektrischen Isolierung 239 am äußeren Umfang der zweiten (Kathoden-)Elektroden 224 dazu bei, die Elektroden 224 vom Stromkollektor 232 elektrisch zu isolieren.
Im Inneren des ersten Stromabnehmers 232 befindet sich ein zweiter lithiumionen-durchlässiger (Kathoden-)Stromabnehmer 234, der im Wesentlichen parallel zur Mittelachse A1-A1 des Elektrodenstapels 230 ausgerichtet ist. Gemäß dem dargestellten Beispiel kann der zweite Stromabnehmer 234 im Wesentlichen aus einem starren Metallstab bestehen, der z. B. aus Edelstahl, Aluminium, Nickel oder Kupfer gebildet ist. Dieser elektrisch leitende Stab kann eine einteilige Konstruktion mit einer länglichen und massiven, rechtwinkligen Zylindergeometrie sein, die in einem zentralen Stapelhohlraum 247 befestigt ist, der sich durch die Mitte des Elektrodenstapels 230 erstreckt. Bei dieser Konfiguration ist der Stromabnehmer 234 koaxial mit dem Elektrodenstapel 230 ausgerichtet und sitzt in diesem. Der Stromabnehmer 234 kann in ähnlicher Weise funktionieren wie der Stromabnehmer für die positive Elektrode 134, der oben in der Diskussion von 2 beschrieben wurde.
Die Kathodenelektroden 224 sind mechanisch mit dem Kathodenstromkollektor 234 durch eine Faltlaschenpresspassung verbunden, um den Stromkollektor 234 mit dem entsprechenden Satz von Elektroden 224 elektrisch zu verbinden. Der Innendurchmesser D3 der Kathodenelektroden 224 ist kleiner als der Außendurchmesser D4 des Kathodenstromkollektors 234. Darüber hinaus ist jede der nach innen ragenden Elektrodenlaschen 235 ausreichend flexibel, so dass das Drücken des Elektrodenstapels 230 auf den Stromkollektor 234 und/oder das Drücken des Kollektors 234 in die zentralen Durchgangslöcher 237, die den Stapelhohlraum 247 entlang einer zentralen Stapelachse Al-A1 definieren, dazu führt, dass sich die Laschen 235 gegen ein proximales Ende des Kollektors 234 biegen. Einmal gebogen, gleiten die Laschen 235 entlang und drücken gegen eine Außenfläche des Stromabnehmers 234, um dadurch die Elektroden 224 mit dem Abnehmer 234 elektrisch zu verbinden. Um die Gefahr eines Kurzschlusses zu vermeiden, trägt die Schicht der elektrischen Isolierung 229 auf dem inneren Umfang der ersten (Anoden-)Elektroden 222 dazu bei, die Elektroden 222 vom Stromkollektor 234 elektrisch zu isolieren.
In 4 ist ein Beispiel für ein Fertigungssystem und ein dazugehöriges Fertigungsverfahren (zusammenfassend als 250 bezeichnet) für den Zusammenbau einer elektrochemischen Vorrichtung mit einer gestapelten Elektrodenkonfiguration, wie die elektrochemische Vorrichtung 210 in 3A, dargestellt. Einige oder alle der in 4 dargestellten und nachstehend näher beschriebenen Vorgänge können durch die Ausführung von prozessorausführbaren Anweisungen automatisiert werden, z. B. durch die Steuerungshardware des Fertigungssystems. Diese Anweisungen können beispielsweise in einem Haupt-, Hilfs- oder Fernspeicher gespeichert und beispielsweise von einem elektronischen Steuergerät, einer Verarbeitungseinheit, einer Steuerlogikschaltung oder einem anderen Modul oder Gerät oder einem Netzwerk von Modulen/Geräten ausgeführt werden, um eine oder alle der oben und unten beschriebenen Funktionen im Zusammenhang mit den offenbarten Konzepten durchzuführen. Es sollte anerkannt werden, dass die Reihenfolge der Ausführung der dargestellten Operationen geändert werden kann, zusätzliche Operationen hinzugefügt werden können und einige der beschriebenen Operationen geändert, kombiniert oder eliminiert werden können.
Das Fertigungssystem/Prozess 250 von 4 kann in einem ersten Fertigungsschritt oder einer ersten Station S1 mit der Aufnahme eines Bündels erster Elektroden, z. B. erster (Anoden-)Elektroden 222, und eines Bündels zweiter Elektroden, z. B. zweiter (Kathoden-)Elektroden 224, beginnen. Jede Elektrode kann vor den nachfolgenden Arbeitsgängen visuell überprüft und gereinigt werden, z. B. durch einen Bediener. Nach Erhalt eines oder beider Elektrodenbündel geht das Fertigungssystem/der Prozess 250 zu einem zweiten Fertigungsschritt oder einer zweiten Station S2 über und erhält ein Bündel elektrisch isolierender Separatoren, wie z. B. ringförmige Separatorblätter 226. An diesem Punkt wird jeder Separator zwischen einer Anoden- und einer Kathodenelektrode eingefügt. Wie bereits erwähnt, kann dies das Vorlaminieren eines Separatorblatts 226 auf jede axiale Fläche der Kathodenelektroden 224 beinhalten. Wie hierin verwendet, kann der Begriff „Empfangen“ so definiert werden, dass er die tatsächliche Herstellung des/der zugehörigen Objekts/Objekte einschließt, oder alternativ kann er das Abholen einer Lieferung solcher Objekte oder die Aufnahme solcher Objekte an einer Verarbeitungsstation einschließen.
Sobald die Separatoren aufgenommen und funktionsfähig an den Elektroden befestigt sind, geht das Fertigungssystem/der Prozess 250 zu einem dritten Fertigungsschritt oder einer Station S3 über und stapelt die Elektroden mit den ineinandergreifenden Separatoren. Fertigungsschritt/Station S3 kann die Zuführung der Elektroden, eine nach der anderen und in abwechselnder Weise (Anode, Kathode, Anode, Kathode...), auf eine Trägerform 252 umfassen, um einen Elektrodenstapel 230 zusammenzusetzen. Ein zentraler Fixierstift 254 kann vorgesehen werden, um die Elektroden und Separatoren während des Stapelns axial auszurichten. Die Innenwände der Stützform 252 und/oder der Fixierstift 254 können geschmiert werden, um das Stapeln der Elektroden zu erleichtern. Die Stützform 252 kann, wie in Schritt S3 gezeigt, auf einer stationären Grundplatte 256 oder, wie in Schritt S4 gezeigt, auf einem pneumatischen, hydraulischen oder motorgetriebenen Kolben („Base Presser“) 258 aufliegen.
Das Fertigungssystem/Prozess 250 von 4 fährt mit einem vierten Fertigungsschritt oder einer vierten Station S4 fort, um einen ersten und einen zweiten Stromkollektor, z. B. den Anodenstromkollektor 232 und den Kathodenstromkollektor 234, in Bezug auf die gestapelten ersten und zweiten Elektroden zu positionieren und zu befestigen. Der erste Stromabnehmer kann von einem Techniker oder über einen Roboterarm oder einen Stempel (zusammen 258) auf den Elektrodenstapel 230 gedrückt werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Elektrodenstapel 230 von einem Techniker oder dem Basisdrücker 258 in den ersten Stromabnehmer gedrückt werden. Dabei umschließt der erste Stromabnehmer den Elektrodenstapel 230 ganz oder teilweise, und die nach außen ragenden Elektrodenlaschen der ersten Elektroden greifen in den ersten Stromabnehmer ein, um die Elektroden mit dem zugehörigen Stromabnehmer elektrisch zu verbinden. Ebenso kann der zweite Stromabnehmer in den Elektrodenstapel 230 hineingedrückt und gedreht werden und/oder der Elektrodenstapel 230 kann von einem Techniker oder dem Basisdrücker 258 auf den zweiten Stromabnehmer gedrückt werden. Dabei sitzt der zweite Stromabnehmer innerhalb des ersten Stromabnehmers und des Elektrodenstapels und ist im Wesentlichen koaxial dazu ausgerichtet, und die nach innen ragenden Elektrodenlaschen der zweiten Elektroden greifen in den zweiten Stromabnehmer ein, um so die Elektroden mit dem zugehörigen Kollektor elektrisch zu verbinden.
In den 5A und 5B ist eine weitere repräsentative elektrochemische Vorrichtung 310 - dargestellt als prismatische Lithium-Metall-Batteriezelle - mit einer gestapelten Elektrodenarchitektur zu sehen. Die elektrochemische Vorrichtung 310 verwendet eine oder mehrere erste (negative oder Anoden-) Arbeitselektroden 322 und eine oder mehrere zweite (positive oder Kathoden-) Arbeitselektroden 324, die in einem äußeren Gehäuse oder Zellmantel 320 untergebracht sind. Im Vergleich zu den oben beschriebenen ringförmigen Elektroden 222, 224 kann jede Anodenelektrode 322 und Kathodenelektrode 324 von 5B mit einem im Wesentlichen flachen, polygonförmigen Hauptkörper 321 bzw. 331 hergestellt werden. Ähnlich ist eine Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial 323 und 333 an jeder gegenüberliegenden Hauptfläche des Hauptkörpers 321, 331 jeder Elektrode befestigt. Eine oder mehrere flexible Elektrodenlaschen 325 ragen quer (in 5A nach links) von einem Ende des Hauptkörpers 321 jeder Anodenelektrode ab. Ebenso ragen eine oder mehrere flexible Elektrodenlaschen 335 quer in die entgegengesetzte Richtung der Zungen 325 (nach rechts in 5A) von dem gegenüberliegenden Ende jedes Hauptkörpers 331 der Kathodenelektrode. Diese Laschen 325, 335 können in ihrer Funktion den Laschen 225, 235 der 3A-3C ähnlich sein, um in die jeweiligen Stromabnehmer einzugreifen.
Ein im Wesentlichen flacher, rechteckiger Separator 326 befindet sich zwischen jedem benachbarten Elektrodenpaar 322, 324, wie in 5B am besten zu sehen. Die Anodenelektroden 322 sind in 5A mit einer rechteckigen Form dargestellt, die einen ersten (vergrößerten) Oberflächenbereich in Draufsicht aufweist. Im Gegensatz dazu haben die Kathodenelektroden 324 eine rechteckige Form mit einer zweiten (verkleinerten) Draufsichtsfläche, die kleiner ist als die der Anodenelektroden 322. Zumindest bei einigen Ausführungsformen können die Kathodenelektroden 324 größer oder gleich groß wie die Anodenelektroden 322 sein. Es liegt auch im Rahmen dieser Offenbarung, dass jede der hier beschriebenen elektrochemischen Vorrichtungen, Elektroden und Separatoren andere Formen und Größen als die in den Zeichnungen dargestellten annehmen können. Als nicht einschränkendes Beispiel kann das Zellgehäuse 320 andere polyedrische Konfigurationen mit oder ohne abgerundete Ecken annehmen, ohne vom beabsichtigten Anwendungsbereich dieser Offenbarung abzuweichen.
Angrenzend an eine erste Fläche des Elektrodenstapels 330 (linke Seite in 5A), die zwischen den gestapelten Anoden- und Kathodenelektroden 322, 324 und einem Hauptgehäusekörper 321 des Zellengehäuses 320 angeordnet ist, befindet sich ein erster lithiumionendurchlässiger (Anoden-) Stromkollektor 332. Gemäß dem dargestellten Beispiel kann der erste Stromkollektor 332 im Wesentlichen aus einer starren Metallplatte bestehen. Ein negativer elektrischer Anschluss 362 verbindet den Anodenstromkollektor 332 mit einem negativen Anschluss 364, der sich auf der Oberseite einer Gehäusekappe 336 des Zellengehäuses 320 befindet. Angrenzend an eine zweite Fläche des Elektrodenstapels 330 (rechte Seite in 5A), die zwischen dem Hauptgehäusekörper 321 und den gestapelten Elektroden 322, 324 angeordnet ist, befindet sich ein zweiter lithiumionen-durchlässiger (Kathoden-)Stromkollektor 334. Ähnlich wie der erste Stromkollektor 332 kann der zweite Stromkollektor 334 im Wesentlichen aus einer starren Metallplatte bestehen. Ein positiver elektrischer Anschluss 366 verbindet den Anodenstromkollektor 332 elektrisch mit der Gehäusekappe 336, die in dieser Konfiguration als positiver Anschluss fungiert. Der Elektrodenstapel 330, die Stromabnehmer 332, 334 und die Verbinder 362, 366 können in einem Isoliermantel 368 eingeschlossen sein, der sich innerhalb des Zellengehäuses 320 befindet und auf der Gehäusekappe 336 sitzt.
Die 6A und 6B zeigen ein weiteres repräsentatives Beispiel für eine elektrochemische Vorrichtung 410 mit einer gestapelten Elektrodenarchitektur. Mit Ausnahme der unten beschriebenen Unterschiede kann die elektrochemische Vorrichtung 410 ähnlich ausgestattet sein wie die elektrochemische Vorrichtung 310 in den und . Zum Beispiel sind beide Vorrichtungen 310, 410 als prismatische Lithium-Metall-Batteriezellen mit einem linearen Stapel aus ersten Elektroden 322, zweiten Elektroden 324 und Separatoren 326 dargestellt. In diesem Beispiel können jedoch die Anodenelektroden 322 von 6A etwas größer und/oder ein Hauptgehäusekörper 321 des Zellengehäuses 320 etwas kleiner als in 5A sein, damit die flexiblen Laschen der Elektroden 322 in den Hauptkörper 321 passen, der in dieser Konfiguration als erster (Anoden-)Stromkollektor und negativer Anschluss fungiert. Außerdem gibt es keinen Isoliermantel 368; stattdessen isoliert eine erste quadratische Isolierplatte 468 den Gehäusedeckel/positiven Anschluss 436 elektrisch vom Gehäusekörper/negativen Anschluss, und eine zweite quadratische Isolierplatte 469 isoliert den Kathodenstromkollektor 334 und den positiven elektrischen Anschluss 366 elektrisch vom Gehäusekörper/Anodenkollektor 321.
Aspekte dieser Offenbarung können in einigen Ausführungsformen durch ein computerausführbares Programm von Anweisungen, wie z. B. Programmmodulen, implementiert werden, die allgemein als Softwareanwendungen oder Anwendungsprogramme bezeichnet werden und von einem beliebigen Steuergerät oder den hier beschriebenen Steuerungsvarianten ausgeführt werden. Software kann, in nicht einschränkenden Beispielen, Routinen, Programme, Objekte, Komponenten und Datenstrukturen umfassen, die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte Datentypen implementieren. Die Software kann eine Schnittstelle bilden, die es dem Computer ermöglicht, entsprechend einer Eingabequelle zu reagieren. Die Software kann auch mit anderen Codesegmenten zusammenarbeiten, um als Reaktion auf empfangene Daten in Verbindung mit der Quelle der empfangenen Daten eine Vielzahl von Aufgaben auszulösen. Die Software kann auf einer Vielzahl von Speichermedien wie CD-ROM, Magnetplatte und Halbleiterspeicher (z. B. verschiedene Arten von RAM oder ROM) gespeichert werden.
Darüber hinaus können Aspekte der vorliegenden Offenbarung mit einer Vielzahl von Computersystem- und Computernetzkonfigurationen praktiziert werden, einschließlich Multiprozessorsystemen, mikroprozessorbasierter oder programmierbarer Unterhaltungselektronik, Minicomputern, Großrechnern und dergleichen. Darüber hinaus können Aspekte der vorliegenden Offenbarung in verteilten Computerumgebungen angewandt werden, in denen Aufgaben von stationären und entfernten Verarbeitungsgeräten ausgeführt werden, die über ein Kommunikationsnetz verbunden sind. In einer Umgebung mit verteilter Datenverarbeitung können sich Programmmodule sowohl in lokalen als auch in entfernten Computerspeichermedien, einschließlich Speichergeräten, befinden. Aspekte der vorliegenden Offenbarung können daher in Verbindung mit verschiedener Hardware, Software oder einer Kombination davon in einem Computersystem oder einem anderen Verarbeitungssystem implementiert werden.
Jedes der hier beschriebenen Verfahren kann maschinenlesbare Anweisungen zur Ausführung durch (a) einen Prozessor, (b) eine Steuerung und/oder (c) eine andere geeignete Verarbeitungsvorrichtung enthalten: (a) einem Prozessor, (b) einem Steuergerät und/oder (c) jeder anderen geeigneten Verarbeitungsvorrichtung. Jeder hier offengelegte Algorithmus, jede Software, Steuerlogik, jedes Protokoll oder Verfahren kann als Software verkörpert sein, die auf einem greifbaren Medium gespeichert ist, wie z. B. einem Flash-Speicher, einem Solid-State-Drive-Speicher (SSD), einem Festplattenspeicher (HDD), einer CD-ROM, einer Digital Versatile Disk (DVD) oder anderen Speichergeräten. Der gesamte Algorithmus, die Steuerlogik, das Protokoll oder das Verfahren und/oder Teile davon können alternativ von einem anderen Gerät als einem Controller ausgeführt werden und/oder in Firmware oder dedizierter Hardware in einer verfügbaren Art und Weise verkörpert sein (z. B. implementiert durch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein programmierbares Logikgerät (PLD), ein feldprogrammierbares Logikgerät (FPLD), diskrete Logik usw.). Obwohl spezifische Algorithmen unter Bezugnahme auf die hier dargestellten Flussdiagramme und/oder Arbeitsablaufdiagramme beschrieben werden können, können alternativ auch viele andere Methoden zur Implementierung der beispielhaften maschinenlesbaren Anweisungen verwendet werden.
Aspekte der vorliegenden Offenbarung wurden ausführlich unter Bezugnahme auf die abgebildeten Ausführungsformen beschrieben; der Fachmann wird jedoch erkennen, dass viele Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die genaue Konstruktion und die hierin offengelegten Zusammensetzungen beschränkt; alle Modifikationen, Änderungen und Variationen, die aus den vorstehenden Beschreibungen ersichtlich sind, liegen im Rahmen der Offenbarung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Darüber hinaus schließen die vorliegenden Konzepte ausdrücklich alle Kombinationen und Unterkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale ein.

Claims

Elektrochemische Vorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Vielzahl von ersten Elektroden, die jeweils ein erstes aktives Elektrodenmaterial aufweisen, das von einem ersten Körper getragen wird, und eine flexible erste Elektrodenlasche, die von dem ersten Körper absteht; eine Vielzahl von zweiten Elektroden, die jeweils ein zweites aktives Elektrodenmaterial aufweisen, das sich von dem ersten aktiven Elektrodenmaterial unterscheidet und von einem zweiten Körper getragen wird, und eine flexible zweite Elektrodenlasche, die von dem zweiten Körper vorsteht; eine Vielzahl von Separatorschichten und/oder Festelektrolytschichten, die in einem Elektrodenstapel entlang einer zentralen Stapelachse mit den ersten und zweiten Elektroden verschachtelt und gestapelt sind; einen ersten Stromkollektor, der den Elektrodenstapel zumindest teilweise umgibt und mit den ersten Elektrodenlaschen in Presspassung steht, um dadurch eine elektrische Verbindung mit den ersten Elektroden herzustellen; und einen zweiten Stromkollektor, der innerhalb des ersten Stromkollektors angeordnet ist, im Wesentlichen parallel zur zentralen Stapelachse ausgerichtet ist und in Presspassung mit den zweiten Elektrodenlaschen steht, um dadurch eine elektrische Verbindung mit den zweiten Elektroden herzustellen.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Körper der ersten und der zweiten Elektrode jeweils eine im Wesentlichen flache ringförmige Form aufweisen.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der erste und der zweite Körper jeweils zentrale Löcher aufweisen, die koaxial auf der zentralen Stapelachse ausgerichtet sind, um einen zentralen Stapelhohlraum zu definieren, der sich durch den Elektrodenstapel hindurch erstreckt, und wobei der zweite Stromabnehmer einen länglichen, elektrisch leitenden Stab aufweist, der sich axial durch den zentralen Stapelhohlraum erstreckt.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei jede der zweiten Elektrodenlaschen eine Vielzahl von zweiten Elektrodenlaschen umfasst, die von einer Kante mit innerem Durchmesser (ID) des zweiten Körpers radial nach innen ragen, in Umfangsrichtung um den zweiten Körper herum beabstandet sind und gegen eine Außenfläche der elektrisch leitenden Stange des zweiten Stromkollektors gebogen sind.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der zweite Körper jeder der zweiten Elektroden einen Rand mit Außendurchmesser (OD) mit einer zweiten Schicht elektrischer Isolierung aufweist.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der erste Stromkollektor einen elektrisch leitenden Zylinder umfasst, der konzentrisch zu den ersten und zweiten Elektroden ist und diese umgibt.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei jede der ersten Elektrodenlaschen eine Vielzahl von ersten Elektrodenlaschen umfasst, die von einem Außenumfang des ersten Körpers radial nach außen ragen, in Umfangsrichtung um den ersten Körper herum beabstandet sind und gegen eine Innenfläche des elektrisch leitenden Zylinders des ersten Stromabnehmers gebogen sind.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der erste Körper jeder der ersten Elektroden einen Rand mit innerem Durchmesser (ID) und einer ersten Schicht elektrischer Isolierung aufweist.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner ein starres Außengehäuse umfasst, das den Elektrodenstapel und den ersten und zweiten Stromkollektor enthält.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Außengehäuse ein Hauptgehäuse, eine Gehäusekappe, die ein offenes Ende des Hauptgehäuses verschließt, und ein Vorspannelement umfasst, das zwischen dem Elektrodenstapel und der Gehäusekappe oder dem Hauptgehäuse zusammengedrückt wird.