DE102022126155A1 - Referenzelektrode zur diagnose von bordeigenen batteriezellen und verfahren zur herstellung einer referenzelektrode - Google Patents

Referenzelektrode zur diagnose von bordeigenen batteriezellen und verfahren zur herstellung einer referenzelektrode Download PDF

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Mark W. Verbrugge
Brian J. Koch
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Abstract

Eine Referenzelektrodenbaugruppe für eine elektrochemische Zelle beinhaltet einen Separator, der aus einem elektrisch isolierenden porösen Material gebildet ist. Die Referenzelektrodenbaugruppe beinhaltet auch einen Stromkollektor mit einer aufgesputterten elektrisch leitenden porösen Schicht, die direkt auf dem Separator angeordnet ist, und einer aufgesputterten Lithiumeisenphosphat(LFP)-Schicht, die direkt auf der elektrisch leitenden porösen Schicht angeordnet ist. Die Referenzelektrodenbaugruppe beinhaltet zusätzlich einen elektrischen Kontakt, der mit dem Stromkollektor verbunden ist. Für die Herstellung der Referenzelektrodenbaugruppe wird ein Verfahren verwendet, bei dem individuelle Schichten nacheinander unter Vakuum auf den Separator abgeschieden werden.

Description

  • EINLEITUNG
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Referenzelektrode zur Diagnose von bordeigenen Batteriezellen und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
  • Elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte wie z. B. Lithium-Ionen-Batterien können in einer Vielzahl von Konsumgütern und Fahrzeugen eingesetzt werden, z. B. in Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) und Elektrofahrzeugen (EVs). Typische Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel- und symmetrische Lithium-Lithium-Batterien beinhalten eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, ein Elektrolytmaterial und einen Separator. Eine Elektrode dient als positive Elektrode oder Kathode und eine andere als negative Elektrode oder Anode. Ein Stapel von Batteriezellen kann elektrisch verbunden werden, um die Gesamtleistung zu erhöhen.
  • Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien funktionieren, indem sie Lithium-Ionen reversibel zwischen der negativen und der positiven Elektrode hin- und herleiten. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode sind ein Separator und ein Elektrolyt angeordnet. Der Elektrolyt ist geeignet, um Lithiumionen zu leiten, und kann in fester (z. B. Feststoffdiffusion) oder flüssiger Form vorliegen. Die Lithiumionen wandern beim Laden der Batterie von einer Kathode (positiven Elektrode) zu einer Anode (negativen Elektrode) und beim Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung. Es kann wünschenswert sein, elektrochemische Analysen an Batterien oder bestimmten Komponenten von Batterien wie etwa der Kathode und der Anode durchzuführen.
  • Die elektrochemische Analyse kann zum Beispiel Kalibrierungen für Steuersysteme in Elektrofahrzeugen in Bezug auf Schnellladung, Lithium-Abscheidung, Ladezustand und Leistungsabschätzung erzeugen. Die Elektroden können analysiert werden, indem eine Referenzelektrode in einer elektrochemischen Zelle mit positiven und negativen Elektroden bereitgestellt wird. Die Referenzelektrode ermöglicht die Überwachung einzelner positiver und negativer Elektrodenpotenziale, während die Zelle zyklisiert wird. Die Potenziale können in einer Laborumgebung oder während der Echtzeitnutzung eines Systems, das eine elektrochemische Zelle beinhaltet, überwacht werden. So können beispielsweise während des Betriebs eines Fahrzeugs im Rahmen der regelmäßigen Fahrzeugdiagnose Potenziale erfasst werden. Ermittelte Potenziale können in Fahrzeugsteuerungsalgorithmen verwendet werden, um die Leistung der Zelle zu verbessern, wie etwa durch Anhebung des Anodenpotenzials, um die Lithium-Abscheidung zu verringern.
  • Es ist eine einwandfrei funktionierende Referenzelektrode erforderlich, um genaue und reproduzierbare Messungen für die Analyse einer elektrochemischen Zelle zu ermöglichen. Daher sollte eine Referenzelektrode ein stabiles und reproduzierbares Potenzial aufweisen. Als Referenzelektroden werden vorzugsweise Elektroden reversibler Art verwendet. Bei einer reversiblen Elektrode bewirkt ein kleiner kathodischer Strom die Reduktionsreaktion, während ein kleiner anodischer Strom die Oxidationsreaktion bewirkt. Im Allgemeinen sind die drei wichtigsten Anforderungen an eine zufriedenstellende Referenzelektrode die Reversibilität (Nichtpolarisierbarkeit), die Reproduzierbarkeit und die Stabilität.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Eine Referenzelektrodenbaugruppe für eine elektrochemische Zelle beinhaltet einen Separator, der aus einem elektrisch isolierenden porösen Material gebildet ist. Die Referenzelektrodenbaugruppe beinhaltet auch einen Stromkollektor mit einer aufgesputterten elektrisch leitenden porösen Schicht, die direkt auf dem Separator angeordnet ist, und einer aufgesputterten Lithiumeisenphosphat(LFP)-Schicht, die direkt auf der elektrisch leitenden porösen Schicht angeordnet ist. Die Referenzelektrodenbaugruppe beinhaltet zusätzlich einen elektrischen Kontakt, der mit dem Stromkollektor verbunden ist.
  • Der elektrische Kontakt kann entweder einen Gold/Graphit- oder einen Silberepoxidstreifen beinhalten.
  • Der Separator kann mit einem keramischen Material entweder dotiert oder beschichtet sein, um die Wahrscheinlichkeit eines elektrischen Kurzschlusses zu minimieren.
  • Die elektrisch leitende poröse Schicht kann eine Aluminiumschicht mit einer Dicke im Bereich von 50-500 nm beinhalten, die direkt auf dem Separator angeordnet ist.
  • Die elektrisch leitende poröse Schicht mit der Aluminiumschicht kann zusätzlich eine Kohlenstoffschicht mit einer Dicke im Bereich von 5-50 nm beinhalten, die direkt auf der Aluminiumschicht angeordnet ist, derart, dass die Aluminiumschicht sandwichartig zwischen dem Separator und der Kohlenstoffschicht angeordnet ist.
  • Die elektrisch leitende poröse Schicht kann eine Graphit-Kohlenstoff-Schicht mit einer Dicke im Bereich von 50-500 nm beinhalten, die direkt auf dem Separator angeordnet ist.
  • Die elektrisch leitende poröse Schicht kann eine Nickelschicht mit einer Dicke im Bereich von 50-500 nm beinhalten, die direkt auf dem Separator angeordnet ist.
  • Die elektrisch leitende poröse Schicht kann eine Zinnschicht mit einer Dicke im Bereich von 50-500 nm beinhalten, die direkt auf dem Separator angeordnet ist.
  • Die LFP-Schicht kann eine Dicke im Bereich von 70-500 nm aufweisen.
  • Für die Herstellung der Referenzelektrodenbaugruppe wird ein bestimmtes Verfahren verwendet, bei dem individuelle Schichten nacheinander unter Vakuum auf den Separator abgeschieden werden.
  • Das Verfahren kann insbesondere das Einrichten des Separators in der Vakuumkammer beinhalten, wobei der Separator auf einer beweglichen Halterung angeordnet wird. In der vorliegenden Ausführungsform kann das Verfahren auch das Aufbringen des Stromkollektors auf den Separator unter Beschuss eines stationären Stromkollektorziels und eines stationären LFP-Ziels beinhalten, um die jeweiligen Schichten unter Vakuum auf dem Stromkollektor abzuscheiden, während die bewegliche Halterung transportiert wird.
  • Alternativ kann das Verfahren auch das Einrichten des Separators in der Vakuumkammer beinhalten, wobei der Separator auf einer stationären Halterung angeordnet wird. In der vorliegenden Ausführungsform kann das Verfahren auch das Einrichten eines Stromkollektorziels und eines LFP-Ziels auf einer beweglichen Halterung, wie etwa einem drehbaren Spulenrad, und das aufeinanderfolgende Beschießen des jeweiligen Stromkollektorziels und des LFP-Ziels beinhalten, während die bewegliche Halterung verschoben wird, um die jeweiligen Schichten unter Vakuum auf dem Stromkollektor abzuscheiden.
  • Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsform(en) und des oder der besten Wege zur Ausführung der beschriebenen Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen ohne Weiteres ersichtlich.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
    • 1 ist eine schematische Ansicht einer Speicherzelle für elektrische Energie, die einen Verbraucher mit Strom versorgt, wobei die Energiespeicherzelle als Lithium-lonen(Li-lonen)-Batterie mit einer Lithium-Anode, einer geeigneten Kathode und einer Referenzelektrodenbaugruppe gemäß der Offenbarung gezeigt ist, die eine elektrisch leitende poröse Schicht und eine LFP-Schicht aufweist.
    • 2 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Referenzelektrodenbaugruppe aus 1.
    • 3 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Referenzelektrodenbaugruppe aus 1.
    • 4 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung einer Referenzelektrodenbaugruppe, wie sie in 1-3 gezeigt ist, für eine elektrochemische Zelle gemäß der Offenbarung.
    • 5 ist eine schematische Darstellung eines Stromkollektors gemäß der Offenbarung, der auf einen Referenzelektrodenseparator aufgebracht wird, indem eine bewegliche Halterung mit dem Referenzelektrodenseparator verschoben wird, während nacheinander stationäre Stromkollektor- und stationäre LFP-Ziele in einer Sputterkammer beschossen werden, um die in den 1-3 gezeigte elektrisch leitende poröse Schicht und die LFP-Schicht unter Vakuum auf dem Stromkollektor abzuscheiden.
    • 6 ist eine schematische Darstellung eines Stromkollektors gemäß der Offenbarung, der auf einen Referenzelektrodenseparator aufgebracht wird, indem eine bewegliche Halterung mit indexierten Stromkollektor- und LFP-Zielen verschoben wird, während die Ziele in einer Sputterkammer nacheinander beschossen werden, um die elektrisch leitende poröse Schicht und die LFP-Schicht unter Vakuum abzuscheiden.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass Begriffe wie „über“, „unter“, „aufwärts“, „abwärts“, „oben“, „unten“, „links“, „rechts“ usw. beschreibend für die Figuren verwendet werden und keine Einschränkungen des Umfangs der Offenbarung darstellen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Darüber hinaus können die Lehren in dieser Schrift in Form von funktionellen und/oder logischen Blockkomponenten und/oder verschiedenen Verarbeitungsschritten beschrieben werden. Es sei darauf hingewiesen, dass solche Blockkomponenten durch eine beliebige Anzahl von Hardware-, Software- und/oder Firmware-Komponenten gebildet werden können, die dazu konfiguriert sind, die angegebenen Funktionen auszuführen.
  • Bezug nehmend auf 1 ist eine elektrochemische Speicherzelle 10 dargestellt, die einen Verbraucher 12 mit Strom versorgt. Die elektrochemische Speicherzelle 10 ist insbesondere als Lithium-lonen(Li-lonen)-Pouch-Batteriezelle mit einer Anode (negativen Elektrode) 14, einer Kathode (positiven Elektrode) 16 und einem nichtwässrigen Elektrolyt 18 gezeigt, der die Anode und die Kathode umgibt und durch eine Trennmembran oder einen ersten Separator 20 fließt. Die Anode 14 kann aus Lithium, Graphit, Silizium, Siliziumoxid und verschiedenen anderen geeigneten Materialien gebildet sein. Obwohl die Kathode 16 häufig aus Schwefel gebildet ist, können auch andere Kathodenmaterialien für Li-lonen-Batterien wie Lithium-Mangan-Oxid, Lithium-Eisen-Phosphat, Lithium-Nickel-Mangan-KobaltOxid oder eine Vielzahl anderer geeigneter Materialien verwendet werden. Li-Ionen-Batterien sind wiederaufladbare elektrochemische Batterien, die sich durch eine hohe spezifische Energie und eine geringe Selbstentladung auszeichnen. Die Li-Ionen-Batterien können zur Stromversorgung von so unterschiedlichen Gegenständen wie Spielzeug, Unterhaltungselektronik und Kraftfahrzeugen verwendet werden. Das betreffende Fahrzeug kann ein Nutzfahrzeug, ein Industriefahrzeug, ein Personenkraftwagen, ein Luftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug, ein Zug oder ähnliches sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Es ist auch denkbar, dass es sich bei dem Fahrzeug um eine mobile Plattform handelt, wie etwa ein Flugzeug, ein Geländefahrzeug (ATV, all-terrain vehicle), ein Schiff, ein persönliches Bewegungsgerät, einen Roboter oder dergleichen, um die Zwecke der vorliegenden Offenbarung zu erfüllen.
  • In Lithium-Ionen-Batterien wandern die Lithium-Ionen beim Entladen von der Anode 14 durch den Elektrolyt 18 zur Kathode 16 und beim Laden zurück. Lithium-Ionen-Batterien verwenden eine Lithiumverbindung als Material für die positive Elektrode und in der Regel Graphit für die negative Elektrode. Im Allgemeinen sind die Reaktanten in den elektrochemischen Reaktionen in einer Lithium-Ionen-Zelle 10 die Materialien von Anode und Kathode, die beide Verbindungen sind, die Lithium-Atome beinhalten können. Während der Entladung entstehen durch eine Oxidationshalbreaktion an der Anode 14 positiv geladene Lithium-Ionen und negativ geladene Elektronen. Bei der Oxidationshalbreaktion kann auch ungeladenes Material entstehen, das an der Anode 14 verbleibt. Die Lithium-Ionen bewegen sich durch den Elektrolyt 18, die Elektronen bewegen sich durch einen externen Stromkreis (einschließlich einer Verbindung zum elektrischen Verbraucher 12 oder zu einer Ladevorrichtung) und dann rekombinieren sie sich an der Kathode (zusammen mit dem Kathodenmaterial) in einer Reduktionshalbreaktion. Der Elektrolyt 18 und der äußere Stromkreis stellen jeweils ein leitendes Medium für Lithium-Ionen und Elektronen dar, nehmen aber nicht an der elektrochemischen Reaktion teil.
  • Im Allgemeinen fließen bei der Entladung einer elektrochemischen Batteriezelle Elektronen von der Anode 14 zur Kathode 16 durch den externen Stromkreis. Die Reaktionen während der Entladung senken das chemische Potenzial der Zelle, sodass beim Entladen Energie aus der Zelle dorthin übertragen wird, wo der elektrische Strom seine Energie abgibt, meist in den externen Stromkreis. Beim Laden laufen die beschriebenen Reaktionen und Transporte in umgekehrter Richtung ab: Elektronen wandern durch den äußeren Stromkreis von der positiven zur negativen Elektrode. Um die Zelle zu laden, muss der externe Stromkreis elektrische Energie bereitstellen. Diese Energie wird dann (mit einem gewissen Verlust) als chemische Energie in der Zelle gespeichert. In einer Lithium-Ionen-Zelle lassen sowohl die Anode 14 als auch die Kathode 16 Lithium-Ionen in ihre Strukturen hinein und aus ihnen heraus wandern, und zwar durch einen Prozess, der als Einlagerung (Interkalation) bzw. Auslagerung (Deinterkalation) bezeichnet wird. In der Regel sind die Anode 14 und die Kathode 16 mit entsprechenden elektrisch leitenden Stromkollektorn verbunden - einem Anodenstromkollektor 22 und einem Kathodenstromkollektor 24. Jeder Stromkollektor 22, 24 kann Metall in Form einer Metallfolie, eines Metallgitters oder -siebes oder Streckmetall mit geeigneter Dicke zur Aufnahme einer größeren Menge an Elektrodenmaterial beinhalten. Stromkollektormaterialien können zum Beispiel Kupfer, Nickel, Aluminium und verschiedene elektrisch leitende Legierungen sein.
  • Es kann wünschenswert sein, elektrochemische Analysen an den Elektroden der Anode 14 und der Kathode 16 durchzuführen, um Kalibrierungen für Steuersysteme zu erzeugen, die die elektrochemische Speicherzelle 10 verwenden, wie etwa in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, zum Beispiel in Bezug auf Schnellladung, Lithiumabscheidung, Ladezustand und Leistungsabschätzung. Die Elektroden der Anode 14 und der Kathode 16 können analysiert werden, indem eine Referenzelektrodenbaugruppe 26 (gezeigt in 1-3) in der Li-Ionen-Zelle 10 bereitgestellt wird. Die Referenzelektrodenbaugruppe 26 kann die Überwachung individueller positiver und negativer Elektrodenpotenziale ermöglichen, während die Lithium-lonen-Zelle 10 zyklisiert wird, und kann zum Schutz vor Überladung der Zelle verwendet werden. Mit einer Referenzelektrode kann das Potenzial der Kathodenelektrode 16 direkt gesteuert und über die Lebensdauer der Li-Ionen-Zelle 10 hinweg optimiert werden. Im Allgemeinen steht die Wirksamkeit einer Referenzelektrode bei der Bereitstellung eines stabilen und reproduzierbaren Potenzials und der Nichtpolarisierbarkeit durch reversible Reaktionen in direktem Zusammenhang mit der Leistung der Elektrode. Die Li-Ionen-Zelle 10 kann eine Antenne (nicht gezeigt) zur Übermittlung von Zelldaten einschließlich Spannungsdaten von der Referenzelektrodenbaugruppe 26 an ein Steuersystem, wie etwa eine elektronische Steuereinheit (ECU) eines Kraftfahrzeugs, beinhalten.
  • Die Referenzelektrodenbaugruppe 26 ist zwischen der Anode 14 und der Separatormembran 20 angeordnet. Die Referenzelektrodenbaugruppe 26 beinhaltet einen zweiten Separator 28. Der zweite Separator 28 ist aus einem elektrisch isolierenden, porösen Material gebildet, das im Vergleich zu einem nichtporösen Material eine größere Oberfläche bereitstellt, um das Laden zu beschleunigen. Der zweite Separator 28 kann aus einem Polymer oder einem Gemisch von Polymeren, wie etwa Polypropylen oder Polyethylen, oder Aramidfasern gebildet sein. Zusätzlich kann der zweite Separator 28 mit einem isolierenden keramischen Material 28A dotiert oder beschichtet sein (wie in 2-3 gezeigt), um die Wahrscheinlichkeit eines elektrischen Kurzschlusses während des Betriebs der Li-Ionen-Zelle 10 zu minimieren. Das isolierende keramische Material 28A kann zum Beispiel Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid sein.
  • Die Referenzelektrodenbaugruppe 26 beinhaltet auch einen Referenzstromkollektor 30. Der Referenzstromkollektor 30 weist eine elektrisch leitende poröse Schicht 32 auf, die auf dem zweiten Separator 28 angeordnet ist. Konkret wird der Referenzstromkollektor 30 in einer Vakuumkammer direkt auf den zweiten Separator 28 aufgesputtert. Die elektrisch leitende poröse Schicht 32 kann eine Aluminiumschicht 32A beinhalten, die auf dem zweiten Separator 28 angeordnet ist, und zusätzlich eine Kohlenstoffschicht 32B beinhalten, die auf der Aluminiumschicht 32A angeordnet ist (gezeigt in 2). Die Aluminiumschicht 32A soll unter Vakuum direkt auf den zweiten Separator 28 abgeschieden oder aufgesputtert werden, während die Kohlenstoffschicht 32B direkt auf die Aluminiumschicht 32A aufgesputtert werden soll. In der Ausführungsform mit der Aluminiumschicht 32A und der Kohlenstoffschicht 32B soll die Aluminiumschicht sandwichartig zwischen dem Separator 28 und der Kohlenstoffschicht liegen. Die Aluminiumschicht kann eine Dicke im Bereich von 50-500 nm aufweisen, insbesondere eine Dicke von 200 nm. Die Kohlenstoffschicht 32B dient der Aufrechterhaltung eines geringen Anstiegs des Kontaktwiderstands und kann eine Dicke im Bereich von 5-50 nm, insbesondere von 20 nm, aufweisen.
  • In einer separaten Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, kann die elektrisch leitende poröse Schicht 32 eine Graphit-Kohlenstoff-Schicht 32C beinhalten, die direkt auf dem Separator 28 angeordnet ist. Die Graphit-Kohlenstoff-Schicht 32C kann mit einer Dicke im Bereich von 50-500 nm aufgesputtert werden, insbesondere mit einer Dicke von 300 nm. In einer anderen Ausführungsform, die in 5 gezeigt ist, kann die elektrisch leitende poröse Schicht 32 eine Nickelschicht 32D beinhalten, die direkt auf dem Separator 28 angeordnet ist. Die Nickelschicht 32D kann mit einer Dicke im Bereich von 50-500 nm aufgesputtert werden, insbesondere mit einer Dicke von 250 nm. In einer weiteren Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, kann die elektrisch leitende poröse Schicht 32 eine Zinn(Sn)-Schicht 32E beinhalten, die direkt auf dem Separator 28 angeordnet ist. Die Zinnschicht 32E kann mit einer Dicke im Bereich von 50-500 nm aufgesputtert werden, insbesondere mit einer Dicke von 200 nm.
  • Die Referenzelektrodenbaugruppe 26 beinhaltet zusätzlich eine aufgesputterte Lithium-Eisen-Phosphat-Schicht 34, die direkt auf der elektrisch leitenden porösen Schicht 32 angeordnet ist (gezeigt in 1-3). Die LFP-Schicht 34 stellt über einen breiten Bereich des Lithiumgehalts in der Referenzelektrodenbaugruppe 26 hinweg ein stabiles und reproduzierbares Potenzial bereit. Die LFP-Schicht 34 kann eine Dicke im Bereich von 70-500 nm aufweisen. Außerdem beinhaltet die Referenzelektrodenbaugruppe 26 einen elektrischen Kontakt 36, der mit dem Stromkollektor 30 verbunden ist. Der elektrische Kontakt 36 kann einen Streifen 36A beinhalten, der entweder aus einem Gold/Graphit- oder einem Silberepoxid gebildet ist. Insgesamt greifen die nach und nach aufgesputterten Schichten - der Stromkollektor 30, die elektrisch leitende poröse Schicht 32 und die LFP-Schicht 34 - auf dem zweiten Separator 28 ineinander und ergeben eine Referenzelektrodenbaugruppe 26, die als einheitliches, also einstückiges, Bauteil ausgebildet ist. Darüber hinaus verbleiben die Materialien der aufgesputterten Schichten 32, 34, 36 in der einheitlichen Referenzelektrodenbaugruppe 26 innerhalb ihrer jeweiligen individuellen Grenzen, ohne in benachbarte Schichten zu dispergieren. Daher ist beispielsweise die LFP-Schicht 34 in der Referenzelektrodenbaugruppe 26 dadurch gekennzeichnet, dass sie keinen dispergierten Kohlenstoff enthält.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann die Überwachung des Potenzials der positiven und der negativen Elektrode der Lithium-Ionen-Zelle 10 unter Verwendung der Referenzelektrodenbaugruppe 26 über zwei einzelne Messvorrichtungen, wie etwa einen ersten Spannungsmesser M1 und einen zweiten Spannungsmesser M2, erfolgen. Der erste Spannungsmesser M1 kann über die Stromkollektoren 22, 24 der negativen und positiven Elektrode elektrisch mit der negativen und der positiven Elektrode 14, 16 verbunden sein, um ein Potenzial zwischen der betreffenden negativen und positiven Elektrode zu erfassen. Der zweite Spannungsmesser M2 kann über die Stromkollektoren 22, 30 der negativen und der Referenzelektrode elektrisch mit der negativen Elektrode 22 und der Referenzelektrodenbaugruppe 26 verbunden sein, um eine Potenzialdifferenz zwischen der betreffenden negativen Elektrode und Referenzelektrode zu erfassen. Da die Eigenschaften der Referenzelektrode 30 bekannt sind, ermöglicht die Messung mit dem zweiten Spannungsmesser M2 die Bestimmung des individuellen Potenzials der negativen Elektrode 14. Daher kann das individuelle Potenzial der positiven Elektrode 16 aus den obigen Messungen bestimmt werden.
  • Ein Verfahren 100 zur Herstellung der Referenzelektrodenbaugruppe 26 für eine elektrochemische Zelle, wie etwa die Li-Ionen-Zelle 10, die unter Bezugnahme auf 1-3 beschrieben wurde, ist in 4 gezeigt und wird nachfolgend im Detail offenbart. Das Verfahren 100 kann in Rahmen 102 mit der Dotierung oder Beschichtung des aus einem elektrisch isolierenden porösen Material gebildeten Separators 28 mit dem keramischen Material 28A beginnen, wie vorstehend mit Bezug auf die 2-3 beschrieben, und dann mit Rahmen 104 fortfahren. Alternativ kann das Verfahren 100 in Rahmen 104 mit dem Einrichten des Separators 28 in der Vakuumkammer 200 beginnen. Das Einrichten des Separators 28 in der Vakuumkammer 200 kann das Anordnen des Separators auf einer beweglichen Halterung 202 beinhalten, die dazu konfiguriert ist, während der Abscheidung der Schichten, aus denen die Referenzelektrodenbaugruppe 26 wie in den folgenden Schritten beschrieben gebildet wird, innerhalb der Vakuumkammer 200 und in Bezug auf diese transportiert werden zu können, wie etwa auf Rollen 204 (gezeigt in 5). Alternativ kann das Einrichten des Separators 28 in der Vakuumkammer 200 auch das Anordnen des Separators auf einer stationären Halterung 206 (gezeigt in 6) beinhalten.
  • Nach Rahmen 104 wird das Verfahren fortgesetzt, um den Stromkollektor 30 auf den Separator 28 aufzubringen, beginnend in Rahmen 106. In Rahmen 106 beinhaltet das Verfahren das Aufsputtern der elektrisch leitenden porösen Schicht 32 in der Vakuumkammer 200 direkt auf oder über den Separator 28. Wie in 1-3 oben beschrieben, kann die aufgesputterte elektrisch leitende poröse Schicht 32 die Aluminiumschicht 32A mit einer Dicke im Bereich von 50-500 nm beinhalten und auch die Kohlenstoffschicht 32B mit einer Dicke im Bereich von 5-50 nm aufweisen. Alternativ kann die aufgesputterte elektrisch leitende poröse Schicht 32 die Graphit-Kohlenstoff-Schicht mit einer Dicke im Bereich von 50-500 nm, die Nickelschicht mit einer Dicke im Bereich von 50-500 nm oder die Zinnschicht mit einer Dicke im Bereich von 50-500 nm beinhalten.
  • Nach Rahmen 106 geht das Verfahren zu Rahmen 108 über. In Rahmen 108 beinhaltet das Verfahren das Aufsputtern der Lithium-Eisen-Phosphatschicht (LFP) 34 in der Vakuumkammer 200 direkt auf die aufgesputterte elektrisch leitende poröse Schicht 32. Die aufgesputterte LFP-Schicht 34 kann eine Dicke im Bereich von 70-500 nm aufweisen. Wie in 5 gezeigt, kann das stationäre Stromkollektorziel 208 an der Position P1A angeordnet sein, während das stationäre LFP-Ziel 210 an der Position P2A angeordnet sein kann. Das Aufbringen des Stromkollektors 30 auf den Referenzelektrodenseparator 28 kann den Beschuss eines stationären Stromkollektorziels 208 gegenüber der positionierten beweglichen Halterung 202 und anschließend das Verschieben der beweglichen Halterung 202 beinhalten, um die Halterung gegenüber dem stationären LFP-Ziel 210 zu positionieren und das LFP-Ziel zu beschießen. Durch den Transport der beweglichen Halterung 202 und den aufeinanderfolgenden Beschuss des stationären Stromkollektorziels 208 und des LFP-Ziels 210 an ihren jeweiligen Positionen P1A und P2A werden die elektrisch leitende poröse Schicht 32 und die LFP-Schicht 34 jeweils auf oder über dem Referenzelektrodenseparator 28 unter Vakuum abgeschieden.
  • Alternativ dazu kann das Verfahren wie in 6 gezeigt das Einrichten des Stromkollektorziels 208 und des LFP-Ziels 210 auf einer beweglichen Halterung 212, beinhalten, etwa ein drehbares Spulenrad, um den Stromkollektor 30 auf den Referenzelektrodenseparator 28 aufzubringen. Die bewegliche Halterung 212 kann insbesondere jeweils individuelle indexierte Positionen P1 B und P2B für das Stromkollektorziel 208 und das LFP-Ziel 210 beinhalten (gezeigt in 6). Das Aufbringen des Stromkollektors 30 auf den Referenzelektrodenseparator 28 kann das Verschieben der beweglichen Halterung 212 von der Position P1B in die Position P2B beinhalten, um zunächst das Stromkollektorziel 208 und dann das LFP-Ziel 210 am Referenzelektrodenseparator 28 auszurichten. Durch Verschieben der beweglichen Halterung 212 von der Position P1B in die Position P2B können das jeweilige Stromkollektorziel 208 und das LFP-Ziel 210 nacheinander beschossen werden, um jeweils die elektrisch leitende poröse Schicht 32 und die LFP-Schicht 34 auf dem Referenzelektrodenseparator 28 unter Vakuum abzuscheiden.
  • Von Rahmen 108 kann das Verfahren 100 zu Rahmen 110 weitergehen, wo das Verfahren das Erzeugen des elektrischen Kontakts 36 beinhaltet, der mit dem Stromkollektor 30 verbunden ist. Der elektrische Kontakt 36 kann durch Aufbringen des Epoxidstreifens 36A aus Gold/Graphit oder Silber auf eine Verlängerung oder einen Vorsprung des Stromkollektors 30 hergestellt werden. Nach Rahmen 110 kann das Verfahren zu Rahmen 112 übergehen. In Rahmen 112 kann das Verfahren das Organisieren, Verpacken und/oder Aufreihen der Referenzelektrodenbaugruppe 26 für den anschließenden Einbau in eine elektrochemische Zelle, wie die oben beschriebene Li-Ionen-Zelle 10, beinhalten. Das Verfahren kann in Rahmen 114 enden.
  • Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren sind unterstützend und beschreibend für die Offenbarung, aber der Umfang der Offenbarung wird ausschließlich durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Wege und andere Ausführungsformen zur Durchführung der beanspruchten Offenbarung im Detail beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Auslegungen und Ausführungsformen zur Ausübung der in den beigefügten Ansprüchen definierten Offenbarung. Darüber hinaus sind die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen oder die in der vorliegenden Beschreibung erwähnten Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen nicht unbedingt als voneinander unabhängige Ausführungsformen zu verstehen. Vielmehr ist es möglich, dass jedes der in einem der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale mit einem oder mehreren anderen gewünschten Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden kann, was zu anderen Ausführungsformen führt, die nicht in Worten oder durch Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden. Dementsprechend fallen solche anderen Ausführungsformen in den Umfang der beigefügten Ansprüche.

Claims (10)

  1. Referenzelektrodenbaugruppe für eine elektrochemische Zelle, wobei die Referenzelektrodenbaugruppe umfasst: einen Separator, der aus einem elektrisch isolierenden porösen Material gebildet ist; einen Stromkollektor, der beinhaltet: eine aufgesputterte elektrisch leitende poröse Schicht, die direkt auf dem Separator angeordnet ist; und eine aufgesputterte Lithiumeisenphosphatschicht (LFP), die direkt auf der elektrisch leitenden porösen Schicht angeordnet ist; und einen elektrischen Kontakt, der mit dem Stromkollektor verbunden ist.
  2. Referenzelektrodenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der elektrische Kontakt entweder einen Gold/Graphit- oder einen Silberepoxidstreifen beinhaltet.
  3. Referenzelektrodenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Separator mit einem keramischen Material dotiert oder beschichtet ist.
  4. Referenzelektrodenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitende poröse Schicht eine Aluminiumschicht mit einer Dicke im Bereich von 50-500 nm beinhaltet und direkt auf dem Separator angeordnet ist.
  5. Referenzelektrodenbaugruppe nach Anspruch 4, wobei die elektrisch leitende poröse Schicht zusätzlich eine Kohlenstoffschicht mit einer Dicke im Bereich von 5-50 nm beinhaltet, die direkt auf der Aluminiumschicht angeordnet ist, derart, dass die Aluminiumschicht sandwichartig zwischen dem Separator und der Kohlenstoffschicht angeordnet ist.
  6. Referenzelektrodenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitende poröse Schicht eine Graphit-Kohlenstoff-Schicht mit einer Dicke im Bereich von 50-500 nm beinhaltet und direkt auf dem Separator angeordnet ist.
  7. Referenzelektrodenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitende poröse Schicht eine Nickel(Ni)-Schicht mit einer Dicke im Bereich von 50-500 nm beinhaltet und direkt auf dem Separator angeordnet ist.
  8. Referenzelektrodenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitende poröse Schicht Zinn (Sn) mit einer Dicke im Bereich von 50-500 nm beinhaltet und direkt auf dem Separator angeordnet ist.
  9. Referenzelektrodenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die LFP-Schicht eine Dicke im Bereich von 70-500 nm aufweist.
  10. Verfahren zur Herstellung einer Referenzelektrodenbaugruppe für eine elektrochemische Zelle, wobei das Verfahren umfasst: Einrichten eines Separators, der aus einem elektrisch isolierenden porösen Material gebildet ist, in einer Vakuumkammer; und Aufbringen eines Stromkollektors auf den Separator, beinhaltend: Aufsputtern einer elektrisch leitenden porösen Schicht in der Vakuumkammer direkt auf den Separator; und Aufsputtern einer Lithium-Eisen-Phosphat(LFP)-Schicht direkt auf die aufgesputterte elektrisch leitende poröse Schicht in der Vakuumkammer.
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