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Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Automobile. Konkret betrifft die vorliegende Erfindung eine Batteriezelle für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs nach unabhängigem Anspruch 1. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen entsprechenden elektrischen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, der mindestens eine Batteriezelle umfasst, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle.
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Bei Batterien auf Lithium-Metall-Basis war es bisher eine Herausforderung, Lithium-Metall gleichmäßig zu plattieren. Das unkontrollierte Wachstum von Lithiumdendriten bei ausgedehnten Zyklen kann zu einer geringeren Kapazitätserhaltung, einer geringeren Kolumbic-Effizienz und einem Sicherheitsrisiko führen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batteriezelle, einen entsprechenden elektrischen Energiespeicher sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle bereitzustellen, durch das ein Lebenszyklus einer Batteriezelle stabilisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batteriezelle, einen entsprechenden elektrischen Energiespeicher, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle gemäß den jeweils unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Batteriezelle für eine elektrische Energiespeichervorrichtung eines Kraftfahrzeugs, wobei die Batteriezelle mindestens eine Kathode umfasst. Gemäß einer Ausführungsform ist ein Katholyt der Batteriezelle als gemischter lonenleiter aufgebaut.
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Daher kann durch die Verwendung von gemischtem Katholyt eine Verringerung des Nukleationspotentials vorgesehen werden, um eine gleichmäßige Metallbeschichtung zu ermöglichen. Daher ist es von Vorteil, die Lebensdauerstabilität und den Kapazitätserhalt von metallbasierten Batterien wie Lithium-Metall-basierten Batterien zu erhöhen. Darüber hinaus kann man sich durch die Modifikation der Batteriezellenarchitektur vorstellen, gemischte Kathoden zu verwenden, was die Kosten für das kathodenaktive Material senkt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Katholyt ein LiNaXO, wobei X ein Übergangsmetall ist.
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In einer anderen Ausführungsform ist ein Elektrolyt der Batteriezelle ein Festelektrolyt.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform besteht der Elektrolyt aus Oxiden oder Sulfiden oder Polymeren oder Verbundwerkstoffen.
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In noch einer weiteren Ausführungsform wird ein Elektrolyt für den Katholyten und für einen Separator der Batteriezelle verwendet.
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In noch einer anderen Ausführungsform weist der Elektrolyt eine Leitfähigkeit von mehr als 10-3 S/cm bei Umgebungsbedingungen auf.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine elektrische Energiespeichervorrichtung für ein Kraftfahrzeug, die mindestens eine Batteriezelle gemäß dem vorhergehenden Aspekt umfasst.
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Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, das zumindest die elektrische Energiespeichervorrichtung gemäß dem vorhergehenden Aspekt umfasst. Bei dem Kraftfahrzeug handelt es sich zumindest teilweise um ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug kann auch als vollelektrisch betriebenes Kraftfahrzeug ausgestaltet sein.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle gemäß dem vorhergehenden Aspekt, wobei ein Katholyt der Batteriezelle als gemischter lonenleiter ausgebildet sein kann.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Batteriezelle sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der elektrischen Energiespeichervorrichtung sowie des Kraftfahrzeugs anzusehen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie aus den Zeichnungen. Die zuvor in der Beschreibung erwähnten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die in der folgenden Beschreibung der Figuren erwähnten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen können nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in jeder anderen Kombination oder allein genommen werden, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.
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Die neuen Merkmale und Merkmale der vorliegenden Offenbarung sind in den beigefügten Ansprüchen dargelegt. Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser vorliegenden Offenbarung enthalten sind und einen Teil davon bilden, veranschaulichen beispielhafte Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die offenbarten Prinzipien zu erläutern. Die gleichen Zahlen werden in den Abbildungen verwendet, um auf ähnliche Merkmale und Komponenten zu verweisen. Einige Ausführungsformen von Systemen und/oder Verfahren in Übereinstimmung mit Ausführungsformen des vorliegenden Gegenstands werden nun im Folgenden nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
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Die Zeichnungen zeigen in:
- 1 eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Batteriezelle;
- 2 eine weitere schematische Seitenansicht der Batteriezelle von 1 in einer Ladesituation;
- 3 eine weitere schematische Seitenansicht der Batteriezelle der 1 und 2 in einer Entladesituation; und
- 4 ein schematisches Blockdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel eines elektrischen Energiespeichers.
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In den Figuren sind die gleichen Elemente oder Elemente mit der gleichen Funktion durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In dem vorliegenden Dokument wird das Wort „beispielhaft“ verwendet, um „als Beispiel, Beispiel oder Veranschaulichung dienend“ zu bedeuten. Jede Ausführungsform oder Implementierung des vorliegenden Gegenstands, die hierin als „beispielhaft“ beschrieben wird, ist nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen auszulegen.
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Während die vorliegende Offenbarung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen empfänglich ist, wurden spezifische Ausführungsformen davon beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden im Folgenden ausführlich beschrieben. Es sollte jedoch verstanden werden, dass es nicht beabsichtigt ist, die vorliegende Offenbarung auf die besonderen offenbarten Formen zu beschränken, sondern dass die vorliegende Offenbarung im Gegenteil alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken soll, die in den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung fallen.
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Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Aufnahme abdecken, so dass eine Einrichtung, eine Vorrichtung oder ein Verfahren, die eine Liste von Komponenten oder Schritten enthält, nicht nur diese Komponenten oder Schritte umfasst, sondern auch andere Komponenten oder Schritte umfassen kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt oder einer solchen Einrichtung oder Vorrichtung oder einem solchen Verfahren inhärent sind. Mit anderen Worten schließt ein oder mehrere Elemente in einem System oder einer Vorrichtung, denen „umfasst“ oder „umfasst“ vorangestellt ist, ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Elemente oder zusätzlicher Elemente in dem System oder Verfahren nicht aus.
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In der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser Offenbarung sind und in denen zur Veranschaulichung eine spezifische Ausführungsform gezeigt ist, in der die vorliegende Offenbarung ausgeführt werden kann. Diese Ausführungsform ist hinreichend detailliert beschrieben, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die vorliegende Offenbarung zu praktizieren, und es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen verwendet werden können und dass Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die folgende Beschreibung ist daher nicht einschränkend zu verstehen.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht gemäß einem Ausführungsbeispiel einer Batteriezelle 10. Die Batteriezelle 10 kann zumindest ein Teil einer elektrischen Energiespeichervorrichtung 12 sein (4). Die elektrische Energiespeichervorrichtung 12 kann so konfiguriert sein, dass sie in einem Kraftfahrzeug platziert wird. Das Kraftfahrzeug darf zumindest teilweise elektrisch betrieben werden. Des Weiteren kann das Kraftfahrzeug vollelektrisch betrieben werden. Die elektrische Energiespeichervorrichtung 12 kann als Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein.
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1 zeigt die Batteriezelle 10 mit einem ersten Stromabnehmer 14, einem Katholyten 16, einem Elektrolyten 18 sowie einem zweiten Stromabnehmer 20. Gemäß 1 besteht der Katholyt 16 aus einem gemischten lonenleiter, einem Bindemittel und einem Festelektrolyten. Der Elektrolyt 18 kann ein Sulfid-, Halogenid-, Oxid-, Polymerelektrolyt oder darüber hinaus sein.
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Insbesondere besteht das Hauptziel der vorliegenden Lösung darin, Lithium 22 (2) gleichmäßig zu platten, indem das Nukleationspotential gesenkt wird. Ein Verfahren zur Senkung des Nukleationspotentials kann darin bestehen, duale/gemischte Anodensysteme zu verwenden, z. B. Materialien, die bei relativ niedrigen Temperaturen eine lithium-eutektische Legierung bilden können. Auf der Ebene der Batteriezelle 10 kann der Katholyt 16 aus einem gemischten lonenleiter, beispielsweise LiNaXO, bestehen, wobei X ein Übergangsmetall ist. Der Festelektrolyt 18 kann sowohl als Separator als auch als Mischionenleiter verwendet werden. Der Festelektrolyt 18 kann aus Oxiden, Sulfiden, Polymeren oder Verbundwerkstoffen mit hoher lonenleitfähigkeit bestehen, beispielsweise höher als 10-3 s/cm bei Umgebungsbedingungen.
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2 zeigt eine Batteriezelle 10 während eines Ladevorgangs. Gemäß 2 kann zwischen dem Elektrolyten 18 und dem zweiten Stromabnehmer 20 eine Metallbeschichtung 24, wie z. B. eine Lithiumbeschichtung, ausgebildet sein. Weiterhin ist eine Pufferschicht 26 dargestellt, wobei in der Pufferschicht 26 eine Alkalimetalllegierung ausgebildet sein kann und diese bilden kann. Weiterhin wird gezeigt, dass die gemischten Alkaliionen, wie z.B. Lithium-22, sowie Natrium-Ionen 28 vom Katholyten 16 in die Pufferschicht 26 wandern können. Zum Beispiel können andere Alkaliionen Kalium, Rubidium, Cäsium oder Francium mit einem Übergangsmetall umfassen.
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3 zeigt eine weitere Seitenansicht der Batteriezelle 10 während eines Entladevorgangs. 3 zeigt, dass während des Entladevorgangs die gemischten Alkaliionen von dem zweiten Stromabnehmer 20 durch die Pufferschicht 26 und den Elektrolyten 18 in den Katholyten 16 wandern können. Die Pufferschicht 26 kann mit Lithium 22 und/oder Natrium 28 gebildet sein.
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4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel eines elektrischen Energiespeichers 12 mit mindestens zwei Batteriezellen 10 gemäß den vorgenannten 1 bis 3. Für einen Fachmann ist es offensichtlich, dass die elektrische Energiespeichervorrichtung 12 mehr als zwei Batteriezellen 10 umfassen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batteriezelle
- 12
- Elektrischer Energiespeicher
- 14
- Erster Stromabnehmer
- 16
- Katholyt
- 18
- Elektrolyt
- 20
- Zweiter Stromabnehmer
- 22
- Lithium
- 24
- Metallisierung
- 26
- Pufferschicht
- 28
- Natrium
