DE112016006970T5

DE112016006970T5 - Galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle, Batteriemodul und Fahrzeug mit einem solchen Batteriemodul

Info

Publication number: DE112016006970T5
Application number: DE112016006970.7T
Authority: DE
Inventors: Nikolaos Tsiouvaras; Peter Lamp; Simon Nürnberger; Tokuhiko Handa; Odysseas Paschos; Toshihiko Inoue; Hidetaka Nishikoori
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2016-06-14
Publication date: 2019-02-28
Also published as: WO2017215736A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle, ein Batteriemodul und ein Fahrzeug. Die galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle weist eine negative Elektrode, die ein Metall aufweist, und eine positive Elektrode, eingerichtet zur Unterstützung der Reaktion von Metallionen mit einem sauerstoffhaltigen Gas, auf. Die Zelle weist des Weiteren einen Separator, der in einem zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode definierten Zwischenraum angeordnet ist, und einen flüssigen Elektrolyten auf. Zumindest ein Teil des Separators ist aus einem elastischen Material gefertigt, und der Separator ist dazu eingerichtet, seine Form elastisch anzupassen, um Volumenänderungen der negativen Elektrode und/oder der positiven Elektrode zu kompensieren.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle, die auf der Reaktion von Metallionen mit sauerstoffhaltigem Gas basiert, ein entsprechenden Batteriemodul, welches solche Zellen aufweist, und ein Fahrzeug, welches solch ein Batteriemodul aufweist.
HINTERGRUND
Batterien zur Speicherung elektrischer Energie spielen eine Schlüsselrolle im Bereich Elektromobilität, sowohl für Fahrzeuge mit einem rein elektrischen Antrieb als auch für Fahrzeuge mit einem Hybridantrieb. Um die Fahrzeugreichweite zu verbessern, werden Wege zur Erhöhung der spezifischen Energie der Batterie, d.h. der speicherbaren Energiemenge pro Masse, gesucht. In dieser Hinsicht ist eine Lithium-Luft-Batterie ein vielversprechendes System, das eine theoretische spezifische Energie von ungefähr 3500-5200 W·h/kg erreicht und auf der Reaktion von Lithiumionen mit in der Umgebungsluft enthaltenem Sauerstoff basiert.
Während der Lade- und Entladezyklen solcher Metall-Luft-Batterien, insbesondere Lithium-Luft-Batterien, kann sich das Volumen, welches von Komponenten der Batterie, insbesondere von einer negativen Elektrode und/oder einem Elektrolyten, eingenommen wird, ändern. Während dem Entladen lösen sich Metallionen, insbesondere Lithiumionen, von der negativen Elektrode ab und führen so zu ihrer Verschmälerung. Zudem verdrängen Reaktionsprodukte, insbesondere Metalloxid enthaltende Teilchen, den Elektrolyten. Umgekehrt binden die Metallionen während des Aufladens an die negative Elektrode und erhöhen so ihre Dicke. Zudem zersetzen sich dabei die Reaktionsprodukte und ermöglichen so den Rückfluss des Elektrolyten.
US 2011 0195321 A1 betrifft eine wiederaufladbare Metall-Luft-Batterie, wobei zusätzlich zu einer negativen Elektrode, einer positiven Elektrode und einer Elektrolytmembran ein Ausdehnungs-absorbierendes Bauteil vorgesehen ist, so dass Ausdehnungsänderungen der negativen Elektrode beim Laden und Entladen absorbiert werden können und der Kontaktzustand der negativen Elektrode aufrechterhalten werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und die maximal erreichbare Stapeldichte von Metall-Sauerstoff-Batterien weiter zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird von einer galvanischen Metall-Sauerstoff-Zelle, einem Batteriemodul und einem Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Eine galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist eine negative Elektrode aufweisend ein Metall, insbesondere Lithium, und eine positive Elektrode, insbesondere aufweisend Kohlenstoff, eingerichtet zur Unterstützung der Reaktion von Metallionen mit Sauerstoff eines sauerstoffhaltigen Gases auf. Die Zelle weist des Weiteren einen Separator, der in einem zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode definierten Zwischenraum angeordnet ist, und einen flüssigen Elektrolyten auf. Zumindest ein Teil des Separators ist aus einem elastischen Material gefertigt, und der Separator ist dazu eingerichtet, seine Form elastisch anzupassen, um Volumenänderungen der negativen Elektrode und/oder der positiven Elektrode zu kompensieren.
Die Anordnung des elastisch verformbaren Separators zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode verhindert das Aufbauen von Druck in der Zelle, der ansonsten während Lade- und Entladezyklen auftreten könnte, indem das elastische Material des Separators Volumenänderungen von Komponenten der Zelle ausgleicht. Insbesondere wird das Aufbauen von Druck aufgrund einer Metallisierung („plating“) der negativen Elektrode mit Lithiumionen durch das Vorsehen des elastisch verformbaren Separators vermieden. Vorzugsweise ist der Separator dazu eingerichtet, in Kontakt mit sowohl der negativen Elektrode als auch der positiven Elektrode bei einem konstanten, vorzugsweise vorgegebenen, Druck zu stehen, so dass auch bei einer Änderung der Dicke einer der Elektroden der Separator in Kontakt mit beiden Elektroden bleibt, d.h. eine Änderung der Elektrodendicke resultiert nicht in einem Kontaktverlust zwischen der negativen Elektrode und dem Separator und der positiven Elektrode und dem Separator.
Dadurch werden Volumenänderungen in der galvanischen Metall-Sauerstoff-Zelle ausgeglichen, so dass eine konstante Dicke der Zelle aufrechterhalten wird und dadurch die Zuverlässigkeit, Langlebigkeit, d.h. die Lebensdauer, und die maximal erreichbare Stapeldichte der Zelle erhöht wird. Dabei bezieht sich der Ausdruck „Stapeldichte“ auf die Anzahl von Zellen pro Einheitslänge entlang einer Stapelrichtung eines Stapels, der mehrere aufeinander gestapelte Zellen aufweist.
Die Erfindung unterscheidet sich von US 2011 0195321 A1 insbesondere darin, dass keine zusätzlichen flexiblen Ausdehnungs-absorbierenden Bauteile zur Kompensation von Volumenänderungen der negativen Elektrode notwendig sind. Da die erfindungsgemäße Zelle auf weniger Komponenten angewiesen ist, wird die Konfiguration der Zelle einfacher und insbesondere zuverlässiger und langlebiger.
Ein sauerstoffhaltiges Gas im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Gas, das Sauerstoff als Komponente aufweist. Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Luft und reiner Sauerstoff sauerstoffhaltige Gase.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Separator dazu eingerichtet, eine variierende Menge des Elektrolyten innerhalb seiner Struktur zu adsorbieren und zu halten und seine Form in Abhängigkeit von der Menge des adsorbierten Elektrolyten und/oder von einem auf den Separator ausgeübten Druck elastisch anzupassen. Der Separator ist insbesondere als Ausgleichsbehälter für den Elektrolyten eingerichtet, insbesondere für zusätzlichen Elektrolyten, d.h. Überschusselektrolyt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die positive Elektrode eine Vielzahl an Poren auf, die zumindest mit einem Teil des Elektrolyten gefüllt sind. Die Poren, die zumindest mit einem Teil des Elektrolyten gefüllt sind, bilden vorteilhaft ein großes Reaktionsvolumen für die Reaktion der Metallionen, insbesondere Lithiumionen, mit dem Sauerstoff. Durch die vorgesehenen Poren in der positiven Elektrode wird die Oberfläche der positiven Elektrode signifikant vergrößert und damit die chemische Reaktion der Metallionen, insbesondere Lithiumionen, mit dem Sauerstoff gefördert. Die beim Entladen der Zelle entstehenden Reaktionsprodukte, insbesondere Li₂O₂-Partikel, entstehen in der Vielzahl an Poren und verdrängen dabei zumindest einen Teil des Elektrolyten aus der positiven Elektrode, insbesondere aus den Poren der positiven Elektrode.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Separator dazu eingerichtet, die in der Zelle verfügbare Menge an Elektrolyt für den Transport, insbesondere die Diffusion, von Metallionen von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode oder umgekehrt zu steuern. Insbesondere ist der Separator dabei dazu geeignet, durch Adsorption einer variierenden Menge an Elektrolyt den Fluss des Elektrolyten in der Zelle, d.h. die aus der bzw. zur positiven Elektrode oder aus den bzw. in die Poren der positiven Elektrode fließende Menge an Elektrolyt, zu steuern. Dadurch wird die Menge an Elektrolyt innerhalb der Zelle vorteilhaft angepasst, insbesondere so dass der Druck in der Zelle einen, insbesondere vorgegebenen, Wert beibehält.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Separator dazu eingerichtet, aus der positiven Elektrode verdrängten Elektrolyten zu adsorbieren. Dadurch stabilisierte Separator den Druck in der Zelle. Der Separator ist insbesondere dazu eingerichtet, den Fluss des Elektrolyten aus der positiven Elektrode heraus bzw. in die positive Elektrode hinein zu steuern, d.h. die Menge an aus der positiven Elektrode herausfließendem oder in die positive Elektrode hineinfließendem Elektrolyt festzulegen. Durch Adsorption einer Menge des Elektrolyten wird die Menge an aus der positiven Elektrode herausfließendem Elektrolyt gesteuert, wodurch der Druck in der Zelle im Wesentlichen konstant gehalten wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das elastische Material des Separators ein schwellendes Polymer auf, das geeignet ist, zumindest einen Teil des Elektrolyten zu adsorbieren bzw. freizusetzen. Das Schwellen des Polymers bei der Adsorption von Elektrolyt kompensiert insbesondere Überschusselektrolyt bzw. stellt zusätzlichen Elektrolyten zur Verfügung. Dadurch kann Elektrolyt, insbesondere aus der positiven Elektrode verdrängter Elektrolyt, zuverlässig aufgenommen und im Separator eingelagert werden, so dass der, vorzugsweise vorgegebene, Druck in der Zelle sich nicht wesentlich erhöht. Umgekehrt kann vom schwellenden Polymer eingelagerter Elektrolyt freigesetzt werden, wenn Elektrolyt zurück in die positive Elektrode fließt bzw. von der positiven Elektrode aufgenommen wird, wodurch ein Abfallen des, vorzugsweise vorgegebenen, Drucks in der Zelle zuverlässig vermieden wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Elektrolyt eine ionische Flüssigkeit, und das schwellende Polymer ist Polyvinylidenfluorid (PVdF) oder Polyimid (PI). Dies ist besonders vorteilhaft, da PVdF und PI ionische Flüssigkeiten besonders gut adsorbieren. Zusätzlich ist PVdF ein hochgradig nicht-reaktives Polymer und damit zur Verwendung in einer galvanischen Metall-Sauerstoff-Zelle geeignet. PI weist eine hohe Wärmebeständigkeit auf, so dass es sich ebenfalls gut zur Verwendung in einer galvanischen Metall-Sauerstoff-Zelle eignet. Zudem sind sowohl PVdF als auch PI für ihre thermische Stabilität und chemische Beständigkeit bekannt, wodurch insgesamt Stabilität sowohl für den Separator als auch für die Zelle insgesamt erreicht wird. Dadurch wird der Elektrolyt besonders zuverlässig in oder vom Separator adsorbiert, wodurch die galvanische Metall-Luft-Zelle besonders zuverlässig und langlebig wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Material des Separators dazu eingerichtet, das Elektrolyt freizusetzen, wenn Reaktionsprodukte der Reaktion von Metallionen mit sauerstoffhaltigem Gas, d.h. dem darin enthaltenen Sauerstoff, in der positiven Elektrode zersetzt werden. Der Elektrolyt wird vom Separator insbesondere abgegeben, wenn dem Elektrolyten zuvor von den Reaktionsprodukten, insbesondere Li₂O₂-Partikeln, beanspruchtes Volumen zur Verfügung steht. Vorzugsweise ist der Separator dazu eingerichtet, zusätzlichen Elektrolyten in der Zelle bereitzustellen. Dadurch wird der, vorzugsweise vorgegebene, Druck in der Zelle stabilisiert bzw. stabil gehalten, wodurch die Lebensdauer der Zelle erhöht wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Material des Separators Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE) auf. Beide Materialien sind thermisch stabil und chemisch beständig, so dass sie zum Einsatz in der galvanischen Metall-Sauerstoff-Zelle geeignet sind. Des Weiteren weisen PP und PE ein niedriges Elastizitätsmodul auf, so dass sie die nötige Elastizität für eine Kompensation von Volumenänderung in der Zelle, insbesondere von Volumenänderungen der negativen Elektrode, mitbringen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Material des Separators ein Elastizitätsmodul von weniger als drei GPa, vorzugsweise weniger als zwei GPa, weiter vorzugsweise weniger als ein GPa, auf. Dadurch ist das Material des Separators besonders geeignet, um Volumenänderungen der Zelle zu kompensieren. Das Material eines Separators mit einem solchen niedrigen Elastizitätsmodul absorbiert einen Anstieg des Drucks in der Zelle mit einer besonders hohen Zuverlässigkeit. Vorzugsweise erlaubt es der niedrige Elastizitätsmodul dem Material des Separators, bei einer Ausdehnung zumindest einer der Elektroden, insbesondere der negativen Elektrode, nachzugeben. Ähnlich erlauben es die elastischen Eigenschaften dem Material des Separators, Volumen einzunehmen, das durch einen Rückzug, d.h. durch Schrumpfen, zumindest einer der Elektroden frei wird. Insbesondere wird so ein konstanter Kontakt zwischen den Komponenten der Zelle, d.h. zwischen der negativen Elektrode und dem Separator und zwischen der positiven Elektrode und dem Separator, ermöglicht, wodurch eine hohe Stabilität und Langlebigkeit der Zelle erreicht wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ragt wenigstens ein erster Teil des Separators aus dem zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode definierten Zwischenraum heraus, so dass sich ein zweiter Teil des Separators elastisch in Richtung des ersten Teils des Separators ausdehnen kann, wenn ein Druck innerhalb des Zwischenraums zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode auf den zweiten Teil der des Separators ausgeübt wird. Durch die elastische Ausdehnung in Richtung des ersten Teils des Separators kann der zweite Teil des Separators insbesondere wenigstens abschnittsweise aus dem Zwischenraum heraus gedrückt werden und somit aus dem Zwischenraum hervorragen. Dadurch können Volumenänderungen in der Zelle in besonders zuverlässiger Weise kompensiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform deformiert sich der Separator elastisch beim Ausüben eines Drucks auf den zweiten Teil des Separators in einer Weise, dass das Volumen, insbesondere des Separators, im Wesentlichen erhalten bleibt. Wenn der zweite Teil zusammengedrückt wird, z.B. durch Metallisierung, d.h. Wachstum, der negativen Elektrode, dehnt sich der zweite Teil des Separators in einen Raum hinein aus, der zuvor vom ersten Teil eingenommen wurde. Ebenso wird der erste Teil zurückgezogen, wenn Platz bzw. Raum, d.h. Volumen, bereitgestellt wird, in den sich der zweite Teil hinein ausdehnen kann, z.B. durch Ablation, d.h. Schrumpfen, der negativen Elektrode, d.h. der erste Teil, der aus dem ersten Zwischenraum zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode herausragt, wird kleiner.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dehnt sich der zweite Teil des Separators durch Adsorption von Elektrolyt elastisch in Richtung des ersten Teils des Separators aus, wodurch die Menge an Elektrolyt, dass vom Separator adsorbiert werden kann, erhöht wird. Insbesondere schwillt das schwellende Polymer an und dehnt sich, vorzugsweise parallel zur positiven Elektrode und/oder zur negativen Elektrode, durch Adsorption der Menge an Elektrolyt im zweiten Teil des Separators aus. Dadurch wird der erste Teil des Separators, der aus dem Zwischenraum zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode hervorragt, erhöht bzw. vergrößert. Da der Separator elastisch deformierbar ist und aus dem Zwischenraum hervorragt, ist die adsorbierbare Menge an Elektrolyt nicht durch Platz bzw. Raum, d.h. Volumen, in den das schwellende Polymer hineinschwellen, d.h. sich ausdehnen, kann, limitiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Separator eine Schichtstruktur auf und ist dazu eingerichtet, den Elektrolyten im Wesentlichen in einer äußeren Hülle des Separators zu adsorbieren und eine besonders hohe ionische Leitfähigkeit im Wesentlichen in einem zentralen Bereich des Separators bereitzustellen. Insbesondere weist die äußere Hülle des Separators eine hohe Konzentration von schwellendem Polymer, insbesondere PVdF oder PI, auf, das dazu eingerichtet ist, eine Menge an Elektrolyt, insbesondere aus der positiven Elektrode ausfließenden Elektrolyt, zu absorbieren. Des Weiteren weist der zentrale Bereich des Separators eine hohe Konzentration von elastischem Material, insbesondere PP oder PE, auf, welches dem Separator vorteilhaft Stabilität und Flexibilität, d.h. Deformierbarkeit, verleiht. Dadurch wird die galvanische Metall-Luft-Zelle besonders langlebig.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die galvanischen Metall-Luft-Zelle des Weiteren eine Gasdiffusionsschicht auf, die anliegend an die positive Elektrode angeordnet und dazu eingerichtet ist, der positiven Elektrode sauerstoffhaltiges Gas zuzuführen bzw. sauerstoffhaltige Gas aus der positiven Elektrode abzuführen. Die Gasdiffusionsschicht weist vorzugsweise eine Leitung auf, die dazu eingerichtet ist, eine Diffusion und/oder einen Fluss des sauerstoffhaltigen Gases zur bzw. von der positiven Elektrode bereitzustellen. Die Gasdiffusionsschicht weist weiter vorzugsweise eine Gastransportvorrichtung, insbesondere ein Gebläse oder eine Düse, auf, die dazu eingerichtet ist, einen Fluss des sauerstoffhaltigen Gases zu erzeugen, insbesondere aufzubauen oder aufrechtzuerhalten. Insbesondere ist die erste Gastransportvorrichtung dazu eingerichtet, die Menge des an der positiven Elektrode verfügbaren Sauerstoffes zu steuern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle eine Elektrolytbarriere auf, die zwischen der positiven Elektrode und der Gasdiffusionsschicht angeordnet und dazu eingerichtet ist, Gasdiffusion aus der Gasdiffusionsschicht zur positiven Elektrode und umgekehrt zuzulassen, den Durchtritt von Elektrolyt durch die Barriere jedoch zu verhindern. Vorzugsweise weist die Elektrolytbarriere eine semipermeable Membran auf. Dadurch können Verluste des Elektrolyten minimiert werden, während sauerstoffhaltiges Gas effizient an der positiven Elektrode, insbesondere in Poren der positiven Elektrode, bereitgestellt wird.
Ein Batteriemodul gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung enthält eine Mehrzahl an galvanischen Metall-Sauerstoff-Zellen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, vorzugsweise gemäß einer oder mehreren vorausgehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen.
Ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb oder einem Hybridantrieb gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird zumindest teilweise durch ein Batteriemodul gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung mit Energie versorgt.
Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung und seine bevorzugten Ausführungsformen beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten auch für den zweiten und dritten Aspekt der Erfindung und umgekehrt.
Figurenliste
Weitere Vorteile, Merkmale und Beispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung der folgenden Figuren deutlich:

1 illustriert schematisch eine beispielhafte galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einem ersten Zustand; und
2 illustriert schematisch die gleiche beispielhafte galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle in einem zweiten Zustand.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine schematische Darstellung der Struktur einer galvanischen Metall-Sauerstoff-Zelle 1, die sich in einem ersten relaxierten Zustand befindet. Ein Separator 2 ist zwischen einer negativen Elektrode 3 und einer positiven Elektrode 4 angeordnet, insbesondere in einem zwischen der negativen Elektrode 3 und der positiven Elektrode 4 gebildeten Zwischenraum. Die Zelle weist zudem einen Elektrolyten (nicht gezeigt) auf, der die negative Elektrode 3 und/oder den Separator 2 und/oder die positive Elektrode 4 umgibt und/oder durchsetzt. Der Elektrolyt ist insbesondere dazu eingerichtet, einen Transport, vorzugsweise mittels Diffusion, von freigesetzten Metallionen von der negativen Elektrode 3 zur positiven Elektrode 4 oder umgekehrt zu ermöglichen.
Der Betrieb der Zelle 1, der im Folgenden kurz beschrieben wird, basiert auf der Reaktion von Metallionen, insbesondere Lithiumionen, mit in einem sauerstoffhaltigen Gas 5 enthaltenen Sauerstoff. Das sauerstoffhaltige Gas 5 wird, insbesondere an der positiven Elektrode 4 oder in einem an die positive Elektrode 4 grenzenden Bereich, mittels einer Gasdiffusionsschicht („gas diffusion layer“, GDL) bereitgestellt, durch die sich das sauerstoffhaltige Gas 5 in Richtung der positiven Elektrode 4 bewegen oder in Richtung der positiven Elektrode transportier werden, insbesondere diffundieren, kann, wie durch den großen Pfeil 7 angedeutet ist.
Um ein Austreten von Elektrolyt aus der Zelle 1, insbesondere über die Gasdiffusionsschicht 6, zu verhindern, ist eine Elektrolytbarriere 8 zwischen der Gasdiffusionsschicht 6 und der positiven Elektrode 4 angeordnet. Die Elektrolytbarriere 8 kann aus einer semipermeablen Membran gebildet sein oder eine solche enthalten, wobei die semipermeable Membran dazu eingerichtet ist, die Diffusion von Sauerstoffmolekülen und/oder Atomen des sauerstoffhaltigen Gases 5 durch die Membran zu ermöglichen, die Diffusion von Elektrolyt durch die Membran jedoch zu verhindern. Insbesondere verhindert die Elektrolytbarriere 8 die Diffusion und/oder den Fluss von Elektrolyt in die Gasdiffusionsschicht 6.
Die negative Elektrode 3 ist dazu eingerichtet, während dem Laden der galvanischen Metall-Sauerstoff-Zelle 1 Metallionen, insbesondere Lithiumionen, einzulagern, und diese Ionen während dem Entladen der Zelle 1 freizusetzen, was zu einem Wachsen bzw. Schrumpfen der negativen Elektrode 3 führt. Die elektrochemische Reduzierung von Metallionen an der Oberfläche der negativen Elektrode 3 während dem Laden der galvanischen Metall-Sauerstoff-Zelle 1 wird als „Metallisierung“ (plating) von Metallionen an der negativen Elektrode 3 bezeichnet. Durch die Metallisierung vergrößert sich die negative Elektrode 3 bezüglich ihres Volumens, so dass der Druck innerhalb der Zelle 1 steigt. Umgekehrt verkleinert sich das Volumen der negativen Elektrode 3 während dem Entladen, wenn Metallionen an der negativen Elektrode 3 ausgelöst werden, und der Druck innerhalb der Zelle 1 wird entsprechend reduziert.
Die positive Elektrode 4 ist dazu eingerichtet, die Unterbringung dieser Metallionen, insbesondere Lithiumionen, die von der negativen Elektrode 3 während dem Entladen der Zelle 1 abgegeben werden, zu unterstützen, d.h. zu fördern. Dies wird durch Bereitstellen des sauerstoffhaltigen Gases 5 erreicht. Wenn von der negativen Elektrode 3 Lithiumionen abgegeben werden, formt sich Li₂O₂ als Reaktionsprodukt. Die positive Elektrode 4 weist vorzugsweise ein Katalysatormaterial, insbesondere Kohlenstoff, auf, um die Reaktion zu fördern. Vorzugsweise katalysiert die positive Elektrode 4 die Reaktion, insbesondere die Zersetzung der Reaktionsprodukte, während dem Entladen der Zelle 1, wodurch wieder Metallionen bereitgestellt werden, die zur Metallisierung an der negativen Elektrode 3 beitragen.
Vorzugsweise weist die positive Elektrode 4 ein poröses Material auf, welches die Durchsetzung mit dem Elektrolyten und eine Erhöhung der Oberfläche ermöglicht, wo die elektrochemische Reaktion stattfinden, insbesondere katalysiert werden, kann. Dadurch können die Metallionen in die Poren der positiven Elektrode 4 diffundieren, wo sie die Reaktionsprodukte bilden.
Die Reaktionsprodukte an der positiven Elektrode 4 verdrängen den Elektrolyten, insbesondere drücken sie den Elektrolyten aus der Elektrode 4 bzw. den Poren der Elektrode 4 heraus. Ähnlich der Metallisierung der negativen Elektrode 3 während dem Laden der Zelle 1 führt dies zu einer Erhöhung des Drucks in der Zelle 1 während dem Entladen der Zelle 1.
Der Separator 2 ist dazu eingerichtet, die negative Elektrode 3 von der positiven Elektrode 4 zu separieren und Volumenänderungen in der galvanischen Metall-Sauerstoff-Zelle 1, die während der Lade- und Entladezyklen auftreten, zu kompensieren. Der Separator ist insbesondere deformierbar, d.h. er kann seine Form unter dem Einwirken von Druck verändern. Des Weiteren kann der Separator 2 vorzugsweise seine Originalform annehmen, wenn der einwirkende Druck zurückgeht, so dass der Separator 2 immer Kontakt mit der negativen Elektrode 3 und der positiven Elektrode 2 beibehält.
Im ersten Zustand der galvanischen Metall-Sauerstoff-Zelle 1, der in 1 gezeigt ist und der insbesondere einen entladenen Zustand der Zelle 1 betrifft, sind viele Metallionen, insbesondere Lithiumionen, an der negativen Elektrode 3 gebildet worden und in Richtung, insbesondere in die Poren, der positiven Elektrode 4 diffundiert. Durch diesen Prozess wurde die negative Elektrode 3 bezüglich ihres Volumens reduziert. Die negative Elektrode 3 ist insbesondere geschrumpft, d.h. sie ist dünner geworden. Der Separator 2, der ein elastisches Material aufweist, hat sich in das von der schrumpfenden negativen Elektrode 3 freigegebene Volumenhinein ausgedehnt. Dadurch behält die Zelle 1 eine stabile Konfiguration bei, so dass der Druck in der Zelle 1 im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Wie in 1 angedeutet ragt ein erster Teil 9 des Separators 2 aus dem durch die negative Elektrode 3 und die positive Elektrode 4 gebildeten Zwischenraum hervor. Der Separator 2 kann sich beim Ausüben eines Drucks auf einen zweiten Teil 10 des Separators 2 in Richtung dieses ersten Teils 9 ausdehnen. Insbesondere vergrößert sich der erste Teil 9, der aus dem Zwischenraum herausragt, entsprechend, d.h. er wächst bzw. erhöht sein Volumen, wenn der Separator 2 zumindest abschnittsweise im zweiten Teil 10 zusammengedrückt wird.
2 zeigt die galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle 1 schematisch in einem zweiten Zustand, der insbesondere einen geladenen Zustand der Zelle 1 betrifft, wobei sich der Separator 2, insbesondere der zweite Teil 10 des Separators 2, in Richtung des ersten Teils 9 ausgedehnt hat. Insbesondere hat der erste Teil 9 des Separators 2 Volumen hinzugewonnen, weil der Separator 2 im zweiten Teil 10 zusammengedrückt wurde.
Das in 2 dargestellte Zusammendrücken des zweiten Teils 10 des Separators 2 ist durch eine Ausdehnung der negativen Elektrode 3 verursacht worden. Insbesondere hat die Metallisierung der negativen Elektrode 3 im geladenen Zustand ihr Volumen erhöht. Die negative Elektrode 3 hat sich insbesondere in Richtung der positiven Elektrode 4 verdickt. Als Reaktion auf diese Ausdehnung der negativen Elektrode 3 hat der Separator 2 seine Form geändert. Insbesondere hat der Separator 2 seine Form an den verkleinerten Zwischenraum zwischen der negativen Elektrode 3 und der positiven Elektrode 4 durch elastische Deformierung angepasst. Dadurch ist der Druck im Zustand der in 2 gezeigten Zelle 1 im Wesentlichen der gleiche wie im Zustand der in 1 gezeigten Zelle 1.
Der zweite in 2 gezeigte Zustand ist nicht notwendigerweise ein geladener Zustand. Er kann auch der Zustand der Zelle 1 während dem Entladen sein, wobei die elektrochemischen Reaktionen an bzw. in den Poren der positiven Elektrode 4 Reaktionsprodukte, insbesondere Partikel, hervorbringen, welche den Elektrolyten verdrängen, insbesondere aus der positiven Elektrode 4 bzw. den Poren der positiven Elektrode 4 hinaus drücken.
Der Separator 2 ist vorzugsweise dazu eingerichtet, aus der positiven Elektrode 4 verdrängten bzw. herausfließenden Elektrolyten zu adsorbieren. Der Separator 2 weist insbesondere ein Material auf, insbesondere ein schwellendes Polymer, welches den Elektrolyten adsorbiert. Als Antwort auf die Adsorption dehnt sich der Separator 2 bzw. das schwellende Polymer, insbesondere im zweiten Teil 10 des Separators 2, in Richtung des ersten Teils 9 aus. Desto mehr Elektrolyt von der positiven Elektrode 4 verdrängt und vom Separator 2 bzw. dem Material des Separators 2 adsorbiert wird, desto mehr deformiert sich der Separator 2 bzw. ändert seine Form vom in 1 gezeigten Zustand zum in 2 gezeigten Zustand. Dadurch ist der Druck in der Zelle 1 im in 1 gezeigten Zustand im Wesentlichen der gleiche wie im in 2 gezeigten Zustand.
Die galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle 1 ist dazu eingerichtet, vom geladenen Zustand in den ungeladenen Zustand und zurück überführt zu werden. Entsprechend kann der Separator von einem in 1 gezeigten unkomprimierten Zustand, in dem vorzugsweise nur eine kleine Menge an Elektrolyt absorbiert ist, in einen in 2 gezeigten zusammengedrückten Zustand, in dem wenigstens eine der Elektroden, insbesondere die negative Elektrode 3, einen Druck auf den zweiten Teil 10 des Separators 2 ausübt und/oder eine große Menge an Elektrolyt vom Separator 2 bzw. dem Material des Separators 2 absorbiert ist, überführt werden. Es ist insbesondere möglich, zwischen diesen beiden Zuständen hin und her zu wechseln, weil der Separator 2 elastisch deformierbar ist.
In einer Ausführungsform, insbesondere im in 1 gezeigten ersten Zustand, nimmt das Polymer des Separators 2 20 bis 80 % des Volumens des Separators 2 ein, während das vom Separator 2, insbesondere vom Polymer oder wenigstens einem Teil des Polymers, adsorbierte Elektrolyt die anderen 80 bis 20 % des Volumens des Separators 2 einnimmt. Beim Entladen der Zelle 1, wenn die elektrochemische Reaktion an oder in der positiven Elektrode 4 stattfindet und entsprechend Elektrolyt durch die Reaktionsprodukte verdrängt wird, adsorbiert der Separator 2 bzw. genauer das Polymer im Separator 2 den Elektrolyten und vergrößert dabei sein Volumen. Das Polymer macht nach wie vor 20 bis 80 % des ursprünglichen Volumens des Separators 2 aus, d.h. die absolute Menge an Polymer im Separator 2 hat sich nicht geändert. Der vom Separator 2, insbesondere vom Polymer oder wenigstens einem Teil des Polymers, adsorbierte Elektrolyt macht nun 100 bis 220 % des ursprünglichen Volumens des Separators 2 aus. Der Separator 2 hat sich daher abhängig von der Menge an adsorbiertem Elektrolyten auf 120 bis 300 % seines ursprünglichen Volumens ausgedehnt.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
Bezugszeichenliste

1: galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle
2: Separator
3: negative Elektrode
4: positive Elektrode
5: sauerstoffhaltiges Gas
6: Gasdiffusionsschicht
7: Transport-/Diffusionsweg
8: Elektrolytbarriere
9: erster Teil des Separators
10: zweiter Teil des Separators

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20110195321 A1 [0004, 0010]

Claims

Galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle (1), aufweisend: eine negative Elektrode (3) aufweisend ein Metall; eine positive Elektrode (4) eingerichtet zur Unterstützung der Reaktion von Metallionen mit sauerstoffhaltigem Gas (5); einen Separator, der in einem zwischen der negativen Elektrode (3) und der positiven Elektrode (4) definierten Zwischenraum angeordnet ist; und einen flüssigen Elektrolyten; wobei zumindest ein Teil des Separators (2) aus einem elastischen Material gefertigt ist und der Separator (2) dazu eingerichtet ist, seine Form elastisch anzupassen, um Volumenänderungen der negativen Elektrode (3) und/oder der positiven Elektrode (4) zu kompensieren.
Galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle (1) nach Anspruch 1, wobei der Separator (2) dazu eingerichtet ist, eine variierende Menge des Elektrolyten innerhalb seiner Struktur zu adsorbieren und zu halten und seine Form in Abhängigkeit von der Menge des adsorbierten Elektrolyten und/oder von einem auf den Separator (2) ausgeübten Druck elastisch anzupassen.
Galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle (1) nach Anspruch 2, wobei das elastische Material des Separators (2) ein schwellendes Polymer aufweist, das geeignet ist, zumindest einen Teil des Elektrolyten zu adsorbieren und freizusetzen.
Galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle (1) nach Anspruch 3, wobei der Elektrolyt eine ionische Flüssigkeit ist und das schwellende Polymer Polyvinylidenfluorid (PVdF) oder Polyimid (PI) ist.
Galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Material des Separators (2) dazu eingerichtet ist, das Elektrolyt freizusetzen, wenn Reaktionsprodukte der Reaktion von Metallionen mit sauerstoffhaltigem Gas in der positiven Elektrode (4) zersetzt werden.
Galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle (1) nach Anspruch 1, wobei das elastische Material des Separators (2) Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE) aufweist.
Galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest ein erster Teil (9) des Separators aus dem zwischen der negativen Elektrode (3) und der positiven Elektrode (4) definierten Zwischenraum hervorsteht, so dass sich ein zweiter Teil (10) des Separators (2), der innerhalb des Zwischenraums angeordnet ist, elastisch in Richtung des ersten Teils (9) des Separators (2) ausdehnen kann, wenn Druck auf den zweiten Teil (10) des Separators (2) ausgeübt wird.
Galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle (1) nach Anspruch 7, wobei sich der zweite Teil (10) des Separators (2) durch Adsorption von Elektrolyt elastisch in Richtung des ersten Teils (9) des Separators (2) ausdehnt, wobei die Menge von Elektrolyt, die im Separator (2) adsorbiert werden kann, erhöht wird.
Galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Separator (2) eine Schichtstruktur aufweist und dazu eingerichtet ist, den Elektrolyten im Wesentlichen in einer äußeren Hülle des Separators (2) zu adsorbieren und eine hohe ionische Leitfähigkeit im Wesentlichen in einem zentralen Bereich des Separators (2) bereitzustellen.
Galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, des Weiteren aufweisend eine Gasdiffusionsschicht (6), die anliegend an die positive Elektrode (4) angeordnet und dazu eingerichtet ist, der positiven Elektrode (4) sauerstoffhaltiges Gas (5) zuzuführen oder sauerstoffhaltiges Gas (5) aus der positiven Elektrode (4) abzuführen.
Galvanische Metall-Sauerstoff-Zelle (1) nach Anspruch 10, aufweisend eine Elektrolytbarriere (8), die zwischen der positiven Elektrode (3) und der Gasdiffusionsschicht (6) angeordnet und dazu eingerichtet ist, Diffusion des sauerstoffhaltigen Gases (5) aus der Gasdiffusionsschicht (6) zur positiven Elektrode (3) und umgekehrt zuzulassen, den Durchtritt von Elektrolyt durch die Elektrolytbarriere (8) jedoch zu verhindern.
Batteriemodul aufweisend eine Mehrzahl an galvanischen Metall-Sauerstoff-Zellen (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb oder einem Hybridantrieb, der zumindest teilweise durch ein Batteriemodul nach Anspruch 12 mit Energie versorgt wird.