DE112017007094T5

DE112017007094T5 - Selbstheizende Batterie

Info

Publication number: DE112017007094T5
Application number: DE112017007094.5T
Authority: DE
Inventors: Zhiqiang Yu; Haijing Liu; Xiaochao Que; Dave G. Rich; Saad Hasan; Meiyuan Wu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2019-11-21
Also published as: US11411261B2; CN110402519A; WO2018174864A1; US20220336880A1; US20200235444A1

Abstract

Batterien und Kondensatoren auf Lithiumbasis und Natriumbasis, die Stromkollektoren aus Metallfolien nutzen, die mit porösen Schichten von Teilchen aktiver Elektrodenmaterialien beschichtet sind, um einen elektrischen Strom zu erzeugen, können geeignet sein, um Wärme zur Abgabesteigerung zu erzeugen, wenn die Zellen während niedriger Umgebungstemperaturen regelmäßig arbeiten müssen. Eine selbstheizende Zelle kann in Wärmeübertragungskontakt mit einer Arbeitszelle platziert werden, die zeitweilig in einer kalten Umgebung ist. Oder einer des Anodenstromkollektors und der Kathodenstromkollektoren, oder beide, einer Heizzelle können mit geformten verlängerten, nicht mit Elektrodenmaterialien beschichteten Teilbereichen ausgebildet sein, durch welche ein Zellenstrom für eine Widerstandsheizung der verlängerten Stromkollektorflächen hindurchgeführt werden kann. Diese verlängerten Stromkollektorflächen können genutzt werden, um die Arbeitsfläche der Zelle, in die sie eingebaut sind, zu heizen oder eine benachbarte Arbeitszelle zu berühren und zu heizen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Einige Batterien und Kondensatoren auf Lithiumbasis und Natriumbasis werden regelmäßig einer kalten Umgebung ausgesetzt, in der die Energie- und Leistungsabgaben ihrer elektrochemischen Zellen verbessert werden könnten, falls sie effektiv und kostengünstig geheizt werden könnten. Diese Offenbarung betrifft ähnliche oder komplementäre elektrochemische Zellen, von denen eine eine selbstheizende Eigenschaft aufweist und genutzt werden kann, um eine benachbarte Arbeitszelle periodisch zu heizen, wenn sie einer Umgebung mit niedriger Temperatur ausgesetzt ist. Diese Offenbarung betrifft auch eine Zelle mit einem Arbeitsteilbereich und einem heizenden Teilbereich, der so verwaltet und gesteuert wird, dass er periodisch aktiviert werden kann, um den Arbeitsteilbereich zu heizen, wenn er in seiner Arbeitsumgebung gekühlt wurde.
HINTERGRUND
Verhältnismäßig leichte Batterien und Kondensatoren auf Lithiumbasis und Batterien und Kondensatoren auf Natriumbasis sind energieeffizient und werden in vielen Verbraucheranwendungen zunehmend verwendet. In einigen Anwendungen wie etwa in Kraftfahrzeugen kann die Batterie oder der Kondensator regelmäßig niedrigen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sein, die die Leistungsfähigkeit der Zelle beeinträchtigen. Es besteht ein Bedarf daran, effektive Verfahren zur bordeigenen Heizung der Zellen solcher Batterien und Kondensatoren während der Gelegenheiten, wenn sie in einer niedrigen Umgebungstemperatur arbeiten müssen, zu finden.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Gegenwärtige Batterien auf Lithiumbasis weisen oft eine Anordnung aus einer oder mehr elektrochemischen Zellen auf, wobei jede Zelle eine Anode und eine Kathode aufweist, die imstande sind, aus einer nichtwässrigen Elektrolytlösung eines geeigneten Lithium-Elektrolytsalzes Lithium einzulagern bzw. zu interkalieren und herauszulösen bzw. zu deinterkalieren. Die Anode und die Kathode sind durch einen porösen Separator von einem direkten elektrischen Kontakt physisch getrennt. Die Anode wird oft von Teilchen eines aktiven Anodenmaterials wie etwa Graphit oder Lithiumtitanat gebildet, welche in gleichmäßig dicken, porösen Schichten auf jeder Seite einer dünnen, metallischen (oft Kupfer) Stromkollektorfolie mit niedrigem elektrischen Widerstand mittels Harz gebondet sind. Die Stromkollektorfolie kann beispielsweise eine gleichmäßige Dicke im Bereich von etwa fünf Mikrometer bis fünfzehn Mikrometer aufweisen und kann auf jeder entgegengesetzten Oberfläche eine poröse, gebondete Beschichtungs- bzw. Überzugsschicht eines teilchenförmigen Elektrodenmaterials tragen, deren Dicke je nach Energie- und Leistungsanforderung der Zelle im Bereich von über fünf Mikrometer bis etwa hundert Mikrometer liegen kann.
Die Kathode wird ähnlich von Teilchen eines aktiven Kathodenmaterials wie etwa Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄), Lithiummanganoxid (LMO, LiMn₂O₄) und Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (LiNiMnCoO₂) gebildet. Das ausgewählte aktive Kathodenmaterial ist gleichermaßen in porösen, gleichmäßig dicken Schichten auf jeder seitlichen Oberfläche einer dünnen metallischen (oft Aluminium) Stromkollektorfolie mittels Harz gebondet. Die Dicken der porösen Kathodenschichten sind je nach den elektrischen Anforderungen der elektrochemischen Zelle, in der die Kathodenmaterialien verwendet werden, üblicherweise vergleichbar mit der Dicke der entsprechenden Anodenmaterialschichten. Jedes der Anoden- und Kathodenmaterialteilchen kann mit einer Menge elektrisch leitfähiger Kohlenstoffteilchen gemischt sein.
In vielen solchen Batterien ist jede der dünnen Stromkollektorfolien in der Form rechtwinklig mit Seitenabmessungen bis zu etwa 150 Millimeter (in einer gestapelten Zellenanordnung) und weist eine, sich aus einer Seite erstreckende, unbeschichtete Anschlussfahne für eine elektrische Verbindung mit einer anderen Elektrode in einer Anordnung von Zellen auf. In der allgemeinen gegenwärtigen Praxis sind die gegenüberliegenden Hauptoberflächen der dünnen metallischen Stromkollektoren mit den porösen Schichten des Elektrodenmaterials im Wesentlichen vollständig bedeckt, und die metallischen Stromkollektoren schaffen einen Pfad mit niedrigem Widerstand für den Fluss von Elektronen von den und in die Beschichtungen bzw. Überzüge eines gebondeten Elektrodenmaterials während des Betriebs (Ladung und Entladung) jeder Lithium-Batteriezelle. Der gesamte elektrische Gleichstrom, der in die und aus der Zelle fließt, fließt durch die jeweiligen Anoden- und Kathodenstromkollektoren. Die Zusammensetzungen der dünnen Metallstromkollektoren sind so ausgewählt, dass sie einen verhältnismäßig niedrigen elektrischen Widerstand aufweisen, so dass eine Widerstandsheizung der Zellen nicht groß ist. Wie im Folgenden in dieser Patentbeschreibung beschrieben werden wird, können jedoch gegenwärtige Stromkollektorformen und -zusammensetzungen mit nicht mit Elektrodenmaterial beschichteten, verlängerten Teilbereichen von Metallfolien genutzt werden, welche so geformt und modifiziert sein können, dass sie während eines Zellenbetriebs eine zusätzliche nützliche Widerstandsheizung bereitstellen. Diese zusätzliche Heizung kann durch die Lage oder Platzierung des verlängerten Folienteilbereichs des Stromkollektors gerichtet und genutzt werden, um die unmittelbare Arbeitszelle, in der er integriert ist, oder eine benachbarte normale Arbeitszelle zu heizen.
In einigen Zellenanordnungen werden gleich geformte Anoden- und Kathodenschichtstrukturen in rechtwinkligen Stapeln mit dazwischen angeordneten dünnen, porösen Polymerseparatoren zusammengebaut, die die porösen Schichten gegenüberliegender Elektrodenmaterialien physisch trennen, aber eine geeignete Infiltration bzw. Durchdringung mit der Elektrolytlösung und den Transport von Lithiumionen zwischen den porösen Schichten der Elektrodenmaterialien ermöglichen. In anderen Zellenanordnungen können eine lange rechtwinklige Anodenschicht und eine gleich geformte, lange rechtwinklige Kathodenschicht mit dazwischen angeordneten, gleich geformten porösen Separatorschichten als eine gewickelte oder gerollte Zellenstruktur auf Lithiumbasis gebildet werden.
Kondensatoren auf Lithiumbasis weisen oft ähnliche poröse Elektroden- und Separatorstrukturen auf; aber die jeweiligen Anoden und Kathoden werden von Teilchen geeigneter, gegenwärtig bekannter Kondensatormaterialien gebildet, die mittels Harz als poröse Schichten an dünne metallische Stromkollektorfolien gebondet sind. Die jeweiligen Kondensatorelektrodenmaterialien werden ausgewählt, um Lithiumionen aus einer geeigneten nichtwässrigen Lösung eines Elektrolytsalzes (-salze) effizient zu absorbieren und zu desorbieren.
Batterien und Kondensatoren auf Natriumbasis sind unter Verwendung von Teilchen geeigneter bekannter aktiver Anoden- und Kathodenzusammensetzungen für die jeweiligen Elektroden für den Betrieb der elektrochemischen Zelle der Batterie oder des Kondensators ähnlich aufgebaut.
Die Elektrodenmaterialien jeder derartigen Batterie oder jedes Kondensators auf Lithiumbasis oder Natriumbasis werden ausgewählt und formuliert, um bei einem vorbestimmten Temperaturpegel oder Temperaturbereich zu arbeiten. Oft kann sich solch ein Arbeitstemperaturbereich von etwa Raumtemperatur (z.B. 20°C bis 25°C) bis etwa zwanzig oder dreißig Grad Celsius oberhalb der Raumtemperatur erstrecken. Aber in vielen Anwendungen für solche Batterien und Kondensatoren kann die Vorrichtung, in der sie verwendet werden, wie etwa Automobile, Umgebungstemperaturen ausgesetzt sein, die sich viele Grad unter die optimale Betriebstemperatur des Fahrzeugs erstrecken.
Gemäß der praktischen Umsetzung dieser Erfindung wird eine einzigartige, eine Batterie oder einen Kondensator heizende Zelle vorbereitet und ist für eine Selbstheizung geeignet, wenn eine derartige Heizung erforderlich ist. Die Batterie oder der Kondensator weist einen Arbeitsteilbereich und einen selbstheizenden Teilbereich auf, wie beschrieben werden wird. Alternativ dazu kann die Heizzelle zur Verwendung in Kombination mit einer oder mehr separaten regulären Arbeitszellen geeignet sein. In der letztgenannten Anwendung wird die Heizzelle in einem Stapel oder einer Rolle in unmittelbarer Nähe zu einer regulären Arbeitszelle oder einer Gruppe von Arbeitszellen der Batterie oder des Kondensators platziert. Die Heizzelle weist oft eine Form wie diejenige der benachbarten Arbeitszelle oder -zellen auf, so dass sie mit den zu heizenden abgekühlten Arbeitszellen in einem Wärmeübertragungskontakt platziert werden kann. Die Elektrodenmaterialien der Heizzelle können die gleichen Zusammensetzungen oder ähnliche Zusammensetzungen wie die Elektrodenmaterialien der Arbeitszellen der Batterie oder des Kondensators aufweisen. Die elektrochemischen Reaktionen der Heizzelle können gleich den elektrochemischen Reaktionen der Arbeitszelle(n) sein. Die Heizzelle wird durch eine geeignete Kombination von Controllern für die Temperaturerfassung und den Batteriebetrieb aktiviert, wenn die Heizzelle oder eine benachbarte Arbeitszelle oder Gruppe von Zellen eine Heizung in einer kalten Umgebung erfordert.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird eine Heizzelle präpariert, in der die Zusammensetzungen der Elektrodenmaterialien, die Zusammensetzungen und Strukturen der Anoden- und Kathodenstromkollektoren und die Zusammensetzung des Elektrolyten und seines Lösungsmittels (seiner Lösungsmittel) so bestimmt sind, dass sie zusätzliche Wärme bereitstellen, wenn die Zelle aktiviert wird. Durch Erzeugen derartiger zusätzlicher Wärme, zusätzlich zu einem nutzbaren Strom, kann solch eine selbstheizende Batterie- oder Kondensatorzelle periodisch aktiviert werden, um Wärme zu erzeugen und zu einer benachbarten Arbeitszelle zu übertragen, die gegenwärtig in einer abgekühlten Umgebung arbeiten muss. Die selbstheizende Zelle kann in dem gleichen Beutel, Tasche oder Behälter wie die Arbeitszelle enthalten sein. Oder sie kann separat in einem Material enthalten sein, das die Übertragung von Wärme von der selbstheizenden Zelle zu einer benachbarten Arbeitszelle, deren Funktion gesteigert werden würde, wenn sie auf eine moderat höhere Temperatur erwärmt wird, ermöglicht.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung werden eine der Stromkollektorfolien, oder beide, der Elektroden der heizenden Batterie- oder Kondensatorzelle signifikant modifiziert, um metallische Heizelemente und -oberflächen mit elektrischem Widerstand vorzusehen, um Wärme zu Oberflächen ihrer integralen Arbeitszelle oder zu Oberflächen einer nah positionierten Arbeitszelle oder Gruppe von Arbeitszellen zu übertragen.
Wie oben in dieser Patentbeschreibung beschrieben wurde, kann die Anode einer herkömmlichen Lithium-Batterie beispielsweise von einer porösen Schicht aus Lithiumtitanat-Teilchen und elektrisch leitfähigen Kohlenstoffteilchen, die an beide Seiten einer geeignet bemessenen, rechtwinkligen Stromkollektorfolie aus Kupfer mittels Harz gebondet sind, gebildet werden. Auch kann die Kathode beispielsweise von einer porösen Schicht aus Lithiumeisenphosphat-Teilchen und leitfähigen Kohlenstoffteilchen gebildet werden, die an beide Seiten einer gleich bemessenen, rechtwinkligen Stromkollektorfolie aus Aluminium mittels Harz gebondet sind. Mit Ausnahme von Anschlussfahnen an einer Seite jeder Stromkollektorfolie ist ein aktives Elektrodenmaterial auf einen Großteil der verfügbaren Oberfläche in jeder Seite jedes Stromkollektors aufgebracht, um die Energie liefernde Leistung der Batteriezelle zu maximieren.
In ausgewählten Heizzellen dieser Erfindung wird eine modifizierte Stromkollektorfolie aus Metall in einer der Anode und der Kathode der Zelle, oder beiden, genutzt. Die Form eines Teilbereichs der Stromkollektorfolie wird beibehalten, um deren poröse Schichten eines Elektrodenmaterials auf jeder Seite zu tragen. Man erkennt aber hierin, dass in der Funktion der Batterie oder des Kondensators die Stromkollektorfolie durch den Fluss eines elektrischen Stroms darin geheizt wird. In einem normalen Zellenbetrieb wird die Erwärmung durch die Dicke, Abmessungen der Oberfläche und einen verhältnismäßig niedrigen Widerstand des Stromkollektormaterials aufgenommen. In der gegenständlichen Heizzelle aber wird die Erzeugung von Wärme im Stromkollektor erhöht, indem absichtlich ein verlängerter Teilbereich der Stromkollektorfolie, der nicht mit Elektrodenmaterial beschichtet ist, vorgesehen wird. Zumindest eine Seite (oder ein Rand) der das Elektrodenmaterial tragenden Stromkollektorfolienform oder -fläche ist verlängert, um eine gewünschte Menge eines (nicht mit Elektrodenmaterial beschichteten) zusätzlichen Folienmaterials vorzusehen, das ebenfalls über eine Widerstandsheizung geheizt wird, wenn in der Funktion der Zelle erzeugter oder entladener elektrischer Strom absichtlich durch das verlängerte Folienmaterial geleitet wird. Dieser verlängerte unbeschichtete Teilbereich des Stromkollektors kann mit dem beschichteten Teilbereich des Stromkollektors einteilig sein oder er kann ein separates Stromkollektorfolienmaterial sein, das mit einem ausgewählten Rand des mit Elektrodenmaterial beschichteten Stromkollektors verbunden (z.B. geschweißt oder gelötet) ist. Dieser vergrößerte und verlängerte Teilbereich des Stromkollektors wird auch strategisch geformt, um eine vorbestimmte Oberfläche der Zelle, in der er gelegen ist, oder Wärme empfangende Oberflächen einer oder mehrerer benachbarter Arbeitszellen zu umwickeln. Dieses Umwickeln mit der Stromkollektorverlängerung schafft einen vorbestimmten Umfang eines Kontakts einer Heizoberfläche mit den Arbeitszellen (oder mit einem Arbeitsteilbereich einer eigenen selbstheizenden Zelle). Anschlussfahnen auf der mit Elektrodenmaterial beschichteten Fläche des Stromkollektors der Heizzelle und auf dem verlängerten, unbeschichteten Teilbereich des Stromkollektors werden durch in Verbindung mit der batterie- oder kondensatorbetriebenen Vorrichtung angeordneten Steuerungsmittel geeignet genutzt, um den Betrieb der Heizzelle zu jenen Zeiten zu steuern, wenn Umgebungstemperaturen eine Selbstheizung oder eine Heizung benachbarter Arbeitszellen erfordern, um eine Funktion des Automobils oder einer anderen batteriegespeisten oder kondensatorgespeisten Vorrichtung mit Energie zu versorgen.
In einigen Anwendungen kann die Metallzusammensetzung oder die Dicke des verlängerten Teilbereichs des Stromkollektors geändert werden, um eine erhöhte elektrische Widerstandsheizung vorzusehen. Auch kann eine äußere Seite des gewickelten Stromkollektors (die mit einer zu heizenden Oberfläche nicht in thermischem Kontakt ist) mit einem thermisch isolierenden Material geeignet beschichtet werden, um mehr Wärme in die benachbarte(n) Oberfläche(n) leiten, die erhitzt werden soll(en). In Anwendungen, in denen Stromkollektorverlängerungen von beiden Elektroden einer Heizzelle genutzt werden, sollte ein nichtleitfähiger Separator zwischen den elektrisch leitenden Stromkollektorverlängerungen platziert werden. Und die Größe und die Form des verlängerten Teilbereichs des (der) Stromkollektors (Stromkollektoren) sollte auch für eine Verbesserung der Verdichtung oder Kompression der benachbarten Arbeitszellen bestimmt und genutzt werden.
In den obigen und folgenden Texten dieser Patentbeschreibung, die praktische Umsetzungen der vorliegenden Erfindung beschreiben, werden die Beschreibungen manchmal in Bezug auf eine Lithium-Batterie formuliert. Dies wird in der Absicht und dem Verständnis getan, dass praktische Umsetzungen der Nutzung einer Heizzelle auch für Lithiumkondensatoren und Batterien und Kondensatoren auf Natriumbasis unter Verwendung bekannter Elektrodenmaterialien für die Batterie oder den Kondensator geeignet sein können.
Andere Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung werden aus der folgenden Veranschaulichung spezifischer Beispiele ersichtlich werden.
Figurenliste

1A ist eine schematische Schrägansicht eines verpackten Kerns einer selbstheizenden Zelle für eine Lithium-Batterie, die Seite an Seite gegen eine wärmeleitende Oberfläche eines eingeschlossenen verpackten Kerns einer Arbeits-Lithium-Batterie platziert ist. Die Heizzelle ist so konzipiert und geschaffen, dass sie aktiviert wird, wenn die Arbeitszelle zeitweilig in einer abgekühlten Umgebung arbeitet, die die Arbeitszelle auf eine Temperatur unter deren bevorzugte Betriebstemperatur gekühlt hat. Separate positive und negative Elektroden-Anschlussfahnen sind so veranschaulicht, dass sie sich aus der oberen Seite jedes des Heizzellenkerns und des Kerns der regulären Arbeitszelle erstrecken.
1 B ist eine schematische Schrägansicht einer Anordnung eines verpackten Heizzellenkerns und eines verpackten Arbeitszellenkerns für eine Lithium-Batterie ähnlich der veranschaulichten Anordnung in 1A. In der Ausführungsform von 1B wurde jedoch ein verlängerter Teilbereich der Stromkollektorfolie (der sich durch die Seite des Verpackungsbehälters erstreckt) für eine der Elektroden in der Heizzelle vorgesehen, und der verlängerte Teilbereich des Stromkollektors, der als ein Element zur elektrischen Widerstandsheizung dient, wurde um die Seiten und die äußere Oberfläche der Verpackung des Arbeitszellenkerns und um eine Seite der Verpackung des Heizzellenkerns und teilweise um die äußere Seite der Verpackung des Heizzellenkerns gewickelt.
2A ist eine vergrößerte Seiten- oder Randansicht der Endteilbereiche einer ersten Separatorschicht, einer Kathodenelektrodenschicht, einer zweiten Separatorschicht und einer Anodenelektrodenschicht für eine selbstheizende Zelle (wie etwa eine Lithiumionen-Batteriezelle), die zusammengebaut werden soll, indem die Schichten in einer übereinanderliegenden Anordnung platziert und sie in eine Batteriestruktur gerollt werden. Zentrale Teilbereiche der Streifen dieser Zellenelemente wurden weggeschnitten, um die Größe der schematischen Veranschaulichung zu reduzieren. In 2A sind mit dazwischenliegenden Separatoren die verlängerten, heizenden Bauteile der Stromkollektorfolien (die nicht mit Elektrodenmaterial beschichtet sind) für sowohl die Kathode als auch Anode angeordnet. Die verlängerten Stromkollektorbauteile liegen an der rechten Seite der in 2A veranschaulichten Ausführungsform. Die Anordnung wird so gerollt, dass die heizenden Stromkollektorbauteile auf der Außenseite der gerollten Anordnung gelegen sind.
2B ist eine Endansicht der gerollten Anordnung von ursprünglich flachen Schichten des ersten Separators, der Kathodenelektrode, des zweiten Separators und der Anodenelektrode von 2A. In 2B liegen die Enden der äußeren unbeschichteten heizenden Teilbereiche des Kathodenstromkollektors und des Anodenstromkollektors auf entgegengesetzten Seiten der gerollten Anordnung.
2C ist eine schematische Schrägansicht eines Endes und einer Seite der gerollten Lithium-Batterieanordnung von 2B. Positive und negative Anschlussfahnen für elektrische Verbindungen mit den Stromkollektoren des Arbeitsbatterieteilbereichs und den Stromkollektoren des heizenden Teilbereichs der selbstheizenden Batterie sind veranschaulicht. Die positiven Anschlussfahnen erstrecken sich aus der entgegengesetzten Seite der gerollten Batteriestruktur von den negativen Anschlussfahnen.
3A ist eine schematische vergrößerte Seiten- oder Randansicht der Endteilbereiche eines ersten Separators, einer Kathodenelektrode, eines zweiten Separators und einer Anodenelektrode für eine selbstheizende Zelle (wie etwa eine Lithium-Batteriezelle), die zusammengebaut werden soll, indem die Zellenbauteile gerollt werden. Wieder wurden zentrale Teilbereiche der jeweiligen Streifen weggeschnitten, um die Größe der Veranschaulichung zu reduzieren. In 3A sind verlängerte, unbeschichtete, heizende Bauteile der Stromkollektorfolien für sowohl die Kathode als auch Anode mit dazwischenliegenden Separatoren angeordnet. Die verlängerten Bauteile liegen an der linken Seite der in 3A veranschaulichten Ausführungsform. Die Anordnung übereinanderliegender Streifen soll so gerollt werden, dass die heizenden Stromkollektorbauteile auf der Innenseite der gerollten Anordnung liegen.
3B ist eine Endansicht der gerollten Anordnung der ersten Separatorschicht, der Kathodenelektrodenschicht, der zweiten Separatorschicht und der Anodenelektrodenschicht von 3A.
3C ist eine schematische Schrägansicht eines Endes und einer Seite der gerollten Lithium-Batterieanordnung von 3B. Positive und negative Anschlussfahnen für elektrische Verbindungen mit den Stromkollektoren des Arbeitsbatterie-Teilbereichs und den Stromkollektoren des heizenden Teilbereichs der selbstheizenden Batterie sind veranschaulicht. Die positiven Anschlussfahnen erstrecken sich aus der entgegengesetzten Seite der gerollten Batteriestruktur von den negativen Anschlussfahnen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In 1A ist eine schematische Veranschaulichung der rechtwinkligen Kontur des verpackten Kernbauteils 10 der selbstheizenden Lithiumionen-Batteriezelle vorgesehen, die mit dem verpackten Arbeitszellenbauteil 22 in einem Wärmeübertragungskontakt Fläche an Fläche platziert ist.
In diesem Beispiel weist die verpackte selbstheizende Zelle 10 eine flache, rechtwinklige Form auf. Die selbstheizende Zelle 10 umfasst die Anoden-, Kathoden- und Separatorbauteile einer Lithiumionen-Batterie. Diese porösen Zellenbauteile, die eingegossen und mit einer nichtwässrigen Lithium-Elektrolytlösung durchdrungen sind, sind innerhalb eines geeigneten dünnwandigen Beutels, Tasche oder Behälters 12 enthalten und versiegelt. Der Zellenbauteile enthaltende Beutel 12 kann zum Beispiel von zwei gegenüberliegenden, polymerbeschichteten Aluminiumlagen gebildet werden, die an ihren Rändern verbunden sind. Die Anode wird von porösen Schichten eines teilchenförmigen Anodenmaterials gebildet, das an die gegenüberliegenden Flächen einer Stromkollektorfolie der Anode mit Harz gebondet ist. Eine unbeschichtete Anschlussfahne 14 des Anodenstromkollektors, der eine negative Ladung angibt, erstreckt sich aus der oberen Seite der rechtwinkligen, im Beutel 12 enthaltenden Anordnung von Kernelementen der Zelle 10. Die Kathode wird von porösen Schichten eines teilchenförmigen Kathodenmaterials gebildet, das an die gegenüberliegenden Flächen einer Stromkollektorfolie der Kathode gebondet ist. Eine unbeschichtete Anschlussfahne 16 des Kathodenstromkollektors, der eine positive (+) Ladung angibt, erstreckt sich ebenfalls aus der oberen Seite des rechtwinkligen Beutels 12. Mit Ausnahme der sich erstreckenden Anschlussfahnenbauteile 14, 16 sind die Zellenbauteile und der flüssige Elektrolyt innerhalb des Beutels 12 oder eines anderen geeigneten Behälters versiegelt.
Die Zusammensetzungen der jeweiligen Heizzellenbauteile können aus bekannten Zusammensetzungen für Anodenmaterialien, Kathodenmaterialien, Separatormaterialien einer Lithiumionen-Batterie und Lithium enthaltenden Elektrolytsalzen und nichtwässrigen Lösungsmitteln ausgewählt werden. Als ein Beispiel kann die Heizzelle 10 von 1A (und 1B) aus Lithiumtitanat und leitfähigen Kohlenstoffteilchen, die mittels Harz an eine Kupferfolie als eine Anode gebondet sind, und Teilchen aus Lithiummanganoxid und leitfähigem Kohlenstoff, die an einen Aluminiumstromkollektor als Kathode mittels Harz gebondet sind, gebildet werden. Ein beispielhafter Elektrolyt ist eine einmolare Lösung aus Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) in gleichen Volumenanteilen von Ethylencarbonat, Ethylmethylcarbonat und Diethylcarbonat. Auch kann die Arbeitszelle 22 Graphit als aktives Anodenmaterial und Lithiumeisenphosphat als das aktive Kathodenmaterial nutzen. Die Arbeitszelle 22 kann den gleichen Elektrolyten wie die Heizzelle 10 oder einen verschiedenen Elektrolyten nutzen.
In einem veranschaulichenden Beispiel wurde eine Arbeitszelle 22 mit einer Anode aus Graphitteilchen, einer Kathode aus teilchenförmigem Lithiumeisenphosphat und einem 1M LiPF₆-Elektrolyten gebildet, die 0,3 kg wog und eine Stromkapazität von 10 Ah aufwies. Die Heizzelle 10 wurde mit einer Kathode aus Lithiummanganoxid, einer Anode aus Lithiumtitanat und einem 1M LiPF₆-Elektrolyten gebildet, die 0,04 kg wog und eine Stromkapazität von 1 Ah aufwies. Die Heizzelle wurde bei einer Entladungsrate von 18C für 60 Sekunden betrieben, während welcher Zeit unter Ausnutzung von etwa dreißig Prozent des Ladungszustands der Heizzelle sie eine Wärmeerzeugung von 2722 Joules anzeigte. Der interne Widerstand und der externe Widerstand der Heizzelle betrugen beide 0,07 Ohm bei -30°C. Die Arbeitszelle und die Heizzelle waren Seite an Seite platziert, und die Heizzelle war imstande, die Betriebstemperatur der Arbeitszelle um 10 Grad Celsius (von -30°C auf -20°C) zu erhöhen.
Wieder auf 1A Bezug nehmend, soll die Heizzelle 10 in erster Linie als eine selbstheizende Zelle dienen, wenn es erforderlich ist, Wärme für den benachbarten flachen Kern 22 einer arbeitenden Lithiumionen-Batteriezelle mit rechtwinkligen Seiten zu erzeugen, der innerhalb seines Beutels oder ähnlichen Behälters 24 eingeschlossen ist. Eine Anschlussfahne 26 des Anodenstromkollektors und eine Anschlussfahne 28 des Kathodenstromkollektors erstrecken sich aus der Oberseite des versiegelten Behälters 24, in welchem der Arbeitszellenkern 22 versiegelt ist. Und die Funktion des Zellenkerns 22 der arbeitenden Lithiumionen-Batterie besteht darin, elektrischen Strom zum Speisen beispielsweise eines elektrischen Anlassermotors, eines elektrischen Antriebsmotors und/oder anderer, elektrische Leistung verbrauchender Vorrichtungen in einem Automobil zu erzeugen. Wenn die Umgebungstemperatur für einen normalen, Leistung bereitstellenden Betrieb des Kerns 22 der arbeitenden Lithiumionen-Batterie geeignet ist, ist ein Betrieb des Heizzellenkerns 10 möglicherweise nicht erforderlich. Das Automobil oder eine andere Vorrichtung, das oder die durch den Arbeitsbatteriekern 22 gespeist wird, weist aber ein Steuerungssystem für den Betrieb des Arbeitsbatteriekerns 22 auf. Wenn die Temperatur des Arbeitsbatteriekerns 22 unter einen bestimmten Pegel (oder dessen mit der Temperatur zusammenhängende Leistung) fällt, wird der Heizzellenkern 10 aktiviert werden, so dass er seinen Strom in einem externen elektrischen Schaltkreis erzeugt. Dies wird folglich dazu dienen, Wärme bereitzustellen, die vom Zellenkern 10 zum Arbeitszellenkern 22 übertragen werden wird.
Wie in 1A veranschaulicht ist, ist eine flache rechtwinklige Seite des Heizzellenkerns 10 gegenüberliegend bzw. Fläche an Fläche gegen eine flache rechtwinklige Seite eines Zellenkerns 22 einer Lithiumionen-Batterie platziert. Während des Betriebs des Heizzellenkerns 10 erzeugt er Wärme innerhalb seiner gesamten Zelle, und Wärme wird durch dessen Seite übertragen, welche einer rechtwinkligen Seite des Arbeitszellenkerns 22 zugewandt und gegen diese gepresst ist. In einer von der in 1A veranschaulichten verschiedenen Ausführungsform können die Heizzelle 10 und die Arbeitszelle 22 innerhalb eines gemeinsamen Behälters, durch einen Separator beabstandet und mit einer gemeinsamen Elektrolytlösung vergossen, gelegen sein. In dieser Ausführungsform dient die Heizzelle, wenn sie aktiviert wird, dazu, den gemeinsamen Elektrolyten beim Heizen der Arbeitszelle zu heizen.
Die Ausführungsform der in 1B veranschaulichten Heizzelle 10' sieht eine verlängerte Stromkollektorfolie 20 vor, um die Erzeugung von Wärme unter Verwendung der Stromerzeugungsfähigkeit des Heizzellenkerns 10' beträchtlich zu erhöhen und um die zusätzliche Wärme zu dem und in den Beutel 24 der arbeitenden Lithiumionen-Batterie zu übertragen, der die Zellenbauteile des Arbeitsbatteriekerns 22 enthält. Die Heizzelle 10' wurde für eine ihrer Anode oder Kathode mit einem modifizierten Stromkollektor 20 versehen. In dieser Ausführungsform ist der modifizierte Stromkollektor 20 mit ihrer Anode verbunden. Ein nicht sichtbarer Teilbereich des Stromkollektors 20 ist auf beiden Seiten mit ausgewählten Teilchen eines aktiven Anodenmaterials beschichtet, das mit Teilchen leitfähigen Kohlenstoffs gemischt und an den herkömmlichen Teilbereich des Stromkollektors 20 mittels Harz gebondet sein kann, der im Heizzellenkern 10' gelegen ist, der sich innerhalb des Beutels 12' befindet. Wie in 1B veranschaulicht ist, erstreckt sich aber ein größerer unbeschichteter Teilbereich des Stromkollektors 20 durch einen Schlitz in der linken Seite des Beutels 12' und ist um drei äußere Seiten des Beutels 24 der Arbeitszelle 22 und einen Teilbereich der äußeren Oberflächen des Beutels 12' der Heizzelle 10' gewickelt. Eine Anschlussfahne 14' ragt aus der oberen Seite des verlängerten, unbeschichteten Teilbereichs des Stromkollektors 20 vor.
In dieser Ausführungsform von 1B fließt, wenn die Heizzelle 10' (durch eine Verbindung ihrer Stromkollektor-Anschlussfahnen 14', 16' mit einer externen Schaltung) aktiviert wird, um die Arbeitszelle 22 zu heizen, der durch die Zelle 10' erzeugte elektrische Strom auch in dem unbeschichteten, verlängerten Teilbereich des Stromkollektors 20, heizt ihn und Oberflächen, die er berührt. In Abhängigkeit von jeweiligen Größen der Seiten der Zellenkerne 10' und 22 können die Abmessungen der verlängerten Stromkollektorfolie bis zu etwa 150 Millimeter in der Breite und einige hundert Millimeter in der Länge betragen.
In vielen Beispielen von Lithiumionen-Batterien werden Stromkollektorfolien aus Kupfer wegen ihres niedrigen elektrischen Widerstands und ihrer Kompatibilität mit teilchenförmigen, Lithium interkalierenden Elektrodenmaterialien verwendet, die an sie in porösen Elektrodenschichten gebondet sind. Aber in einer Zelle, die zur Eigenheizung oder zum Heizen einer benachbarten Arbeitszelle gedacht ist, (wie z.B. die Zelle 10') kann die Zusammensetzung des verlängerten Teilbereichs der Stromkollektorfolie, der nicht mit Elektrodenmaterial beschichtet ist, wegen seiner Tauglichkeit zur elektrischen Widerstandsheizung und seiner Flexibilität in der Formgebung für einen Kontakt, wie der umwickelte Kontakt in 1 B, mit Zellen einer Arbeitsbatterie oder eines Kondensators ausgewählt werden. Beispielsweise kann zumindest ein verlängerter Teilbereich des Stromkollektors 20 aus Kupfer, Aluminium, rostfreiem Stahl, Nickel, Metalllegierungen oder porösem Metallschaum gebildet sein. Die äußere Seite des verlängerten Teilbereichs des Stromkollektors kann mit einem isolierenden Material beschichtet sein, um dessen Wärme besser zurückzuhalten und in die benachbarte Arbeitszelle zu leiten.
In Abhängigkeit von der gewünschten Fläche der äußeren Oberfläche einer Arbeitszelle, die geheizt werden soll, kann die Länge des (nicht mit aktivem Elektrodenmaterial beschichteten) verlängerten Teilbereichs eines Stromkollektors im Bereich von einem Zentimeter bis etwa eintausend Zentimeter liegen. Der verlängerte Teilbereich des Stromkollektors kann mit dem mit Elektrodenmaterial beschichteten Teilbereich des Stromkollektors physikalisch verbunden sein und kann von einer unterschiedlichen Zusammensetzung, Dicke oder strukturellen Beschaffenheit sein (z.B. er kann porös sein). Die Dicke des verlängerten Teilbereichs des Stromkollektors kann von etwa fünf Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer betragen, um den Kern der Arbeitszelle zu schützen. Der verlängerte Teilbereich des Stromkollektors kann mehrere Anschlussfahnen nutzen, um einen Stromfluss zu ausgewählten Bereichen des Stromkollektors zu leiten und ein Überhitzen seiner Anschlussfahnen zu vermeiden. Die Form und Größe der Stromkollektorfolie kann ebenfalls genutzt werden, um eine Kompression oder die Anordnung der Arbeitszellen zu verbessern und sie vor äußerer Beschädigung schützen.
2A, 2B, 2C, 3A, 3B und 3C veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, die für gerollte Anordnungen der Elektroden- und Separatorbauteile der Batterien oder Kondensatoren auf Lithium- oder Natriumbasis verwendbar sind. Diese Ausführungsformen und Veranschaulichungen werden in Bezug auf eine Lithiumionen-Batterie mit der Maßgabe beschrieben, dass gleiche praktische Umsetzungen für Kondensatoren auf Lithiumbasis und Batterien und Kondensatoren auf Natriumbasis ohne weiteres angepasst werden können.
In 2A wird eine Seitenrandansicht einer Anordnung aus vier rechtwinkligen Streifenbauteilen präsentiert, die horizontal (zum Zwecke der Veranschaulichung beabstandet) positioniert sind, um anschließend gefaltet und in eine Struktur 200 einer selbstheizenden Lithiumionen-Batterie gerollt zu werden, die zwei parallele flache Hauptoberflächen mit im Wesentlichen halbkreisförmigen gerundeten Rändern aufweist. Die zusammengebaute und gerollte Lithiumionen-Batterieanordnung 200 ist in 2C veranschaulicht. Die Breiten der vier rechtwinkligen Streifenbauteile (beispielsweise 100 bis 200 Millimeter) sind im Wesentlichen die gleichen. Aber ihre Funktionen sind verschieden, und ihre Längen unterscheiden sich ebenfalls, wie beschrieben werden wird.
In 2A ist der obere Streifen ein poröser Polymer-Separator 201, der ein äußeres Bauteil der gerollten Batterieanordnung 200 sein wird.
Das nächste untere Streifenbauteil der Anordnung ist eine Kathodenelektrode 202 mit einer zentralen Stromkollektorfolie 204. In einer Lithiumionen-Batterie kann die Stromkollektorfolie der Kathode aus Aluminium gebildet sein. An ihrem linken Ende beginnend ist, wie in 2A veranschaulicht ist, ein Teilbereich 204' der Stromkollektorfolie 204 aus Aluminium mit einer porösen Schicht von Teilchen eines aktiven Kathodenmaterials 206 (wie etwa Lithiummanganoxid) beschichtet, die an beide Hauptoberflächen (obere und untere Oberflächen in 2A) der Stromkollektorfolie 204 mittels Harz gebondet sind. Die Länge der mit Kathodenmaterial beschichteten Folienoberflächen 204' hängt von den Eigenschaften des Kathodenmaterials und den Energie- und Leistungsanforderungen des Kathodenbauteils der Lithiumionen-Batterie ab. Die mit Kathodenmaterial beschichtete Länge 204' der Stromkollektorfolie 204 kann beispielsweise mehrere Zentimeter betragen. Ein Teilbereich der beschichteten Länge 204' ist in 2A herausgebrochen. Der verbleibende, unbeschichtete Teilbereich 204" der Stromkollektorfolie 204 hat eine Länge, die dafür bestimmt ist, Wärme an die zusammengebaute Lithiumionen-Batterie zu liefern. Der unbeschichtete Folienteilbereich 204" (ebenfalls mit einem herausgebrochenen Abschnitt in 2A) ist der Teilbereich einer heizenden Metallfolie der Kathode der zusammengebauten Batterie 200. Wie in 2A - 2C veranschaulicht ist, sind die Längen des porösen Polymer-Separators 201 und die volle Länge des Kathodenstromkollektors 204 im Wesentlichen die gleichen.
Das nächste untere Streifenbauteil der Lithiumionen-Batterieanordnung 200 ist ein zweites poröses Polymer-Separatorbauteil 208. Das Separatorbauteil 208 weist eine Breite und Länge auf, um die beschichteten und unbeschichteten Teilbereiche der Kathodenelektrode 202 und die beschichteten und unbeschichteten Teilbereiche des Anodenstreifens 210 zu trennen.
Das nächste untere Streifenbauteil der Anordnung ist eine Anodenelektrode 210, die von einer zentralen Stromkollektorfolie 212 gebildet wird. In einer Lithiumionen-Batterie kann die Stromkollektorfolie der Anode aus Kupfer gebildet sein. An ihrem linken Ende beginnend ist, wie in 2A veranschaulicht ist, ein Teilbereich 212' der Stromkollektorfolie 212 aus Kupfer mit einer porösen Schicht von Teilchen eines aktiven Anodenmaterials 214 (wie etwa Graphit oder Lithiumtitanat) beschichtet, die an beide Hauptoberflächen der Stromkollektorfolie 204 mittels Harz gebondet sind. Die Länge der mit Anodenmaterial beschichteten Folie 212' hängt von den Eigenschaften des Anodenmaterials und den Energie- und Leistungsanforderungen des Anodenbauteils der Lithiumionen-Batterie ab. Die mit Anodenmaterial beschichtete Länge 212' kann mehrere Zentimeter betragen. Ein Teilbereich der beschichteten Länge 212' ist in 2A herausgebrochen. Der verbleibende, unbeschichtete Teilbereich 212" der Stromkollektorfolie 212 weist eine Länge auf, die dafür bestimmt ist, Wärme an die zusammengebaute Lithiumionen-Batterie zu liefern. Der unbeschichtete Folienteilbereich 212" ist der heizende Metallfolienteilbereich der Anode der zusammengebauten Batterie 200. Ein Teilbereich des unbeschichteten Teilbereichs 212" der Stromkollektorfolie ist ebenfalls herausgebrochen, um der Veranschaulichung in einem geeigneten Zeichnungsraum zu entsprechen. Wie in 2A - 2C veranschaulicht ist, sind die Länge des porösen Polymer-Separators 208 und die volle Länge des Anodenstromkollektors 212 im Wesentlichen die gleichen.
Die Stromkollektorfolie 204 der Kathode weist einen oder mehr elektrische Anschlussfahnen 204'" auf, die von einem Endteilbereich und anderen Teilbereichen ihres mit Kathodenmaterial beschichteten Teilbereichs 204' ausgehen, und weist zumindest eine elektrische Anschlussfahne 204'''' auf, die von dessen verlängertem Heizteilbereich 204" ausgeht, welcher nicht mit Kathodenmaterial beschichtet ist. Diese Anschlussfahnen 204"', 204"" der Kathode sind in 2A und 2C veranschaulicht. Die Kathoden-Anschlussfahnen würden eine positive (+)-Ladung haben, wenn die Batterie 200 arbeitet. Die Stromkollektorfolie 208 der Anode weist eine oder mehr elektrische Anschlussfahnen 208"' auf, die von einem Endteilbereich und anderen Teilbereichen ihres mit Anodenmaterial beschichteten Teilbereichs 208' ausgehen, und weist zumindest eine elektrische Anschlussfahne 208'''' auf, die von deren verlängertem Heizteilbereich 208" ausgeht, der nicht mit Anodenmaterial beschichtet ist. Diese Anschlussfahnen der Anode sind in 2A und 2C ebenfalls veranschaulicht. Die Anoden-Anschlussfahnen würden eine negative (-)-Ladung aufweisen, wenn die Batterie 200 arbeitet.
2B veranschaulicht eine Endansicht (oder Randansicht) der Lithiumionen-Batterie 200, die als eine gerollte Anordnung der vier Bauteile der Lithiumionen-Batterie ausgebildet ist, die in 2A als geschichtete Bauteile veranschaulicht sind. Wie in 2B und 2C veranschaulicht ist, weist die gerollte Batterie im Wesentlichen flache obere und untere Oberflächen mit im Wesentlichen halbkreisförmigen Seitenrändern auf. Wie in 2B ersichtlich ist, ist ein Satz von Enden des Separators 201, der Kathode 202, des Separators 208 und der Anode 210 im Inneren der gerollten Batterie 200 ausgerichtet. In dieser Veranschaulichung erstrecken sich die mit Elektrodenmaterial beschichteten Teilbereiche der getrennten Anoden- und Kathodenschichten durch ungefähr drei volle gerollte Schichten der Batterie. Der Separator 201, der unbeschichtete Heizteilbereich des Kathodenstromkollektors 204", der Separator 208 und der unbeschichtete Heizteilbereich des Anodenstromkollektors verlaufen ferner in der gerollten Struktur. Wie in 2B veranschaulicht ist, gestatten die Längen des äußeren Separators 201 und der darunterliegenden Stromkollektorfolie 204" des Kathodenheizers, dass sie um etwa eineinhalb Windungen verlängert sind, wobei sie am Boden der gerollten Struktur der selbstheizenden Batterie 200 enden. Und die größeren Längen des Separators 208 und der Stromkollektorfolie 212" des Anodenheizers gestatten, dass sie sich in der gewickelten Struktur zur oberen Oberfläche der gerollten Struktur der selbstheizenden Batterie 200 erstrecken.
Die gerollte Anordnung 200 einer Lithiumionen-Batterie würde in einem (nicht veranschaulichten) direkt anliegenden Behälter in einer trockenen, inerten Umgebung platziert werden, wobei die porösen Komponenten mit einer geeigneten flüssigen Lösung eines Lithiumsalzelektrolyts geeignet durchdrungen werden und der Behälter versiegelt wird, wobei sich nur die elektrischen Anschlussfahnen aus dem Behälter erstrecken.
Somit sind in der Ausführungsform der in 2A - 2C dargestellten Lithiumionen-Batterie der mit Kathodenmaterial beschichtete Teilbereich 204' der gewickelten Stromkollektorfolie 204 der Kathode und der mit Anodenmaterial beschichtete Teilbereich 212' der gewickelten Stromkollektorfolie 212 der Anode auf den inneren Schichten der gerollten Batterieanordnung gelegen. Und der Heizteilbereich 204" der gewickelten Stromkollektorfolie 204 der Kathode und der Heizteilbereich 212" der Stromkollektorfolie 212 der Anode befinden sich auf den äußeren Schichten der gerollten Batterieanordnung 200. Die elektrische Energie erzeugende Funktion der Batterie kann aktiviert werden, indem eine oder mehrere der Anschlussfahnen 204'" der Arbeitskathode und eine oder mehrere der Anschlussfahnen 212'" der Arbeitsanode an eine vorgesehene externe Arbeitslast wie etwa einen Elektromotor an einem Automobil angeschlossen werden. Wenn ein Temperatursensor und ein Batteriesteuerungssystem, die mit der Lithiumionen-Batterie 200 verbunden sind, jedoch erfassen, dass eine niedrige Umgebungstemperatur die Batterieleistung beeinträchtigt, können die äußeren Heizteilbereiche der jeweiligen Stromkollektoren aktiviert werden, um den Arbeitsteilbereich der Batterie zu heizen. Und Wärme von den äußeren Heizteilbereichen der Stromkollektoren 204", 212" kann in eine benachbarte Batterie übertragen werden, die gegen eine der äußeren Oberflächen der Lithiumionen-Batteriezelle 200 platziert ist.
Die Heizfunktion eines der getrennten geheizten Teilbereiche 204", 212", oder beider, kann aktiviert werden, indem ihre jeweiligen Anschlussfahnen 204"", 212"" mit einer externen Last verbunden werden. Ein Stromfluss durch die heizenden Teilbereiche der unbeschichteten Stromkollektorfolien kann gesteigert werden, indem eine Elektroden-Anschlussfahne des Arbeitsteilbereichs der Batterie und eine gegenüberliegende Anschlussfahne des Heizteilbereichs der Batteriezelle verwendet werden, um den an der Batteriezelle erzeugten Strom durch den heizenden Teilbereich des Kathodenstromkollektors 204" und/oder den heizenden Teilbereich des Anodenstromkollektors 212" zu leiten. Wie auch oben in dieser Patentbeschreibung beschrieben wurde, können die Heizleistungen gesteigert werden, indem der unbeschichtete Teilbereich des (der) Stromkollektors (Stromkollektoren) aus einer unterschiedlichen Metallzusammensetzung oder -struktur als der mit Elektrodenmaterial beschichtete Teilbereich des Stromkollektors gebildet werden.
In der Ausführungsform einer Struktur einer selbstheizenden Lithiumionen-Batterie, wie in 3A - 3C veranschaulicht, sind die verlängerten heizenden Teilbereiche der Anoden- und Kathodenstromkollektoren im Inneren der gerollten Batteriestruktur 300 positioniert.
In 3A wird eine Seitenrandansicht einer Anordnung aus vier rechtwinkligen Streifenbauteilen präsentiert, die horizontal positioniert werden, um sie in eine Struktur 300 einer selbstheizenden Lithiumionen-Batterie mit zwei parallelen flachen Hauptoberflächen mit im Allgemeinen halbkreisförmigen gerundeten Rändern zu rollen. Die zusammengebaute und gerollte Lithiumionen-Batterieanordnung 300 ist in 3B und 3C veranschaulicht. Die Breiten der vier rechtwinkligen Streifenbauteile (zum Beispiel etwa 100 bis 200 Millimeter) sind im Wesentlichen die gleichen. Ihre Funktionen unterscheiden sich aber, und ihre Längen können ebenfalls unterschiedlich sein, wie beschrieben wird.
In 3A ist der obere Streifen ein poröser Polymer-Separator 301, der ein äußeres Bauteil der gerollten Batterieanordnung sein wird.
Das nächste untere Streifenbauteil der veranschaulichten Anordnung ist eine Kathodenelektrode 302 mit einer zentralen Stromkollektorfolie 304. In einer Lithiumionen-Batterie kann die Stromkollektorfolie der Kathode beispielsweise aus Aluminium gebildet sein. An ihrem rechten Ende beginnend ist, wie in 3A veranschaulicht ist, ein Teilbereich 304' der Stromkollektorfolie 304 aus Aluminium mit einer porösen Schicht von Teilchen eines aktiven Kathodenmaterials 306 (wie etwa Lithiummanganoxid) beschichtet, die mittels Harz an beide Hauptoberflächen 304' der Stromkollektorfolie 304 gebondet sind. Die Länge der mit Kathodenmaterial beschichteten Folie 304' hängt von den Eigenschaften des Kathodematerials und den Energie- und Leistungsanforderungen des Kathodenbauteils der Lithiumionen-Batterie ab. Die mit Kathodenmaterial beschichtete Länge 304' kann mehrere Zentimeter betragen. Ein Teilbereich der beschichteten Länge 304' ist in 3A herausgebrochen. Der verbleibende, unbeschichtete Teilbereich 304" der Stromkollektorfolie 304 weist eine Länge auf, die dafür bestimmt ist, Wärme an die zusammengebaute Lithiumionen-Batterie zu liefern. Der unbeschichtete Folienteilbereich 304" ist der heizende Metallfolienteilbereich der Kathode der zusammengebauten Batterie 300. Ein Teilbereich des veranschaulichten, unbeschichteten Folienteilbereichs ist ebenfalls herausgebrochen. Wie aber in 3A und 3B veranschaulicht ist, sind die Länge des porösen Polymer-Separators 301 und die volle Länge des Kathodenstromkollektors 304 im Wesentlichen die gleichen.
Das nächste untere Streifenbauteil der veranschaulichten Lithiumionen-Batterieanordnung 300 ist ein zweites poröses Polymer-Separatorbauteil 308. Das Separatorbauteil 308 hat eine Breite und Länge, um die beschichteten und unbeschichteten Teilbereiche der Kathodenelektrode 302 und die beschichteten und unbeschichteten Teilbereiche des Anodenstreifens 310 zu trennen.
Das nächste untere Streifenbauteil der veranschaulichten Anordnung ist eine Anode 310 mit einer zentralen Stromkollektorfolie 312. In einer Lithiumionen-Batterie kann die Stromkollektorfolie der Anode beispielsweise aus Kupfer gebildet sein. An ihrem rechten Ende beginnend ist, wie in 3A veranschaulicht ist, ein Teilbereich 312' der Stromkollektorfolie 312 aus Kupfer mit einer porösen Schicht von Teilchen eines aktiven Anodenmaterials 314 (wie etwa Graphit oder Lithiumtitanat) beschichtet, die an beide Hauptoberflächen der Stromkollektorfolie 304 mittels Harz gebondet sind. Die Länge der mit Anodenmaterial beschichteten Folie 312' hängt von den Eigenschaften des Anodenmaterials und den Energie- und Leistungsanforderungen des Anodenbauteils der Lithiumionen-Batterie ab. Die mit Anodenmaterial beschichtete Länge 312' kann mehrere Zentimeter betragen. In 3A ist ein Teilbereich der beschichteten Länge 312' herausgebrochen. Der verbleibende, unbeschichtete Teilbereich 312" der Stromkollektorfolie 312 hat eine Länge, die dafür bestimmt ist, Wärme an die zusammengebaute Lithiumionen-Batterie zu liefern. Der unbeschichtete Folienteilbereich 312" ist der heizende Metallfolienteilbereich der Anode der zusammengebauten Batterie 300. Wie in 3A - 3C veranschaulicht ist, sind die Länge des porösen Polymer-Separators 308 und die volle Länge des Anodenstromkollektors 312 im Wesentlichen die gleichen.
Der mit Kathodenmaterial beschichtete Teilbereich 304' der Stromkollektorfolie 304 der Kathode weist eine oder mehrere elektrische Anschlussfahnen 304"' auf, die von einem Endteilbereich und anderen Teilbereichen ihres mit Kathodenmaterial beschichteten Teilbereichs 304' ausgehen, und weist zumindest eine elektrische Anschlussfahne 304"" auf, die von deren verlängertem Heizteilbereich 304" ausgeht, der nicht mit dem Kathodenmaterial beschichtet ist. Diese Anschlussfahnen der Kathode sind in 3A und 3C veranschaulicht. Die Anschlussfahnen 304"' und 304"" der Kathode werden typischerweise eine positive (+)-Ladung haben, wenn die Batteriezelle entlädt. Die Stromkollektorfolie 308 der Anode weist eine oder mehrere elektrische Anschlussfahnen 308"' auf, die von einem Endteilbereich und anderen Teilbereichen ihres mit Anodenmaterial beschichteten Teilbereichs 308' ausgehen, und weist zumindest eine elektrische Anschlussfahne 308'''' auf, die von ihrem verlängerten Heizteilbereich 308" ausgeht, der nicht mit Anodenmaterial beschichtet ist. Diese elektrischen Anschlussfahnen der Anode sind ebenfalls in 3A und 3C veranschaulicht. Die Anschlussfahnen der Anode weisen typischerweise eine negative (-)-Ladung auf, wenn die Batteriezelle entlädt.
3B veranschaulicht eine Endansicht einer Lithiumionen-Batterie 300, die als eine gerollte Anordnung der als geschichtete Bauteile in 3A veranschaulichten vier Bauteile der Lithiumionen-Batterie ausgebildet ist. Wie in 3B veranschaulicht ist, weist die gerollte Batterie 300 im Wesentlichen flache obere und untere Oberflächen mit im Allgemeinen halbkreisförmigen Seiten auf. Wie in 3B ersichtlich ist, sind die Enden des Separators 301, der unbeschichtete Heizteilbereich des Kathodenstromkollektors 304", des Separators 308 und der unbeschichtete Heizteilbereich des Anodenstromkollektors 312" an der linken Seite des Innenraums der gerollten Batterie 300 platziert. In dieser Veranschaulichung gestatten die Längen der Separatoren 301, 308, des unbeschichteten Heizteilbereichs 304" der Kathode und des unbeschichteten Teilbereichs 312" der Anode, dass sie um etwa eineinhalb Windungen im Inneren der gerollten selbstheizenden Batterie 300 gewickelt sind. Danach werden die dazwischenliegenden Separatoren 301, 308, der mit Kathodenmaterial beschichtete Teilbereich 304' des Kathodenstromkollektors 304 und der mit Anodenmaterial beschichtete Teilbereich 312' des Anodenstromkollektors 312 um mehr als zweieinhalb Windungen in der gerollten Batterie 300 gewickelt, wobei sie mit ihren übereinstimmenden Enden auf der oberen äußeren Oberfläche der gerollten Batterie wie in 3B und 3C veranschaulicht enden.
Die gerollte Anordnung 300 der Lithiumionen-Batterie würde in einem (nicht veranschaulichten) eng anliegenden Behälter in einer trockenen, inerten Umgebung platziert werden, wobei die porösen Komponenten mit einer geeigneten flüssigen Lösung eines Lithiumsalzelektrolyts geeignet durchdrungen werden und der Behälter versiegelt wird, wobei sich nur die elektrischen Anschlussfahnen aus dem Behälter erstrecken.
In der Ausführungsform der 3A - 3C sind folglich die getrennten, unbeschichteten heizenden Teilbereiche 304" und 312" des Kathodenstromkollektors 304 und des Anodenstromkollektors 312 in den inneren Schichten der gerollten Lithiumionen-Batterie 300 gelegen. Und der mit Kathodenmaterial beschichtete Teilbereich 304' der Stromkollektorfolie 304 der Kathode, der mit Anodenmaterial beschichtete Teilbereich 312' des Anodenstromkollektors 312 mit ihren dazwischenliegenden Separatoren 301, 308 bilden die äußeren Schichten der gerollten Batterie 300. Die elektrische Energie erzeugende Funktion der Batterie kann aktiviert werden, indem eine oder mehrere der Anschlussfahnen 304'" der Arbeitskathode und eine oder mehrere der Anschlussfahnen 312"' der Arbeitsanode an eine bestimmte externe Arbeitslast wie etwa einen Elektromotor an einem Automobil angeschlossen werden. Wenn jedoch ein Temperatursensor und ein Batteriesteuerungssystem, die mit der Lithiumionen-Batterie 300 verbunden sind, erfassen, dass eine niedrige Umgebungstemperatur die Batterieleistung beeinträchtigt, können die inneren Heizteilbereiche 304" und 312" der jeweiligen Stromkollektoren aktiviert werden, um den Arbeitsteilbereich der Batterie zu heizen.
Die Heizfunktion eines der getrennten geheizten Teilbereiche 304", 312", oder beider, kann aktiviert werden, indem ihre jeweiligen Anschlussfahnen 304"", 312"" mit einer externen Last verbunden werden. Ein Stromfluss durch die heizenden Teilbereiche der unbeschichteten Stromkollektorfolien kann gesteigert werden, indem eine Elektroden-Anschlussfahne des Arbeitsteilbereichs der Batterie und eine gegenüberliegende Anschlussfahne des Heizteilbereichs der Batteriezelle genutzt werden, um den an der Batteriezelle erzeugten Strom durch den heizenden Teilbereich des Kathodenstromkollektors 304" und/oder den heizenden Teilbereich des Anodenstromkollektors 312" zu leiten. Und wie angegeben ist, können die Heizleistungen des (der) jeweiligen Stromkollektors (Stromkollektoren) gesteigert werden, indem der unbeschichtete Teilbereich des (der) Stromkollektors (Stromkollektoren) aus einer verschiedenen Metallzusammensetzung oder einer verschiedenen Struktur (z. B. porösem Metallschaum) als der mit Elektrodenmaterial beschichtete Teilbereich des Stromkollektors gebildet wird.
Wie in dieser Patentbeschreibung beschrieben und veranschaulicht ist, können Stromkollektoren für die Anoden und Kathode von Batterien und Kondensatoren auf Lithium- und Natriumbasis so modifiziert werden, dass verlängerte Teilbereiche der dünnen Metallleiter, die nicht mit Elektrodenmaterial beschichtet sind, für eine gelegentliche notwendige Heizung der Zelle, in der sie gelegen sind, oder in einer benachbarten Zelle oder Zellen angepasst werden. Anschlussfahnen auf den verlängerten Teilbereichen der Stromkollektoren können genutzt werden, um den Fluss eines Heizstroms durch die verlängerten Teilbereiche zu steigern. Die Metallzusammensetzungen und Metallstrukturen der verlängerten Flächen der Stromkollektorlagen können für eine erhöhte Wärmeerzeugung gewählt werden. Die Größen und Formen der verlängerten Lagen können an ein Biegen oder Formen für einen vergrößerten Kontakt mit einer zu heizenden benachbarten Arbeitszelle angepasst werden. Und die Größen und Formen des verlängerten Stromkollektors können so vorgesehen werden, um eine Arbeitszelle eng zu verdichten und an der Heizzelle zu halten. Äußere Oberflächen der heizenden Teilbereiche der Stromkollektorlagen können mit einem isolierenden Material beschichtet oder bedeckt sein, um den Fluss der in ihnen erzeugten Wärme besser zu leiten.
Für ein Management der Länge der vorliegenden Offenbarung wurden die obigen Offenbarungen der Verwendung von Heizzellen und Arbeitszellen auf ihre Nutzung in Lithiumionen-Batteriezellen gestützt. Es ist jedoch für den Fachmann auf dem Gebiet der Kondensatorzellen auf Lithiumbasis und Batterie- und Kondensatorzellen auf Natriumbasis offensichtlich, dass Kombinationen von selbstheizenden Zellen/Arbeitszellen und verlängerten Stromkollektoren zur Verwendung in solchen verwandten elektrochemischen Zellen angepasst werden können. Zusammensetzungen des Elektrodenmaterials und Zusammensetzungen des Elektrolyten sind bekannt und werden in Lithiumkondensatoren und Batterien und Kondensatoren auf Natriumbasis verwendet und ohne Weiteres zur Verwendung in ihren Heiz- und Arbeitszellen einfach ausgewählt. Auch werden verlängerte Stromkollektorfolien, die nicht mit aktiven Elektrodenmaterialien beschichtet sind, zur Verwendung in Lithiumkondensatoren und Natriumbatterien und -kondensatoren ohne Weiteres angepasst.
Die obigen Offenbarungen veranschaulichender Ausführungsformen sind nicht dazu gedacht, den zulässigen Umfang der folgenden Ansprüche zu beschränken.

Claims

Batterie oder Kondensator auf Lithiumbasis oder Batterie oder Kondensator auf Natriumbasis, wobei die Batterie oder der Kondensator umfasst: eine Anode, die aus einer metallischen Stromkollektorfolie besteht, die eine poröse Schicht von Teilchen eines Anodenmaterials aufweist, die an jede Seite der Stromkollektorfolie der Anode gebondet sind, eine Kathode, die aus einer metallischen Stromkollektorfolie besteht, die eine gleich große und geformte poröse Schicht von Teilchen eines Kathodenmaterials aufweist, die an jede Seite der Stromkollektorfolie der Kathode gebondet sind, wobei die Anode und Kathode so angeordnet sind, dass eine Schicht eines gebondeten Anodenmaterials einer Schicht eines gebondeten Kathodenmaterials zugewandt ist, welche durch zumindest einen porösen Separator getrennt gehalten werden, der mit den zugewandten gebondeten Anoden- und Kathodenmaterialschichten deckungsgleich ist, wobei die Poren des Separators und der Schichten des Anodenmaterials und Kathodenmaterials mit einem nichtwässrigen flüssigen Elektrolyten durchdrungen sind, wobei die Stromkollektorfolien Anschlussfahnen für einen elektrischen Kontakt mit einer externen elektrischen Schaltung für den Fluss eines elektrischen Stroms zu der Batterie oder dem Kondensator oder von diesen aufweisen; wobei die Stromkollektorfolie aus Metall einer der Anode und Kathode, oder beider, einen zusätzlichen Folienteilbereich enthält, der nicht mit Anoden- oder Kathodenmaterial beschichtet ist und der sich außerhalb ihrer Folienfläche des beschichteten Anodenmaterials oder Kathodenmaterials erstreckt, wobei die verlängerte Fläche der metallischen Stromkollektorfolie eine Anschlussfahne für einen elektrischen Kontakt mit einer externen Strom verbrauchenden Vorrichtung aufweist, so dass ein während eines Betriebs der Batterie oder des Kondensators erzeugter elektrischer Strom durch die verlängerte Fläche der metallischen Stromkollektorfolie hindurchgeleitet werden kann, um die verlängerte Fläche der Stromkollektorfolie zu heizen, wobei die verlängerte Fläche der metallischen Stromkollektorfolie für eine Nutzung, während eines Betriebs der Batterie- oder Kondensatorzelle, bemessen und formbar ist, um die Batterie oder den Kondensator zu berühren und zu heizen oder eine separate arbeitende Batterie oder Kondensator zu berühren und zu heizen.
Batterie oder Kondensator auf Lithiumbasis oder Batterie oder Kondensator auf Natriumbasis nach Anspruch 1, worin die Batterie oder der Kondensator zusammengebaut wurden, indem übereinanderliegende rechtwinklige Streifen gerollt wurden, wobei jeder eine Länge und eine gemeinsame Breite aufweist, wobei die jeweiligen rechtwinkligen Streifen umfassen (i) einen metallischen Stromkollektorfolienstreifen, von dem ein Strom erzeugender Teilbereich seiner Länge auf beiden Seiten mit einer porösen Schicht eines Kathodenmaterials beschichtet ist, von dem ein heizender Teilbereich seiner Länge nicht mit Kathodenmaterial beschichtet ist, (ii) einen metallischen Stromkollektorfolienstreifen, von dem ein Teilbereich seiner Länge auf beiden Seiten mit einer porösen Schicht eines Anodenmaterials beschichtet ist, von dem ein heizender Teilbereich seiner Länge nicht mit Anodenmaterial beschichtet ist, und (iii) zwei poröse Separatorschichten, die zwischen den metallischen Stromkollektorfolienstreifen der Anode und Kathode liegen und diese trennen.
Batterie oder Kondensator auf Lithiumbasis oder Batterie oder Kondensator auf Natriumbasis nach Anspruch 2, worin die heizenden Teilbereiche der metallischen Stromkollektorstreifen als eine gerollte Schicht oder Schichten an der Innenseite der gerollten Anordnung gelegen sind.
Batterie oder Kondensator auf Lithiumbasis oder Batterie oder Kondensator auf Natriumbasis nach Anspruch 2, worin die heizenden Teilbereiche der metallischen Stromkollektorstreifen als eine gerollte Schicht oder Schichten an der Außenseite der gerollten Anordnung gelegen sind.
Batterie oder Kondensator auf Lithiumbasis oder Batterie oder Kondensator auf Natriumbasis nach Anspruch 1, wobei die Batterie oder der Kondensator zusammengebaut worden ist, wobei der mit dem Anodenmaterial beschichtete Teilbereich des Anodenstromkollektors und der mit Kathodenmaterial beschichteten Teilbereich des Kathodenstromkollektors und der nichtwässrige flüssige Elektrolyte in einer dünnwandigen, luft- und wasserfreien Umhüllung enthalten sind, wobei sich der heizende Teilbereich eines der Anoden- oder Kathodenstromkollektoren durch die dünnwandige Umhüllung für einen Wärmeübertragungskontakt mit einer anderen Batterie oder einem anderen Kondensator erstreckt.
Batterie oder Kondensator auf Lithiumbasis oder Batterie oder Kondensator auf Natriumbasis nach Anspruch 1, worin der unbeschichtete zusätzliche Teilbereich der Stromkollektorfolie von einer der Anode oder Kathode um ihre Anordnung von Batterie- und Kondensatorbauteilen gewickelt ist, um sie zu heizen, wenn ihre Anschlussfahne mit einer externen Schaltung verbunden ist, wobei der gewickelte Teilbereich der Stromkollektorfolie eine Seite, die den Batterie- oder Kondensatorbauteilen zugewandt ist, und eine externe entgegengesetzte Seite aufweist.
Batterie oder Kondensator auf Lithiumbasis oder Batterie oder Kondensator auf Natriumbasis nach Anspruch 6, worin die externe entgegengesetzte Seite des gewickelten Teilbereichs der Stromkollektorfolie mit einem thermisch isolierenden Material bedeckt ist, um im gewickelten Teilbereich der Stromkollektorfolie erzeugte Wärme in die benachbarte Anordnung von Bauteilen zu leiten.
Batterie oder Kondensator auf Lithiumbasis oder Batterie oder Kondensator auf Natriumbasis nach Anspruch 1, worin der unbeschichtete zusätzliche Teilbereich der Stromkollektorfolie aus Metall von einer der Anode oder Kathode um eine benachbarte Anordnung einer verschiedenen Anordnung von Batterie- oder Kondensatorbauteilen gewickelt ist, um sie zu heizen, wenn ihre Anschlussfahne mit einer externen Schaltung verbunden ist, wobei der gewickelte Teilbereich der Stromkollektorfolie eine Seite, die der verschiedenen Anordnung von Batterie- und Kondensatorbauteilen zugewandt ist, und eine externe entgegengesetzte Seite aufweist.
Batterie oder Kondensator auf Lithiumbasis oder Batterie oder Kondensator auf Natriumbasis nach Anspruch 8, worin die externe entgegengesetzte Seite des gewickelten Teilbereichs der Stromkollektorfolie mit einem thermisch isolierenden Material bedeckt ist, um im gewickelten Teilbereich der Stromkollektorfolie erzeugte Wärme in die benachbarte Anordnung von Bauteilen zu leiten.
Batterie oder Kondensator auf Lithiumbasis oder Batterie oder Kondensator auf Natriumbasis nach Anspruch 1, worin der unbeschichtete zusätzliche Teilbereich von einer der Anode oder der Kathode aus einer Metallzusammensetzung mit einem höheren elektrischen Widerstand als der mit Anoden- oder Kathodenmaterial beschichtete Teilbereich des Stromkollektors gebildet ist.
Kombination einer ersten Batteriezelle oder Kondensatorzelle auf Lithiumbasis oder einer Batteriezelle oder Kondensatorzelle auf Natriumbasis mit einer zweiten Zelle auf Lithiumbasis oder Zelle auf Natriumbasis, wobei die Kombination von Zellen umfasst: die Kombination, in der die erste Batterie- oder Kondensatorzelle eine Arbeitszelle ist, die dafür konstruiert ist, einen spezifizierten elektrischen Strom, wenn sie in einem spezifizierten Bereich einer Umgebungstemperatur arbeitet, zu einer externen elektrisch betriebenen Vorrichtung zu erzeugen, und die zweite Batterie- oder Kondensatorzelle, die in einem Wärmeübertragungskontakt mit einer Arbeitszelle platziert ist, eine selbstheizende Zelle ist, die dafür konstruiert ist, einen spezifizierten elektrischen Strom, um sich selbst und die erste Zelle zu heizen, zu erzeugen, wenn die erste Zelle betrieben wird, während sie einer Umgebungstemperatur unterhalb des spezifizierten Bereichs der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist; wobei die Arbeitszelle gebildet ist aus (i) einer Anode mit einer Stromkollektorfolie der Anode, die auf beiden Seiten mit einer porösen Schicht eines teilchenförmigen Anodenmaterials beschichtet ist, (ii) einer Kathode mit einer Stromkollektorfolie der Kathode, die auf beiden Seiten mit einer porösen Schicht eines teilchenförmigen Kathodenmaterials beschichtet ist, (iii) einem oder mehreren porösen Separatoren, die die Anoden- und Kathodenmaterialschichten physikalisch trennen, und (iv) einem nichtwässrigen Elektrolyten, der Lithiumionen oder Natriumionen zwischen den Anoden- und Kathodenmaterialien leitet; und wobei die selbstheizende Zelle gebildet ist aus (i) einer Anode mit einer Stromkollektorfolie der Anode, die auf beiden Seiten mit einer porösen Schicht eines teilchenförmigen Anodenmaterials beschichtet ist, (ii) einer Kathode mit einer Stromkollektorfolie der Kathode, die auf beiden Seiten mit einer porösen Schicht eines teilchenförmigen Kathodenmaterials beschichtet ist, (iii) einem oder mehreren porösen Separatoren, die Anoden- und Kathodenmaterialschichten physikalisch trennen, und (iv) einem nichtwässrigen Elektrolyten, der Lithiumionen oder Natriumionen zwischen den Anoden- und Kathodenmaterialien leitet.
Kombination einer ersten Zelle und einer zweiten Zelle nach Anspruch 11, worin die Anode und Kathode jeder Zelle flache Schichten von gleicher peripherer Form sind, die in separaten Zellenbehältern enthalten sind, und die separaten Zellenbehälter in paralleler Ausrichtung in einem Wärmeübertragungskontakt gestapelt sind.
Kombination einer ersten Zelle und einer zweiten Zelle nach Anspruch 11, worin die Anode und Kathode jeder Zelle flache Schichten von gleicher peripherer Form sind, die in dem gleichen Zellenbehälter enthalten sind, eingetaucht in die gleiche Elektrolytzusammensetzung, und die Elektroden in paralleler Anordnung gestapelt sind.
Kombination einer ersten Zelle und einer zweiten Zelle nach Anspruch 11, worin das aktive Anodenmaterial der Arbeitszelle Graphit ist und das aktive Kathodenmaterial der Arbeitszelle Lithiumeisenphosphat ist und das aktive Anodenmaterial der selbstheizenden Zelle Lithiumtitanat ist und das aktive Kathodenmaterial der heizenden Zelle Lithiummanganoxid ist.
Batterie auf Lithiumbasis, wobei die Batterie umfasst: eine Anode, die aus einer metallischen Stromkollektorfolie besteht, die eine poröse Schicht von Teilchen eines Anodenmaterials aufweist, die an jede Seite der Stromkollektorfolie der Anode gebondet sind, eine Kathode, die aus einer metallischen Stromkollektorfolie besteht, die eine gleich große und geformte poröse Schicht von Teilchen eines Kathodenmaterials aufweist, die an jede Seite der Stromkollektorfolie der Kathode gebondet sind, wobei die Anode und Kathode so zusammengebaut sind, dass eine Schicht eines gebondeten Anodenmaterials einer Schicht eines gebondeten Kathodenmaterials zugewandt ist, die durch zumindest einen porösen Separator getrennt gehalten werden, der mit den zugewandten gebondeten Anoden- und Kathodenmaterialschichten deckungsgleich ist, wobei die Poren des Separators und der Schichten des Anodenmaterials und Kathodenmaterials mit einem nichtwässrigen flüssigen Elektrolyten durchdrungen sind, wobei die Stromkollektorfolien Anschlussfahnen für einen elektrischen Kontakt mit einer externen elektrischen Schaltung für den Fluss eines elektrischen Stroms zu der Batterie oder dem Kondensator oder von diesen aufweist; wobei die Stromkollektorfolie aus Metall einer der Anode und Kathode, oder beider, einen zusätzlichen Folienteilbereich enthält, der nicht mit Anoden- oder Kathodenmaterial beschichtet ist und der sich außerhalb ihrer Folienfläche des beschichteten Anodenmaterials oder Kathodenmaterials erstreckt, wobei die verlängerte Fläche der metallischen Stromkollektorfolie eine Anschlussfahne für einen elektrischen Kontakt mit einer externen Strom verbrauchenden Vorrichtung aufweist, so dass ein während eines Betriebs der Batterie oder des Kondensators erzeugter elektrischer Strom durch die verlängerte Fläche der metallischen Stromkollektorfolie hindurchgeleitet werden kann, um die verlängerte Fläche der Stromkollektorfolie zu heizen, wobei die verlängerte Fläche der metallischen Stromkollektorfolie für eine Nutzung, während eines Betriebs der Batterie auf Lithiumbasis, bemessen und formbar ist, um die Batterie zu berühren und zu heizen oder eine separate arbeitende Batterie auf Lithiumbasis zu berühren und zu heizen.
Batterie auf Lithiumbasis nach Anspruch 15, worin die Batterie zusammengebaut wurde, indem übereinanderliegende rechtwinklige Streifen gerollt wurden, wobei jeder eine Länge und eine gemeinsame Breite aufweist, wobei die jeweiligen rechtwinkligen Streifen umfassen (i) einen metallischen Stromkollektorfolienstreifen, von dem ein Strom erzeugender Teilbereich seiner Länge auf beiden Seiten mit einer porösen Schicht eines Kathodenmaterials beschichtet ist, von dem ein heizender Teilbereich seiner Länge nicht mit Kathodenmaterial beschichtet ist, (ii) einen metallischen Stromkollektorfolienstreifen, von dem ein Teilbereich seiner Länge auf beiden Seiten mit einer porösen Schicht eines Anodenmaterials beschichtet ist, von dem ein heizender Teilbereich seiner Länge nicht mit Anodenmaterial beschichtet ist, und (iii) zwei poröse Separatorschichten, die zwischen den metallischen Stromkollektorfolienstreifen der Anode und Kathode liegen und diese trennen.
Batterie auf Lithiumbasis nach Anspruch 16, in der die heizenden Teilbereiche der metallischen Stromkollektorstreifen als eine gerollte Schicht oder Schichten an der Innenseite der gerollten Anordnung gelegen sind.
Batterie auf Lithiumbasis nach Anspruch 16, in der die heizenden Teilbereiche der metallischen Stromkollektorstreifen als eine gerollte Schicht oder Schichten an der Außenseite der gerollten Anordnung gelegen sind.
Batterie oder Kondensator auf Lithiumbasis oder Batterie oder Kondensator auf Natriumbasis nach Anspruch 1, worin der beschichtete Teilbereich und unbeschichtete Teilbereich der Stromkollektorfolie aus Metall verschiedene Stücke einer Metallfolie sind, die miteinander verbunden sind, um eine durchgehende Stromkollektorfolie aus Metall zu bilden.
Batterie oder Kondensator auf Lithiumbasis oder Batterie oder Kondensator auf Natriumbasis nach Anspruch 15, worin der beschichtete Teilbereich und unbeschichtete Teilbereich der Stromkollektorfolie aus Metall verschiedene Stücke einer Metallfolie sind, die miteinander verbunden sind, um eine durchgehende Stromkollektorfolie aus Metall zu bilden.