EP2452383A1 - Sekundärbatterie mit schnellladefähigkeit - Google Patents

Sekundärbatterie mit schnellladefähigkeit

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EP2452383A1
EP2452383A1 EP10728136A EP10728136A EP2452383A1 EP 2452383 A1 EP2452383 A1 EP 2452383A1 EP 10728136 A EP10728136 A EP 10728136A EP 10728136 A EP10728136 A EP 10728136A EP 2452383 A1 EP2452383 A1 EP 2452383A1
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EP
European Patent Office
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secondary battery
charging
separator
charging current
coating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10728136A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tim Schaefer
Andreas Gutsch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Li Tec Battery GmbH
Original Assignee
Li Tec Battery GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Li Tec Battery GmbH filed Critical Li Tec Battery GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery, particularly a lithium ion secondary battery, a charge control system for a secondary battery, a galvanic cell for a secondary battery, an assembly of at least one electrode and a separator for such a galvanic cell, and a method for performing a rapid charge a secondary battery.
  • An important aspect in the provision of secondary batteries is the charging time or charging time within which the secondary battery can be recharged from a discharge state. In particular, it plays an important role in the operation of high-energy and high-performance secondary batteries, in particular of the lithium-ion battery type, as traction batteries in motorized vehicles. Such secondary batteries have due to the high energy storage requirements correspondingly high capacities.
  • the object of the present invention is to provide a secondary battery, in particular a lithium-ion secondary battery, a charge control system for a secondary battery, a galvanic cell for a secondary battery, an arrangement of at least one electrode and a separator for such a galvanic cell, and a method for Carry out a rapid charge of a secondary battery, which allow a fast charge and at the same time are safe.
  • the present invention solves this object by the subject matter of the independent claims, in particular with the secondary battery according to claim 1, with the charge control system for a secondary battery according to claim 12, with the galvanic cell for a secondary battery according to claim 13, with the arrangement of at least one Elekt- and a separator for such a galvanic cell according to claim 14, and with the method for carrying out a rapid charging of a secondary battery according to claim 15.
  • Preferred embodiments of the invention are subject of the subclaims.
  • the secondary battery of the present invention is a lithium-ion secondary battery, but may be another type of secondary battery besides a Li-ion secondary battery, and has quick-charging capability.
  • the secondary battery comprises at least one galvanic cell and an electrical charge control system, wherein the galvanic cell has at least two electrodes and at least one separator, wherein the charge control system for controlling the charging of the secondary battery is designed such that it at least temporarily provides a relative charging current with a charging current value, wherein the relative charge current is the charging current with unit C (A / Ah) related to the capacity of the secondary battery, and wherein this charge current value is at least 1C, and the separator has a coating comprising an ion conducting material having at least one inorganic component, wherein the coating is formed so that it is stable in the presence of this charging current.
  • the secondary battery in particular a lithium-ion secondary battery, the charge control system for a secondary battery, a galvanic cell for a secondary battery, an arrangement of at least one electrode and a separator for a galvanic cell, and a A method for performing a rapid charging of a secondary battery, according to the invention described.
  • general technical definitions in the field of battery technology can be found in the book "Handbook of Batteries,” David Linden, Thomes B. Reddy, Third Edition, 2002, MacGraw-Hill Publishing.
  • the secondary battery of the present invention, the charge control system, the galvanic cell, and the electrode and separator assembly for the galvanic cell are preferable In particular for use as a drive battery of a motorized vehicle designed or optimized for this use
  • vehicles of all kinds are understood that relate their kinetic energy at least partially from an engine that takes energy from an energy source (energy storage)
  • Typical examples of such motorized vehicles are, inter alia, motor vehicles for road traffic, for example single-lane (eg bicycles) or two-lane motor vehicles, locomotives, ships and aircraft.
  • Engines include, but are not limited to, internal combustion engines, electric motors and motors Combinations of such Antebesaggregaten, so-called hybrid drives, into consideration
  • the invention is not limited to use in motorized vehicles, but can be used in particular wherever fast-charging batteries are useful, for example in mobile telephones and notebooks and other electronic entertainment or household appliances or tools, especially for home improvement or Professional supplies and the like
  • a lithium-ion battery is a lithium-ion battery, a lithium-ion secondary battery, a lithium-ion battery or a lithium-ion cell, from the serial or series connection of individual lithium-ion batteries.
  • lithium-ion battery is used herein as a generic term for the terms used in the prior art.
  • Fast charge or fast charge capability is understood here to mean that the battery Loading the Sekundarbatte ⁇ e from a discharged state of preferably 5% or preferably 20% in a charged state of preferably either 60%, preferably 85% or preferably 95% of its full capacity within a charging time can be done or takes place, this charging time each preferably a maximum of 240 min, 180 mm, 120 min, 90 min, and more preferably, maximum 60 min, 45 min, 30 min, 15 min 5 minutes or 1 minute under "full capacity” is understood to mean the capacity that the Sekundarbatte ⁇ e currently reach a maximum due to their state of use can. For example, this full capacity may be less than or equal to the nominal capacity or original maximum capacity of the secondary battery.
  • the relative charging current with which the secondary battery is charged is usually defined as the charging current related to the capacity of the secondary battery or battery cell, so that e.g. a 10 Ah (ampere-hour) secondary battery charging with an absolute charging current of 10A has a relative charge current of 1C (unit
  • the charging current value is preferably at least 1C, 2C, 4C, 6C, 8C, 10C, 12C, 15C, 2OC, 4OC, 8OC or 100C.
  • the inventors have found that the use of a particular coating for the separator makes it possible, especially using given materials for the electrodes, to provide a fast-charging secondary battery and to provide a corresponding fast-charging galvanic cell and a fast-charge electrode and separator arrangement.
  • the resulting rapid charge capability of the secondary battery is due on the one hand to the particular ion-conducting properties of the separator and also to the fact that both the coating, the corresponding Separa- tor, the corresponding arrangement of electrode and separator, the corresponding galvanic cell and the battery itself a higher have thermal load, whereby higher charging currents are tolerated and consequently shorter charging times can be achieved.
  • This superiority is particularly evident over such known secondary batteries whose separators are e.g. only have a polyethylene base.
  • the coating comprises an ion-conducting material having at least one inorganic component.
  • the inorganic component of the separator preferably has a microporous layer for impregnation with an electrolyte whose pore sizes are in particular substantially smaller than 4, 2 or 1 ⁇ m.
  • the coating or inorganic component is also preferably ceramic or preferably has a ceramic component.
  • the ceramic is preferably an oxide ceramic and may each comprise, alone or in any combination, alumina, magnesia, zirconia, titania.
  • the coating particularly preferably comprises magnesium oxide.
  • the inorganic component of the separator preferably corresponds to an inorganic component of the commercially available separator composite material having the trade name SEPARION available from Evonik AG, Germany. This coating also preferably corresponds to the coating material SEPARION.
  • Separator composite material is to be understood as meaning a material for separating or separating the electrodes in an electrochemical device, in particular a lithium-ion battery, as known, for example, by the name of Separion® or as described, for example, in WO 2004/021499 or US Pat WO 2004/021477 and in particular EP 1 017 476 B1.
  • the coating of the separator or a separator also means an electrically insulating device which separates and spaces an anode from a cathode.
  • a separator layer is applied to an anode layer and / or a cathode layer.
  • the porous functional layer may also be directly on the electrode, e.g. be applied to the active layer of a negative electrode.
  • the separator layer or separator also at least partially accommodates an electrolyte, wherein the electrolyte preferably contains lithium ions.
  • the electrolyte is also electrochemically connected to adjacent layers of the electrode stack.
  • the geometric shape of a separator substantially corresponds to the shape of an anode of the electrode stack.
  • a separator is thin-walled, for example 4-25 microns thick, formed, more preferably as a microporous film.
  • a separator is formed with a fleece of electrically non-conductive fibers, wherein the fleece is coated on at least one side with an inorganic material.
  • EP 1 017 476 B1 describes such a separator and a method for its production.
  • the separator layer or the separator is wetted with an additive, which also increases the mobility of the separator layer or of the separator. Particular preference is given to wetting with an ionic additive.
  • the separator layer or the separator at least partially extends over a boundary edge of at least one electrode.
  • the separator layer or the separator extends beyond all boundary edges of adjacent electrodes.
  • the use of the separator according to the invention with this coating can reduce the risk of thermal runaway during the fast charging of the secondary battery, which makes the operation of the secondary battery with rapid charging capability safer. Thermal runaway is the fast and uncontrolled release and decomposition of active material of the electrodes under heavy pressure build-up and temperature release, which is difficult to stop.
  • the short circuit current can be closer Heat up the area around the damaged area so that the surrounding areas are also affected.
  • the process expands and releases the stored energy in the accumulator abruptly. This effect can skip over to the surrounding cells and a cascade effect occurs. As a result, the total energy and reaction energy of a Li battery can be released.
  • the mechanism of the thermal runaway reaction can occur at temperatures above 180 0 C, but can occur even at temperatures above 80 - 150 0 C when the SEI (solid electrolyte interface) layer of the negative electrode is damaged and this example in a exothermic reduction of the electrolyte reacts with lithiated intercalation graphite.
  • a first phase especially at a first temperature regime to 80 - 15O 0 C, usually no thermal runaway reaction occurs.
  • a second phase in particular at a second temperature regime up to 180 0 C and above, an additional reaction of the electrolyte can begin on the cathode surface, so that Ie built up a pressure inside the newspaper.
  • a third phase in particular at a third temperature regime above 180 ° C.
  • decomposition of the cathode active material can take place with a large-scale exothermic reaction.
  • the anode passivation layers can be completely destroyed and free electrolyte can be exothermically decomposed.
  • the decomposition of the cathode material can cause very high temperatures and heavy smoke.
  • the coating is designed to be stable in the presence of the charging current, which is as large as possible to achieve fast charging; "stable" means that under normal circumstances, when there are no other disturbances than temperature, no thermal runaway
  • it is preferably designed such that it exhibits the smallest possible electrical resistance for the (ion) current and, in particular, that the resulting internal resistance of the secondary battery is as small as possible in that, depending on the electrolyte used, the ion conductivity is as large as possible, in particular the conductivity for lithium ions
  • the average size of the micropores of the coating be selected such that the coating is present the charge current is stable kept as large as possible, in particular between 1 and 5 microns or between 1 and 4 microns or between 2 and 4 microns or between 3 and 4 microns in diameter.
  • the coating preferably comprises molecular building blocks which form amorphous or crystalline arrangements which promote the (lithium) ion flow and in particular allow the (lithium) ion flow in three spatial
  • the charging control system is preferably part of a battery management system (BMS) or is a BMS or is contained in a BMS.
  • BMS battery management system
  • Such battery management systems monitor not only the electrical operating parameters of a (lithium-ion) accumulator, but also its temperature using conventional, on the (lithium-ion) accumulator arranged temperature sensors.
  • the temperature sensors are mounted on the outside of the housing of a (lithium-ion) accumulator, so that a particular excessive heating or even a local overheating tion can not be detected at the arranged inside the housing, the current-carrying elements of the battery directly or only with a time delay.
  • At least one temperature sensor assigned to the charge control system is provided in the secondary battery, or a plurality of temperature sensors are provided, whereby a temperature of the galvanic cell or several temperatures are detected.
  • the cell temperature can be measured, making the battery safer.
  • the charging time may be shortened if the charge control system is designed to maximize the charge current as a function of the permitted cell temperature limit.
  • This limit temperature is preferably selected depending on the particular -and- optimized DAS material of the separator or its coating and is preferably between 60 0 C and 18O 0 C, preferably between 7O 0 C and 100 ° C, preferably between 8O 0 C and 150 ° C, preferably between 80 ° C and 12O 0 C or preferably between 100 0 C and 120 0 C.
  • the limit temperature can take into account a temperature safety distance to the purely material technically possible limit temperatures, taking into account empirically expected or calculated Probuchslichteits temperament the probability of Thermal runaways further reduced.
  • the charging control system is preferably designed to control the charging process, taking into account a cell temperature of the galvanic cell and a predetermined limit temperature.
  • the charging control system may comprise electrical circuits, in particular programmable electrical circuits, by means of which, in particular, a program for fast charging of the secondary battery can be carried out.
  • the charging control system can implement a method, in particular that of claim 15, for carrying out a rapid charging of a secondary battery.
  • the charging control system is preferably designed to control the charging process in dependence on the cell temperature and the limit temperature, and in particular reduces or almost completely shuts off the absolute charging current (eg below 5% of the initial value of a temporarily constant charging current) or completely when the cell temperature exceeds the limit temperature reached.
  • the charging control system is further preferably configured to charge in the constant current (CC) charging method, in the pulse charging method, in the constant voltage (CV) charging method, in the constant current constant charging method (CCCV), or in a constant current charging method Procedure is done that combines these procedures
  • the charging control system is further preferably designed for fast charging, in particular for charging the Sekundarbatte ⁇ e from a discharged state of 20% in a charged state of preferably 60% or 85% of its full capacity is formed within a charging time, said charging time each preferably a maximum of 240 min, 180 mm, 120 min, 90 min and more preferably not more than 60 min, 45 min, 30 min, 15 min, 5 min or 1 mm
  • the charge control system for a Sekundarbatte ⁇ e is preferably designed for performing a rapid charge according to the method of claim 15.
  • the charge control system is further preferably designed such that the charging current value is preferably at least 2C, 4C, 6C, 8C, 10C, 12C, 15C, 2OC, 4OC, 8OC or 100C, or between any two of these values
  • An electrode of the galvanic cell in particular the positive electrode (corresponds to the discharge of the battery of the cathode) preferably has an active layer, which preferably comprises a phosphate compound, in particular a lithium iron phosphate.
  • An active layer may in particular be constructed as in EP 0
  • the negative electrode of a lithium-ion battery is to be understood as meaning the electrode during which the positively charged lithium ions which are supplied by the electrolyte from the counter-electrode (the positive electrode or cathode) and from the lithium ions migrate during discharge back into the counter electrode
  • an active layer of an electrode of the galvanic cell, in particular of the positive electrode to comprise a metal oxide, in particular the metal oxides of the metals nickel and / or manganese and / or cobalt.
  • the active layer has NMC (lithiated nickel-manganese-cobalt oxides), in particular with a weight fraction of 85-95% and in particular in the quantitative ratio of 1 Li with in each case 1/3 Ni, Mn and Co.
  • a thermal runaway reaction during fast charging occurs only in the temperature region of> 180 ° C and the combination in the temperature ranges ⁇ 180 ° C remained stable.
  • This observation applies in particular to secondary battery (stack) cells having capacities of preferably greater than 10 Ah, preferably greater than 20 Ah, preferably greater than 30 Ah, preferably greater than 40 Ah, and applies, for example, to a large-format stack cell with> 40 Ah and nominally 3.6 V.
  • An active layer can be formed from active material particles having a particle size of, for example, 5-40 ⁇ m.
  • the layer is to be understood, in which proceed the electrochemical processes of the addition of lithium ions during charging or the return of lithium ions to the electrolyte during the discharge.
  • the active layer can consist, for example, of graphite, so-called “hard carbon” (an amorphous carbon modification) or of nanocrystalline, amorphous silicon, the lithium ions accumulating in the abovementioned materials by so-called intercalation during charging If the negative electrode consists of graphite , Lithium ions move between the graphite planes (nC) of the negative electrode during charging and form an intercalation compound (LinxnC) with the carbon.
  • the active layer can also consist of lithium titanate (Li4Ti5O12).
  • the active layer may also consist of any mixture
  • active material particles are the, for example, crystalline particles of the active layer forming material, between which the lithium ions accumulate during charging, to understand.
  • an active mass particle may also be a graphite plane.
  • the active material particles can also be connected to one another or adhesively bonded to one another by means of a binder for forming the active layer.
  • the active layer can essentially consist of active material particles adhering to one another, and the outer surface of the active layer is essentially formed by the surfaces of the active mass particles exposed to the outer side of the active layer.
  • the "surface exposed to the outside of the active layer” is to be understood as meaning the surface of the active material particles forming the active layer which is accessible for the accumulation of the lithium ions.
  • This outer surface of the active layer may be at least partially coated with nanoparticles or other nanoparticles.
  • An electrode and / or the separator may comprise a carrier or a carrier structure or a carrier layer.
  • the carrier layer can essentially consist of carrier fibers and the outer surface of the carrier layer is then essentially formed by the surface of the carrier fibers exposed to the outside of the carrier layer.
  • the formation of the carrier layer of carrier fibers causes the carrier layer is self-supporting.
  • At least the uppermost fiber layer of the carrier fibers forming the carrier layer can be substantially coated on all sides with nanoparticles.
  • This embodiment is advantageous if a nanoparticle-coated fiber layer is applied to a substrate of non-nanoparticle-treated fiber layers to form the carrier layer.
  • the carrier fibers forming the carrier layer can also be substantially coated on all sides with nanoparticles. This embodiment is advantageous if the coating of the fibers with nanoparticles, in particular for reasons of adhesion, is carried out prior to processing the carrier fibers to the carrier layer
  • the carrier layer can consist of woven or non-woven carrier fibers. In this way both woven and nonwoven fabrics are possible.
  • the carrier fibers can be polymer fibers or steel wires suitable for forming a fabric, in particular stainless steel wires. Polymer fibers and steel wires are readily available and inexpensive starting materials for forming the Carrier Layer for the Separate Composite Mate ⁇ al
  • the carrier layer is a stainless steel mesh or a polymer fleece. These are particularly inexpensive and diverse available raw material materials for the carrier layer
  • the active layers of the electrodes and / or the separator or the carrier may each be wholly or partly coated with nanoparticles (eg aluminum oxide (Al 2 O 3), zirconium oxide (Zro 2) or silicon oxide (S ⁇ O 2) or a mixture of these or NMC) in the present case preferably particles having a dimension, for example a diameter or a thickness, of less than 500 nm.
  • nanoparticles eg aluminum oxide (Al 2 O 3), zirconium oxide (Zro 2) or silicon oxide (S ⁇ O 2) or a mixture of these or NMC
  • nanoparticles eg aluminum oxide (Al 2 O 3), zirconium oxide (Zro 2) or silicon oxide (S ⁇ O 2) or a mixture of these or NMC
  • nanoparticles eg aluminum oxide (Al 2 O 3), zirconium oxide (Zro 2) or silicon oxide (S ⁇ O 2) or a mixture of these or NMC
  • nanoparticles eg aluminum oxide (Al 2 O 3), zi
  • the galvanic cell according to the invention for a secondary battery having fast charging capability comprises at least two electrodes and at least one separator, which undergoes essentially no structural damage, in particular at temperatures up to 18O 0 C.
  • a galvanic cell is to be understood as meaning a device which also serves for emitting electrical energy and for converting chemical energy into electrical energy.
  • the galvanic cell has at least two electrodes of different polarity and the electrolyte is depending on the design
  • the galvanic cell is also able to absorb electrical energy during charging, convert it into chemical energy and store it.
  • the conversion of electrical energy into chemical energy is lossy and accompanied by irreversible chemical reactions.
  • An electric current into or out of a galvanic cell can cause an electric shock Heating effect This electric heating power can increase the temperature of the galvanic cell.
  • irreversible chemical reactions increase.
  • These irreversible chemical reactions can cause areas of a galvanic cell to undergo transformation and / or storage With an increasing number of charging processes, these areas gain in volume
  • the usable charging capacity of a galvanic cell or the device decreases
  • the galvanic cell can comprise an electrode stack or multiple galvanic cells can form an electrode stack
  • an electrode stack is also understood to mean a device which also serves as an assembly of a galvanic cell for the storage of chemical energy and for the release of electrical energy. Before the release of electrical energy, stored chemical energy is converted into electrical energy
  • the electrode stack has several layers, at least one anode layer, one cathode layer and one separator layer. The layers are stacked or stacked, the separator layer at least partially between an anode layer and a cathode layer This sequence of layers within the electrode stack is preferably repeated several times. Preferably, some electrodes are in particular electrically connected to one another, in particular connected in parallel Preferably, the layers are wound up into an electrode winding.
  • electrode stack is also used for electrode windings
  • the arrangement according to the invention which has rapid charging capability, comprises at least one electrode and a separator for a galvanic cell, wherein the separator comprises a coating which suffers substantially no structural damage, especially at temperatures up to 180 ° C., and which optionally is applied to an electrode is.
  • the inventive method for carrying out a rapid charging of a secondary battery, in particular a secondary battery according to the invention comprising at least one galvanic cell having at least two electrodes and at least one separator comprising a coating comprising an ion-conducting material with at least one inorganic component, wherein the coating so is designed to be stable in the presence of the charging current, comprising the steps: - at least temporarily providing a relative charging current having a charging current value which is in particular at least 1 C; preferably: using a limit temperature, which is preferably chosen as a function of the choice of material of the coating of a separator, measuring a cell temperature of the galvanic cell; - Preferably: controlling the charging process in dependence on the cell temperature and the limit temperature and in particular reducing the absolute charging current or interrupting the charging current when the cell temperature reaches the limit temperature. Further preferred steps of the process may be readily deduced by those skilled in the art from the description of the secondary battery and its components.
  • a lithium-ion secondary battery according to the invention in the example comprises a large-scale galvanic stack cell with> 40 Ah and nominal 3.6 V voltage. It has an electrode stack.
  • the galvanic cell has graphite-based negative electrodes, NMC-based (NMC: lithiated nickel-manganese-cobalt oxide) based electrodes, and electrolyte with alkyl carbonates, additives, and Li-conducting salt.
  • a separator is arranged, which is provided with a coating, for example from the coating material Separion®.
  • a coating for example from the coating material Separion®.
  • the separator comprises a support comprising stainless steel mesh or a polymer fleece provided with a permanent ceramic as a ceramic membrane as a separator in the thickness 4-45 microns.
  • the active material of the negative electrode is comb-like coated with nanoparticles (aluminum and zirconium oxide).
  • the positive electrode active material has NMC.
  • the galvanic cell has arresters.
  • the arresters are part of a discharge device.
  • a discharge device is to be understood as meaning a device which, when discharging, emits electrons from a galvanic cell in the direction of an electrical current
  • the at least one discharge device is assigned to one of the electrodes of the galvanic cell, in particular electrically conductively connected to this electrode.
  • a discharge device allows a flow of current in the opposite direction.
  • the at least one discharge device is also connected in a heat-conducting manner to a galvanic cell.
  • a discharge device in the sense of the invention also makes a transport of heat energy out of a galvanic cell.
  • the discharge device comprises a metal.
  • the discharge device comprises copper or aluminum.
  • the galvanic cell has temperature sensors near the electrode conductors. Near the arrester, the temperature of the galvanic can increase particularly strong, since there a high charging current can cause high temperatures. In these areas, the temperature monitoring is therefore particularly useful, in particular to avoid a thermal runaway reaction.
  • the secondary battery includes a charge control system that is part of a BMS.
  • the BMS is connected to the temperature sensors and determines the temperatures near the arrester of the galvanic cell, in particular when charging and / or discharging the cell.
  • the BMS is by programming with a control software code designed to keep the charging current so high that a threshold temperature of 150 0 C is not exceeded at each of the temperature sensors.
  • the BMS regulates the charging current so that the threshold temperature is within a tolerance range of, for example, 130 to 150 0 C, so that the possible charging current to achieve the shortest possible charging time is also used.
  • a constant current with a relative charging current of 1 C is first used.
  • the charging control system needs a charging time of 2 hours. In this way, the quick charging ability can be shown.
  • this electrode-separator arrangement causes the thermal runaway, which can be initiated in conventional arrangements in all temperature regimes, ultimately only in the temperature range> 180 ° C may occur and does not occur here, so that the operation of the secondary battery is safe.
  • This result was surprising and demonstrates the performance and improved safety performance of the electrode separator assembly and method of the present invention.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sekundärbatterie, insbesondere eine Lithium-Ionen- Sekundärbatterie, die Schnellladefähigkeit aufweist. Die Sekundärbatterie umfasst mindestens eine galvanische Zelle und ein elektrisches Ladesteuerungssystem, wobei die galvanische Zelle mindestens zwei Elektroden und mindestens einen Separator aufweist, wobei das Ladesteuerungssystem zur Kontrolle des Ladevorgangs der Sekundärbatterie derart ausgebildet ist, dass es zumindest zeitweilig einen relativen Ladestroms mit einem Ladestromwert erlaubt, der insbesondere mindestens 1 C beträgt, und wobei der Separator eine Beschichtung aufweist, die ein ionenleitendes Material umfasst, das mindestens eine anorganische Komponente aufweist. Ferner betrifft die Erfindung insbesondere eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, ein Ladesteuerungssystem für eine Sekundärbatterie, eine galvanische Zelle für eine Sekundärbatterie, eine Anordnung aus mindestens einer Elektrode und einem Separator für eine solche galvanische Zelle, und ein Verfahren zur Durchführung eines Schnellladevorgangs einer Sekundärbatterie.

Description

Sekundärbatterie mit Schnellladefähigkeit
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sekundärbatterie, insbesondere eine Lithium-Ionen- Sekundärbatterie, ein Ladesteuerungssystem für eine Sekundärbatterie, eine galvanische Zelle für eine Sekundärbatterie, eine Anordnung aus mindestens einer Elektrode und einem Separator für eine solche galvanische Zelle, und ein Verfahren zur Durchführung eines Schnellladevorgangs einer Sekundärbatterie. Ein wichtiger Aspekt bei der Bereitstellung von Sekundärbatterien ist die Ladedauer oder Ladezeit, innerhalb der die Sekundärbatterie aus einem Entladungszustand wieder aufgeladen werden kann. Sie spielt insbesondere beim Betrieb von Hochenergie- und Hoch- leistungs-Sekundärbatterien, insbesondere vom Typ Lithium-Ionen Akkumulator, als Antriebsbatterien in motorisierten Fahrzeugen eine wichtige Rolle. Solche Sekundärbatterien weisen aufgrund des hohen Energiespeicherbedarfs entsprechend hohe Kapazitäten auf. Beim Laden tritt wegen der großen Kapazität der Sekundärbatterien das Problem auf, dass zum Erzielen einer akzeptablen Ladezeit, insbesondere möglichst kurzen Ladezeit, der Ladestrom relativ groß sein muss. Ein großer Ladestrom hat insbesondere wegen des endlichen Innenwiderstandes und der elektrischen Widerstände der stromführenden Leiter jeder Sekundärbatterie eine thermische Belastung für die Sekundärbatterie zur Folge, insbesondere für deren Zellen, was ein Sicherheitsrisiko darstellt. Die meisten kommerziell erhältlichen Sekundärbatterien, insbesondere Lithium-Ionen-Sekundärbatterien, lassen sich deshalb aus Sicherheitsgründen mit einem nach oben beschränkten geringen Ladestrom aufladen, der eine entsprechend lange Ladezeit von z.B. mehr als acht Stunden zur Folge haben kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sekundärbatterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, ein Ladesteuerungssystem für eine Sekundärbatterie, eine galvanische Zelle für eine Sekundärbatterie, eine Anordnung aus mindestens einer Elektrode und einem Separator für eine solche galvanische Zelle, und ein Verfahren zur Durchführung eines Schnellladevorgangs einer Sekundärbatterie bereitzustellen, die eine Schnellladung ermöglichen und gleichzeitig sicher sind. Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche, insbesondere mit der Sekundärbatterie gemäß Anspruch 1 , mit dem Ladesteuerungssystem für eine Sekundärbatterie gemäß Anspruch 12, mit der galvanische Zelle für eine Sekundärbatterie gemäß Anspruch 13, mit der Anordnung aus mindestens einer Elekt- rode und einem Separator für eine solche galvanische Zelle gemäß Anspruch 14, und mit dem Verfahren zur Durchführung eines Schnellladevorgangs einer Sekundärbatterie gemäß Anspruch 15. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die erfindungsgemäße Sekundärbatterie ist insbesondere eine Lithium-Ionen- Sekundärbatterie, kann aber außer einer Li-Ionen-Sekundärbatterie auch ein anderer Typ von Sekundärbatterie sein, und weist Schnellladefähigkeit auf. Die Sekundärbatterie umfasst mindestens eine galvanische Zelle und ein elektrisches Ladesteuerungssystem, wobei die galvanische Zelle mindestens zwei Elektroden und mindestens einen Separator aufweist, wobei das Ladesteuerungssystem zur Kontrolle des Ladevorgangs der Sekundärbatterie derart ausgebildet ist, dass es zumindest zeitweilig einen relativen Ladestroms mit einem Ladestromwert vorsieht, wobei der relative Ladestrom der auf die Kapazität der Sekundärbatterie bezogene Ladestrom mit der Einheit C (A/Ah) ist, und wobei dieser Ladestromwert mindestens 1C beträgt und der Separator eine Beschichtung aufweist, die ein ionenleitendes Material umfasst, das mindestens eine anorganische Komponente aufweist, wobei die Beschichtung so ausgebildet ist, dass sie bei Vorliegen dieses Ladestroms stabil ist.
In der vorliegenden Beschreibung werden Definitionen gegeben und bevorzugte Ausgestaltungsformen der Sekundärbatterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, des Ladesteuerungssystems für eine Sekundärbatterie, einer galvanischen Zelle für eine Sekundärbatterie, einer Anordnung aus mindestens einer Elektrode und einem Separator für eine galvanische Zelle, und eines Verfahrens zur Durchführung eines Schnellladevorgangs einer Sekundärbatterie, gemäß der Erfindung, beschrieben. Darüber hinaus lassen sich allgemeine technische Definitionen im Gebiet der Batterietechnik dem Buch„Handbook of Batteries", David Linden, Thomes B. Reddy, Third Edition, 2002, MacGraw-Hill Verlag, entnehmen.
Die erfindungsgemäße Sekundärbatterie, das Ladesteuerungssystem, die galvanische Zelle und die Anordnung aus Elektrode und Separator für die galvanische Zelle sind vorzugsweise insbesondere zur Verwendung als Antriebsbatterie eines motorisierten Fahrzeugs ausgebildet oder für diese Verwendung optimiert Unter einem motorisierten Fahrzeug im Sinne der vorliegenden Erfindung sollen Fahrzeuge aller Art verstanden werden, die ihre Bewegungsenergie wenigstens teilweise aus einem Motor beziehen, der einer Energiequelle (Energie- Speicher) Energie entnimmt und diese wenigstens teilweise in Bewegungsenergie des Fahrzeugs umwandelt Typische Beispiele solcher motorisierten Fahrzeuge sind unter anderem Kraftfahrzeuge für den Straßenverkehr, z B einspurige (z B Fahrrader) oder zweispurige KFZ , Lokomotiven, Schiffe und Flugzeuge Als Motoren kommen insbesondere aber nicht ausschließlich Verbrennungsmotoren, Elektromotoren und Kombinationen aus solchen An- tπebsaggregaten, sogenannte Hybridantriebe, in Betracht
Die Erfindung ist aber nicht auf die Verwendung bei motorisierten Fahrzeugen beschrankt, sondern kann insbesondere überall dort eingesetzt werden, wo schnellladende Batterien nützlich sind, z B bei Mobiltelefonen und Notebooks sowie anderen elektronischen Unterhal- tungs- oder Haushaltsgeraten oder Werkzeugen insbesondere für den Heimwerker- oder Profibedarf und dergleichen
Unter einer Lithium-Ionen-Batterie ist vorliegend ein Lithium-Ionen-Akkumulator, eine Li- thium-lonen-Sekundarbatteπe, eine Lithium-Ionen-Batterie bzw eine Lithium-Ionen-Zelle, aus der Serien- bzw Reihenschaltung einzelner Lithium-Ionen-Zelleπ Batterien oder Akkumulatoreinrichtungen gebildet werden, zu verstehen Das bedeutet, dass der Begriff Lithium- lonen-Batteπe hierin als Sammelbegriff für die im Stand der Technik gebräuchlichen, vorgenannten Begriffe verwendet wird Unter Schnellladung (englisch fast chargmg) oder Schnellladefahigkeit wird vorliegend verstanden, dass das Laden der Sekundarbatteπe aus einem entladenen Zustand von vorzugsweise 5% oder vorzugsweise 20% in einen geladenen Zustand von vorzugsweise entweder 60%, vorzugsweise 85 % oder vorzugsweise 95% ihrer vollen Kapazität innerhalb einer Ladezeit erfolgen kann oder erfolgt, wobei diese Ladezeit jeweils vorzugsweise maximal 240 min, 180 mm, 120 min, 90 min und mehr bevorzugt maximal 60 min, 45 min, 30 min, 15 min 5 min oder 1 min betragt Unter„voller Kapazität" wird dabei die Kapazität verstanden, welche die Sekundarbatteπe aufgrund ihres Gebrauchszustands aktuell maximal erreichen kann. Diese volle Kapazität kann also z.B. kleiner oder gleich der nominellen Kapazität oder ursprünglichen Höchstkapazität der Sekundärbatterie sein.
Der relative Ladestrom, mit dem die Sekundärbatterie geladen wird, wird gewöhnlich definiert als der auf die Kapazität der Sekundärbatterie oder Batteriezelie bezogene Ladestrom, so dass z.B. eine mit einem absoluten Ladestrom von 10A ladende Sekundärbatterie mit einer Kapazität von 10 Ah (Ampere-Stunden) einen relativen Ladestrom von 1C (Einheit
C=A/Ah=1/h) aufweist. Der Ladestromwert beträgt vorzugsweise mindestens 1 C, 2C, 4C, 6C, 8C, 10C, 12C, 15C, 2OC, 4OC, 8OC oder 100C. Die Wahl des Ladestromwertes hängt insbesondere von der Wahl des Aktivmaterials der Elektroden und insbesondere von der Wahl des Materials (=Werkstoff) des Separators ab.
Die Erfinder haben festgestellt, dass die Verwendung einer bestimmten Beschichtung für den Separator es ermöglicht, insbesondere unter Verwendung von gegebenen Materialien für die Elektroden, eine schnellladefähige Sekundärbatterie bereitzustellen und eine entsprechende schnellladefähige galvanische Zelle sowie eine schnellladefähige Anordnung aus Elektrode und Separator bereitzustellen. Die resultierende Schnellladefähigkeit der Sekundärbatterie ist einerseits auf die besonderen ionenleitenden Eigenschaften des Separators zurückzuführen und ferner auf die Tatsache, dass sowohl die Beschichtung, der entsprechende Separa- tor, die entsprechende Anordnung aus Elektrode und Separator, die entsprechende galvanische Zelle sowie die Batterie selber eine höhere thermische Belastbarkeit aufweisen, wodurch höhere Ladeströme tolerierbar sind und folglich kürzere Ladezeiten erreicht werden können. Diese Überlegenheit zeigt sich insbesondere gegenüber solchen bekannten Sekundärbatterien, deren Separatoren z.B. nur eine Polyethylenbasis aufweisen.
Die Beschichtung umfasst ein ionenleitendes Material, das mindestens eine anorganische Komponente aufweist. Die anorganische Komponente des Separators weist vorzugsweise eine mikroporöse Schicht zum Imprägnieren mit einem Elektrolyt auf, deren Porengrößen insbesondere im Wesentlichen kleiner als 4, 2 oder 1 μm sind. Die Beschichtung oder die anorganische Komponente ist ferner vorzugsweise keramisch oder weist vorzugsweise eine keramische Komponente auf. Die Keramik ist vorzugsweise eine Oxid-Keramik und kann jeweils allein oder in beliebiger Kombination Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid, Titandioxid umfassen. Die Beschichtung weist besonders bevorzugt Magnesiumoxid auf. Die anorganische Komponente des Separators entspricht vorzugsweise einer anorganischen Komponente des kommerziell erhältlichen Separatorkompositmaterials mit dem Handelsnamen SEPARION, das von der Evoπik AG, Deutschland, erhältlich ist. Diese Beschichtung entspricht ferner vorzugsweise dem Beschichtungsmaterial SEPARION.
Unter Separatorkompositmaterial ist ein Material zur Separierung bzw. Trennung der Elektroden in einer elektrochemischen Vorrichtung, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie zu verstehen, wie es beispielsweise unter dem Namen Separion® bekannt ist, oder wie es beispielsweise in der WO 2004/021499 oder der WO 2004/021477 und insbesondere der EP 1 017 476 B1 , beschrieben ist.
Im Sinne der Erfindung ist unter der Beschichtung des Separators bzw. einem Separator auch eine elektrisch isolierende Einrichtung zu verstehen, welche eine Anode von einer Kathode trennt und beabstandet. Vorzugsweise ist eine Separatorschicht auf eine Anoden- Schicht und/oder eine Kathodenschicht aufgetragen. Alternativ kann die poröse funktionelle Schicht auch direkt auf der Elektrode, z.B. auf der Aktivschicht einer negativen Elektrode aufgebracht werden. Die Separatorschicht bzw. der Separator nimmt auch einen Elektrolyt wenigstens teilweise auf, wobei der Elektrolyt vorzugsweise Lithium-Ionen enthält. Der E- lektrolyt ist auch mit benachbarten Schichten des Elektrodenstapels elektrochemisch wirk- verbunden. Vorzugsweise entspricht die geometrische Gestalt eines Separators im Wesentlichen der Gestalt einer Anode des Elektrodenstapels.
Vorzugsweise ist ein Separator dünnwandig, z.B. 4-25 μm dick, ausgebildet, besonders bevorzugt als mikroporöse Folie. Vorzugsweise ist ein Separator mit einem Vlies aus elektrisch nicht leitfähigen Fasern ausgebildet, wobei das Vlies auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet ist. EP 1 017 476 B1 beschreibt einen derartigen Separator und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Vorzugsweise ist die Separatorschicht bzw. der Separator mit einem Additiv benetzt, welches auch die Beweglichkeit der Separatorschicht bzw. des Separator erhöht. Besonders bevorzugt erfolgt die Benetzung mit einem ionischen Additiv. Vorzugsweise erstreckt sich die Separatorschicht bzw. der Separator wenigstens bereichsweise über eine Begrenzungskante wenigstens einer Elektrode. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Separatorschicht bzw. der Separator über sämtliche Begrenzungskanten benachbarter Elektroden hinaus. Durch die erfindungsgemäße Verwendung des Separators mit dieser Beschichtung kann insbesondere das Risiko eines Durchbrennens (englisch: Thermal Runaway) während dem Schnellladen der Sekundärbatterie reduziert werden, wodurch der Betrieb der Sekundärbat- terie mit Schnelladefähigkeit sicherer wird. Thermal runaway ist das schnelle und unkontrollierte Freisetzen und Zersetzen von Aktivmaterial der Elektroden unter starkem Druckaufbau und Temperaturfreisetzung, welches nur schwierig aufzuhalten ist. Kommt es z.B. in einem Lithium-Ionen-Akkumulator zu einem lokalen Kurzschluss der internen Elektroden, z.B. weil der diese trennende Separator durch einen eingeschlossenen Fremdpartikel verunreinigt ist oder weil eine sonstige lokale Inhomogenität des Separators vorliegt, so kann der Kurz- schluss-Strom die nähere Umgebung der Schadstelle so weit aufheizen, dass die umliegenden Bereiche ebenfalls in Mitleidenschaft gezogen werden. Der Prozess weitet sich aus und setzt die im Akkumulator gespeicherte Energie schlagartig frei. Dieser Effekt kann auf die umliegenden Zellen überspringen und ein Kaskadeneffekt tritt ein. Dadurch kann die gesamt Energie nebst Reaktionsenergie eines Li-Akku freigesetzt werden.
Der Mechanismus der Thermal-Runaway-Reaktion kann bei Temperaturen ab 1800C auftreten, kann aber auch schon bei Temperaturen über 80 - 150 0C eintreten, wenn der SEI (solid electrolyte interface) Layer der negativen Elektrode geschädigt wird und diese z.B. in einer exothermen Reduktion des Elektrolyten mit lithiiertem Interkalationsgrafit reagiert. In einer ersten Phase, insbesondere bei einem ersten Temperaturregime bis 80 - 15O0C, tritt in der Regel keine Thermal-Runaway-Reaktion ein. In einer zweiten Phase, insbesondere bei einem zweiten Temperaturregime bis um die 180 0C und darüber, kann eine zusätzliche Reaktion des Elektrolyten auf der Kathodenoberfläche beginnen, so dass sich im Inneren der ZeI- Ie ein Druck aufgebaut. In einer dritten Phase, insbesondere bei einem dritten Temperaturregime über 180 0C und 200 0C, kann eine Zersetzung des Kathodenaktivmaterials mit einer exothermen Reaktion starken Maßes erfolgen. Die Anodenpassivierungsschichten können völlig zerstört werden und freier Elektrolyt kann exotherm zersetzt werden. Es können durch die Zersetzung des Kathodenmaterials sehr hohe Temperaturen und starker Rauch entste- hen.
Dies wird bei einer Zelle mit dem erfindungsgemäßen Separator nicht in herkömmlicher Weise eingeleitet, weil diese Zelle immer in der ersten Phase und der zweiten Phase stabil bleibt und kein Thermal Runaway ausgelöst wird. Ein kurzzeitiger Temperatureinfluss und Reaktionsbeginn in der Zelle, z.B. um die 2000C oder darüber, bewirkt die Auslösung eines lokalen Thermal Runaways, der sich aber nicht fortsetzt oder ausweitet. Die Zelle wird nur sektoral geschädigt. Durch dieses stabile Verhalten und das Niederschlagen der Reaktion durch die- se Schichten in einer Sekundärbatterie, insbesondere einer Sekundärbatterie in Hochenergie und Hochleistungsausführung, insbesondere für den Antrieb motorisierter Fahrzeuge, kann der negative Effekt nicht kaskadenartig auf benachbarte Zellen übertreten. Die Zerstörung des gesamten Akkus kann so vermieden werden, wodurch dessen Betrieb sicherer wird. Die Beschichtung ist so ausgebildet, dass sie bei Vorliegen des Ladestroms, der insbesondere zum Erzielen einer Schnellladung möglichst groß ist, stabil ist;„stabil" bedeutet, dass unter normalen Umständen, wenn außer der Temperatur keine weiteren Störungen vorliegen, keine Thermal-Runaway-Reaktion auftritt. Um die Beschichtung stabil zu halten, ist sie vorzugsweise so gestaltet, dass sie für den (lonen-)Strom einen möglichst kleinen elektri- sehen Widerstand darstellt und dass insbesondere der resultierende Innenwiderstand der Sekundärbatterie möglichst klein ist. Vorzugsweise wird die Beschichtung so ausgestaltet, dass -optional in Abhängigkeit vom verwendeten Elektrolyt- die lonenleitfähigkeit möglichst groß ist, insbesondere die Leitfähigkeit für Lithium-Ionen. Es ist möglich und bevorzugt, dass die durchschnittliche Größe der Mikroporen der Beschichtung so gewählt wird, dass die Be- Schichtung bei Vorliegen des Ladestroms stabil ist. Dazu wird die Porengröße möglichst groß gehalten, insbesondere zwischen 1 und 5 μm oder zwischen 1 und 4 μm oder zwischen 2 und 4 μm oder zwischen 3 und 4 μm im Durchmesser. Ferner umfasst die Beschichtung vorzugsweise molekulare Bausteine, die amorphe oder kristalline Anordnungen ausbilden, die den (Lithium-)lonenfluß fördern und insbesondere den (Lithium-)lonenfluß in drei Raumrich- tungen anstatt nur in zwei Raumrichtungen ermöglichen.
Das Ladesteuerungssystem ist vorzugsweise Teil eines Batteriemaπagementssystems (BMS) oder ist ein BMS oder ist in einem BMS enthalten. Derartige Batteriemanagementsysteme überwachen nicht nur die elektrischen Betriebsparameter eines (Lithium-Ionen- )Akkumulators, sondern auch dessen Temperatur unter Benutzung gebräuchlicher, am (Li- thium-lonen-)Akkumulator angeordneter Temperatursensoren. Üblicherweise sind die Temperatursensoren an der Außenseite des Gehäuses eines (Lithium-lonen-)Akkumulators angebracht, so dass eine insbesondere übermäßige Erwärmung oder gar eine lokale Überhit- zung an den innerhalb des Gehäuses angeordneten, stromführenden Elementen des Akkumulators nicht unmittelbar bzw. nur mit einer Zeitverzögerung detektiert werden können.
Vorzugsweise ist bei der Sekundärbatterie mindestens ein dem Ladesteuerungssystem zu- geordneter Temperatursensor vorgesehen oder es sind mehrere Temperatursensoren vorgesehen, wodurch eine Temperatur der galvanischen Zelle oder mehrere Temperaturen er- fasst werden. Auf diese Weise kann die Zelltemperatur gemessen werden, wodurch die Batterie sicherer wird. Insbesondere kann die Ladezeit verkürzt werden, wenn das Ladesteuerungssystem so ausgestaltet ist, dass der Ladestrom in Abhängigkeit vom zugelassenen Grenzwert der Zelltemperatur maximiert wird. Diese Grenztemperatur ist vorzugsweise abhängig gewählt vom -und insbesondere optimiert auf das- Material des Separators oder dessen Beschichtung und liegt vorzugsweise zwischen 600C und 18O0C, vorzugsweise zwischen 7O0C und 100°C, vorzugsweise zwischen 8O0C und 150°C, vorzugsweise zwischen 80°C und 12O0C oder vorzugsweise zwischen 1000C und 1200C. Die Grenztemperatur kann einen Temperatur-Sicherheitsabstand zu den rein materialtechnisch möglichen Grenztemperaturen berücksichtigen, der unter Berücksichtigung von empirisch zu erwartenden oder berechneten Wahrscheinlichteitsdaten die Wahrscheinlichkeit eines Thermal-Runaways weiter reduziert.
Das Ladesteuerungssystem ist vorzugsweise zur Kontrolle des Ladevorgangs unter Berück- sichtigung einer Zelltemperatur der galvanischen Zelle und einer vorbestimmten Grenztemperatur ausgebildet. Zu diesem Zweck kann das Ladesteuerungssystem elektrische Schaltkreise, insbesondere programmierbare elektrische Schaltkreise, aufweisen, mittels denen insbesondere ein Programm zur Schnellladung der Sekundärbatterie ausgeführt werden kann. Mittels einem solchen Programm kann von dem Ladesteuerungssystem ein Verfahren, insbesondere das des Anspruchs 15, zur Durchführung eines Schnellladevorgangs einer Sekundärbatterie umgesetzt werden.
Das Ladesteuerungssystem ist vorzugsweise so gestaltet, dass es den Ladevorgang in Abhängigkeit von der Zelltemperatur und der Grenztemperatur steuert und insbesondere den absoluten Ladestrom reduziert oder nahezu (z.B. auf unter 5% des Anfangswertes eines zeitweilig konstanten Ladestroms) oder vollständig unterbricht, wenn die Zelltemperatur die Grenztemperatur erreicht. Das Ladesteuerungssystem ist ferner vorzugsweise so gestaltet, dass das Laden im Konstantstrom-Ladeverfahren (CC, constant current), im Pulsladeverfahren, im Konstantspan- nungs-Ladeverfahren (CV, constant voltage), im Konstantstrom-Konstantspannungs- Ladeverfahren (CCCV) oder in einem Verfahren erfolgt, dass diese Verfahren kombiniert
Das Ladesteuerungssystem ist ferner vorzugsweise zum Schnellladen ausgestaltet, insbesondere zum Laden der Sekundarbatteπe aus einem entladenen Zustand von 20% in einen geladenen Zustand von vorzugsweise 60% oder 85 % ihrer vollen Kapazität innerhalb einer Ladezeit ausgebildet ist, wobei diese Ladezeit jeweils vorzugsweise maximal 240 min, 180 mm, 120 min, 90 min und mehr bevorzugt maximal 60 min, 45 min, 30 min, 15 min, 5 min oder 1 mm betragt Das Ladesteuerungssystem für eine Sekundarbatteπe ist vorzugsweise zur Durchfuhrung eines Schnellladevorgangs gemäß dem Verfahren nach Anspruch 15 ausgebildet Das Ladesteuerungssystem ist ferner vorzugsweise derart gestaltet, dass der Ladestromwert vorzugsweise mindestens 2C, 4C, 6C, 8C, 10C, 12C, 15C, 2OC, 4OC, 8OC oder 100C betragt, oder zwischen jeweils zweien dieser Werte liegt
Das Problem der thermischen Belastung bei Schnellladung einer Sekundarbatteπe tritt ins- besondere in Abhängigkeit vom Material der Aktivschicht der positiven Elektrode unterschiedlich stark auf Eine Elektrode der galvanischen Zelle, insbesondere die positive Elektrode (entspricht beim Entladen des Akkus der Kathode) weist vorzugsweise eine Aktivschicht auf, die vorzugsweise eine Phospatverbindung, insbesondere ein Lithium-Eisen-Phosphat, umfasst Eine Aktivschicht kann insbesondere so aufgebaut sein, wie in der EP 0
904 607 B1 beschrieben und ausgeführt
Unter der negativen Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie ist die Elektrode zu verstehen, an der sich beim Ladevorgang die positiv geladenen Lithium-Ionen, die durch den Elektrolyten hindurch von der Gegenelektrode (der positiven Elektrode bzw Kathode) geliefert werden, ansammeln, und von der die Lithium-Ionen beim Entladen zurück in die Gegenelektrode wandern Ferner ist es möglich und bevorzugt, dass eine Aktivschicht einer Elektrode der galvanischen Zelle, insbesondere der positiven Elektrode, ein Metalloxid aufweist, insbesondere die Metalloxide der Metalle Nickel und/oder Mangan und/oder Cobalt. Vorzugsweise weist die Aktivschicht NMC (lithiated nickel-manganese-cobalt oxide) auf, insbesondere mit einem Gewichtsanteil von 85 - 95 % und insbesondere im Mengenverhältnis von 1 Li mit jeweils 1/3 Ni, Mn und Co. Es wurde z.B. überraschend festgestellt, dass bei der Kombination einer NMC-Elektrode mit einem Separator, der die beschriebene Beschichtung, z.B. SEPARION- Beschichtung, aufweist, eine Thermal-Runaway-Reaktion beim Schnellladen nur in der Temperaturregion von >180°C auftritt und die Kombination in den Temperaturbereichen <180°C stabil blieb. Diese Beobachtung gilt insbesondere für Sekundärbatterie-(Stapel-)Zellen mit Kapazitäten von vorzugsweise größer als 10 Ah, vorzugsweise größer als 20 Ah, vorzugsweise größer als 30 Ah, vorzugsweise größer als 40 Ah, und gilt z.B. insbesondere für eine großformatige Stapelzelle mit > 40 Ah und nominal 3,6 V. Eine Aktivschicht kann aus Aktivmassepartikeln mit einer Korngröße von z.B. 5-40 μm gebildet sein. Unter der genannten Aktivschicht der negativen Elektrode ist die Schicht zu verstehen, in der die elektrochemischen Vorgänge der Anlagerung von Lithium-Ionen beim Laden bzw. der Wiederabgabe von Lithium-Ionen an den Elektrolyten beim Entladen vorgehen. Dabei kann die Aktivschicht beispielsweise aus Graphit, sogenanntem„Hard Carbon" (eine amorphe Kohlenstoffmodifikation) oder aus nanokristallinem, amorphen Silizium bestehen, wobei die Lithium-Ionen sich in den vorgenannten Materialien durch sogenannte Interkalation beim Laden ansammeln. Wenn die negative Elektrode aus Graphit besteht, bewegen sich Lithium-Ionen beim Laden zwischen die Graphitebenen (nC) der negativen Elektrode und bilden mit dem Kohlenstoff eine Interkalationsverbindung (LinxnC).
Die Aktivschicht kann auch aus Lithium-Titanat (Li4Ti5O12) bestehen. Weitere Materialien zum Ausbilden der Aktivschicht umfassen beispielsweise: metallisches Lithium; Legierungen auf Zinnbasis; Metallnitride oder Phosphide, die in der Lage sind, Lithium einzulagern, wie beispielsweise CoN3, NiN3, CuN3, oder FeP2; Nitride LixMyN2, wobei M beispielsweise Mo, Mn oder Fe ist und vorzugsweise x = 0,01 bis 1 , mehr bevorzugt 0,2 bis 0,9, und y = 1-χ ist; Nitride Li3-xMxN, wobei M ein Übergangsmetall ist und vorzugsweise x = 0,1 bis 0,9, mehr bevorzugt 0,2 bis 0,8; und/oder Phosphide LixMyPz, wobei M ein Metall wie beispielsweise Cu, Mn oder Fe ist und vorzugsweise x = 0,01 bis 1 , mehr bevorzugt 0,2 bis 0,9 ist, y = 1-x ist; und z eine ganze Zahl ist, die so groß gewählt ist, dass die Verbindung keine elektrische Ladung aufweist. Die Aktivschicht kann auch aus einer beliebigen Mischung der vorgenannten Materialien bestehen.
Unter den genannten Aktivmassepartikel sind die, beispielsweise kristallinen, Partikel des die Aktivschicht ausbildenden Materials, zwischen denen die Lithium-Ionen sich beim Laden ansammeln, zu verstehen. Für Graphit als negatives Elektrodenmaterial kann ein Aktivmassepartikel auch eine Graphitebene sein. In einer für den Einsatz fertiggestellten Elektroden für eine Lithium-Ionen-Zelle können die Aktivmassepartikel auch mittels eines Bindemittels zum Ausbilden der Aktivschicht miteinander verbunden bzw. aneinander haftend sein.
Die Aktivschicht kann im Wesentlichen aus aneinander haftenden Aktivmassepartikeln bestehen und die äußere Oberfläche der Aktivschicht ist im Wesentlichen durch die zur Außen- seite der Aktivschicht hin exponierten Oberflächen der Aktivmassepartikel gebildet. Unter der „zur Außenseite der Aktivschicht hin exponierten Oberfläche" ist die für das Ansammeln der Lithium-Ionen zugängliche Oberfläche der die Aktivschicht ausbildenden Aktivmassepartikel zu verstehen. Diese äußere Oberfläche der Aktivschicht kann zumindest teilweise mit Nano- partikeln oder andersförmigen Nanoteilchen beschichtet sein.
Eine Elektrode und/oder der Separator kann einen Träger oder eine Trägerstruktur bzw. eine Trägerschicht aufweisen.
Die Trägerschicht kann im Wesentlichen aus Trägerfasern bestehen und die äußere Ober- fläche der Trägerschicht ist dann im Wesentlichen durch die zur Außenseite der Trägerschicht hin exponierte Oberfläche der Trägerfasern gebildet. Die Ausbildung der Trägerschicht aus Trägerfasern bewirkt, dass die Trägerschicht selbsttragend wird.
Zumindest die oberste Faserschicht der die Trägerschicht bildenden Trägerfasern kann im Wesentlichen allseitig mit Nanopartikeln beschichtet sein. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, wenn eine mit Nanopartikeln beschichtete Faserschicht auf einem Substrat von nicht mit Nanopartikeln behandelten Faserschichten zur Ausbildung der Trägerschicht aufgebracht wird. Auch können die die Tragerschicht bildenden Tragerfasern im Wesentlichen allseitig mit Na- nopartikeln beschichtet sein Diese Ausfuhrungsform ist vorteilhaft, wenn die Beschichtung der Fasern mit Nanopartikeln, insbesondere beispielsweise aus Haftungsgrunden, vor dem Verarbeiten der Tragerfasern zur Tragerschicht ausgeführt wird
Die Tragerschicht kann aus gewebten oder aus nicht gewebten Tragerfasern bestehen Dadurch sind in der Anwendung sowohl Gewebe als auch Vliese möglich Die Tragerfasern können Polymerfasern oder zum Ausbilden eines Gewebes geeignete Stahldrahte, insbesondere Edelstahldrahte, sein Polymerfasern und Stahldrahte sind leicht verfugbare und preiswerte Ausgangsmateπalien zum Ausbilden der Tragerschicht für das Separatorkompositmateπal Vorzugsweise ist die Tragerschicht ein Edelstahlgewebe oder ein Polymervlies Dies sind besonders preiswert und vielfaltig verfugbare Rohstoffmateπalien für die Tragerschicht
Die Aktivschichten der Elektroden und/oder der Separator oder der Trager können jeweils ganz oder teilweise mit mit Nanopartikeln (z B Aluminiumoxid (AI2O3), Zirkonoxid (Zro2) oder Siliziumoxid (SιO2) oder aus einer Mischung von diesen oder NMC) beschichtet sein Nanopartikel sind vorliegend vorzugsweise Teilchen mit einer Dimension, z B einem Durchmesser oder einer Dicke, von weniger als 500 nm Alternativ oder zusätzlich zu Nanopartikeln können auch Nanostabchen, Nanoplattchen oder aus solchen Nanosubteilchen gebildete Teilchen mit komplexeren Geometrien, z B Tetrapods, zur Beschichtung verwendet werden Mit einer Beschichtung mit solchen Teilchen kann das Leistungsvermögen der negati- ven Elektrode (Anode beim Entladen), wie experimentell gefunden wurde, verbessert werden, insbesondere, wenn die Teilchen kammartig an der Aktivschicht angeordnet werden Auch die Beständigkeit gegenüber einer Thermal-Runaway-Reaktion und damit die Schnell- ladefahigkeit kann mit einer Beschichtung mit solchen Teilchen verbessert werden Die erfinduπgsgemaße galvanische Zelle für eine Sekundarbattene, die Schnellladefahigkeit aufweist, umfasst mindestens zwei Elektroden und mindestens einen Separator, der insbesondere bei Temperaturen bis zu 18O0C im Wesentlichen keine strukturellen Schaden erleidet Im Sinne der Erfindung ist unter einer galvanischen Zelle eine Einrichtung zu verstehen, welche auch zur Abgabe elektrischer Energie und zur Wandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient Dazu weist die galvanische Zelle wenigstens zwei Elektroden un- terschiedlicher Polarität und den Elektrolyt auf Je nach Bauart ist die galvanische Zelle auch in der Lage, beim Laden elektrische Energie aufzunehmen, in chemische Energie zu wandeln und abzuspeichern Die Wandlung von elektrischer in chemische Energie ist verlustbehaftet und von unumkehrbaren chemischen Reaktionen begleitet Ein elektrischer Strom in eine galvanische Zelle oder aus dieser heraus kann eine elektrische Heizleistung bewirken Diese elektrische Heizleistung kann zur Temperaturerhöhung der galvanischen Zelle fuhren Mit steigender Temperatur nehmen unumkehrbare chemische Reaktionen zu Diese unumkehrbaren chemischen Reaktionen können bewirken, dass Bereiche einer galvanischen Zelle für die Wandlung und/oder Speicherung von Energie nicht mehr zur Verfugung stehen Mit einer zunehmenden Zahl von Ladevorgangen gewinnen diese Bereiche an Umfang Damit sinkt die nutzbare Ladekapazitat einer galvanischen Zelle bzw der Vorrichtung Die galvanische Zelle kann einen Elektrodenstapel umfassen oder mehrere galvanische Zellen können einen Elektrodenstapel bilden
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Elektrodenstapel auch eine Einrichtung zu verstehen, welche als Baugruppe einer galvanischen Zelle auch der Speicherung chemischer Energie und zur Abgabe elektrischer Energie dient Vor der Abgabe elektrischer Energie wird gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie gewandelt Wahrend des Ladens wird die dem Elektrodenstapel bzw der galvanischen Zelle zugefuhrte elektrische Energie in chemische Energie gewandelt und abgespeichert Dazu weist der Elektrodenstapel mehrere Schichten auf, wenigstens eine Anodenschicht, eine Kathodenschicht und eine Separatorschicht Die Schichten sind übereinander gelegt bzw gestapelt, wobei die Separatorschicht wenigstens teilweise zwischen einer Anodenschicht und einer Kathodenschicht angeordnet ist Vorzugsweise wiederholt sich diese Abfolge der Schichten innerhalb des Elektrodenstapels mehrfach Bevorzugt sind einige Elektroden miteinander insbesondere elektrisch ver- bunden, insbesondere parallel geschaltet Vorzugsweise sind die Schichten zu einem Elektrodenwickel aufgewickelt Nachfolgend wird der Begriff„Elektrodenstapel" auch für Elektrodenwickel verwendet Die erfindungsgemäße Anordnung, die Schnellladefähigkeit aufweist, umfasst mindestens eine Elektrode und einen Separator für eine galvanische Zelle, wobei der Separator eine Beschichtung umfasst, die insbesondere bei Temperaturen bis zu 1800C im Wesentlichen keine strukturellen Schäden erleidet, und die optional auf einer Elektrode aufgebracht ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Durchführung eines Schnellladevorgangs einer Sekundärbatterie, insbesondere einer erfindungsgemäßen Sekundärbatterie, die mindestens eine galvanische Zelle mit mindestens zwei Elektroden und mindestens einem Separator umfasst, der eine Beschichtung umfasst, die ein ionenleitendes Material mit mindestens einer anorganischen Komponente aufweist, wobei die Beschichtung so ausgebildet ist, dass sie bei Vorliegen des Ladestroms stabil ist, umfasst die Schritte: - zumindest zeitweiliges Bereitstellen eines relativen Ladestroms mit einem Ladestromwert, der insbesondere mindestens 1 C beträgt; - vorzugsweise: Verwenden einer Grenztemperatur, die vorzugsweise in Abhängigkeit von der Materialwahl der Beschichtung eines Separators gewählt ist, Messen einer Zelltemperatur der galvanischen Zelle; - vorzugsweise: Steuern des Ladevorgang in Abhängigkeit von der Zelltemperatur und der Grenztemperatur und insbesondere Reduzieren des absoluten Ladestrom oder Unterbrechen des Ladestroms, wenn die Zelltemperatur die Grenztemperatur erreicht. Weitere bevorzugte Schritte des Verfahrens kann der Fachmann ohne weiteres aus der vorliegenden Beschreibung der Sekundärbatterie und Ihrer Bestandteile ableiten.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Vorrichtungen oder des Verfahrens gemäß der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels. Eine erfindungsgemäß Lithium-Ionen-Sekundärbatterie umfasst im Beispiel eine großformatige galvanische Stapelzelle mit > 40 Ah und nominal 3,6 V Spannung. Sie weist einen Elektrodenstapel auf. Die galvanische Zelle weist negative Elektroden auf Graphit-Basis, positive Elektroden auf NMC-Basis (NMC: lithiated nickel-manganese-cobalt oxide) und Elektrolyt mit Alkylkarbonaten, Additiven und Li-Leitsalz auf.
Zwischen jeweils einer negativen und einer positiven Elektrode ist ein Separator angeordnet, der mit einer Beschichtung z.B. aus dem Beschichtungsmaterial Separion® versehen ist. Als besondere Vorteile der Beschichtung wird im Betrieb der Sekundärbatterie gefunden, dass die Zellen thermisch stabiler sind und eine gute Benetzbarkeit des Materials durch den Elektrolyt gegeben ist.
Der Separator weist einen Träger auf, der Edelstahlgewebe oder ein Polymervlies umfasst, versehen mit einer beständigen Keramik als keramische Membrane als Separator in den Stärken 4- 45 μm.
Das Aktivmaterial der negativen Elektrode ist kammartig mit Nanopartikeln (Aluminium- und Zirkonoxid) beschichtet.
Das Aktivmaterial der positiven Elektrode weist NMC auf.
Die Galvanische Zelle weist Ableiter auf. Die Ableiter sind Teil einer Ableiteinrichtung. Im Sinne der Erfindung ist unter einer Ableiteinrichtung eine Einrichtung zu verstehen, welche beim Entladen Elektronen aus einer galvanischen Zelle in Richtung eines elektrischen
Verbrauchers herausführt. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Ableiteinrichtung einer der Elektroden der galvanischen Zelle zugeordnet, mit dieser Elektrode insbesondere elektrisch leitend verbunden. Eine Ableiteinrichtung ermöglicht einen Stromfluss auch in entgegengesetzter Richtung. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Ableiteinrichtung mit einer galvani- sehen Zelle auch wärmeleitend verbunden. Bei einem entsprechenden Temperaturgefälle leistet eine Ableiteinrichtung im Sinne der Erfindung auch einen Transport von Wärmeenergie aus einer galvanischen Zelle heraus. Bevorzugt weist die Ableiteinrichtung ein Metall auf. Besonders bevorzugt weist die Ableiteinrichtung Kupfer oder Aluminium auf. Die Galvanische Zelle weist nahe der Elektrodenableiter Temperatursensoren auf. Nahe der Ableiter kann die Temperatur der galvanischen besonders stark ansteigen, da dort ein hoher Ladestrom große Temperaturen hervorrufen kann. In diesen Bereichen ist die Temperaturüberwachung deshalb besonders nützlich, um insbesondere eine Thermal-Runaway- Reaktion zu vermeiden.
Die Sekundärbatterie umfasst ein Ladesteuerungssystem, das Teil eines BMS ist. Das BMS ist mit den Temperatursensoren verbunden und ermittelt die Temperaturen nahe der Ableiter der galvanischen Zelle, insbesondere beim Laden und/oder Entladen der Zelle. Das BMS ist durch Programmierung mit einem Steuerungssoftwarecode dazu ausgebildet, den Ladestrom so hoch zu halten, dass eine Grenzwerttemperatur von 1500C an jedem der Temperatursensoren nicht überschritten wird. Ferner regelt das BMS den Ladestrom so, dass die Grenzwerttemperatur in einem Toleranzbereich von z.B. 130 bis 150 0C liegt, so dass der mögliche Ladestrom zum Erzielen einer möglichst kurzen Ladezeit auch ausgenutzt wird. Zum Laden der bis auf 20% der vollen Kapazität entladenen Sekundärbatterie bis auf 60% der vollen Kapazität wird zunächst ein Konstantstrom mit einem relativen Ladestrom von 1 C verwendet. Dafür benötigt das Ladesteuerungssystem eine Ladezeit von 2 Stunden. Auf diese Weise kann die Schnellladefähigkeit gezeigt werden.
Weitergehend bewirkt diese Elektroden-Separator-Anordnung, dass der Thermal Runaway, der bei herkömmlichen Anordnungen in allen Temperaturregimen initiiert werden kann, letztlich nur im Temperaturbereich >180° C auftreten kann und vorliegend nicht auftritt, so dass der Betrieb der Sekundärbatterie sicher ist. Dieses Ergebnis war überraschend und de- monstriert die Leistungsfähigkeit und das verbesserte Sicherheitsverhalten der Elektrode- Separator-Anordnung bzw. der Sekundärbatterie und des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Sekundärbatterie, insbesondere Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, die
Schnellladefähigkeit aufweist, mit mindestens einer galvanischen Zelle und mit einem elektrischen Ladesteuerungssystem,
wobei die galvanische Zelle mindestens zwei Elektroden und mindestens einen Separator aufweist,
wobei das Ladesteuerungssystem zur Kontrolle des Ladevorgangs der
Sekundärbatterie derart ausgebildet ist, dass es zumindest zeitweilig einen relativen Ladestroms mit einem Ladestromwert vorsieht, wobei der relative
Ladestrom der auf die Kapazität der Sekundärbatterie bezogene Ladestrom mit der Einheit C (A/Ah) ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
dieser Ladestromwert mindestens 1C beträgt und
der Separator eine Beschichtung aufweist, die ein ionenleitendes Material umfasst, das mindestens eine anorganische Komponente aufweist, wobei die Beschichtung so ausgebildet ist, dass sie bei Vorliegen dieses
Ladestroms stabil ist.
2. Sekundärbatterie gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Ladesteuerungssystem zugeordneter Temperatursensor vorgesehen ist, der eine Temperatur der galvanischen Zelle erfasst.
3. Sekundärbatterie gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladesteuerungssystem zur Kontrolle des Ladevorgangs unter
Berücksichtigung einer Zelltemperatur der galvanischen Zelle und einer vorbestimmten Grenztemperatur ausgebildet ist.
4. Sekundärbatterie gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladesteuerungssystem den Ladevorgang in Abhängigkeit von der
Zelltemperatur und der Grenztemperatur steuert und insbesondere den absoluten Ladestrom reduziert oder nahezu/vollständig unterbricht, wenn die Zelltemperatur die Grenztemperatur erreicht.
5. Sekundärbatterie gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese Grenztemperatur zwischen 600C und 18O0C, vorzugsweise zwischen 700C und 1000C, vorzugsweise zwischen 8O0C und 1500C, vorzugsweise zwischen 80°C und 12O0C oder vorzugsweise zwischen 1000C und 12O0C liegt.
6. Sekundärbatterie gemäß einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese Grenztemperatur in Abhängigkeit von der Materialwahl der Beschichtung des Separators gewählt ist.
7. Sekundärbatterie gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Ladesteuerungssystem zum Laden der
Sekundärbatterie aus einem entladenen Zustand von 20% in einen geladenen Zustand von vorzugsweise 60% oder 85 % ihrer vollen Kapazität innerhalb einer Ladezeit ausgebildet ist, wobei diese Ladezeit jeweils vorzugsweise maximal 240 min, 180 min, 120 min, 90 min und mehr bevorzugt maximal 60 min, 45 min, 30 min, 15 min, 5 min oder 1 min beträgt.
8. Sekundärbatterie gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Ladestromwert vorzugsweise mindestens 2C, 4C, 6C, 8C, 10C, 12C, 15C, 2OC, 40C, 8OC oder 100C beträgt.
9. Sekundärbatterie gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Batteriemanagementssystem vorgesehen ist, dem das Ladesteuerungssystem zugeordnet ist oder in dem das
Ladesteuerungssystem enthalten ist.
10. Sekundärbatterie gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Elektrode der galvanischen Zelle eine Aktivschicht aufweist, die vorzugsweise eine Phospatverbindung, insbesondere ein Lithium-Eisen-Phosphat, oder Metalloxide, insbesondere die Metalloxide der Metalle Nickel, Mangan und Cobalt, aufweist.
11. Sekundärbatterie gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische Komponente des Separators eine mikroporöse Keramik-Schicht zum Imprägnieren mit einem Elektrolyt umfasst, deren Porengrößen insbesondere im Wesentlichen kleiner als
4 μm sind, die insbesondere Magnesiumoxid aufweist.
12. Sekundärbatterie gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die anorganische Komponente des Separators einer anorganischen Komponente des Materials mit dem Handelsnamen
SEPARION entspricht, oder dass insbesondere diese Beschichtung dem Beschichtungsmaterial SEPARION entspricht.
13. Ladesteuerungssystem für eine Sekundärbatterie gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, das zur Durchführung eines Schnellladevorgangs ausgebildet ist indem es zumindest zeitweilig einen relativen Ladestroms mit einem Ladestromwert vorsieht.
14. Galvanische Zelle für eine Sekundärbatterie gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, die Schnellladefähigkeit aufweist, mit mindestens zwei Elektroden und mindestens einem Separator, der insbesondere bei
Temperaturen bis zu 18O0C insbesondere im Wesentlichen keine
strukturellen Schäden erleidet.
15. Anordnung, die Schnellladefähigkeit aufweist, aus mindestens einer Elektrode und einem Separator für eine galvanische Zelle gemäß Anspruch 14, wobei der Separator eine Beschichtung umfasst, die insbesondere bei
Temperaturen bis zu 18O0C insbesondere im Wesentlichen keine
strukturellen Schäden erleidet, und die optional auf einer Elektrode
aufgebracht ist.
16. Verfahren zur Durchführung eines Schnellladevorgangs einer
Sekundärbatterie, insbesondere einer Sekundärbatterie gemäß der
Ansprüche 1 bis 12, die mindestens eine galvanische Zelle mit mindestens zwei Elektroden und mindestens einem Separator umfasst, der eine Beschichtung umfasst, die ein ionenleitendes Material mit mindestens einer anorganischen Komponente aufweist, wobei die Beschichtung so ausgebildet ist, dass sie bei Vorliegen des Ladestroms stabil ist, umfassend die Schritte: zumindest zeitweiliges Bereitstellen eines relativen Ladestroms mit einem Ladestromwert, der insbesondere mindestens 1C beträgt;
vorzugsweise: Verwenden einer Grenztemperatur, die vorzugsweise in Abhängigkeit von der Materialwahl der Beschichtung eines Separators gewählt ist, Messen einer Zelltemperatur der galvanischen Zelle;
vorzugsweise: Steuern des Ladevorgang in Abhängigkeit von der Zelltemperatur und der Grenztemperatur und insbesondere Reduzieren des absoluten Ladestrom oder Unterbrechen des Ladestroms, wenn die Zelltemperatur die Grenztemperatur erreicht.
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