EP2486617A1 - Dünne batterie mit verbessertem innenwiderstand - Google Patents

Dünne batterie mit verbessertem innenwiderstand

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Publication number
EP2486617A1
EP2486617A1 EP10760364A EP10760364A EP2486617A1 EP 2486617 A1 EP2486617 A1 EP 2486617A1 EP 10760364 A EP10760364 A EP 10760364A EP 10760364 A EP10760364 A EP 10760364A EP 2486617 A1 EP2486617 A1 EP 2486617A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrodes
battery according
gap
electrode
width
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10760364A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eduard Pytlik
Martin Krebs
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.)
VARTA Microbattery GmbH
Original Assignee
VARTA Microbattery 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 VARTA Microbattery GmbH filed Critical VARTA Microbattery GmbH
Publication of EP2486617A1 publication Critical patent/EP2486617A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/04—Cells with aqueous electrolyte
    • H01M6/06—Dry cells, i.e. cells wherein the electrolyte is rendered non-fluid
    • H01M6/12—Dry cells, i.e. cells wherein the electrolyte is rendered non-fluid with flat electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/40—Printed batteries, e.g. thin film batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese

Definitions

  • the present invention relates to a battery having a flat positive and a flat negative electrode, which, separated by a gap, arranged side by side on a flat substrate and connected to each other via an ion-conductive electrolyte.
  • Batteries are known in various embodiments.
  • printed batteries in which at least some, preferably all functional parts, in particular the electrodes and arrester structures, are formed on a corresponding substrate by pressure.
  • the batteries described have electrodes which are arranged side by side on a substrate.
  • the functional parts of the battery are arranged substantially one above the other only in three planes (a conductor plane, an electrode plane and an electrolyte plane).
  • the advantage of the comparatively thin construction is bought at a high price. Since the ions not only have to walk through a thin separator plane in operation, as is the case with electrodes in the form of a stape, but instead have to travel very long distances over the electrolyte layer, the internal resistance of a battery with electrodes arranged parallel next to one another rises sharply during operation , At the same time, of course, the current-carrying capacity also drops.
  • the battery according to the invention is characterized in that at least the thickness of one of the two electrodes, preferably the thickness of both electrodes, is in a certain ratio to the minimum width of the gap.
  • the quotient of the thickness and the minimum width is always between 1:10 and 10: 1, preferably between 0.5: 1 and 5: 1, in particular between 0.5: 1 and 2: 1, particularly preferably between batteries according to the invention 1: 1 and 2: 1.
  • both the quotient of the thickness of the positive electrode and the minimum gap width and the quotient of the thickness of the negative electrode and the minimum gap width are within these ranges.
  • the internal resistance of batteries with electrodes arranged side by side on a flat substrate can be significantly reduced by optimizing the ratio of electrode thicknesses and gap widths as indicated. In part, an inner resistance reduced by more than a third was observed, which was not expected a priori.
  • the current carrying capacity of the batteries according to the invention is greatly improved compared to that of comparable conventional batteries.
  • the surfaces that occupy the electrodes of a battery according to the invention on the substrate are each defined by a circumferential boundary line. In each of the electrodes, at least a part of the boundary line faces one or the corresponding oppositely poled electrode.
  • the oppositely poled electrode “facing parts" of the boundary line is to be understood in particular the parts in which each point of the line can be connected by a straight line, in particular a straight line perpendicular to the boundary line at this point, with the boundary line of an electrode of opposite polarity without losing one of the touch or cut boundaries at more than one point. It is preferred that these parts of the boundary lines also define the gap between the electrodes. More precisely, preferably, the gap separating the sheet positive and sheet negative electrodes is defined as the largest possible non-electrode material covered area on the substrate that can be trapped by straight lines between the boundary lines forming a point on the substrate Limit line connecting one electrode to a point on the boundary line of the other electrode, without touching or cutting one of the boundary lines at more than one point.
  • More than one circumferential boundary line would be e.g. in concentric arrangement of a plurality of annular or circular electrodes conceivable. In such an arrangement, it would then also be possible for the boundary line of an electrode to be completely, ie not only partially, facing the associated oppositely poled electrode.
  • the mentioned minimum width of the gap should be understood to mean the gap width at the location of the shortest possible ion path between the two electrodes.
  • the minimum width of the gap thus corresponds to the smallest distance between the boundary lines defining the electrodes.
  • the electrodes of a battery according to the invention each have a substantially uniform thickness over their entire surface, which, however, may vary slightly under certain circumstances, possibly due to the production process.
  • the electrodes are preferably cut once longitudinally or transversely in such a way that a maximum cutting length is obtained (in the case of a rectangular electrode, for example, the cut is preferably carried out as a diagonal). The cut is then split into two equally long sections. divided, in the middle of each of which the measurement of the electrode thickness. The values obtained are then averaged.
  • the gap between the electrodes preferably has a substantially uniform gap width.
  • the shortest possible ionic path between the two electrodes in the region of the gap is preferably always the same over at least 95% of the length of the gap, in particular over the entire length of the gap.
  • the gap width along the gap does not vary by more than 25%, in particular less than 10%, particularly preferably less than 5% (in each case based on the minimum gap width).
  • the above-defined minimum width then not only exists between two points on the boundary lines of the electrodes, but rather the electrodes preferably have a substantially constant distance from one another along the mutually facing parts of the gap-forming boundary lines.
  • the usual gap widths between 10 ⁇ and 2 mm. Within this range gap widths between 50 ⁇ and 1 mm, more preferably between 50 ⁇ and 500 ⁇ , particularly preferred.
  • the positive and the negative electrode of a battery according to the invention have substantially the same thickness.
  • the quotient of the thickness of the positive electrode and the minimum gap width is thus preferably identical to the quotient of the thickness of the negative electrode and the minimum gap width.
  • Preferred electrode thicknesses for the positive and the negative electrode are preferably in the range between 10 ⁇ m and 500 ⁇ m, more preferably between 10 ⁇ m and 250 ⁇ m, in particular between 50 ⁇ m and 150 ⁇ m.
  • materials for the negative electrodes of batteries have a higher energy density than comparable materials for the positive electrode. rode. It is accordingly preferred that the positive electrode occupy a larger area on the substrate than the negative electrode. Of course, this applies in particular if the positive electrode and the negative electrode have comparable or the same thicknesses.
  • the electrodes are formed at least in partial regions, preferably completely, as strips, in particular as rectangular or band-shaped strips.
  • the strips preferably have a substantially uniform width substantially over their entire length.
  • the electrodes may each comprise a plurality of strip-shaped sections, which are arranged parallel to one another. These may e.g. formed on a common transverse web which is oriented orthogonally to the strips and is preferably likewise strip-shaped or band-shaped, so that a "comb-like" configuration results in its entirety
  • Two electrodes formed in this way can of course be intermeshed on a substrate without problems. Assign (of course, assuming coordinated dimensions), namely by parallel arrangement of the transverse webs to each other, then in each case between two parallel strips of an electrode, a strip of the electrode with opposite polarity comes to rest.
  • the advantage of such an embodiment of the electrodes is that the length of the gap between the electrodes increases greatly in relation to the area of the electrodes, which in turn reduces the distance on average that the ions have to travel from one electrode to another. Or more precisely, it can be very advantageous if the ratio of the length of the part of the boundary line of an electrode facing the corresponding oppositely poled electrode to the total length of the boundary line is as large as possible. In combination with the optimized ratio of electrode thickness and gap width can be achieved in view of the current carrying capacity of the battery drastic improvements.
  • the quotient of the length of the corresponding oppositely poled electrode facing part of the boundary line of an electrode to the total length of the boundary line is above 0.4. It is preferably more than 0.5, more preferably it is greater than 0.75, in particular greater than 0.9. In particularly preferred embodiments of a battery according to the invention, there is also an optimum ratio for the ratio of the width of the strips to the width of the gap between the electrodes, in particular between the strip-shaped electrodes. Preferably, the quotient of the width of the strips to the width of the gap between the electrodes is between 0.5: 1 and 20: 1. Within this range, values between 0.5: 1 and 10: 1 are more preferred.
  • Usual strip widths preferably move in the range between 0.05 mm and 10 mm, in particular between 0.05 mm and 2 mm.
  • the ratio of the length of the strips to their width is preferably in the range between 2: 1 and 10,000: 1, in particular between 10: 1 and 1: 1000: 1. In other words, preferably the length of the strips is between factor two and factor ten thousand above their width.
  • a battery according to the invention may, in preferred embodiments, comprise more than one positive or more than one negative electrode, in particularly preferred embodiments also more than one positive and more than one negative electrode.
  • the above-defined ratios of electrode thickness to the minimum width of the gap and the length of the part of the boundary line of an electrode facing the corresponding oppositely poled electrode apply to the total length of the boundary line for all these electrodes.
  • a plurality of strip-shaped positive and negative electrodes are arranged side by side on a substrate, in particular in a parallel arrangement to each other.
  • An alternating arrangement is preferred, so that a positive electrode is at least always adjacent to a negative electrode and vice versa.
  • the gap width between the adjacent electrodes is preferably substantially constant.
  • two strip-shaped negative electrodes and one strip-shaped positive electrode may be arranged in parallel with each other on the substrate with the positive electrode disposed between the negative electrode strips and the gap having a substantially uniform width on both sides of the positive electrode over its entire length.
  • these electrodes are connected to one another via conductor tracks.
  • Such interconnects serve as arresters / collectors and are expediently preferably arranged between the planar substrate and the electrodes.
  • Such printed conductors can be realized, for example, by pressure.
  • conductor tracks can be applied by sputtering or galvanically on the substrate.
  • the electrodes are connected to one another via an electrolyte layer.
  • Suitable electrolytes are known to the person skilled in the art.
  • a gel-type electrolyte is used as the ion-conductive electrolyte. If necessary, this can also be applied by pressure to the substrate. Ideally, it should at least partially cover the electrodes to provide sufficient conductivity.
  • the electrolyte covers the positive and negative electrodes on the substrate completely, may even extend beyond the corresponding boundary lines of the electrodes.
  • the maximum thickness of the electrolyte layer (measured from the substrate) preferably moves in the range between 10 ⁇ and 500 ⁇ , in particular between 50 ⁇ and 500 ⁇ .
  • the electrodes of a battery according to the invention are printed on the substrate in preferred embodiments.
  • the battery according to the invention is thus preferably a printed battery in which at least some, preferably all functional parts, in particular the electrodes, the absorber and / or the electrolyte, are formed on a corresponding substrate by pressure.
  • Common electrode materials which are present as a printable paste are known to the person skilled in the art. These can be applied comparatively easily by standard methods, for example by means of a screen printing method, to corresponding substrates, in particular as thin layers having a substantially uniform thickness, in accordance with the above statements.
  • the present invention is applicable to a wide variety of electrochemical systems.
  • the battery of the invention is e.g. a zinc-brownstone battery or a nickel-metal hydride battery.
  • the battery according to the invention may accordingly be a primary battery and a secondary battery.
  • the substrate of a battery according to the invention may be, for example, a plastic film. In principle, however, all electrically non-conductive materials come into question, such. As well as paper or wood.
  • a battery according to the invention may comprise a second substrate, in particular as a cover layer, which is preferably arranged above the plane of the electrolyte and at least partially covers it and the electrodes.
  • This cover layer which may be, for example, a plastic film, on the one hand has a protective function for the electrolyte and the electrodes.
  • the cover layer of the battery according to the invention gives overall improved mechanical stability.
  • the first and second substrates may be made of the same material.
  • the surfaces of the electrodes on the substrate are each defined by a circumferential boundary line, wherein in each of the two electrodes at least part of the boundary line faces at least one corresponding, oppositely poled electrode.
  • the battery according to the invention when the battery according to the invention is present as a printed battery, it is preferred that at least in one of the two electrodes, preferably in both electrodes, at least this part of the boundary line has a non-linear course. This applies in particular when the electrodes of a battery according to the invention or at least parts of the electrodes are in the form of strips, as described above.
  • “Non-linear curve" is to be understood as meaning that the part of the boundary line (as a whole) is not a straight line However, he may well have straight sections.
  • At least one, preferably both electrodes at least part of the boundary line preferably has a rectangular, triangular, wave, spiral or sawtooth-like course. Particularly preferably, these parts engage in one another such that the resulting gap between the electrodes has a substantially uniform gap width.
  • the prerequisite for the meshing is, of course, that the respective dimensions of the corresponding electrodes are matched to one another.
  • the electrodes or at least parts of the electrodes in particular the parts of the electrodes, which are in the form of strips, corresponding to a rectangular, triangular, wavy, spiral or sawtooth-like course.
  • the electrodes preferably have one of the courses mentioned in their entirety.
  • Embodiments of a battery according to the invention (cross-section, schematic representation)
  • Fig. 5 embodiments of strip-shaped electrodes of a battery according to the invention with triangular, sawtooth, wave and spiral geometry (schematic representation).
  • 6 shows a further embodiment of the electrodes of a battery according to the invention with a comb-shaped pattern (schematic representation)
  • the positive electrode 101 is shown in white, the negative electrode 101 in black.
  • the surfaces of the electrodes are each defined by a circumferential boundary line.
  • the electrodes are each rectangular in shape and separated by a gap 103.
  • the gap is the largest possible area not covered by electrode material, which can be enclosed between the boundary lines of the electrodes by straight lines connecting a point on the boundary line of one electrode to a point on the boundary line of the other electrode without touching or cutting one of the boundary lines at more than one point. This area is hatched.
  • the electrodes are connected via an electrolyte layer which completely covers the electrodes (not shown).
  • the ions initially migrate in the immediate vicinity of the gap from one electrode to the other. This results in a charge gradient within the electrodes.
  • the shortest ion path from the point 104 on the boundary line of the positive electrode 101 to the negative electrode 102 corresponds to the sum of the width b k of the positive electrode and the gap width s.
  • the internal resistance of the battery increases strongly.
  • Fig. 2 shows an embodiment of the electrodes 201 and 202 of a battery according to the invention with comb-shaped pattern (schematic representation).
  • the electrodes 201 and 202 each include a plurality strip-shaped portions 203a to 203d and 204a to 204d, which are arranged parallel to each other. These are each formed on common, orthogonal aligned to the strip, also strip-shaped or band-shaped transverse webs 205 and 206 integrally formed. In its entirety, this results in a "comb-like" configuration, in which the electrodes are arranged “intermeshing" on the substrate.
  • the transverse webs 205 and 206 are arranged parallel to one another, wherein in each case a strip of the electrode with opposite polarity comes to rest between two parallel strips of an electrode.
  • the electrodes 201 and 202 are separated by a gap 207. This is defined by the mutually facing parts of the boundary lines of the electrodes 201 and 202.
  • the gap width is substantially constant over the entire length of the gap.
  • the gap itself has in its entirety, like the boundary lines defining it, a rectangular and thus a non-linear course, but it comprises a plurality of linear sections (5 sections of length I, 4 sections of lengths b a and bk).
  • the advantage of such an embodiment of the electrodes lies in the fact that the ratio of the length of the gap 207 between the electrodes 201 and 202 to the surface of the electrodes is greatly increased, which in turn causes the distance to decrease on average which have to travel the ions from one electrode to the other.
  • Positive and negative electrodes each have the same thickness. However, the positive electrodes occupy more area than the negative ones. Although the strip-shaped sections 203a to 203d and 204a to 204d all have the same length, they differ in their width (b a ⁇ bk). The ratio of the thickness of the two electrodes 201 and 202 to the width of the gap is between 1:10 and 10: 1.
  • FIG. 3 shows an embodiment of the electrodes of a battery according to the invention in a strip-shaped configuration (schematic illustration). Position).
  • four positive electrodes 301a to 301d and four negative electrodes 302a to 302d are arranged parallel to one another and in alternating sequence (alternately positive and negative). Electrodes of the same polarity are each connected via the Abieiter 303 and 304. Between adjacent electrodes there is in each case a gap 305 with a constant gap width s. Positive and negative electrodes each have the same thickness. The ratio of the thickness of the electrodes to the width of the gap s is between 1:10 and 10: 1. The positive electrodes occupy more area than the negative ones.
  • strip-shaped sections 301a to 301d and 302a to 302d all have the same length, they differ in their width (b a ⁇ b k ). In this embodiment too, it is ensured that the ratio of the total length of the gap 305 between the electrodes to the surface of the electrodes is greatly increased.
  • Fig. 4 shows two embodiments A and B of a battery according to the invention (cross-section, schematic representation).
  • the battery according to Embodiment A includes the positive electrodes 401a to 401c and the negative electrodes 402a to 402c.
  • the battery according to Embodiment B includes the positive electrodes 403a to 403e and the negative electrodes 404a to 404e.
  • the electrodes are arranged on the substrates 405 and 406 as shown in Fig. 3, ie in the form of mutually parallel strips. Between the electrodes there are gaps with the constant gap width s.
  • the electrodes are covered by an electrolyte 407 and 408, which also fills the gaps between the electrodes.
  • the electrodes 401 ac and 402a-c differ in their thickness from the electrodes 403a-e and 404a-e.
  • the thickness of the electrodes approximately corresponds to the gap width s, while in embodiment B the electrodes are thicker than the gap by a factor of 2.
  • Batteries in embodiment B generally have a higher current carrying capacity than batteries in embodiment A, as well as a comparatively lower internal resistance during operation. This is particularly due to the fact that in embodiment B, the majority of the ions can migrate across the electrolyte in the gap between the electrodes.
  • FIG. 5 shows possible embodiments of the electrodes of a battery according to the invention.
  • A triangular
  • B sawtooth
  • C wave
  • D spiral
  • Fig. 6 shows a further embodiment of the electrodes of a battery according to the invention in comb-shaped pattern (schematic representation). Shown are a positive (white) and a negative electrode 601 and 602. Separated are the electrodes through the gap 603.
  • the horizontally oriented electrode strips and also the vertical webs have no uniform width, instead, they are wedge-shaped or trapezoidal in shape. This can also have a positive effect on the internal resistance.
  • a plastic film was provided as a substrate and another plastic film as a cover film.
  • plastic films with low gas and water vapor diffusion rates are generally used.
  • films made of PET, PP or PE Particularly suitable films are described in International Patent Application Serial No. WO / 2009/135621. If it is intended to heat-seal these films together later, the provided base films can additionally be laminated with a low-melting additional material. Suitable hot melt adhesives are known to the person skilled in the art.
  • a dissipator structure was then first applied to the substrate.
  • a silver-containing conductive ink was printed.
  • conductive adhesives based on nickel or graphite can be used, which can also be printed.
  • the electrode material for the positive electrode was printed on the corresponding collector / arrester.
  • the printing was carried out by means of a screen printing machine.
  • a paste consisting of an electroactive material such as MnO 2 (308mAh / g), a binder, a conductive material (graphite or carbon black) and a solvent was used.
  • the negative electrode was prepared.
  • a paste consisting of an electroactive material such as Zn powder (820 mAh / g), a binder and a solvent was used.
  • the electrodes were printed in uniform strips of 30 mm in length, the positive in a width of 0.23 mm, the negative in a width of 0.07 mm.
  • the gap between the electrodes had a width of 0.1 mm.
  • the electrodes (positive and negative) had a thickness of about 190 ⁇ .
  • the electrolyte was applied in a further process step.
  • the electrolyte is preferably a aqueous (KOH, ZnCl 2 ) or organic solution of conductive salts, which provide the ions for the flow of current.
  • the application of the electrolyte was likewise carried out by a printing process.
  • the electrolyte completely covered the electrodes shown in FIG. 4B.
  • the gaps between the electrodes were completely filled with electrolyte, over the electrodes the thickness of the electrolyte layer was 10 ⁇ m.
  • the single cell thus produced was then covered with the further plastic film, i. H. closed in the manner of a housing. This was done by means of a heat sealing method.
  • the resulting battery had an initial internal resistance of 2 ohms. During operation, this resistance increased up to 13 ohms.

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Abstract

Beschrieben wird eine Batterie mit einer flächigen positiven und einer flächigen negativen Elektrode, die, getrennt durch einen Spalt, nebeneinander auf einem flächigen Substrat angeordnet und über einen ionenleitfähigen Elektrolyten miteinander verbunden sind, wobei das Verhältnis der Dicke von zumindest einer der beiden Elektroden, vorzugsweise von beiden Elektroden, zur Minimalbreite des Spalts zwischen 1:10 und 10:1 liegt.

Description

Beschreibung
Dünne Batterie mit verbessertem Innenwiderstand
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einer flächigen positiven und einer flächigen negativen Elektrode, die, getrennt durch einen Spalt, nebeneinander auf einem flächigen Substrat angeordnet und über einen ionenleitfähigen Elektrolyten miteinander verbunden sind.
Batterien sind in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt. Unter anderem gibt es auch sogenannte gedruckte Batterien, bei denen zumindest einige, bevorzugt alle Funktionsteile, insbesondere die Elek- troden und Ableiterstrukturen, auf einem entsprechenden Substrat durch Druck gebildet werden.
Bei herkömmlichen gedruckten Batterien befinden sich die Funktionsteile von gedruckten Batterien in verschiedenen Ebenen. Klassisch sind zwei Ableiterebenen, zwei Elektrodenebenen und eine Separatorebene vorgesehen, die als Stapel auf einem Substrat gebildet werden. Eine solche Batterie mit Stapelaufbau ist beispielsweise in der US 4, 1 19,770 beschrieben. Batterien mit Stapelaufbau weisen eine gute Belastbarkeit und einen relativ geringen Innenwiderstand auf. Allerdings erfordert die sequentielle Herstellung eines solchen Stapels zahlreiche Einzelschritte, darunter gegebenenfalls auch zeitaufwändige Trocknungsschritte. Außerdem weisen Batterien mit stapeiförmig angeordneten Elektroden, Separator- und Ableiterebenen eine relative hohe Bauform und geringe mechanische Flexibilität auf. Zum Aufbringen auf dünne, flexible Substrate wie z.B. Folien eignen sie sich in der Regel nicht. Aus der WO 2006/105966 sind gedruckte Batterien bekannt, die sich durch eine sehr geringe Bauhöhe bzw. Dicke und einen sehr einfachen Aufbau auszeichnen. Die beschriebenen Batterien weisen nämlich Elektroden auf, die nebeneinander auf einem Substrat angeordnet sind. In dieser Anordnung sind die Funktionsteile der Batterie im Wesentlichen nur noch in drei Ebenen übereinander angeordnet (eine Ableiterebene, eine Elektrodenebene und eine Elektrolytebene). Es lässt sich somit also eine insgesamt sehr flache und vergleichsweise sehr flexible Konstruktion verwirklichen.
Der Vorteil der vergleichsweise dünnen Konstruktion wird allerdings teuer erkauft. Da die Ionen im Betrieb nicht nur eine dünne Separatorebene durchwandern müssen, wie dies bei stapeiförmig vorliegenden Elektroden der Fall ist, sondern stattdessen zum Teil sehr weite Wege über die Elektrolytschicht zurücklegen müssen, steigt der Innenwiderstand einer Batterie mit parallel nebeneinander angeordneten Elektroden im Betrieb stark an. Parallel dazu sinkt natürlich auch die Strombelastbarkeit.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Batterie be- reitzustellen, die sich durch eine möglichst flache und flexible Bauform auszeichnet, gleichzeitig aber die beschriebenen Probleme bekannter flacher Batterien nicht oder nur in stark verringertem Maß aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batterie sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 12 angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Bei der erfindungsgemäßen Batterie sind eine flächige positive und eine flächige negative Elektrode nebeneinander auf einem flächigen Substrat angeordnet, wobei die Elektroden durch einen Spalt voneinander getrennt sind. Das Substrat ist elektrisch nichtleitend, so dass keine unmittelbare elektrische Verbindung zwischen den Elektroden besteht. Diese sind allerdings über einen ionenleitfähigen Elektrolyten miteinander verbunden. Somit können z.B. Lithium-Ionen über den Elektrolyten von einer Elektrode zur anderen wandern. Besonders gekennzeichnet ist die erfindungsgemäße Batterie dadurch, dass zumindest die Dicke einer der beiden Elektroden, bevorzugt die Dicke beider Elektroden, zur Minimalbreite des Spalts in einem bestimmten Verhältnis steht. Der Quotient aus der Dicke und der Minimalbreite liegt nämlich bei erfindungsgemäßen Batterien stets zwischen 1 :10 und 10:1 , bevorzugt zwischen 0,5:1 und 5:1 , insbesondere zwischen 0,5:1 und 2:1 , besonders bevorzugt zwischen 1 :1 und 2:1 . Bevorzugt liegt sowohl der Quotient aus der Dicke der positiven Elektrode und der Minimalspaltbreite als auch der Quotient aus der Dicke der negativen Elektrode und der Minimalspaltbreite innerhalb dieser Bereiche.
Es wurde gefunden, dass der Innenwiderstand von Batterien mit nebeneinander auf einem flächigen Substrat angeordneten Elektroden deutlich gesenkt werden kann, indem das Verhältnis von Elektrodendicken und Spaltbreite optimiert wird wie angegeben. Teilweise wurde ein um mehr als ein Drittel verringerter Innenwiderstand beobachtet, was a priori so nicht zu erwarten gewesen wäre. Die Strombelastbarkeit der erfindungsgemäßen Batterien ist gegenüber der von vergleichbaren klassischen Batterien entsprechend stark verbessert. Die Flächen, die die Elektroden einer erfindungsgemäßen Batterie auf dem Substrat einnehmen, sind jeweils durch eine umlaufende Begrenzungslinie definiert. Bei jeder der Elektroden ist zumindest ein Teil der Begrenzungslinie einer oder der korrespondierenden entgegengesetzt gepolten Elektrode zugewandt. Unter den der entgegengesetzt gepolten Elektrode„zugewandten Teilen" der Begrenzungslinie sollen dabei insbesondere die Teile verstanden werden, in denen sich jeder Punkt der Linie durch eine Gerade, insbesondere eine Gerade senkrecht zur Begrenzungslinie in diesem Punkt, mit der Begrenzungslinie einer Elektrode entgegengesetzter Polarität verbinden lässt, ohne dabei eine der Be- grenzungslinien an mehr als einem Punkt zu berühren oder zu schneiden. Es ist bevorzugt, dass diese Teile der Begrenzungslinien auch den Spalt zwischen den Elektroden definieren. Präziser, bevorzugt ist der Spalt, durch den die flächige positive und die flächige negative Elektrode voneinander getrennt sind, definiert als die größtmögliche, nicht mit Elektrodenmaterial bedeckte Fläche auf dem Substrat, die von Geraden zwischen den Begrenzungslinien eingeschlossen werden kann, welche einen Punkt auf der Begrenzungslinie der einen Elektrode mit einem Punkt auf der Begrenzungslinie der anderen Elektrode verbinden, ohne dabei eine der Begrenzungslinien an mehr als einem Punkt zu berühren oder zu schneiden.
Mehr als eine umlaufende Begrenzungslinie wäre z.B. bei konzentrischer Anordnung mehrerer ring- oder kreisförmiger Elektroden denkbar. In einer solchen Anordnung wäre es dann auch möglich, dass die Begrenzungslinie einer Elektrode vollständig, also nicht nur zum Teil, der zugeordneten entgegengesetzt gepolten Elektrode zugewandt ist.
Unter der erwähnten Minimalbreite des Spaltes soll die Spaltbreite an der Stelle des kürzest möglichen lonenwegs zwischen den beiden Elektroden verstanden werden. Die Minimalbreite des Spaltes entspricht also dem geringsten Abstand zwischen den die Elektroden definierenden Begrenzungslinien. Vorzugsweise weisen die Elektroden einer erfindungsgemäßen Batterie über ihre gesamte Fläche jeweils eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke auf, die allerdings, gegebenenfalls herstellungsbedingt, unter Umständen leicht variieren kann. Bei einer bevorzugten Vorgehensweise zur exakten Bestimmung der Dicke der Elektroden werden die Elektro- den vorzugsweise einmal längs oder quer geschnitten und zwar derart, dass eine maximale Schnittlänge erhalten wird (bei einer rechteckigen Elektroden wird der Schnitt z.B. bevorzugt als Diagonale ausgeführt). Der Schnitt wird anschließend in jeweils zwei gleich lange Bereiche un- terteilt, in deren Mitte jeweils die Messung der Elektrodendicke erfolgt. Die erhaltenen Werte werden anschließend gemittelt.
Der Spalt zwischen den Elektroden weist bevorzugt eine im Wesentli- chen gleichmäßige Spaltbreite auf. Darunter soll verstanden werden, dass der kürzest mögliche lonenweg zwischen den beiden Elektroden im Bereich des Spaltes bevorzugt über mindestens 95 % der Länge des Spaltes, insbesondere über die gesamte Länge des Spaltes, im Wesentlichen immer der gleiche ist. Idealerweise variiert die Spaltbreite entlang des Spaltes um nicht mehr als 25 %, insbesondere weniger als 10 %, besonders bevorzugt weniger als 5 % (jeweils bezogen auf die Minimalspaltbreite). Die oben definierte Minimalbreite besteht dann nicht nur zwischen zwei Punkten auf den Begrenzungslinien der Elektroden, vielmehr weisen die Elektroden entlang den einander zugewandten Teilen der spaltbildenden Begrenzungslinien bevorzugt einen im Wesentlichen konstanten Abstand zueinander auf. Üblich sind Spaltbreiten zwischen 10 μιτι und 2 mm. Innerhalb dieses Bereiches sind Spaltbreiten zwischen 50 μιτι und 1 mm, besonders bevorzugt zwischen 50 μιτι und 500 μιτι, besonders bevorzugt.
Weiterhin ist es besonders bevorzugt, dass die positive und die negative Elektrode einer erfindungsgemäßen Batterie im Wesentlichen die gleiche Dicke aufweisen. Der Quotient aus der Dicke der positiven Elektrode und der Minimalspaltbreite ist somit bevorzugt identisch zum Quo- tienten aus der Dicke der negativen Elektrode und der Minimalspaltbreite.
Bevorzugte Elektrodendicken für die positive und die negative Elektrode liegen bevorzugt im Bereich zwischen 10 μιτι und 500 μιτι, besonders bevorzugt zwischen 10 μιτι und 250 μιτι, insbesondere zwischen 50 μιτι und 150 μιτι.
Häufig haben Materialien für die negativen Elektroden von Batterien eine höhere Energiedichte als vergleichbare Materialien für die positive Elekt- rode. Es ist entsprechend bevorzugt, dass die positive Elektrode auf dem Substrat eine größere Fläche belegt als die negative Elektrode. Dies gilt natürlich insbesondere dann, wenn die positive Elektrode und die negative Elektrode vergleichbare oder die gleichen Dicken aufwei- sen.
Besonders bevorzugt sind die Elektroden zumindest in Teilbereichen, vorzugsweise vollständig, als Streifen ausgebildet, insbesondere als rechteckförmige oder bandförmige Streifen. Die Streifen weisen dabei bevorzugt im Wesentlichen über ihre gesamte Länge eine im Wesentlichen gleichmäßige Breite auf.
Beispielsweise können die Elektroden jeweils mehrere streifenförmige Abschnitte umfassen, die parallel zueinander angeordnet sind. Diese können z.B. an einem gemeinsamen, orthogonal zu den Streifen ausgerichteten, vorzugsweise ebenfalls streifen- oder bandförmig ausgebildeten Quersteg angeformt sein, so dass sich in der Gänze eine„kammartige" Ausgestaltung ergibt. Zwei derart ausgebildete Elektroden lassen sich natürlich problemlos „ineinandergreifend" auf einem Substrat an- ordnen (aufeinander abgestimmte Dimensionen natürlich vorausgesetzt), nämlich durch parallele Anordnung der Querstege zueinander, wobei dann jeweils zwischen zwei parallel angeordneten Streifen einer Elektrode ein Streifen der Elektrode mit entgegengesetzter Polarität zum Liegen kommt.
Der Vorteil einer solchen Ausgestaltung der Elektroden liegt darin, dass das die Länge des Spaltes zwischen den Elektroden im Verhältnis zur Fläche der Elektroden stark ansteigt, was wiederum im Mittel die Distanz sinken lässt, die die Ionen von einer Elektrode zur anderen zurücklegen müssen. Oder präziser, es kann sehr vorteilhaft sein, wenn das Verhältnis der Länge des der korrespondierenden entgegengesetzt gepolten Elektrode zugewandten Teils der Begrenzungslinie einer Elektrode zur Gesamtlänge der Begrenzungslinie möglichst groß ist. In Kombination mit dem optimierten Verhältnis von Elektrodendicken und Spaltbreite können im Hinblick auf die Strombelastbarkeit der erfindungsgemäßen Batterie drastische Verbesserungen erzielt werden.
Bevorzugt liegt der Quotient aus der Länge des der korrespondierenden entgegengesetzt gepolten Elektrode zugewandten Teils der Begrenzungslinie einer Elektrode zur Gesamtlänge der Begrenzungslinie über 0,4. Bevorzugt beträgt er mehr als 0,5, besonders bevorzugt ist er größer als 0,75, insbesondere größer als 0,9. In besonders bevorzugten Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Batterie gibt es auch für das Verhältnis der Breite der Streifen zur Breite des Spalts zwischen den Elektroden, insbesondere zwischen den streifenförmigen Elektroden, ein optimales Verhältnis. Bevorzugt liegt der Quotient aus der Breite der Streifen zur Breite des Spalts zwischen den Elektroden zwischen 0,5:1 und 20:1 . Innerhalb dieses Bereiches sind Werte zwischen 0,5:1 und 10:1 weiter bevorzugt.
Übliche Streifenbreiten bewegen sich bevorzugt im Bereich zwischen 0,05 mm und 10 mm, insbesondere zwischen 0,05 mm und 2 mm.
Das Verhältnis der Länge der Streifen zu ihrer Breite liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 2:1 und 10.000:1 , insbesondere zwischen 10:1 und 1 .000:1 . Mit anderen Worten, bevorzugt liegt die Länge der Streifen zwischen Faktor zwei und Faktor zehntausend über dem ihrer Breite.
Eine erfindungsgemäße Batterie kann in bevorzugten Ausführungsformen mehr als eine positive oder mehr als eine negative Elektrode, in besonders bevorzugten Ausführungsformen auch mehr als eine positive und mehr als eine negative Elektrode, umfassen. Bevorzugt gelten die oben definierte Verhältnisse von Elektrodendicke zur Minimalbreite des Spalts und von der Länge des der korrespondierenden entgegengesetzt gepolten Elektrode zugewandten Teils der Begrenzungslinie einer Elektrode zur Gesamtlänge der Begrenzungslinie für alle diese Elektroden. So ist es insbesondere möglich, dass mehrere streifenförmig ausgebildete positive und negative Elektroden nebeneinander auf einem Substrat angeordnet sind, insbesondere in paralleler Anordnung zueinander. Bevorzugt ist eine alternierende Anordnung, so dass einer positiven E- lektrode zumindest immer eine negative Elektrode benachbart ist und umgekehrt. Die Spaltbreite zwischen den benachbarten Elektroden ist dabei bevorzugt im Wesentlichen konstant. Beispielsweise können zwei streifenförmige negative Elektroden und eine streifenförmige positive Elektrode parallel zueinander auf dem Substrat angeordnet sein, wobei die positive Elektrode zwischen den negativen Elektrodenstreifen angeordnet ist und wobei der Spalt zu beiden Seiten der positiven Elektrode über seine gesamte Länge eine im Wesentlichen gleichmäßige Breite aufweist. Sofern die erfindungsgemäße Batterie mehr als eine Elektrode gleicher Polarität umfasst, so sind diese Elektroden in bevorzugten Ausführungsformen über Leiterbahnen miteinander verbunden. Derartige Leiterbahnen dienen als Ableiter/Kollektoren und sind sinnvollerweise bevorzugt zwischen dem flächigen Substrat und den Elektroden angeordnet. Rea- lisiert werden können solche Leiterbahnen beispielsweise durch Druck. Es ist natürlich auch möglich, zur Herstellung der Leiterbahnen das Substrat gezielt zu metallisieren. So können beispielsweise Leiterbahnen durch Aufsputtern oder galvanisch auf das Substrat aufgebracht werden.
Wie bereits erwähnt, sind die Elektroden über eine Elektrolytschicht miteinander verbunden. Geeignete Elektrolyte sind dem Fachmann bekannt. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, wenn als ionenleitfähiger E- lektrolyt ein gelartiger Elektrolyt verwendet wird. Auch dieser kann ge- gebenenfalls über Druck auf das Substrat aufgebracht werden. Idealerweise sollte er die Elektroden mindestens teilweise überdecken, um eine ausreichende Leitfähigkeit bereitzustellen. Bevorzugt überdeckt der E- lektrolyt die positiven und die negativen Elektroden auf dem Substrat vollständig, kann sogar über die entsprechenden Begrenzungslinien der Elektroden hinausragen.
Die maximale Dicke der Elektrolytschicht (vom Substrat aus gemessen) bewegt sich bevorzugt im Bereich zwischen 10 μιτι und 500 μιτι, insbesondere zwischen 50 μιτι und 500 μιη.
Insbesondere die Elektroden einer erfindungsgemäßen Batterie sind in bevorzugten Ausführungsformen auf das Substrat aufgedruckt. Bei der erfindungsgemäßen Batterie handelt es sich also bevorzugt um eine gedruckte Batterie, bei der zumindest einige, bevorzugt alle Funktionsteile, insbesondere die Elektroden, die Abieiter und/oder der Elektrolyt, auf einem entsprechenden Substrat durch Druck gebildet sind. Gängige Elektrodenmaterialien, die als druckfähige Paste vorliegen, sind dem Fachmann bekannt. Diese können vergleichsweise einfach mit Standardverfahren, beispielsweise über ein Siebdruckverfahren, auf entsprechende Substrate aufgebracht werden und zwar insbesondere als dünne Schichten mit im Wesentlichen gleichmäßiger Dicke, entspre- chend den obigen Ausführungen.
Die vorliegende Erfindung ist auf die unterschiedlichsten elektrochemischen Systeme übertragbar. In bevorzugten Ausführungsformen ist die erfindungsgemäße Batterie z.B. eine Zink-Braunstein-Batterie oder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie. Bei der erfindungsgemäßen Batterie kann es sich entsprechend um eine Primär- und um eine Sekundärbatterie handeln.
Bei dem Substrat einer erfindungsgemäßen Batterie kann es sich bei- spielsweise um eine Kunststofffolie handeln. Grundsätzlich kommen jedoch alle elektrisch nicht leitenden Materialien in Frage, so z. B. auch Papier oder Holz. In bevorzugten Ausführungsformen kann eine erfindungsgemäße Batterie ein zweites Substrat, insbesondere als Abdeckschicht, umfassen, das bevorzugt über der Ebene des Elektrolyten angeordnet ist und diesen sowie die Elektroden mindestens teilweise abdeckt. Diese Abdeck- Schicht, bei der es sich z.B. um eine Kunststofffolie handeln kann, hat zum einen eine Schutzfunktion für den Elektrolyten und die Elektroden. Darüber hinaus verleiht die Abdeckschicht der erfindungsgemäßen Batterie insgesamt eine verbesserte mechanische Stabilität. Das erste und das zweite Substrat können aus dem gleichen Material bestehen.
Wie oben bereits erwähnt, sind die Flächen der Elektroden auf dem Substrat jeweils durch eine umlaufende Begrenzungslinie definiert, wobei bei jeder der beiden Elektroden zumindest ein Teil der Begrenzungslinie zumindest einer korrespondierenden, entgegengesetzt gepolten Elektrode zugewandt ist. Insbesondere wenn die erfindungsgemäße Batterie als gedruckte Batterie vorliegt, ist es bevorzugt, dass zumindest bei einer der beiden Elektroden, vorzugsweise bei beiden Elektroden, zumindest dieser Teil der Begrenzungslinie einen nichtlinearen Verlauf aufweist. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Elektroden einer erfin- dungsgemäßen Batterie oder zumindest Teile der Elektroden als Streifen vorliegen, wie sie oben beschrieben wurden.„Nichtlinearer Verlauf" soll dabei heissen, dass der Teil der Begrenzungslinie (als Ganzes) keine Gerade ist, wobei er jedoch durchaus gerade Teilabschnitte aufweisen kann.
Insbesondere in diesen Ausführungsformen liegt der Quotient aus der Länge des der korrespondierenden entgegengesetzt gepolten Elektrode zugewandten Teils der Begrenzungslinie einer Elektrode zur Gesamtlänge der Begrenzungslinie über den oben bereits erwähnten Grenzwer- ten.
Grundsätzlich ist man beim Drucken von Batterien völlig frei, was die Formgebung der Elektroden angeht. Auch komplexe Muster und Strukturen können problemlos realisiert werden. Klassischen Elektrodengeo- metrien sind z.B. in der WO 2006/105966 beschrieben. Dort sind einfache rechteckförmige Elektroden parallel nebeneinander, getrennt durch einen Spalt, auf einem Substrat aufgebracht. Bei Stromfluss müssen die meisten Ionen allerdings sehr weite Strecken zurücklegen, was den Stromfluss hemmt. Nur ein geringer Anteil an Ionen hat nur einen kurzen Weg durch den Spalt, die meisten müssen eine wesentlich längere Wegstrecke durch den Elektrolyten über den Elektroden zurücklegen. Durch nichtlineare Ausgestaltung der spaltbildenden Begrenzungslinien lässt sich dieser Anteil allerdings deutlich steigern, da auch so die Länge des Spaltes zwischen den Elektroden im Verhältnis zur Fläche der Elektroden ansteigt, was wiederum im Mittel die Distanz sinken lässt, die die Ionen von einer Elektrode zur anderen zurücklegen müssen. Dies wird auch anhand der Zeichnungen deutlich. Bevorzugt weisen bei mindestens einer, vorzugsweise bei beiden Elektroden zumindest ein Teil der Begrenzungslinie einen rechteck-, dreieck-, wellen-, spiral- oder sägezahnartigen Verlauf auf. Besonders bevorzugt greifen diese Teile derart ineinander, dass der resultierende Spalt zwischen den Elektroden eine im Wesentlichen gleichmäßige Spaltbreite aufweist. Voraussetzung für das Ineinandergreifen ist natürlich, dass auch die jeweiligen Dimensionen der korrespondierenden Elektroden aufeinander abgestimmt sind.
Besonders bevorzugt weisen die Elektroden oder zumindest Teile der Elektroden, insbesondere die Teile der Elektroden, die in Form von Streifen vorliegen, entsprechend einen rechteck-, dreieck-, wellen-, Spiral- oder sägezahnartigen Verlauf auf.
Auch Kombinationen aus den genannten Mustern sind selbstverständ- lieh realisierbar. Bevorzugt weisen die Elektroden jedoch in ihrer Gänze einen der genannten Verläufe auf.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausfüh- rungsformen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder zu mehreren in Kombination miteinander bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein. Die beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen dienen ledig- lieh zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen. Auch die nachstehend beschriebenen Zeichnungen sind Bestandteil der vorliegenden Beschreibung, was hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme bekräftigt wird.
In den Zeichnungen zeigen: zwei rechteckförmige, nebeneinander auf einem flächigen Substrat aufgebrachte Elektroden (positiv und negativ) in der Draufsicht gemäß dem Stand der Technik eine Ausführungsform der Elektroden einer erfindungsgemäßen Batterie mit kammförmigem Muster (schematische Darstellung) eine Ausführungsform der Elektroden einer erfindungsgemäßen Batterie in streifenförmiger Ausgestaltung (schematische Darstellung)
Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Batterie (Querschnitt, schematische Darstellung)
Fig. 5 Ausführungsformen von streifenförmigen Elektroden einer erfindungsgemäßen Batterie mit dreieck-, sägezahn-, wellen- und spiralförmiger Geometrie (schematische Darstellung). Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der Elektroden einer erfindungsgemäßen Batterie mit kammförmigem Muster (schematische Darstellung)
Fig. 1 zeigt zwei nebeneinander auf einem flächigen Substrat aufgedruckte Elektroden 101 und 102 (positiv und negativ) in der Draufsicht gemäß dem Stand der Technik, wie er beispielsweise in der WO 2006/105966 dargestellt ist. Die positive Elektrode 101 ist weiss darge- stellt, die negative 102 schwarz. Die Flächen der Elektroden sind jeweils durch eine umlaufende Begrenzungslinie definiert. Die Elektroden sind jeweils rechteckförmig ausgestaltet und durch einen Spalt 103 getrennt. Definitionsgemäß handelt es sich bei dem Spalt um die größmögliche, nicht mit Elektrodenmaterial bedeckt Fläche, die zwischen den Begren- zungslinien der Elektroden durch Geraden eingeschlossen werden kann, die einen Punkt auf der Begrenzungslinie der einen Elektrode mit einem Punkt auf der Begrenzungslinie der anderen Elektrode verbinden, ohne dabei eine der Begrenzungslinien an mehr als einem Punkt zu berühren oder zu schneiden. Diese Fläche ist schraffiert dargestellt.
Verbunden sind die Elektroden über eine Elektrolytschicht, die die Elektroden vollständig bedeckt (nicht dargestellt). Im Betrieb wandern zunächst die Ionen in unmittelbarer Nähe des Spaltes von einer Elektrode zur anderen. Dadurch ergibt sich innerhalb der Elektroden ein Ladungs- gefälle. Je länger die Batterie im Betrieb ist, desto weitere Distanzen müssen von den Ionen zurückgelegt werden. So entspricht der kürzeste lonenweg vom Punkt 104 auf der Begrenzungslinie der positiven Elektrode 101 zur negativen Elektrode 102 der Summe aus der Breite bk der positiven Elektrode und der Spaltbreite s. Der Innenwiderstand der Bat- terie steigt stark an.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Elektroden 201 und 202 einer erfindungsgemäßen Batterie mit kammförmigem Muster (schematische Darstellung). Die Elektroden 201 und 202 umfassen jeweils mehrere streifenförmige Abschnitte 203a bis 203d und 204a bis 204d, die parallel zueinander angeordnet sind. Diese sind jeweils an gemeinsamen, orthogonal zu den Streifen ausgerichteten, ebenfalls streifen- oder bandförmig ausgebildeten Querstegen 205 und 206 angeformt. In der Gänze ergibt sich so eine„kammartige" Ausgestaltung. Die Elektroden sind„ineinandergreifend" auf dem Substrat angeordnet. Dabei sind die Querstege 205 und 206 parallel zueinander angeordnet, wobei jeweils zwischen zwei parallel angeordneten Streifen einer Elektrode ein Streifen der Elektrode mit entgegengesetzter Polarität zum Liegen kommt. Die Elektroden 201 und 202 sind durch einen Spalt 207 getrennt. Dieser wird durch die einander zugewandten Teile der Begrenzungslinien der Elektroden 201 und 202 definiert. Die Spaltbreite ist über die gesamte Länge des Spaltes im Wesentlichen konstant. Der Spalt selbst weist in seiner Gänze wie die ihn definierenden Begrenzungslinien einen recht- eckförmigen und damit einen nichtlinearen Verlauf auf, wobei er jedoch mehrere lineare Teilabschnitte (5 Abschnitte mit der Länge I, jeweils 4 Abschnitte mit den Längen ba und bk) umfasst.
Gegenüber den Elektroden einer Batterie, wie sie z.B. in Fig. 1 darge- stellt ist, liegt der Vorteil einer solchen Ausgestaltung der Elektroden darin, dass das Verhältnis aus der Länge des Spaltes 207 zwischen den Elektroden 201 und 202 zur Fläche der Elektroden stark erhöht ist, was wiederum im Mittel die Distanz sinken lässt, die die Ionen von einer E- lektrode zur anderen zurücklegen müssen.
Positive und negative Elektroden weisen jeweils die gleiche Dicke auf. Allerdings nehmen die positiven Elektroden mehr Fläche ein als die negativen. Die streifenförmige Abschnitte 203a bis 203d und 204a bis 204d weisen zwar alle die gleiche Länge auf, unterscheiden sich jedoch in ihrer Breite (ba < bk). Das Verhältnis der Dicke der beiden Elektroden 201 und 202 zur Breite des Spalts liegt zwischen 1 :10 und 10:1.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Elektroden einer erfindungsgemäßen Batterie in streifenförmiger Ausgestaltung (schematische Dar- Stellung). Jeweils vier positive Elektroden 301a bis 301d und vier negative Elektroden 302a bis 302d sind parallel zueinander sowie in alternierender Abfolge (abwechselnd positiv und negativ) angeordnet. Elektroden gleicher Polarität sind jeweils über die Abieiter 303 und 304 verbun- den. Zwischen benachbarten Elektroden findet sich jeweils ein Spalt 305 mit konstanter Spaltbreite s. Positive und negative Elektroden weisen jeweils die gleiche Dicke auf. Das Verhältnis der Dicke der Elektroden zur Breite des Spalts s liegt zwischen 1 :10 und 10:1. Die positiven Elektroden nehmen mehr Fläche ein als die negativen. Die streifenförmige Abschnitte 301a bis 301d und 302a bis 302d weisen zwar alle die gleiche Länge auf, unterscheiden sich jedoch in ihrer Breite (ba < bk). Auch in dieser Ausführungsform ist gewährleistet, dass das Verhältnis aus der Gesamtlänge der Spalte 305 zwischen den Elektroden zur Fläche der Elektroden stark erhöht ist.
Fig. 4 zeigt zwei Ausführungsformen A und B einer erfindungsgemäßen Batterie (Querschnitt, schematische Darstellung). Die Batterie gemäß Ausführungsform A umfasst die positiven Elektroden 401a bis 401c und die negativen Elektroden 402a bis 402c. Die Batterie gemäß Ausführungsform B umfasst die positiven Elektroden 403a bis 403e und die negativen Elektroden 404a bis 404e. Die Elektroden sind dabei auf den Substraten 405 und 406 angeordnet wie in Fig. 3 dargestellt, also in Form von parallel zueinander angeordneten Streifen. Zwischen den E- lektroden befinden sich jeweils Spalte mit der konstanten Spaltbreite s. Bedeckt sind die Elektroden durch einen Elektrolyten 407 und 408, welcher jeweils auch die Spalte zwischen den Elektroden ausfüllt. Die Elekt- roden 401 a-c und 402a-c unterscheiden sich von den Elektroden 403a-e und 404a-e in ihrer Dicke. So entspricht die Dicke der Elektroden bei Ausführungsform A in etwa der Spaltbreite s, bei Ausführungsform B hingegen sind die Elektroden um den Faktor 2 dicker als der Spalt breit ist. Batterien in Ausführungsform B weisen im Allgemeinen eine höhere Strombelastbarkeit auf als Batterien in Ausführungsform A sowie einen vergleichsweise niedrigeren inneren Widerstand im Betrieb. Dies wird insbesondere darauf zurückgeführt, dass bei Ausführungsform B die Mehrzahl der Ionen über den Elektrolyten im Spalt zwischen den Elektroden wandern kann.
Fig. 5 zeigt mögliche Ausgestaltungen der Elektroden einer erfindungs- gemäßen Batterie. Wie oben erwähnt, ist man beim Drucken von Batterien völlig frei, was die Formgebung der Elektroden angeht. Entsprechend können problemlos Muster produziert werden, bei denen streifenförmige Elektroden eine dreieck- (A), sägezahn- (B), wellen- (C) oder spiralförmige (D) Geometrie aufweisen.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Elektroden einer erfindungsgemäßen Batterie in kammförmigem Muster (schematische Darstellung). Dargestellt sind eine positive (weiss) und eine negative Elektrode 601 und 602. Getrennt sind die Elektroden durch den Spalt 603. Im Unterschied zu dem kammförmigen Elektrodenmuster in Fig. 2 weisen die horizontal ausgerichteten Elektrodenstreifen und auch die senkrechten Stege jedoch keine gleichmäßige Breite auf, stattdessen sind sie keil- oder trapezförmig ausgebildet. Dies kann sich ebenfalls positiv auf den Innenwiderstand auswirken.
Beispiel
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems gemäß Fig. 4B wurde wie folgt vorgegangen.
Zunächst wurden eine Kunststoffolie als Substrat und eine weitere Kunststoffolie als Abdeckfolie bereitgestellt. Hierfür sind grundsätzlich Kunststoffolien mit geringen Gas- und Wasserdampf-Diffusionsraten be- vorzugt, d.h. insbesondere Folien aus PET, PP oder PE. Besonders geeignete Folien sind in der Internationalen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen WO/2009/135621 beschrieben. Sofern beabsichtigt ist, diese Folien später heiß miteinander zu versiegeln, können die bereitgestellten Grundfolien zusätzlich mit einem niedrigschmelzenden weiteren Material kaschiert werden. Geeignete Schmelzkleber sind dem Fachmann bekannt.
Auf das Substrat wurde dann zunächst eine Ableiterstruktur aufgebracht. Hierzu wurde ein silberhaltiger Leitlack aufgedruckt. Alternativ können beispielsweise auch Leitkleber auf Basis von Nickel oder Graphit verwendet werden, die ebenfalls aufgedruckt werden können. Weiterhin ist es natürlich auch möglich, die erforderlichen Abieiter galvanisch oder durch Abscheidung aus der Gasphase herzustellen. Alle diese Vorge- hensweisen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Anschließend wurde das Elektrodenmaterial für die positive Elektrode auf den entsprechenden Kollektor/Ableiter aufgedruckt. Das Aufdrucken erfolgte mittels einer Siebdruckmaschine. Als Elektrodenmaterial wurde eine Paste verwendet, die aus einem elektroaktiven Material wie z.B. Mn02 (308mAh/g), einem Binder, einen Leitmaterial (Graphit oder Ruß) und einem Lösungsmittel bestand. In analoger Weise wurde auch die negative Elektrode hergestellt. Hierzu wurde eine Paste bestehend aus einem elektroaktiven Material wie z.B. Zn-Pulver (820 mAh/g), einem Binder und einem Lösungsmittel verwendet.
Die Elektroden wurden in gleichmäßigen Streifen von jeweils 30 mm Länge gedruckt, die positiven in einer Breite von 0,23 mm, die negativen in einer Breite von 0,07 mm. Der Spalt zwischen den Elektroden wies eine Breite von 0,1 mm auf. Nach Trocknung wiesen die Elektroden (positiv und negativ) eine Dicke von ca. 190 μιτι auf.
Schließlich wurde in einem weiteren Verfahrensschritt der Elektrolyt aufgebracht. Bei dem Elektrolyten handelt es sich vorzugsweise um eine wässrige (KOH, ZnCI2) oder organische Lösung von Leitsalzen, die die Ionen für den Stromfluss zur Verfügung stellen. Das Aufbringen des E- lektrolyten erfolgte ebenfalls durch ein Druckverfahren. Der Elektrolyt überdeckte die in Fig. 4B dargestellten Elektroden vollflächig. Die Spal- ten zwischen den Elektroden waren mit Elektrolyt vollständig befüllt, ü- ber den Elektroden betrug die Dicke der Elektrolytlage 10 μιη.
Die so hergestellte Einzelzelle wurde dann mit der weiteren Kunststoffolie überdeckt, d. h. nach Art eines Gehäuses verschlossen. Dies erfolgte mit Hilfe eines Heißsiegelverfahrens.
Die resultierende Batterie wies einen anfänglichen Innenwiderstand von 2 Ohm auf. Im laufenden Betrieb erhöhte sich dieser Widerstand auf bis zu 13 Ohm. Eine Batterie mit nur 50 μιτι dicken Elektroden und einer 150 μιτι dicken Elektrolytlage über den Elektroden (und ansonsten identischen Parametern) wies zu Beginn einen Innenwiderstand von 2 Ohm auf, der sich im Betrieb aber auf bis zu 18 Ohm erhöhte.

Claims

Patentansprüche
1 . Batterie mit einer flächigen positiven und einer flächigen negativen Elektrode, die, getrennt durch einen Spalt, nebeneinander auf einem flächigen Substrat angeordnet und über einen ionenleitfähi- gen Elektrolyten miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Dicke von zumindest einer der beiden Elektroden, vorzugsweise von beiden Elektroden, zur Minimalbreite des Spalts zwischen 1 :10 und 10:1 liegt.
2. Batterie nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt zwischen den Elektroden eine im Wesentlichen gleichmäßige Spaltbreite aufweist.
3. Batterie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die positive und die negative Elektrode im Wesentlichen die gleiche Dicke aufweisen.
4. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Elektrode eine größere Fläche auf dem Substrat belegt als die negative Elektrode.
5. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden zumindest in Teilbereichen, vorzugsweise vollständig, als Streifen ausgebildet sind.
6. Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen eine im Wesentlichen gleichmäßige Breite aufweisen.
7. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen, die die Elektroden auf dem Substrat einnehmen, jeweils durch eine umlaufende Begrenzungslinie definiert sind und dass bei jeder der Elektroden zumindest ein Teil der Begrenzungslinie der entgegengesetzt gepolten Elektrode zugewandt ist, wobei der Quotient aus der Länge des der entgegengesetzt gepolten Elektrode zugewandten Teils der Begrenzungslinie einer Elektrode zur Gesamtlänge der Begrenzungslinie zwischen 0,25 und 0,5, bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5, besonders bevorzugt zwischen 0,35 und 0,5, insbesondere zwischen 0,4 und 0,5 liegt.
8. Batterie nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Breite der Streifen zur Breite des Spalts zwischen den Elektroden zwischen 0,5:1 und 20:1 , vorzugsweise zwischen 0,5:1 und 10:1 , liegt.
9. Batterie nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge der Streifen zu ihrer Breite zwischen 2:1 und 10.000:1 , vorzugsweise zwischen 10:1 und 1 .000:1 , liegt.
10. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehr als eine positive und/oder mehr als eine negative Elektrode umfasst.
1 1 . Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden auf das Substrat aufgedruckt sind.
12. Batterie nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen zumindest in einem Teilbereich einen rechteck-, dreieck-, wellen-, spiral- oder sägezahnartigen Verlauf aufweisen.
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