JP2014514694A - 電気エネルギーを貯蔵するための電気化学的セル - Google Patents

Abstract

少なくとも２つの電極シートと、その間に設けられている少なくとも１つのセパレータシートとを含む少なくとも１つの電極積重物を有する、電気エネルギーを貯蔵するための電気化学的セルであって、電気化学的セルは少なくとも１つの容積補償装置を備える。

Description

本願発明は一般的に、電気エネルギーを貯蔵するための電気化学的セルに関する。本発明は、再充電可能なバッテリーに関連して記述される。本発明は、電気化学的セルの構造とその化学物質とに関係なく、かつ電力供給される適用方法にも関係なく、用いられ得る。

従来技術から、たとえば自動車駆動装置に電力供給するための電気化学的セルを有する再充電可能なバッテリーが知られている。そのような電気化学的セルの駆動中には、セル容積の変化が生じ、その変化は、セルと当該セルを取り囲むハウジングとの間の接触に影響を及ぼし、それによって電気化学的セルを冷却する可能性が悪化して、セルの損傷をもたらしかねない。セルと当該セルを取り囲むハウジングとの間の不充分な接触によって、さらに、たとえば車両振動のような運動の影響によっても、セルの損傷に至りかねない。そのような損傷はしばしば、電気化学的セルにおいて、セルの寿命を縮める非可逆の化学反応をもたらす。

特許文献１から、たとえば、バッテリーセルポケット内に２つのバッテリーセルを有する自動車用のバッテリーが知られており、各バッテリーセルは、バッテリーセルポケットの壁と接触し、２つのバッテリーセルの間には、より良好な排熱のためにバッテリーセルとバッテリーセルポケットの壁との間の接触を改善するのに使われる中間ピースが設けられている。

これによって、優先出願ＤＥ１０２０１１０１５８３０．８の全内容が、関連付けによって、本願の構成部分となっている。

独国特許出願公開第１０２０１００１９７４７号明細書

それゆえ本発明の課題は、セルの容積の変化を補償し、それでセルの寿命を延ばすことのできる、改良された電気化学的セルを提供することであり、さらに、そのような電気化学的セルによって電気エネルギーを貯蔵するための装置と、そのような電気化学的セルを製造するための方法とが提案されるはずである。

この課題は、本発明に従えば、独立請求項の対象によって解決される。本発明の好ましいさらなる形態は、従属請求項の対象である。

電気エネルギーを貯蔵するための、本発明に係る電気化学的セルは、少なくとも２つの電極シートと、その間に設けられている少なくとも１つのセパレータシートとを含む少なくとも１つの電極積重物を備える。セパレータシートは、電極を互いに分離し、少なくとも部分的に電解質を受容してよい。好ましくは電極積重物は、複数層の電極シートとセパレータシートとを備え、同じ極性の電極は、それぞれ好適には電気的に互いに接合されており、特に並列に接続されている。電極シートは、たとえば、むしろ硬いプレート状の材料からあるいは軟らかいフィルム状の材料から形成されており、好ましくは互いにほぼ平行に設けられている。電極積重物は巻回されていてもよく、たとえばほぼ円柱状の形を有してよい。電極積重物という言葉は、電極巻回体も含むべきである。電極積重物は、リチウムあるいは別のアルカリ金属をイオン形状でも備えてよい。

本発明の主旨において、電気化学的セルとは、化学エネルギーを貯蔵し電気エネルギーを放出するために使われる装置と理解され得る。電気化学的セルは、充電時に電気エネルギーを化学エネルギーに変換して貯蔵するために構成されていてもよい。それで二次セルあるいは蓄電池ともいう。

容積補償装置として、本願発明との関連において、外部の力の作用で好ましくは温度に応じて、いわゆる弾性変形が生じる、一部品あるいは複数部品から成る装置と理解されるべきである。その際容積補償装置は、外部から当該装置に作用する力に対して、対応する抵抗力で対抗し、当該抵抗力は、容積補償装置が変形するにつれて大きくなるので、最終的に変形は、力が均衡して停止する。外部の力がなくなると、容積補償装置の変形は、完全に元に戻る。本願発明との関連において、容積補償装置とは、理想的な弾性特性が少なくともほとんど与えられた、本質的に弾性のある装置とも理解されるべきである。

好適には、少なくとも１つのこの容積補償装置が及ぼす力の種類および／あるいは大きさは、本質的に当該装置の温度と、装置に作用する周囲圧とに依存する。有利には、容積補償装置が及ぼす力の種類および／あるいは大きさは、当該装置の幾何学的形状および／あるいは装置が作られている材質によって、予め調節され得る。好適には、一定の周囲圧に対して、容積補償装置が温度に応じて及ぼす力は、少なくとも間隔をおいて、少なくとも１つの数学関数によって記述される。

好ましい一実施形態において、容積補償装置は、開放ミクロ構造を備える材料から成る。この材料は、容積補償装置の弾性特性のほかに、電気化学的セル内部でのもしくは容積補償装置に好適には隣り合う両電極間での電荷交換に影響を与えない構造を備える。開放ミクロ構造によって、この実施形態の容積補償装置は、好ましくは平型に形成されていてよい。開放ミクロ構造を有する模範的な材料は、フリースあるいは発泡材あるいは多孔構造を有する弾性プラスチックのような多孔性材質である。電気化学的セル内部での電荷交換を妨害しない、適切な弾性のいわゆるハイブリッド材料も、本発明に係る容積補償装置のために用いるのに適している。

さらなる好ましい一実施形態において、容積補償装置は、開放ミクロ構造を備える。この実施形態の容積補償装置の材料は、容積補償装置の弾性特性のほかに、閉鎖ミクロ構造も備えてよい。開放ミクロ構造は、たとえば容積補償装置の格子状の形によって、あるいは容積補償装置の、より大きな貫通孔を特徴とする別の構造によって、手に入れることができ、当該構造は、両電極間の、貫通孔によって開放された面が、容積補償装置で覆われてそれによって閉鎖された面と比較して大きく、好適には５０％よりも大きく、好ましくは７０％よりも大きく、特に好ましくは８５％よりも大きいことを保証する。開放ミクロ構造を有するそのような容積補償装置によっても、電気化学的セル内部でのもしくは容積補償装置に好適には隣り合う両電極間での電荷交換は影響を受けない。

さらなる好ましい一実施形態において、容積補償装置は、複数部品から形成されている。好ましい第１の実施可能性では、容積補償装置は、電極積重物の寸法と比較して小さい多数の弾性物体から形成され、当該弾性物体は、好ましくは均等に、好適には電極積重物の１つの層の上に分散して設けられている。その際容積補償装置は、たとえば小さい棒状に形成されていてよい均一に成形された成形体、あるいはたとえば顆粒のような不均一に成形された成形体で形成されていてよい。好ましい第２の実施可能性では、容積補償装置は、適切なやり方で好適には平型に成形された複数の弾性装置で形成され、当該弾性装置は、好ましくは互いに並列して、電極積重物の層の上に設けられている。

容積補償装置は、電極積重物の面を好ましくは少なくとも領域的に覆う。この場合、変形していない電極積重物を備える角柱形のセルであるか、あるいは巻回された電極積重物を備える巻回セルであるかは、異なっていてよい。この電極積重物は、たとえば螺旋形、Ｚ字型、Ｓ字型にあるいは別のやり方で別の形状に巻回されていてよい。角柱形セルで好ましいのは、電気化学的セル内部の容積変化過程を当該セルの面全体にわたって均等に補償するために、容積補償装置が電極積重物の面を領域全体にわたって均等に覆うことであるが、一方巻回セルで有利になり得るのは、巻回された状態で均等な容積補償を達成するために、電極積重物の面を領域的にのみ覆うことである。

電気化学的セルのさらなる好ましい一実施形態では、適切なやり方で、複数の容積補償装置が、電極積重物の様々な層の間に設けられる。好ましくは、容積補償装置は、その上にある層に均等に押圧できるようにするために、電極積重物の中心にあるいは対称的に設けられる。しかしながら、非対称な挿設も、電極積重物の形成と、それから作られる電気化学的セルもしくはこれを受容する保持装置によっては、均等な押圧を支持できる。この場合、電極積重物の複数の層に設けられている容積補償装置は、容積補償の際に好ましくは補い合うことができる。同様に可能なのは、容積補償装置の容積補償の能力を、材料と当該容積補償装置の材料の厚さとによって調節し、１つの層における材料、形状、構造と、様々な層における構造のパラメータのヴァリエーションによって、電気化学的セルの容積補償に関して望ましい特性に対応する容積補償装置を設計することである。

電気化学的セルのさらなる好ましい一実施形態では、容積補償装置は、電極積重物の最初および／あるいは最後の層に設けられている。そのような構造には、容積補償装置がほとんど直接的に、電極積重物の周囲に対して作用するという利点がある。

さらなる好ましい一実施形態においては、容積補償装置は、巻回された電極積重物の巻回コアを形成する。この場合、好ましくは形状の安定した容積補償装置が、好適には電極積重物の成形に使われる。それで、巻回方向に対して横向きに設けられているたとえば円柱状の容積補償装置は、円柱状の電気化学的セルのコアを形成してよい。好適には、巻回方向に対して横向きに長手延伸方向に設けられている、平型でほぼ長方形の容積補償装置は、たとえば好ましくはＺ字型に巻回されたもしくは折り曲げられた、好適には直方体形のセルのコアを形成する。

さらなる好ましい一実施形態では、容積補償装置は、形状が安定しない要素である。この要素は、当該要素が電極積重物に挿設された位置から、好ましくは不規則に膨張する。形状が安定しないそのような要素は、電極積重物内部の、より小さい圧力が作用する箇所で、より激しく膨張する。好ましくは、そのような容積補償装置は、エラストマーに対してより小さい、好ましくは１００Ｎ／ｍｍ^２よりも小さく、特に好ましくは１０Ｎ／ｍｍ^２よりも小さい弾力係数を備える。その際堅牢性は、たとえばむしろゲル状である。

さらに、本発明に係る少なくとも１つの電気化学的セルを備える、電気エネルギーを貯蔵するための装置が提案される。本発明に係る装置はしかも、少なくとも１つの内室を有するセル保持装置を備え、当該セル保持装置は、少なくとも１つの電気化学的セルを少なくとも部分的に受容するよう意図されている。しかも、本発明に係るセル保持装置は、少なくとも１つの第１内壁要素を備え、当該第１内壁要素は、セル保持装置の内室を少なくとも部分的に取り囲み、かつ少なくとも領域的に、少なくとも１つの電気化学的セルと作用接合されている。

セルが、好ましくは均等に、セル保持装置と力接続的にもしくは摩擦接続的に作用接合されるために、容積補償装置は、特にセルの充電プロセスと放電プロセスとによって誘発されている電気化学的セルの容積変化を、セル保持装置との関係で補償することに使われる。

本発明の主旨において、セル保持装置とは、内室と、この内室を少なくとも部分的に取り囲んでいる少なくとも１つの第１内壁要素とを備える装置と理解され得る。内壁要素は、この内室を完全に取り巻いてもよい。この内壁要素自体が曲げに強く実施されているならば、セル保持装置は、いわゆるハードケースとも呼ばれる。セル保持装置の別の好ましい一実施形態では、セル保持装置は場合によっては、さらなるセル保持装置と同時に、好適には曲げに強く実施されているハウジングで取り囲まれており、当該ハウジングは、好適には特に電気化学的セルを温度調整するための装置のようなさらなる装置を備える。セル保持装置の内室は、好適には、少なくとも１つの電気化学的セルを少なくとも部分的に受容するように構成されている。好適には内室は、少なくとも１つの電気化学的セルに加えて、特に測定装置あるいは制御装置のような、さらなる装置を受容するように構成されている。内室には、好適には、セル保持装置の外室を電気化学的セルと導電接合するための装置も設けられている。

受容されている少なくとも１つの電気化学的セルと、受容されている少なくともさらなる装置とは、好適にはこのセル保持装置によって力接続的および／あるいは熱伝導的に取り巻かれる。好適には、少なくとも１つの電気化学的セルは、併設されたセル被覆の少なくとも１つの第１外面が、少なくとも部分的に、少なくとも第１内壁要素と、面での固体・固体接触を形成するように、セル保持装置によって取り巻かれる。これによって電気化学的セルは、好適には耐振動的にセル保持装置に保持される。この構造で有利なのは、排出されるべき熱エネルギーが、電気化学的セルから、さらなる固体・固体接触なしに直接的にセル保持装置の外面へ誘導されることでもある。好ましくは、セル保持装置の少なくとも第１内壁要素が、好適には金属のような熱伝導性の高い物質、特に好ましくはアルミニウムから成る。

特に、電気化学的セルに高い熱負荷がかかる場合、熱エネルギー流の中断もしくは妨害によって、電気化学的セルおよび／あるいはセル保持装置内部での熱滞留をもたらし、それによってこの電気化学的セルの駆動温度が上昇する。特に、電気化学的セルの駆動温度が高くなれば、寿命が短くなり、ひいては可能な充電サイクルと放電サイクルの数も減少する。非常に高い熱負荷の場合、たとえばリチウムイオン蓄電池では、セパレータの溶融に至りかねず、それによって蓄電池が破壊される。しかも、リチウムイオン蓄電池の容量は、時間の経過で、特に電解質とリチウムの寄生反応によって、減少する。この分解速度は、温度上昇とともに増加する。

好適には、充電サイクル時の少なくとも１つの電気化学的セルの容積増加は、少なくとも併設された容積補償装置の対応する容積低下によって補償され、少なくとも１つの電気化学的セルおよび／あるいは少なくともセル保持装置の変形および／あるいは破壊が防止される。好適には、容積補償装置は、少なくとも第１内壁要素に対する少なくとも１つの電気化学的セルの押圧力を、好ましくは一定の値に制御する。

充電サイクルおよび／あるいは放電サイクルの際に不可避の電気化学的セルの容積変化は、この容積補償装置によって少なくとも部分的に補償される。少なくとも１つの電気化学的セルと第１内壁要素との間の熱接触は、容積補償装置によって改善および／あるいは保証される。好適には、放電サイクル時の少なくとも１つの電気化学的セルの容積低下は、少なくとも併設された容積補償装置の対応する容積増加によって補償され、少なくとも１つの電気化学的セルと少なくとも第１内壁要素との間の熱伝導的固体接触は、この場合も維持される。特に、少なくとも第１内壁要素に対する電気化学的セルの押圧力が小さすぎれば、少なくとも１つの電気化学的セルと少なくとも第１内壁要素との間の熱エネルギー流の中断もしくは妨害がもたらされる。好適には、容積補償装置は、少なくとも第１内壁要素に対する少なくとも１つの電気化学的セルの押圧力を、好ましくは一定の値に制御する。

本発明のさらなる一態様は、本発明に係る電気化学的セルの製造法に関する。第１ステップにおいて、交互に電極シートがセパレータシートの上に設けられることによって、電極積重物が準備される。その際電極シートとセパレータシートは、本質的に同じ広がりを備えるので、シートはほぼ一致する。電極積重物の製造の間、第２ステップにおいて、１つあるいは複数の電極シートとセパレータシートの間に、適切な形状の容積補償装置が、電極積重物の適切な箇所に設けられる。

第３ステップにおいて、電極積重物に電解質が供給される。これは、たとえば電極積重物を電解液に浸すことによって行うことができ、電気化学的セルが別の構造であれば、セルの電極積重物はすでに、好適には被覆体の一部によって取り囲まれていてよく、当該被覆体の中に、特に電極積重物内のセパレータシートによって受容される電解質が取り込まれる。

第４ステップにおいて、電極積重物は、液体漏れやガス漏れなしに閉鎖される。電気化学的セルの機能に必要な電流導体は、たとえば電極シートから直接、被覆体を通って外部に向かって通されていてよく、あるいは電気化学的セルの被覆体の、外部に向かって通された部分として、被覆体内部で電極シートと接触してよく、かつ被覆体によって導電接合されてよい。

本願発明のさらなる利点と特徴と形態とは、図と関連して、以下の記述からもたらされる。図に示されるのは以下である。

開放ミクロ構造を有する容積補償装置を有する模範的な電極積重物である。 開放ミクロ構造を有する容積補償装置を有する模範的な電極積重物である。 複数部品から成る容積補償装置を有する模範的な電極積重物である。 複数部品から成る容積補償装置を有するさらなる模範的な電極積重物である。 形状の安定した容積補償装置を有する巻回セルを製造する際の、模範的な電極積重物である。 複数部品から成る容積補償装置を有する巻回セルを製造する際の、さらなる模範的な電極積重物である。 形状の安定した容積補償装置を有する巻回セルのさらなる模範的な電極積重物である。 セル保持装置内に設けられている模範的な電極積重物である。 セル保持装置内に設けられているさらなる模範的な電極積重物である。 エネルギーを貯蔵するための模範的な装置である。

図１は、交互に設けられた電極シート４とセパレータシート５とから構成されている、模範的な電極積重物３を示している。最上部のセパレータシート５の下に、容積補償装置２が設けられている。この容積補償装置２は、隣り合う両電極シート４の間の電荷交換を妨げないために、開放ミクロ構造を備える。

図２は、図１に表わされた電極積重物３とまったく同様に、交互に設けられた電極シート４とセパレータシート５とから構成されている、模範的な電極積重物３を示している。最上部のセパレータシート５の下に、この電極積重物３でも、容積補償装置２が設けられている。この容積補償装置２は、格子状に形成されている。それによって容積補償装置２は、隣り合う両電極シート４の間の電荷交換を可能にする開放ミクロ構造を備える。

図３も、図１と図２に表わされた電極積重物３と同様に、交互に設けられた電極シート４とセパレータシート５とから構成されている、模範的な電極積重物３を示している。最上部のセパレータシート５の下に、この電極積重物３でも、容積補償装置２が設けられている。この模範的な容積補償２は、不規則に成形された弾性体の複数部品から形成されている。それによって、図３に表わされた模範的な実施形態の容積補償装置２も、隣り合う両電極シート４の間の電荷交換を可能にする。

図４は、層に折畳まれた１つのセパレータシート５と、層の間に設けられた電極シート４とから構成されている、模範的な電極積重物３の断面図を示している。最上部で表わされたセパレータと電極とセパレータの層の下に、切断平面に対して横向きに挿入された３つの棒状の要素で形成される容積補償装置２が設けられている。この容積補償装置２の弾性物質が覆っている電極シート４の面によっては、この容積補償装置２が開放ミクロ構造を備える必要があるかもしれない。

図５は、ちょうど巻回プロセスを終了する、巻回セルの模範的な電極積重物３を示している。フィルム状の電極シート４とその間に設けられたセパレータシート５とから構成されている電極積重物３の１つの端部には、電極積重物３の長手方向に対して横向きに、形状の安定した円柱状の容積補償装置２が設けられており、当該容積補償装置２が、電気化学的セルの巻回コアを形成する。電極積重物３を巻回した後、巻回コアは容積補償装置を形成し、当該容積補償装置は、電気化学的セルの容積変化を補償し、セル保持装置内部でのセルの形状の安定した据置をもたらす。

図６は、基本構成が図５の電極積重物３と一致する、さらなる模範的な電極積重物３を示している。最上部の電極シート４の上に、電極積重物の延伸と比べると小さく形成されて不均一に成形された成形部品から成る顆粒の形状をした、複数部品から成る容積補償装置２が設けられている。図５で示された巻回から作られる電気化学的セル１とは異なって、この模範的な実施形態での容積補償装置２は、巻回されるセルの円周全体にわたって分散し、それによって容積補償プロセスは、電気化学的セル１の外皮のより近くで行われる。

図７は、図５の実施形態に類似して作られている、巻回されたセルを示しているが、挿入された巻回コアとひいては容積補償装置２は円柱状ではなく、直方体形に形成されているという違いがある。これによって、ほぼ角柱形のセル１ができる。

図８は、セル保持装置１１の内室１２に受容されて表わされている、図７の電気化学的セル１を示している。充電された状態では、模範的な電気化学的セル１は、その容積が最大に達する。セル保持装置１１は、形状が安定して実施されているので、容積補償装置２は弾性変形を受ける。放電された状態では、模範的な電気化学的セル１は、その容積が最小に達するので、容積補償装置２は膨張することができ、その際電気化学的セル１とセル保持装置１１の内壁要素１３との間の大きな面での接触を保証する。

図９は、巻回されていない電極積重物３から作られる電気化学的セルを示しており、縁辺部に設けられた電極シート４の間に、同様にシート状の２つの容積補償装置２が設けられている。この容積補償装置２の弾力は、図８で示された実施形態とは異なって、電気化学的セル１の電極積重物３の積重方向にのみ作用するので、電気化学的セル１とセル保持装置１１の内壁要素１３との間の大きな面での接触は、同様にこの方向でのみ保証されている。

図１０は、エネルギーを貯蔵するための模範的な装置を示しており、よりよく描写するために、セル保持装置１１は、電気化学的セル１から分離して設けられている。セル保持装置１１は、セル保持装置１１の内室１２を取り囲む内壁要素１３を備える。電気化学的セル１とセル保持装置１１の寸法は、容積補償装置２を備える電気化学的セル１が、放電された状態で形状接続的にセル保持装置１１に受容され得、電気化学的セル１とセル保持装置１１の内壁要素１３との間の大きな面での接触が起こるように互いに調整されている。電気化学的セル１の容積が充電過程で大きくなれば、この容積力は、弾性的に予応力がかけられる容積補償装置２に作用し、その際容積補償装置２の容積を減少させる。そうして、電気化学的セル１とセル保持装置１１との間の大きな面での恒常的な接触が構築される。

１ 電気化学的セル
２ 容積補償装置
３ 電極積重物
４ 電極シート
５ セパレータシート
６ 巻回コア
１１ セル保持装置
１２ 内室
１３ 内壁要素

Claims (12)

1. 少なくとも２つの電極シート（４）と、その間に設けられている少なくとも１つのセパレータシート（５）とを含む少なくとも１つの電極積重物（３）を有する、電気エネルギーを貯蔵するための電気化学的セル（１）において、
   該電気化学的セル（１）は、前記電極積重物（３）の内部に設けられている少なくとも１つの容積補償装置（２）を備えることを特徴とする電気化学的セル（１）。
2. 前記容積補償装置（２）は、開放ミクロ構造を有する材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の電気化学的セル（１）。
3. 前記容積補償装置（２）は、開放ミクロ構造を備えることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の電気化学的セル（１）。
4. 前記容積補償装置（２）は、複数部品から形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電気化学的セル（１）。
5. 前記容積補償装置（２）は、前記電極積重物（３）の面を少なくとも領域的に覆うことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電気化学的セル（１）。
6. 前記容積補償装置（２）は、前記電極積重物（３）の複数の層の上に分散して設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電気化学的セル（１）。
7. 前記容積補償装置（２）は、前記電極積重物（３）の最初および／あるいは最後の層に設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電気化学的セル（１）。
8. 前記容積補償装置（２）は、巻回された電極積重物（３）の巻回コア（６）を形成することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電気化学的セル（１）。
9. 前記容積補償装置（２）の材料は、フリースと発泡材とプラスチックとハイブリッド材料とを含むグループから選択されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の電気化学的セル（１）。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の少なくとも１つの電気化学的セル（１）を有する、電気エネルギーを貯蔵するための装置において、
    少なくとも１つの前記電気化学的セル（１）を少なくとも部分的に受容するよう意図されているセル保持装置（１１）であって、少なくとも１つの内室（１２）と、
    前記セル保持装置（１１）の前記内室（１２）を少なくとも部分的に取り囲み、かつ少なくとも領域的に、少なくとも１つの前記電気化学的セル（１）と作用接合されている内壁要素（１３）とを有するセル保持装置（１１）を特徴とする装置。
11. 前記セル保持装置（１１）は、ハードケースで形成されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 請求項１から９のいずれか１項に記載の電気化学的セル（１）の製造法であって、
    （ａ）少なくとも１つの電極シート（４）と少なくとも１つのセパレータシート（５）とを交互に設けることによって、電極積重物（３）を作るステップと、
    （ｂ）前記電極積重物（３）の内部に容積補償装置（２）を設けるステップと、
    （ｃ）前記電極積重物（３）に電解質を供給するステップと、
    （ｄ）前記電極積重物（３）を被覆するステップと、
    を有する製造法。

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