WO2012130447A1 - Elektrochemische zelle zum speichern elektrischer energie - Google Patents

Elektrochemische zelle zum speichern elektrischer energie Download PDF

Info

Publication number
WO2012130447A1
WO2012130447A1 PCT/EP2012/001369 EP2012001369W WO2012130447A1 WO 2012130447 A1 WO2012130447 A1 WO 2012130447A1 EP 2012001369 W EP2012001369 W EP 2012001369W WO 2012130447 A1 WO2012130447 A1 WO 2012130447A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrochemical cell
electrode stack
cell
volume
volume compensating
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/001369
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Felix Dunkel
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
Priority to KR1020137028174A priority Critical patent/KR20140016955A/ko
Priority to EP12711116.9A priority patent/EP2695221A1/de
Priority to JP2014501478A priority patent/JP2014514694A/ja
Publication of WO2012130447A1 publication Critical patent/WO2012130447A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0413—Large-sized flat cells or batteries for motive or stationary systems with plate-like electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0431—Cells with wound or folded electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0436—Small-sized flat cells or batteries for portable equipment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0459—Cells or batteries with folded separator between plate-like electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0585—Construction or manufacture of accumulators having only flat construction elements, i.e. flat positive electrodes, flat negative electrodes and flat separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0587—Construction or manufacture of accumulators having only wound construction elements, i.e. wound positive electrodes, wound negative electrodes and wound separators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates generally to electrochemical cells for storing electrical energy.
  • the invention will be described in the context of rechargeable batteries.
  • the invention may be used regardless of the structure of the electrochemical cell, its chemistry, and also regardless of the type of the supplied application.
  • each battery cell contacted a wall of the battery cell pocket and between the two battery cells an intermediate piece is arranged, which serves to improve the contact between the battery cells and the walls of the battery cell pocket for better heat dissipation.
  • the entire contents of the priority application DE 10 201 1 015 830.8 by reference is part of the present application.
  • the invention is therefore based on the object, an improved
  • the electrochemical cell according to the invention for storing electrical energy has at least one electrode stack which contains at least two electrode sheets and at least one separator sheet arranged therebetween.
  • the separator sheet separates the electrodes from one another and can at least partially receive an electrolyte.
  • the separator sheet separates the electrodes from one another and can at least partially receive an electrolyte.
  • an electrochemical cell means a device which also serves to store chemical energy and to deliver electrical energy. Also, the electrochemical cell may be configured to convert and store electrical energy when charging into chemical energy. This is also referred to as a secondary cell or an accumulator.
  • a volume compensating device is to be understood as a one-part or multi-part device which, under the influence of an external force, preferably undergoes a so-called elastic deformation depending on the temperature.
  • the volume balancing device sets the force acting on it from outside a corresponding
  • a volume compensating device is also intended to be a substantially elastic one
  • the type and / or the size of an exerted force of this at least one volume compensating device is preferably essentially dependent on its temperature and the ambient pressure acting on it.
  • the type and / or the size of the force exerted by the volume compensation device can be preset by its geometric shape and / or the material from which it is made.
  • the temperature-dependent force of the volume compensation device for a constant ambient pressure is preferably described at least in intervals by at least one mathematical function.
  • the volume compensating means is made of a material having an open microstructure. This material has, in addition to the elastic properties of the volume balancing device, a structure which the
  • the volume balancing device preferably adjacent
  • the volume compensating device of this embodiment may preferably have a planar design.
  • Exemplary open microstructure materials are porous materials such as nonwovens, foams, or resilient plastics with a porous nature
  • the volume compensation device has an open macrostructure.
  • the material of the volume compensating device of this embodiment, in addition to the elastic properties of the volume balancing device may also have a closed microstructure.
  • An open macrostructure can be obtained, for example, by a lattice-shaped design of the volume compensation device or by another structure of the volume compensation device characterized by larger openings, which ensures that the area between the two electrodes which is open through the openings is smaller than that of the bulk material.
  • Compensating device covered and thus closed area is large, preferably greater than 50%, preferably greater than 70% and particularly preferably greater than 85%. Also, by such a volume compensation device with an open macro-structure of the charge exchange within the electrochemical cell or between the two, the volume balancing device is preferably adjacent
  • the volume compensation device is designed in several parts.
  • the volume compensating device is formed by a plurality of small elastic objects compared to the dimensions of the electrode stack, which are preferably arranged distributed uniformly preferably on a single layer of the electrode stack.
  • the volume compensating device can be formed by uniformly shaped moldings, which may be, for example, rod-shaped or formed by irregularly shaped moldings, such as, for example, granules.
  • the volume compensating device preferably covers the surface of the electrode stack at least in regions. It should be distinguished whether it is a prismatic cell, which has an undeformed electrode stack, or a wound cell, which wound one
  • Electrode stack This may for example be spirally, Z-shaped, S-shaped or wound in some other way to another form. While it is preferred in a prismatic cell that the volume balancing means cover the surface of the electrode stack uniformly over the entire area so as to evenly balance the volume change operations within the electrochemical cell over its entire area, it may be advantageous in a wound cell Cover area of the electrode stack only partially, in order to achieve a uniform volume balance in the wound state.
  • a plurality of volume compensating means are suitably arranged between different layers of the electrode stack.
  • the volume compensation device is arranged centrally or symmetrically in the electrode stack in order to obtain a uniform contact pressure of the
  • insertion can support uniform contact pressure.
  • these may be the volume balancing devices that are arranged in multiple layers of the electrode stack during the
  • volume compensation preferred. Likewise, it is possible to adjust the volume compensation capability of the volume balancing device by the material and the material thickness of the volume balancing device and by varying the parameters material, shape, arrangement in a layer and
  • the volume compensation device is arranged on the first and / or the last layer of the electrode stack. Such an arrangement has the advantage that the volume compensation device acts almost directly opposite the environment of the electrode stack.
  • the volume compensation device forms the winding core of a wound electrode stack.
  • a preferably dimensionally stable volume compensation device preferably serves for shaping the electrode stack.
  • a transversely arranged to the winding direction for example, cylindrical volume balancing device form the core of a cylindrical electrochemical cell.
  • the core z. B a preferably Z-shaped wound or embarked, preferably cuboid cell.
  • the core z. B a preferably Z-shaped wound or embarked, preferably cuboid cell.
  • Volume compensation device to a non-dimensionally stable element. This preferably expands irregularly starting from the position at which it has been introduced into the electrode stack. Strengthens such a non-dimensionally stable element at such locations within the
  • Such a volume compensating device preferably has a lower modulus of elasticity than an elastomer of preferably less than 100 N / mm 2 and particularly preferably less than 10 N / mm 2 .
  • the consistency is, for example, rather gelatinous.
  • a device for storing electrical energy which has at least one electrochemical cell according to the invention.
  • the device according to the invention also has at least one
  • the cell holding device has at least one first wall element which at least partially surrounds the interior of the cell holding device and which is at least partially operatively connected to the at least one electrochemical cell.
  • the volume compensation device serves in particular
  • volume changes of the electrochemical cell which are caused in particular by charging and discharging of the cell, to compensate in relation to a cell-holding device, so that the cell is preferably uniformly frictionally engaged or frictionally engaged with a cell holding device.
  • a cell holding device is to be understood as a device which has an inner space and at least one first wall element at least partially surrounding this inner space.
  • the wall element can also completely enclose this interior. is this wall element itself executed rigid, so is the
  • Cell holding device also referred to as a so-called hard case.
  • this is optionally surrounded at the same time with other cell holding devices by a preferably rigidly executed housing, which
  • the interior of a cell holder is preferably configured to at least partially accommodate the at least one electrochemical cell.
  • the interior space is designed in such a way that, in addition to the at least one electrochemical cell, it accommodates further devices, in particular measuring devices or control devices.
  • devices are also preferably arranged for the conductive connection of the outer space of the cell holding device to the electrochemical cell.
  • the at least one recorded electrochemical cell and at least the further recorded devices are preferably enclosed non-positively and / or thermally conductively by this cell holding device.
  • the at least one electrochemical cell is enclosed by the cell holding device in such a way that at least a first outer surface of the adjoining cell envelope at least partially forms a solid-body, solid-state contact with at least the first wall element.
  • the electrochemical cell is preferably held vibration-proof in the cell holding device. It is also advantageous in this arrangement that dissipated thermal energy from the electrochemical cell is passed directly without further solid-state solid state contacts directly to the outside of the cell holder.
  • at least the first wall element of the cell holding device consists of a highly heat-conductive material such as preferably a metal, and particularly preferably
  • the volume compensation device preferably regulates the contact pressure of the at least one
  • electrochemical cell to at least the first wall element preferably to a constant value.
  • volume changes of the electrochemical cell which are unavoidable during charging and / or discharging cycles, are at least partially compensated by this volume compensating device.
  • a volume reduction of the at least one electrochemical cell during the discharge cycle is preferably achieved by a corresponding increase in volume of at least the associated volume flow rate. Balancing device balanced and the thermally conductive
  • the volume compensation device preferably regulates the contact pressure of the at least one electrochemical cell with at least the first one
  • Wall element preferably to a constant value.
  • Another aspect of the invention relates to a method for producing an electrochemical cell according to the invention.
  • an electrode stack is prepared by alternately placing an electrode sheet on a separator sheet.
  • the electrode and separator sheets have substantially the same extension, so that the leaves cover substantially.
  • a second step between one or more electrode and
  • an electrolyte is supplied to the electrode stack. This can be done, for example, by soaking the electrode stack in one
  • the electrode stack is sealed liquid and gas tight.
  • the current conductors required for the function of the electrochemical cell for example, directly from the electrode sheets through the Envelope may be led to the outside or contact as an outwardly guided part of the enclosure of the electrochemical cell, the electrode sheets within the enclosure and provide a conductive connection through the enclosure.
  • FIG. 1 shows an exemplary electrode stack with an open microstructure volume compensator
  • FIG. 2 shows an exemplary electrode stack with a volume compensation device with an open macrostructure
  • FIG. 3 shows an exemplary electrode stack with a multipartite electrode stack
  • FIG. 4 shows a further exemplary electrode stack with a
  • FIG. 5 shows an exemplary electrode stack in the manufacture of a
  • FIG. 6 shows a further exemplary electrode stack in the case of FIG.
  • FIG. 7 shows a further exemplary electrode stack of a winding cell with a dimensionally stable volume compensation device
  • Fig. 8 shows an exemplary electrode stack, which in a
  • Fig. 9 shows another exemplary electrode stack, which in a
  • Fig. 10 shows an exemplary device for storing energy.
  • FIG. 1 shows an exemplary electrode stack 3, which is constructed from alternately arranged electrode sheets 4 and separator sheets 5.
  • This volume compensator 2 has an open microstructure so as not to interfere with the charge exchange between the two adjacent electrode sheets 4.
  • FIG. 2 shows an exemplary electrode stack 3 which, like the electrode stack 3 shown in FIG. 1, is arranged alternately
  • Electrode sheets 4 and separator sheets 5 is constructed. Below the uppermost separator sheet 5 is also in this electrode stack 3 a
  • Volume compensation device 2 is arranged. This volume compensation device 2 is formed in a grid shape. Thus, the volume balancing device 2 has an open macrostructure, which the
  • FIG. 3 also shows an exemplary electrode stack 3, which, like the electrode stack 3 shown in FIGS. 1 and 2, alternates
  • a volume compensating device 2 is also arranged in this electrode stack 3. This exemplary
  • Volume equalizer 2 is a multi-part, of irregularly shaped formed elastic bodies.
  • the volume compensation device 2 also allows the exemplary shown in FIG.
  • FIG. 4 shows a cross section through an exemplary electrode stack 3, which is composed of a folded to sheets separator sheet 5 and arranged between the layers of electrode sheets 4.
  • a volume compensation device 2 is arranged, which is formed by three rod-shaped elements inserted transversely to the cutting plane.
  • this volume compensating device 2 it may be necessary for this volume compensating device 2 to have an open microstructure.
  • FIG. 5 shows an exemplary electrode stack 3 of a winding cell which is currently undergoing the winding process. At one end of the electrode stack 3, which is constructed of foil-like electrode sheets 4 and separator sheets 5 arranged therebetween, is transverse to the longitudinal direction of the electrode stack 3.
  • Electrode stack 3 a dimensionally stable cylindrical volume compensation device 2 is arranged, which the winding core of the
  • the winding core forms electrochemical cell. After winding the electrode stack 3, the winding core forms a volume compensation device, which
  • Compensates for volume changes of the electrochemical cell and provides a dimensionally stable fit of the cell within a cell holder.
  • FIG. 6 shows a further exemplary electrode stack 3, whose
  • a multi-part volume balancing device 2 is arranged in the form of granules, which consists of irregularly shaped, compared to the extension of the electrode stack formed small parts.
  • the volume compensator 2 distributes over the entire circumference of the wound cell, whereby the volume balancing processes take place closer to the outer skin of the electrochemical cell 1.
  • FIG. 7 shows a wound cell, which is produced analogously to the embodiment of FIG. 5, with the difference that the inserted winding core, and thus the volume compensating device 2, is not cylindrical but parallelepiped-shaped. This creates a substantially
  • FIG. 8 shows the electrochemical cell 1 from FIG. 7, which is shown accommodated in the interior 12 of a cell holding device 11. Im loaded
  • the exemplary electrochemical cell 1 reaches its largest volume.
  • the cell holding device 1 1 is dimensionally stable, so that the volume compensation device 2 experiences an elastic deformation.
  • the exemplary electrochemical cell 1 reaches its lowest volume, so that the volume compensating device 2 can expand, thereby ensuring large-area contact between the electrochemical cell 1 and the wall elements 13 of the cell holding device 11.
  • FIG. 9 shows an electrochemical cell produced from an unwrapped electrode stack 3, wherein it is arranged between the edges
  • Electrode sheets 4 are also arranged two sheet-like volume compensating means 2. The elasticity forces of this
  • Volume compensation device 2 act in contrast to the embodiment shown in Figure 8 only in the stacking direction of the electrode stack 3 of
  • FIG. 10 shows an exemplary device for storing energy, the cell holding device 11 being arranged separately from the electrochemical cell 1 for better illustration.
  • the cell holding device 11 has a wall element 13 which surrounds the interior 12 of the cell holding device 11. The dimensions of the electrochemical cell 1 and the
  • Cell holding device 1 1 are coordinated so that the
  • electrochemical cell 1 which has a volume compensation device 2, in the discharged state can be positively received in the cell holder 1 1, wherein a large-area contact between the electrochemical cell 1 and the wall element 13 of
  • Cell holding device 11 is present. If the electrochemical cell 1 increases its volume during the charging process, these volume forces act on the volume compensation device 2, which is elastically pretensioned, thereby reducing its volume. Thus, a continuous large-area contact between the electrochemical cell 1 and the cell holder 11 is produced.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Sealing Battery Cases Or Jackets (AREA)
  • Cell Separators (AREA)

Abstract

Elektrochemische Zelle zum Speichern von elektrischer Energie mit wenigstens einem Elektrodenstapel, der wenigstens zwei Elektrodenblätter und wenigstens ein dazwischen angeordnetes Separatorblatt enthält, wobei die elektrochemische Zelle wenigstens eine Volumen-Ausgleichseinrichtung aufweist.

Description

Elektrochemische Zelle zum Speichern elektrischer Energie
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrochemische Zellen zum Speichern elektrischer Energie. Die Erfindung wird im Zusammenhang mit wiederaufladbaren Batterien beschrieben. Die Erfindung kann unabhängig vom Aufbau der elektrochemischen Zelle, deren Chemie, und auch unabhängig von der Art der versorgten Anwendung Verwendung finden.
Aus dem Stand der Technik sind wiederaufladbare Batterien mit
elektrochemischen Zellen z. B. zur Versorgung von Kfz-Antrieben bekannt. Während des Betriebs von derartigen elektrochemischen Zellen treten
Veränderungen des Zellvolumens auf, welche den Kontakt zwischen der Zelle und einem diese umgebenden Gehäuse beeinflussen, wodurch sich die
Möglichkeit zur Kühlung der elektrochemischen Zelle verschlechtert, was zu Schäden an der Zelle führen kann. Durch unzureichenden Kontakt zwischen der Zelle und einem diese umgebendes Gehäuse kann es ferner auch durch Bewegungseinflüsse wie z. B. Fahrzeugvibrationen zu Schäden an der Zelle kommen. Solche Schäden führen häufig zu unumkehrbaren chemischen Reaktionen in der elektrochemischen Zelle, welche die Lebensdauer der Zelle verkürzen.
Aus der DE 10 2010 019 747 A1 ist beispielsweise eine Batterie für ein
Kraftfahrzeug mit zwei Batteriezellen in einer Batteriezellentasche bekannt, wobei jede Batteriezelle eine Wand der Batteriezellentasche kontaktiert und zwischen den zwei Batteriezellen ein Zwischenstück angeordnet ist, das dazu dient, zur besseren Wärmeabfuhr den Kontakt zwischen den Batteriezellen und den Wänden der Batteriezellentasche zu verbessern. Hiermit wird der gesamte Inhalt der Prioritätsanmeldung DE 10 201 1 015 830.8 durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte
elektrochemische Zelle zu schaffen, die Veränderungen des Volumens der Zellen ausgleicht und so eine verlängerte Lebensdauer der Zelle ermöglicht, ferner soll auch eine Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie mit einer solchen elektrochemischen Zelle und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen elektrochemischen Zelle vorgeschlagen werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle zum Speichern von elektrischer Energie weist wenigstens einen Elektroden Stapel auf, der wenigstens zwei Elektrodenblätter und wenigstens ein dazwischen angeordnetes Separatorblatt enthält. Das Separatorblatt trennt die Elektroden voneinander und kann zumindest teilweise einen Elektrolyten aufnehmen. Bevorzugt weist der
Elektrodenstapel mehrere Schichten von Elektrodenblättern und
Separatorblättern auf, wobei die Elektroden gleicher Polarität jeweils
vorzugsweise elektrisch miteinander verbunden, insbesondere parallel geschaltet sind. Die Elektrodenblätter sind beispielsweise aus einem eher starren, plattenförmigen Material oder aus einem weichen, folienartigen Material ausgebildet und sind bevorzugt im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Der Elektrodenstapel kann auch gewickelt sein und beispielsweise eine im wesentlichen zylindrische Gestalt besitzen. Der Begriff Elektrodenstapel soll auch Elektrodenwickel beinhalten. Der Elektrodenstapel kann Lithium oder ein anderes Alkalimetall auch in ionischer Form aufweisen. Im Sinne der Erfindung ist unter einer elektrochemischen Zelle eine Einrichtung zu verstehen, welche auch zur Speicherung chemischer Energie und zur Abgabe elektrischer Energie dient. Auch kann die elektrochemische Zelle ausgestaltet sein, elektrische Energie beim Laden in chemische Energie umzuwandeln und zu speichern. Man spricht dann auch von einer Sekundärzelle oder einem Akkumulator.
Als Volumen-Ausgleichseinrichtung soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine einteilige oder mehrteilige Einrichtung verstanden werden, die unter Einwirkung einer äußeren Kraft bevorzugt temperaturabhängig eine so genannte elastische Verformung erleidet. Die Volumen-Ausgleichseinrichtung setzt dabei der von außen auf sie wirkenden Kraft eine entsprechende
Gegenkraft entgegen, welche mit fortschreitender Verformung der Volumen- Ausgleichseinrichtung wächst, so dass die Verformung schließlich im
Kräftegleichgewicht zum Stillstand kommt. Beim Wegfall der äußeren Kraft bildet sich die Verformung der Volumen-Ausgleichseinrichtung vollständig zurück. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung soll unter einer Volumen-Ausgleichseinrichtung auch eine im wesentlichen elastische
Einrichtung verstanden werden, bei der ideale elastische Eigenschaften wenigstens annähernd gegeben sind. Vorzugsweise ist die Art und/ oder die Größe einer ausgeübten Kraft dieser wenigstens einen Volumen-Ausgleichseinrichtung im Wesentlichen von ihrer Temperatur und den auf sie wirkenden Umgebungsdruck abhängig. Vorteilhaft kann die Art und/ oder die Größe der ausgeübten Kraft der Volumen- Ausgleichseinrichtung durch ihre geometrische Form und/ oder den Werkstoff, aus dem diese gefertigt ist, voreingestellt werden. Vorzugsweise wird die temperaturabhängig ausgeübte Kraft der Volumen-Ausgleichseinrichtung für einen konstanten Umgebungsdruck wenigstens Intervallweise durch wenigstens eine mathematische Funktion beschrieben. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Volumen- Ausgleichseinrichtung aus einem Material, welches eine offene Mikrostruktur aufweist. Dieses Material weist neben den elastischen Eigenschaften der Volumen-Ausgleichseinrichtung eine Struktur auf, welche den
Ladungsaustausch innerhalb der elektrochemischen Zelle bzw. zwischen den beiden, der Volumen-Ausgleichseinrichtung vorzugsweise benachbarten
Elektroden nicht beeinflusst. Aufgrund der offenen Mikrostruktur kann die Volumen-Ausgleichseinrichtung dieser Ausführungsform bevorzugt flächig ausgebildet sein. Beispielhafte Materialien mit offener Mikrostruktur sind poröse Werkstoffe, wie Vliese, Schaumstoffe oder elastische Kunststoffe mit poröser
Struktur. Auch geeignete elastische, so genannte Hybrid-Materialien, welche den Ladungsaustausch innerhalb der elektrochemischen Zelle nicht behindern, sind zur Verwendung für eine erfindungsgemäße Volumen-Ausgleichseinrichtung geeignet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Volumen- Ausgleichseinrichtung eine offene Makrostruktur auf. Das Material der Volumen- Ausgleichseinrichtung dieser Ausführungsform kann neben den elastischen Eigenschaften der Volumen-Ausgleichseinrichtung auch eine geschlossene Mikro-Struktur aufweisen. Eine offene Makrostruktur kann beispielsweise durch eine gitterförmige Gestaltung der Volumen-Ausgleichseinrichtung oder durch eine andere von größeren Durchbrechungen gekennzeichnete Struktur der Volumen-Ausgleichseinrichtung erhalten werden, welche gewährleistet, dass die durch die Durchbrechungen offene Fläche zwischen den beiden Elektroden im Vergleich zur von der Volumen-Ausgleichseinrichtung abgedeckte und damit geschlossene Fläche groß ist, vorzugsweise größer als 50%, bevorzugt größer als 70% und besonders bevorzugt größer als 85%. Auch durch eine solche Volumen-Ausgleichseinrichtung mit einer offenen Makro-Struktur wird der Ladungsaustausch innerhalb der elektrochemischen Zelle bzw. zwischen den beiden, der Volumen-Ausgleichseinrichtung vorzugsweise benachbarten
Elektroden, nicht beeinflusst. ln einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Volumen- Ausgleichseinrichtung mehrteilig ausgebildet. Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsmöglichkeit wird die Volumen-Ausgleichseinrichtung von einer Vielzahl im Vergleich zu den Abmessungen des Elektrodenstapels kleinen elastischen Gegenständen gebildet, welche bevorzugt gleichmäßig auf vorzugsweise einer einzigen Schicht des Elektrodenstapels verteilt angeordnet sind. Die Volumen-Ausgleichseinrichtung kann dabei von gleichmäßig geformten Formkörpern, die beispielsweise stäbchenförmig ausgebildet sein können oder von ungleichmäßig geformten Formkörpern, wie beispielsweise einem Granulat gebildet sein. Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsmöglichkeit wird die Volumen-Ausgleichseinrichtung von mehreren in geeigneter Weise,
vorzugsweise flach geformten elastischen Einrichtungen gebildet, welche bevorzugt nebeneinander auf einer Schicht des Elektrodenstapels angeordnet sind. Die Volumen-Ausgleichseinrichtung deckt die Fläche des Elektrodenstapels bevorzugt wenigstens bereichsweise ab. Hierbei ist zu unterscheiden, ob es sich um eine prismatische Zelle, welche einen unverformten Elektrodenstapel aufweist, oder um eine Wickelzelle handelt, welche einen gewickelten
Elektrodenstapel aufweist. Dieser kann beispielsweise spiralförmig, Z-förmig, S- förmig oder in einer anderen Weise auch zu einer anderen Form gewickelt sein. Während es bei einer prismatischen Zelle bevorzugt ist, dass die Volumen- Ausgleichseinrichtung die Fläche des Elektrodenstapels gleichmäßig über den gesamten Bereich abdeckt, um die Volumenänderungsvorgänge innerhalb der elektrochemischen Zelle auch gleichmäßig über deren gesamte Fläche auszugleichen, kann es bei einer gewickelten Zelle vorteilhaft sein, die Fläche des Elektrodenstapels nur bereichsweise abzudecken, um im gewickelten Zustand einen gleichmäßigen Volumenausgleich zu erreichen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der elektrochemischen Zelle werden in geeigneter Weise mehrere Volumen-Ausgleichseinrichtungen zwischen verschiedenen Schichten des Elektrodenstapels angeordnet. Bevorzugt wird die Volumen-Ausgleichseinrichtung mittig oder symmetrisch im Elektrodenstapel angeordnet, um eine gleichmäßige Anpressung der
darüberliegenden Schichten zu ermöglichen. Auch eine asymmetrische
Einbringung kann jedoch je nach Ausbildung des Elektrodenstapels und der hieraus hergestellten elektrochemischen Zelle bzw. einer diese aufnehmenden Halteeinrichtung, eine gleichmäßige Anpressung unterstützen. Einer oder mehrerer Hierbei können sich die Volumen-Ausgleichseinrichtungen, die in mehreren Schichten des Elektrodenstapels angeordnet sind, beim
Volumenausgleich bevorzugt ergänzen. Ebenso ist es möglich, die Fähigkeit zum Volumenausgleich der Volumen-Ausgleichseinrichtung durch das Material und die Materialdicke der Volumen-Ausgleichseinrichtung einzustellen und durch Variation der Parameter Material, Form, Anordnung in einer Schicht und
Anordnung in verschiedenen Schichten die Volumen-Ausgleichseinrichtung entsprechend den gewünschten Eigenschaften hinsichtlich des
Volumenausgleichs der elektrochemischen Zelle auszulegen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der elektrochemischen Zelle ist die Volumen-Ausgleichseinrichtung auf der ersten und/ oder der letzten Schicht des Elektrodenstapels angeordnet. Eine solche Anordnung weist den Vorteil auf, dass die Volumen-Ausgleichseinrichtung nahezu unmittelbar gegenüber der Umgebung des Elektrodenstapels wirkt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bildet die Volumen- Ausgleichseinrichtung den Wickelkern eines gewickelten Elektrodenstapels. Hierbei dient eine bevorzugt formstabile Volumen-Ausgleichseinrichtung vorzugsweise zur Formgebung des Elektrodenstapels. So kann eine quer zur Wickelrichtung angeordnete, beispielsweise zylinderförmige Volumen- Ausgleichseinrichtung den Kern einer zylinderförmigen elektrochemischen Zelle bilden. Vorzugsweise bildet eine flache, im wesentlichen rechteckige, in
Richtung ihrer Längserstreckung quer zur Wickelrichtung angeordnete Volumen- Ausgleichseinrichtung den Kern z. B. einer bevorzugt Z-förmig gewickelten bzw. eingeschlagenen, vorzugsweise quaderförmigen Zelle. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der
Volumen-Ausgleichseinrichtung um ein nicht formstabiles Element. Dieses dehnt welches sich bevorzugt unregelmäßig ausgehend von der Position aus, an der es in den Elektrodenstapel eingebracht worden ist. Verstärkt dehnt sich ein solches, nicht formstabiles Element an solchen Stellen innerhalb des
Elektrodenstapels aus, an denen geringere Druckkräfte wirken. Bevorzugt weist eine solche Volumen-Ausgleichseinrichtung ein gegenüber einem Elastomer geringeres Elastizitätsmodul von bevorzugt weniger als 100 N/mm2 und besonders bevorzugt weniger als 10 N/mm2 auf. Die Konsistenz ist dabei beispielsweise eher gelartig.
Ferner wird eine Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie vorgeschlagen, welche wenigstens eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin wenigstens eine
Zellhalteeinrichtung mit wenigstens einem Innenraum auf, welche vorgesehen ist, die wenigstens eine elektrochemische Zelle wenigstens teilweise
aufzunehmen. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Zellhalteeinrichtung wenigstens ein erstes Wandungselement auf, welches den Innenraum der Zellhalteeinrichtung wenigstens teilweise umgibt und welches wenigstens bereichsweise mit der wenigstens einen elektrochemischen Zelle wirkverbunden ist.
Die Volumen-Ausgleichseinrichtung dient insbesondere dazu,
Volumenänderungen der elektrochemischen Zelle, die insbesondere durch Lade- und Entladevorgänge der Zelle bedingt sind, im Verhältnis zu einer Zellhalteeinrichtung auszugleichen, damit die Zelle bevorzugt gleichmäßig kraft- bzw. reibschlüssig mit einer Zellhalteeinrichtung wirkverbunden ist.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer Zellhalteeinrichtung eine Einrichtung zu verstehen, welche einen Innenraum und wenigstens ein diesen Innenraum wenigstens teilweise umgebendes erstes Wandungselement aufweist. Das Wandungselement kann diesen Innenraum auch vollständig umschließen. Ist dieses Wandungselement selbst biegesteif ausgeführt, so wird die
Zellhalteeinrichtung auch als so genanntes Hard-Case bezeichnet. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Zellhalteeinrichtung ist diese gegebenenfalls gleichzeitig mit weiteren Zellhalteeinrichtungen von einem vorzugsweise biegesteif ausgeführten Gehäuse umgeben, welches
vorzugsweise weitere Einrichtungen wie insbesondere zur Temperierung der elektrochemischen Zellen aufweist. Der Innenraum einer Zellhalteeinrichtung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, um die wenigstens eine elektrochemische Zelle wenigstens teilweise aufzunehmen. Vorzugsweise ist der Innenraum derart ausgestaltet, um zusätzlich zu der wenigstens einen elektrochemischen Zelle weitere Einrichtungen aufzunehmen, wie insbesondere Messeinrichtungen oder Steuereinrichtungen. Im Innenraum sind vorzugsweise auch Einrichtungen zur leitenden Verbindung des Außenraums der Zellhalteeinrichtung mit der elektrochemischen Zelle angeordnet. Die wenigstens eine aufgenommene elektrochemische Zelle und wenigstens die weiteren aufgenommenen Einrichtungen werden vorzugsweise von dieser Zellhalteeinrichtung kraftschlüssig und/ oder thermisch leitend umschlossen. Vorzugsweise wird die wenigstens eine elektrochemische Zelle derart von der Zellhalteeinrichtung umschlossen, dass wenigstens eine erste Außenfläche der beigeordneten Zellhülle wenigstens teilweise einen flächigen Festkörper- Festkörperkontakt mit wenigstens dem ersten Wandungselement ausbildet. Hierdurch wird die elektrochemische Zelle vorzugsweise vibrationsfest in der Zellhalteeinrichtung gehalten. Vorteilhaft ist bei dieser Anordnung auch, dass abzuführende thermische Energie aus der elektrochemischen Zelle direkt ohne weitere Festkörper-Festkörperkontakte unmittelbar an die Außenseite der Zellhalteeinrichtung geleitet wird. Bevorzugt besteht wenigstens das erste Wandungselement der Zellhalteeinrichtung aus einem hochwärmeleitenden Werkstoff wie vorzugsweise einem Metall und besonders bevorzugt aus
Aluminium. Insbesondere bei hoher thermischer Belastung der elektrochemische Zelle führt eine Unterbrechung bzw. Störung des thermischen Energieflusses zu einem Wärmestau innerhalb der elektrochemische Zelle und/ oder der
Zellhalteeinrichtung, wobei dadurch die Betriebstemperatur dieser
elektrochemische Zelle ansteigt. Insbesondere führen hohe
Betriebstemperaturen einer elektrochemischen Zelle zu einer verkürzten Lebensdauer und damit auch zu einer geringeren Anzahl möglicher Lade- und Entladezyklen. Bei sehr hoher thermischer Belastung kann es z. B. in Lithium- Ionen-Akkumulatoren zu einem Schmelzen des Separators kommen, der den Akkumulator zerstört. Weiterhin verringert sich die Kapazität eines Lithium- Ionen-Akkumulators über die Zeit, insbesondere durch parasitäre Reaktionen des Lithiums mit dem Elektrolyten. Diese Zersetzungsgeschwindigkeit steigt mit zunehmender Temperatur.
Vorzugsweise wird eine Volumenerhöhung der wenigstens einen
elektrochemischen Zelle beim Ladezyklus durch eine korrespondierende Volumenabsenkung wenigstens der beigeordneten Volumen- Ausgleichseinrichtung ausgeglichen und eine Verformung und/ oder Zerstörung der wenigstens einen elektrochemischen Zelle und/ oder wenigstens der Zellhalteeinrichtung verhindert. Vorzugsweise regelt die Volumen- Ausgleichseinrichtung den Anpressdruck der wenigstens einen
elektrochemischen Zelle an wenigstens das erste Wandungselement bevorzugt auf einen konstanten Wert.
Volumenänderungen der elektrochemischen Zelle, welche bei Lade- und/ oder Entladezyklen unvermeidbar sind, werden durch diese Volumen- Ausgleichseinrichtung wenigstens teilweise ausgeglichen. Der thermische
Kontakt zwischen der wenigstens einen elektrochemischen Zelle und dem ersten Wandungselement wird durch die Volumen-Ausgleichseinrichtung verbessert und/ oder sichergestellt. Vorzugsweise wird eine Volumenabsenkung der wenigstens einen elektrochemischen Zelle beim Entladezyklus durch eine korrespondierende Volumenerhöhung wenigstens der beigeordneten Volumen- Ausgleichseinrichtung ausgeglichen und der thermisch leitende
Festkörperkontakt zwischen der wenigstens einen elektrochemische Zelle und wenigstens dem ersten Wandungselement auch in diesem Fall erhalten.
Insbesondere führt ein zu geringer Anpressdruck der elektrochemischen Zelle an wenigstens das erste Wandungselement zu einer Unterbrechung bzw.
Störung des thermischen Energieflusses zwischen der wenigstens einen elektrochemischen Zelle und wenigstens dem ersten Wandungselement.
Vorzugsweise regelt die Volumen-Ausgleichseinrichtung den Anpressdruck der wenigstens einen elektrochemischen Zelle an wenigstens das erste
Wandungselement bevorzugt auf einen konstanten Wert.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle. In einem ersten Schritt wird ein Elektrodenstapel vorbereitet, indem abwechselnd ein Elektrodenblatt auf einem Separatorblatt angeordnet wird. Die Elektroden-und Separatorblätter weisen dabei im wesentlichen die gleiche Erstreckung auf, so dass sich die Blätter im wesentlichen decken. Während der Herstellung des Elektrodenstapels wird in einem zweiten Schritt zwischen einem oder mehreren Elektroden- und
Separatorblättern eine Volumen-Ausgleichseinrichtung geeigneter Form an einer geeigneten Stelle im Elektrodenstapel angeordnet. In einem dritten Schritt wird dem Elektrodenstapel ein Elektrolyt zugeführt. Dies kann beispielsweise durch Tränken des Elektrodenstapels in einer
Elektrolytlösung erfolgen, bei einer anderen Bauart einer elektrochemischen Zelle kann deren Elektrodenstapel bereits von bevorzugt einem Teil der
Umhüllung umgeben sein, in welche ein Elektrolyt eingebracht wird, der dann insbesondere von den Separatorblättern im Elektrodenstapel aufgenommen wird.
In einem vierten Schritt wird der Elektrodenstapel flüssigkeits- und gasdicht verschlossen. Die für die Funktion der elektrochemischen Zelle erforderlichen Stromableiter können beispielsweise direkt von den Elektrodenblättern durch die Umhüllung nach außen geführt sein oder als nach außen geführter Teil der Umhüllung der elektrochemischen Zelle die Elektrodenblätter innerhalb der Umhüllung kontaktieren und eine leitende Verbindung durch die Umhüllung zur Verfügung stellen. Weitere Vorteile, Merkmale und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt:
Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Elektrodenstapel mit einer Volumen- Ausgleichseinrichtung mit offener Mikrostruktur; Fig. 2 zeigt einen beispielhaften Elektrodenstapel mit einer Volumen- Ausgleichseinrichtung mit offener Makrostruktur;
Fig. 3 zeigt einen beispielhaften Elektrodenstapel mit einer mehrteiligen
Volumen-Ausgleichseinrichtung;
Fig. 4 zeigt einen weiteren beispielhaften Elektrodenstapel mit einer
mehrteiligen Volumen-Ausgleichseinrichtung;
Fig. 5 zeigt einen beispielhaften Elektrodenstapel bei der Herstellung einer
Wickelzelle mit einer formstabilen Volumen-Ausgleichseinrichtung;
Fig. 6 zeigt einen weiteren beispielhaften Elektrodenstapel bei der
Herstellung einer Wickelzelle mit einer mehrteiligen Volumen- Ausgleichseinrichtung;
Fig. 7 zeigt einen weiteren beispielhaften Elektrodenstapel einer Wickelzelle mit einer formstabilen Volumen-Ausgleichseinrichtung; Fig. 8 zeigt einen beispielhaften Elektrodenstapel, welcher in einer
Zellhalteeinrichtung angeordnet ist;
Fig. 9 zeigt einen weiteren beispielhaften Elektrodenstapel, welcher in einer
Zellhalteeinrichtung angeordnet ist, und Fig. 10 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung zum Speichern von Energie.
Figur 1 zeigt einen beispielhaften Elektrodenstapel 3, der aus abwechselnd angeordneten Elektrodenblättern 4 und Separatorblättern 5 aufgebaut ist.
Unterhalb des obersten Separatorblatts 5 ist eine Volumen- Ausgleichseinrichtung 2 angeordnet. Diese Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 weist eine offene Mikrostruktur auf, um den Ladungsaustausch zwischen den beiden benachbarten Elektrodenblättern 4 nicht zu beeinträchtigen.
Figur 2 zeigt einen beispielhaften Elektrodenstapel 3, der genauso wie der in Figur 1 dargestellte Elektrodenstapel 3 aus abwechselnd angeordneten
Elektrodenblättern 4 und Separatorblättern 5 aufgebaut ist. Unterhalb des obersten Separatorblatts 5 ist auch bei diesem Elektrodenstapel 3 eine
Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 angeordnet. Diese Volumen- Ausgleichseinrichtung 2 ist gitterförmig ausgebildet. Damit weist die Volumen- Ausgleichseinrichtung 2 eine offene Makrostruktur auf, die den
Ladungsaustausch zwischen den beiden benachbarten Elektrodenblättern 4 ermöglicht.
Auch Figur 3 zeigt einen beispielhaften Elektrodenstapel 3, der wie die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Elektrodenstapel 3 aus abwechselnd
angeordneten Elektrodenblättern 4 und Separatorblättern 5 aufgebaut ist.
Unterhalb des obersten Separatorblatts 5 ist auch bei diesem Elektrodenstapel 3 eine Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 angeordnet. Diese beispielhafte
Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 ist mehrteilig, aus unregelmäßig geformten elastischen Körpern ausgebildet. Damit ermöglicht auch die Volumen- Ausgleichseinrichtung 2 der in Figur 3 dargestellten beispielhaften
Ausführungsform den Ladungsaustausch zwischen den beiden benachbarten Elektrodenblättern 4. Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch einen beispielhaften Elektrodenstapel 3, der aus einem zu Lagen gefalteten Separatorblatt 5 und zwischen den Lagen angeordneten Elektrodenblättern 4 aufgebaut ist. Unterhalb der zu oberst dargestellten Separator-Elektroden-Separator-Lage ist eine Volumen- Ausgleichseinrichtung 2 angeordnet, welche von drei quer zur Schnittebene eingelegten stabförmigen Elementen gebildet wird. Abhängig von der Fläche des Elektrodenblatts 4, das der elastische Werkstoff dieser Volumen- Ausgleichseinrichtung 2 bedeckt, kann es erforderlich sein, dass diese Volumen- Ausgleichseinrichtung 2 eine offene Mikrostruktur aufweist.
Figur 5 zeigt einen beispielhaften Elektrodenstapel 3 einer Wickelzelle, der gerade den Wickelprozess durchläuft. An einem Ende des Elektrodenstapels 3, welcher aus folienartigen Elektrodenblättern 4 und dazwischen angeordneten Separatorblättern 5 aufgebaut ist, ist quer zu Längsrichtung des
Elektrodenstapels 3 eine formstabile zylinderförmige Volumen- Ausgleichseinrichtung 2 angeordnet, welche den Wickelkern der
elektrochemischen Zelle bildet. Nach dem Wickeln des Elektrodenstapels 3 bildet der Wickelkern eine Volumen-Ausgleichseinrichtung, welche
Volumenänderungen der elektrochemischen Zelle ausgleicht und für einen formstabilen Sitz der Zelle innerhalb einer Zellhalteeinrichtung sorgt.
Figur 6 zeigt einen weiteren beispielhaften Elektrodenstapel 3, dessen
Grundaufbau mit dem Elektrodenstapel 3 der Figur 5 übereinstimmt. Auf dem obersten Elektrodenblatt 4 ist eine mehrteilige Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 in Form eines Granulats angeordnet, das aus unregelmäßig geformten, im Vergleich zur Erstreckung des Elektrodenstapels klein ausgebildeten Formteilen besteht. Im Gegensatz zur elektrochemischen Zelle 1 , die aus der in Figur 5 gezeigten Wicklung hergestellt wird, verteilt sich die Volumen- Ausgleichseinrichtung 2 bei dieser beispielhaften Ausführungsform über den gesamten Umfang der gewickelten Zelle, wodurch die Volumen- Ausgleichsprozesse näher an der Außenhaut der elektrochemischen Zelle 1 stattfinden.
Figur 7 zeigt eine gewickelte Zelle, welche analog zur Ausführungsform der Figur 5 hergestellt ist, mit dem Unterschied, dass der eingelegte Wickelkern, und damit die Volumen-Ausgleichseinrichtung 2, nicht zylinderförmig, sondern quaderförmig ausgebildet ist. Hierdurch entsteht eine im wesentlichen
prismatische Zelle 1 .
Figur 8 zeigt die elektrochemische Zelle 1 aus Figur 7, welche im Innenraum 12 einer Zellhalteeinrichtung 1 1 aufgenommen dargestellt ist. Im geladenen
Zustand erreicht die beispielhafte elektrochemische Zelle 1 ihr größtes Volumen. Die Zellhalteeinrichtung 1 1 ist formstabil ausgeführt, so dass die Volumen- Ausgleichseinrichtung 2 eine elastische Verformung erfährt. Im entladenen Zustand erreicht die beispielhafte elektrochemische Zelle 1 ihr geringstes Volumen, so dass sich die Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 ausdehnen kann und dabei einen großflächigen Kontakt zwischen der elektrochemischen Zelle 1 und den Wandungselementen 13 der Zellhalteeinrichtung 1 1 gewährleistet. Figur 9 zeigt eine aus einem ungewickelten Elektrodenstapel 3 hergestellte elektrochemische Zelle, wobei zwischen am Rand angeordneten
Elektrodenblättern 4 zwei ebenfalls blattförmige Volumen- Ausgleichseinrichtungen 2 angeordnet sind. Die Elastizitätskräfte dieser
Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 wirken im Gegensatz zur in Figur 8 gezeigten Ausführungsform nur in Stapelrichtung des Elektrodenstapels 3 der
elektrochemischen Zelle 1 , so dass der großflächige Kontakt zwischen der elektrochemischen Zelle 1 und den Wandungselementen 13 der
Zellhalteeinrichtung 1 1 ebenfalls nur in dieser Richtung gewährleistet ist. Figur 10 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung zum Speichern von Energie, wobei zur besseren Darstellung die Zellhalteeinrichtung 1 1 getrennt von der elektrochemischen Zelle 1 angeordnet ist. Die Zellhalteeinrichtung 11 weist ein Wandungselement 13 auf, welches den Innenraum 12 der Zellhalteeinrichtung 1 1 umgibt. Die Abmessungen der elektrochemischen Zelle 1 und der
Zellhalteeinrichtung 1 1 sind so aufeinander abgestimmt, dass die
elektrochemische Zelle 1 , welche eine Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 aufweist, im entladenen Zustand formschlüssig in der Zellhalteeinrichtung 1 1 aufgenommen werden kann, wobei ein großflächiger Kontakt zwischen der elektrochemischen Zelle 1 und dem Wandungselement 13 der
Zellhalteeinrichtung 11 vorliegt. Vergrößert die elektrochemische Zelle 1 ihr Volumen beim Ladevorgang, so wirken diese Volumenkräfte auf die Volumen- Ausgleichseinrichtung 2, welche elastisch vorgespannt wird, und dabei ihr Volumen verringert. So wird ein stetiger großflächiger Kontakt zwischen der elektrochemischen Zelle 1 und der Zellhalteeinrichtung 11 hergestellt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Elektrochemische Zelle (1 ) zum Speichern von elektrischer Energie mit wenigstens einem Elektrodenstapel (3),
der wenigstens zwei Elektrodenblätter (4) und wenigstens ein dazwischen angeordnetes Separatorblatt (5) enthält,
dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (1) wenigstens eine Volumen-Ausgleichseinrichtung (2) aufweist, die innerhalb des Elektrodenstapels (3) angeordnet ist.
2. Elektrochemische Zelle (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Volumen-Ausgleichseinrichtung (2) aus einem Material mit offener Mikrostruktur besteht.
3. Elektrochemische Zelle (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Volumen-Ausgleichseinrichtung (2) eine offene Makrostruktur aufweist.
4. Elektrochemische Zelle (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Volumen-Ausgleichseinrichtung (2) mehrteilig ausgebildet ist.
5. Elektrochemische Zelle (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Volumen-Ausgleichseinrichtung (2) die Fläche des Elektroden Stapels (3) wenigstens bereichsweise abdeckt.
6. Elektrochemische Zelle (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Volumen-Ausgleichseinrichtung (2) auf mehrere Schichten des Elektrodenstapels (3) verteilt angeordnet ist. Elektrochemische Zelle (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumen-Ausgleichseinrichtung (2) auf der ersten und/ oder letzten Schicht des Elektrodenstapels (3) angeordnet ist.
Elektrochemische Zelle (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumen-Ausgleichseinrichtung (2) den Wickelkern (6) eines gewickelten Elektrodenstapels (3) bildet.
Elektrochemische Zelle (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Volumen- Ausgleichseinrichtung (2) aus einer Gruppe ausgewählt ist, welche Vliese, Schaumstoffe, Kunststoffe und Hybrid-Materialien umfasst.
Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie mit wenigstens einer elektrochemischen Zelle (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
eine Zellhalteeinrichtung (1 1) mit wenigstens einem Innenraum (12), welche vorgesehen ist, die wenigstens eine elektrochemische Zelle (1 ) wenigstens teilweise aufzunehmen,
einem Wandungselement (13), welches den Innenraum (12) der Zellhalteeinrichtung (1 1 ) wenigstens teilweise umgibt und welches wenigstens bereichsweise mit der wenigstens einen elektrochemischen Zelle (1 ) wirkverbunden ist.
Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
die Zellhalteeinrichtung (11) von einem Hard-Case gebildet wird. Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle (1 ) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9 mit den Schritten:
(a) Herstellen eines Elektrodenstapels (3) durch abwechselndes Anordnen von wenigstens einem Elektrodenblatt (4) und wenigstens einem Separatorblatt (5)
(b) Anordnen einer Volumen-Ausgleichseinrichtung (2) innerhalb des Elektrodenstapels (3)
(c) Zuführen eines Elektrolyten zum Elektrodenstapel (3)
(d) Umhüllen des Elektrodenstapels (3).
PCT/EP2012/001369 2011-04-01 2012-03-28 Elektrochemische zelle zum speichern elektrischer energie WO2012130447A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020137028174A KR20140016955A (ko) 2011-04-01 2012-03-28 전기 에너지를 저장하기 위한 전기화학 전지
EP12711116.9A EP2695221A1 (de) 2011-04-01 2012-03-28 Elektrochemische zelle zum speichern elektrischer energie
JP2014501478A JP2014514694A (ja) 2011-04-01 2012-03-28 電気エネルギーを貯蔵するための電気化学的セル

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011015830.8 2011-04-01
DE102011015830A DE102011015830A1 (de) 2011-04-01 2011-04-01 Elektrochemische Zelle zum Speichern elektrischer Energie

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012130447A1 true WO2012130447A1 (de) 2012-10-04

Family

ID=45908014

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2012/001369 WO2012130447A1 (de) 2011-04-01 2012-03-28 Elektrochemische zelle zum speichern elektrischer energie

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP2695221A1 (de)
JP (1) JP2014514694A (de)
KR (1) KR20140016955A (de)
DE (1) DE102011015830A1 (de)
WO (1) WO2012130447A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013121027A1 (de) * 2012-02-16 2013-08-22 Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Energiespeichervorrichtung mit mindestens einer speicherzelle und verfahren zur volumenkompensation von elektrodenmaterialien einer derartigen speicherzelle
CN105336973A (zh) * 2015-10-15 2016-02-17 深圳市兴诚捷电子科技有限公司 电池制作装置及电池制作方法

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014201836A1 (de) 2014-02-03 2015-08-06 Robert Bosch Gmbh Galvanische Batteriezelle, insbesondere wiederaufladbare Lithium-Schwefel-Batteriezelle, mit Volumenausgleichselement
DE102014207531A1 (de) * 2014-04-22 2015-10-22 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Galvanisches Element mit Festkörperzellenstapel
DE102014214619A1 (de) 2014-07-25 2016-01-28 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Herstellung einer prismatischen Batteriezelle
DE102017206080A1 (de) * 2017-04-10 2018-10-11 Robert Bosch Gmbh Batteriezelle und Batteriemodul
FR3081261B1 (fr) * 2018-05-18 2020-04-24 Faurecia Systemes D'echappement Batterie et vehicule equipe d'une telle batterie
DE102019211255A1 (de) * 2019-07-29 2021-02-04 Elringklinger Ag Galvanische Zellen und Batteriemodule
DE102021103172A1 (de) * 2021-02-11 2022-08-11 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Herstellen einer Lithiumionenbatterie sowie Lithiumionenbatterie
DE102021211679B3 (de) 2021-10-15 2023-04-20 Volkswagen Aktiengesellschaft Batterierundzelle
CN117673429A (zh) * 2022-09-08 2024-03-08 荣耀终端有限公司 一种电池

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030049519A1 (en) * 2001-07-23 2003-03-13 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Non-aqueous electrolyte secondary battery and method of manufacturing the same
US20040185330A1 (en) * 2003-01-20 2004-09-23 Akira Yamaguchi Non-aqueous electrolyte battery
WO2008127829A2 (en) * 2007-04-15 2008-10-23 3M Innovative Properties Company Separator for an electrochemical cell
DE102010019747A1 (de) 2009-05-12 2011-01-13 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Batterieanordnungen
DE102009035499A1 (de) * 2009-07-31 2011-02-03 Daimler Ag Einzelzelle für eine Batterie

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030049519A1 (en) * 2001-07-23 2003-03-13 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Non-aqueous electrolyte secondary battery and method of manufacturing the same
US20040185330A1 (en) * 2003-01-20 2004-09-23 Akira Yamaguchi Non-aqueous electrolyte battery
WO2008127829A2 (en) * 2007-04-15 2008-10-23 3M Innovative Properties Company Separator for an electrochemical cell
DE102010019747A1 (de) 2009-05-12 2011-01-13 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Batterieanordnungen
DE102009035499A1 (de) * 2009-07-31 2011-02-03 Daimler Ag Einzelzelle für eine Batterie

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013121027A1 (de) * 2012-02-16 2013-08-22 Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Energiespeichervorrichtung mit mindestens einer speicherzelle und verfahren zur volumenkompensation von elektrodenmaterialien einer derartigen speicherzelle
CN105336973A (zh) * 2015-10-15 2016-02-17 深圳市兴诚捷电子科技有限公司 电池制作装置及电池制作方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20140016955A (ko) 2014-02-10
EP2695221A1 (de) 2014-02-12
DE102011015830A1 (de) 2012-10-04
JP2014514694A (ja) 2014-06-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2695221A1 (de) Elektrochemische zelle zum speichern elektrischer energie
DE102011015792B4 (de) Lithium-Ionenzelle mit einem Array von Referenzelektroden
DE102017201561A1 (de) Lithium-ionen-akku- und kondensatorhybridsystem in einem einzelnen beutel
DE102016111020A1 (de) Sekundärbatterie und -Batteriesatz mit nichtwässrigem Elektrolyt
EP2436062A2 (de) Elektrodenwickel
EP2593982B1 (de) Batteriezellenmodul, batterie und kraftfahrzeug
EP3560011B1 (de) Wiederaufladbare elektrochemische zelle mit keramischer separatorschicht und indikatorelektrode
DE102014207531A1 (de) Galvanisches Element mit Festkörperzellenstapel
DE102009032050A1 (de) Sekundärbatterie mit Schnellladefähigkeit
DE60126039T2 (de) Spiralförmig aufgerollte Elektroden mit Separator und mit diesen versehene Batterien
DE102009035499A1 (de) Einzelzelle für eine Batterie
WO2008125257A1 (de) Batteriezelle und verfahren zur ihrer herstellung
DE19502594A1 (de) Elektrochemische Zelle
EP2399307A1 (de) Galvanische zelle mit mehrteiligem gehäuse mit einer dehnbaren verbindungsnaht
DE102013215316A1 (de) Verfahren zur Zustandserkennung eines Energiespeichers
EP2434565B1 (de) Nickel-Metallhydrid-Akkumulator
EP2789035A1 (de) Verfahren und system zur herstellung von blatt-oder plattenfoermigen objekten
WO2011000652A1 (de) Batteriezelle einer wiederaufladbaren batterie, entsprechende batterie und verfahren zum ermöglichen einer tiefentladung der batteriezelle
DE102014225361A1 (de) Batteriezelle mit integriertem Ultraschallerzeuger
DE102015200344A1 (de) Elektrode für eine Batteriezelle und Batteriezelle
WO2014122082A1 (de) Elektrolytbehälter, batteriezelle, kraftfahrzeug und verfahren zur herstellung einer batteriezelle
WO2013107553A1 (de) Gehäusevorrichtung für mindestens eine elektrische energiespeicherzelle, energiespeicherzellenanordnung und verfahren zur herstellung einer gehäusevorrichtung für mindestens eine elektrische energiespeicherzelle
DE102021202303A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Energiezelle und Energiezelle
WO2013023768A1 (de) Energiespeichervorrichtung, kontaktelement für eine solche energiespeichervorrichtung und verfahren zur herstellung einer solchen energiespeichervorrichtung
DE112021004844T5 (de) Sekundärbatterie

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12711116

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2014501478

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2012711116

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20137028174

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A