WO2013068068A1 - Electrode stack for an energy storage cell, and method for producing such an electrode stack - Google Patents

Electrode stack for an energy storage cell, and method for producing such an electrode stack Download PDF

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WO2013068068A1
WO2013068068A1 PCT/EP2012/004223 EP2012004223W WO2013068068A1 WO 2013068068 A1 WO2013068068 A1 WO 2013068068A1 EP 2012004223 W EP2012004223 W EP 2012004223W WO 2013068068 A1 WO2013068068 A1 WO 2013068068A1
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electrodes
separators
active layer
electrode stack
openings
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Application number
PCT/EP2012/004223
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German (de)
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Inventor
Harald REICHE
Frank RIETSCHEL
Original Assignee
Li-Tec Battery Gmbh
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    • 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
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/54—Connection of several leads or tabs of plate-like electrode stacks, e.g. electrode pole straps or bridges
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M50/528—Fixed electrical connections, i.e. not intended for disconnection
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    • 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 to an electrode stack for an energy storage cell, in particular for an electrochemical energy storage cell, and to a method for producing such an electrode stack.
  • Electrochemical energy storage devices usually have at least one electrochemical energy storage cell (often referred to as electrochemical or galvanic cell), at least one current collector, a housing for receiving the energy storage cell and the current collector and at least one contact element.
  • an electrochemical energy storage cell has an electrode stack with an arrangement of at least two electrodes and an electrolyte arranged therebetween and accommodated by at least one separator, wherein the electrode stack is at least partially enclosed by an enclosure.
  • the two electrodes or electrode groups of the electrode stack are in each case electrically conductively connected to a current conductor, which serves to transport electrical energy into the energy storage cell or out of the energy storage cell.
  • the current conductors are in turn each connected to an electrically conductive contact element, which for electrical connection of the energy storage device, for example, within a battery arrangement with a plurality of energy storage device is used.
  • Fig. 4 shows schematically the structure of an electrode stack of a conventional borrowed energy storage cell, as can be used for example for an energy storage device or battery assembly in a motor vehicle with an electric drive or a hybrid drive.
  • the electrode stack 12 has a plurality of first (negative, anodic) electrodes 20 and second (positive, cathodic) electrodes 22, which are arranged in the stacking direction D in alternation. Between these first and second electrodes 20, 22 a separator 24 is arranged in each case.
  • the first and the second electrodes 20, 22 are each provided with a current conductor 21 or 23 in the form of an arrester lug. Not shown contact elements connect the current conductors 21 and 23 of a plurality of identical electrodes 20 and 22 to each other in an electrically conductive manner.
  • Such conventional electrode stacks are described, for example, in DE 10 2006 053 273 A1 and US 2010/0248030 A1.
  • DE 10 2009 016 772 A1 discloses an energy storage cell with an electrode stack, in which the separators and the electrodes have on their outer contours respectively inwardly offset and substantially overlapping recesses.
  • the two electrode groups are each electrically conductively connected to each other by a pole bushing, which extends in a channel formed by said recesses.
  • the pole feedthroughs can be mounted in a protected area of a battery, whereby the reliability of the energy storage cell can be increased.
  • the electrode stack of the invention has in the stacking direction alternately arranged first electrodes and second electrodes and arranged between the first and second electrodes separators, wherein the first and the second electrodes each having an active layer.
  • the first electrodes are each formed at a first position with an aperture and at a second position with an active layer depleted region
  • the second electrodes are each at a first position with an active layer depleted region and at a second position formed with an opening.
  • the separators are each formed at a first position with an opening and at a second position with an opening.
  • the first positions of the first electrodes, of the second electrodes and of the separators in the electrode stack are aligned essentially congruent to each other and the second positions of the first electrodes, the second electrodes and the separators in the electrode stack are aligned substantially congruent to each other.
  • the openings of the separators are formed smaller at the first positions than the openings of the first Electrodes at the first positions and also the openings of the separators are formed smaller at the second positions than the openings of the second electrodes at the second positions.
  • the regions of the first electrodes which have been freed from the active layer are electrically conductively connected to one another through the openings of the second electrodes and the separators, and likewise the regions of the second electrodes which are freed from the active layer are electrically conductive through the openings of the first electrodes and the separators conductively connected.
  • this electrode stack In the case of this electrode stack, only a relatively small area is needed for the electrical contacting of the electrode stacks in comparison with, for example, welded-on current conductor lugs. Thus, the active layers of the electrodes and thus the active part of the electrode stack are hardly reduced, so that energy storage cells with high cell capacity can be built up with this electrode stack.
  • this electrode stack not all electrodes must be provided or connected with their own current conductor. Rather, it is possible because of the integrated electrically conductive connection of the first and second electrodes within the electrode stack to provide from each electrode group only one electrode or only a few electrodes with a current conductor or connect. Also on an additional pole feedthrough in the electrode stack can be dispensed with. In this way, the cost of materials for the electrode stack or the energy storage cell can be reduced and the production of the electrode stack or the energy storage cell can be simplified.
  • An energy storage cell in the sense of this invention can be, for example, but not just a galvanic primary or secondary cell, a fuel cell, a high-power capacitor or an energy storage cell of a different kind.
  • an energy storage cell is to be understood as meaning an electrochemical energy storage cell which stores energy in chemical form, delivers it in electrical form to a consumer and preferably can also receive it in electrical form from a charging device.
  • electrochemical energy storage are galvanic cells and fuel cells.
  • An electrochemical energy storage cell preferably has an active part in which electrochemical conversion and storage processes take place, and a (cell) enclosure for encapsulating the active part from the environment.
  • the active part of the energy storage cell preferably has at least one electrode stack, which is formed from an electrode arrangement of electrodes having active layers, separators and an electrolyte accommodated by the separators.
  • the electrodes are preferably plate-shaped or foil-like and are preferably arranged substantially parallel to one another (prismatic energy storage cells).
  • the electrode assembly may also be wound and have a substantially cylindrical shape (cylindrical energy storage cells).
  • the term electrode stack should also include such electrode coils.
  • the active layers and separators are preferably provided at least partially as coatings of the electrodes or as separate foil blanks.
  • the first and the second electrodes are the negative or anodic electrodes or the positive or cathodic electrodes or vice versa.
  • an anode is to be understood as meaning a negative electrode which, during discharging or in the case of the energy delivery, is the negative electrode
  • Energy storage cell emits electrons (out of the cell) and emits positively charged ions to the electrolyte, and is to be understood by a cathode, a positive electrode, which receives electrons (from outside the cell) during discharge or in the energy release of the energy storage cell and positively charged Absorbs ions from the electrolyte.
  • the ions from the electrolyte are stored in the active layers of the electrodes or released from these.
  • the (first and second) electrodes are preferably each composed of a collector of an electrically conductive material and an active layer adapted to the respective electrolyte.
  • the active layer can be provided on both main sides of the electrodes or only on one of the two main sides.
  • the separators are electrically nonconductive and formed from a material permeable to the ions of the respective electrolyte.
  • the electrolyte of the energy storage cell preferably contains a liquid solvent and a conductive salt, which preferably contains lithium ions.
  • the collector of the negative electrode has copper, and the negative electrode active layer has graphite.
  • the positive electrode collector comprises aluminum, and the positive electrode active layer comprises a lithium metal oxide.
  • the lithium metal oxide preferably contains manganese, cobalt or nickel.
  • the separators are preferably constructed porous, preferably formed of a ceramic material.
  • the collectors of the first and second electrodes are formed from the same material. This simplifies the electrically conductive connection of the electrodes within the electrode stack, for example by means of ultrasonic welding.
  • the cell sheath in this context is a device which is suitable for the escape of chemicals from the electrode stack into the Prevent environment and protect the components of the electrode stack from harmful external influences.
  • the cell envelope may be formed from one or more moldings and / or film-like. Further, the cell envelope may be single-layered or multi-layered.
  • the cell envelope is preferably formed from a gas-tight and electrically insulating material or layer composite.
  • the openings in the first electrodes, the second electrodes and the separators basically have any shapes and dimensions.
  • the openings in the first electrodes, the second electrodes and the separators may basically have different shapes, but preferably they have substantially the same shape, preferably they are all formed substantially circular.
  • the openings in the first and second electrodes are to be understood as openings in the collectors and in the active layers. If the electrodes are provided with active layers on both sides of their collectors, the active layers are pierced on both sides of the collectors.
  • a region of an electrode which is freed from the active layer is to be understood as a region in which the active layer is substantially completely removed from the collector so that it is exposed. If the electrodes are provided with active layers on both sides of their collectors, then in the regions freed from the active layer, the active layers are removed on both sides of the collectors.
  • the (partly indefinite) plural forms of the (first, second) electrodes and the separators used in the description of the invention are intended to mean that the electrode stack preferably has a large number of first electrodes, a large number of second electrodes, and a large number of interposed therebetween Having separators.
  • each is preferably at least one large number, but not necessarily all of them in the above described manner (apertures, areas freed from active layer) configured.
  • the electrodes or separators arranged externally in the electrode stack can also be designed without apertures.
  • the electrodes and separators can of the electrode stack according to the invention also have a plurality of (ie at least two) first positions for the electrically conductive connection of the second electrodes to one another and / or several (ie at least two) second positions for the electrically conductive connection of the first electrodes to one another.
  • the electrically conductive connection of the first electrode and the second electrodes within the electrode stack can be ensured even better in the long run.
  • a substantially congruent alignment of the first and second positions of the first electrodes, the second electrodes and the separators in this context means that the apertures formed at these first and second positions and regions freed from the active layer in the electrode stack at least partially cover.
  • the geometric centers of the apertures and the areas freed from the active layer at the first and second positions are each on a substantially straight line, which is preferably substantially parallel to the stacking direction of the electrode stack.
  • the openings of the separators are formed smaller than the openings of the first and second electrodes, it should be understood in this context that the openings of the separators are shaped and dimensioned so that they in the stacking direction the electrode stack seen are completely surrounded by the openings of the first and second electrodes.
  • the regions of the first and second electrodes which have been freed from the active layer can optionally be of the same size as the perforations of the separators or smaller or larger than these.
  • the regions of the first and second electrodes which have been freed from the active layer can optionally be of the same size as the openings in the electrodes or smaller or larger than these.
  • the areas of the first and second electrodes which have been freed from the active layer are substantially the same size as the openings in the electrodes.
  • the regions of the first electrodes which have been freed from the active layer are welded together and / or the regions of the second electrodes which have been freed from the active layer are welded together.
  • pressure welding methods e.g., spot welding
  • a particularly preferred welding method is ultrasonic welding.
  • the first electrodes and the second electrodes are smaller than the separators.
  • the first and the second electrodes are made smaller than the separators, it should be understood in this context that the first and second electrodes are each shaped and dimensioned such that they are completely surrounded by the separators in the stacking direction of the electrode stack are.
  • the separators have in their entirety a projection with respect to the first and second electrodes, more preferably a substantially uniform projection over the entire circumference. In this way, a short circuit between the first and the second electrodes can be prevented.
  • the first electrodes, the second electrodes and the separators may have a substantially same basic shape or different basic shapes.
  • the first electrodes, the second electrodes and the separators are each formed with a substantially rectangular in the stacking direction of the electrode stack basic shape.
  • the first electrodes and the second electrodes are of different sizes.
  • This feature should be understood to mean that the first and the second electrodes are shaped and dimensioned in such a way that, viewed in the stacking direction of the electrode stack, they are not congruent to one another.
  • the negative electrodes are formed larger than the positive electrodes. In the case of uniformly large separators, this then preferably means that the supernatant of the separators, which is circumferential in the stacking direction of the electrode stack, is greater with respect to the positive electrodes than with respect to the negative electrodes.
  • the invention also relates to an energy storage cell, in particular an electrochemical energy storage cell, comprising an electrode stack according to the invention, at least one first current conductor electrically connected to the first electrodes and at least one second current conductor electrically connected to the second electrodes.
  • first current conductor which is connected to one of the first electrodes
  • second current conductor which is connected to one of the second electrodes
  • two, three or more first current conductors and / or second current conductors may be provided, which are connected to a preferably small subgroup of the first and second electrodes.
  • the invention further relates to an energy storage device, in particular an electrochemical energy storage device, with at least one such energy storage cell.
  • the process for producing an electrode stack according to the invention comprises the steps:
  • first electrodes having an active layer, each formed at a first position with an aperture and at a second position with a region removed from the active layer;
  • second electrodes having an active layer, each formed at a first position with a region removed from the active layer and at a second position with an aperture
  • separators which are each formed at a first position with an opening and at a second position with an opening, wherein the openings of the separators are formed smaller at the first positions than the openings of the first electrodes at the first positions and the openings the separators are made smaller at the second positions than the openings of the second electrodes at the second positions;
  • the openings in the first electrodes, the openings in the second electrodes and / or the openings in the separators are cut out, preferably punched out.
  • the regions of the first and / or the second electrodes which are freed from the active layer are formed by removing the active layer from the electrode by means of a solvent.
  • the solvent is preferably the solvent which is also contained in the electrolyte of the respective energy storage cell.
  • the areas of the first electrodes which are freed from the active layer and / or the areas of the first electrodes which have been freed from the active layer are welded together.
  • the welding method used is preferably pressure welding (eg spot welding).
  • a particularly preferred welding method is ultrasonic welding.
  • the invention further relates to a method for producing an energy storage cell, in particular an electrochemical energy storage cell, with the steps:
  • Connecting the current conductors in an electrically conductive manner to the electrodes of the electrode stack in the sense of the connection comprises both providing the current conductors as separate components and connecting these components to a corresponding electrode of the electrode stack and also integrally forming individual electrodes of the electrode stack with a current conductor.
  • the steps of connecting the current conductors to the electrodes of the electrode stack are preferably carried out during the step of producing the electrode stack, preferably during the provision of the electrodes.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the structure of an energy storage cell according to the present invention
  • Fig. 3 is a schematic sectional view of the electrode stack of Fig. 2 for explaining the electrically conductive connection of the electrode groups;
  • FIG. 4 is a schematic exploded perspective view of a conventional electrode stack for an energy storage cell.
  • the energy storage cell 10 contains at least one electrode stack 12, which is at least partially enclosed by a cell envelope 14.
  • the electrode stack 12 is provided or connected to at least one first current conductor 16 and at least one second current collector 18.
  • the first and second current conductors 16, 18 protrude at least partially out of the cell envelope 14, so that they can be electrically contacted outside the cell envelope 14.
  • the electrode stack 12 which contains a plurality of first electrodes 20 (for example negative or anodic electrodes) and a plurality of second electrodes 22 (for example positive or cathodic electrodes), which are arranged alternately in the stacking direction D. Between the first and second electrodes 20, 22, a separator 24 is arranged in each case.
  • the electrode stack 12 further includes an electrolyte received in the separators 24.
  • the first and second electrodes 20, 22 each comprise a collector of an electrically conductive material and an active layer on both major sides of the collector, which can receive the ions of the electrolyte.
  • the electrodes 20, 22 and the separators 24 are each film-like and substantially rectangular.
  • the separators 24 are larger than the first electrodes 20 and larger than the second electrodes 22 configured.
  • the first electrodes 20 are each made larger than the second electrodes 22.
  • the separators 24 in the stacking direction D have completely a protrusion of about 2 mm with respect to the first electrodes 20 and a supernatant of about 4 mm completely with respect to the second electrodes 22.
  • the first electrodes 20 each have an opening 26 at a first position and a region 28 freed from the active layer at a second position.
  • the second electrodes 22 each have a region 30 removed from the active layer and a second position at a first position an opening 32.
  • the separators 24 each have an opening 34 at a first position and an opening 36 at a second position.
  • the apertures 26 of the first electrodes 20, the regions 30 of the second electrodes 22 freed from the active layer and the apertures 34 of FIGS Separators 24 at the first positions are attached to a substantially Lent straight line 42 aligned, which is parallel to the stacking direction D substantially.
  • the active layer depleted regions 28 of the first electrodes 20, the apertures 32 of the second electrodes 22, and the apertures 36 of the separators 24 at the second positions are aligned along a substantially straight line 44, similar to substantially parallel Stacking direction D runs.
  • the openings 26, 32 of the electrodes 20, 22, the regions 28, 30 of the electrodes 20, 22 removed from the active layer and the openings 34, 36 of the separators 24 are each substantially circular designed.
  • the openings 34, 36 of the separators 24 are formed smaller at the first and second positions than the openings 26 in the first electrodes 20 and the openings 32 in the second electrodes 22.
  • the areas 28, 30 freed from the active layer the first and second electrodes 20, 22 are substantially the same size as the apertures 26, 32 formed in the first and second electrodes 20, 22.
  • the apertures 26, 32 and the active layer depleted regions 28, 30 of the electrodes 20, 22 each have a diameter on the order of about 8 mm to 15 mm.
  • the active layers of the first and second electrodes 20, 22 are applied, for example, as a coating on both main sides of the electrodes.
  • the active layer is removed, for example by means of a solvent, from the collectors of the electrodes 20, 22.
  • the solvent used is preferably the solvent contained in the electrolyte.
  • the perforations 26, 32 in the first and the second electrodes 20, 22 and also the openings 34, 36 in the separators 24 are punched out, for example. If the first electrodes 20, second electrodes 22 and separators 24 thus formed are placed against one another in the stacking direction D, the first electrodes 20 can be connected to one another in an electrically conductive manner and the second electrodes 22 can be connected to one another in an electrically conductive manner.
  • one of the first electrodes 20 is provided with a first current conductor 16, which is electrically conductively connected to all the first electrodes 20 via the welded connections 38.
  • one of the second electrodes 22 is provided with a second current collector 18, which is electrically conductively connected via the welded connections 40 to all second electrodes 22.
  • the first and second current conductors 16, 18 are, for example, in the form of arrester lugs and integrally formed with or welded to the respective electrodes 20, 22. It is sufficient that only one electrode or only a few electrodes of an electrode group of the same polarity are provided in this way with a current conductor 16, 18. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

An electrode stack (12) for an energy storage cell (10) has first and second electrodes (20, 22), which are arranged in a stacking direction in an alternating manner with each other and which comprise active layers, and separators (24) arranged between the first and the second electrodes (20, 22). Each of the first electrodes (20) is formed with a through-opening (26) at a first position and with a region (28) that is free of the active layer at a second position; each of the second electrodes (22) is formed with a region (30) that is free of the active layer at a first position and with a through-opening (32) at a second position; and each of the separators (24) is formed with a through-opening (34) at a first position and with a through-opening (36) at a second position. The through-openings (34, 36) of the separators (24) at the first and second positions are formed smaller than the through-openings (26) of the first electrodes (20) at the first positions or the through-openings (32) of the second electrodes (22) at the second positions. In order to electrically contact the electrode stack (12), the first electrode (20) regions (28) that are free of the active layer are connected to one another in an electrically conductive manner through the through-openings (32, 36) of the second electrodes (22) and of the separators (24), and the second electrode (22) regions (30) that are free of the active layer are connected to one another in an electrically conductive manner through the through-openings (26, 34) of the first electrodes (20) and of the separators (24).

Description

Elektrodenstapel für eine Energiespeicherzelle  Electrode stack for an energy storage cell
und Verfahren zur Herstellung eines solchen Elektrodenstapels  and method of making such an electrode stack
B e s c h r e i b u n g  Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektrodenstapel für eine Energie- Speicherzelle, insbesondere für eine elektrochemische Energiespeicherzelle, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Elektrodenstapels. The present invention relates to an electrode stack for an energy storage cell, in particular for an electrochemical energy storage cell, and to a method for producing such an electrode stack.
Hiermit wird der gesamte Inhalt der Prioritätsanmeldung DE 10 201 1 1 17 960.0 vom 8. November 201 1 durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung. Hereby, the entire contents of the priority application DE 10 201 1 1 17 960.0 of 8 November 201 1 by reference is part of the present application.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtungen weisen üblicherweise wenigstens eine elektrochemische Energiespeicherzelle (häufig auch als elektrochemische oder galvanische Zelle bezeichnet), wenigstens einen Stromableiter, ein Gehäuse zum Aufnehmen der Energiespeicherzelle und des Stromableiters sowie wenigstens ein Kontaktelement auf. Herkömmlicherweise weist eine elektrochemische Energiespeicherzelle einen Elektrodenstapel mit einer Anordnung aus wenigstens zwei Elektroden und einem dazwischen angeordneten, von wenigstens einem Separator aufgenommenen Elektrolyten auf, wobei der Elektrodenstapel von einer Umhüllung zumindest teilweise umschlossen ist. Die zwei Elektroden bzw. Elektrodengruppen des Elektroden- stapelss.sind jeweils elektrisch leitend mit einem Stromableiter verbunden, welcher zum Transport elektrischer Energie in die Energiespeicherzelle oder aus der Energiespeicherzelle heraus dient. Die Stromableiter sind wiederum jeweils mit einem elektrisch leitenden Kontaktelement verbunden, welches zum elektrischen Anschluss der Energiespeichervorrichtung zum Beispiel innerhalb einer Batterieanordnung mit mehreren Energiespeichervorrichtung dient. Electrochemical energy storage devices usually have at least one electrochemical energy storage cell (often referred to as electrochemical or galvanic cell), at least one current collector, a housing for receiving the energy storage cell and the current collector and at least one contact element. Conventionally, an electrochemical energy storage cell has an electrode stack with an arrangement of at least two electrodes and an electrolyte arranged therebetween and accommodated by at least one separator, wherein the electrode stack is at least partially enclosed by an enclosure. The two electrodes or electrode groups of the electrode stack are in each case electrically conductively connected to a current conductor, which serves to transport electrical energy into the energy storage cell or out of the energy storage cell. The current conductors are in turn each connected to an electrically conductive contact element, which for electrical connection of the energy storage device, for example, within a battery arrangement with a plurality of energy storage device is used.
Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau eines Elektrodenstapels einer herkömm- liehen Energiespeicherzelle, wie sie zum Beispiel für eine Energiespeichervorrichtung bzw. Batterieanordnung in einem Kraftfahrzeug mit einem Elektroantrieb oder einem Hybridantrieb eingesetzt werden kann. Fig. 4 shows schematically the structure of an electrode stack of a conventional borrowed energy storage cell, as can be used for example for an energy storage device or battery assembly in a motor vehicle with an electric drive or a hybrid drive.
Der Elektrodenstapel 12 weist eine Vielzahl von ersten (negativen, anodischen) Elektroden 20 und zweiten (positiven, kathodischen) Elektroden 22 auf, die in Stapelrichtung D im Wechsel zueinander angeordnet sind. Zwischen diesen ersten und zweiten Elektroden 20, 22 ist jeweils ein Separator 24 angeordnet. Die ersten und die zweiten Elektroden 20, 22 sind jeweils mit einem Stromableiter 21 bzw. 23 in Form einer Ableiterfahne versehen. Nicht gezeigte Kontaktelemente verbinden die Stromableiter 21 bzw. 23 mehrerer gleicher Elektroden 20 bzw. 22 elektrisch leitend miteinander. The electrode stack 12 has a plurality of first (negative, anodic) electrodes 20 and second (positive, cathodic) electrodes 22, which are arranged in the stacking direction D in alternation. Between these first and second electrodes 20, 22 a separator 24 is arranged in each case. The first and the second electrodes 20, 22 are each provided with a current conductor 21 or 23 in the form of an arrester lug. Not shown contact elements connect the current conductors 21 and 23 of a plurality of identical electrodes 20 and 22 to each other in an electrically conductive manner.
Im Stand der Technik sind Konstruktionen bekannt, bei denen die Stromableiter- fahnen 21 , 23 jeweils durch die Elektroden 20, 22 selbst gebildet sind, sowie Konstruktionen, bei denen die Stromabieiterfahnen 21 , 23 als separate Bauteile gefertigt und mit den Elektroden 20, 22 verschweißt sind. Während bei der erstgenannten Ausführungsform die Fertigung der Elektroden aufwändiger ist, ist bei der letztgenannten Ausführungsform der aktive Teil der Energiespeicherzelle reduziert. In the prior art constructions are known in which the Stromableiter- flags 21, 23 are each formed by the electrodes 20, 22 themselves, as well as structures in which the Stromabieiterfahnen 21, 23 made as separate components and welded to the electrodes 20, 22 are. While in the former embodiment, the manufacture of the electrodes is more complex, in the latter embodiment, the active part of the energy storage cell is reduced.
Derartige herkömmliche Elektrodenstapel sind zum Beispiel in der DE 10 2006 053 273 A1 und der US 2010/0248030 A1 beschrieben. Such conventional electrode stacks are described, for example, in DE 10 2006 053 273 A1 and US 2010/0248030 A1.
Ferner offenbart die DE 10 2009 016 772 A1 eine Energiespeicherzelle mit einem Elektrodenstapel, bei welchem die Separatoren und die Elektroden an ihren Außenumrissen jeweils nach innen versetzte und sich im Wesentlichen überdeckende Ausnehmungen aufweisen. Die beiden Elektrodengruppen sind jeweils durch eine Poldurchführung elektrisch leitend miteinander verbunden, welche sich in einem durch die genannten Ausnehmungen gebildeten Kanal erstreckt. Bei dem so ausgebildeten Elektrodenstapel können die Poldurchführungen in einem geschützten Bereich einer Batterie angebracht werden, wodurch die Betriebssicherheit der Energiespeicherzelle erhöht werden kann. Furthermore, DE 10 2009 016 772 A1 discloses an energy storage cell with an electrode stack, in which the separators and the electrodes have on their outer contours respectively inwardly offset and substantially overlapping recesses. The two electrode groups are each electrically conductively connected to each other by a pole bushing, which extends in a channel formed by said recesses. In the thus formed electrode stack, the pole feedthroughs can be mounted in a protected area of a battery, whereby the reliability of the energy storage cell can be increased.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Energiespeicherzelle zu schaffen. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Elektrodenstapel mit den Merkmalen des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels mit den Merkmalen des Anspruches 8. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche. It is the object of the present invention to provide an improved energy storage cell. This object is achieved by an electrode stack having the features of claim 1 and a method for producing an electrode stack having the features of claim 8. Particularly preferred embodiments and further developments of the invention are the subject of the respective dependent claims.
Der Elektrodenstapel der Erfindung weist in Stapelrichtung im Wechsel zueinander angeordnete erste Elektroden und zweite Elektroden sowie zwischen den ersten und zweiten Elektroden angeordnete Separatoren auf, wobei die ersten und die zweiten Elektroden jeweils eine aktive Schicht aufweisen. Die ersten Elektroden sind jeweils an einer ersten Position mit einer Durchbrechung und an einer zweiten Position mit einem von der aktiven Schicht befreiten Bereich ausgebildet, und die zweiten Elektroden sind jeweils an einer ersten Position mit einem von der aktiven Schicht befreiten Bereich und an einer zweiten Position mit einer Durchbrechung ausgebildet. Die Separatoren sind jeweils an einer ersten Position mit einer Durchbrechung und an einer zweiten Position mit einer Durchbrechung ausgebildet. Dabei sind die ersten Positionen der ersten Elektroden, der zweiten Elektroden und der Separatoren im Elektrodenstapel im Wesentlichen deckungsgleich zueinander ausgerichtet und sind die zweiten Positionen der ersten Elektroden, der zweiten Elektroden und der Separatoren im Elektrodenstapel im Wesentlichen deckungsgleich zueinander ausgerichtet. Weiter sind die Durchbrechungen der Separatoren an den ersten Positionen kleiner ausgebildet als die Durchbrechungen der ersten Elektroden an den ersten Positionen und sind auch die Durchbrechungen der Separatoren an den zweiten Positionen kleiner ausgebildet als die Durchbrechungen der zweiten Elektroden an den zweiten Positionen. Außerdem sind die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche der ersten Elektroden durch die Durchbrechungen der zweiten Elektroden und der Separatoren hindurch elektrisch leitend miteinander verbunden und sind ebenso die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche der zweiten Elektroden durch die Durchbrechungen der ersten Elektroden und der Separatoren hindurch elektrisch leitend miteinander verbunden. The electrode stack of the invention has in the stacking direction alternately arranged first electrodes and second electrodes and arranged between the first and second electrodes separators, wherein the first and the second electrodes each having an active layer. The first electrodes are each formed at a first position with an aperture and at a second position with an active layer depleted region, and the second electrodes are each at a first position with an active layer depleted region and at a second position formed with an opening. The separators are each formed at a first position with an opening and at a second position with an opening. In this case, the first positions of the first electrodes, of the second electrodes and of the separators in the electrode stack are aligned essentially congruent to each other and the second positions of the first electrodes, the second electrodes and the separators in the electrode stack are aligned substantially congruent to each other. Further, the openings of the separators are formed smaller at the first positions than the openings of the first Electrodes at the first positions and also the openings of the separators are formed smaller at the second positions than the openings of the second electrodes at the second positions. In addition, the regions of the first electrodes which have been freed from the active layer are electrically conductively connected to one another through the openings of the second electrodes and the separators, and likewise the regions of the second electrodes which are freed from the active layer are electrically conductive through the openings of the first electrodes and the separators conductively connected.
Bei diesem Elektrodenstapel wird für die elektrische Kontaktierung der Elektrodenstapel im Vergleich zum Beispiel zu angeschweißten Stromableiter- fahnen nur ein relativ kleiner Bereich benötigt. Somit werden die aktiven Schichten der Elektroden und damit der aktive Teil des Elektrodenstapels kaum reduziert, sodass mit diesem Elektrodenstapel Energiespeicherzellen mit hoher Zellkapazität aufgebaut werden können. In the case of this electrode stack, only a relatively small area is needed for the electrical contacting of the electrode stacks in comparison with, for example, welded-on current conductor lugs. Thus, the active layers of the electrodes and thus the active part of the electrode stack are hardly reduced, so that energy storage cells with high cell capacity can be built up with this electrode stack.
Ferner müssen bei diesem Elektrodenstapel nicht alle Elektroden mit einem eigenen Stromableiter versehen oder verbunden sein. Vielmehr ist es wegen der integrierten elektrisch leitenden Verbindung der ersten bzw. zweiten Elektroden innerhalb des Elektrodenstapels möglich, aus jeder Elektrodengruppe nur eine Elektrode oder nur wenige Elektroden mit einem Stromableiter zu versehen oder zu verbinden. Auch auf eine zusätzliche Poldurchführung in dem Elektrodenstapel kann verzichtet werden. Auf diese Weise können der Materialaufwand für den Elektrodenstapel bzw. die Energiespeicherzelle reduziert werden und die Herstellung des Elektrodenstapels bzw. der Energiespeicherzelle vereinfacht werden. Furthermore, in this electrode stack not all electrodes must be provided or connected with their own current conductor. Rather, it is possible because of the integrated electrically conductive connection of the first and second electrodes within the electrode stack to provide from each electrode group only one electrode or only a few electrodes with a current conductor or connect. Also on an additional pole feedthrough in the electrode stack can be dispensed with. In this way, the cost of materials for the electrode stack or the energy storage cell can be reduced and the production of the electrode stack or the energy storage cell can be simplified.
Außerdem kann die oben beschriebene elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektroden innerhalb des Elektrodenstapels die Betriebssicherheit der Energiespeicherzelle erhöhen, da die Verbindung in den Elektrodenstapel integriert und damit gegen schädigende Einflüsse von außen besser geschützt ist. Eine Energiespeicherzelle im Sinne dieser Erfindung kann beispielsweise, aber nicht nur eine galvanische Primär- oder Sekundärzelle, eine Brennstoffzelle, ein Hochleistungskondensator oder eine Energiespeicherzelle anderer Art sein. Insbesondere soll in diesem Zusammenhang unter einer Energiespeicherzelle eine elektrochemische Energiespeicherzelle verstanden werden, die Energie in chemischer Form speichern, in elektrischer Form an einen Verbraucher abgeben und vorzugsweise auch in elektrischer Form aus einer Ladeeinrichtung aufnehmen kann. Wichtige Beispiele für solche elektrochemische Energie- Speicher sind galvanische Zellen und Brennstoffzellen. In addition, the above-described electrically conductive connection between the electrodes within the electrode stack increase the reliability of the energy storage cell, since the compound is integrated into the electrode stack and thus better protected against harmful influences from the outside. An energy storage cell in the sense of this invention can be, for example, but not just a galvanic primary or secondary cell, a fuel cell, a high-power capacitor or an energy storage cell of a different kind. In particular, in this context, an energy storage cell is to be understood as meaning an electrochemical energy storage cell which stores energy in chemical form, delivers it in electrical form to a consumer and preferably can also receive it in electrical form from a charging device. Important examples of such electrochemical energy storage are galvanic cells and fuel cells.
Eine elektrochemische Energiespeicherzelle weist vorzugsweise einen aktiven Teil, in welchem elektrochemische Umwandlungs- und Speicherungsprozesse stattfinden, und eine (Zell-)Umhüllung zur Kapselung des aktiven Teils von der Umgebung auf. Der aktive Teil der Energiespeicherzelle weist vorzugsweise wenigstens einen Elektrodenstapel auf, der aus einer Elektrodenanordnung aus Elektroden mit aktiven Schichten, Separatoren und einem von den Separatoren aufgenommen Elektrolyten gebildet ist. Die Elektroden sind vorzugsweise plattenförmig oder folienartig ausgebildet und bevorzugt im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet (prismatische Energiespeicherzellen). Die Elektrodenanordnung kann auch gewickelt sein und eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt besitzen (zylindrische Energiespeicherzellen). Der Begriff Elektrodenstapel soll auch derartige Elektroden- wickel beinhalten. Die aktiven Schichten und Separatoren sind vorzugsweise wenigstens teilweise als Beschichtungen der Elektroden oder als eigenständige Folienzuschnitte vorgesehen. An electrochemical energy storage cell preferably has an active part in which electrochemical conversion and storage processes take place, and a (cell) enclosure for encapsulating the active part from the environment. The active part of the energy storage cell preferably has at least one electrode stack, which is formed from an electrode arrangement of electrodes having active layers, separators and an electrolyte accommodated by the separators. The electrodes are preferably plate-shaped or foil-like and are preferably arranged substantially parallel to one another (prismatic energy storage cells). The electrode assembly may also be wound and have a substantially cylindrical shape (cylindrical energy storage cells). The term electrode stack should also include such electrode coils. The active layers and separators are preferably provided at least partially as coatings of the electrodes or as separate foil blanks.
Bei den ersten und den zweiten Elektroden handelt es sich um die negativen oder anodischen Elektroden bzw. die positiven oder kathodischen Elektroden oder umgekehrt. Im Sinne dieser Erfindung ist unter einer Anode eine negative Elektrode zu verstehen, welche beim Entladen bzw. bei der Energieabgabe der Energiespeicherzelle Elektronen (aus der Zelle heraus) abgibt und positiv geladene Ionen an den Elektrolyten abgibt, und ist unter einer Kathode eine positive Elektrode zu verstehen, welche beim Entladen bzw. bei der Energieabgabe der Energiespeicherzelle Elektronen (von außerhalb der Zelle) aufnimmt und positiv geladene Ionen aus dem Elektrolyten aufnimmt. Die Ionen aus dem Elektrolyten werden dabei in den aktiven Schichten der Elektroden eingelagert bzw. aus diesen abgegeben. The first and the second electrodes are the negative or anodic electrodes or the positive or cathodic electrodes or vice versa. For the purposes of this invention, an anode is to be understood as meaning a negative electrode which, during discharging or in the case of the energy delivery, is the negative electrode Energy storage cell emits electrons (out of the cell) and emits positively charged ions to the electrolyte, and is to be understood by a cathode, a positive electrode, which receives electrons (from outside the cell) during discharge or in the energy release of the energy storage cell and positively charged Absorbs ions from the electrolyte. The ions from the electrolyte are stored in the active layers of the electrodes or released from these.
Die (ersten und zweiten) Elektroden sind vorzugsweise jeweils aus einem Kollektor aus einem elektrisch leitenden Material und einer an den jeweiligen Elektrolyten angepassten aktiven Schicht aufgebaut. Die aktive Schicht kann dabei auf beiden Hauptseiten der Elektroden oder nur auf einer der beiden Hauptseiten vorgesehen sein. Die Separatoren sind elektrisch nicht leitend und aus einem für die Ionen des jeweiligen Elektrolyten durchlässigen Material ge- bildet. The (first and second) electrodes are preferably each composed of a collector of an electrically conductive material and an active layer adapted to the respective electrolyte. The active layer can be provided on both main sides of the electrodes or only on one of the two main sides. The separators are electrically nonconductive and formed from a material permeable to the ions of the respective electrolyte.
Der Elektrolyt der Energiespeicherzelle enthält vorzugsweise ein flüssiges Lösungsmittel und ein Leitsalz, welches bevorzugt Lithium-Ionen enthält. Vorzugsweise weist der Kollektor der negativen Elektrode Kupfer auf und weist die aktive Schicht der negativen Elektrode Graphit auf. Vorzugsweise weist der Kollektor der positiven Elektrode Aluminium auf und weist die aktive Schicht der positiven Elektrode ein Lithium-Metalloxid auf. Das Lithium-Metalloxid enthält bevorzugt Mangan, Kobalt oder Nickel. Die Separatoren sind bevorzugt porös aufgebaut, vorzugsweise aus einem keramischen Material gebildet. The electrolyte of the energy storage cell preferably contains a liquid solvent and a conductive salt, which preferably contains lithium ions. Preferably, the collector of the negative electrode has copper, and the negative electrode active layer has graphite. Preferably, the positive electrode collector comprises aluminum, and the positive electrode active layer comprises a lithium metal oxide. The lithium metal oxide preferably contains manganese, cobalt or nickel. The separators are preferably constructed porous, preferably formed of a ceramic material.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Kollektoren der ersten und der zweiten Elektroden aus dem gleichen Material gebildet. Dies vereinfacht die elektrisch leitende Verbindung der Elektroden innerhalb des Elektrodenstapels zum Beispiel mittels Ultraschallschweißung. In a preferred embodiment of the invention, the collectors of the first and second electrodes are formed from the same material. This simplifies the electrically conductive connection of the electrodes within the electrode stack, for example by means of ultrasonic welding.
Die Zellumhüllung ist in diesem Zusammenhang eine Einrichtung, welche geeignet ist, den Austritt von Chemikalien aus dem Elektrodenstapel in die Umgebung zu verhindern und die Bestandteile des Elektrodenstapels vor schädigenden äußeren Einflüssen zu schützen. Die Zellumhüllung kann aus einem oder aus mehreren Formteilen und/oder folienartig ausgebildet sein. Weiter kann die Zellumhüllung einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein. Die Zellumhüllung ist vorzugsweise aus einem gasdichten und elektrisch isolierenden Werkstoff oder Schichtverbund gebildet. The cell sheath in this context is a device which is suitable for the escape of chemicals from the electrode stack into the Prevent environment and protect the components of the electrode stack from harmful external influences. The cell envelope may be formed from one or more moldings and / or film-like. Further, the cell envelope may be single-layered or multi-layered. The cell envelope is preferably formed from a gas-tight and electrically insulating material or layer composite.
Die Durchbrechungen in den ersten Elektroden, den zweiten Elektroden und den Separatoren haben grundsätzlich beliebige Formen und Abmessungen. Dabei können die Durchbrechungen in den ersten Elektroden, den zweiten Elektroden und den Separatoren grundsätzlich verschiedene Formen haben, vorzugsweise haben sie aber im Wesentlichen die gleiche Form, bevorzugt sind sie alle im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet. Die Durchbrechungen in den ersten und zweiten Elektroden sind als Durchbrechungen in den Kollektoren sowie in den aktiven Schichten zu verstehen. Sind die Elektroden zu beiden Seiten ihrer Kollektoren mit aktiven Schichten versehen, so sind die aktiven Schichten beidseitig der Kollektoren durchbrochen. The openings in the first electrodes, the second electrodes and the separators basically have any shapes and dimensions. In this case, the openings in the first electrodes, the second electrodes and the separators may basically have different shapes, but preferably they have substantially the same shape, preferably they are all formed substantially circular. The openings in the first and second electrodes are to be understood as openings in the collectors and in the active layers. If the electrodes are provided with active layers on both sides of their collectors, the active layers are pierced on both sides of the collectors.
Unter einem von der aktiven Schicht befreiten Bereich einer Elektrode ist ein Bereich zu verstehen, in dem die aktive Schicht im Wesentlichen vollständig von dem Kollektor entfernt ist, sodass dieser freiliegt. Sind die Elektroden zu beiden Seiten ihrer Kollektoren mit aktiven Schichten versehen, so sind in den von der aktiven Schicht befreiten Bereichen die aktiven Schichten beidseitig der Kollektoren entfernt. A region of an electrode which is freed from the active layer is to be understood as a region in which the active layer is substantially completely removed from the collector so that it is exposed. If the electrodes are provided with active layers on both sides of their collectors, then in the regions freed from the active layer, the active layers are removed on both sides of the collectors.
Die bei der Beschreibung der Erfindung verwendeten (zum Teil unbestimmten) Pluralformen der (ersten, zweiten) Elektroden und der Separatoren sollen bedeuten, dass der Elektrodenstapel vorzugsweise eine große Anzahl von ersten Elektroden, eine große Anzahl von zweiten Elektroden und eine große Anzahl von dazwischen angeordneten Separatoren aufweist. Von diesen (ersten und zweiten) Elektroden und Separatoren ist vorzugsweise jeweils zumindest eine große Zahl, sind aber nicht notwendigerweise jeweils alle in der oben beschriebenen Weise (Durchbrechungen, von aktiver Schicht befreiten Bereiche) ausgestaltet. So können beispielsweise die im Elektrodenstapel außen angeordneten Elektroden oder Separatoren auch ohne Durchbrechungen ausgestaltet sein. The (partly indefinite) plural forms of the (first, second) electrodes and the separators used in the description of the invention are intended to mean that the electrode stack preferably has a large number of first electrodes, a large number of second electrodes, and a large number of interposed therebetween Having separators. Of these (first and second) electrodes and separators, each is preferably at least one large number, but not necessarily all of them in the above described manner (apertures, areas freed from active layer) configured. Thus, for example, the electrodes or separators arranged externally in the electrode stack can also be designed without apertures.
Während in dieser Anmeldung die (ersten, zweiten) Elektroden und die Separatoren jeweils nur eine erste Position für Durchbrechungen bzw. von der aktiven Schicht befreiten Bereiche und eine zweite Position für Durchbrechungen bzw. von der aktiven Schicht befreiten Bereiche aufweisen, können die Elektroden und Separatoren des erfindungsgemäßen Elektrodenstapels auch mehrere (d.h. wenigstens zwei) erste Positionen für die elektrisch leitende Verbindung der zweiten Elektroden miteinander und/oder mehrere (d.h. wenigstens zwei) zweite Positionen für die elektrisch leitende Verbindung der ersten Elektroden miteinander aufweisen. In diesem Fall kann die elektrisch leitende Verbindung der ersten Elektrode und der zweiten Elektroden innerhalb des Elektrodenstapels auf Dauer noch besser gewährleistet werden. While in this application the (first, second) electrodes and the separators each have only a first position for apertures or regions removed from the active layer and a second position for apertures or areas freed from the active layer, the electrodes and separators can of the electrode stack according to the invention also have a plurality of (ie at least two) first positions for the electrically conductive connection of the second electrodes to one another and / or several (ie at least two) second positions for the electrically conductive connection of the first electrodes to one another. In this case, the electrically conductive connection of the first electrode and the second electrodes within the electrode stack can be ensured even better in the long run.
Eine im Wesentlichen deckungsgleiche Ausrichtung der ersten bzw. zweiten Positionen der ersten Elektroden, der zweiten Elektroden und der Separatoren soll in diesem Zusammenhang bedeuten, dass die an diesen ersten bzw. zweiten Positionen ausgebildeten Durchbrechungen und von der aktiven Schicht befreiten Bereiche in dem Elektrodenstapel einander zumindest teilweise überdecken. Vorzugsweise liegen die geometrischen Mittelpunkte der Durchbrechungen und der von der aktiven Schicht befreiten Bereiche an den ersten und an den zweiten Positionen jeweils auf einer im Wesentlichen geraden Linie, welche bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung des Elektrodenstapels ist. A substantially congruent alignment of the first and second positions of the first electrodes, the second electrodes and the separators in this context means that the apertures formed at these first and second positions and regions freed from the active layer in the electrode stack at least partially cover. Preferably, the geometric centers of the apertures and the areas freed from the active layer at the first and second positions are each on a substantially straight line, which is preferably substantially parallel to the stacking direction of the electrode stack.
Unter dem Merkmal, dass die Durchbrechungen der Separatoren kleiner aus- gebildet sind als die Durchbrechungen der ersten bzw. zweiten Elektroden, soll in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass die Durchbrechungen der Separatoren derart geformt und dimensioniert sind, dass sie in Stapelrichtung des Elektrodenstapels gesehen vollumfänglich von den Durchbrechungen der ersten bzw. zweiten Elektroden umgeben sind. Under the feature that the openings of the separators are formed smaller than the openings of the first and second electrodes, it should be understood in this context that the openings of the separators are shaped and dimensioned so that they in the stacking direction the electrode stack seen are completely surrounded by the openings of the first and second electrodes.
Die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche der ersten und der zweiten Elektroden können dagegen wahlweise gleich groß wie die Durchbrechungen der Separatoren oder kleiner oder größer als diese ausgebildet sind. Ebenso können die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche der ersten und der zweiten Elektroden wahlweise gleich groß wie die Durchbrechungen der Elektroden oder kleiner oder größer als diese ausgebildet sind. In einer bevor- zugten Ausgestaltung der Erfindung sind die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche der ersten und der zweiten Elektroden im Wesentlichen gleich groß wie die Durchbrechungen in den Elektroden ausgebildet. On the other hand, the regions of the first and second electrodes which have been freed from the active layer can optionally be of the same size as the perforations of the separators or smaller or larger than these. Likewise, the regions of the first and second electrodes which have been freed from the active layer can optionally be of the same size as the openings in the electrodes or smaller or larger than these. In a preferred embodiment of the invention, the areas of the first and second electrodes which have been freed from the active layer are substantially the same size as the openings in the electrodes.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche der ersten Elektroden miteinander und/oder die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche der zweiten Elektroden miteinander verschweißt. Als Schweißverfahren werden bevorzugt Pressschweißverfahren (z.B. Punktschweißen) eingesetzt. Ein besonders bevorzugtes Schweißverfahren ist das Ultraschallschweißen. In a preferred embodiment of the invention, the regions of the first electrodes which have been freed from the active layer are welded together and / or the regions of the second electrodes which have been freed from the active layer are welded together. As a welding method, pressure welding methods (e.g., spot welding) are preferably used. A particularly preferred welding method is ultrasonic welding.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die ersten Elektroden und die zweiten Elektroden kleiner ausgebildet als die Separatoren. Unter dem Merkmal, dass die ersten und die zweiten Elektroden kleiner ausgebildet sind als die Separatoren, soll in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass die ersten und zweiten Elektroden jeweils derart geformt und dimensioniert sind, dass sie in Stapelrichtung des Elektrodenstapels gesehen vollumfänglich von den Separatoren umgeben sind. Mit anderen Worten haben die Separatoren in Stapelrichtung des Elektrodenstapels gesehen vollumfänglich einen Überstand gegenüber den ersten und den zweiten Elektroden, besonders bevorzugt einen über den gesamten Umfang im Wesentlichen gleichmäßigen Überstand. Auf diese Weise kann ein Kurzschluss zwischen den ersten und den zweiten Elektroden verhindert werden. Die ersten Elektroden, die zweiten Elektroden und die Separatoren können dabei eine im Wesentlichen gleiche Grundform oder unterschiedliche Grundformen haben. Vorzugsweise sind die ersten Elektroden, die zweiten Elektroden und die Separatoren jeweils mit einer in Stapelrichtung des Elektrodenstapels im Wesentlichen rechteckigen Grundform ausgebildet. In a preferred embodiment of the invention, the first electrodes and the second electrodes are smaller than the separators. By the feature that the first and the second electrodes are made smaller than the separators, it should be understood in this context that the first and second electrodes are each shaped and dimensioned such that they are completely surrounded by the separators in the stacking direction of the electrode stack are. In other words, as seen in the stacking direction of the electrode stack, the separators have in their entirety a projection with respect to the first and second electrodes, more preferably a substantially uniform projection over the entire circumference. In this way, a short circuit between the first and the second electrodes can be prevented. The first electrodes, the second electrodes and the separators may have a substantially same basic shape or different basic shapes. Preferably, the first electrodes, the second electrodes and the separators are each formed with a substantially rectangular in the stacking direction of the electrode stack basic shape.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die ersten Elektroden und die zweiten Elektroden unterschiedlich groß ausgebildet. Unter diesem Merkmal soll verstanden werden, dass die ersten und die zweiten Elektroden derart geformt und dimensioniert sind, dass sie in Stapelrichtung des Elektrodenstapels gesehen nicht deckungsgleich zueinander sind. Vorzugsweise sind die negativen Elektroden größer ausgebildet als die positiven Elektroden. Im Fall von einheitlich großen Separatoren bedeutet dies dann vorzugsweise, dass der in Stapelrichtung des Elektrodenstapels gesehen um- fängliche Überstand der Separatoren gegenüber den positiven Elektroden größer ist als gegenüber den negativen Elektroden. In a further preferred embodiment of the invention, the first electrodes and the second electrodes are of different sizes. This feature should be understood to mean that the first and the second electrodes are shaped and dimensioned in such a way that, viewed in the stacking direction of the electrode stack, they are not congruent to one another. Preferably, the negative electrodes are formed larger than the positive electrodes. In the case of uniformly large separators, this then preferably means that the supernatant of the separators, which is circumferential in the stacking direction of the electrode stack, is greater with respect to the positive electrodes than with respect to the negative electrodes.
Die Erfindung betrifft auch eine Energiespeicherzelle, insbesondere eine elektrochemische Energiespeicherzelle, mit einem erfindungsgemäßen Elektroden- Stapel, wenigstens einem mit den ersten Elektroden elektrisch leitend verbundenen ersten Stromableiter und wenigstens einem mit den zweiten Elektroden elektrisch leitend verbundenen zweiten Stromableiter. The invention also relates to an energy storage cell, in particular an electrochemical energy storage cell, comprising an electrode stack according to the invention, at least one first current conductor electrically connected to the first electrodes and at least one second current conductor electrically connected to the second electrodes.
Im Rahmen der Erfindung können genau ein erster Stromableiter, der mit einer der ersten Elektroden verbunden ist, und genau ein zweiter Stromableiter, der mit einer der zweiten Elektroden verbunden ist, vorgesehen sein. Ebenso können im Rahmen der Erfindung auch zwei, drei oder mehr erste Stromableiter und/oder zweite Stromableiter vorgesehen sein, die mit einer bevorzugt kleinen Teilgruppe der ersten bzw. zweiten Elektroden verbunden sind. Die Erfindung betrifft ferner eine Energiespeichervorrichtung, insbesondere eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung, mit wenigstens einer solchen Energiespeicherzelle. Das Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels gemäß der Erfindung enthält die Schritte: In the context of the invention, precisely one first current conductor, which is connected to one of the first electrodes, and exactly one second current conductor, which is connected to one of the second electrodes, may be provided. Likewise, within the scope of the invention, two, three or more first current conductors and / or second current conductors may be provided, which are connected to a preferably small subgroup of the first and second electrodes. The invention further relates to an energy storage device, in particular an electrochemical energy storage device, with at least one such energy storage cell. The process for producing an electrode stack according to the invention comprises the steps:
- Bereitstellen von ersten Elektroden mit einer aktiven Schicht, welche jeweils an einer ersten Position mit einer Durchbrechung und an einer zweiten Position mit einem von der aktiven Schicht befreiten Bereich ausgebildet werden;  Providing first electrodes having an active layer, each formed at a first position with an aperture and at a second position with a region removed from the active layer;
- Bereitstellen von zweiten Elektroden mit einer aktiven Schicht, welche jeweils an einer ersten Position mit einem von der aktiven Schicht befreiten Bereich und an einer zweiten Position mit einer Durchbrechung ausgebildet werden;  Providing second electrodes having an active layer, each formed at a first position with a region removed from the active layer and at a second position with an aperture;
- Bereitstellen von Separatoren, welche jeweils an einer ersten Position mit einer Durchbrechung und an einer zweiten Position mit einer Durchbrechung ausgebildet werden, wobei die Durchbrechungen der Separatoren an den ersten Positionen kleiner ausgebildet werden als die Durchbrechungen der ersten Elektroden an den ersten Positionen und die Durchbrechungen der Separatoren an den zweiten Positionen kleiner ausgebildet werden als die Durchbrechungen der zweiten Elektroden an den zweiten Positionen; - Providing separators, which are each formed at a first position with an opening and at a second position with an opening, wherein the openings of the separators are formed smaller at the first positions than the openings of the first electrodes at the first positions and the openings the separators are made smaller at the second positions than the openings of the second electrodes at the second positions;
- Stapeln der bereitgestellten ersten Elektroden, zweiten Elektroden und Separatoren derart, dass die ersten und die zweiten Elektroden im Wechsel zueinander angeordnet sind und die Separatoren jeweils zwischen den ersten und zweiten Elektroden angeordnet sind, die ersten Positionen der ersten Elektroden, der zweiten Elektroden und der Separatoren im Elektrodenstapel im Wesentlichen deckungsgleich zueinander ausgerichtet sind und die zweiten Positionen der ersten Elektroden, der zweiten Elektroden und der Separatoren im Elektrodenstapel im Wesentlichen deckungsgleich zueinander ausgerichtet sind; und  Stacking of the provided first electrodes, second electrodes and separators such that the first and the second electrodes are interchanged and the separators are respectively disposed between the first and second electrodes, the first positions of the first electrodes, the second electrodes and the first positions Separators in the electrode stack are aligned substantially congruent to each other and the second positions of the first electrodes, the second electrodes and the separators in the electrode stack are aligned substantially congruent to each other; and
- Verbinden der von der aktiven Schicht befreiten Bereiche der ersten Elektroden durch die Durchbrechungen der zweiten Elektroden und der Separatoren hindurch elektrisch leitend miteinander und Verbinden der von der aktiven Schicht befreiten Bereiche der zweiten Elektroden durch die Durchbrechungen der ersten Elektroden und der Separatoren hindurch elektrisch leitend miteinander. Connecting the regions of the first electrodes which have been freed from the active layer, through the openings of the second electrodes and Separators electrically conductive with each other and connecting the freed from the active layer regions of the second electrode through the openings of the first electrodes and the separators electrically conductive with each other.
Die mit diesem Herstellungsverfahren erzielbaren Vorteile entsprechen jenen Vorteilen, die oben in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Elektrodenstapel genannt worden sind. Auch bezüglich der Begriffsdefinitionen wird der Einfachheit auf jene Begriffsdefinitionen verwiesen, die oben in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Elektrodenstapel erläutert worden sind. The advantages that can be achieved with this production method correspond to those advantages which have been mentioned above in connection with the electrode stack according to the invention. Also with regard to the definitions of the terms, reference is made to those definitions of terms which have been explained above in connection with the electrode stack according to the invention.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Durch- brechungen in den ersten Elektroden, die Durchbrechungen in den zweiten Elektroden und/oder die Durchbrechungen in den Separatoren ausgeschnitten, vorzugsweise ausgestanzt. In a preferred embodiment of the invention, the openings in the first electrodes, the openings in the second electrodes and / or the openings in the separators are cut out, preferably punched out.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche der ersten und/oder der zweiten Elektroden durch Entfernen der aktiven Schicht von der Elektrode mittels eines Lösungsmittels gebildet. Bei dem Lösungsmittel handelt es sich vorzugsweise um das Lösungsmittel, welches auch in dem Elektrolyten der jeweiligen Energiespeicherzelle enthalten ist. In a preferred embodiment of the invention, the regions of the first and / or the second electrodes which are freed from the active layer are formed by removing the active layer from the electrode by means of a solvent. The solvent is preferably the solvent which is also contained in the electrolyte of the respective energy storage cell.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche der ersten Elektroden und/oder die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche der ersten Elektroden miteinander verschweißt. Als Schweißverfahren werden bevorzugt Pressschweißverfahren (z.B. Punktschweißen) eingesetzt. Ein besonders bevorzugtes Schweißverfahren ist das Ultraschallschweißen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle, insbesondere einer elektrochemischen Energiespeicherzelle, mit den Schritten: In a further preferred embodiment of the invention, the areas of the first electrodes which are freed from the active layer and / or the areas of the first electrodes which have been freed from the active layer are welded together. The welding method used is preferably pressure welding (eg spot welding). A particularly preferred welding method is ultrasonic welding. The invention further relates to a method for producing an energy storage cell, in particular an electrochemical energy storage cell, with the steps:
- erfindungsgemäßes Herstellen eines Elektrodenstapels;  - Inventive manufacturing an electrode stack;
- Verbinden wenigstens eines ersten Stromableiters elektrisch leitend mit den ersten Elektroden des Elektrodenstapels; und - Connecting at least a first Stromableiters electrically conductively connected to the first electrode of the electrode stack; and
- Verbinden wenigstens eines zweiten Stromableiters elektrisch leitend mit den zweiten Elektroden des Elektrodenstapels. Das Verbinden der Stromableiter elektrisch leitend mit den Elektroden des Elektrodenstapels umfasst im Sinne der Verbindung sowohl das Bereitstellen der Stromableiter als separate Bauteile und das Verbinden dieser Bauteile mit einer entsprechenden Elektrode des Elektrodenstapels und auch das integrale Ausbilden einzelner Elektroden des Elektrodenstapels mit einem Stromableiter. Die Schritte des Verbindens der Stromableiter mit den Elektroden des Elektrodenstapels erfolgt vorzugsweise während des Schrittes der Herstellens des Elektrodenstapels, bevorzugt während des Bereitstellens der Elektroden.  - Connecting at least one second current collector electrically conductively connected to the second electrode of the electrode stack. Connecting the current conductors in an electrically conductive manner to the electrodes of the electrode stack in the sense of the connection comprises both providing the current conductors as separate components and connecting these components to a corresponding electrode of the electrode stack and also integrally forming individual electrodes of the electrode stack with a current conductor. The steps of connecting the current conductors to the electrodes of the electrode stack are preferably carried out during the step of producing the electrode stack, preferably during the provision of the electrodes.
Der Elektrodenstapel mit den ersten und zweiten Stromableitern wird vorzugs- weise wenigstens teilweise von einer Umhüllung umschlossen. Die ersten und zweiten Stromableiter ragen vorzugsweise jeweils aus dieser Umhüllung heraus, sodass sie mit entsprechenden Kontaktelementen einer Energiespeichervorrichtung elektrisch leitend verbunden werden können. Der wie oben beschrieben aufgebaute und hergestellte Elektrodenstapel und die wie oben beschrieben aufgebaute und hergestellte Energiespeicherzelle sind vorzugsweise in elektrochemischen Energiespeichervorrichtungen wie Lithium- Ionen-Batterien zur Versorgung und zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs einsetzbar, ohne dass die Erfindung auf diese Anwendung beschränkt sein soll. Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Zusammenhang mit den Zeichnungen. Darin zeigen: eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Energiespeicherzelle gemäß der vorliegenden Erfindung; eine schematische, perspektivische Explosionsansicht eines Elektrodenstapels gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; The electrode stack with the first and second current conductors is preferably at least partially enclosed by an enclosure. The first and second current diverters preferably protrude out of this enclosure in each case, so that they can be electrically conductively connected to corresponding contact elements of an energy storage device. The electrode stack constructed and manufactured as described above and the energy storage cell constructed and manufactured as described above are preferably usable in electrochemical energy storage devices such as lithium-ion batteries for supplying and driving a motor vehicle, without the invention being restricted to this application. The above and other features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment taken in conjunction with the drawings. FIG. 1 shows a schematic representation of the structure of an energy storage cell according to the present invention; FIG. a schematic, exploded perspective view of an electrode stack according to a preferred embodiment of the present invention;
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht des Elektrodenstapels von Fig. 2 zur Erläuterung der elektrisch leitenden Verbindung der Elektrodengruppen; und Fig. 3 is a schematic sectional view of the electrode stack of Fig. 2 for explaining the electrically conductive connection of the electrode groups; and
Fig. 4 eine schematische, perspektivische Explosionsansicht eines herkömmlichen Elektrodenstapels für eine Energiespeicherzelle. 4 is a schematic exploded perspective view of a conventional electrode stack for an energy storage cell.
Fig. 1 eine elektrochemische Energiespeicherzelle 10 zum Aufbau beispiels- weise einer Lithium-Ionen-Batterie. Die Energiespeicherzelle 10 enthält wenigstens einen Elektrodenstapel 12, welcher wenigstens teilweise von einer Zellumhüllung 14 umschlossen ist. Der Elektrodenstapel 12 ist mit wenigstens einem ersten Stromableiter 16 und wenigstens einem zweiten Stromableiter 18 versehen bzw. verbunden. Die ersten und zweiten Stromableiter 16, 18 ragen zumindest teilweise aus der Zellumhüllung 14 heraus, so dass sie außerhalb der Zellumhüllung 14 elektrisch kontaktiert werden können. 1 shows an electrochemical energy storage cell 10 for constructing, for example, a lithium-ion battery. The energy storage cell 10 contains at least one electrode stack 12, which is at least partially enclosed by a cell envelope 14. The electrode stack 12 is provided or connected to at least one first current conductor 16 and at least one second current collector 18. The first and second current conductors 16, 18 protrude at least partially out of the cell envelope 14, so that they can be electrically contacted outside the cell envelope 14.
Der Aufbau und die Herstellung eines Elektrodenstapel des gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Einsatz in eine solche Energiespeicherzelle 10 werden nachfolgend unter Bezug auf Fig. 2 und 3 näher erläutert. Der Elektrodenstapel 12 die enthält mehrere erste Elektroden 20 (zum Beispiel negative bzw. anodische Elektroden) und mehrere zweite Elektroden 22 (zum Beispiel positive bzw. kathodische Elektroden), welche in Stapelrichtung D abwechselnd angeordnet sind. Zwischen den ersten und zweiten Elektroden 20, 22 ist jeweils ein Separator 24 angeordnet. Der Elektrodenstapel 12 enthält ferner einen Elektrolyten, der in den Separatoren 24 aufgenommen ist. Die ersten und die zweiten Elektroden 20, 22 weisen jeweils einen Kollektor aus einem elektrisch leitenden Material und eine aktive Schicht auf beiden Hauptseiten des Kollektors, welche die Ionen des Elektrolyten aufnehmen kann, auf. The structure and the production of an electrode stack according to an embodiment of the present invention for use in such an energy storage cell 10 are explained in more detail below with reference to FIGS. 2 and 3. The electrode stack 12 which contains a plurality of first electrodes 20 (for example negative or anodic electrodes) and a plurality of second electrodes 22 (for example positive or cathodic electrodes), which are arranged alternately in the stacking direction D. Between the first and second electrodes 20, 22, a separator 24 is arranged in each case. The electrode stack 12 further includes an electrolyte received in the separators 24. The first and second electrodes 20, 22 each comprise a collector of an electrically conductive material and an active layer on both major sides of the collector, which can receive the ions of the electrolyte.
Wie in den Figuren angedeutet, sind die Elektroden 20, 22 und die Separatoren 24 jeweils folienartig und im Wesentlichen rechteckig ausgebildet. Dabei sind die Separatoren 24 größer als die ersten Elektroden 20 und größer als die zweiten Elektroden 22 ausgestaltet. Außerdem sind die ersten Elektroden 20 jeweils größer als die zweiten Elektroden 22 ausgestaltet. Beispielsweise haben die Separatoren 24 in Stapelrichtung D gesehen vollumfänglich einen Überstand von etwa 2 mm gegenüber den ersten Elektroden 20 und vollumfänglich einen Überstand von etwa 4 mm gegenüber den zweiten Elektroden 22. Durch diese Maßnahmen können Kurzschlüsse zwischen den Elektroden gleicher Polarität im Elektrodenstapel 12 verhindert werden. As indicated in the figures, the electrodes 20, 22 and the separators 24 are each film-like and substantially rectangular. In this case, the separators 24 are larger than the first electrodes 20 and larger than the second electrodes 22 configured. In addition, the first electrodes 20 are each made larger than the second electrodes 22. By way of example, the separators 24 in the stacking direction D have completely a protrusion of about 2 mm with respect to the first electrodes 20 and a supernatant of about 4 mm completely with respect to the second electrodes 22. By means of these measures, short circuits between the electrodes of the same polarity in the electrode stack 12 can be prevented ,
Die ersten Elektroden 20 haben jeweils an einer ersten Position eine Durchbrechung 26 und an einer zweiten Position einen von der aktiven Schicht befreiten Bereich 28. Die zweiten Elektroden 22 haben jeweils an einer ersten Position einen von der aktiven Schicht befreiten Bereich 30 und an einer zweiten Position eine Durchbrechung 32. Die Separatoren 24 haben jeweils an einer ersten Position eine Durchbrechung 34 und an einer zweiten Position einen Durchbrechung 36. Die Durchbrechungen 26 der ersten Elektroden 20, die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche 30 der zweiten Elektroden 22 und die Durchbrechungen 34 der Separatoren 24 an den ersten Positionen sind dabei an einer im Wesent- liehen geraden Linie 42 ausgerichtet, welche im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung D verläuft. In ähnlicher Weise sind die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche 28 der ersten Elektroden 20, die Durchbrechungen 32 der zweiten Elektroden 22 und die Durchbrechungen 36 der Separatoren 24 an den zweiten Positionen dabei an einer im Wesentlichen geraden Linie 44 ausgerichtet, ähnliche im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung D verläuft. The first electrodes 20 each have an opening 26 at a first position and a region 28 freed from the active layer at a second position. The second electrodes 22 each have a region 30 removed from the active layer and a second position at a first position an opening 32. The separators 24 each have an opening 34 at a first position and an opening 36 at a second position. The apertures 26 of the first electrodes 20, the regions 30 of the second electrodes 22 freed from the active layer and the apertures 34 of FIGS Separators 24 at the first positions are attached to a substantially Lent straight line 42 aligned, which is parallel to the stacking direction D substantially. Similarly, the active layer depleted regions 28 of the first electrodes 20, the apertures 32 of the second electrodes 22, and the apertures 36 of the separators 24 at the second positions are aligned along a substantially straight line 44, similar to substantially parallel Stacking direction D runs.
Wie in den Fig. 2 und 3 erkennbar, sind die Durchbrechungen 26, 32 der Elektroden 20, 22, die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche 28, 30 der Elektroden 20, 22 und die Durchbrechungen 34, 36 der Separatoren 24 jeweils im Wesentlichen kreisförmig ausgestaltet. Dabei sind die Durchbrechungen 34, 36 der Separatoren 24 an den ersten und zweiten Positionen kleiner ausgebildet als die Durchbrechungen 26 in den ersten Elektroden 20 bzw. die Durchbrechungen 32 in den zweiten Elektroden 22. Außerdem sind die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche 28, 30 der ersten und zweiten Elektroden 20, 22 im Wesentlichen gleich groß wie die Durchbrechungen 26, 32 in den ersten und zweiten Elektroden 20, 22 ausgebildet. Die Durchbrechungen 26, 32 und die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche 28, 30 der Elektroden 20, 22 haben zum Beispiel jeweils einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 8 mm bis 15 mm. As can be seen in FIGS. 2 and 3, the openings 26, 32 of the electrodes 20, 22, the regions 28, 30 of the electrodes 20, 22 removed from the active layer and the openings 34, 36 of the separators 24 are each substantially circular designed. In this case, the openings 34, 36 of the separators 24 are formed smaller at the first and second positions than the openings 26 in the first electrodes 20 and the openings 32 in the second electrodes 22. In addition, the areas 28, 30 freed from the active layer the first and second electrodes 20, 22 are substantially the same size as the apertures 26, 32 formed in the first and second electrodes 20, 22. For example, the apertures 26, 32 and the active layer depleted regions 28, 30 of the electrodes 20, 22 each have a diameter on the order of about 8 mm to 15 mm.
Die aktiven Schichten der ersten und zweiten Elektroden 20, 22 sind beispielsweise als Beschichtung auf beiden Hauptseiten der Elektroden aufgebracht. Zum Bilden der von der aktiven Schicht befreiten Bereiche 28, 30 wird die aktive Schicht beispielsweise mittels eines Lösungsmittels von den Kollektoren der Elektroden 20, 22 entfernt. Bei dem verwendeten Lösungsmittel handelt es sich vorzugsweise um das in dem Elektrolyten enthaltene Lösungsmittel. The active layers of the first and second electrodes 20, 22 are applied, for example, as a coating on both main sides of the electrodes. To form the regions 28, 30 removed from the active layer, the active layer is removed, for example by means of a solvent, from the collectors of the electrodes 20, 22. The solvent used is preferably the solvent contained in the electrolyte.
Die Durchbrechungen 26, 32 in den ersten und den zweiten Elektroden 20, 22 und auch die Durchbrechungen 34, 36 in den Separatoren 24 werden beispielsweise ausgestanzt. Sind die so ausgebildeten ersten Elektroden 20, zweiten Elektroden 22 und Separatoren 24 in der Stapelrichtung D aneinander gesetzt, dann können die ersten Elektroden 20 elektrisch leitend miteinander verbunden werden und die zweiten Elektroden 22 elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Dies erfolgt beispielsweise mittels Ultraschallschweißens, bei welchem die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche 28 der ersten Elektroden 20 durch die Durchbrechungen 32 in den zweiten Elektroden 22 und die Durchbrechungen 36 in den Separatoren 24 hindurch elektrisch leitend miteinander verschweißt werden bzw. die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche 30 der zweiten Elektroden 22 durch die Durchbrechungen 26 in den ersten Elektroden 20 und die Durchbrechungen 34 in den Separatoren 24 hindurch elektrisch leitend miteinander verschweißt werden. Die dabei entstehenden Schweißverbindungen 38 zwischen den ersten Elektroden 20 und Schweißverbindungen 40 zwischen den zweiten Elektroden 22 sind in Fig. 3 schematische veranschaulicht. The perforations 26, 32 in the first and the second electrodes 20, 22 and also the openings 34, 36 in the separators 24 are punched out, for example. If the first electrodes 20, second electrodes 22 and separators 24 thus formed are placed against one another in the stacking direction D, the first electrodes 20 can be connected to one another in an electrically conductive manner and the second electrodes 22 can be connected to one another in an electrically conductive manner. This is done, for example, by means of ultrasonic welding, in which the regions 28 of the first electrodes 20 freed from the active layer are electrically conductively welded together through the openings 32 in the second electrodes 22 and the openings 36 in the separators 24 or those of the active layer liberated areas 30 of the second electrodes 22 through the openings 26 in the first electrode 20 and the openings 34 in the separators 24 are electrically conductively welded together. The resulting welded joints 38 between the first electrodes 20 and welded joints 40 between the second electrodes 22 are illustrated schematically in FIG.
Ferner ist in Fig. 3 dargestellt, dass eine der ersten Elektroden 20 mit einem ersten Stromableiter 16 versehen ist, welcher über die Schweißverbindungen 38 mit allen ersten Elektroden 20 elektrisch leitend verbunden ist. In ähnlicher Weise ist eine der zweiten Elektroden 22 mit einem zweiten Stromableiter 18 versehen, welcher über die Schweißverbindungen 40 mit allen zweiten Elektroden 22 elektrisch leitend verbunden ist. Die erste und zweiten Stromableiter 16, 18 sind zum Beispiel in Form von Ableiterfahnen ausgebildet und mit den jeweiligen Elektroden 20, 22 integral ausgebildet oder mit diesen verschweißt. Es ist ausreichend, dass nur eine Elektrode oder nur wenige Elektroden einer Elektrodengruppe gleicher Polarität auf diese Weise mit einem Stromableiter 16, 18 versehen sind. BEZUGSZEICHENLISTE Furthermore, it is shown in FIG. 3 that one of the first electrodes 20 is provided with a first current conductor 16, which is electrically conductively connected to all the first electrodes 20 via the welded connections 38. Similarly, one of the second electrodes 22 is provided with a second current collector 18, which is electrically conductively connected via the welded connections 40 to all second electrodes 22. The first and second current conductors 16, 18 are, for example, in the form of arrester lugs and integrally formed with or welded to the respective electrodes 20, 22. It is sufficient that only one electrode or only a few electrodes of an electrode group of the same polarity are provided in this way with a current conductor 16, 18. LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Energiespeicherzelle 10 energy storage cell
12 Elektrodenstapel  12 electrode stacks
14 (Zell-)Umhüllung  14 (cell) cladding
16 erster Stromableiter  16 first current conductor
18 zweiter Stromableiter  18 second current collector
20 erste (z.B. negative oder anodische) Elektroden  20 first (e.g., negative or anodic) electrodes
22 zweite (z.B. positive oder kathodische) Elektroden  22 second (e.g., positive or cathodic) electrodes
24 Separatoren  24 separators
26 Durchbrechungen in 20 an ersten Positionen  26 openings in 20 at first positions
28 von aktiver Schicht befreite Bereiche an 20 an zweiten Positionen 28 active layer released regions at 20 at second positions
30 von aktiver Schicht befreite Bereiche an 22 an ersten Positionen30 active layer depleted regions at 22 at first positions
32 Durchbrechungen in 22 an zweiten Positionen 32 openings in 22 at second positions
34 Durchbrechungen in 24 an ersten Positionen  34 openings in 24 at first positions
36 Durchbrechungen in 24 an zweiten Positionen  36 openings in 24 at second positions
38 Verbindungen der ersten Elektroden  38 connections of the first electrodes
40 Verbindungen der zweiten Elektroden  40 connections of the second electrodes
42 Ausrichtung der ersten Positionen  42 Alignment of the first positions
44 Ausrichtung der zweiten Positionen  44 Alignment of the second positions
D Stapelrichtung von 12  D stack direction of 12

Claims

Patentansprüche claims
Elektrodenstapel (12), insbesondere für eine Energiespeicherzelle (10), mit in Stapelrichtung im Wechsel zueinander angeordneten ersten Elektroden (20) und zweiten Elektroden (22) und zwischen den ersten und zweiten Elektroden (20, 22) angeordneten Separatoren (24), wobei die ersten und die zweiten Elektroden (20, 22) jeweils eine aktive Schicht aufweisen, Electrode stack (12), in particular for an energy storage cell (10), in the stacking direction in mutually alternating first electrodes (20) and second electrodes (22) and between the first and second electrodes (20, 22) arranged separators (24), wherein each of the first and second electrodes (20, 22) has an active layer,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die ersten Elektroden (20) jeweils an einer ersten Position mit einer Durchbrechung (26) und an einer zweiten Position mit einem von der aktiven Schicht befreiten Bereich (28) ausgebildet sind; the first electrodes (20) are each formed at a first position with an aperture (26) and at a second position with a region (28) removed from the active layer;
die zweiten Elektroden (22) jeweils an einer ersten Position mit einem von der aktiven Schicht befreiten Bereich (30) und an einer zweiten Position mit einer Durchbrechung (32) ausgebildet sind; und the second electrodes (22) are each formed at a first position with a region (30) freed from the active layer and at a second position with an aperture (32); and
die Separatoren (24) jeweils an einer ersten Position mit einer Durchbrechung (34) und an einer zweiten Position mit einer Durchbrechung (36) ausgebildet sind, the separators (24) are each formed at a first position with an opening (34) and at a second position with an opening (36),
wobei die ersten Positionen der ersten Elektroden (20), der zweiten Elektroden (22) und der Separatoren (24) im Elektrodenstapel (12) im Wesentlichen deckungsgleich zueinander ausgerichtet sind und die zweiten Positionen der ersten Elektroden (20), der zweiten Elektroden (22) und der Separatoren (24) im Elektrodenstapel (12) im Wesentlichen deckungsgleich zueinander ausgerichtet sind, wherein the first positions of the first electrodes (20), the second electrodes (22) and the separators (24) in the electrode stack (12) are substantially congruent with each other and the second positions of the first electrodes (20), the second electrodes (22 ) and the separators (24) in the electrode stack (12) are aligned substantially congruent to one another,
wobei die Durchbrechungen (34) der Separatoren (24) an den ersten Positionen kleiner ausgebildet sind als die Durchbrechungen (26) der ersten Elektroden (20) an den ersten Positionen und die Durchbrechungen (36) der Separatoren (24) an den zweiten Positionen kleiner ausgebildet sind als die Durchbrechungen (32) der zweiten Elektroden (22) an den zweiten Positionen, wobei die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche (28) der ersten Elektroden (20) durch die Durchbrechungen (32, 36) der zweiten Elektroden (22) und der Separatoren (24) hindurch elektrisch leitend miteinander verbunden sind und die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche (30) der zweiten Elektroden (22) durch die Durchbrechungen (26, 34) der ersten Elektroden (20) und der Separatoren (24) hindurch elektrisch leitend miteinander verbunden sind. wherein the apertures (34) of the separators (24) are made smaller at the first positions than the apertures (26) of the first electrodes (20) at the first positions and the apertures (36) of the separators (24) at the second positions smaller are formed as the openings (32) of the second electrodes (22) at the second positions, wherein the regions (28) of the first electrodes (20) freed from the active layer are electrically conductively connected to one another through the openings (32, 36) of the second electrodes (22) and the separators (24) and freed from the active layer Regions (30) of the second electrodes (22) through the openings (26, 34) of the first electrodes (20) and the separators (24) are electrically conductively connected together.
2. Elektrodenstapel gemäß Anspruch 1 , 2. electrode stack according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche (28) der ersten Elektroden (20) miteinander verschweißt sind und/oder die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche (30) der zweiten Elektroden (22) miteinander verschweißt sind.  the regions (28) of the first electrodes (20) which have been freed from the active layer are welded together and / or the regions (30) of the second electrodes (22) freed from the active layer are welded together.
Elektrodenstapel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
Figure imgf000022_0001
dadurch gekennzeichnet, dass Electrode stack according to one of the preceding claims,
Figure imgf000022_0001
characterized in that
Kollektoren der ersten Elektroden (20) und Kollektoren der zweiten Elektroden (22) aus einem im Wesentlichen gleichen Material gebildet sind.  Collectors of the first electrodes (20) and collectors of the second electrodes (22) are formed of a substantially same material.
4. Elektrodenstapel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, 4. Electrode stack according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Durchbrechungen (26, 32, 34, 36) der ersten Elektroden (20), der zweiten Elektroden (22) und/oder der Separatoren (24) im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet sind.  the apertures (26, 32, 34, 36) of the first electrodes (20), the second electrodes (22) and / or the separators (24) are substantially circular.
Elektrodenstapel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Electrode stack according to one of the preceding claims, characterized in that
die ersten Elektroden (20) und die zweiten Elektroden (22) kleiner ausgebildet sind als die Separatoren (24). Elektrodenstapel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, the first electrodes (20) and the second electrodes (22) are made smaller than the separators (24). Electrode stack according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die ersten Elektroden (20) und die zweiten Elektroden (22) unterschiedlich groß ausgebildet sind. the first electrodes (20) and the second electrodes (22) are of different sizes.
Energiespeicherzelle (10), insbesondere elektrochemische Energiespeicherzelle, mit einem Elektrodenstapel (12) gemäß einem der Energy storage cell (10), in particular electrochemical energy storage cell, with an electrode stack (12) according to one of
Ansprüche 1 bis 6, wenigstens einem mit den ersten Elektroden (20) elektrisch leitend verbundenen ersten Stromableiter (16) und wenigstens einem mit den zweiten Elektroden (22) elektrisch leitend verbundenen zweiten Stromableiter (18). Claims 1 to 6, at least one first current conductor (16) electrically connected to the first electrodes (20) and at least one second current conductor (18) electrically connected to the second electrodes (22).
Energiespeichervorrichtung, insbesondere elektrochemische Energiespeichervorrichtung, mit wenigstens einer Energiespeicherzelle (10) gemäß Anspruch 7. Energy storage device, in particular electrochemical energy storage device, with at least one energy storage cell (10) according to claim 7.
Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels (12), insbesondere für eine Energiespeicherzelle (10), mit den Schritten: Method for producing an electrode stack (12), in particular for an energy storage cell (10), comprising the steps:
Bereitstellen von ersten Elektroden (20) mit einer aktiven Schicht, welche jeweils an einer ersten Position mit einer Durchbrechung (26) und an einer zweiten Position mit einem von der aktiven Schicht befreiten Bereich (28) ausgebildet werden; Providing first active layer electrodes (20) each formed at a first position with an aperture (26) and at a second position with a region (28) removed from the active layer;
Bereitstellen von zweiten Elektroden (22) mit einer aktiven Schicht, welche jeweils an einer ersten Position mit einem von der aktiven Schicht befreiten Bereich (30) und an einer zweiten Position mit einer Durchbrechung (32) ausgebildet werden;  Providing second active layer electrodes (22) each formed at a first position with a region (30) removed from the active layer and at a second position with an aperture (32);
Bereitstellen von Separatoren (24), welche jeweils an einer ersten Position mit einer Durchbrechung (34) und an einer zweiten Position mit einer Durchbrechung (36) ausgebildet werden, wobei die Durchbrechungen (34) der Separatoren (24) an den ersten Positionen kleiner ausgebildet werden als die Durchbrechungen (26) der ersten Elektroden (20) an den ersten Positionen und die Durchbrechungen (36) der Separatoren (24) an den zweiten Positionen kleiner ausgebildet werden als die Durchbrechungen (32) der zweiten Elektroden (22) an den zweiten Positionen; Providing separators (24) each formed at a first position with an aperture (34) and at a second position with an aperture (36), the apertures (34) of the separators (24) being smaller at the first positions be as the openings (26) of the first electrodes (20) at the first positions and the openings (36) of the Separators (24) are formed smaller at the second positions than the openings (32) of the second electrodes (22) at the second positions;
Stapeln der bereitgestellten ersten Elektroden (20), zweiten Elektroden (22) und Separatoren (24) derart, dass die ersten und die zweiten Elektroden (20, 22) im Wechsel zueinander angeordnet sind und die Separatoren (24) jeweils zwischen den ersten und zweiten Elektroden (20, 22) angeordnet sind, die ersten Positionen der ersten Elektroden (20), der zweiten Elektroden (22) und der Separatoren (24) im  Stacking the provided first electrodes (20), second electrodes (22), and separators (24) such that the first and second electrodes (20, 22) are interchanged and the separators (24) between the first and second ones, respectively Electrodes (20, 22) are arranged, the first positions of the first electrodes (20), the second electrodes (22) and the separators (24) in
Elektrodenstapel (12) im Wesentlichen deckungsgleich zueinander ausgerichtet sind und die zweiten Positionen der ersten Elektroden (20), der zweiten Elektroden (22) und der Separatoren (24) im Elektrodenstapel (12) im Wesentlichen deckungsgleich zueinander ausgerichtet sind; und  Electrode stacks (12) are aligned substantially congruent to each other and the second positions of the first electrodes (20), the second electrodes (22) and the separators (24) in the electrode stack (12) are aligned substantially congruent to each other; and
Verbinden der von der aktiven Schicht befreiten Bereiche (28) der ersten Elektroden (20) durch die Durchbrechungen (32, 36) der zweiten Elektroden (22) und der Separatoren (24) hindurch elektrisch leitend miteinander und Verbinden der von der aktiven Schicht befreiten Bereiche (30) der zweiten Elektroden (22) durch die Durchbrechungen (26, 34) der ersten Elektroden (20) und der Separatoren (24) hindurch elektrisch leitend miteinander.  Bonding the regions (28) of the first electrodes (20) freed from the active layer by the openings (32, 36) of the second electrodes (22) and the separators (24) in an electrically conductive manner and joining the regions freed from the active layer (30) of the second electrodes (22) through the openings (26, 34) of the first electrodes (20) and the separators (24) through electrically conductive with each other.
Verfahren gemäß Anspruch 9, Method according to claim 9,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Durchbrechungen (26) in den ersten Elektroden (20), die Durchbrechungen (32) in den zweiten Elektroden (22) und/oder die Durchbrechungen (34, 36) in den Separatoren (24) ausgeschnitten, vorzugsweise ausgestanzt werden.  the perforations (26) in the first electrodes (20), the openings (32) in the second electrodes (22) and / or the openings (34, 36) in the separators (24) are cut out, preferably punched out.
11. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, 11. The method according to claim 9 or 10,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche (28, 30) der ersten und/oder der zweiten Elektroden (20, 22) durch Entfernen der aktiven Schicht von der Elektrode mittels eines Lösungsmittels gebildet werden. the areas freed from the active layer (28, 30) of the first and / or the second electrodes (20, 22) are formed by removing the active layer from the electrode by means of a solvent.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , Method according to one of claims 9 to 11,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche (28) der ersten Elektroden (20) miteinander verschweißt werden und/oder die von der aktiven Schicht befreiten Bereiche (30) der ersten Elektroden (22) miteinander verschweißt werden. the regions (28) of the first electrodes (20) which are freed from the active layer are welded together and / or the regions (30) of the first electrodes (22) freed from the active layer are welded together.
Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle (10), insbesondere einer elektrochemischen Energiespeicherzelle, mit den Schritten: Method for producing an energy storage cell (10), in particular an electrochemical energy storage cell, comprising the steps:
Herstellen eines Elektrodenstapels (12) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12; Producing an electrode stack (12) according to one of claims 9 to 12;
Verbinden wenigstens eines ersten Stromableiters (16) elektrisch leitend mit den ersten Elektroden (20); und  Connecting at least one first current conductor (16) in an electrically conductive manner to the first electrodes (20); and
Verbinden wenigstens eines zweiten Stromableiters (18) elektrisch leitend mit den zweiten Elektroden (22).  Connecting at least one second current collector (18) electrically conductively connected to the second electrodes (22).
PCT/EP2012/004223 2011-11-08 2012-10-09 Electrode stack for an energy storage cell, and method for producing such an electrode stack WO2013068068A1 (en)

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