WO2016091566A1 - Lithium-ionen-zelle - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a lithium-ion cell comprising
- a lithium-containing reservoir electrode in contact with the electrolyte space in electronically insulating, lithium-ion exchanging contact
- a voltage between the reservoir electrode and the working electrode is measurable and a voltage between the reservoir electrode and the working electrode can be applied by means of a measuring and control circuit connecting the reservoir electrode with at least one of the working electrodes.
- Lithium-ion cells are known as modern high-performance energy storage devices for electronic devices as well as for vehicles with purely electric or hybrid drive.
- the advantages of lithium-ion cells whose operating principle is based on a migration of lithium ions between the two working electrodes in an electrolyte, which itself is not involved in the electrochemical reactions at the working electrodes, are mainly in the high energy density and ability a very high number of charging and
- the typical structure of a lithium ion cell comprises two working electrodes suitable for binding or intercalating lithium ions.
- a so-called separator is arranged in the lying between the working electrodes, filled with an electrolyte electrolyte space, on the one hand represents an electronic insulation between the working electrodes, on the other hand, but can pass lithium ions.
- the passage of such ion streams in high density is required to allow a correspondingly high battery current.
- the separator is constructed on one or more layers of a porous, electrically insulating polymer material, for example. of polyethylene or polypropylene or a mixture thereof, wherein the porosity is designed so that the migration of lithium ions possible only a small
- the main cause of this capacity loss is the formation of a lithium-containing intermediate layer between the negative electrode and the electrolyte, the
- This reservoir electrode fulfills two tasks. On the one hand, it can be used as a reference electrode whose voltage difference from the working electrodes can be measured by means of a measuring and control circuit. From this, the person skilled in the art can derive conclusions about the state of charge of the cell, in particular about the current and potential binding or intercalation capacity for lithium ions at the working electrodes. This makes it possible in particular to further determine whether and to what extent lithium originally present in the cell has been eliminated from the electrochemical process, which may be attributable in particular to the effects explained above.
- Working electrode results.
- lithium ions are introduced from the reservoir electrode into the electrolyte space, which are then available for further electrochemical reactions and can replace the lithium bound in the SEI or consumed by parasitic reactions.
- the life of the lithium-ion cell is significantly extended in this way.
- the reservoir electrode is formed porous and between two electronically insulating and permeable for lithium ion insulating layers of the
- the reservoir electrode is inserted into the separator between the
- the separator is formulated between the
- Reservoir layer provides only lithium and must not obstruct the ion current in addition, which is made possible by their (sufficiently large) porosity.
- Reservoir electrode is thus approximately the same area as for each working electrode Available so that a significant amount of reservoir lithium can be stored here, which can be replenished over the life of the cell to replace lost lithium in basically known manner. Accordingly, the total lifetime of the lithium-ion cell according to the invention over the prior art extended.
- the reservoir electrode as a whole to be electrically conductive so that a functional connection to the measuring and control circuit is possible.
- the reservoir electrode comprises an electrically conductive polymer material, to which a lithium-containing
- Polyaniline, polypyrrole or polythiophene are known as suitable, electrically conductive polymer materials, which are used here individually or in
- lithium-containing deposition material for example, lithium iron phosphate (LiFeP0 4 ) can be used.
- this material can be provided in the form of nanoparticles with which the conductive polymer layer can be coated or which can be embedded in the conductive polymer layer.
- LiFeP0 4 is particularly interesting for use in the present invention because of its property, over a wide
- LiFePo 4 Operating range (lithium concentration range) to provide a constant voltage.
- a disadvantage of LiFePo 4 is its comparatively low energy density.
- NMC lithium-nickel-manganese-cobalt oxide
- Energy density has lithium metal, which, however, is not processed by oxygen; However, if it is processed under a protective gas atmosphere, it is quite usable in the context of the present invention.
- the concrete method of applying the lithium-containing deposition material to the conductive polymer layer is of minor importance to the present invention.
- vapor deposition, spraying, smelting and other methods are known to the person skilled in the art.
- the aforementioned application materials basically all materials are suitable which contain lithium in such a way that lithium ions can be released into the electrolyte space by applying a voltage between the reservoir electrode and one of the working electrodes.
- these materials also include metallic lithium.
- the polymer material of the reservoir electrode and / or the insulating layers are preferably used in the form of porous membranes.
- Such porous membranes can be formed, for example, as stretched films. Due to the mechanical stress applied when stretching a film, pores of easily adjustable size can be produced in the film.
- Figure 1 is a schematic representation of a lithium-ion cell according to the invention.
- FIG. 1 shows a schematic representation of a lithium-ion cell 10 according to the invention.
- the cell 10 comprises a first, negative working electrode 12 and a second, positive working electrode 14. Between the working electrodes 12, 14 there is an electrolyte space 16, which is filled with an electrolyte is, in particular, the
- Working electrodes 12, 14 soaks.
- a separator 18 is arranged, whose primary task is to electronically isolate the working electrodes 12, 14 from each other while allowing a stream of lithium ions through the electrolyte space 16.
- the working electrodes 12, 14 are formed of materials that allow reversible binding or intercalation of lithium ions that can move freely in the electrolyte. A person skilled in the art is familiar with a wide variety of materials whose different properties affect the operating characteristics of the cell 10.
- deposition of an intermediate layer 20 can occur between the first electrode 12 and the electrolyte space, with lithium ions being incorporated in the layer 20 and being removed from the electrochemical process become.
- the separator 18 is designed in a special way. So he includes in the illustrated
- the insulation layers are preferably formed as stretched films.
- the insulating layers 181 cause the electronic
- a reservoir electrode 182 Disposed between the insulating layers 181 is a reservoir electrode 182, which in the illustrated embodiment is formed as an electrically conductive polymer layer 183 in which a lithium-containing deposition material 184 is embedded.
- the lithium-containing deposition material 184 is lithium iron phosphate, e.g. in the form of embedded nanoparticles.
- the reservoir electrode 182 is connected via a measuring and control circuit 22 with the
- the measurement and control circuit 22 is designed so that with her a voltage between the reservoir electrode 182 and one of the
- Working electrodes 12, 14 can be measured, indicated by the voltmeter symbol "V.” In addition, it is possible to apply a voltage U between the reservoir electrode 18 and one of the working electrodes 12, 14 by means of the measuring and control circuit 22 Measuring and control circuit 22 running electron current of the
- Reservoir electrode 18 are provoked to one of the working electrodes 12, 14, which has a corresponding lithium ion current from the reservoir electrode 18 into the electrolyte space 16 to the sequence. In this way, lithium stored in the intermediate layer 20 can be replaced.
- the voltage required for this purpose can be the height and duration based on a previous voltage measurement between Resernierlektrode 18 and
- Working electrodes 12, 14 are determined, wherein the reservoir electrode 18 serves as a reference electrode.
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lithium-Ionen-Zelle, umfassend - zwei einander gegenüberliegende Arbeitselektroden (12, 14) unterschiedlicher Polarität, zwischen denen in einem Elektrolytraum (16) ein die Arbeitselektroden (12, 14) gegeneinander elektronisch isolierender und für Lithium-Ionen permeabler Separator (18) angeordnet ist, und - eine Lithium enthaltende Reservoirelektrode (182), die mit dem Elektrolytraum (16) in elektronisch isolierendem, Lithium-Ionen austauschendem Kontakt steht, wobei mittels einer die Reservoirelektrode (182) mit wenigstens einer der Arbeitselektroden (12, 14) verbindenden Mess- und Steuerschaltung (22) eine Spannung zwischen der Reservoirelektrode (182) und der Arbeitselektrode (12, 14) messbar sowie eine Spannung zwischen der Reservoirelektrode (182) und der Arbeitselektrode (12, 14) anlegbar ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Reservoirelektrode (182) porös ausgebildet und zwischen zwei elektronisch isolierenden und für Lithium-Ionen permeablen Isolationsschichten (181 ) des Separators (18) angeordnet ist.
Description
Lithium-Ionen-Zelle Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lithium-Ionen-Zelle, umfassend
- zwei einander gegenüberliegende Arbeitselektroden unterschiedlicher Polarität, zwischen denen in einem Elektrolytraum ein die Arbeitselektroden gegeneinander elektronisch isolierender und für Lithium-Ionen permeabler Separator angeordnet ist, und
- eine Lithium enthaltende Reservoirelektrode, die mit dem Elektrolytraum in elektronisch isolierendem, Lithium-Ionen austauschendem Kontakt steht,
wobei mittels einer die Reservoirelektrode mit wenigstens einer der Arbeitselektroden verbindenden Mess- und Steuerschaltung eine Spannung zwischen der Reservoirelektrode und der Arbeitselektrode messbar sowie eine Spannung zwischen der Reservoirelektrode und der Arbeitselektrode anlegbar ist.
Stand der Technik
Derartige Lithium-Ionen-Zellen sind bekannt aus der US 7,726,975 B2.
Lithium-Ionen-Zellen sind als moderne Hochleistungs-Energiespeicher für elektronische Geräte sowie für Kraftfahrzeuge mit rein elektrischem oder Hybridantrieb bekannt. Die Vorteile der Lithium-Ionen-Zellen, deren Wirkprinzip auf einer Wanderung von Lithium-Ionen zwischen den beiden Arbeitselektroden in einem Elektrolyten beruht, der selbst an den elektrochemischen Reaktionen an den Arbeitselektroden nicht beteiligt ist, liegen vor allem in der hohen Energiedichte und der Fähigkeit eine sehr hohe Anzahl von Lade- und
Entladezyklen zu überstehen. Der typische Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle umfasst zwei Arbeitselektroden, die geeignet sind, Lithium-Ionen zu binden bzw. zu interkalieren. Um einen elektronischen Kurzschluss zwischen den Arbeitselektroden zu verhindern, ist in dem zwischen den Arbeitselektroden liegenden, mit einem Elektrolyten gefüllten Elektrolytraum eine sogenannter Separator angeordnet, der einerseits eine elektronische Isolierung zwischen den Arbeitselektroden darstellt, andererseits aber Lithium-Ionen passieren lassen kann. Die Passage solcher Ionen-Ströme in hoher Dichte ist erforderlich, um einen entsprechend hohen Batteriestrom zu erlauben. Typischerweise ist der Separator ein- oder mehrschichtig aus einem porösen, elektrisch isolierenden Polymermaterial aufgebaut, bspw.
aus Polyethylen oder Polypropylen oder einer Mischung daraus, wobei die Porosität so ausgestaltet ist, dass die Wanderung von Lithium-Ionen möglichst nur eine geringe
Einschränkung erfährt.
Es hat sich erwiesen, dass Lithium-Ionen-Zellen im Laufe ihrer Lebensdauer einen nicht unerheblichen Kapazitätsschwund erleiden, wobei dieser Effekt in einem frühen
Lebensstadium der Lithium-Ionen-Zelle stärker auftritt, als in einem späteren Stadium.
Hauptursache für diesen Kapazitätsschwund ist die Ausbildung einer Lithium enthaltenden Zwischenschicht zwischen der negativen Elektrode und dem Elektrolyten, die dem
Fachmann auch als SEI (= Solid Electrolyte Interface) bekannt ist. Diese Zwischenschicht speichert Lithium-Ionen die für den elektrochemischen Prozess dann nicht mehr zur
Verfügung stehen. Außerdem sind verschiedene, parasitäre Reaktionen bekannt, die Lithium „verbrauchen", welches dann für den Zellbetrieb nicht mehr zur Verfügung steht.
Aus der o.g. gattungsbildenden Druckschrift ist es bekannt, senkrecht zu den beiden
Arbeitselektroden und dem Separator eine Reservoirelektrode über einen eigenen Separator an den Elektrolytraum anzukoppeln. Diese Reservoirelektrode erfüllt zwei Aufgaben. Zum einen kann sie als Referenzelektrode verwendet werden, deren Spannungsdifferenz zu den Arbeitselektroden mittels einer Mess- und Steuerschaltung gemessen werden kann. Hieraus kann der Fachmann Schlussfolgerungen über den Ladezustand der Zelle, insbesondere über die aktuelle und potentielle Bindungs- bzw. Interkalationskapazität für Lithium-Ionen an den Arbeitselektroden ableiten. Hierdurch lässt sich insbesondere weiter feststellen, ob und in welchem Umfang ursprünglich in der Zelle vorhandenes Lithium aus dem elektrochemischen Prozess ausgeschieden ist, was insbesondere auf die oben erläuterten Effekte zurückführbar sein kann. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen der Reservoirelektrode und einer Arbeitselektrode lässt sich dann als Gegenmaßnahme ein elektronischer Strom von der Reservoirelektrode über die Mess- und Steuerschaltung zur Arbeitselektrode erzeugen, der einen ionischen Strom von der Reservoirelektrode über deren Separator zu der
Arbeitselektrode zur Folge hat. Mit anderen Worten werden aus der Reservoirelektrode Lithium-Ionen in den Elektrolytraum eingebracht, die dann weiteren elektrochemischen Reaktionen zur Verfügung stehen und das in der SEI gebundene oder durch parasitäre Reaktionen verbrauchte Lithium ersetzen können. Die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Zelle wird auf diese Weise wesentlich verlängert.
Nachteilig bei diesem bekannten Ansatz ist die unglückliche räumliche Konstellation von Reservoirelektrode zu den Arbeitselektroden, die den kompakten Bau von Lithium-Ionen- Zellen in gängigen Formaten erschwert. Insbesondere würde die Ausgestaltung einer
Lithium-Ionen-Zelle in der üblichen Stapel- oder Spiralanordnung dazu führen, dass die senkrecht zu den Arbeitselektroden angeordnete Reservoirelektrode sehr klein ausgestaltet sein müsste, was mit einer entsprechend geringen Aufnahmekapazität für Reservoir-Lithium verbunden ist.
Aufgabenstellung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Lithium-Ionen-Zelle derart weiterzubilden, dass auch bei gängigen Zellanordnungen eine große Reservoir- Kapazität für Reservoir-Lithium zur Verfügung steht.
Darlegung der Erfindung
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Reservoirelektrode porös ausgebildet und zwischen zwei elektronisch isolierenden und für Lithium-Ionen permeablen Isolationsschichten des
Separators angeordnet ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird die Reservoirelektrode in den Separator zwischen den
Arbeitselektroden integriert. Anders formuliert wird der Separator zwischen den
Arbeitselektroden als Reservoirelektrode einerseits und Referenzelektrode andererseits funktionalisiert.
Wie oben erläutert, ist es für die Leistungsfähigkeit einer Lithium-Ionen-Zelle entscheidend, dass der lonenstrom zwischen den Arbeitselektroden möglichst ungehindert fließen kann. Dieses Ziel wird mit üblichen Separatoren aus porösen Isolationsschichten ohne weiteres erreicht. Die Erfindung sieht nun vor, den Separator aus mehreren solcher
Isolationsschichten auszubilden, zwischen denen eine den lonenstrom ebenfalls nicht behindernde, poröse Reservoirschicht eingebettet ist. Diese Reservoirschicht leistet zur Primärwirkung des Separators, nämlich der ionisch permeablen und elektronisch
isolierenden Trennung der Arbeitselektroden keine Beitrag. Dies ist auch nicht erforderlich, da diese Aufgabe in bewährter Weise von den Isolationsschichten erfüllt wird. Die
Reservoirschicht stellt lediglich Lithium bereit und darf den lonenstrom nicht zusätzlich behindern, was durch ihre (hinreichend große) Porosität ermöglicht wird. Für die
Reservoirelektrode steht somit in etwa dieselbe Fläche wie für jede Arbeitselektrode zur
Verfügung, sodass hier eine erhebliche Menge Reservoir-Lithiums gespeichert werden kann, welches über die Lebensdauer der Zelle zum Ersatz verloren gegangenen Lithiums in grundsätzlich bekannter Weise nachgeliefert werden kann. Entsprechend verlängert sich auch die Gesamt-Lebensdauer der erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Zelle gegenüber dem Stand der Technik.
Selbstverständlich ist es erforderlich, dass die Reservoirelektrode als Ganzes elektrisch leitfähig ist, damit ein funktionaler Anschluss an die Mess- und Steuerschaltung möglich ist. Hierzu hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn die Reservoirelektrode ein elektrisch leitfähiges Polymermaterial umfasst, auf welches ein Lithium enthaltendes
Aufbringungsmaterial aufgebracht ist. Als geeignete, elektrisch leitfähige Polymermaterialien sind bspw. Polyanilin, Polypyrrol oder Polythiophen bekannt, die hier einzeln oder in
Mischung bevorzugt eingesetzt werden. Als Lithium enthaltendes Aufbringungsmaterial kann beispielsweise Lithium-Eisenphosphat (LiFeP04) Verwendung finden. Dieses Material kann insbesondere in Form von Nanopartikeln zur Verfügung gestellt werden, mit denen die leitfähige Polymerschicht beschichtbar ist oder die in die leitfähige Polymerschicht eingebettet werden können. Besonders interessant für die die Verwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist LiFeP04 wegen seiner Eigenschaft, über einen breiten
Operationsbereich (Lithiumkonzentrationsbereich) eine konstante Spannung zu bieten. Ein Nachteil von LiFePo4 ist allerdings seine vergleichsweise geringe Energiedichte.
Diesbezüglich wären aufgrund ihrer höheren Energiedichte klassische Lithiummetalloxide, wie z.B. NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid), zu bevorzugen. Die höchste
Energiedichte hat Lithium-Metall, das allerding an Sauerstoff nicht zu verarbeiten ist; sofern es jedoch unter Schutzgasatmosphäre verarbeitet wird, ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchaus verwendbar. Die konkrete Aufbringungsmethode für das Lithium enthaltende Aufbringungsmaterial auf die leitfähige Polymerschicht ist für die vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Dem Fachmann sind hier neben der bereits genannten Einbettung von Nanopartikeln bspw. Aufdampfen, Einsprühen, Einschmelzen und andere Methoden bekannt.
Neben den genannten Aufbringungsmaterialien sind grundsätzlich sämtliche Materialien geeignet, die Lithium in einer Weise enthalten, dass durch Anlegung einer Spannung zwischen der Reservoirelektrode und einer der Arbeitselektroden Lithium-Ionen in den Elektrolytraum abgegeben werden können. Diese Materialien umfassen insbesondere auch metallisches Lithium.
Das Polymermaterial der Reservoirelektrode und/oder die Isolationsschichten werden vorzugsweise in Form poröser Membranen eingesetzt. Derartige poröse Membranen lassen sich bspw. als gereckte Folien ausbilden. Durch die beim Recken einer Folie aufgebrachte mechanische Spannung können in der Folie Poren gut einstellbarer Größe erzeugt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigt:
Figur 1 Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Zelle.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lithium-Ionen- Zelle 10. Die Zelle 10 umfasst eine erste, negative Arbeitselektrode 12 und eine zweite, positive Arbeitselektrode 14. Zwischen den Arbeitselektroden 12, 14 befindet sich ein Elektrolytraum 16, der mit einem Elektrolyten gefüllt ist, der insbesondere auch die
Arbeitselektroden 12, 14 tränkt. In dem Elektrolytraum 16 ist ein Separator 18 angeordnet, dessen primäre Aufgabe darin besteht die Arbeitselektroden 12, 14 elektronisch voneinander zu isolieren und dabei einen Strom von Lithium-Ionen durch den Elektrolytraum 16 zu erlauben. Die Arbeitselektroden 12, 14 sind aus Materialien ausgebildet, die eine reversible Bindung bzw. Interkalation von Lithium-Ionen, die sich in dem Elektrolyten frei bewegen können, erlauben. Dem Fachmann sind hier unterschiedlichste Materialien bekannt, deren unterschiedliche Eigenschaften sich auf die Betriebseigenschaften der Zelle 10 auswirken.
Wie eingangs erläutert, kann es beim Betrieb der Zelle 10, insbesondere bei deren ersten Ladungs- und Entladungszyklen, zur Anlagerung einer Zwischenschicht 20 zwischen der ersten Elektrode 12 und dem Elektrolytraum kommen, wobei Lithium-Ionen in der Schicht 20 eingelagert und dem elektrochemischen Prozess entzogen werden.
Um derart oder auf andere Weise verlorengegangene Lithium-Ionen zu ersetzen ist der Separator 18 in besonderer Weise ausgestaltet. So umfasst er bei der dargestellten
Ausführungsform zwei äußere Isolationsschichten 181 , die vorzugsweise aus einem elektronisch isolierenden, für Lithium-Ionen durchlässigen Polymer, insbesondere
Polyethylen oder Polypropylen bestehen. Die Isolationsschichten sind dabei bevorzugt als gereckte Folien ausgebildet. Die Isolationsschichten 181 bewirken die elektronische
Trennung der Arbeitselektroden 12, 14.
Zwischen den Isolationsschichten 181 ist eine Reservoirelektrode 182 angeordnet, die bei der dargestellten Ausführungsform als eine elektrisch leitfähige Polymerschicht 183 ausgebildet ist, in die ein Lithium enthaltendes Aufbringungsmaterial 184 eingebettet ist. Beispielsweise besteht das Lithium enthaltende Aufbringungsmaterial 184 aus Lithium- Eisenphosphat, z.B. in Form eingebetteter Nanopartikel.
Die Reservoirelektrode 182 ist über eine Mess- und Steuerschaltung 22 mit den
Arbeitselektroden 12, 14 verbunden. Die Mess- und Steuerschaltung 22 ist so ausgebildet, dass mit Ihr eine Spannung zwischen der Reservoirelektrode 182 und einer der
Arbeitselektroden 12, 14 messbar ist, angedeutet durch das Voltmeter-Symbol„V". Zudem ist es möglich, mittels der Mess- und Steuerschaltung 22 eine Spannung U zwischen der Reservoirelektrode 18 und einer der Arbeitselektroden 12, 14 anzulegen. Hierdurch kann ein über die Mess- und Steuerschaltung 22 laufender Elektronenstrom von der
Reservoirelektrode 18 zu einer der Arbeitselektroden 12, 14 provoziert werden, was einen entsprechenden Lithium-Ionenstrom von der Reservoirelektrode 18 in den Elektrolytraum 16 zur Folge hat. Auf diese Weise kann in der Zwischenschicht 20 gespeichertes Lithium ersetzt werden. Die hierzu erforderliche Spannung kann der Höhe und der Dauer nach auf Basis einer vorangegangenen Spannungsmessung zwischen Reservoirelektrode 18 und
Arbeitselektroden 12, 14 bestimmt werden, wobei die Reservoirelektrode 18 hierbei als Referenzelektrode dient.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere kann der Fachmann die spezielle Ausgestaltung der Reservoirelektrode durchaus variieren. So sind bspw. auch Ausführungsformen denkbar, bei denen ein elektrisch leitendes Trägermaterial nur einseitig mit dem Lithium enthaltenden Aufbringungsmaterial belegt ist.
Bezugszeichenliste
Lithium-Ionen-Zelle
Erste Arbeitselektrode
Zweite Arbeitselektrode
Elektrolytraum
Separator
Isolationsschicht
Reservoirelektrode
Elektrisch leitfähige Polymerschicht
Lithium enthaltendes Aufbringungsmaterial
Zwischenschicht
Mess- und Steuerschaltung
Claims
1 . Lithium-Ionen-Zelle, umfassend
- zwei einander gegenüberliegende Arbeitselektroden (12, 14) unterschiedlicher Polarität, zwischen denen in einem Elektrolytraum (16) ein die Arbeitselektroden (12, 14) gegeneinander elektronisch isolierender und für Lithium-Ionen permeabler Separator (18) angeordnet ist, und
- eine Lithium enthaltende Reservoirelektrode (182), die mit dem Elektrolytraum (16) in elektronisch isolierendem, Lithium-Ionen austauschendem Kontakt steht, wobei mittels einer die Reservoirelektrode (182) mit wenigstens einer der
Arbeitselektroden (12, 14) verbindenden Mess- und Steuerschaltung (22) eine
Spannung zwischen der Reservoirelektrode (182) und der Arbeitselektrode (12, 14) messbar sowie eine Spannung zwischen der Reservoirelektrode (182) und der Arbeitselektrode (12, 14) anlegbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Reservoirelektrode (182) porös ausgebildet und zwischen zwei elektronisch isolierenden und für Lithium-Ionen permeablen Isolationsschichten (181 ) des
Separators (18) angeordnet ist.
2. Lithium-Ionen-Zelle nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Reservoirelektrode (182) ein elektrisch leitfähiges Polymermaterial (183) umfasst, auf welches ein Lithium enthaltendes Aufbringungsmaterial (184) aufgebracht ist.
3. Lithium-Ionen-Zelle nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das elektrisch leitfähige Polymermaterial (183) ein Polyanilin, ein Polypyrrol oder ein Polythiophen aufweist.
4. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der Ansprüche 2 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Aufbringungsmaterial (184) Lithium-Eisenphosphat LiFeP04 aufweist.
5. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Aufbringungsmaterial (184) metallisches Lithium aufweist.
6. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Isolationsschichten (181 ) Polyethylen oder Polypropylen aufweisen.
7. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Polymermaterial der Reservoirelektrode (182) und/oder die Isolationsschichten (181 ) als poröse Membranen ausgebildet sind.
8. Lithium-Ionen-Zelle nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Polymermaterial der Reservoirelektrode (182) und/oder die Isolationsschichten (181 ) als gereckte Folien ausgebildet sind.
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---|---|---|---|---|
US7726975B2 (en) | 2006-06-28 | 2010-06-01 | Robert Bosch Gmbh | Lithium reservoir system and method for rechargeable lithium ion batteries |
EP2442400A1 (de) * | 2010-10-13 | 2012-04-18 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Auf Lithiumtechnologie basierende elektrochemische Zelle mit interner Referenzelektrode, Verfahren zu ihrer Herstellung und Verfahren zur gleichzeitigen Überwachung der Spannung und der Impedanz ihrer Anode und Kathode |
JP2013191388A (ja) * | 2012-03-13 | 2013-09-26 | Nissan Motor Co Ltd | 積層構造電池 |
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