WO2016116317A1 - Elektrodenwickel für ein galvanisches element und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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WO2016116317A1
WO2016116317A1 PCT/EP2016/050393 EP2016050393W WO2016116317A1 WO 2016116317 A1 WO2016116317 A1 WO 2016116317A1 EP 2016050393 W EP2016050393 W EP 2016050393W WO 2016116317 A1 WO2016116317 A1 WO 2016116317A1
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electrode
winding
current collector
reference electrode
separator
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PCT/EP2016/050393
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Peter Raffelstetter
Original Assignee
Robert Bosch 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
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0587—Construction or manufacture of accumulators having only wound construction elements, i.e. wound positive electrodes, wound negative electrodes and wound separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
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    • H—ELECTRICITY
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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 invention relates to an electrode winding for a galvanic element, wherein the electrode winding has a first electrode, a second electrode, a second electrode
  • the coil electrode The coil electrode.
  • WO 2012/049201 Al discloses a lithium-ion cell with a
  • Reference electrode wherein the reference electrode between an anode and a cathode is arranged, for example, between two separator sheets or on
  • the reference electrode is formed by metal foils or expanded metal foils with a coating or lamination.
  • WO 2009/036444 A2 discloses a lithium-ion battery for use in
  • the lithium-ion battery a HEV, PHEV or EV vehicles, the lithium-ion battery a
  • Reference electrode for monitoring the negative electrode potential has.
  • the active material of the reference electrode may be applied directly or mixed with a binder and a conductive additive to a metal current collector.
  • the reference electrode can be made of a porous insulating
  • the reference electrode is assigned to the housing wall.
  • Reference electrode which is arranged above an anode and a cathode.
  • WO 2013/006415 A2 discloses a wound battery cell for electronic devices such as mobile devices, laptop computers or the like, wherein a reference electrode with a nickel core and a lithium strip around the nickel core and with a surrounding separator layer is used.
  • Reference electrode can be wound both in the periphery of
  • Battery cell and be arranged in the middle of the wound battery cell.
  • an electrode winding for a galvanic element wherein the electrode winding has a first electrode, a second electrode, a separator and a reference electrode.
  • the first electrode and the second electrode are isolated from each other by the separator.
  • the reference electrode is arranged between the first electrode and the second electrode. The reference electrode is bonded to the first electrode or to the second electrode.
  • Galvanic elements typically comprise two electrodes and thus two poles.
  • the first electrode can be, for example, a cathodic electrode or, for short, a cathode.
  • the cathode designates the electrode, which when connected to a consumer, ie
  • the cathode is also referred to as a positive electrode in this context.
  • the cathode typically consists of a current collector coated on one or both sides with active cathodic material, which in the context of the present disclosure is referred to as a first layer having a first active material.
  • the current collector may for example consist of aluminum or nickel.
  • the active material of the cathode preferably contains a material which reversibly intercalate lithium in ionic or metallic form (intercalation) and again outsource (deintercalation).
  • the cathode contains metal oxides in pure or doped form, for.
  • lithium cobalt oxide lithium cobalt dioxide (LiCo0 2 ), lithium nickel cobalt mixed oxides, lithium manganese oxides
  • the cathode optionally contains further layers, for example protective layers, which comprise, for example, lithium polyanion compounds, for example LiFePO 4 or high-temperature-stable porous ceramic protective layers, eg. B. Al 2 0 3 .
  • protective layers comprise, for example, lithium polyanion compounds, for example LiFePO 4 or high-temperature-stable porous ceramic protective layers, eg. B. Al 2 0 3 .
  • the second electrode may be an anode or, in other words, an anodic electrode.
  • Anode refers to the electrode that emits electrons when connected to a consumer, for example when operating an electric vehicle.
  • the anode is also considered a negative in this case
  • the anode can in principle be formed from any material known for the production of lithium-ion anodes.
  • the anode typically consists of a current collector, for example
  • Anodically active material may include lithium, magnesium, iron, nickel, aluminum, zinc, or compositions thereof, or any material which
  • Silicon, germanium, lithium, a carbonaceous material, for example graphite, or amorphous carbons or a metallic alloy are advantageous as anodically active material.
  • Hybrid electrodes with lithium alloy components are also common.
  • the anode optionally contains protective layers, such as high temperature stable porous ceramic protective layers, for. B. Al 2 0 3 .
  • Reference current collector which is formed as a metal foil or as a metal grid.
  • a grating offers the advantage that a smaller total thickness of the reference electrode can be obtained.
  • Another advantage is that a flow of ions through the grid can be done, so that the power density of the galvanic element is increased. Since no current flows to or flows from the reference electrode, even a small cross-section of the electrode allows a sufficient measurement sensitivity.
  • the reference current collector can be made from any one for
  • Electrode current collector used material can be manufactured. Preferred materials are aluminum, copper or nickel, depending on the type of active material used for the reference electrode.
  • the reference electrode comprises a third layer having a third active material comprising LiFePO 4 and / or Li 4 Ti 5 O 2 .
  • a third active material comprising LiFePO 4 and / or Li 4 Ti 5 O 2 .
  • These materials offer a broad potential plateau in a typical charge / discharge curve of the galvanic element.
  • LiFeP0 4 indicates
  • Li 4 Ti 5 0i 2 shows a potential plateau at about 1.6 V.
  • the third layer with the third active material for example, as a thick slurry on both sides of a reference current collector arranged and cured, the slurry suitable
  • Conductivity additives and binders are added. After curing, the slip is dry.
  • the reference electrode is a
  • the insulating layer spaced from the electrode to which it is glued.
  • the insulating layer serves to electrically insulate the reference electrode from the electrode to which it is bonded.
  • the insulating layer is preferably a porous layer which may be made, for example, of a ceramic material, in particular Al 2 O 3 .
  • An advantage of ceramic materials is that they are essentially heat resistant.
  • a chemically inert polymer may be used as the insulating layer, in particular polyolefins such as polypropylene (PP) or polyethylene (PE).
  • PP polypropylene
  • PE polyethylene
  • An advantage of the polymer layer is that it can be made very thin. Separators (separation of anode and cathode), for example, from PP can be made up to about 12 ⁇ thin. This dimension is also relevant for the insulating layer.
  • the galvanic element is not known
  • Type of jelly roll is wound, but includes a coating process directly on the electrode, even smaller thicknesses are possible.
  • the preferred dimensions depend on practical applicability, in particular with regard to mechanical robustness, which must be proven under realistic field stresses.
  • the porous ceramic protective layers can be made very thin, for example, ceramic Al 2 0 3 protective layers on the anode or the cathode by slurry coating up to 5 ⁇ be applied thinly.
  • the reference electrode is glued to the first or second electrode with a chemically inert adhesive, the adhesive comprising polysiloxane and / or acrylic.
  • the attachment can be made by adhesive dots, which each account for example, not more than 10% of the active area of the reference electrode.
  • a typical size of the reference electrode is, for example, 1 mm wide and a few centimeters long.
  • the reference current collector is insulated about 1-2 cm from an edge with the active material to avoid a short circuit to the current collector of the first or second electrode.
  • a galvanic element which has at least one such electrode winding.
  • a plurality of such galvanic elements or galvanic cells can preferably be spatially combined and interconnected by circuitry.
  • multiple galvanic elements connected in series or in parallel to modules can be used to provide required
  • battery is also used in the present description as commonly used for accumulator.
  • Electrode winding described for a galvanic element in particular one of the electrode winding described above. Accordingly, features described in the context of the method correspondingly apply to the system and, conversely, the features described within the framework of the system correspondingly apply to the method.
  • the method comprises the following steps: a) providing a first electrode, a second electrode, a separator and a reference electrode, b) creating a winding arrangement, wherein the first electrode and the second electrode are insulated from each other by the separator and wherein the reference electrode between the first electrode and the second electrode, and c) winding the winding arrangement about a winding axis for producing the electrode winding.
  • step b) the reference electrode is adhered to the first electrode or to the second electrode.
  • the creation of the winding arrangement in step b) can take place, for example, in a continuous process in which material webs are brought together and wound up via a calender. Alternatively it can be provided to deposit a plurality of cut material webs on each other, which are then wound up.
  • the winding can be done by means of a winding blade, which is arranged in the winding axis, around which the
  • Winding arrangement is wound, wherein the winding blade is removed after winding, for example, so as not to affect the energy density of the electrode coil.
  • the winding arrangement without
  • the electrode winding is pressed flat, so that, for example, a receptacle can take place in a prismatic, in particular cuboid container.
  • step b) the first
  • Electrode and the second electrode with respect to the winding axis offset from each other, so that a first current collector of the first electrode and a second current collector of the second electrode with respect to the winding axis protrude opposite each other over a body having a first Layer comprising a first active material of the first electrode and a second layer having a second active material of the second electrode and the separator.
  • a reference current collector of the reference electrode also protrudes in the direction of the winding axis over the body. In this case, therefore, there results an arrangement in which, with respect to the winding axis, the current collectors protrude from both ends, with the reference current collector also protruding on one side.
  • the body forms the chemically active part of the electrode coil.
  • the current collector of the electrode to which the reference electrode is glued provided with recesses.
  • the reference current collector is arranged in the recesses in step b) of the method.
  • a distance of 1 to 2 cm between the reference current collector and the current collector of that electrode to which the reference electrode is glued, is provided so that the risk of short circuit is avoided.
  • the current collector of those electrode to which the reference electrode is not glued is provided with recesses, wherein in step b) the reference current collector also in the
  • the reference electrode between the anode and cathode allows to measure the individual electrode potentials. Without reference electrode only a statement about the difference of the electrode potentials can be measured. A more exact statement about the individual electrode potentials can be used for
  • FIG. 2 shows a winding arrangement in perspective view
  • FIG. 3 shows a winding arrangement in sectional view
  • FIG. 4 shows a winding arrangement in plan view
  • FIG. 5 shows an arrangement with a reference electrode in FIG.
  • FIG. 6a and 6b sections through reference electrodes according to various
  • FIG. 1 shows a galvanic element 1 in perspective view for the sake of clarity without a housing.
  • the galvanic element 1 may also be referred to as a battery cell.
  • the galvanic element 1 comprises four closely spaced electrode windings 2 and a cover group 5, wherein the cover group 5 two Terminals 7, whereby the galvanic element 1 is electrically contacted from the outside.
  • the cover group 5 is also assigned a filling opening 9 and a bursting membrane 11.
  • the filling opening 9 and the bursting membrane 11 are in
  • the four electrode coils 2 are inserted into a cell housing (not shown) and the cell housing is filled with a liquid electrolyte via the filling opening 9, which is subsequently closed.
  • the four electrode coils 2 were each wound by winding a
  • Winding arrangement 3 produced, wherein the winding assembly 3 will be described in more detail below with reference to Figures 2 to 4. A possible
  • Winding axle 20 is already shown in FIG. With regard to the winding axis 20, first current collectors 12 are arranged opposite to second current collectors 14. The first current collectors 12 and the second current collectors 14 protrude beyond body 10, which form the chemically active part of the electrode winding 2. Reference current collectors 16 are also arranged on the side of the first current collectors 12. The reference current collectors 16 are at a distance 15 from the first current collectors 12
  • FIG. 2 shows a winding arrangement 3, which comprises a first electrode 4, a second electrode 6 and a reference electrode 8.
  • the first electrode 4 may be the cathode and the second electrode 6 may be the anode.
  • the first electrode 4 comprises a first layer 26 of first active material, i. H. with cathodically active material and the first current collector 12, which in the illustrated embodiment is provided with a recess 18 in which the reference current collector 16 of the reference electrode 8 is arranged.
  • the second electrode 6 comprises a second layer 28 with second active material, ie with anodically active material, and the second current collector 14.
  • the first electrode 4 and the second electrode 6 are arranged offset relative to one another with respect to the winding axis 20 (not shown here).
  • the first Current collector 12 and the second current collector 14 are with respect to the
  • Winding axis 20 arranged opposite to each other and stand out over the body 10, which comprises the first layer 26 with the first active material of the first electrode 4, the second layer 28 with the second active material of the second electrode 6, and a separator 30, which in Figure 4 is shown.
  • the first electrode 4 thus has a first projection 22 with respect to the body 10.
  • the second electrode 6 has a second projection 24 opposite the body 10.
  • FIG. 3 shows a section through the winding arrangement 3 shown in FIG. 2 in the drawing plane, so that the first electrode 4 is not shown.
  • the reference electrode 8 is bonded to the second electrode 6 at the locations indicated by arrows. Alternatively, a full-surface adhesion can take place. Bonding is preferred at exactly two points spaced as far apart as possible, as shown in FIG. 3, so that on the one hand there is little
  • Figure 4 shows a plan view of the winding assembly 3 shown in Figure 2, wherein this is shown schematically as a layer system and no
  • the winding arrangement 3 comprises the first electrode 4, which consists of the first
  • Current collector 12 is formed, which is coated on both sides with the first layer 26 with the first active material.
  • the first electrode 4 adjoins a separator 30, which further adjoins the reference electrode 8.
  • Reference electrode 8 also comprises a layer system with the first current collector 12 and on both sides of a third layer 36 with third active
  • the reference electrode 8 is covered on its side facing away from the separator 30 and the first electrode 4 with an insulating layer 34 which electrically isolates the reference electrode 8 at such locations of the second electrode 6, to which no adhesive 32 is present. In Figure 4, the section is shown at a location where the adhesive 32 is present.
  • the second Electrode 6 comprises the second current collector 14, which is surrounded on both sides by the second layer 28 with the second active material.
  • the second electrode 6 is separated from the first electrode 4 by the separator 30.
  • the separator 30 is the well-known separator, the at each
  • Reference electrode 8 is separated from the second electrode 6 by the separator 30 from the first electrode 4, and by the insulating layer 34 forming a second separator.
  • Figure 5 shows a perspective view of an arrangement with the
  • Reference electrode 8 comprises the reference current collector 16, which is coated on both sides with the third layer 36 with the third active material.
  • Reference current collector 16 projects beyond the third layer 36 with the third active material with a third projection 38. Again, they are
  • FIG. 6 a shows a cross section through the reference electrode 8 according to a first embodiment, wherein the reference current collector 16 is replaced by a reference electrode 8
  • FIG. 6 b shows a corresponding cross section through the reference electrode 8 according to a further embodiment, in which the reference current collector 16 is formed by a metal grid 42.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektrodenwickel für ein galvanisches Element mit einer ersten Elektrode (4), einer zweiten Elektrode (6), einem Separator und einer Referenzelektrode (8). Die erste Elektrode (4) und die zweite Elektrode (6) sind durch den Separator voneinander isoliert, wobei die Referenzelektrode (8) zwischen der ersten Elektrode (4) und der zweiten Elektrode (6) angeordnet ist und wobei die Referenzelektrode (8) an die erste Elektrode (4) oder an die zweite Elektrode (6) geklebt ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein galvanisches Element mit einem derartigen Elektrodenwickel und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Elektrodenwickels.

Description

Elektroden wickel für ein galvanisches Element und Verfahren zu dessen
Herstellung
Stand der Technik Die Erfindung betrifft einen Elektrodenwickel für ein galvanisches Element, wobei der Elektrodenwickel eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, einen
Separator und eine Referenzelektrode aufweist.
Weiterhin werden ein galvanisches Element mit einem derartigen
Elektrodenwickel angegeben und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen
Elektrodenwickels.
WO 2012/049201 AI offenbart eine Lithium-Ionen-Zelle mit einer
Referenzelektrode, wobei die Referenzelektrode zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist, beispielsweise zwischen zwei Separatorfolien oder auf
Höhe der Anode oder Kathode, und von dieser räumlich beabstandet und elektrisch isoliert ist. Die Referenzelektrode wird durch Metallfolien oder expandierte Metallfolien mit einer Beschichtung oder einer Laminierung gebildet. WO 2009/036444 A2 offenbart eine Lithium- Ionen- Batterie zur Anwendung bei
HEV, PHEV oder EV- Fahrzeugen, wobei die Lithium-Ionen-Batterie eine
Referenzelektrode zum Überwachen des negativen Elektrodenpotentials aufweist. Das aktive Material der Referenzelektrode kann direkt oder mit einem Binder und einem leitfähigen Additiv vermischt auf einen Metallstromableiter aufgebracht werden. Die Referenzelektrode kann von einer porösen isolierenden
Beschichtung umgeben sein. Die Referenzelektrode ist dabei der Gehäusewand zugeordnet.
DE 10 2011 120 512 AI offenbart eine sogenannte Pouchzelle mit einer
Referenzelektrode, welche oberhalb einer Anode und einer Kathode angeordnet ist. WO 2013/006415 A2 offenbart eine gewickelte Batteriezelle für elektronische Geräte wie Mobilfunkgeräte, Laptop-Computer oder Ähnliches, wobei eine Referenzelektrode mit einem Nickelkern und einem Lithiumstreifen um den Nickelkern und mit einer umgebenden Separatorschicht eingesetzt wird. Die
Referenzelektrode kann dabei sowohl in der Peripherie der gewickelten
Batteriezelle als auch in der Mitte der gewickelten Batteriezelle angeordnet sein.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Elektrodenwickel für ein galvanisches Element bereitgestellt, wobei der Elektrodenwickel eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, einen Separator und eine Referenzelektrode aufweist. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind durch den Separator voneinander isoliert. Die Referenzelektrode ist dabei zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet. Die Referenzelektrode ist an die erste Elektrode oder an die zweite Elektrode geklebt.
Galvanische Elemente umfassen typischerweise zwei Elektroden und damit zwei Pole. Im Rahmen der Erfindung kann die erste Elektrode beispielsweise eine kathodische Elektrode oder kurz eine Kathode sein. Die Kathode bezeichnet dabei die Elektrode, die beim Anschluss an einen Verbraucher, also
beispielsweise beim Betrieb eines Elektrofahrzeugs, Elektronen aufnimmt. Die Kathode wird in diesem Zusammenhang auch als eine positive Elektrode bezeichnet. Die Kathode besteht typischerweise aus einem Stromsammler, welcher einseitig oder beidseitig mit aktivem kathodischem Material beschichtet ist, welche im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als eine erste Schicht mit einem ersten aktiven Material bezeichnet wird. Der Stromsammler kann beispielsweise aus Aluminium oder Nickel bestehen.
Das aktive Material der Kathode enthält bevorzugt ein Material, welches Lithium in ionischer oder metallischer Form reversibel einlagern (Interkalation) und wieder auslagern (Deinterkalation) kann. Beispielsweise enthält die Kathode Metalloxide in reiner oder dotierter Form, z. B. Lithium- Kobaltoxid, Lithium- Kobaltdioxid (LiCo02), Lithium-Nickel-Kobalt-Mischoxide, Lithium-Mangan-Oxide
(LMO), Lithium-Manganoxid Spinell (LiMn204), Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt- Mischoxide, Lithium-Nickel-Mangan- Kobalt- Aluminium-Mischoxide, Lithium- Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxide (NCA) oder Lithium-Metall-Phosphate, z. B. Lithium- Eisenphosphat (LiFeP04) oder Schwefel sowie Schwefelverbindungen. Die Kathode enthält gegebenenfalls weitere Schichten wie beispielsweise Schutzschichten, welche beispielsweise Lithium-Polyanionen-Verbindungen aufweisen, beispielsweise LiFeP04 oder hochtemperaturstabile poröse keramische Schutzschichten, z. B. Al203.
Die zweite Elektrode kann eine Anode oder mit anderen Worten eine anodische Elektrode sein. Mit Anode wird die Elektrode bezeichnet, die beim Anschluss an einen Verbraucher, also beispielsweise beim Betrieb eines Elektrofahrzeugs, Elektronen abgibt. Die Anode wird in diesem Fall auch als eine negative
Elektrode bezeichnet. Die Anode kann im Prinzip aus einem beliebigen, für die Herstellung von Lithium-Ionen-Anoden bekannten Material ausgebildet werden. Die Anode besteht typischerweise aus einem Stromsammler, beispielsweise aus
Kupfer gefertigt, welcher einseitig oder beidseitig mit anodisch aktivem Material beschichtet sein kann, welche im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als eine zweite Schicht mit einem zweiten aktiven Material bezeichnet wird. Anodisch aktives Material kann Lithium, Magnesium, Eisen, Nickel, Aluminium, Zink oder Zusammensetzungen hiervon umfassen oder jegliches Material, welches
Elektronen abgeben und einen lonenfluss erzeugen kann. Als anodisch aktives Material sind etwa Silizium, Germanium, Lithium, ein kohlenstoffhaltiges Material, beispielsweise Graphit, oder amorphe Kohlenstoffe oder eine metallische Legierung von Vorteil. Auch Hybridelektroden mit Lithium-Legierungsanteilen sind gebräuchlich. Die Anode enthält gegebenenfalls Schutzschichten, wie beispielsweise hochtemperaturstabile poröse keramische Schutzschichten, z. B. Al203.
Die Referenzelektrode umfasst gemäß einer Ausführungsform einen
Referenzstromsammler, der als eine Metallfolie oder als ein Metallgitter ausgebildet ist. Ein Gitter bietet den Vorteil, dass eine kleinere Gesamtdicke der Referenzelektrode erhalten werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass auch ein Durchfluss von Ionen durch das Gitter erfolgen kann, so dass die Leistungsdichte des galvanischen Elements vergrößert ist. Da kein Strom zur Referenzelektrode fließt oder von dieser abfließt, ermöglicht selbst ein kleiner Wirkungsquerschnitt der Elektrode eine ausreichende Messempfindlichkeit. Der Referenzstromsammler kann aus einem beliebigen für
Elektrodenstromsammler verwendeten Material gefertigt werden. Bevorzugte Materialien sind Aluminium, Kupfer oder Nickel, wobei dies abhängig von der Art des für die Referenzelektrode eingesetzten aktiven Materials ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Referenzelektrode eine dritte Schicht mit einem dritten aktiven Material, das LiFeP04 und/oder Li4Ti50i2 aufweist. Diese Materialien bieten ein breites Potentialplateau in einer typischen Lade- /Entladekurve des galvanischen Elements. LiFeP04 zeigt beispielsweise ein
Potentialplateau bei ca. 3,4 V. Li4Ti50i2 zeigt ein Potentialplateau bei ca. 1,6 V. Die dritte Schicht mit dem dritten aktiven Material wird beispielsweise als ein dickflüssiger Schlicker (slurry) auf beiden Seiten eines Referenzstromsammlers angeordnet und ausgehärtet, wobei dem Schlicker geeignete
Leitfähigkeitszusätze und Bindemittel zugefügt werden. Nach der Aushärtung ist der Schlicker trocken.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Referenzelektrode durch eine
Isolierschicht von derjenigen Elektrode beabstandet, an die sie geklebt ist. Die Isolierschicht dient dazu, die Referenzelektrode von derjenigen Elektrode elektrisch zu isolieren, an welche sie geklebt ist. Die Isolierschicht ist bevorzugt eine poröse Schicht, welche beispielsweise aus einem keramischen Material, insbesondere aus Al203, gefertigt sein kann. Ein Vorteil keramischer Materialien ist, dass diese im Wesentlichen wärmeresistent sind. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann als Isolierschicht ein chemisch inertes Polymer verwendet werden, insbesondere Polyolefine wie Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE). Ein Vorteil der Polymerschicht ist, dass diese sehr dünn ausgeführt werden kann. Separatoren (Separation von Anode und Kathode) z.B. aus PP können bis ca. 12 μηη dünn hergestellt werden. Diese Maßangabe ist auch für die Isolierschicht einschlägig. Für den Fall, dass das galvanische Element nicht nach bekannter
Art einer Jelly Roll gewickelt wird, sondern einen Beschichtungsprozess direkt auf der Elektrode umfasst, sind noch kleinere Dicken möglich. Die bevorzugten Maße richten sich nach praktischer Anwendbarkeit, insbesondere bezüglich mechanischer Robustheit, welche sich bei realistischen Feldbeanspruchungen beweisen muss. Weiterhin können auch die porösen keramischen Schutzschichten sehr dünn ausgeführt werden, z.B. können keramische Al203 Schutzschichten auf der Anode oder der Kathode per Slurrybeschichtung bis zu 5μηη dünn aufgetragen werden.
Bevorzugt ist die Referenzelektrode mit einem chemisch inerten Kleber an die erste oder an die zweite Elektrode geklebt, wobei der Kleber Polysiloxan und/oder Acryl aufweist. Dabei ist kein großflächiger Kleberauftrag nötig, die Befestigung kann durch Klebepunkte erfolgen, welche jeweils beispielsweise nicht mehr als 10% der aktiven Fläche der Referenzelektrode ausmachen. Eine typische Größe der Referenzelektrode ist beispielsweise 1 mm Breite und einige Zentimeter Länge.
Der Referenzstromsammler ist ca. 1-2 cm ausgehend von einer Kante mit dem aktiven Material isoliert, um einen Kurzschluss mit dem Stromsammler der ersten oder zweiten Elektrode zu vermeiden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein galvanisches Element bereitgestellt, welches zumindest einen derartigen Elektrodenwickel aufweist. In einer Batterie können mehrere derartige galvanische Elemente oder galvanische Zellen vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden werden. Beispielsweise können mehrere galvanische Elemente seriell oder parallel zu Modulen verschaltet, verwendet werden, um geforderte
Leistungsdaten bereitstellen zu können. Der Begriff„Batterie" wird in der vorliegenden Beschreibung wie im allgemeinen Sprachgebrauch üblich auch für Akkumulator verwendet.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines
Elektrodenwickels für ein galvanisches Element beschrieben, insbesondere eines der zuvor beschriebenen Elektrodenwickel. Dementsprechend gelten im Rahmen des Verfahrens beschriebene Merkmale entsprechend für das System und umgekehrt die im Rahmen des Systems beschriebenen Merkmale entsprechend für das Verfahren. Das Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf: a) Bereitstellen einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode, eines Separators und einer Referenzelektrode, b) Erstellen einer Wickelanordnung, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode durch den Separator voneinander isoliert sind und wobei die Referenzelektrode zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und c) Wickeln der Wickelanordnung um eine Wickelachse zur Herstellung des Elektrodenwickels.
Dabei ist vorgesehen, dass im Schritt b) die Referenzelektrode an die erste Elektrode oder an die zweite Elektrode geklebt wird.
Das Erstellen der Wickelanordnung im Schritt b) kann beispielsweise in einem kontinuierlichen Prozess erfolgen, bei dem Materialbahnen über einen Kalander zusammengeführt und aufgewickelt werden. Alternativ kann vorgesehen sein, mehrere zugeschnittene Materialbahnen aufeinander abzulegen, wobei diese dann aufgewickelt werden. Das Wickeln kann mithilfe eines Wickelschwertes erfolgen, das in der Wickelachse angeordnet wird, um welches die
Wickelanordnung gewickelt wird, wobei das Wickelschwert nach dem Aufwickeln beispielsweise entfernt wird, um die Energiedichte des Elektrodenwickels nicht zu beeinträchtigen. Alternativ hierzu kann die Wickelanordnung ohne
Wickelschwert aufgerollt werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt nach dem Wickeln kann vorgesehen sein, den Elektrodenwickel flachzupressen, damit beispielsweise eine Aufnahme in einem prismatischen, insbesondere quaderförmigen Behälter erfolgen kann.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden im Schritt b) die erste
Elektrode und die zweite Elektrode bezüglich der Wickelachse zueinander versetzt angeordnet, so dass ein erster Stromsammler der ersten Elektrode und ein zweiter Stromsammler der zweiten Elektrode bezüglich der Wickelachse zueinander entgegengesetzt über einen Körper herausstehen, der eine erste Schicht mit einem ersten aktiven Material der ersten Elektrode und eine zweite Schicht mit einem zweiten aktiven Material der zweiten Elektrode sowie den Separator umfasst. Ein Referenzstromsammler der Referenzelektrode steht dabei ebenfalls in Richtung der Wickelachse über den Körper heraus. Hierbei ergibt sich also eine Anordnung, bei welcher bezüglich der Wickelachse jeweils endseitig die Stromsammler herausstehen, wobei auf einer Seite außerdem auch der Referenzstromsammler heraussteht. Der Körper bildet den chemisch aktiven Teil des Elektrodenwickels.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Stromsammler derjenigen Elektrode, an welche die Referenzelektrode geklebt wird, mit Aussparungen versehen. Der Referenzstromsammler wird im Schritt b) des Verfahrens in den Aussparungen angeordnet. Besonders bevorzugt ist ein Abstand von 1 bis 2 cm zwischen dem Referenzstromsammler und dem Stromsammler derjenigen Elektrode, an welche die Referenzelektrode geklebt wird, vorgesehen, damit das Risiko eines Kurzschlusses vermieden wird. In einer alternativen
Ausführungsform ist es möglich, dass der Stromsammler derjenigen Elektrode, an welche die Referenzelektrode nicht geklebt wird, mit Aussparungen versehen wird, wobei im Schritt b) der Referenzstromsammler ebenfalls in den
entsprechenden Aussparungen angeordnet wird, um eine elektrische Isolation zu erhalten.
Vorteile der Erfindung
Die Referenzelektrode zwischen der Anode und Kathode erlaubt es, die individuellen Elektrodenpotentiale zu messen. Ohne Referenzelektrode ist lediglich eine Aussage über die Differenz der Elektrodenpotentiale messbar. Eine genauere Aussage über die einzelnen Elektrodenpotentiale kann zur
Verbesserung der Lebensdauer und der Sicherheit der Batterie führen.
Das vorgeschlagene Herstellungsverfahren durch Kleben der Referenzelektrode auf eine Elektrode ist kostengünstig und erlaubt eine Massenproduktion. Die Integration in derzeitige Herstellungsverfahren von Elektrodenwickeln (auch als Jelly Rolls bezeichnet) ist möglich. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 ein galvanisches Element in perspektivischer Darstellung ohne Gehäuse,
Figur 2 eine Wickelanordnung in perspektivischer Darstellung,
Figur 3 eine Wickelanordnung in Schnittansicht,
Figur 4 eine Wickelanordnung in Draufsicht,
Figur 5 eine Anordnung mit einer Referenzelektrode in
perspektivischer Darstellung und
Figuren 6a und 6b Schnitte durch Referenzelektroden gemäß verschiedenen
Ausführungsformen.
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten oder Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt ein galvanisches Element 1 in perspektivischer Ansicht der Übersicht halber ohne ein Gehäuse. Das galvanische Element 1 kann auch als eine Batteriezelle bezeichnet werden.
Das galvanische Element 1 umfasst vier dicht nebeneinander angeordnete Elektrodenwickel 2 und eine Deckelgruppe 5, wobei die Deckelgruppe 5 zwei Terminale 7 umfasst, wodurch das galvanische Element 1 von außen elektrisch kontaktiert wird.
Der Deckelgruppe 5 ist außerdem eine Befüllöffnung 9 und eine Berstmembran 11 zugeordnet. Die Befüllöffnung 9 und die Berstmembran 11 liegen im
Wesentlichen im Zentrum einer Abschlussplatte 13, wohingegen die Terminale 7 auf der Abschlussplatte 13 peripher gelegen sind. Zur Montage werden die vier Elektrodenwickel 2 in ein Zellgehäuse (nicht dargestellt) eingesetzt und das Zellgehäuse wird mit einem flüssigen Elektrolyten über die Befüllöffnung 9 befüllt, welche hiernach verschlossen wird.
Die vier Elektrodenwickel 2 wurden jeweils durch Aufwickeln einer
Wickelanordnung 3 hergestellt, wobei die Wickelanordnung 3 im Folgenden mit Bezug zu den Figuren 2 bis 4 näher beschrieben wird. Eine mögliche
Wickelachse 20 ist bereits in Figur 1 dargestellt. Bezüglich der Wickelachse 20 sind erste Stromsammler 12 entgegengesetzt zu zweiten Stromsammlern 14 angeordnet. Die ersten Stromsammler 12 und die zweiten Stromsammler 14 stehen dabei über Körper 10 heraus, welche den chemisch aktiven Teil der Elektrodenwickel 2 bilden. Auf der Seite der ersten Stromsammler 12 sind außerdem Referenzstromsammler 16 angeordnet. Die Referenzstromsammler 16 sind dabei in einem Abstand 15 von den ersten Stromsammlern 12
angeordnet und befinden sich vorteilhaft in der Nähe der Terminale 7.
Figur 2 zeigt eine Wickelanordnung 3, welche eine erste Elektrode 4, eine zweite Elektrode 6 und eine Referenzelektrode 8 umfasst. Die erste Elektrode 4 kann beispielsweise die Kathode sein und die zweite Elektrode 6 die Anode.
Die erste Elektrode 4 umfasst eine erste Schicht 26 mit erstem aktivem Material, d. h. mit kathodisch aktivem Material und den ersten Stromsammler 12, welcher in der dargestellten Ausführungsform mit einer Aussparung 18 versehen ist, in welcher der Referenzstromsammler 16 der Referenzelektrode 8 angeordnet ist.
Die zweite Elektrode 6 umfasst eine zweite Schicht 28 mit zweitem aktivem Material, d. h. mit anodisch aktivem Material, und den zweiten Stromsammler 14. Die erste Elektrode 4 und die zweite Elektrode 6 sind bezüglich der Wickelachse 20 (hier nicht dargestellt) zueinander versetzt angeordnet. Der erste Stromsammler 12 und der zweite Stromsammler 14 sind bezüglich der
Wickelachse 20 zueinander entgegengesetzt angeordnet und stehen über den Körper 10 heraus, der die erste Schicht 26 mit dem ersten aktiven Material der ersten Elektrode 4, die zweite Schicht 28 mit dem zweiten aktiven Material der zweiten Elektrode 6, sowie einen Separator 30 umfasst, welcher in Figur 4 dargestellt ist. Die erste Elektrode 4 weist damit einen ersten Überstand 22 gegenüber dem Körper 10 auf. Die zweite Elektrode 6 weist einen zweiten Überstand 24 gegenüber dem Körper 10 auf. Figur 3 zeigt einen Schnitt durch die in Figur 2 dargestellte Wickelanordnung 3 in der Zeichenebene, so dass die erste Elektrode 4 nicht dargestellt ist. Die Referenzelektrode 8 ist an den mit Pfeilen gekennzeichneten Stellen an die zweite Elektrode 6 geklebt. Alternativ kann eine vollflächige Klebung erfolgen. Bevorzugt wird eine Klebung an genau zwei möglichst weit voneinander beabstandeten Stellen, wie in Figur 3 dargestellt, so dass einerseits wenig
Material aufgewendet wird und andererseits eine richtungsstabile Befestigung besteht. Alternativ kann die Referenzelektrode 8 in analoger Weise an die erste Elektrode 4 (nicht dargestellt) geklebt sein. Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf die in Figur 2 dargestellte Wickelanordnung 3, wobei diese als ein Schichtsystem schematisch dargestellt ist und keine
Rückschlüsse auf die tatsächlichen Dicken der einzelnen Schichten zulässt. Lediglich die Abfolge der Schichten geht aus Figur 4 hervor. Die Wickelanordnung 3 umfasst die erste Elektrode 4, welche aus dem ersten
Stromsammler 12 gebildet wird, welcher beidseitig mit der ersten Schicht 26 mit dem ersten aktiven Material beschichtet ist. Die erste Elektrode 4 grenzt an einen Separator 30, welcher weiter an die Referenzelektrode 8 angrenzt. Die
Referenzelektrode 8 umfasst ebenfalls ein Schichtsystem mit dem ersten Stromsammler 12 und beidseitig einer dritten Schicht 36 mit drittem aktivem
Material, wie mit Bezug zu Figuren 5 und 6a, 6b dargestellt und beschrieben wird. Die Referenzelektrode 8 ist an ihrer dem Separator 30 und der ersten Elektrode 4 abgewandten Seite mit einer Isolierschicht 34 überdeckt, welche die Referenzelektrode 8 an solchen Stellen von der zweiten Elektrode 6 elektrisch isoliert, an welchen kein Kleber 32 vorhanden ist. In Figur 4 ist der Schnitt an einer Stelle dargestellt, an welcher der Kleber 32 vorhanden ist. Die zweite Elektrode 6 umfasst den zweiten Stromsammler 14, welcher beidseitig von der zweiten Schicht 28 mit dem zweiten aktiven Material umgeben ist.
Die zweite Elektrode 6 ist durch den Separator 30 von der ersten Elektrode 4 getrennt. Der Separator 30 ist dabei der bekannte Separator, der bei jeder
Batterie vollflächig zwischen Anode und Kathode gewickelt wird. Die
Referenzelektrode 8 ist durch den Separator 30 von der ersten Elektrode 4, und durch die Isolierschicht 34, die einen zweiten Separator bildet, von der zweiten Elektrode 6 getrennt.
Figur 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung mit der
Referenzelektrode 8 und der Isolierschicht 34 mit dem Kleber 32. Die
Referenzelektrode 8 umfasst den Referenzstromsammler 16, welcher beidseitig mit der dritten Schicht 36 mit dem dritten aktiven Material beschichtet ist. Der
Referenzstromsammler 16 steht mit einem dritten Überstand 38 über die dritte Schicht 36 mit dem dritten aktiven Material hinaus. Wiederum sind die
bevorzugten zwei Klebeflächen mit dem Kleber 32 zur Befestigung der
Referenzelektrode 8 an der ersten Elektrode 4 oder der zweiten Elektrode 6 dargestellt.
Figur 6a zeigt einen Querschnitt durch die Referenzelektrode 8 gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei der Referenzstromsammler 16 durch eine
Metallfolie 40 gebildet ist. Figur 6b zeigt einen entsprechenden Querschnitt durch die Referenzelektrode 8 gemäß einer weiteren Ausführungsform, bei welcher der Referenzstromsammler 16 durch ein Metallgitter 42 gebildet ist.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Elektrodenwickel (2) für ein galvanisches Element (1), mit einer ersten Elektrode (4), einer zweiten Elektrode (6), einem Separator (30) und einer Referenzelektrode (8), wobei die erste Elektrode (4) und die zweite Elektrode (6) durch den Separator (30) voneinander isoliert sind, wobei die Referenzelektrode (8) zwischen der ersten Elektrode (4) und der zweiten Elektrode (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (8) an die erste Elektrode (4) oder an die zweite Elektrode (6) geklebt ist.
2. Elektrodenwickel (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (8) einen Referenzstromsammler (16) umfasst, der als eine Metallfolie (40) oder als ein Metallgitter (42) ausgebildet ist.
3. Elektrodenwickel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (8) eine dritte Schicht (36) mit einem dritten aktiven Material umfasst, das LiFe04 und/oder Li4Ti50i2 aufweist.
4. Elektrodenwickel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (8) durch eine Isolierschicht (34) von derjenigen Elektrode (4, 6), an die sie geklebt ist, beabstandet ist.
5. Elektrodenwickel (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (34) ein keramisches Material, insbesondere Al203, und/oder ein chemisch inertes Polymer, insbesondere Poleolefine wie Polypropylen oder Polyethylen, aufweist.
6. Elektrodenwickel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (8) mit einem chemisch inerten Kleber (32) an die erste (4) oder an die zweite (6) Elektrode geklebt ist, der Polysiloxan und/oder Acryl aufweist.
Galvanisches Element (1), welches zumindest einen Elektrodenwickel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenwickels (2) für ein
galvanisches Element (1), insbesondere eines Elektrodenwickels (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit den Schritten: a) Bereitstellen einer ersten Elektrode (4), einer zweiten Elektrode (6), eines Separators (30) und einer Referenzelektrode (8), b) Erstellen einer Wickelanordnung (3), wobei die erste Elektrode (4) und die zweite Elektrode (6) durch den Separator (30) voneinander isoliert sind und wobei die Referenzelektrode (8) zwischen der ersten Elektrode (4) und der zweiten Elektrode (6) angeordnet ist, und c) Wickeln der Wickelanordnung (3) um eine Wickelachse (20) zur Herstellung des Elektrodenwickels (2), dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) die Referenzelektrode (8) an erste Elektrode (4) oder an die zweite Elektrode (6) geklebt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) die erste Elektrode (4) und die zweite Elektrode (6) bezüglich der Wickelachse (20) zueinander versetzt angeordnet werden, so dass ein erster Stromsammler (12) der ersten Elektrode (4) und ein zweiter Stromsammler (14) der zweiten Elektrode (6) bezüglich der Wickelachse (20) zueinander entgegengesetzt über einen Körper (10) herausstehen, der eine erste Schicht (26) mit erstem aktiven Material der ersten Elektrode (4) und eine zweite Schicht (28) mit zweitem aktiven Material der zweiten Elektrode (6) sowie den Separator (30) umfasst, und wobei ein Referenzstromsammler (16) der Referenzelektrode (8) in Richtung der Wickelachse (20) über den Körper (10) heraussteht. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsammler (12, 14) derjenigen Elektrode (4, 6), an welche die Referenzelektrode (8) geklebt wird, mit Aussparungen (18) versehen wird, und wobei im Schritt b) der Referenzstromsammler (16) in den Aussparungen (18) angeordnet wird.
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