WO2016177575A1 - Separator für eine batteriezelle und batteriezelle - Google Patents

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battery cell
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Stephan DANKO
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a separator for a battery cell for separating an anode and a cathode in the battery cell, which comprises a base material having a porosity, which may be ionically conductive.
  • the invention also relates to a battery cell which has at least one
  • Separator according to the invention comprises.
  • Electrical energy can be stored by means of batteries. Batteries convert chemical reaction energy into electrical energy. Here are batteries.
  • Primary batteries and secondary batteries distinguished. Primary batteries are only functional once, while secondary batteries, also referred to as accumulators, are rechargeable.
  • a battery comprises one or more battery cells.
  • lithium-ion battery cells and lithium-metal battery cells are used in an accumulator. These are characterized among other things by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge. Lithium-ion battery cells and lithium-metal battery cells are used, inter alia, in motor vehicles, in particular in electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV) and plug-in hybrid electric vehicles (plug-in hybrid electric vehicles). PHEV) are used.
  • EV electric vehicles
  • HEV hybrid electric vehicles
  • plug-in hybrid electric vehicles plug-in hybrid electric vehicles
  • PHEV plug-in hybrid electric vehicles
  • Lithium metal battery cells have a positive electrode, also known as
  • Cathode is called, and a negative electrode, which is also referred to as anode on.
  • the cathode and the anode each include one
  • the active material for the cathode is, for example, a metal oxide.
  • Active material for the anode is, for example, metallic lithium.
  • the active material of the anode contains lithium atoms.
  • Battery cell ie during a discharge process, electrons flow in an external circuit from the anode to the cathode.
  • lithium ions migrate from the anode to the cathode during a discharge process.
  • the lithium ions migrate from the cathode to the anode.
  • the electrodes of the battery cell are formed like a film and under
  • Interlayer of a separator which separates the anode from the cathode, wound into an electrode coil.
  • Such an electrode winding is also referred to as a jelly roll.
  • the electrodes may also be stacked to form an electrode stack.
  • a battery cell typically includes one or more electrode coils or electrode stacks. Furthermore, a battery cell comprises a liquid or solid electrolyte. The electrolyte is conductive to the lithium ions and allows the transport of lithium ions between the electrodes.
  • the battery cell further comprises a cell housing, which is made of aluminum, for example.
  • the cell housing is, for example prismatic, in particular cuboid, designed and pressure-resistant.
  • Terminals are located outside of the cell housing. Instead of a fixed cell housing, it is also possible to provide a soft foil which surrounds the electrode winding or electrode stack. Such a design
  • Battery cells are also referred to as pouch cells.
  • a problem with known lithium metal battery cells is a dendritic growth of the anode.
  • Discharging the battery cell can deposit lithium dendritic on the anode and grow from there to the cathode.
  • Growing dendrites can perforate the separator and cause local shorts inside the battery cell. Growing dendrites can thus increase the life of the
  • thermal runaway Significantly reduce battery cell and even cause a thermal destruction of the battery cell, which is also referred to as thermal runaway.
  • a generic battery cell comprising an anode and a cathode, wherein the active material of the anode metallic lithium or a
  • Lithium alloy has, for example, from US 2014/0234726 A1 known.
  • a porous separator is provided to separate the anode from the cathode.
  • a solid electrolyte is disposed between the anode and the separator and between the cathode and the separator.
  • Solid electrolyte prevents dendritic growth.
  • Base material includes, which may be formed ionically conductive.
  • the base material of the separator may also be formed ionically insulating.
  • the base material of the separator is formed mesoporous and mechanically stable and has continuous pores.
  • the pores are filled with one or more different ionically conductive materials, which may be solid, liquid or viscous, ie viscous or gel-like.
  • electrolyte layer which is formed by a solid electrolyte, and which has a lower porosity than the base material of the separator.
  • the electrolyte layer is thus mechanically harder than that
  • the solid electrolyte of the electrolyte layer is ionically conductive.
  • At least one intermediate layer is provided within the base material of the separator, which has a higher porosity than the electrolyte layer.
  • the electrolyte layer is arranged between a first intermediate layer and a second intermediate layer.
  • the two intermediate layers which receive the electrolyte layer between them, serve to connect the electrolyte layer to the anode and to the cathode.
  • the two intermediate layers can fill the remaining pores of the base material of the separator.
  • the at least intermediate layer is formed as a solid.
  • the at least one intermediate layer is viscous, ie viscous or like.
  • the at least one intermediate layer is formed liquid.
  • the anode comprises an anodic active material, which preferably adjoins at least one intermediate layer.
  • Intermediate layer serves to connect the electrolyte layer to the anodic active material.
  • a current conductor is arranged, which is made in particular of copper.
  • the anodic active material of the anode advantageously protrudes into the base material of the separator. This means, remaining pores of the base material of the separator, neither by the electrolyte layer nor by the
  • Intermediate layer are filled with metallic lithium of the anodic active material.
  • a current conductor is arranged, the
  • the battery cell When charging the battery cell can thus store lithium ions in said remaining pores of the base material of the separator. When discharging the battery cell, the lithium ions may diffuse from the remaining pores of the base material of the separator to the cathode. The volume of the separator remains approximately constant.
  • a battery cell which comprises at least one separator according to the invention.
  • a battery cell according to the invention advantageously finds use in a traction battery of an electric vehicle (EV), in particular one
  • EV electric vehicle
  • Hybrid vehicle HEV
  • PHEV plug-in hybrid vehicle
  • the separator according to the invention in particular the electrolyte layer of the separator, has a sufficient hardness to provide a sufficient mechanical resistance to a dendrite growing from the anode.
  • a growth of a dendrite by the Separator avoided throughout.
  • the separator prevents further unwanted components, for example polysulfides, from migrating from the cathode to the anode or in the opposite direction.
  • the separator according to the invention reduces volume changes of the anode during charging and discharging. Due to the reduced volume changes and mechanical stresses on the separator, which are caused by said volume changes of the anode are reduced. This also reduces the risk of cracks or breaks in the anode. Also, a relatively good connection of the solid electrolyte of the electrolyte layer of the separator to the anode and to the cathode of the battery cell
  • the separator according to the invention allows a locally resolved current density in the battery cell by the targeted local adjustment of the thickness of the electrolyte layer. This can for example be used advantageously for the edge sealing of battery cells.
  • Figure 1 is a schematic representation of a battery cell
  • Figure 2 is a schematic representation of the separator and the anode of
  • a battery cell 2 is shown schematically in FIG.
  • the battery cell 2 comprises a cell housing 3, which is prismatic, in the present cuboid.
  • the cell housing 3 is designed to be electrically conductive in the present case and made of aluminum or stainless steel, for example.
  • the cell housing 3 may also be made of an electrically insulating material, such as plastic.
  • Other shapes of the cell housing 3 are conceivable, for example circular cylindrical.
  • a fixed cell housing 3 may also be provided a soft film when the battery cell 2 is designed as a pouch cell.
  • the battery cell 2 comprises a negative terminal 11 and a positive terminal 12. Via the terminals 11, 12, a voltage provided by the battery cell 2 can be tapped off. Furthermore, the battery cell 2 can also be charged via the terminals 11, 12.
  • the terminals 11, 12 are spaced from one another on a top surface of the prismatic cell housing 3.
  • an electrode coil is arranged, which has two electrodes, namely an anode 21 and a cathode 22.
  • the anode 21 and the cathode 22 are each made like a foil and wound with the interposition of a separator 18 to the electrode coil. It is also conceivable that a plurality of electrode windings are provided in the cell housing 3. Instead of the electrode winding, an electrode stack can also be provided, for example.
  • the anode 21 comprises an anodic active material 41, which is designed like a foil.
  • the anodic active material 41 has lithium or a lithium-containing alloy as the base material. Also different
  • the anode 21 further comprises a current conductor 31, which is also formed like a foil.
  • the anodic active material 41 and the current conductor 31 are laid flat against each other and connected to each other.
  • the current conductor 31 of the anode 21 is made electrically conductive and made of a metal, in this case made of copper.
  • the current collector 31 of the anode 21 is electrically connected to the negative terminal 11 of the battery cell 2 by means of a collector.
  • the cathode 22 comprises a cathodic active material 42, which is designed like a foil.
  • the cathodic active material 42 has a base material
  • the cathode 22 further includes a current collector 32, which is also formed like a foil.
  • the cathodic active material 42 and the current collector 32 are laid flat against each other and connected to each other.
  • the current collector 32 of the cathode 22 is made electrically conductive and made of a metal, for example aluminum.
  • the current collector 32 of the cathode 22 is electrically connected to the positive terminal 12 of the battery cell 2.
  • the anode 21 and the cathode 22 are separated from each other by the separator 18.
  • the separator 18 is also formed like a film.
  • the separator 18 is electrically insulating, but ionically conductive, so permeable to lithium ions.
  • the separator 18 has a mesoporous and mechanically stable base material with continuous pores.
  • Base material of the separator 18 is, for example, between 10
  • the base material of the separator 18 is, for example, a ceramic, in particular mesoporous silica.
  • the separator 18 includes a first intermediate layer 51, an electrolyte layer
  • the electrolyte layer 15 is surrounded by the first intermediate layer 51 and the second intermediate layer 52.
  • the anodic active material 41 abuts against the first intermediate layer 51.
  • the current conductor 31 of the anode 21 is arranged on the side of the first intermediate layer 51, which faces away from the anodic active material 41, ie lies opposite.
  • the electrolyte layer 15 is formed by a solid electrolyte embedded in the base material of the separator 18.
  • the solid electrolyte of the electrolyte layer 15 is made of a relatively thin material, in particular made of an inorganic, ceramic material.
  • the solid electrolyte of the electrolyte layer 15 is made of LiPON.
  • the introduction of the electrolyte layer 15 into the base material of the separator 18 takes place, for example, by means of a vacuum process.
  • a vacuum process Such a
  • Vacuum process allows filling of pores of the base material of the
  • Separators 18 in the present case contain solid polymers, in particular
  • first intermediate layer 51 and the second intermediate layer 52 of the separator 18 may also contain gel-like, viscous polymers, which are impregnated in particular with a liquid electrolyte.
  • the addition of lithium conductive salts is conceivable.
  • it is conceivable that the first intermediate layer 51 and the second intermediate layer 52 of the separator 18 may also contain gel-like, viscous polymers, which are impregnated in particular with a liquid electrolyte.
  • lithium conductive salts is conceivable.
  • Intermediate layer 51 and the second intermediate layer 52 of the separator 18 contain pure liquid electrolytes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Separator (18) zur Trennung einer Anode (21) und einer Kathode (22) in einer Batteriezelle(2),welcher ein eine Porosität aufweisendes Grundmaterial umfasst, welches ionisch leitend sein kann. Dabei ist innerhalb des Grundmaterials des Separators (18) eine Elektrolytschicht (15) vorgesehen, welche durch einen Feststoffelektrolyt gebildet ist, und welche eine geringere Porosität als das Grundmaterial des Separators (18) aufweist. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle (2),welche mindestens einen erfindungsgemäßen Separator (18) umfasst.

Description

Separator für eine Batteriezelle und Batteriezelle
Die Erfindung betrifft einen Separator für eine Batteriezelle zur Trennung einer Anode und einer Kathode in der Batteriezelle, welcher ein eine Porosität aufweisendes Grundmaterial umfasst, welches ionisch leitend sein kann. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, welche mindestens einen
erfindungsgemäßen Separator umfasst.
Stand der Technik
Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden
Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen.
In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen- Batteriezellen sowie Lithium-Metall-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen sowie Lithium- Metall-Batteriezellen kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.
Lithium-Metall-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als
Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen
Stromableiter, auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Bei dem Aktivmaterial für die Kathode handelt es sich beispielsweise um ein Metalloxid. Bei dem Aktivmaterial für die Anode handelt es sich beispielsweise um metallisches Lithium.
Das Aktivmaterial der Anode enthält Lithiumatome. Beim Betrieb der
Batteriezelle, also bei einem Entladevorgang, fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode. Innerhalb der Batteriezelle wandern Lithiumionen bei einem Entladevorgang von der Anode zur Kathode. Bei einem Ladevorgang der Batteriezelle wandern die Lithiumionen von der Kathode zu der Anode. Dabei werden die Lithiumionen auf der Anode
elektrochemisch abgeschieden.
Die Elektroden der Batteriezelle sind folienartig ausgebildet und unter
Zwischenlage eines Separators, welcher die Anode von der Kathode trennt, zu einem Elektrodenwickel gewunden. Ein solcher Elektrodenwickel wird auch als Jelly-Roll bezeichnet. Die Elektroden können auch zu einem Elektrodenstapel übereinander geschichtet sein.
Die beiden Elektroden des Elektrodenwickels oder des Elektrodenstapels werden mittels Kollektoren elektrisch mit Polen der Batteriezelle, welche auch als Terminals bezeichnet werden, verbunden. Eine Batteriezelle umfasst in der Regel eine oder mehrere Elektrodenwickel oder Elektrodenstapel. Ferner umfasst eine Batteriezelle einen flüssigen oder festen Elektrolyt. Der Elektrolyt ist für die Lithiumionen leitfähig und ermöglicht den Transport der Lithiumionen zwischen den Elektroden.
Die Batteriezelle weist ferner ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium gefertigt ist. Das Zellengehäuse ist beispielsweise prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltet und druckfest ausgebildet. Die
Terminals befinden sich dabei außerhalb des Zellengehäuses. Anstelle eines festen Zellegehäuses kann auch eine weiche Folie vorgesehen sein, welche den Elektrodenwickel oder Elektrodenstapel umgibt. Derart ausgestaltete
Batteriezellen werden auch als Pouchzellen bezeichnet.
Problematisch bei bekannten Lithium-Metall-Batteriezellen ist ein dendritisches Wachstum der Anode. Während der sich wiederholenden Lade- und Entladevorgänge der Batteriezelle kann sich Lithium dendritisch auf der Anode ablagern und von dort auf die Kathode zu wachsen. Wachsende Dendrite können den Separator perforieren und lokale Kurzschlüsse innerhalb der Batteriezelle verursachen. Wachsende Dendrite können somit die Lebensdauer der
Batteriezelle deutlich verringern und sogar eine thermische Zerstörung der Batteriezelle, was auch als thermisches Durchgehen bezeichnet wird, verursachen.
Eine gattungsgemäße Batteriezelle, die eine Anode und eine Kathode umfasst, wobei das Aktivmaterial der Anode metallisches Lithium oder eine
Lithiumlegierung aufweist, ist beispielsweise aus der US 2014/0234726 A1 bekannt. Zur Trennung der Anode von der Kathode ist ein poröser Separator vorgesehen. Ein Feststoffelektrolyt ist zwischen der Anode und dem Separator sowie zwischen der Kathode und dem Separator angeordnet. Der
Feststoffelektrolyt verhindert ein Durchwachsen von Dendriten.
In der US 2014/0170503 AI ist eine Batteriezelle mit einem Feststoffelektrolyt offenbart, der auf eine Elektrode der Batteriezelle als Beschichtung aufgebracht ist.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Separator zur Trennung einer Anode und einer Kathode in einer Batteriezelle vorgeschlagen, welcher ein eine Porosität aufweisendes
Grundmaterial umfasst, welches ionisch leitend ausgebildet sein kann. Das Grundmaterial des Separators kann aber auch ionisch isolierend ausgebildet sein.
Das Grundmaterial des Separators ist dabei mesoporös und mechanisch stabil ausgebildet und weist durchgängige Poren auf. Die Poren sind gefüllt mit einem oder mehreren verschiedenen ionisch leitenden Materialien, die fest, flüssig oder viskos, also zähflüssig oder gel-artig, ausgebildet sein können.
Erfindungsgemäß ist innerhalb des Grundmaterials des Separators eine
Elektrolytschicht vorgesehen, welche durch einen Feststoffelektrolyt gebildet ist, und welche eine geringere Porosität als das Grundmaterial des Separators aufweist. Die Elektrolytschicht ist somit auch mechanisch härter als das
Grundmaterial des Separators. Innere Poren des Grundmaterials des Separators sind, zumindest teilweise von einer Seite, durch die Elektrolytschicht bedeckt oder geschlossen. Der Feststoffelektrolyt der Elektrolytschicht ist dabei ionisch leitend.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb des Grundmaterials des Separators mindestens eine Zwischenschicht vorgesehen, welche eine höhere Porosität als die Elektrolytschicht aufweist. Die
Zwischenschicht ist somit auch mechanisch weicher als der Feststoffelektrolyt der Elektrolytschicht. Die besagte Zwischenschicht ist dabei ionisch leitend ausgebildet. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Elektrolytschicht zwischen einer ersten Zwischenschicht und einer zweiten Zwischenschicht angeordnet. Die beiden Zwischenschichten, welche die Elektrolytschicht zwischen sich aufnehmen, dienen der Anbindung der Elektrolytschicht an die Anode sowie an die Kathode. Die beiden Zwischenschichten können die verbleibenden Poren des Grundmaterials des Separators ausfüllen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens Zwischenschicht als Feststoff ausgebildet.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Zwischenschicht viskos ausgebildet, also zähflüssig oder artig.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Zwischenschicht flüssig ausgebildet.
Die Anode umfasst ein anodisches Aktivmaterial, welches vorzugsweise an d mindestens eine Zwischenschicht angrenzt. Die mindestens eine
Zwischenschicht dient der Anbindung der Elektrolytschicht an das anodische Aktivmaterial. Auf einer der der Zwischenschicht abgewandten Seite des anodischen Aktivmaterials ist ein Stromableiter angeordnet, der insbesondere aus Kupfer gefertigt ist.
Das anodische Aktivmaterial der Anode ragt vorteilhaft in das Grundmaterial des Separators hinein. Das bedeutet, noch verbleibende Poren des Grundmaterials des Separators, die weder durch die Elektrolytschicht noch durch die
Zwischenschicht ausgefüllt sind, sind mit metallischem Lithium des anodischen Aktivmaterials ausgefüllt. Auf einer der der Zwischenschicht abgewandten Seite des anodischen Aktivmaterials ist ein Stromableiter angeordnet, der
insbesondere aus Kupfer gefertigt ist.
Beim Laden der Batteriezelle können somit Lithiumionen in die besagten verbleibenden Poren des Grundmaterials des Separators einlagern. Beim Entladen der Batteriezelle können die Lithiumionen von den verbleibenden Poren des Grundmaterials des Separators zu der Kathode diffundieren. Das Volumen des Separators bleibt dabei annähernd konstant. Somit sind
Volumenänderungen des Separators sowie der Anode vermindert. Dadurch sind auch mechanische Spannungen innerhalb der Batteriezelle vermindert. Ferner wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens einen erfindungsgemäßen Separator umfasst.
Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs(EV), insbesondere eines
Hybridfahrzeugs (HEV) oder eines Plug-In-Hybridfahrzeugs (PHEV), sowie in einem Comsumer-Elektronik-Produkt. Unter Comsumer-Elektronik-Produkten sind dabei insbesondere Mobiltelefone, Tablet-PCs oder Notebooks zu verstehen. Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Separator, insbesondere die Elektrolytschicht des Separators, weist eine ausreichende Härte auf, um einem von der Anode wachsenden Dendriten einen ausreichenden mechanischen Widerstand entgegen zu stellen. Somit ist ein Wachstum eines Dendriten durch den Separator hindurch vermieden. Ferner verhindert der Separator, dass weitere unerwünschte Komponenten, beispielsweise Polysulfide, von der Kathode zur Anode oder in umgekehrte Richtung wandern.
Ferner vermindert der erfindungsgemäße Separator Volumenänderungen der Anode beim Laden und Entladen. Durch die verminderten Volumenänderungen sind auch mechanische Spannungen am Separator, die durch die besagten Volumenänderungen der Anode verursacht werden, vermindert. Dadurch ist auch die Gefahr von Rissen oder Brüchen in der Anode vermindert. Auch ist eine verhältnismäßig gute Anbindung des Feststoffelektrolyten der Elektrolytschicht des Separators an die Anode sowie an die Kathode der Batteriezelle
gewährleistet.
Ferner ermöglicht der erfindungsgemäße Separator durch die gezielte örtliche Einstellung der Dicke der Elektrolytschicht eine örtlich aufgelöste Stromdichte in der Batteriezelle. Dies kann beispielsweise vorteilhaft für die Randabdichtung von Batteriezellen genutzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle und
Figur 2 eine schematische Darstellung des Separators und der Anode der
Batteriezelle aus Figur 1.
Ausführungsformen der Erfindung
Eine Batteriezelle 2 ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Zellengehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium oder Edelstahl gefertigt. Das Zellengehäuse 3 kann aber auch aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt sein. Auch andere Formen des Zellengehäuses 3 sind denkbar, beispielsweise kreiszylindrisch. Anstelle eines festen Zellegehäuses 3 kann auch eine weiche Folie vorgesehen sein, wenn die Batteriezelle 2 als Pouchzelle ausgestaltet ist.
Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden. Die Terminals 11, 12 sind beabstandet voneinander an einer Deckfläche des prismatischen Zellengehäuses 3 angeordnet.
Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist ein Elektrodenwickel angeordnet, welcher zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, aufweist. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und unter Zwischenlage eines Separators 18 zu dem Elektrodenwickel gewickelt. Es ist auch denkbar, dass mehrere Elektrodenwickel in dem Zellengehäuse 3 vorgesehen sind. Anstelle des Elektrodenwickels kann auch beispielsweise ein Elektrodenstapel vorgesehen sein.
Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial 41, welches folienartig ausgeführt ist. Das anodische Aktivmaterial 41 weist dabei als Grundstoff Lithium oder eine Lithium enthaltende Legierung auf. Auch anders geartete
Metallelektroden sind denkbar. Die Anode 21 umfasst ferner einen Stromableiter 31, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das anodische Aktivmaterial 41 und der Stromableiter 31 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden.
Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, vorliegend aus Kupfer. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 mittels eines Kollektors verbunden. Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial 42, welches folienartig ausgeführt ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 weist als Grundstoff ein
Metalloxid auf, beispielsweise Lithium-Kobalt-Oxid (UC0O2). Die Kathode 22 umfasst ferner einen Stromableiter 32, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 und der Stromableiter 32 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden.
Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
Die Anode 21 und die Kathode 22 sind durch den Separator 18 voneinander getrennt. Der Separator 18 ist ebenfalls folienartig ausgebildet. Der Separator 18 ist elektrisch isolierend ausgebildet, aber ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig.
In Figur 2 sind der Separator 18 und die Anode 21 der Batteriezelle 2 aus Figur 1 schematisch dargestellt. Der Separator 18 weist ein mesoporös und mechanisch stabil ausgebildetes Grundmaterial mit durchgängigen Poren auf. Die Dicke des
Grundmaterials des Separators 18 beträgt beispielsweise zwischen 10
Mikrometer und 50 Mikrometer. Das Grundmaterial des Separators 18 ist beispielsweise eine Keramik, insbesondere mesoporöses Silika. Der Separator 18 umfasst eine erste Zwischenschicht 51, eine Elektrolytschicht
15 und eine zweite Zwischenschicht 52. Die Elektrolytschicht 15 ist dabei von der ersten Zwischenschicht 51 und der zweiten Zwischenschicht 52 umgeben. Das anodische Aktivmaterial 41 liegt an der ersten Zwischenschicht 51 an. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist an der Seite der ersten Zwischenschicht 51 angeordnet, welche dem anodischen Aktivmaterial 41 abgewandt ist, also gegenüber liegt.
Die Elektrolytschicht 15 ist durch einen Feststoffelektrolyt gebildet, der in das Grundmaterial des Separators 18 eingebettet ist. Der Feststoffelektrolyt der Elektrolytschicht 15 ist aus einem verhältnismäßig dünn herstellbaren Material, insbesondere aus einem anorganischen, keramischen Material hergestellt.
Vorliegend ist der Feststoffelektrolyt der Elektrolytschicht 15 aus LiPON hergestellt.
Das Einbringen der Elektrolytschicht 15 in das Grundmaterial des Separators 18 erfolgt beispielsweise mittels eines Vakuumprozesses. Ein solcher
Vakuumprozess gestattet ein Füllen von Poren des Grundmaterials des
Separators 18 mit dem Feststoffelektrolyt.
Die erste Zwischenschicht 51 sowie die zweite Zwischenschicht 52 des
Separators 18 enthalten vorliegend feste Polymere, insbesondere
Polyethylenglycol (PEO), unter Zugabe von Lithium-Leitsalzen, beispielsweise LiTFSI.
Alternativ können die erste Zwischenschicht 51 sowie die zweite Zwischenschicht 52 des Separators 18 auch gel-artige, viskose Polymere enthalten, die insbesondere mit einem Flüssigelektrolyt getränkt sind. Auch die Zugabe von Lithium-Leitsalzen ist denkbar. Ebenso ist es denkbar, dass die erste
Zwischenschicht 51 sowie die zweite Zwischenschicht 52 des Separators 18 reine Flüssigelektrolyte enthalten.
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. Separator (18) zur Trennung einer Anode (21) und einer Kathode (22) in einer Batteriezelle (2),
welcher ein eine Porosität aufweisendes Grundmaterial umfasst, welches ionisch leitend sein kann,
dadurch gekennzeichnet, dass
innerhalb des Grundmaterials des Separators (18) eine Elektrolytschicht (15) vorgesehen ist,
welche durch einen Feststoffelektrolyt gebildet ist, und
welche eine geringere Porosität als das Grundmaterial des Separators
(18) aufweist.
2. Separator (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
innerhalb des Grundmaterials des Separators (18) mindestens eine Zwischenschicht (51, 52) vorgesehen ist, welche eine höhere Porosität als die Elektrolytschicht (15) aufweist.
3. Separator (18) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektrolytschicht (15) zwischen einer ersten Zwischenschicht (51) und einer zweiten Zwischenschicht (52) angeordnet ist.
4. Separator (18) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zwischenschicht (51, 52) als Feststoff ausgebildet ist.
5. Separator (18) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zwischenschicht (51, 52) viskos ausgebildet ist.
6. Separator (18) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zwischenschicht (51, 52) flüssig ausgebildet ist.
7. Separator (18) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass Anode (21) ein anodisches Aktivmaterial (41) umfasst, welches an die mindestens eine Zwischenschicht (51, 52) angrenzt.
8. Separator (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Anode (21) ein anodisches Aktivmaterial (41) umfasst, welches in das Grundmaterial des Separators (18) hinein ragt.
9. Batteriezelle (2), umfassend mindestens einen Separator (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
10. Verwendung einer Batteriezelle (2) nach Anspruch 9 in einer
Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs (EV) oder in einem Comsumer- Elektronik-Produkt.
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