WO2021249808A1 - Lithium-ionen-zelle mit hoher spezifischer energiedichte - Google Patents

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Edward Pytlik
David ENSLING
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Definitions

  • Lithium-ion cells with a high specific energy density Lithium-ion cells with a high specific energy density
  • the invention described below relates to a lithium-ion cell which comprises an electrode-separator assembly.
  • Electrochemical cells are able to convert stored chemical energy into electrical energy through a redox reaction. They usually include a positive and a negative electrode, which are separated from one another by a separator. In the event of a discharge, electrons are released at the negative electrode through an oxidation process. This results in a stream of electrons that can be tapped from an external electrical consumer for which the electrochemical cell serves as an energy supplier. At the same time, an ion current corresponding to the electrode reaction occurs within the cell. This stream of ions passes through the separator and is made possible by an ion-conducting electrolyte.
  • the discharge is reversible, i.e. there is the possibility of reversing the conversion of chemical energy into electrical energy that took place during the discharge and thus recharging the cell, it is called a secondary cell.
  • the designation of the negative electrode as anode and the designation of the positive electrode as cathode, which is generally used in secondary cells, relates to the discharge function of the electrochemical cell.
  • the widespread secondary lithium-ion cells are based on the use of lithium, which can migrate back and forth between the electrodes of the cell in the form of ions.
  • the lithium-ion cells are characterized by a comparatively high energy density.
  • the negative electrode and the positive electrode of a lithium-ion cell are usually formed by so-called composite electrodes which, in addition to electrochemically active components, also include electrochemically inactive components.
  • electrochemically active components for secondary lithium-ion cells
  • active materials in principle all materials can be used that can absorb lithium ions and then release them again.
  • carbon-based particles such as graphitic carbon
  • Other non-graphitic carbon materials that are suitable for intercalation of lithium can also be used.
  • metallic and semi-metallic materials that can be alloyed with lithium can also be used.
  • the elements tin, aluminum, antimony and silicon are able to form intermetallic phases with lithium.
  • active materials for the positive Electrode can be used, for example, lithium cobalt oxide (LiCo0 2 ), lithium manganese oxide (LiMn 2 0), lithium titanate (Li 4 Ti 5 0i 2 ) or lithium iron phosphate (LiFeP0) or derivatives thereof.
  • the electrochemically active materials are usually contained in the electrodes in particle form.
  • the composite electrodes generally comprise a flat and / or strip-shaped current collector, for example a metallic foil that is coated with an active material.
  • the current collector for the negative electrode can be made of copper or nickel, for example, and the current collector for the positive electrode (cathode current collector) can be made of aluminum, for example.
  • the electrodes can comprise an electrode binder (for example polyvinylidene fluoride (PVDF) or another polymer, for example carboxymethyl cellulose). This ensures the mechanical stability of the electrodes and often also the adhesion of the active material to the current collectors.
  • the electrodes can contain conductivity-improving additives and other additives.
  • Lithium-ion cells usually contain solutions of lithium salts such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in organic solvents (e.g. ethers and esters of carbon acid) as electrolytes.
  • lithium salts such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 )
  • organic solvents e.g. ethers and esters of carbon acid
  • the composite electrodes are combined with one or more separators to form a composite body.
  • the electrodes and separators are connected to one another by lamination or gluing.
  • the basic functionality of the cell can then be produced by impregnating the composite with the electrolyte.
  • the composite body is designed to be flat, so that several composite bodies can be stacked flat on top of one another. Very often, however, the composite body is formed in the form of a roll or processed into a roll.
  • the composite body regardless of whether it is wound or not, comprises the sequence positive electrode / separator / negative electrode.
  • Composite bodies are often produced as so-called bicells with the possible sequences negative electrode / separator / positive electrode / separator / negative electrode or positive electrode / separator / negative electrode / separator / positive electrode.
  • lithium-ion cells with the highest possible energy density are required, which are simultaneously able to handle high currents during charging and discharging will. Such cells are described, for example, in WO 2017/215900 A1.
  • Cells for the applications mentioned are often designed as cylindrical round cells, for example with a form factor of 21 ⁇ 70 (diameter times height in mm). Cells of this type always comprise a composite body in the form of a coil. Modern lithium-ion cells of this form factor can already achieve an energy density of up to 270 Wh / kg. However, this energy density is only seen as an intermediate step. The market is already demanding cells with even higher energy densities.
  • the internal resistance of the cells which should be kept as low as possible in order to reduce power losses during charging and discharging, and the thermal connection of the electrodes, which can be essential for temperature regulation of the cell, are also extremely important parameters. These parameters are also very important for cylindrical round cells that contain a composite body in the form of a coil. When cells are rapidly charged, heat build-up can occur in the cells due to power losses, which can lead to massive thermomechanical loads and, as a result, to deformation and damage to the cell structure.
  • Very high energy densities can be achieved in particular when using tin, aluminum, antimony and / or silicon as active material in negative electrodes.
  • Silicon has a maximum capacity of more than 3500 mAh / g. That is around ten times more than the specific capacity of graphite.
  • the use of electrode materials with high proportions of the metallic active materials mentioned is associated with difficulties. Particles made from these materials are subject to comparatively strong volume changes during loading and unloading. This results in mechanical loads and possibly also mechanical damage. For example, proportions of more than 10% silicon in negative electrodes have so far been difficult to control.
  • the present invention was based on the object of providing lithium-ion cells which are distinguished by an energy density which is improved compared to the prior art and which at the same time have excellent characteristics with regard to their internal resistance and their passive cooling capabilities.
  • the lithium-ion cell according to the invention is always characterized by the following features a. to j. from: a.
  • the cell comprises an electrode-separator assembly with the sequence anode / separator / cathode, preferably a strip-shaped electrode-separator assembly with the sequence anode / separator / cathode.
  • the anode comprises an anode current collector with a first and a second edge, preferably a band-shaped anode current collector with a first and a second longitudinal edge and two end pieces.
  • the anode current collector has a main area that is loaded with a layer of negative electrode material, preferably a band-shaped main area that is loaded with a layer of the negative electrode material, and a free edge strip that extends along the first edge of the anode current collector, in particular along of the first longitudinal edge of the anode current collector, and which is not loaded with the electrode material on.
  • the cathode comprises a cathode current collector with a first and a second edge, preferably a band-shaped cathode current collector with a first and a second longitudinal edge and two end pieces.
  • the cathode current collector has a main area which is loaded with a layer of positive electrode material, preferably a band-shaped main area which is loaded with a layer of the positive electrode material, and a free edge strip which extends along the first edge of the cathode current collector, in particular along the first longitudinal edge of the cathode current collector, and which is not loaded with the electrode material on.
  • the electrode-separator composite is in the form of a roll with two terminal end faces or is part of a stack which is formed from two or more identical electrode-separator composites and also has two terminal sides.
  • the electrode-separator assembly optionally together with the further identical electrode-separator assembly or assemblies of the stack, is enclosed by a housing. H.
  • the anode and the cathode are designed and / or arranged within the electrode-separator composite in such a way that the first edge or longitudinal edge of the anode current collector consists of one of the end faces or sides of the stack and the first edge or longitudinal edge of the cathode current collector emerges from the other of the end faces or sides of the stack.
  • the cell has a metallic sheet metal contact part with one of the first edges or longitudinal edges, preferably lengthwise, in direct contact.
  • the sheet metal contact part is connected to this edge or longitudinal edge by welding.
  • the cell particularly preferably comprises two contact sheet parts, one of which is in direct contact with the first edge or longitudinal edge of the anode current collector and the other with the first edge or longitudinal edge of the cathode current collector, the contact sheet metal parts and the edges or longitudinal edges in contact therewith each passing through Welding are connected to one another.
  • the current collectors are used to make electrical contact with the electrochemically active components contained in the electrode material over as large an area as possible.
  • the current collectors preferably consist of a metal or are at least superficially metallized.
  • Suitable metals for the anode current collector are, for example, copper or nickel or other electrically conductive materials, in particular copper and nickel alloys or metals coated with nickel. Also Stainless steel is basically an option.
  • Suitable metals for the cathode current collector are, for example, aluminum or other electrically conductive materials, in particular also aluminum alloys.
  • the anode current collector and / or the cathode current collector are preferably each a metal foil with a thickness in the range from 4 pm to 30 pm, in particular a band-shaped metal foil with a thickness in the range from 4 pm to 30 pm.
  • strip-shaped substrates such as metallic or metallized fleeces or open-pore foams can also be used as current collectors.
  • the current collectors are preferably loaded with the respective electrode material on both sides.
  • the metal of the respective current collector is free of the respective electrode material.
  • the metal of the respective current collector is preferably uncovered there, so that it is available for electrical contacting, for example by welding.
  • the metal of the respective current collector can strip into the free edge, but it can also be coated with a support material that is more thermally stable than the current collector coated therewith.
  • “Thermally more stable” is intended to mean that the support material retains a solid state at a temperature at which the metal of the current collector melts. It either has a higher melting point than the metal, or it sublimes or decomposes only at a temperature at which the metal has already melted.
  • Both the anode current collector and the cathode current collector preferably each have a free edge strip along the first edge, preferably along the first longitudinal edge, which is not loaded with the respective electrode material.
  • both the at least one free edge strip of the anode current collector and the at least one free edge strip of the cathode current collector are coated with the support material.
  • the same support material is particularly preferably used for each of the areas.
  • the support material that can be used in the context of the present invention can in principle be a metal or a metal alloy, provided that this or these has a higher melting point than the metal that makes up the surface coated with the support material.
  • the lithium-ion cell according to the invention is, however, preferably characterized by at least one of the additional features immediately following a. to d. from: a.
  • the support material is a non-metallic material.
  • the support material is an electrically insulating material.
  • the non-metallic material is a ceramic material, a glaske ramisches material or a glass. d.
  • the ceramic material is aluminum oxide (Al 2 0 3 ), titanium oxide (Ti0 2 ), titanium nitride (TiN), titanium aluminum nitride (TiAlN), a silicon oxide, in particular silicon dioxide (Si0 2 ), or titanium carbonitride (TiCN).
  • the support material is particularly preferred according to the immediately above feature b. and particularly preferably according to the immediately preceding feature d. educated.
  • non-metallic material includes in particular plastics, glasses and ceramic materials.
  • electrically insulating material is to be interpreted broadly in the present case. It basically includes any electrically insulating material, in particular also said plastics.
  • ceramic material is to be interpreted broadly in the present case. In particular, these are to be understood as meaning carbides, nitrides, oxides, silicides or mixtures and derivatives of these compounds.
  • glass-ceramic material means, in particular, a material that comprises crystalline particles that are embedded in an amorphous glass phase.
  • glass basically means any inorganic glass that meets the criteria for thermal stability defined above and that is chemically stable to any electrolyte that may be present in the cell.
  • the anode current collector consists of copper or a copper alloy
  • the cathode current collector consists of aluminum or an aluminum alloy and the support material is aluminum oxide or titanium oxide.
  • the free edge strips of the anode and / or the cathode current collector are coated with a strip of the support material.
  • the main areas in particular the band-shaped main areas of the anode current collector and cathode current collector, preferably extend parallel to the respective edges or longitudinal edges of the current collectors.
  • the band-shaped main areas preferably extend over at least 90%, particularly preferably over at least 95%, of the surfaces of the anode current collector and cathode current collector.
  • the support material is applied next to the preferably band-shaped main areas, but does not completely cover the free areas.
  • it is applied in the form of a strip or a line along an edge of anode and / or cathode current collector, in particular a longitudinal edge of anode and / or cathode current collector, so that it only partially covers the respective edge strip. Immediately along this edge or longitudinal edge, an elongated portion of the free edge strip can remain uncovered.
  • the lithium-ion cell according to the invention is particularly preferably a secondary lithium-ion cell.
  • carbon-based particles such as graphitic carbon or non-graphitic carbon materials capable of intercalating lithium, preferably also in particle form, can be used as active materials.
  • lithium titanate Li Ti 5 0i 2
  • a derivative thereof may be contained in the negative electrode, also preferably in particulate form.
  • the cell according to the invention is particularly notable, however, in addition to the above-mentioned mandatory features a. bisj. by the immediately following feature k. out: k.
  • the negative electrode material comprises as active material at least one material from the group with silicon, aluminum, tin, antimony and a compound or alloy of these materi alien, which lithium can reversibly store and remove, in a proportion of 20 wt .-% to 90 wt .-%.
  • the weight data relate to the dry mass of the negative electrode material, i.e. without electrolyte and without taking into account the weight of the anode current collector.
  • tin, aluminum, antimony and silicon are able to form intermetallic phases with lithium.
  • the capacity to absorb lithium exceeds that of graphite or comparable materials many times over, especially in the case of silicon.
  • silicon is particularly preferred.
  • Particularly preferred according to the invention are accordingly cells whose negative electrode contains silicon as the active material in a proportion of 20% by weight to 90% by weight.
  • Some compounds of silicon, aluminum, tin and / or antimony can also reversibly store and remove lithium.
  • the silicon can be contained in oxidic form in the negative electrode.
  • the design of the cell according to the invention enables a significant advantage. As he mentioned at the beginning, occur with electrodes in which the electrical connection of the current collectors takes place via the separate tabs mentioned at the beginning, when loading and unloading directly in the vicinity of the tabs, greater thermomechanical loads than away from the tabs. This difference is particularly pronounced in the case of negative electrodes, which have a proportion of silicon, aluminum, tin and / or antimony as active material.
  • the electrical connection of the current collector (s) via the sheet metal contact parts not only enables comparatively uniform and efficient heat dissipation of cells according to the invention, but also distributes the thermomechanical loads occurring during charging and discharging evenly on the roll. Surprisingly, this makes it possible to control very high proportions of silicon and / or tin and / or antimony in the negative electrode; with proportions> 50%, comparatively seldom or no damage occurs during charging and discharging Result of the thermomechanical loads. By increasing the proportion of silicon, for example, in the anode, the energy density of the cell can be greatly increased.
  • the tin, aluminum, silicon and antimony do not necessarily have to be metals in their purest form.
  • silicon particles can also have traces or proportions of other elements, in particular other metals (apart from the lithium contained anyway depending on the state of charge), for example in proportions of up to 40% by weight, in particular in proportions of up to 10 Wt%. Alloys of tin, aluminum, silicon and antimony can also be used.
  • the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. and b. from: a.
  • the negative electrode material furthermore comprises carbon-based particles capable of reversible storage and removal of lithium, such as graphitic carbon, in particular a mixture of silicon and these carbon-based particles.
  • the carbon-based particles capable of intercalating lithium are contained in the electrode material in a proportion of 5% by weight to 75% by weight, in particular in a proportion of 15% by weight to 45% by weight.
  • the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to c. from: a.
  • the negative electrode material comprises an electrode binder and / or a conductive agent.
  • the electrode binder is contained in the negative electrode material in a proportion of 1% by weight to 15% by weight, in particular in a proportion of 1% by weight to 5% by weight.
  • the conductive agent is contained in the negative electrode material in a proportion of 0.1% by weight to 15% by weight, in particular in a proportion of 1% by weight to 5% by weight.
  • the active materials are preferably embedded in a matrix made of the electrode binder, with neighboring particles in the matrix preferably being in direct contact with one another.
  • Conductors are used to increase the electrical conductivity of the electrodes.
  • Usual electrode binders are based, for example, on polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylate or carboxymethyl cellulose.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • Common conductive agents are soot and metal powder.
  • the positive electrode material comprises a PVDF binder and the negative electrode material comprises a polyacrylate binder, in particular lithium polyacrylic acid.
  • lithium metal oxide compounds and lithium metal phosphate compounds such as LiCo0 2 and LiFeP0 come into consideration as active materials for the positive electrode.
  • lithium nickel manganese cobalt aluminum oxide (NMCA) with the empirical formula Lii . n (Nio .4 oMn 0.39 Coo .i6 Alo . o 5 ) o .89 0 2 or Lii + x M-0 compounds and / or mixtures of the materials mentioned can be used.
  • the high content of silicon in the anode of a cell according to the invention requires a correspondingly high-capacitance cathode in order to be able to achieve a good cell balance. Therefore, NMC, NCA or NMCA are particularly preferred.
  • the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to e. from: a.
  • the positive electrode material comprises, as active material, at least one metal oxide compound capable of reversible storage and removal of lithium, preferably one of the above-mentioned compounds, in particular NMC, NCA or NMCA.
  • the at least one oxidic compound is contained in the electrode material in a proportion of 50% by weight to 99% by weight, in particular in a proportion of 80% by weight to 99% by weight.
  • the positive electrode material also preferably comprises the electrode binder and / or the conductive means. d.
  • the electrode binder is contained in the positive electrode material in a proportion of 1% by weight to 15% by weight, in particular in a proportion of 2% by weight to 5% by weight. e.
  • the conductive agent is contained in the positive electrode material in a proportion of 0.1% by weight to 15% by weight.
  • the percentages of the components contained in each case in the electrode material add up to 100% by weight.
  • the cell according to the invention is characterized in preferred embodiments by the immediately following feature a. from: a.
  • the weight per unit area of the negative electrode (120) deviates by a maximum of 2% from an average value per unit area of at least 10 cm 2.
  • the mean value is the quotient of the sum of at least 10 measurement results divided by the number of measurements carried out.
  • the cell preferably comprises an electrolyte, for example based on at least one lithium salt such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), which is dissolved in an organic solvent (e.g. in a mixture of organic carbonates).
  • the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to d. from: a.
  • the cell includes an electrolyte comprising a mixture of tetrahydrofuran (THF) and 2-methyltetrahydrofuran (mTHF).
  • THF tetrahydrofuran
  • mTHF 2-methyltetrahydrofuran
  • the volume ratio of THF: to mTHF in the mixture is in the range from 2: 1 to 1: 2, particularly preferably it is 1: 1.
  • the cell includes an electrolyte that includes LiPF 6 as a conductive salt.
  • the electrolyte salt in a proportion of 1.5 to 2.5 M, in particular of 2 M, keep ent in
  • the electrolyte of the cell according to the invention is particularly preferably characterized by all of the preceding features a. to d. out.
  • the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to e. from: a.
  • the cell includes an electrolyte comprising a mixture of fluoroethylene carbonate (FEC) and ethyl methyl carbonate (EMC).
  • FEC fluoroethylene carbonate
  • EMC ethyl methyl carbonate
  • the cell includes an electrolyte that includes LiPF 6 as a conductive salt.
  • the electrolyte contains the conductive salt in a concentration of 1.0 to 2.0 M, in particular 1.5 M, in the electrolyte.
  • the electrolyte comprises vinylene carbonate (VC), in particular in a proportion of 1 to 3 wt.
  • the electrolyte of the cell according to the invention is particularly preferably characterized by all of the preceding features a. to e. out.
  • the separator is, for example, an electrically insulating plastic film through which the electrolyte can penetrate, for example because it has micropores.
  • the Foil can be formed from a polyolefin or from a polyether ketone, for example. Fleeces and fabrics made from such plastic materials can also be used as separators.
  • the ratio of the capacities of the anode to the cathode of the cell according to the invention is preferably balanced in such a way that the possible capacity of the silicon is not fully utilized.
  • the cell according to the invention is particularly preferably characterized by the immediately following feature a. from: e.
  • the capacities from anode to cathode of the cell according to the invention are balanced in such a way that during operation only 700-1500 mAh are used reversibly per gram of electrode material of the negative electrode.
  • This measure can significantly reduce changes in volume.
  • the ribbon-shaped anode and the ribbon-shaped cathode are preferably offset from one another within the electrode-separator assembly to ensure that the first longitudinal edge of the anode current collector emerges from one of the terminal end faces and the first longitudinal edge of the cathode current collector emerges from the other of the terminal end faces .
  • the protrusion of the current collectors resulting from the offset arrangement can be used according to the invention by contacting them by means of a corresponding current conductor, preferably over their entire length.
  • the sheet metal contact part mentioned serves as a current conductor.
  • Such an electrical contact lowers the internal resistance within the cell according to the invention very significantly.
  • the arrangement described can therefore intercept the occurrence of large currents very well. With minimized internal resistance, thermal losses are reduced at high currents. It also removes thermal energy from the wound Electrode-separator composite favors. In the case of heavy loads, heating does not occur locally but is evenly distributed.
  • the lithium-ion cell according to the invention expediently also comprises a housing made of two or more housing parts, which encloses the electrode-separator assembly in the form of a coil, preferably in a gas- and / or liquid-tight manner.
  • the sheet metal contact parts can be connected to the above-mentioned housings directly or via electrical conductors.
  • the identical electrode-separator assemblies are arranged within the stack in such a way that the edges of their anode current collectors, and if necessary also the longitudinal edges their anode current collectors, and the edges of their cathode current collectors, possibly also the longitudinal edges of their cathode current collectors, each emerge from the same side of the stack. In this way, all anode current collectors and all cathode current collectors can be electrically contacted with the same contact sheet metal part at the same time.
  • the cell according to the invention is characterized in that part of the housing serves as the sheet metal contact part and / or that the sheet metal contact part forms part of the housing which encloses the electrode-separator assembly.
  • the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a.
  • the housing comprises a cup-shaped first housing part with a bottom and a side wall running around and an opening and a second housing part which closes the opening.
  • the sheet metal contact part is the bottom of the first housing part.
  • the housing is preferably cylindrical or prismatic.
  • the cup-shaped first housing part accordingly preferably has a circular or rectangular cross section and the second housing part and the bottom of the first housing part are accordingly preferably circular or rectangular.
  • the housing is preferably cylindrical. If, on the other hand, the electrode-separator assembly is part of the stack of the two or more identical electrode-separator assemblies, the housing is preferably designed to be prismatic.
  • the housing is cylindrical, then it usually comprises a cylindrical housing shell and a circular upper part and a circular lower part, in this variant the first housing part comprises the housing shell and the circular lower part while the second housing part corresponds to the circular upper part.
  • the circular upper part and / or the circular lower part can serve as sheet metal contact parts.
  • the housing usually comprises several rectangular side walls and a polygonal, in particular rectangular upper part and a polygonal, in particular rectangular lower part, in which case the first housing part includes the side walls and the polygonal lower part, while the second Housing part corresponds to the circular polygonal upper part.
  • the upper part and / or the lower part can serve as contact sheet parts.
  • Both the first and the second housing part are preferably made of an electrically conductive material, in particular a metallic material.
  • the housing parts can be made of nickel-plated sheet steel or of alloyed or unalloyed aluminum, for example, independently of one another exist.
  • the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to e., in particular through a combination of the immediately preceding features a. to e., from: a.
  • the cell has a metallic contact sheet metal part with which the first edge or the first longitudinal edge of the anode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this edge or longitudinal edge is connected by welding.
  • b. The cell has a metallic sheet metal contact part with which the first edge or the first longitudinal edge of the cathode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this edge or longitudinal edge is connected by welding.
  • One of the sheet metal contact parts is the bottom of the first housing part.
  • the other of the sheet metal contact parts is connected to the second housing part via an electrical conductor.
  • the cell includes a seal which electrically isolates the first and second housing parts from one another.
  • conventional housing parts can be used to enclose the electrode-separator assembly. No space is wasted for electrical conductors that are arranged between the floor and the electrode-separator assembly. A separate sheet metal part is not required on the bottom.
  • the electrically insulating seal can be pulled onto an edge of the second housing part. The assembly of the second housing part and the seal can be inserted into the opening of the first housing part and mechanically fixed there, for example by means of a flanging process.
  • the second housing part can also serve as a sheet metal contact part.
  • the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to e., in particular through a combination of the immediately preceding features a. to e., off a.
  • the cell has a metallic contact sheet metal part with which the first edge or the first longitudinal edge of the anode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this edge or longitudinal edge is connected by welding.
  • the cell has a metallic sheet metal contact part with which the first edge or the first longitudinal edge of the cathode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this edge or longitudinal edge is connected by welding.
  • One of the sheet metal contact parts is the bottom of the first housing part.
  • the other of the sheet metal contact parts is the second housing part.
  • the cell includes an electrical seal which electrically isolates the first and second housing parts from one another.
  • electrical conductors are not required on either side of the electrode-separator assembly to connect the contact sheet parts to the housing parts.
  • one of the sheet metal contact parts also has the function of a housing part, while a part of a housing serves as a sheet metal contact part on the other side.
  • the space inside the housing can be used optimally.
  • the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to e. from: a.
  • the cell has a metallic contact sheet metal part with which the first edge or the first longitudinal edge of the anode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this edge or longitudinal edge is connected by welding.
  • b. The cell has a metallic sheet metal contact part with which the first edge or the first longitudinal edge of the cathode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this edge or longitudinal edge is connected by welding.
  • One of the sheet metal contact parts is the bottom of the first housing part. d.
  • the second housing part is welded into the opening of the first housing part and comprises a pole bushing, for example a pole pin surrounded by an electrical insulator, through which an electrical conductor is led out of the housing. e.
  • the other of the sheet metal parts is electrically connected to this electrical conductor. It is particularly preferred that the immediately above features a. to e. are realized in combination with each other.
  • the housing parts are welded to one another and thus electrically connected to one another. For this reason, the said pole lead-through is required.
  • the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. and b., particularly preferably through a combination of the two features, of: a.
  • the housing comprises a tubular first housing part with two terminal openings, a second housing part which closes one of the openings and a third housing part which closes the other of the openings.
  • the sheet metal contact part is the second housing part or the third housing part.
  • the housing of the cell is preferably cylindrical or prismatic.
  • the tubular first housing part accordingly preferably has a circular or rectangular cross section, and the second and third housing parts are correspondingly preferably circular or rectangular.
  • the first housing part is usually hollow-cylindrical while the second and third housing parts are circular and can serve as contact sheet parts and at the same time as a base and cover, which can permanently close the first housing part.
  • the first housing part generally comprises a plurality of rectangular side walls connected to one another via common edges, while the second and third housing parts are each polygonal, in particular rectangular. Both the second and the third housing part can serve as sheet metal contact parts.
  • Both the first and the second housing part are preferably made of an electrically conductive material, in particular a metallic material.
  • the housing parts can consist, for example, of nickel-plated sheet steel, of stainless steel (for example of type 1.4303 or 1.4304), of copper, of nickel-plated copper or of alloyed or unalloyed aluminum. It can also be preferred that housing parts electrically connected to the cathode are made of aluminum or of a Aluminum alloy and housing parts electrically connected to the anode are made of copper or a copper alloy or of nickel-plated copper.
  • a major advantage of this variant is that no cup-shaped housing parts to be produced by upstream forming and / or casting processes are required to form the housing. Instead, said tubular first housing part serves as the starting point.
  • the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to e., in particular through a combination of the immediately preceding features a. to e., from: a.
  • the cell has a metallic contact sheet metal part with which the first edge or the first longitudinal edge of the anode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this edge or longitudinal edge is connected by welding.
  • b. The cell has a metallic sheet metal contact part with which the first edge or the first longitudinal edge of the cathode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this edge or longitudinal edge is connected by welding.
  • One of the sheet metal contact parts is welded into one of the terminal openings of the first housing part and is the second housing part.
  • the third housing part is welded into the other of the end openings of the first housing part and comprises a pole bushing through which an electrical conductor is led out of the housing, for example a pole pin surrounded by an electrical insulator.
  • the other of the sheet metal parts is electrically connected to this electrical conductor.
  • the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to d. from: a.
  • the cell has a metallic contact sheet metal part with which the first edge or the first longitudinal edge of the anode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this edge or longitudinal edge is connected by welding.
  • b. The cell has a metallic sheet metal contact part with which the first edge or the first longitudinal edge of the cathode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this edge or longitudinal edge is connected by welding.
  • One of the sheet metal contact parts is welded into one of the terminal openings of the first housing part and is the second housing part.
  • the other of the sheet metal contact parts closes the other of the endstän-ended openings of the first housing part as the third housing part and is isolated from the first housing part by means of a seal.
  • Both embodiments are characterized in that a contact plate on one side of the housing serves as a housing part and is connected to the first housing part by welding.
  • a sheet metal contact part can also serve as a housing part. However, this must then be electrically isolated from the first housing part.
  • a pole lead-through can also be used here.
  • the pole bushings of cells according to the invention always comprise an electrical insulator, which prevents electrical contact between the housing and the electrical conductor guided out of the housing.
  • the electrical insulator can be, for example, a glass or a ceramic mix material or a plastic.
  • the electrode-separator assembly is preferably in the form of a cylindrical roll.
  • the provision of the electrodes in the form of such a coil allows a particularly advantageous use of space in cylindrical housings.
  • the housing is therefore also cylindrical in preferred embodiments.
  • the electrode-separator assembly is preferably in the form of a prismatic coil.
  • the provision of the electrodes in the form of such a coil allows a particularly advantageous use of space in prismatic housings.
  • the housing is therefore also prismatic in preferred embodiments.
  • prismatic housings can be filled particularly well by prismatic stacks of the identical electrode-separator assemblies introduced above.
  • the electrode-separator assemblies can particularly preferably have an essentially rectangular basic shape.
  • part of the housing serves as the sheet metal contact part and / or a sheet metal contact part forms part of the housing that encloses the electrode-separator assembly, in particular the first and second contacting variants completely independent of feature k. from claim 1 can be realized.
  • the invention thus also includes cells with the features a. to j. of claim 1, in which part of the housing serves as the sheet metal contact part and / or the sheet metal part forms part of the housing, but the anode does not necessarily have a proportion of 20% by weight to 90% by weight silicon, aluminum, tin and / or has antimony as the active material.
  • the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to c. marked: a. the main area of the current collector connected to the sheet metal part by welding, preferably the band-shaped main area of the sheet metal part connected to the sheet metal part by welding, has a large number of openings. b. The openings in the main area are round or angular holes, in particular punched or drilled holes. c. The current collector connected to the sheet metal contact part by welding is perforated in the main area, in particular by round hole or slotted hole perforation.
  • the large number of perforations results in a reduced volume and also a reduced weight of the current collector. This makes it possible to bring more active material into the cell and in this way to drastically increase the energy density of the cell. Energy density increases in the double-digit percentage range can be achieved in this way.
  • the perforations are made in the main band-shaped area by means of a laser.
  • the geometry of the openings is not essential to the invention. It is important that, as a result of the openings being made, the mass of the current collector is reduced and there is more space for active material, since the openings can be filled with the active material.
  • the openings should preferably not be more than twice the thickness of the layer of the electrode material on the respective current collector.
  • the cell according to the invention is characterized by the immediately following feature a. marked: a.
  • the openings in the current collector, in particular in the main area, have diameters in the range from 1 ⁇ m to 3000 ⁇ m.
  • the cell according to the invention is particularly preferably further characterized by at least one of the immediately following features a. and b. from: a.
  • the current collector connected to the sheet metal contact part by welding has a lower weight per unit area than the free edge strip of the same current collector, at least in a section of the main area.
  • the current collector connected to the sheet metal contact part by welding has no or fewer openings per unit area in the free edge strip than in the main area.
  • the free edge strips of the anode and cathode current collectors delimit the main area towards the first edges or the first longitudinal edges.
  • the openings characterize the main area.
  • the boundary between the main area and the free edge strip or strips corresponds to a transition between Be rich with and without openings.
  • the perforations are preferably distributed essentially uniformly over the main area.
  • the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to c. from: a.
  • the weight per unit area of the current collector is reduced by 5% to 80% in the main area compared to the weight per unit area of the current collector in the free edge strip.
  • the current collector In the main area, the current collector has a hole area in the range from 5% to 80%.
  • the current collector has a tensile strength of 20 N / mm 2 to 250 N / mm 2 in the main area.
  • the hole area which is often referred to as the free cross section, can be determined in accordance with ISO 7806-1983.
  • the tensile strength of the current collector in the main area is reduced compared to current collectors without the openings. It can be determined in accordance with DIN EN ISO 527 Part 3.
  • the anode current collector and the cathode current collector are designed to be identical or similar with regard to the openings.
  • the cell according to the invention is therefore characterized in preferred embodiments by at least one of the immediately following features a. to c. from: a.
  • the main area of the anode current collector and the main area of the cathode current collector, preferably the band-shaped main area of the anode current collector and the band-shaped main area of the cathode current collector, are both characterized by a large number of openings. b.
  • the cell comprises the sheet metal contact part, which rests on one of the first edges or longitudinal edges, as the first sheet metal contact part, and also a second metallic contact sheet part, which rests on the other of the first edges or longitudinal edges. c.
  • the second sheet metal contact part is connected to this other edge or longitudinal edge by welding.
  • this problem is solved by the described welding of the current ko llektor- r in the contact plate or parts.
  • the concept according to the invention makes it possible to completely dispense with separate conductor tabs and thus enables the use of current collectors provided with openings with little material. Particularly in embodiments in which the free edge strips of the current collectors are not provided with openings, welding can be carried out reliably with extremely low reject rates.
  • the edges of the current collectors in particular the longitudinal edges of the current collectors, can be extremely sensitive mechanically and inadvertently not much being depressed or melted down. Furthermore, when the contact sheet metal parts are welded on, the separators of the electrode-separator assembly can melt. The support layer described above counteracts this.
  • the invention thus also includes cells with the features a. to j. of claim 1, in which the band-shaped main area of the current collector connected to the sheet metal part by welding has a plurality of perforations, but the anode does not necessarily have a proportion of 20% by weight to 90% by weight silicon, aluminum, tin and / or has antimony as the active material.
  • the sheet metal contact parts that can preferably be used in the context of the present invention can also be referred to as contact plates. In preferred embodiments, they are plate-shaped.
  • the cell according to the invention has at least one of the immediately following features a. and b. on: a. Metal plates with a thickness in the range from 50 ⁇ m to 600 ⁇ m, preferably 150-350 ⁇ m, are used as contact sheet metal parts, in particular as contact plates. b.
  • the sheet metal contact parts, in particular the contact plates consist of alloyed or unle alloyed aluminum, titanium, nickel or copper, but optionally also of stainless steel (example, of type 1.4303 or 1.4304) or of nickel-plated steel.
  • the specified thicknesses are preferred both in the cases described in which a sheet metal contact part is part of the housing and in cases in which a sheet metal contact part does not serve as part of the housing.
  • a sheet metal contact part in particular a contact plate
  • it can have at least one slot and / or at least one perforation. These serve to counteract any deformation of the sheet metal parts, in particular the plates, when the welded connection is made.
  • a sheet metal contact part in particular a contact plate
  • slots and perforations are preferably dispensed with.
  • a sheet metal contact part in particular such a contact plate, can have a perforation, in particular a hole in a central area.
  • sheet contact parts in particular contact plates, are preferably used which have the shape of a disk, in particular the shape of a circular or at least approximately circular disk. You then have an outer circular or at least approximately circular disc edge.
  • An approximately circular disk is to be understood here in particular as a disk which has the shape of a circle with at least one separated circle segment, preferably with two to four separated circle segments.
  • sheet contact parts in particular contact plates, are preferably used, which have a rectangular basic shape.
  • the anode current collector and the contact plate welded to it, in particular the contact plate welded to it are both made of the same material. This is particularly preferably selected from the group with copper, nickel, titanium, nickel-plated steel and stainless steel.
  • the cathode current collector and the contact plate welded to it, in particular the contact plate welded to it are both made of the same material.
  • This is particularly preferably selected from the group with alloyed or unle alloyed aluminum, titanium and stainless steel (eg of the 1.4404 type).
  • the cell according to the invention has a metallic contact sheet metal part with which one of the first edges, in particular one of the first longitudinal edges, is in direct contact, preferably lengthwise. This can result in a line-like contact zone.
  • the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to c. from: a.
  • the first edge of the anode current collector in particular the first longitudinal edge of the anode current collector, is in direct contact with a metallic contact sheet part, preferably lengthwise, and is connected to this contact sheet part by welding, with a line-like between the edge or longitudinal edge and the metallic contact sheet part Contact zone exists.
  • the first edge of the cathode current collector in particular the first longitudinal edge of the cathode current collector, is in direct contact with a metallic contact sheet part, preferably lengthwise, and is connected to this contact sheet part by welding, where there is a line-like between the edge or longitudinal edge and the metallic contact sheet part Contact zone exists.
  • the first edge or longitudinal edge of the anode current collector and / or the first edge or longitudinal edge of the cathode current collector comprises one or more sections which are each connected over their entire length via a welded seam to the respective sheet metal part.
  • the immediately preceding features a. and b. can be implemented both independently of one another and in combination.
  • the contact sheet parts make it possible to make electrical contact with the current collectors and thus also the associated electrodes over their entire length. It is precisely this that promotes the lowering of the internal resistance mentioned within the cell according to the invention very clearly.
  • the arrangement described can thus absorb the occurrence of large currents excellently. With minimized internal resistance, thermal losses are reduced at high currents. In addition, the dissipation of thermal energy from the electrode-separator assembly is promoted.
  • the sheet metal parts can be connected to the edges, in particular the longitudinal edges.
  • the sheet metal parts can be connected to the edges or longitudinal edges along the line-like contact zones via at least one weld seam.
  • the edges or longitudinal edges can therefore comprise one or more sections, each of which is continuously connected over its entire length via a welded seam to the contact sheet metal part or the contact sheet metal parts. These sections particularly preferably have a minimum length of 5 mm, preferably 10 mm, particularly preferably 20 mm.
  • the section or sections continuously connected to the sheet metal contact part extend over at least 25%, preferably over at least 50%, particularly preferably over at least 75%, of the total length of the respective edge or longitudinal edge.
  • edges or the longitudinal edges are continuously welded to the contact sheet metal part over their entire length.
  • the sheet metal contact parts are connected to the respective edge or longitudinal edge via a plurality or multiplicity of welding points.
  • the longitudinal edges of the anode current collector and the cathode current collector emerging from the end faces of the winding also generally have a spiral geometry. The same applies to the line-like contact zone along which the sheet metal parts are welded to the respective longitudinal edge.
  • the edges of the anode current collector and the cathode current collector emerging from the end faces of the stack often have a linear geometry. The same then also applies to the linear contact zone along which the sheet metal parts are welded to the respective edge.
  • the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to c. out: a.
  • the separator is a preferably band-shaped plastic substrate with a thickness in the range from 5 ⁇ m to 50 ⁇ m, preferably in the range from 7 ⁇ m to 12 ⁇ m, and with a first and a second longitudinal edge and two end pieces.
  • the longitudinal edges or edges of the anode current collector and / or the cathode current collector emerging from the end faces of the roll or sides of the stack do not protrude more than 5000 ⁇ m, preferably no more than 3500 ⁇ m, from the end faces or the sides.
  • the edge or the longitudinal edge of the anode current collector does not protrude from the side of the stack or the end face of the coil by more than 2500 ⁇ m, particularly preferably not more than 1500 ⁇ m.
  • the edge or the longitudinal edge of the cathode current collector protrudes from the side of the stack or the end face of the coil not more than 3500 ⁇ m, particularly preferably not more than 2500 ⁇ m.
  • the numerical data on the overhang of the anode current collector and / or the Kathodenstromkol lector relate to the free overhang before the sides or end faces are brought into contact with the contact sheet metal part or the contact sheet metal parts. When welding the contact sheet metal part or the contact sheet metal parts, deformation of the edges of the current collectors can occur.
  • the lithium-ion cell according to the invention can be a button cell.
  • Button cells are cylindrical and have a height that is less than their diameter. The height is preferably in the range from 4 mm to 15 mm. It is further preferred that the button cell have a diameter in the range of 5 mm to 25 mm. Button cells are suitable, for example for supplying small electronic devices such as watches, hearing aids and wireless headphones with electrical energy.
  • the nominal capacity of a lithium-ion cell according to the invention designed as a button cell is usually up to 1500 mAh.
  • the nominal capacity is preferably in the range from 100 mAh to 1000 mAh, particularly preferably in the range from 100 to 800 mAh.
  • the lithium-ion cell according to the invention is particularly preferably a cylindrical round cell.
  • Cylindrical round cells have a height that is greater than their diameter. They are particularly suitable for applications in the automotive sector, for e-bikes or for other applications with high energy requirements.
  • the height of lithium-ion cells designed as round cells is preferably in the range from 15 mm to 150 mm.
  • the diameter of the cylindrical round cells is preferably in the range from 10 mm to 60 mm. Within these ranges, form factors of, for example, 18 x 65 (diameter times height in mm) or 21 x 70 (diameter times height in mm) are particularly preferred. Cylindrical round cells with these form factors are particularly suitable for powering electrical drives in motor vehicles.
  • the nominal capacity of the lithium-ion cell according to the invention is preferably up to 90,000 mAh.
  • the cell in one embodiment as a lithium-ion cell preferably has a nominal capacity in the range from 1500 mAh to 7000 mAh, particularly preferably in the range from 3000 to 5500 mAh.
  • the cell in one embodiment as a lithium-ion cell preferably has a nominal capacity in the range from 1000 mAh to 5000 mAh, particularly preferably in the range from 2000 to 4000 mAh.
  • the anode current collector, the cathode current collector and the separator are inariessfor men in which the cell according to the invention is a cylindrical round cell, preferably formed in the form of a band and preferably have the following dimensions:
  • the free edge strip which extends along the first longitudinal edge and which is not loaded with the electrode material, preferably has a width of not more than 5000 ⁇ m in these cases.
  • the current collectors preferably have a width of 56 mm to 62 mm, preferably 60 mm, and a length of not more than 1.5 m.
  • the current collectors preferably have a width of 56 mm to 68 mm, preferably 65 mm, and a length of not more than 2.5 m.
  • the function of a lithium-ion cell is based on the fact that sufficient mobile lithium ions (mobile lithium) are available to compensate for the tapped electrical current by migrating between the anode and the cathode or the negative electrode and the positive electrode.
  • mobile lithium is to be understood as meaning that the lithium is available for storage and retrieval processes in the electrodes as part of the discharging and charging processes of the lithium-ion cell or can be activated for this purpose.
  • the charging and discharging processes of a lithium-ion cell lead to losses of mobile lithium over time. These losses occur as a result of various, generally unavoidable side reactions. Loss of mobile lithium occurs as early as the first charging and discharging cycle of a lithium-ion cell.
  • a cover layer is usually formed on the surface of the electrochemically active components on the negative electrode.
  • This top layer is called Solid Electrolyte Interphase (SEI) and usually consists primarily of electrolyte decomposition products and a certain amount of lithium that is firmly bound in this layer.
  • SEI Solid Electrolyte Interphase
  • the cell according to the invention is characterized in preferred embodiments by at least one of the immediately following features a. and b. from: a.
  • the cell comprises a depot of lithium or a lithium-containing material, which is not comprised by the positive and / or the negative electrode, and can be used to compensate for losses of mobile lithium in the cell during its operation.
  • the depot is in contact with the cell's electrolyte.
  • the cell has an electrical conductor and, if necessary, also a controllable switch via which the depot can be electrically connected to the positive or negative electrode.
  • the depot is particularly preferably arranged within the housing of the cell according to the invention and the electrical conductor, for example via a suitable pole bushing, is led out of the housing, in particular to an electrical contact that can be tapped from outside the housing.
  • the electrically contactable lithium depot makes it possible to supply lithium to the electrodes of the cell if necessary or to remove excess lithium from the electrodes to avoid lithium plating.
  • the lithium depot can be switched against the negative or against the positive electrode of the lithium-ion cell via the electrical conductor. Excess If required, lithium can be fed to the lithium depot and deposited there.
  • means can be provided that enable separate monitoring of the individual potentials of the anode and cathode in the cell and / or external monitoring of the cell balance via electrochemical analyzes such as DVA (differential voltage analysis).
  • the electrical conductor and the associated lithium depot must be electrically insulated from the positive and negative electrodes and from components of the cell that are electrically coupled to them.
  • the lithium or the lithium-containing material of the lithium depot can be, for example, metallic lithium, a lithium metal oxide, a lithium metal phosphate or other materials familiar to the person skilled in the art.
  • Fig. 1 is a plan view of a current collector in an embodiment according to the invention
  • Fig. 2 is a sectional view of the current collector shown in Fig. 1,
  • FIG. 3 shows a plan view of an anode which can be processed into an electrode-separator assembly in the form of a coil
  • Fig. 4 is a sectional view of the anode shown in Fig. 3,
  • Fig. 5 is a plan view of an electrode-separator composite manufactured using the anode shown in Fig. 3,
  • FIG. 6 shows a sectional view of the electrode-separator assembly shown in FIG. 5,
  • FIG. 7 shows a sectional view of an embodiment of a cell according to the invention in the form of a cylindrical round cell
  • FIG. 8 shows a sectional view of a further embodiment of a cell according to the invention in the form of a cylindrical round cell
  • 9 shows a sectional view of a further embodiment of a cell according to the invention in the form of a cylindrical round cell
  • FIG. 10 shows a sectional view of a further embodiment of a cell according to the invention in the form of a cylindrical round cell
  • FIG. 11 shows a sectional view of a further embodiment of a cell according to the invention in the form of a cylindrical round cell.
  • FIGS. 1 and 2 illustrate the design of a current collector 110 that can be used in a cell according to the invention.
  • FIG. 2 is a section along Si.
  • the current collector 110 comprises a plurality of perforations 111, which are rectangular holes.
  • the area 110a is characterized by the openings 111, whereas in the area 110b there are no openings along the longitudinal edge 110e.
  • the current collector 110 therefore has a significantly lower weight per unit area in the area 110a than in the area 110b.
  • FIGS. 3 and 4 illustrate an anode 120 which was manufactured with a negative electrode material 123 applied to both sides of the current collector 110 shown in FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 5 is a section along S 2 .
  • the current collector 110 now has a band-shaped main region 122 which is loaded with a layer of the negative electrode material 123, as well as a free edge strip 121 which extends along the longitudinal edge 110e and which is not loaded with the electrode material 123.
  • the electrode material 123 also fills the openings 111.
  • FIG. 5 and 6 illustrate an electrode-separator composite 104 made using the anode 120 shown in Figures 4 and 5.
  • it comprises the cathode 115 and the separators 118 and 119.
  • FIG. 6 is a section along S 3 .
  • the cathode 115 is based on the same current collector design as the anode 120.
  • the current collectors 110 and 115 of the anode 120 and cathode 130 preferably differ only through the respective choice of material.
  • the current collector 115 of the cathode 130 thus comprises a band-shaped main region 116 which is loaded with a layer of positive electrode material 125 and a free edge strip 117 which extends along the longitudinal edge 115e and which is not loaded with the electrode material 125.
  • the electrode-separator assembly 104 can be converted into a coil by means of spiral winding, as can be contained in a cell according to the invention.
  • the free edge strips 117 and 121 are coated on both sides and at least in some areas with one of the above-described support materials.
  • a cell 100 with a housing made of a first housing part 101 and a two-th housing part 102 is shown.
  • the electrode-separator assembly 104 is enclosed in the housing.
  • the housing is generally cylindrical, the housing part 101 has a circular base 101a, a hollow cylindrical jacket 101b and a circular opening opposite the base 101a.
  • the housing part 102 is used to close the circular opening and is designed as a circular cover.
  • the electrode-separator assembly 104 is in the form of a cylindrical roll with two end faces.
  • the housing part 101 would in this case have a rectangular bottom 101a, a rectangular side wall 101b and a rectangular cross-section and a rectangular opening, the housing part 102 would be designed as a rectangular cover to close the rectangular opening.
  • the reference sign 104 in this case would not denote an electrode-separator assembly in a cylindrical shape but a stack of several identical electrode-separator assemblies or a prismatic winding.
  • the free edge strip 121 of an anode current collector 110 emerges from one end face of the electrode-separator assembly 104, and the free edge strip 117 of a cathode current collector 115 exits from the other end face.
  • the edge 11Oe of the anode current collector 110 is in direct contact with the ground over its entire length 101a of the housing part 101 and is connected to this at least over several sections, preferably over its entire length, by welding.
  • the edge 115e of the cathode current collector 115 is in direct contact with the plate-shaped sheet metal contact part 105 over its entire length and is connected to it by welding at least over several sections, preferably over its entire length.
  • the sheet metal contact part 105 is in turn electrically connected to the housing part 102 via the electrical conductor 107.
  • the electrical conductor 107 Preferably there is a welded connection between the conductor 107 and the sheet metal part 105 on the one hand and the conductor 107 and the housing part 102 on the other side.
  • the housing parts 101 and 102 are electrically isolated from one another by the seal 103.
  • the housing is closed, for example, by flanging.
  • the housing part 101 forms the negative pole and the housing part 102 the positive pole of the cell 100.
  • the electrode-separator assembly 104 is enclosed in the housing.
  • the housing is cylindrical overall, the housing part 101 has a circular base 101a, a hollow cylindrical jacket 101b and a circular opening opposite the base 101a.
  • the housing part 102 is used to close the circular opening and is designed as a circular cover.
  • the electrode-separator assembly 104 is in the form of a cylindrical winding with two end faces.
  • the housing part 101 would in this case have a rectangular bottom 101a, a rectangular side wall 101b and a rectangular cross-section and a rectangular opening, the housing part 102 would be designed as a rectangular cover to close the rectangular opening.
  • the reference sign 104 in this case would not denote an electrode-separator assembly in a cylindrical shape but a stack of several identical electrode-separator assemblies or a prismatic winding.
  • the free edge strip 121 of an anode current collector 110 emerges from one end face of the electrode-separator assembly 104, and the free edge strip 117 of a cathode current collector 115 exits from the other end face.
  • the edge 11Oe of the anode current collector 110 is in direct contact with the ground over its entire length 101a of the housing part 101 and is connected to this at least over several sections, preferably over its entire length, by welding.
  • the edge 115e of the cathode current collector 115 is in direct contact with the sheet metal contact part 105 over its entire length and is connected to this at least over several sections, preferably over its entire length, by welding.
  • the sheet metal contact part 105 is directly connected to the metallic pole bolt 108, preferably welded. This is guided out of the housing through an opening in the housing part 102 and isolated from the housing part 102 by means of the electrical insulation 106.
  • the pole bolt 108 and the electrical insulation 106 together form a pole bushing.
  • a hole 109 closed for example by means of soldering, welding or adhesive bonding, which can be used, for example, to introduce electrolyte into the housing.
  • a hole could have been made in the housing part 102 for the same purpose.
  • the housing part 102 is welded into the circular opening of the housing part 101.
  • the housing parts 101 and 102 thus have the same polarity and form the negative pole of the cell 100.
  • the pole bolt 108 forms the positive pole of the cell 100.
  • FIG. 9 shows a cell 100 with a housing made up of a first housing part 101 and a second housing part 102.
  • the electrode-separator assembly 104 is enclosed in the housing.
  • the housing is cylindrical overall, the housing part 101 has a circular base 101a, a hollow cylindrical jacket 101b and a circular opening opposite the base 101a.
  • the housing part 102 is used to close the circular opening and is designed as a circular cover.
  • the electrode-separator assembly 104 is in the form of a cylindrical winding with two end faces.
  • the housing part 101 would in this case have a rectangular bottom 101a, a rectangular side wall 101b and a rectangular cross-section and a rectangular opening, the housing part 102 would be designed as a rectangular cover to close the rectangular opening.
  • the reference sign 104 in this case would not denote an electrode-separator assembly in a cylindrical shape but a stack of several identical electrode-separator assemblies or a prismatic winding.
  • the free edge strip 121 of an anode current collector 110 emerges from one end face of the electrode-separator assembly 104, and the free edge strip 117 of a cathode current collector 115 exits from the other end face.
  • the edge 11Oe of the anode current collector 110 extends over its entire length Length in direct contact with the bottom 101a of the housing part 101 and is connected to this at least over several sections, preferably over its entire length, by welding.
  • the edge 115e of the cathode current collector 115 is in direct contact with the housing part 102 over its entire length and is connected to it by welding at least over several sections, preferably over its entire length.
  • a hole 109 closed for example by means of soldering, welding or gluing, which can be used, for example, to introduce electrolyte into the housing.
  • Another hole 109, which can serve the same purpose, is found here in the housing part 102. This is preferably closed with the pressure relief valve 141, which can be welded onto the housing part 102, for example.
  • the holes 109 shown are generally not both required. In many cases, the cell 100 shown in FIG. 9 therefore has only one of the two holes.
  • the housing parts 101 and 102 are electrically isolated from one another by the seal 103.
  • the housing is closed, for example, by flanging.
  • the housing part 101 forms the negative pole and the housing part 102 the positive pole of the cell 100.
  • the cell 100 shows a cell 100 with a housing made up of a first housing part 101 and a second housing part 102 and a third housing part 155.
  • the electrode-separator assembly 104 is enclosed in the housing.
  • the housing is overall cylindrical, the Ge housing part 101 is designed as a hollow cylinder with two end-face circular openings.
  • the housing parts 102 and 155 serve to close the circular openings and are designed as circular covers.
  • the electrode-separator assembly 104 is in the form of a cylindri's winding with two end faces.
  • the housing part 101 would have a rectangular cross-section and two rectangular openings, the housing parts 102 and 155 would have to be used as a right to close the rectangular openings. square cover formed.
  • the reference number 104 would not designate an electrode / separator assembly in a cylindrical shape, but rather a stack of several identical electrode / separator assemblies or a prismatic coil.
  • the free edge strip 121 of an anode current collector 110 emerges from one end face of the electrode-separator assembly 104, and the free edge strip 117 of a cathode current collector 115 exits from the other end face.
  • the edge 11Oe of the anode current collector 110 is in direct contact with the housing part over its entire length 155 and is connected to this at least over several sections, preferably over its entire length, by welding.
  • the housing part 155 thus also functions as a sheet metal contact part or as a contact plate within the meaning of the invention.
  • the edge 115e of the cathode current collector 115 is in direct contact with the sheet metal contact part 105 over its entire length and is connected to it by welding at least over several sections, preferably over its entire length.
  • the sheet metal contact part 105 is directly connected to the metallic pole bolt 108, preferably welded. This is guided out of the housing through an opening in the housing part 102 and isolated from the housing part 102 by means of the electrical insulation 106.
  • the pole bolt 108 and the electrical insulation 106 together form a pole bushing.
  • a hole 109 closed for example by means of soldering, welding or gluing, which can be used, for example, to introduce electrolyte into the housing.
  • a hole could have been made in the housing part 155 for the same purpose.
  • the housing parts 102 and 155 are welded into the circular openings of the housing part 101.
  • the housing parts 101, 102 and 155 thus have the same polarity and form the negative pole of the cell 100.
  • the pole bolt 108 forms the positive pole of the cell 100.
  • FIG. 11 shows a cell 100 with a housing made up of a first housing part 101 and a second housing part 102.
  • the electrode-separator assembly 104 is enclosed in the housing.
  • the housing is overall cylindrical, the housing part 101 has a circular shape Bottom 101a, a hollow cylindrical jacket 101b and a circular opening opposite the bottom 101a.
  • the housing part 102 is used to close the circular opening and is designed as a circular cover.
  • the electrode-separator assembly 104 is in the form of a cylindrical winding with two end faces.
  • the housing part 101 would in this case have a rectangular bottom 101a, a rectangular side wall 101b and a rectangular cross-section and a rectangular opening, the housing part 102 would be designed as a rectangular cover to close the rectangular opening.
  • the reference sign 104 in this case would not denote an electrode-separator assembly in a cylindrical shape but a stack of several identical electrode-separator assemblies or a prismatic winding.
  • the free edge strip 121 of an anode current collector 110 emerges from one end face of the electrode-separator assembly 104, and the free edge strip 117 of a cathode current collector 115 exits from the other end face.
  • the edge 11Oe of the anode current collector 110 is in direct contact with the ground over its entire length 101a of the housing part 101 and is connected to this at least over several sections, preferably over its entire length, by welding.
  • the edge 115e of the cathode current collector 115 is in direct contact with the housing part 102 over its entire length and is connected to it by welding at least over several sections, preferably over its entire length.
  • the housing part 102 thus simultaneously serves as a sheet metal contact part or as a contact plate.
  • the anode current collector 110 is loaded on both sides with a layer of negative electrode material 123, but has a free edge strip 121 which extends along the longitudinal edge 110e and which is not loaded with the electrode material 123. Instead, the free edge strip 121 is coated on both sides with a ceramic support material 165.
  • the cathode current collector 115 is loaded on both sides with a layer of negative electrode material 125, but has a free edge strip 117 which extends along the longitudinal edge 115e and which is not loaded with the electrode material 125. Instead, the free edge strip 117 is coated on both sides with a ceramic support material 165.
  • the electrode-separator composite 104 has two end faces which are formed by the longitudinal edges 118a and 119a as well as 118b and 119b of the separators 118 and 119. The longitudinal edges of the current collectors 110 and 115 protrude from these end faces. The corresponding protrusions are labeled d1 and d2.
  • the housing part 102 there is a hole 109 which can be used, for example, to introduce electrolyte into the housing.
  • the hole is closed with the pressure relief valve 141, which is connected to the housing seteil 102, for example by welding.
  • the housing parts 101 and 102 are electrically isolated from one another by the seal 103.
  • the housing is closed by a flange.
  • the opening edge 101c of the housing part is bent radially inward.
  • the housing part 101 forms the negative pole and the housing part 102 the positive pole of the cell 100.
  • the procedure shown in FIG. 12 can be followed; the individual method steps A to I are described below.
  • the electrode-separator assembly 104 is provided, on the upper end of which the housing part 102 serving as a sheet metal contact part or as a contact plate is placed. This is welded to the longitudinal edge 115e of the cathode current collector 115 in step B.
  • the circumferential seal 103 is pulled onto the edge of the housing part 102.
  • step D the electrode / separator assembly 104 is pushed into the housing part 101 until the longitudinal edge 110e of the anode current collector 110 is in direct contact with the bottom 101a of the housing part 101.
  • step E this is welded to the base 101a of the housing part 101.
  • step F the housing is closed by flanging. For this purpose, the opening edge 101c of the housing part 101 is bent radially inward.
  • step G the housing is filled with electrolyte, which is metered into the housing through the opening 109.
  • the opening 109 is in the steps H and I by means of the pressure relief valve 141, which is welded onto the housing part 102, closed ver.
  • the electrode-separator assembly 104 can, for example, have a positive electrode composed of 95% by weight of NMCA, 2% by weight of an electrode binder and 3% by weight of carbon black as the conductive agent.
  • the negative electrode can comprise a porous, electrically conductive matrix with an open-pored structure, in which
  • the electrode-separator assembly 104 can, for example, have a positive electrode made of 95% by weight NMCA, 2% by weight of an electrode binder and 3% by weight carbon black as the conductive agent, and a negative electrode made of 70% by weight silicon, 25 % By weight of graphite, 2% by weight of an electrode binder and 3% by weight of carbon black as a conductive agent.
  • a 2 M solution of LiPF 6 in THF / mTHF (1: 1) or a 1.5 M solution of LiPF 6 in FEC / EMC (3: 7) with 2% by weight of VC can be used as the electrolyte.

Abstract

Bekannt ist eine Lithium-Ionen-Zelle (100), die einen Elektroden-Separator-Verbund (104) mit der Sequenz Anode (120) / Separator (118) / Kathode (130) umfasst, wobei die Anode (120) und die Kathode (130) jeweils einen Stromkollektor (110, 115) mit einem ersten und einem zweiten Rand (110e, 115e) umfassen und die Stromkollektoren jeweils einen Hauptbereich (122, 126), der mit einer Schicht aus dem jeweiligen Elektrodenmaterial (123, 125) beladen ist, sowie einen freien Randstreifen (121, 117), der sich entlang des ersten Rands (110e, 115e) erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial beladen ist, aufweisen. Der Verbund (104) liegt in Form eines Wickels mit zwei endständigen Stirnseiten vor oder ist Bestandteil eines Stapels, der aus zwei oder mehr identischen Elektroden-Separator-Verbünden gebildet ist und gleichfalls zwei endständige Seiten aufweist, und ist, gegebenenfalls mitsamt dem oder den weiteren identischen Elektroden-Separator-Verbünden des Stapels, von einem Gehäuse umschlossen. Die Anode (120) und die Kathode (130) sind derart ausgebildet und/oder innerhalb des Verbunds (104) derart zueinander angeordnet, dass der erste Rand (110e) des Anodenstromkollektors aus einer der endständigen Stirnseiten oder Seiten des Stapels und der erste Rand (115e) des Kathodenstromkollektors aus der anderen der endständigen Stirnseiten oder Seiten des Stapels austritt. Die Zelle (100) weist ein metallisches Kontaktblechteil (101a, 102, 155) auf, mit der einer der ersten Ränder (110e, 115e) in unmittelbarem Kontakt steht und die mit diesem durch Verschweißung verbunden ist. Es wird vorgeschlagen, dass das negative Elektrodenmaterial als Aktivmaterial mindestens ein Material aus der Gruppe mit Silizium, Aluminium, Zinn, Antimon und eine Verbindung oder Legierung dieser Materialien, die Lithium reversibel ein- und auslagern kann, in einem Anteil von 20 Gew.-% bis 90 Gew.-% umfasst.

Description

Lithium-lonen-ZeUe mit hoher spezifischer Energiedichte
Die nachstehend beschriebene Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen-Zelle, die einen Elektroden-Se- parator-Verbund umfasst.
Elektrochemische Zellen sind dazu in der Lage, gespeicherte chemische Energie durch eine Redox reaktion in elektrische Energie umzuwandeln. Sie umfassen in der Regel eine positive und eine ne gative Elektrode, die von einem Separator voneinander getrennt sind. Bei einer Entladung werden an der negativen Elektrode durch einen Oxidationsprozess Elektronen freigesetzt. Hieraus resultiert ein Elektronenstrom, der von einem externen elektrischen Verbraucher abgegriffen werden kann, für den die elektrochemische Zelle als Energielieferant dient. Zugleich kommt es zu einem der Elekt rodenreaktion entsprechenden lonenstrom innerhalb der Zelle. Dieser lonenstrom durchquert den Separator und wird durch einen Ionen leitenden Elektrolyten ermöglicht.
Wenn die Entladung reversibel ist, also die Möglichkeit besteht, die bei der Entladung erfolgte Um wandlung von chemischer Energie in elektrische Energie wieder umzukehren und damit die Zelle wieder zu laden, spricht man von einer sekundären Zelle. Die bei sekundären Zellen allgemein übli che Bezeichnung der negativen Elektrode als Anode und die Bezeichnung der positiven Elektrode als Kathode bezieht sich auf die Entladefunktion der elektrochemischen Zelle.
Die weit verbreiteten sekundären Lithium-Ionen-Zellen basieren auf dem Einsatz von Lithium, wel ches in Form von Ionen zwischen den Elektroden der Zelle hin und her wandern kann. Die Lithium- Ionen-Zellen zeichnen sich dabei durch eine vergleichsweise hohe Energiedichte aus. Die negative Elektrode und die positive Elektrode einer Lithium-Ionen-Zelle werden in der Regel von sogenann ten Kompositelektroden gebildet, die neben elektrochemisch aktiven Komponenten auch elektro chemisch inaktive Komponenten umfassen.
Als elektrochemisch aktive Komponenten (Aktivmaterialien) für sekundäre Lithium-Ionen-Zellen kommen prinzipiell sämtliche Materialien in Frage, die Lithium-Ionen aufnehmen und wieder abge ben können. Für die negative Elektrode werden hierfür oftmals Partikel auf Kohlenstoffbasis, wie beispielsweise graphitischer Kohlenstoff, eingesetzt. Es können auch andere, nicht-graphitische Kohlenstoffmaterialien verwendet werden, die zur Interkalation von Lithium geeignet sind. Darüber hinaus können auch metallische und halbmetallische Materialien, die mit Lithium legierbar sind, zum Einsatz kommen. So sind beispielsweise die Elemente Zinn, Aluminium, Antimon und Silizium in der Lage, mit Lithium intermetallische Phasen zu bilden. Als Aktivmaterialien für die positive Elektrode können beispielsweise Lithiumcobaltoxid (LiCo02), Lithiummanganoxid (LiMn20 ), Lithi- umtitanat (Li4Ti50i2) oder Lithiumeisenphosphat (LiFeP0 ) oder Derivate hiervon eingesetzt werden. Die elektrochemisch aktiven Materialien sind in der Regel in Partikelform in den Elektroden enthal ten.
Als elektrochemisch inaktive Komponenten umfassen die Kompositelektroden im Allgemeinen ei nen flächigen und/oder bandförmigen Stromkollektor, beispielsweise eine metallische Folie, der mit einem Aktivmaterial beschichtet ist. Der Stromkollektor für die negative Elektrode (Anodenstrom kollektor) kann beispielsweise aus Kupfer oder Nickel und der Stromkollektor für die positive Elekt rode (Kathodenstromkollektor) beispielsweise aus Aluminium gebildet sein. Weiterhin können die Elektroden einen Elektrodenbinder (z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder ein anderes Polymer, bei spielsweise Carboxymethylzellulose) umfassen. Dieser gewährleistet die mechanische Stabilität der Elektroden und häufig auch die Haftung des Aktivmaterials auf den Stromkollektoren. Weiterhin können die Elektroden leitfähigkeitsverbessernde Additive und andere Zusätze enthalten.
Als Elektrolyten umfassen Lithium-Ionen-Zellen in der Regel Lösungen von Lithiumsalzen wie Lithi- umhexafluorophosphat (LiPF6) in organischen Lösungsmitteln (z. B. Ether und Ester der Kohlen säure).
Die Kompositelektroden werden bei der Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle mit einem oder meh reren Separatoren zu einem Verbundkörper kombiniert. Meist werden die Elektroden und Separato ren hierbei durch Lamination oder durch Verklebung miteinander verbunden. Die grundsätzliche Funktionsfähigkeit der Zelle kann dann durch Tränkung des Verbunds mit dem Elektrolyten herge stellt werden.
In vielen Ausführungsformen ist der Verbundkörper eben ausgebildet sein, so dass mehrere Ver bundkörperflach aufeinander gestapelt werden können. Sehr häufig wird der Verbundkörper aber in Form eines Wickels gebildet oder zu einem Wickel verarbeitet.
In der Regel umfasst der Verbundkörper, unabhängig davon ob gewickelt oder nicht, die Sequenz positive Elektrode / Separator / negative Elektrode. Häufig werden Verbundkörper als sogenannte Bizellen mit den möglichen Sequenzen negative Elektrode / Separator / positive Elektrode / Separa tor / negative Elektrode oder positive Elektrode / Separator / negative Elektrode / Separator / posi tive Elektrode hergestellt. Für Anwendungen im Automobilbereich, für E-Bikes oder auch für andere Anwendungen mit hohem Energiebedarf wie z.B. in Werkzeugen werden Lithium-Ionen-Zellen mit möglichst hoher Energie dichte benötigt die gleichzeitig in der Lage sind, mit hohen Strömen beim Laden und Entladen be lastet zu werden. Solche Zellen sind beispielsweise in der WO 2017/215900 Al beschrieben.
Häufig sind Zellen für die genannten Anwendungen als zylindrische Rundzellen ausgebildet, bei spielsweise mit dem Formfaktor 21 x 70 (Durchmesser mal Höhe in mm) Zellen dieser Art umfassen stets einen Verbundkörper in Form eines Wickels. Moderne Lithium-Ionen-Zellen dieses Formfaktors können bereits eine Energiedichte von bis zu 270 Wh/kg erreichen. Diese Energiedichte wird aller dings nur als Zwischenschritt angesehen. Vom Markt werden bereits Zellen mit noch höheren Ener giedichten gefordert.
Bei der Entwicklung verbesserter Lithium-Ionen-Zellen sind allerdings noch andere Faktoren zu be achten als nur die Energiedichte. Außerordentlich wichtige Parameter sind auch der Innenwider stand der Zellen, der möglichst niedrig gehalten werden sollte, um Leistungsverluste beim Laden und Entladen zu verringern, sowie die thermische Anbindung der Elektroden, die für eine Tempera tu rregulierungderZelle essentiell sein kann. Auch diese Parameter sind für zylindrische Rundzellen, die einen Verbundkörper in Form eines Wickels enthalten, sehr wichtig. Beim Schnellladen von Zel len können aufgrund von Leistungsverlusten Wärmestaus in den Zellen auftreten, die zu massiven thermomechanischen Belastungen und in der Folge zu Verformungen und Beschädigungen der Zell struktur führen können. Das Risiko besteht verstärkt dann, wenn die elektrische Anbindung der Stromkollektoren über separate elektrische, an die Stromkollektoren geschweißte Ableiterfahnen erfolgt, die axial aus gewickelten Verbundkörpern austreten, da bei starken Belastungen beim Laden oder Entladen eine Erwärmung lokal an diesen Ableiterfahnen auftreten kann.
Sehr hohe Energiedichten können insbesondere bei einem Einsatz von Zinn, Aluminium, Antimon und/oder Silizium als Aktivmaterial in negativen Elektroden erzielt werden. Silizium besitzt eine ma ximale Kapazität von mehr als 3500 mAh/g. Das ist rund zehn mal mehr als die spezifische Kapazität von Graphit. In der Praxis ist der Einsatz von Elektrodenmaterialien mit hohen Anteilen an den ge nannten metallischen Aktivmaterialien allerdings mit Schwierigkeiten verbunden. Partikel aus die sen Materialien unterliegen beim Laden und Entladen vergleichsweise starken Volumenänderun gen. Hieraus resultieren mechanische Belastungen und gegebenenfalls auch mechanische Beschä digungen. So sind beispielsweise Anteile von mehr als 10 % Silizium in negativen Elektroden bislang nur schwer beherrschbar. Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, Lithium-Ionen-Zellen bereitzustellen, die sich durch eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Energiedichte auszeichnen und die gleichzeitig hervorragende Charakteristiken bezüglich ihres Innenwiderstands und ihrer passiven Entwärmungsfähigkeiten besitzen.
Diese Aufgabe wird durch die nachfolgend beschriebene Lithium-Ionen-Zelle, insbesondere die be vorzugte Ausführungsform der nachfolgend beschriebenen Lithium-Ionen-Zelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1, gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen dieser bevorzugten Ausführungsform ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Zelle zeichnet sich stets durch die folgenden Merkmale a. bis j. aus: a. Die Zelle umfasst einen Elektroden-Separator-Verbund mit der Sequenz Anode / Separator / Kathode, bevorzugt einen bandförmigen Elektroden-Separator-Verbund mit der Sequenz Anode / Separator / Kathode. b. Die Anode umfasst einen Anodenstromkollektor mit einem ersten und einem zweiten Rand, bevorzugt einen bandförmigen Anodenstromkollektor mit einem ersten und einem zweiten Längs rand und zwei Endstücken. c. Der Anodenstromkollektor weist einen Hauptbereich, der mit einer Schicht aus negativem Elektrodenmaterial beladen ist, bevorzugt einen bandförmigen Hauptbereich, der mit einer Schicht aus dem negativen Elektroden material beladen ist, sowie einen freien Randstreifen, der sich entlang des ersten Rands des Anodenstrom kollektors, insbesondere entlang des ersten Längsrands des Anodenstromkollektors, erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial beladen ist, auf. d. Die Kathode umfasst einen Kathodenstromkollektor mit einem ersten und einem zweiten Rand, bevorzugt einen bandförmigen Kathodenstromkollektor mit einem ersten und einem zweiten Längsrand und zwei Endstücken. e. Der Kathodenstromkollektor weist einen Hauptbereich, der mit einer Schicht aus positivem Elektrodenmaterial beladen ist, be vorzugt einen bandförmigen Hauptbereich, der mit einer Schicht aus dem positiven Elektrodenma terial beladen ist, sowie einen freien Randstreifen, der sich entlang des ersten Rands des Kathodenstromkollektors, insbesondere entlang des ersten Längsrands des Kathodenstromkollektors, erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial beladen ist, auf. f. Der Elektroden-Separator-Verbund liegt in Form eines Wickels mit zwei endständigen Stirn seiten vor oder ist Bestandteil eines Stapels, der aus zwei oder mehr identischen Elektroden-Sepa- rator-Verbünden gebildet ist und gleichfalls zwei endständige Seiten aufweist. g. Der Elektroden-Separator-Verbund ist, gegebenenfalls mitsamt dem oder den weiteren identischen Elektroden-Separator-Verbünden des Stapels, von einem Gehäuse umschlossen. h. Die Anode und die Kathode sind derart ausgebildet und/oder innerhalb des Elektroden-Se- parator-Verbunds derart zueinander angeordnet, dass der erste Rand oder Längsrand des Anoden stromkollektors aus einer der endständigen Stirnseiten oder Seiten des Stapels und der erste Rand oder Längsrand des Kathodenstromkollektors aus der anderen der endständigen Stirnseiten oder Seiten des Stapels austritt. i. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktblechteil auf, mit einem der ersten Ränder oder Längsränder, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht. j. Das Kontaktblechteil ist mit diesem Rand oder Längsrand durch Verschweißung verbunden.
Besonders bevorzugt umfasst die Zelle zwei Kontaktblechteile, von denen eines mit dem ersten Rand oder Längsrand des Anodenstromkollektors und das andere mit dem ersten Rand oder Längs rand des Kathodenstromkollektors in unmittelbarem Kontakt steht, wobei die Kontaktblechteile und die damit in Kontakt stehenden Ränder oder Längsränder jeweils durch Verschweißung mitei nander verbunden sind.
Die Stromkollektoren dienen dazu, im Elektrodenmaterial enthaltene elektrochemisch aktive Kom ponenten möglichst großflächig elektrisch zu kontaktieren. Bevorzugt bestehen die Stromkollekt oren als einem Metall oder sind zumindest oberflächlich metallisiert. Als Metall für den Anoden stromkollektor eignen sich beispielsweise Kupfer oder Nickel oder auch andere elektrisch leitfähige Materialien, insbesondere Kupfer- und Nickellegierungen oder mit Nickel beschichtete Metalle. Auch Edelstahl kommt grundsätzlich in Frage. Als Metall für den Kathodenstromkollektor eignen sich bei spielsweise Aluminium oder auch andere elektrisch leitfähige Materialien, insbesondere auch Alu- miniumlegierungen.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Anodenstromkollektor und/oder dem Kathodenstromkollektor jeweils um eine Metallfolie mit einer Dicke im Bereich von 4 pm bis 30 pm, insbesondere eine band förmige Metallfolie mit einer Dicke im Bereich von 4 pm bis 30 pm.
Neben Folien können als Stromkollektoren allerdings auch andere bandförmige Substrate wie me tallische oder metallisierte Vliese oder offenporige Schäume verwendet werden.
Die Stromkollektoren sind bevorzugt beidseitig mit dem jeweiligen Elektrodenmaterial beladen.
In den freien Randstreifen ist das Metall des jeweiligen Strom ko llektors frei von dem jeweiligen Elektrodenmaterial. Bevorzugt ist das Metall des jeweiligen Stromkollektors dort unbedeckt, so dass es für elektrische Kontaktierungen, beispielsweise durch Verschweißung, zur Verfügung steht.
In einigen Ausführungsformen kann das Metall des jeweiligen Stromkollektors in den freien Rand streifen aber auch mit einem Stützmaterial beschichtet sein, das thermisch beständiger als der da mit beschichtete Stromkollektor ist.
„Thermisch beständiger“ soll hierbei bedeuten, dass das Stützmaterial bei einer Temperatur, bei der das Metall des Stromkollektors schmilzt, einen festen Zustand behält. Es weist also entweder einen höheren Schmelzpunkt als das Metall auf oder aber es sublimiert oder zersetzt sich erst bei einer Temperatur, bei der das Metall bereits geschmolzen ist.
Bevorzugt weisen sowohl der Anodenstromkollektor als auch der Kathodenstromkollektor jeweils entlang des ersten Rands, bevorzugt entlang des ersten Längsrands, einen freien Randstreifen auf, der nicht mit dem jeweiligen Elektrodenmaterial beladen ist. In einer Weiterbildung ist es bevorzugt, dass sowohl der mindestens eine freie Randstreifen des Anodenstromkollektors als auch der min destens eine freie Randstreifen des Kathodenstromkollektors mit dem Stützmaterial beschichtet sind. Besonders bevorzugt wird für jeden der Bereiche das gleiche Stützmaterial verwendet.
Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbare Stützmaterial kann grundsätzlich ein Metall oder eine Metalllegierung sein, sofern dieses oder diese einen höheren Schmelzpunkt aufweist als das Metall, aus dem die Oberfläche besteht, die mit dem Stützmaterial beschichtet ist. In vielen Aus führungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Zelle allerdings bevorzugt durch mindestens eines der unmittelbar folgenden zusätzlichen Merkmale a. bis d. aus: a. Bei dem Stützmaterial handelt es sich um ein nichtmetallisches Material. b. Bei dem Stützmaterial handelt es sich um ein elektrisch isolierendes Material. c. Bei dem nichtmetallischen Material handelt es sich um ein keramisches Material, ein glaske ramisches Material oder um ein Glas. d. Bei dem keramischen Material handelt es sich um Aluminiumoxid (Al203), um Titanoxid (Ti02), um Titannitrid (TiN), um Titanaluminiumnitrid (TiAlN), um ein Siliziumoxid, insbesondere Si liziumdioxid (Si02), oder um Titancarbonitrid (TiCN).
Erfindungsgemäß ist das Stützmaterial besonders bevorzugt gemäß dem unmittelbar vorstehenden Merkmal b. und insbesondere bevorzugt gemäß dem unmittelbar vorstehenden Merkmal d. ausge bildet.
Der Begriff nichtmetallisches Material umfasst insbesondere Kunststoffe, Gläser und keramische Materialien.
Der Begriff elektrisch isolierendes Material ist vorliegend breit auszulegen. Er umfasst grundsätzlich jedes elektrisch isolierende Material, insbesondere auch besagte Kunststoffe.
Der Begriff keramisches Material ist vorliegend breit auszulegen. Insbesondere sind hierunter Car bide, Nitride, Oxide, Silicide oder Mischungen und Derivate dieserVerbindungen zu verstehen.
Mit dem Begriff „glaskeramisches Material“ ist insbesondere ein Material gemeint, das kristalline Teilchen umfasst, die in eine amorphe Glasphase eingebettet sind.
Der Begriff „Glas“ meint grundsätzlich jedes anorganische Glas, das den oben definierten Kriterien an thermische Stabilität genügt und das gegenüber einem gegebenenfalls in der Zelle anwesenden Elektrolyten chemisch stabil ist. Besonders bevorzugt besteht der Anodenstromkollektor aus Kupfer oder einer Kupferlegierung während gleichzeitig der Kathodenstromkollektor aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und das Stützmaterial Aluminiumoxid oder Titanoxid ist.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass freie Randstreifen des Anoden- und/oder des Kathoden stromkollektors mit einem Streifen aus dem Stützmaterial beschichtet sind.
Die Hauptbereiche, insbesondere die bandförmigen Hauptbereiche von Anodenstromkollektor und Kathodenstromkollektor, erstrecken sich bevorzugt parallel zu den jeweiligen Rändern oder Längs rändern der Stromkollektoren. Bevorzugt erstrecken sich die bandförmigen Hauptbereiche über mindestens 90 %, besonders bevorzugt über mindestens 95 %, der Flächen von Anodenstromkol lektor und Kathodenstromkollektor.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen wird das Stützmaterial neben den bevorzugt bandför migen Hauptbereichen aufgebracht, bedeckt die freie Bereiche dabei jedoch nicht vollständig. Bei spielsweise wird es in Form eines Streifens oder einer Linie entlang eines Rands von Anoden- und/o der Kathodenstromkollektor, insbesondere eines Längsrands von Anoden- und/oder Kathoden stromkollektor, aufgebracht, so dass es den jeweiligen Randstreifen nurteilweise bedeckt. Unmit telbar entlang dieses Rands oder Längsrands kann dabei ein langgestreckter Teilbereich des freien Randstreifens unbedeckt bleiben.
Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Zelle eine sekundäre Lithium-Ionen- Zelle.
Für Anode und Kathode der Zelle können im Grunde sämtliche für sekundäre Lithium-Ionen-Zellen bekannten Elektrodenmaterialien verwendet werden.
In der negativen Elektrode können als Aktivmaterialien Partikel auf Kohlenstoffbasis wie graphiti scher Kohlenstoff oder zur Interkalation von Lithium befähigte, nicht-graphitische Kohlenstoffma terialien, bevorzugt ebenfalls in Partikelform, eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch Lithiumtitanat (Li Ti50i2) oder ein Derivat desselben in der negativen Elektrode enthalten sein, bevorzugt ebenfalls in Partikelform.
Besonders zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle jedoch zusätzlich zu den oben genannten zwin genden Merkmalen a. bisj. durch das unmittelbar folgende Merkmal k. aus: k. Das negative Elektrodenmaterial umfasst als Aktivmaterial mindestens ein Material aus der Gruppe mit Silizium, Aluminium, Zinn, Antimon und eine Verbindung oder Legierung dieser Materi alien, die Lithium reversibel ein- und auslagern kann, in einem Anteil von 20 Gew.-% bis 90 Gew.-%.
Die Gewichtsangaben beziehen sich hierbei auf die Trockenmasse des negativen Elektrodenmateri- als, also ohne Elektrolyt und ohne Berücksichtigung des Gewichts des Anodenstromkollektors.
Wie eingangs erwähnt, sind Zinn, Aluminium, Antimon und Silizium in der Lage, mit Lithium inter metallische Phasen zu bilden. Die Kapazität zur Aufnahme von Lithium übersteigt dabei, insbeson dere im Fall von Silizium, die von Graphit oder vergleichbaren Materialien um ein Vielfaches.
Unter den genannten Aktivmaterialien, die bevorzugt ebenfalls in Form von Partikeln verwendet werden, ist Silizium besonders bevorzugt. Erfindungsgemäß besonders bevorzugt sind entspre chend Zellen, deren negative Elektrode als Aktivmaterial Silizium in einem Anteil von 20 Gew.-% bis 90 Gew.-% enthält.
Auch einige Verbindungen von Silizium, Aluminium, Zinn und/oder Antimon können Lithium rever sibel ein- und auslagern. Beispielsweise kann in einigen bevorzugten Ausführungsformen das Sili- zium in oxidischer Form in der negativen Elektrode enthalten sein. In diesen Ausführungsformen kann es bevorzugt sein, dass die negative Elektrode Siliziumoxid in einem Anteil von 20 Gew.-% bis 90 Gew.-% aufweist.
Das Design der erfindungsgemäßen Zelle ermöglicht einen signifikanten Vorteil. Wie eingangs er wähnt, treten bei Elektroden, bei denen die elektrische Anbindung der Stromkollektoren über die eingangs erwähnten separaten Ableiterfahnen erfolgt, beim Laden und Entladen unmittelbar in der Nähe der Ableiterfahnen größere thermomechanische Belastungen auf als entfernt von den Ab leiterfahnen. Dieser Unterschied tritt besonders ausgeprägt bei negativen Elektroden zu Tage, die als Aktivmaterial einen Anteil an Silizium, Aluminium, Zinn und/oder Antimon aufweisen.
Die elektrische Anbindung des oder der Stromkollektoren über die Kontaktblechteile ermöglicht nicht nur eine vergleichsweise gleichmäßige und effiziente Entwärmung erfindungsgemäßer Zellen, vielmehr werden dadurch auch die beim Laden und Entladen auftretenden thermomechanischen Belastungen gleichmäßig auf den Wickel verteilt. Überraschenderweise ermöglicht dies die Beherr schung sehr hoher Anteile an Silizium und/oder Zinn und/oder Antimon in der negativen Elektrode, bei Anteilen > 50 % treten beim Laden und Entladen vergleichsweise selten oder keine Schäden in Folge der thermomechanischen Belastungen auf. Durch Erhöhung des Anteils an beispielsweise Si lizium in der Anode lässt sich die Energiedichte der Zelle stark erhöhen.
Der Fachmann versteht, dass es sich bei dem Zinn, dem Aluminium, dem Silizium und dem Antimon nicht zwingend um Metalle in ihrer Reinstform handeln muss. So können beispielsweise Silizium- Partikel auch Spuren oder Anteile anderer Elemente, insbesondere anderer Metalle (abgesehen von dem ohnehin in Abhängigkeit des Ladezustands enthaltenen Lithiums), aufweisen, beispielsweise in Anteilen von bis zu 40 Gew.-%, insbesondere in Anteilen von bis zu 10 Gew.-%. Es können also auch Legierungen des Zinns, des Aluminiums, des Siliziums und des Antimons eingesetzt werden.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch min destens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b. aus: a. Das negative Elektrodenmaterial umfasst als negatives Aktivmaterial weiterhin zur reversib len Ein- und Auslagerung von Lithium befähigte Partikel auf Kohlenstoffbasis wie beispielsweise gra phitischen Kohlenstoff, insbesondere eine Mischung aus dem Silizium und diesen kohlenstoffbasier ten Partikeln. b. Die zur Interkalation von Lithium befähigten Partikel auf Kohlenstoffbasis sind in dem Elekt rodenmaterial in einem Anteil von 5 Gew.-% bis 75 Gew.-%, insbesondere in einem Anteil von 15 Gew.-% bis 45 Gew.-%, enthalten.
In weiteren besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus: a. Das negative Elektrodenmaterial umfasst einen Elektrodenbinder und/oder ein Leitmittel. b. Der Elektrodenbinder ist in dem negativen Elektrodenmaterial in einem Anteil von 1 Gew.-% bis 15 Gew.-%, insbesondere in einem Anteil von 1 Gew.-% bis 5 Gew.-%, enthalten. c. Das Leitmittel ist in dem negativen Elektrodenmaterial in einem Anteil von 0,1 Gew.-% bis 15 Gew.-%, insbesondere in einem Anteil von 1 Gew.-% bis 5 Gew.-%, enthalten.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis c. in Kombination miteinander verwirklicht sind. Die Aktivmaterialien sind bevorzugt in eine Matrix aus dem Elektrodenbinder eingebettet, wobei be nachbarte Partikel in der Matrix bevorzugt in unmittelbarem Kontakt miteinander stehen.
Leitmittel dienen dazu, die elektrische Leitfähigkeit der Elektroden zu erhöhen. Übliche Elektroden binder basieren beispielsweise auf Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyacrylat oder Carboxymethylzel- lulose. Übliche Leitmittel sind Ruß und Metallpulver.
Im Rahmen dervorliegenden Erfindung ist es besonders bevorzugt, dassdas positive Elektrodenma terial einen PVDF-Binder und das negative Elektrodenmaterial einen Polyacrylat-Binder, insbeson dere Lithiumpolyacrylsäure, umfasst.
Für die positive Elektrode kommen als Aktivmaterialien beispielsweise Lithium-Metalloxid-Verbin- dungen und Lithium-Metallphosphat-Verbindungen wie LiCo02 und LiFeP0 in Frage. Weiterhin gut geeignet sind insbesondere Lithiumnickelmangancobaltoxid (NMC) mit der Summenformel Li- NixMnyCOz02 (wobei x + y + z typischerweise 1 ist), Lithiummanganspinell (LMO) mit der Summenfor mel LiMn204, oder Lithiumnickelcobaltaluminiumoxid (NCA) mit der Summenformel LiNixCoyAlz02 (wobei x + y + z typischerweise 1 ist). Auch Derivate hiervon, beispielsweise Lithiumnickelmangan- cobaltaluminiumoxid (NMCA) mit der Summenformel Lii.n(Nio.4oMn0.39Coo.i6Alo.o5)o.8902 oder Lii+xM-0 Verbindungen und/oder Mischungen der genannten Materialien können eingesetzt werden.
Der hohe Gehalt an Silizium in der Anode einer erfindungsgemäßen Zelle bedingt eine entsprechend hochkapazitive Kathode, um eine gute Zellbalance erreichen zu können. Daher sind insbesondere NMC, NCA oder NMCA bevorzugt.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch min destens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis e. aus: a. Das positive Elektrodenmaterial umfasst als Aktivmaterial mindestens eine zur reversiblen Ein- und Auslagerung von Lithium befähigte Metalloxidverbindung, bevorzugt eine der vorstehend genannten Verbindungen, insbesondere NMC, NCA oder NMCA. b. Die mindestens eine oxidische Verbindung ist in dem Elektroden material in einem Anteil von 50 Gew.-% bis 99 Gew.-%, insbesondere in einem Anteil von 80 Gew.-% bis 99 Gew.-%, enthalten. c. Das positive Elektrodenmaterial umfasst ebenfalls bevorzugt den Elektrodenbinder und/o der das Leitmittel. d. Der Elektrodenbinder ist in dem positiven Elektrodenmaterial in einem Anteil von 1 Gew.-% bis 15 Gew.-%, insbesondere in einem Anteil von 2 Gew.-% bis 5 Gew.-% enthalten. e. Das Leitmittel ist in dem positiven Elektrodenmaterial in einem Anteil von 0,1 Gew.-% bis 15 Gew.-% enthalten.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis e. in Kombination miteinander verwirklicht sind.
Sowohl im Fall der positiven als auch im Fall der negativen Elektrode ist es bevorzugt, dass sich die prozentualen Anteile der jeweils im Elektrodenmaterial enthaltenen Komponenten auf 100 Gew.-% ergänzen.
Während hochkapazitive Kathoden Lithium reversibel im Bereich von 200 - 250 mAh/g speichern können, liegt die theoretische Kapazität von Silizium bei ca. 3500 mAh/g. Dies führt zu vergleichs weise dicken Kathoden mit hoher Flächenbeladung und sehr dünnen Anoden mit niedriger Flächen beladung. Da Materialien wie Silizium auf Grund der sehr hohen Kapazität stark auf kleine Span nungsänderungen reagieren, sollte der Anodenstromkollektorso homogen wie möglich beschichtet werden. Bereits kleine Unterschiede in der Beladungdes Strom ko llektors und/oder der Verdichtung desOlektrodenmaterials können zu starken lokalen Abweichungen in der Elektrodenbalance und/o der Stabi- lität führen.
Aus diesem Grund zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle in bevorzugten Ausführungsformen durch das unmittelbar folgende Merkmal a. aus: a. Das Flächengewicht der negativen Elektrode (120) weicht je Flächeneinheit von mindestens 10 cm2 um maximal 2 % von einem Mittelwert ab.
Der Mittelwert ergibt sich hierbei als Quotient aus der Summe von mindestens 10 Messergebnissen durch die Anzahl der durchgeführten Messungen.
Weiterhin umfasst die Zelle bevorzugt einen Elektrolyten, beispielsweise auf der Basis mindestens eines Lithiumsalzes wie beispielsweise Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), das in einem organi schen Lösungsmittel gelöst vorliegt (z. B. in einer Mischung organischer Carbonate). In besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch min destens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis d. aus: a. Die Zelle umfasst einen Elektrolyten, der eine Mischung aus Tetrahydrofuran (THF) und 2- Methyltetrahydrofuran (mTHF) umfasst. b. Das Volumenverhältnis von THF : zu mTHF in der Mischung liegt im Bereich von 2 : 1 bis 1 : 2, besonders bevorzugt beträgt es 1 : 1. c. Die Zelle umfasst einen Elektrolyten, der LiPF6als Leitsalz umfasst. d. Das Leitsalz in einem Anteil von 1,5 bis 2.5 M, insbesondere von 2 M, in dem Elektrolyten ent halten.
Besonders bevorzugt zeichnet sich der Elektrolyt der erfindungsgemäßen Zelle durch alle vorste henden Merkmale a. bis d. aus.
In alternativen besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis e. aus: a. Die Zelle umfasst einen Elektrolyten, der eine Mischung aus Fluoroethylencarbonat (FEC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) umfasst. b. Das Volumenverhältnis von FEC : zu EMC in der Mischung liegt im Bereich von 1 : 7 bis 5 : 7, besonders bevorzugt beträgt es 3 : 7. c. Die Zelle umfasst einen Elektrolyten, der LiPF6als Leitsalz umfasst. d. Das Leitsalz ist in einer Konzentration von 1,0 bis 2.0 M, insbesondere von 1,5 M, in dem Elekt rolyten enthalten. e. Der Elektrolyt umfasst Vinylencarbonat (VC), insbesondere in einem Anteil von 1 bis 3 Gew.-
%.
Besonders bevorzugt zeichnet sich der Elektrolyt der erfindungsgemäßen Zelle durch alle vorste henden Merkmale a. bis e. aus.
Bei dem Separator handelt es sich beispielsweise um eine elektrisch isolierende Kunststofffolie, die von dem Elektrolyten durchdrungen werden kann, beispielsweise weil sie Mikroporen aufweist. Die Folie kann beispielsweise aus einem Polyolefin oder aus einem Polyetherketon gebildet sein. Auch Vliese und Gewebe aus solchen Kunststoffmaterialien können als Separator zum Einsatz kommen.
Zur Verbesserung der Zyklenstabilität wird das Verhältnis der Kapazitäten von Anode zu Kathode der erfindungsgemäßen Zelle vorzugsweise so ausbalanciert, dass die mögliche Kapazität des Silizi ums nicht voll ausgenutzt wird.
Besonders bevorzugt zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch das unmittelbar folgende Merkmal a. aus: e. Die Kapazitäten von Anode zu Kathode der erfindungsgemäßen Zelle werden so ausbalan ciert, dass im Betrieb je Gramm Elektrodenmaterial der negativen Elektrode lediglich 700-1500 mAh reversibel genutzt werden.
Durch diese Maßnahme lassen sich Volumenänderungen deutlich reduzieren.
Bevorzugt sind die bandförmige Anode und die bandförmige Kathode innerhalb des Elektroden-Se- parator-Verbunds versetzt zueinander angeordnet, um zu gewährleisten, dass der erste Längsrand des Anodenstromkollektors aus einer der endständigen Stirnseiten und dererste Längsrand des Ka thodenstromkollektors aus der anderen der endständigen Stirnseiten austritt.
Bei der Herstellung von Verbünden aus Elektroden und Separatoren wird üblicherweise darauf ge achtet, dass es nicht zu einem einseitigen Überstehen entgegengesetzt gepolter Stromkollektoren kommt, da dies die Kurzschlussgefahr erhöhen kann. Bei der beschriebenen versetzten Anordnung von Anode und Kathode ist die Kurzschlussgefahr jedoch minimiert, da die entgegengesetzt gepol ten Stromkollektoren aus sich gegenüberliegenden Stirnseiten des Wickels oder Seiten des Stapels austreten.
Den aus der versetzten Anordnung resultierenden Überstand der Stromkollektoren kann man sich erfindungsgemäß zunutze machen, indem man sie mittels eines entsprechenden Stromableiters, bevorzugt über ihre gesamte Länge, kontaktiert. Als Stromableiter dient erfindungsgemäß das er wähnte Kontaktblechteil. Eine solche elektrische Kontaktierung senkt den Innenwiderstand inner halb der erfindungsgemäßen Zelle sehr deutlich. Die beschriebene Anordnung kann das Auftreten großer Ströme somit sehr gut abfangen. Mit minimiertem Innenwiderstand reduzieren sich thermi sche Verluste bei hohen Strömen. Zudem wird die Abfuhr thermischer Energie aus dem gewickelten Elektroden-Separator-Verbund begünstigt. Bei starken Belastungen tritt eine Erwärmung nicht lokal sondern gleichmäßig verteilt auf.
Neben den genannten Elementen umfasst die erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Zelle zweckmäßi gerweise auch ein Gehäuse aus zwei oder mehr Gehäuseteilen, das den Elektroden-Separator-Ver bund in Form eines Wickels bevorzugt gas- und/oder flüssigkeitsdicht umschließt.
Bei Verwendung von Kontaktblechteilen ist es in der Regel erforderlich, die Kontaktblechteile elektrisch mit dem Gehäuse zu verbinden oder aber mit elektrischen Leitern, die aus dem Gehäuse herausgeführt sind. Beispielsweise können die Kontaktblechteile hierzu mit den erwähnten Gehäu seteilen unmittelbar oder über elektrische Leiter verbunden werden.
Wenn der Elektroden-Separator-Verbund Bestandteil des Stapels aus den zwei oder mehr identi schen Elektroden-Separator-Verbünden ist, so sind die identischen Elektroden-Separator-Verbünde innerhalb des Stapels derart angeordnet, dass die Ränder ihrer Anodenstromkollektoren, gegebe nenfalls auch die Längsränder ihrer Anodenstromkollektoren, und die Ränder ihrer Kathodenstrom kollektoren, gegebenenfalls auch die Längsränder ihrer Kathodenstromkollektoren, jeweils aus der gleichen Seite des Stapels austreten. So können gleichzeitig alle Anodenstromkollektoren und alle Kathodenstromkollektoren mit dem jeweils gleichen Kontaktblechteil elektrisch kontaktiert wer den.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle dadurch aus, dass ein Teil des Gehäuses als das Kontaktblechteil dient und/oder dass das Kontaktblechteil einen Teil des Gehäuses bildet, das den Elektroden-Separator-Verbund umschließt.
Diese Ausführungsformen sind besonders vorteilhaft. Zum einen ist sie aus Entwärmungsaspekten optimal. Innerhalb des Wickels entstehende Wärme kann über die Ränder, insbesondere die Längs ränder, direkt ans Gehäuse abgegeben werden. Zum anderen lässt sich auf diese Weise das Innen volumen eines Gehäuses mit vorgegebenen Außenmaßen nahezu optimal ausnutzen. Jedes sepa rate Kontaktblechteil und jeder separate elektrische Leiter zum Verbinden der Kontaktblechteile mit dem Gehäuse benötigt Raum innerhalb des Gehäuses und trägt zum Gewicht der Zelle bei. Bei Ver zicht auf solche separaten Komponenten stehtdieser Raum für Aktivmaterial zurVerfügung. So kann die Energiedichte erfindungsgemäßer Zellen weiter erhöht werden. In einerersten, besonders bevorzugten Kontaktierungsvariantezeichnetsich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b., besonders bevorzugt durch eine Kombination der beiden Merkmale, aus: a. Das Gehäuse umfasst ein becherförmiges erstes Gehäuseteil mit einem Boden und einer um laufenden Seitenwand und einer Öffnung und ein zweites Gehäuseteil, das die Öffnung verschließt. b. Das Kontaktblechteil ist der Boden des ersten Gehäuseteils.
Bevorzugt ist das Gehäuse zylindrisch oder prismatisch ausgebildet. Das becherförmige erste Ge häuseteil weist entsprechend bevorzugt einen kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt auf und das zweite Gehäuseteil sowie der Boden des ersten Gehäuseteils sind entsprechend bevorzugt kreis förmig oder rechteckig ausgebildet.
Wenn der Elektroden-Separator-Verbund in Form des Wickels mit den zwei endständigen Stirnseiten vorliegt, ist das Gehäuse bevorzugt zylindrisch. Ist der Elektroden-Separator-Verbund hingegen Be standteil des Stapels aus den zwei oder mehr identischen Elektroden-Separator-Verbünden, so ist das Gehäuse bevorzugt prismatisch ausgebildet.
Wenn das Gehäuse zylindrisch ausgebildet ist, dann umfasst es in aller Regel einen zylindrischen Gehäusemantel sowie ein kreisförmiges Oberteil und ein kreisförmiges Unterteil, wobei in dieser Va riante das erste Gehäuseteil den Gehäusemantel und das kreisförmige Unterteil umfasst während das zweite Gehäuseteil dem kreisförmigen Oberteil entspricht. Das kreisförmige Oberteil und/oder das kreisförmige Unterteil können als Kontaktblechteile dienen.
Wenn das Gehäuse prismatisch ausgebildet ist, dann umfasst das Gehäuse in aller Regel mehrere rechteckige Seitenwände sowie ein polygonales, insbesondere rechteckiges Oberteil und ein poly gonales, insbesondere rechteckiges Unterteil, wobei in dieserVariante das erste Gehäuseteil die Sei tenwände und das polygonale Unterteil umfasst während das zweite Gehäuseteil dem kreisförmi gen polygonalen Oberteil entspricht. Das Oberteil und/oder das Unterteil können als Kontaktblech teile dienen.
Sowohl das erste als auch das zweite Gehäuseteil besteht bevorzugt aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, insbesondere aus einem metallischen Werkstoff. Die Gehäuseteile können z.B. unabhän gig voneinander aus einem vernickelten Stahlblech oder aus legiertem oder unlegiertem Aluminium bestehen.
In einer bevorzugten Weiterbildung der ersten Kontaktierungsvariante zeichnet sich die erfindungs gemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis e., insbesondere durch eine Kombination der unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis e., aus: a. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktblechteil auf, mit dem der erste Rand oder der erste Längsrand des Anodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit dem dieser Rand oder Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. b. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktblechteil auf, mit dem der erste Rand oder der erste Längsrand des Kathodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit dem dieser Rand oder Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. c. Eines der Kontaktblechteile ist der Boden des ersten Gehäuseteils. d. Das andere der Kontaktblechteile ist übereinen elektrischen Leiter mit dem zweiten Gehäu seteil verbunden. e. Die Zelle umfasst eine Dichtung, welche das erste und das zweite Gehäuseteil elektrisch von einander isoliert.
Bei dieser Ausführungsform können zum Umschließen des Elektroden-Separator-Verbunds her kömmliche Gehäuseteile verwendet werden. Es wird kein Platz für elektrische Leiter verschwendet, die zwischen dem Boden und dem Elektroden-Separator-Verbund angeordnet werden. Ein separa tes Kontaktblechteil wird bodenseitig nicht benötigt. Zum Schließen des Gehäuses kann die elektrisch isolierende Dichtung auf einen Rand des zweiten Gehäuseteils aufgezogen werden. Die Baugruppe aus dem zweiten Gehäuseteil und der Dichtung kann in die Öffnung des ersten Gehäuse teils eingesetzt und dort mechanisch fixiert werden, beispielsweise mittels eines Bördelvorgangs.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der ersten Kontaktierungsvariante kann auch das zweite Gehäuseteil als Kontaktblechteil dienen. In dieser Ausführungsform zeichnet sich die erfin dungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis e., insbe sondere durch eine Kombination der unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis e., aus a. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktblechteil auf, mit dem der erste Rand oder der erste Längsrand des Anodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit dem dieser Rand oder Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. b. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktblechteil auf, mit dem der erste Rand oder der erste Längsrand des Kathodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit dem dieser Rand oder Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. c. Eines der Kontaktblechteile ist der Boden des ersten Gehäuseteils. d. Das andere der Kontaktblechteile ist das zweite Gehäuseteil. e. Die Zelle umfasst eine elektrische Dichtung, welche das erste und das zweite Gehäuseteil elektrisch voneinander isoliert.
In dieser Ausführungsform werden auf keiner Seite des Elektroden-Separator-Verbunds elektrische Leiter zum Verbinden der Kontaktblechteile mit Gehäuseteilen benötigt. Auf einer Seite kommt ei nem der Kontaktblechteile zusätzlich die Funktion eines Gehäuseteils zu, auf der anderen Seite dient ein Teil eines Gehäuses als Kontaktblechteil. Der Raum innerhalb des Gehäuses kann optimal ge nutzt werden.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der ersten Kontaktierungsvariante zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis e. aus: a. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktblechteil auf, mit dem der erste Rand oder der erste Längsrand des Anodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit dem dieser Rand oder Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. b. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktblechteil auf, mit dem der erste Rand oder der erste Längsrand des Kathodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit dem dieser Rand oder Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. c. Eines der Kontaktblechteile ist der Boden des ersten Gehäuseteils. d. Das zweite Gehäuseteil ist in die Öffnung des ersten Gehäuseteils eingeschweißt und um fasst eine Poldurchführung, beispielsweise ein von einem elektrischen Isolator umgebener Polbol zen, durch welche ein elektrischer Leiter aus dem Gehäuse herausgeführt ist. e. Das andere der Kontaktblechteile ist mit diesem elektrischen Leiter elektrisch verbunden. Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis e. in Kombination miteinander verwirklicht sind.
In dieser Ausführungsform sind die Gehäuseteile miteinander verschweißt und damit elektrisch mit einanderverbunden. Aus diesem Grund wird besagte Poldurchführung benötigt.
In einer zweiten bevorzugten Kontaktierungsvariante zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b., besonders bevorzugt durch eine Kombination der beiden Merkmale, aus: a. Das Gehäuse umfasst ein rohrförmiges erstes Gehäuseteil mit zwei endständigen Öffnungen, ein zweites Gehäuseteil, das eine der Öffnungen verschließt und ein drittes Gehäuseteil, das die an dere der Öffnungen verschließt. b. Das Kontaktblechteil ist das zweite Gehäuseteil oder das dritte Gehäuseteil.
Auch in dieser Kontaktierungsvariante ist das Gehäuse der Zelle bevorzugt zylindrisch oder prisma tisch ausgebildet. Das rohrförmige erste Gehäuseteil weist entsprechend bevorzugt einen kreisför migen oder rechteckigen Querschnitt auf und das zweite und dritte Gehäuseteil sind entsprechend bevorzugt kreisförmig oder rechteckig ausgebildet.
Wenn das Gehäuse zylindrisch ausgebildet ist, dann ist das erste Gehäuseteil in aller Regel hohlzy lindrisch ausgebildet während das zweite und dritte Gehäuseteil kreisförmig ausgebildet sind und als Kontaktblechteile sowie gleichzeitig als Boden und Deckel, welche das erste Gehäuseteil end ständig verschließen können, dienen können.
Wenn das Gehäuse prismatisch ausgebildet ist, dann umfasst das erste Gehäuseteil in aller Regel mehrere rechteckige, über gemeinsame Kanten miteinander verbundene Seitenwände, während das zweite und das dritte Gehäuseteil jeweils polygonal, insbesondere rechteckig, ausgebildet sind. Sowohl das zweite und das dritte Gehäuseteil können als Kontaktblechteile dienen.
Sowohl das erste als auch das zweite Gehäuseteil besteht bevorzugt aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, insbesondere aus einem metallischen Werkstoff. Die Gehäuseteile können z.B. aus einem vernickelten Stahlblech, aus Edelstahl (beispielsweise vom Typ 1.4303 oder 1.4304), aus Kupfer, aus vernickeltem Kupferoderaus legiertem oderunlegiertem Aluminium bestehen. Es kann auch bevor zugtsein, dass mit der Kathode elektrisch verbundene Gehäuseteile aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung und mit der Anode elektrisch verbundene Gehäuseteile aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder aus vernickeltem Kupfer bestehen.
Ein großerVorteil dieser Variante ist, dass zur Bildung des Gehäuses keine durch vorgeschaltete Um form- und/oder Gießvorgänge herzustellende becherförmige Gehäuseteile benötigt werden. Als Ausgangspunkt dient stattdessen besagtes rohrförmiges erstes Gehäuseteil.
In einer bevorzugten Weiterbildung der zweiten Variante zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis e., insbesondere durch eine Kombination der unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis e., aus: a. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktblechteil auf, mit dem der erste Rand oder der erste Längsrand des Anodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit dem dieser Rand oder Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. b. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktblechteil auf, mit dem der erste Rand oder der erste Längsrand des Kathodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit dem dieser Rand oder Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. c. Eines der Kontaktblechteile ist in eine der endständigen Öffnungen des ersten Gehäuseteils eingeschweißt und ist das zweite Gehäuseteil. d. Das dritte Gehäuseteil ist in die andere der endständigen Öffnungen des ersten Gehäuseteils eingeschweißt und umfasst eine Poldurchführung, durch welche ein elektrischer Leiter aus dem Ge häuse herausgeführt ist, beispielsweise einen von einem elektrischen Isolator umgebenen Polbol zen. e. Das andere der Kontaktblechteile ist mit diesem elektrischen Leiter elektrisch verbunden.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis e. in Kombination miteinander verwirklicht sind.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der zweiten Variante zeichnet sich die erfindungsge mäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis d. aus: a. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktblechteil auf, mit dem der erste Rand oder der erste Längsrand des Anodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit dem dieser Rand oder Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. b. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktblechteil auf, mit dem der erste Rand oder der erste Längsrand des Kathodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit dem dieser Rand oder Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. c. Eines der Kontaktblechteile ist in eine der endständigen Öffnungen des ersten Gehäuseteils eingeschweißt und ist das zweite Gehäuseteil. d. Das andere der Kontaktblechteile verschließt als drittes Gehäuseteil die andere der endstän digen Öffnungen des ersten Gehäuseteils und ist mittels einer Dichtung von dem ersten Gehäuseteil isoliert.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis d. in Kombination miteinander verwirklicht sind.
Beide Ausführungsformen zeichnen sich dadurch aus, dass auf einer Gehäuseseite ein Kontaktblech teil als Gehäuseteil dient und mit dem ersten Gehäuseteil durch Verschweißung verbunden ist. Auf der anderen Seite kann ebenfalls ein Kontaktblechteil als Gehäuseteil dienen. Dieses muss dann aber elektrisch von dem ersten Gehäuseteil isoliert sein. Alternativ kann auch hier wieder mit einer Poldurchführung gearbeitet werden.
Die Poldurchführungen erfindungsgemäßer Zellen umfassen stets einen elektrischen Isolator, der einen elektrischen Kontakt des Gehäuses mit dem aus dem Gehäuse geführten elektrischen Leiter unterbindet. Bei dem elektrischen Isolator kann es sich beispielsweise um ein Glas oder einen kera mischen Werkstoff oder um einen Kunststoff handeln.
Der Elektroden-Separator-Verbund liegt bevorzugt in Form eines zylindrischen Wickels vor. Die Be- reitstellungder Elektroden in Form eines solchen Wickels erlaubt eine besonders vorteilhafte Raum nutzungin zylindrischen Gehäusen. Das Gehäuse ist daher in bevorzugten Ausführungsformen eben falls zylindrisch.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen liegt der Elektroden-Separator-Verbund bevorzugt in Form eines prismatischen Wickels vor. Die Bereitstellung der Elektroden in Form eines solchen Wi ckels erlaubt eine besonders vorteilhafte Raumnutzung in prismatischen Gehäusen. Das Gehäuse ist daher in bevorzugten Ausführungsformen ebenfalls prismatisch. Daneben können prismatische Gehäuse besonders gut von prismatischen Stapeln aus den oben ein geführten identischen Elektroden-Separator-Verbünden ausgefüllt werden. Die Elektroden-Separa- tor-Verbünde können zu diesem Zweck besonders bevorzugt eine im Wesentlichen rechteckige Grundform aufweisen.
Zu betonen ist, dass alle beschriebenen Ausführungsformen, bei denen ein Teil des Gehäuses als das Kontaktblechteil dient und/oderein Kontaktblechteil einen Teil des Gehäuses bildet, das den Elekt- roden-Separator-Verbund umschließt, insbesondere die erste und die zweite Kontaktierungsvari ante, auch völligunabhängigvon Merkmal k. ausAnspruch 1 realisierbar sind. Die Erfindung umfasst somit auch Zellen mit den Merkmalen a. bis j. des Anspruchs 1, bei denen ein Teil des Gehäuses als das Kontaktblechteil dient und/oderdas Kontaktblechteil einen Teil des Gehäuses bildet, die Anode aber nicht zwingend einen Anteil von 20 Gew.-% bis 90 Gew.-% Silizium, Aluminium, Zinn und/oder Antimon als Aktivmaterial aufweist.
In besonders bevorzugten Ausgestaltungen ist die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. gekennzeichnet: a. der Hauptbereich des mit dem Kontaktblechteil durch Verschweißung verbundenen Strom kollektors, bevorzugt der bandförmige Hauptbereich des mit dem Kontaktblechteil durch Ver schweißungverbundenen Strom ko llektors, weist eine Vielzahl von Durchbrechungen auf. b. Bei den Durchbrechungen in dem Hauptbereich handelt es sich um runde oder eckige Lö cher, insbesondere Stanz- oder Bohrlöcher. c. Der mit dem Kontaktblechteil durch Verschweißung verbundene Stromkollektor ist in dem Hauptbereich perforiert, insbesondere durch Rundloch- oder Schlitzlochperforation.
Die Vielzahl von Durchbrechungen resultiert in einem verringerten Volumen und auch verringertem Gewicht des Stromkollektors. Dies macht es möglich, mehr Aktivmaterial in die Zelle einzu bringen und auf diese Weise die Energiedichte der Zelle drastisch zu steigern. Energiedichtenerhöhungen bis in den zweistelligen Prozentbereich können so erreicht werden.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen sind die Durchbrechungen mittels Laser in den bandför migen Hauptbereich eingebracht. Grundsätzlich ist die Geometrie der Durchbrechungen nicht erfindungswesentlich. Wichtig ist, dass in Folge der Einbringung der Durchbrechungen die Masse des Stromkollektors verringert und mehr Platz für Aktivmaterial da ist, da die Durchbrechungen mit dem Aktivmaterial befüllt werden kön nen.
Sehr vorteilhaft kann hingegen sein, bei der Einbringung der Durchbrechungen darauf zu achten, dass der maximale Durchmesser der Durchbrechungen nicht zu groß ist. Bevorzugt sollten die Durchbrechungen nicht mehr als das doppelte der Dicke der Schicht des Elektrodenmaterials auf dem jeweiligen Strom kollektor betragen.
In besonders bevorzugten Ausgestaltungen ist die erfindungsgemäße Zelle durch das unmittelbar folgende Merkmal a. gekennzeichnet: a. Die Durchbrechungen in dem Stromkollektor, insbesondere in dem Hauptbereich, weisen Durchmesser im Bereich von 1 pm bis 3000 pm auf.
Innerhalb dieses bevorzugten Bereiches sind Durchmesser im Bereich von 10 pm bis 2000 pm, be vorzugt von 10 pm bis 1000 pm, insbesondere von 50 pm bis 250 pm, weiter bevorzugt.
Besonders bevorzugt zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle weiterhin durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b. aus: a. Der mit dem Kontaktblechteil durch Verschweißung verbundene Stromkollektor weist zu mindest in einem Teilabschnitt des Hauptbereichs ein geringeres Flächengewicht auf als der freie Randstreifen desselben Stromkollektors. b. Der mit dem Kontaktblechteil durch Verschweißung verbundene Stromkollektor weist in dem freien Randstreifen keine oder weniger Durchbrechungen pro Flächeneinheit als in dem Haupt bereich auf.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. in Kombination miteinander verwirklicht sind.
Der freien Randstreifen von Anoden- und Kathodenstromkollektor begrenzen den Hauptbereich zu den ersten Rändern oderden ersten Längsrändern hin. Bevorzugt umfassen sowohl der Anoden- als auch der Kathodenstromkollektor freie Randstreifen jeweils entlang ihren beiden Rändern, insbe sondere entlang ihren beiden Längsrändern.
Die Durchbrechungen charakterisieren den Hauptbereich. Mit anderen Worten, die Grenze zwischen dem Hauptbereich und dem oder den freien Randstreifen entspricht einem Übergang zwischen Be reichen mit und ohne Durchbrechungen.
Die Durchbrechungen sind bevorzugt im Wesentlichen gleichmäßig über den Hauptbereich verteilt.
In weiteren besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus: a. Das Flächengewicht des Stromkollektors ist in dem Hauptbereich gegenüber dem Flächen gewicht des Stromkollektors in dem freien Randstreifen um 5 % bis 80 % reduziert. b. Der Stromkollektor weist in dem Hauptbereich eine Lochfläche im Bereich von 5 % bis 80 % auf. c. Der Stromkollektor weist in dem Hauptbereich eine Zugfestigkeit von 20 N/mm2 bis 250 N/mm2 auf.
Die Bestimmung der Lochfläche, die häufig auch als freier Querschnitt bezeichnet wird, kann gemäß ISO 7806-1983 erfolgen. Die Zugfestigkeit des Stromkollektors in dem Hauptbereich ist gegenüber Stromkollektoren ohne die Durchbrechungen verringert. Ihre Bestimmung kann gemäß DIN EN ISO 527 Teil 3 erfolgen.
Es ist bevorzugt, dass der Anodenstromkollektor und der Kathodenstromkollektor bezüglich der Durchbrechungen gleich oderähnlich ausgebildetsind. Die jeweils erzielbaren Energiedichteverbes serungen addieren sich. Die erfindungsgemäße Zelle zeichnet sich daher in bevorzugten Ausfüh rungsformen weiterhin durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus: a. Der Hauptbereich des Anodenstromkollektors und der Hauptbereich des Kathodenstrom kollektors, bevorzugt der bandförmige Hauptbereich des Anodenstromkollektors und der bandför mige Hauptbereich des Kathodenstromkollektors, sind beide durch eine Vielzahl der Durchbrechun gen gekennzeichnet. b. Die Zelle umfasst das Kontaktblechteil, das auf dem einem der ersten Ränder oder Längs ränder aufliegt, als erstes Kontaktblechteil, sowie weiterhin ein zweites metallisches Kontaktblech teil, das auf dem anderen der ersten Ränder oder Längsränder aufliegt. c. Das zweite Kontaktblechteil ist mit diesem anderen Rand oder Längsrand durch Verschwei ßung verbunden.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis c. in Kombination miteinander verwirklicht sind. Die Merkmale b. und c. können in Kombination aberauch ohne Merk mal a. realisiert sein.
Die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen des mit den Durchbrechungen verse henen Stromkollektors sind unabhängig voneinander auf den Anodenstromkollektor und den Ka thodenstromkollektor anwendbar.
Die Verwendung perforierter oder auf sonstige Weise mit einer Vielzahl von Durchbrechungen verse hener Stromkollektoren ist bei Lithium-ionen-Zellen bislang nicht ernsthaft in Erwägung gezogen worden, da sich solche Stromkollektoren nur sehr schlecht elektrisch kontaktieren lassen. Wie ein gangserwähnt, erfolgt die elektrische Anbindu ng der Stromkollektoren vielfach über separate elekt rische Ableiterfahnen. Eine zuverlässige Verschweißung dieser Ableiterfahnen an perforierte Strom kollektoren in industriellen Massenproduktionsprozessen ist ohne eine akzeptable Fehlerrate je doch nur schwer realisierbar.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die beschriebene Verschweißung der Strom ko llektor- ränder mit dem oder den Kontaktblechteilen gelöst. Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht den vollständigen Verzicht auf separate Ableiterfahnen und ermöglicht so die Verwendung materialar mer, mit Durchbrechungen versehener Stromkollektoren. Insbesondere in Ausführungsformen, bei denen die freien Randstreifen derStromkollektoren nicht mit Durchbrechungen versehen sind, kann eine Verschweißung zuverlässig mit ausgesprochen geringen Ausschussraten erfolgen.
Werden als Stromkollektoren sehr dünne Metallfolien verwendet, so können die Ränder der Strom kollektoren, insbesondere die Längsränder der Stromkollektoren, mechanisch außerordentlich empfindlich sein und während der Verschweißung mit Kontaktblechteilen unbeabsichtigt weit nie- dergedrückt oder niedergeschmolzen werden. Weiterhin kann es beim Anschweißen der Kontakt blechteile zu einem Schmelzen von Separatoren des Elektroden-Separator-Verbunds kommen. Die oben beschriebene Stützschicht wirkt dem entgegen.
Zu betonen ist, dass auch alle beschriebenen Ausführungsformen, bei denen der bevorzugt band förmige Hauptbereich des mit dem Kontaktblechteil durch Verschweißung verbundenen Stromkol lektors eine Vielzahl von Durchbrechungen aufweist, völlig unabhängig von Merkmal k. aus An spruch 1 realisierbar sind. Die Erfindung umfasst somit auch Zellen mit den Merkmalen a. bis j. des Anspruchs 1, bei denen der bandförmige Hauptbereich des mit dem Kontaktblechteil durch Ver schweißung verbundenen Stromkollektors eine Vielzahl von Durchbrechungen aufweist, die Anode aber nicht zwingend einen Anteil von 20 Gew.-% bis 90 Gew.-% Silizium, Aluminium, Zinn und/oder Antimon als Aktivmaterial aufweist.
Das Konzept derVerschweißungder Ränder von Stromkollektoren mit Kontaktblechteilen ist bereits aus der WO 2017/215900 Al oder aus der JP 2004-119330 A bekannt. Die Verwendung von Kontakt blechteilen ermöglicht besonders hohe Strombelastbarkeiten und einen geringen Innenwiderstand. Bezüglich Verfahren zur elektrischen Verbindung von Kontaktblechteilen mit den Rändern von Stromkollektoren wird daher auf den Inhalt der WO 2017/215900 Al und der JP 2004-119330 A voll umfänglich Bezug genommen.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt einsetzbaren Kontaktblechteile können auch als Kontaktplatten bezeichnet werden. Sie sind in bevorzugten Ausführungsformen plattenförmig ausgebildet.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen weist die erfindungsgemäße Zelle mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b. auf: a. Als Kontaktblechteile, insbesondere als Kontaktplatten, werden Metallplatten mit einer Di cke im Bereich von 50 pm bis 600 pm, bevorzugt 150 - 350 pm, eingesetzt. b. Die Kontaktblechteile, insbesondere die Kontaktplatten, bestehen aus legiertem oder unle giertem Aluminium, Titan, Nickel oder Kupfer, aber gegebenenfalls auch aus Edelstahl (beispiels weise vom Typ 1.4303 oder 1.4304) oder aus vernickeltem Stahl. Die angegebenen Dicken sind sowohl in den beschriebenen Fällen, in denen ein Kontaktblechteil Teil des Gehäuses ist, als auch in Fällen, in denen ein Kontaktblechteil nicht als Teil des Gehäuses dient, bevorzugt.
Insbesondere in Ausführungsformen, in denen ein Kontaktblechteil, insbesondere eine Kontakt platte, nicht als Teil des Gehäuses dient, kann sie mindestens einen Schlitz und/oder mindestens eine Perforierung aufweisen. Diese dienen dazu, einer Verformung der Blechteile, insbesondere der Platten bei der Herstellung der Schweißverbindung entgegenzuwirken.
Insbesondere in Ausführungsformen, in denen ein Kontaktblechteil, insbesondere eine Kontakt platte, als Teil des Gehäuses dient, wird bevorzugt auf Schlitze und Perforierungen verzichtet. Aller dings kann ein solches Kontaktblechteil, insbesondere eine solche Kontaktplatte, eine Durchbre chung, insbesondere ein Loch in einem zentralen Bereich, aufweisen.
In Fällen, in denen das Gehäuse zylindrisch ausgebildet ist, werden bevorzugt Kontaktblechteile, insbesondere Kontaktplatten, eingesetzt, die die Form einer Scheibe, insbesondere die Form einer kreisförmigen oder zumindest näherungsweise kreisförmigen Scheibe, aufweisen. Sie weisen dann also einen äußeren kreisförmigen oderzumindest näherungsweise kreisförmigen Scheibenrand auf. Unter einer näherungsweise kreisförmigen Scheibe soll hierbei insbesondere eine Scheibe verstan den werden, die die Form eines Kreises mit mindestens einem abgetrennten Kreissegment, bevor zugt mit zwei bis vier abgetrennten Kreissegmenten, aufweist.
In Fällen, in denen das Gehäuse zylindrisch ausgebildet ist, werden bevorzugt Kontaktblechteile, insbesondere Kontaktplatten, eingesetzt, die eine rechteckige Grundform aufweisen.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen bestehen der Anodenstromkollektor und das daran geschweißte Kontaktblech, insbesondere die daran geschweißte Kontaktplatte, beide aus dem glei chen Material. Dieses wird besonders bevorzugt aus der Gruppe mit Kupfer, Nickel, Titan, vernickel tem Stahl und Edelstahl gewählt.
In weiteren besonders bevorzugten Ausführungsformen bestehen der Kathodenstromkollektor und das daran geschweißte Kontaktblech, insbesondere die daran geschweißte Kontaktplatte, beide aus dem gleichen Material. Dieses wird besonders bevorzugt aus der Gruppe mit legiertem oder unle giertem Aluminium, Titan und Edelstahl (z.B. vom Typ 1.4404) gewählt. Wie oben erwähnt, weist die erfindungsgemäße Zelle ein metallisches Kontaktblechteil auf, mit dem einer der ersten Ränder, insbesondere einer der ersten Längsränder, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht. Dadurch bedingt kann sich eine linienartige Kontaktzone ergeben.
In möglichen bevorzugten Weiterbildungen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch min destens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus: a. Der erste Rand des Anodenstromkollektors, insbesondere der erste Längsrand des Anoden stromkollektors, steht mit einem metallischen Kontaktblechteil, bevorzugt der Länge nach, in un mittelbarem Kontakt und ist mit diesem Kontaktblechteil durch Verschweißung verbunden, wobei zwischen dem Rand oder Längsrand und dem metallischen Kontaktblechteil eine linienartige Kon taktzone besteht. b. Der erste Rand des Kathodenstromkollektors, insbesondere der erste Längsrand des Katho denstromkollektors, steht mit einem metallischen Kontaktblechteil, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt und ist mit diesem Kontaktblechteil durch Verschweißung verbunden, wo bei zwischen dem Rand oder Längsrand und dem metallischen Kontaktblechteil eine linienartige Kontaktzone besteht. c. Der erste Rand oder Längsrand des Anodenstromkollektors und/oder der erste Rand oder Längsrand des Kathodenstromkollektors umfasst einen oder mehrere Abschnitte, die jeweils über ihre gesamte Länge über eine Schweißnaht durchgehend mit dem jeweiligen Kontaktblechteil ver bunden sind.
Die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. können sowohl unabhängig voneinander als auch in Kombination realisiert sein. Bevorzugt sind die Merkmale a. und b. allerdings in beiden Fällen in Kombination mit dem unmittelbar vorstehenden Merkmal e, realisiert.
Über die Kontaktblechteile ist es möglich, die Stromkollektoren und damit auch die dazugehörigen Elektroden über ihre gesamte Länge elektrisch zu kontaktieren. Gerade dies begünstigt die er wähnte Absenkung des Innenwiderstands innerhalb der erfindungsgemäßen Zelle sehr deutlich. Die beschriebene Anordnung kann das Auftreten großer Ströme somit hervorragend abfangen. Mit mi nimiertem Innenwiderstand reduzieren sich thermische Verluste bei hohen Strömen. Zudem wird die Abfuhr thermischer Energie aus dem Elektroden-Separator-Verbund begünstigt. Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie die Kontaktblechteile mit den Rändern, insbesondere den Längs rändern, verbunden werden können.
Die Kontaktblechteile können mit den Rändern oder Längsrändern entlang der linienartigen Kon taktzonen über mindestens eine Schweißnaht verbunden sein. Die Ränder oder Längsränder kön nen also einen oder mehrere Abschnitte umfassen, die jeweils über ihre gesamte Länge über eine Schweißnaht durchgehend mit dem Kontaktblechteil oder den Kontaktblechteilen verbunden sind. Besonders bevorzugt weisen diese Abschnitte eine Mindestlänge von 5 mm, bevorzugt von 10 mm, besonders bevorzugt von 20 mm, auf.
In einer möglichen Weiterbildung erstrecken sich der oder die mit dem Kontaktblechteil über ihre gesamte Länge durchgehend verbundenen Abschnitte über mindestens 25 %, bevorzugt über min destens 50 %, besonders bevorzugt über mindestens 75 %, der Gesamtlänge des jeweiligen Randes oder Längsrandes.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen sind die Ränder oder die Längsränder über ihre gesamte Länge durchgehend mit dem Kontaktblechteil verschweißt.
In weiteren möglichen Ausführungsformen sind die Kontaktblechteile mit dem jeweiligen Rand oder Längsrand über eine Mehrzahl oder Vielzahl von Schweißpunkten verbunden.
Wenn der Elektroden-Separator-Verbund in Form eines spiralförmigen Wickels vorliegt, weisen die aus den endständigen Stirnseiten des Wickels austretenden Längsränder des Anodenstromkollek tors und des Kathodenstromkollektors in der Regel ebenfalls eine spiralförmige Geometrie auf. Ana loges gilt dann auch für die linienartige Kontaktzone, entlang der die Kontaktblechteile mit dem je weiligen Längsrand verschweißt sind.
Wenn der Elektroden-Separator-Verbund Bestandteil des Stapels aus den zwei oder mehr identi schen Elektroden-Separator-Verbünden ist, so weisen die aus den endständigen Seiten des Stapels austretenden Ränder des Anodenstromkollektors und des Kathodenstromkollektors häufig eine li neare Geometrie auf. Analoges gilt dann auch für die linienartige Kontaktzone, entlang der die Kon taktblechteile mit dem jeweiligen Rand verschweißt sind.
In weiteren möglichen bevorzugten Weiterbildungen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus: a. Der Separator ist ein bevorzugt bandförmiges Kunststoffsubstrat mit einer Dicke im Bereich von 5 pm bis 50 miti, bevorzugt im Bereich von 7 miti bis 12 miti, sowie mit einem ersten und einem zweiten Längsrand und zwei Endstücken. b. Die Ränder des Separators, inbesondere die Längsränder des Separators, bilden die end ständigen Seiten oder Stirnseiten des Elektroden-Separator-Verbunds. c. Die aus den endständigen Stirnseiten des Wickels oder Seiten des Stapels austretenden Längsränder oder Ränder des Anodenstromkollektors und/oder des Kathodenstromkollektors ra gen nicht mehr als 5000 pm, bevorzugt nicht mehr als 3500 pm, aus den Stirnseiten oder den Seiten heraus.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis c. in Kombination miteinander verwirklicht sind.
Besonders bevorzugt ragt der Rand oder der Längsrand des Anodenstromkollektors aus der Seite des Stapels oder der Stirnseite des Wickels nicht mehr als 2500 pm, besonders bevorzugt nicht mehr als 1500 pm, heraus. Besonders bevorzugt ragt der Rand oder der Längsrand des Kathodenstrom kollektors aus der Seite des Stapels oder der Stirnseite des Wickels nicht mehr als 3500 pm, beson ders bevorzugt nicht mehr als 2500 pm, heraus.
Die Zahlenangaben zum Überstand des Anodenstromkollektors und/oder des Kathodenstromkol lektors beziehen sich auf den freien Überstand bevor die Seiten oder Stirnseiten mit dem Kontakt blechteil oder den Kontaktblechteilen in Kontakt gebracht werden. Beim Anschweißen des Kontakt blechteils oder der Kontaktblechteile kann es zu Deformationen der Ränder der Stromkollektoren kommen.
Je geringer der freie Überstand gewählt wird, desto breiter können die mit Elektrodenmaterial be deckten, bevorzugt bandförmigen Hauptbereiche der Stromkollektoren ausgebildet werden. Dies kann positiv zur Energiedichte der erfindungsgemäßen Zelle beitragen.
Bei der erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Zelle kann es sich um eine Knopfzelle handeln. Knopf zellen sind zylindrisch ausgebildet und weisen eine Höhe auf, die geringer als ihr Durchmesser ist. Bevorzugt liegt die Höhe im Bereich von 4 mm bis 15 mm. Weiteristes bevorzugt, dass die Knopfzelle einen Durchmesserim Bereich von 5 mm bis 25 mm aufweist. Knopfzellen eignen sich beispielsweise zur Versorgung von kleinen elektronischen Geräten wie Uhren, Hörgeräten und kabellosen Kopfhö rern mit elektrischer Energie.
Die Nennkapazität einer als Knopfzelle ausgebildeten erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Zelle be trägt in der Regel bis zu 1500 mAh. Bevorzugt liegt die Nennkapazität im Bereich von 100 mAh bis 1000 mAh, besonders bevorzugt im Bereich von 100 bis 800 mAh.
Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Zelle eine zylindrische Rundzelle. Zy lindrische Rundzellen weisen eine Höhe auf, die größer als ihr Durchmesser ist. Sie eignen sich ins besondere für Anwendungen im Automobilbereich, für E-Bikes oder auch für andere Anwendungen mit hohem Energiebedarf.
Bevorzugt liegt die Höhe als Rundzelle ausgebildeter Lithium-Ionen-Zellen im Bereich von 15 mm bis 150 mm. Der Durchmesser der zylindrischen Rundzellen liegt bevorzugt im Bereich von 10 mm bis 60 mm. Innerhalb dieser Bereiche sind Formfaktoren von beispielsweise 18 x 65 (Durchmesser mal Höhe in mm) oder 21 x 70 (Durchmesser mal Höhe in mm) besonders bevorzugt. Zylindrische Rundzellen mit diesen Formfaktoren eignen sich insbesondere zur Stromversorgung elektrischer Antriebe von Kraftfahrzeugen.
Die Nennkapazität der als zylindrische Rundzelle ausgebildeten erfindungsgemäßen Lithium-Ionen- Zelle beträgt bevorzugt bis zu 90000 mAh. Mit dem Formfaktor von 21 x 70 hat die Zelle in einer Aus führungsform als Lithium-Ionen-Zelle bevorzugt eine Nennkapazität im Bereich von 1500 mAh bis 7000 mAh, besonders bevorzugt im Bereich von 3000 bis 5500 mAh. Mit dem Formfaktor von 18 x 65 hat die Zelle in einer Ausführungsform als Lithium-Ionen-Zelle bevorzugt eine Nennkapazität im Be reich von 1000 mAh bis 5000 mAh, besonders bevorzugt im Bereich von 2000 bis 4000 mAh.
In der Europäischen Union sind Herstellerangaben zu Angaben betreffend die Nennkapazitäten von sekundären Batterien streng reglementiert. So haben etwa Angaben zur Nennkapazität von sekun dären Nickel-Cadmium-Batterien auf Messungen gemäß den Normen IEC/EN 61951-1 und IEC/EN 60622, Angaben zur Nennkapazität von sekundären Nickel-Metallhydrid-Batterien auf Messungen gemäß der Norm IEC/EN 61951-2, Angaben zur Nennkapazität von sekundären Lithium-Batterien auf Messungen gemäß der Norm IEC/EN 61960 und Angaben zur Nennkapazität von sekundären Blei- Säure-Batterien auf Messungen gemäß der Norm IEC/EN 61056-1 zu basieren. Jegliche Angaben zu Nennkapazitäten in der vorliegenden Anmeldung basieren bevorzugt ebenfalls auf diesen Normen. Der Anodenstromkollektor, der Kathodenstromkollektor und der Separator sind in Ausführungsfor men, bei denen die erfindungsgemäße Zelle eine zylindrische Rundzelle ist, bevorzugt bandförmig ausgebildet und weisen bevorzugt die folgenden Dimensionen auf:
Eine Länge im Bereich von 0,5 m bis 25 m - Eine Breite im Bereich 30 mm bis 145 mm
Der freie Randstreifen, der sich entlang des ersten Längsrands erstreckt und der nicht mit dem Elekt rodenmaterial beladen ist, weist in diesen Fällen bevorzugt eine Breite von nicht mehr als 5000 pm auf.
Im Falle einer zylindrischen Rundzelle mit dem Formfaktor 18 x 65 weisen die Stromkollektoren be- vorzugt eine Breite von 56 mm bis 62 mm, bevorzugt von 60 mm, und eine Länge von nicht mehr als 1,5 m auf.
Im Falle einer zylindrischen Rundzelle mit dem Formfaktor 21 x 70 weisen die Stromkollektoren be- vorzugt eine Breite von 56 mm bis 68 mm, bevorzugt von 65 mm, und eine Länge von nicht mehr als 2,5 m auf.
Die Funktion einer Lithium-Ionen-Zelle basiert darauf, dass ausreichend mobile Lithiumionen (mo- biles Lithium) zur Verfügung stehen, um durch Wanderung zwischen der Anode und der Kathode bzw. der negativen Elektrode und der positiven Elektrode den abgegriffenen elektrischen Strom aus zugleichen. Unter mobilem Lithium im Rahmen dieser Anmeldung ist zu verstehen, dass das Lithium für Ein- und Auslagerungsvorgänge in den Elektroden im Rahmen der Entlade- und Ladevorgänge der Lithium-Ionen-Zelle zur Verfügung steht oder hierfür aktiviert werden kann. Im Zuge der ablau- fenden Entlade- und Ladeprozesse einer Lithium-Ionen-Zelle kommt es im Laufe der Zeit zu Verlus ten an mobilem Lithium. Diese Verluste treten in Folge von verschiedenen, in der Regel nicht ver meidbaren Nebenreaktionen auf. Bereits im Rahmen des ersten Lade- und Entladezyklus einer Li- thium-lonen-Zelle kommt es zu Verlusten an mobilem Lithium. Bei diesem ersten Lade- und Ent ladezyklus bildet sich in der Regel eine Deckschicht auf der Oberfläche der elektrochemisch aktiven Komponenten an der negativen Elektrode. Diese Deckschicht wird als Solid Electrolyte Interphase (SEI) bezeichnet und besteht in der Regel vor allem aus Elektrolytzersetzungsprodukten sowie einer gewissen Menge an Lithium, das in dieser Schicht fest gebunden ist.
Der mit diesem Vorgang verbundene Verlust an mobilem Lithium ist besonders stark bei Zellen, de ren Anode Anteile an Silizium aufweist. Um diese Verluste auszugleichen, zeichnet sich die erfin dungsgemäße Zelle in bevorzugten Ausführungsformen durch mindestenseinesderunmittelbarfol- genden Merkmale a. und b. aus: a. Die Zelle umfasst ein nicht von der positiven und/oder der negativen Elektrode umfasstes Depot an Lithium oder einem lithiumhaltigen Material, mit dem Verluste an mobilem Lithium in der Zelle während ihres Betriebs ausgeglichen werden können. b. Das Depot steht in Kontakt mit dem Elektrolyten der Zelle. c. Die Zelle verfügt über einen elektrischen Leiter und gegebenenfalls zusätzlich über einen steuerbaren Schalter, über den oder die das Depot elektrisch mit der positiven oder der negativen Elektrode verbunden werden kann.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis c. in Kombination miteinander verwirklicht sind.
Besonders bevorzugt sind das Depot innerhalb des Gehäuses der erfindungsgemäßen Zelle ange ordnet und der elektrische Leiter, beispielsweise übereine geeignete Poldurchführung, aus dem Ge häuse herausgeführt, insbesondere bis zu einem elektrischen Kontakt, der von außerhalb des Ge häuses abgegriffen werden kann.
Das elektrisch kontaktierbare Lithium-Depot ermöglicht es, den Elektroden der Zelle bei Bedarf Li thium zuzuführen oder aber zur Vermeidung von Lithium-Plating überschüssiges Lithium aus den Elektroden abzuführen. Hierzu kann das Lithium-Depot über den elektrischen Leiter gegen die ne gative oder gegen die positive Elektrode der Lithium-Ionen-Zelle geschaltet werden. Überschüssiges Lithium kann bei Bedarf dem Lithium-Depot zugeführt und dort abgelagert werden. Für diese An wendungsfälle können Mittel vorgesehen sein, die ein separates Monitoring der Einzelpotentiale von Anode und Kathode in der Zelle und/oder eine externe Überwachung der Zellbalance über elektro chemische Analysen wie DVA (differential voltage analysis) ermöglichen.
Der elektrische Leiter und das damit verbundene Lithium-Depot müssen gegen die positive und die negative Elektrode sowie damit elektrisch gekoppelten Komponenten der Zelle elektrisch isoliert sein.
Bei dem Lithium oder dem lithiumhaltigen Material des Lithium-Depots kann es sich beispielsweise um metallisches Lithium, ein Lithium-Metall-Oxid, ein Lithium-Metall-Phosphat oder andere, dem Fachmann geläufige Materialien handeln.
Weitere Merkmale der Erfindung sowie aus der Erfindung resultierende Vorteile ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen. Die nachfolgend be schriebenen Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
In den Zeichnungen zeigen schematisch
Fig. 1 eine Draufsicht eines Stromkollektors in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung,
Fig. 2 eine geschnittene Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Stromkollektors,
Fig.3 eine Draufsicht einer Anode, diezu einem Elektroden-Separator-Verbund in Form eines Wickels verarbeitet werden kann,
Fig. 4 eine geschnittene Ansicht der in Fig. 3 dargestellten Anode,
Fig. 5 eine Draufsicht auf einen unter Verwendung der in Fig. 3 dargestellten Anode gefertig ten Elektroden-Separator-Verbund,
Fig. 6 eine geschnittene Ansicht des in Fig. 5 dargestellten Elektroden-Separator-Verbunds,
Fig. 7 eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle in Form einer zylindrischen Rundzelle,
Fig. 8 eine geschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle in Form einer zylindrischen Rundzelle, Fig. 9 eine geschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle in Form einer zylindrischen Rundzelle,
Fig. 10 eine geschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle in Form einer zylindrischen Rundzelle, und
Fig. 11 eine geschnittene Ansicht einerweiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle in Form einer zylindrischen Rundzelle.
Fig. 1 und Fig. 2 veranschaulichen das Design eines Stromkollektors 110, der in einer erfindungsge mäßen Zelle verwendet werden kann. Bei Fig. 2 handelt es sich um einen Schnitt entlang Si. Der Stromkollektor 110 umfasst eine Vielzahl Durchbrechungen 111, bei denen es sich um rechteckige Löcher handelt. Der Bereich 110a ist durch die Durchbrechungen 111 gekennzeichnet, wohingegen sich im Bereich 110b entlang des Längsrands llOe keine Durchbrechungen finden. Der Stromkollek tor 110 weist daher im Bereich 110a ein deutlich geringeres Flächengewicht auf als im Bereich 110b.
Fig. 3 und Fig. 4 veranschaulichen eine Anode 120, die unter beidseitigem Auftrag eines negativen Elektrodenmaterials 123 auf den in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Stromkollektor 110 gefertigt wurde. Bei Fig.5 handelt es sich um einen Schnitt entlang S2. Der Stromkollektor 110 weist nun einen bandförmigen Hauptbereich 122 auf, der mit einer Schicht aus dem negativen Elektrodenmaterial 123 beladen ist, sowie einen freien Randstreifen 121, der sich entlang des Längsrands llOe erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial 123 beladen ist. Das Elektrodenmaterial 123 befüllt dar über hinaus auch die Durchbrechungen 111.
Fig. 5 und Fig. 6 veranschaulichen einen Elektroden-Separator-Verbund 104, der unterVerwendung der in Fig. 4 und Fig.5 dargestellten Anode 120 gefertigt wurde. Daneben umfasst er die Kathode 115 sowie die Separatoren 118 und 119. Bei Fig. 6 handelt es sich um einen Schnitt entlang S3. Die Ka thode 115 baut auf dem gleichen Stromkollektordesign auf wie die Anode 120. Bevorzugt unter scheiden sich die Stromkollektoren 110 und 115 von Anode 120 und Kathode 130 nur durch die je weilige Materialauswahl. So umfasst der Strom ko llektor 115 der Kathode 130 einen bandförmigen Hauptbereich 116, der mit einer Schicht aus positivem Elektrodenmaterial 125 beladen ist, sowie einen freien Randstreifen 117, der sich entlang des Längsrands 115e erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial 125 beladen ist. Durch spiralförmiges Aufwickeln kann der Elektroden-Separa- tor-Verbund 104 in einen Wickel überführt werden, wie er in einer erfindungsgemäßen Zelle enthal ten sein kann. Die freien Randstreifen 117 und 121 sind in einigen bevorzugten Ausführungsformen beidseitig so wie zumindest bereichsweise mit einem der oben beschriebenen Stützmaterialien beschichtet.
In Fig. 7 ist ist eine Zelle 100 mit einem Gehäuse aus einem ersten Gehäuseteil 101 und einem zwei ten Gehäuseteil 102 dargestellt. In dem Gehäuse ist der Elektroden-Separator-Verbund 104 einge schlossen. Das Gehäuse ist insgesamt zylindrisch ausgebildet, das Gehäuseteil 101 weist einen kreis runden Boden 101a, einen hohlzylindrischen Mantel 101b und eine dem Boden 101a gegenüberlie gende kreisrunde Öffnung auf. Das Gehäuseteil 102 dient zum Verschließen der kreisrunden Öffnung und ist als kreisrunder Deckel ausgebildet. Der Elektroden-Separator-Verbund 104 liegt in Form ei nes zylindrischen Wickels mit zwei endständigen Stirnseiten vor.
Im Falle prismatischer Gehäuse könnte ein Schnitt durch die Zelle exakt gleich aussehen. Das Ge häuseteil 101 hätte in diesem Falle einen rechteckigen Boden 101a, eine rechteckige Seitenwand 101b und einen rechteckigen Querschnitt sowie eine rechteckige Öffnung, das Gehäuseteil 102 wäre zum Verschließen der rechteckigen Öffnung als rechteckiger Deckel ausgebildet. Und das Bezugs zeichen 104 würde in diesem Fall keinen Elektroden-Separator-Verbund in zylindrischer Form son dern einen Stapel aus mehreren identischen Elektroden-Separator-Verbünden oder einen prismati schen Wickel bezeichnen.
Aus einer Stirnseite des Elektroden-Separator-Verbunds 104 tritt der freie Randstreifen 121 eines Anodenstromkollektors 110 aus, aus der anderen Stirnseite der freie Randstreifen 117 eines Katho denstromkollektors 115. Der Rand llOe des Anodenstromkollektors 110 steht über seine gesamte Länge in unmittelbarem Kontakt mit dem Boden 101a des Gehäuseteils 101 und ist mit diesem min destens über mehrere Abschnitte, bevorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung ver bunden. Der Rand 115e des Kathodenstromkollektors 115 steht Über seine gesamte Länge in unmit telbarem Kontakt mitdem plattenförmigen Kontaktblechteil 105 und ist mit dieser mindestens über mehrere Abschnitte, bevorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung verbunden.
Das Kontaktblechteil 105 ist wiederum über den elektrischen Leiter 107 elektrisch mit dem Gehäu seteil 102 verbunden. Bevorzugt besteht zwischen dem Leiter 107 und dem Kontaktblechteil 105 auf der einen und dem Leiter 107 und dem Gehäuseteil 102 auf der anderen Seite jeweils eine Schweiß verbindung.
Der besseren Übersicht wegen sind - abgesehen von den Stromkollektoren 110 und 115 - keine wei- teren Komponenten des Elektroden-Separator-Verbunds 104 (insbesondere Separatoren und Elekt rodenmaterialien) dargestellt.
Die Gehäuseteile 101 und 102 sind durch die Dichtung 103 elektrisch voneinander isoliert. Das Ge häuse ist beispielsweise durch Bördelung verschlossen. Das Gehäuseteil 101 bildet den Minuspol und das Gehäuseteil 102 den Pluspol der Zelle 100.
In Fig. 8 ist eine Zelle 100 mit einem Gehäuse aus einem ersten Gehäuseteil 101 und einem zweiten Gehäuseteil 102 dargestellt. In dem Gehäuse ist der Elektroden-Separator-Verbund 104 eingeschlos sen. Das Gehäuse ist insgesamt zylindrisch ausgebildet, das Gehäuseteil 101 weist einen kreisrunden Boden 101a, einen hohlzylindrischen Mantel 101b und eine dem Boden 101a gegenüberliegende kreisrunde Öffnung auf. Das Gehäuseteil 102 dient zum Verschließen der kreisrunden Öffnung und ist als kreisrunder Deckel ausgebildet. Der Elektroden-Separator-Verbund 104 liegt in Form eines zy lindrischen Wickels mit zwei endständigen Stirnseiten vor.
Im Falle prismatischer Gehäuse könnte ein Schnitt durch die Zelle exakt gleich aussehen. Das Ge häuseteil 101 hätte in diesem Falle einen rechteckigen Boden 101a, eine rechteckige Seitenwand 101b und einen rechteckigen Querschnitt sowie eine rechteckige Öffnung, das Gehäuseteil 102 wäre zum Verschließen der rechteckigen Öffnung als rechteckiger Deckel ausgebildet. Und das Bezugs zeichen 104 würde in diesem Fall keinen Elektroden-Separator-Verbund in zylindrischer Form son dern einen Stapel aus mehreren identischen Elektroden-Separator-Verbünden oder einen prismati schen Wickel bezeichnen.
Aus einer Stirnseite des Elektroden-Separator-Verbunds 104 tritt der freie Randstreifen 121 eines Anodenstromkollektors 110 aus, aus der anderen Stirnseite der freie Randstreifen 117 eines Katho denstromkollektors 115. Der Rand llOe des Anodenstromkollektors 110 steht über seine gesamte Länge in unmittelbarem Kontakt mit dem Boden 101a des Gehäuseteils 101 und ist mit diesem min destens über mehrere Abschnitte, bevorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung ver bunden. Der Rand 115e des Kathodenstromkollektors 115 steht über seine gesamte Länge in unmit telbarem Kontakt mit dem Kontaktblechteil 105 und ist mit dieser mindestens über mehrere Ab schnitte, bevorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung verbunden.
Das Kontaktblechteil 105 ist unmittelbar mit dem metallischen Polbolzen 108 verbunden, bevorzugt verschweißt. Dieser ist durch eine Durchbrechung in dem Gehäuseteil 102 aus dem Gehäuse heraus geführt und mittels der elektrischen Isolierung 106 gegen das Gehäuseteil 102 isoliert. Der Polbolzen 108 und die elektrische Isolierung 106 bilden gemeinsam eine Poldurchführung.
Der besseren Übersicht wegen sind - abgesehen von den Stromkollektoren 110 und 115 - auch hier keine weiteren Komponenten des Elektroden-Separator-Verbunds 104 (insbesondere Separatoren und Elektrodenmaterialien) dargestellt.
Im Boden lOla findetsich ein beispielsweise mittels Verlötung, VerschweißungoderVerklebungver- schlossenes Loch 109, das beispielsweise zur Einbringung von Elektrolyt in das Gehäuse dienen kann. Alternativ hätte man zum gleichen Zweck auch ein Loch in das Gehäuseteil 102 einbringen können.
Das Gehäuseteil 102 ist in die kreisrunde Öffnung des Gehäuseteils 101 eingeschweißt. Die Gehäuse teile 101 und 102 weisen also dieselbe Polarität auf und bilden den Minuspol der Zelle 100. Der Pol bolzen 108 bildet den Pluspol der Zelle 100.
In Fig. 9 ist eine Zelle 100 mit einem Gehäuse aus einem ersten Gehäuseteil 101 und einem zweiten Gehäuseteil 102 dargestellt. In dem Gehäuse ist der Elektroden-Separator-Verbund 104 eingeschlos sen. Das Gehäuse ist insgesamt zylindrisch ausgebildet, das Gehäuseteil 101 weist einen kreisrunden Boden 101a, einen hohlzylindrischen Mantel 101b und eine dem Boden 101a gegenüberliegende kreisrunde Öffnung auf. Das Gehäuseteil 102 dient zum Verschließen der kreisrunden Öffnung und ist als kreisrunder Deckel ausgebildet. Der Elektroden-Separator-Verbund 104 liegt in Form eines zy lindrischen Wickels mit zwei endständigen Stirnseiten vor.
Im Falle prismatischer Gehäuse könnte ein Schnitt durch die Zelle exakt gleich aussehen. Das Ge häuseteil 101 hätte in diesem Falle einen rechteckigen Boden 101a, eine rechteckige Seitenwand 101b und einen rechteckigen Querschnitt sowie eine rechteckige Öffnung, das Gehäuseteil 102 wäre zum Verschließen der rechteckigen Öffnung als rechteckiger Deckel ausgebildet. Und das Bezugs zeichen 104 würde in diesem Fall keinen Elektroden-Separator-Verbund in zylindrischer Form son dern einen Stapel aus mehreren identischen Elektroden-Separator-Verbünden oder einen prismati schen Wickel bezeichnen.
Aus einer Stirnseite des Elektroden-Separator-Verbunds 104 tritt der freie Randstreifen 121 eines Anodenstromkollektors 110 aus, aus der anderen Stirnseite der freie Randstreifen 117 eines Katho denstromkollektors 115. Der Rand llOe des Anodenstromkollektors 110 steht über seine gesamte Länge in unmittelbarem Kontakt mit dem Boden 101a des Gehäuseteils 101 und ist mit diesem min destens über mehrere Abschnitte, bevorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung ver bunden. Der Rand 115e des Kathodenstromkollektors 115 steht über seine gesamte Länge in unmit telbarem Kontakt mit dem Gehäuseteil 102 und ist mit dieser mindestens über mehrere Abschnitte, bevorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung verbunden.
Der besseren Übersicht wegen sind - abgesehen von den Stromkollektoren 110 und 115 - auch hier keine weiteren Komponenten des Elektroden-Separator-Verbunds 104 (insbesondere Separatoren und Elektrodenmaterialien) dargestellt.
Im Boden 101a findet sich ein beispielsweise mittels Verlötung, Verschweißung oder Verklebung ver schlossenes Loch 109, das beispielsweise zur Einbringung von Elektrolyt in das Gehäuse dienen kann. Ein weiteres Loch 109, das dem gleichen Zweck dienen kann, findet sich hier im Gehäuseteil 102. Bevorzugt wird diese mit dem Überdruckventil 141 verschlossen, das auf das Gehäuseteil 102 beispielsweise aufgeschweißt werden kann.
Die dargestellten Löcher 109 werden in der Regel nicht beide benötigt. In vielen Fällen weist die in Fig. 9 dargestellte Zelle 100 daher nur eines der beiden Löcher auf.
Die Gehäuseteile 101 und 102 sind durch die Dichtung 103 elektrisch voneinander isoliert. Das Ge häuse ist beispielsweise durch Bördelung verschlossen. Das Gehäuseteil 101 bildet den Minuspol und das Gehäuseteil 102 den Pluspol der Zelle 100.
In Fig. 10 ist eine Zelle 100 mit einem Gehäuse aus einem ersten Gehäuseteil 101 und einem zweiten Gehäuseteil 102 und einem dritten Gehäuseteil 155 dargestellt. In dem Gehäuse ist der Elektroden- Separator-Verbund 104 eingeschlossen. Das Gehäuse ist insgesamt zylindrisch ausgebildet, das Ge häuseteil 101 ist hierbei als Hohlzylinder mit zwei stirnseitigen kreisrunden Öffnungen ausgebildet. Die Gehäuseteile 102 und 155 dienen zum Verschließen der kreisrunden Öffnungen und sind als kreisrunde Deckel ausgebildet. Der Elektroden-Separator-Verbund 104 liegt in Form eines zylindri schen Wickels mit zwei endständigen Stirnseiten vor.
Im Falle prismatischer Gehäuse könnte ein Schnitt durch die Zelle exakt gleich aussehen. Das Ge häuseteil 101 hätte in diesem Falle einen rechteckigen Querschnitt sowie zwei rechteckige Öffnun gen, die Gehäuseteile 102 und 155 wären zum Verschließen der rechteckigen Öffnungen als recht- eckige Deckel ausgebildet. Und das Bezugszeichen 104 würde in diesem Fall keinen Elektroden-Se- parator-Verbund in zylindrischer Form sondern einen Stapel aus mehreren identischen Elektroden- Separator-Verbünden oder einen prismatischen Wickel bezeichnen.
Aus einer Stirnseite des Elektroden-Separator-Verbunds 104 tritt der freie Randstreifen 121 eines Anodenstromkollektors 110 aus, aus der anderen Stirnseite der freie Randstreifen 117 eines Katho denstromkollektors 115. Der Rand llOe des Anodenstromkollektors 110 steht über seine gesamte Länge in unmittelbarem Kontakt mit dem Gehäuseteil 155 und ist mit diesem mindestens über meh rere Abschnitte, bevorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung verbunden. Das Gehäu seteil 155 fungiert damit auch als Kontaktblechteil bzw. als Kontaktplatte im Sinne der Erfindung. Der Rand 115e des Kathodenstromkollektors 115 steht über seine gesamte Länge in unmittelbarem Kontakt mit dem Kontaktblechteil 105 und ist mit dieser mindestens über mehrere Abschnitte, be vorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung verbunden.
Der besseren Übersicht wegen sind - abgesehen von den Stromkollektoren 110 und 115 - auch hier keine weiteren Komponenten des Elektroden-Separator-Verbunds 104 (insbesondere Separatoren und Elektrodenmaterialien) dargestellt.
Das Kontaktblechteil 105 ist unmittelbar mit dem metallischen Polbolzen 108 verbunden, bevorzugt verschweißt. Dieser ist durch eine Durchbrechung in dem Gehäuseteil 102 aus dem Gehäuse heraus geführt und mittels der elektrischen Isolierung 106 gegen das Gehäuseteil 102 isoliert. Der Polbolzen 108 und die elektrische Isolierung 106 bilden gemeinsam eine Poldurchführung.
Im Gehäuseteil 102 findet sich ein beispielsweise mittels Verlötung, Verschweißung oder Verklebung verschlossenes Loch 109, das beispielsweise zur Einbringung von Elektrolyt in das Gehäuse dienen kann. Alternativ hätte man zum gleichen Zweck auch ein Loch in das Gehäuseteil 155 einbringen können.
Die Gehäuseteile 102 und 155 sind in die kreisrunden Öffnungen des Gehäuseteils 101 einge schweißt. Die Gehäuseteile 101, 102 und 155 weisen also dieselbe Polarität auf und bilden den Mi nuspol der Zelle 100. Der Polbolzen 108 bildet den Pluspol der Zelle 100.
In Fig. 11 ist eine Zelle 100 mit einem Gehäuse aus einem ersten Gehäuseteil 101 und einem zweiten Gehäuseteil 102 dargestellt. In dem Gehäuse ist der Elektroden-Separator-Verbund 104 eingeschlos sen. Das Gehäuse ist insgesamt zylindrisch ausgebildet, das Gehäuseteil 101 weist einen kreisrunden Boden 101a, einen hohlzylindrischen Mantel 101b und eine dem Boden 101a gegenüberliegende kreisrunde Öffnung auf. Das Gehäuseteil 102 dient zum Verschließen der kreisrunden Öffnung und ist als kreisrunder Deckel ausgebildet. Der Elektroden-Separator-Verbund 104 liegt in Form eines zy lindrischen Wickels mit zwei endständigen Stirnseiten vor.
Im Falle prismatischer Gehäuse könnte ein Schnitt durch die Zelle exakt gleich aussehen. Das Ge häuseteil 101 hätte in diesem Falle einen rechteckigen Boden 101a, eine rechteckige Seitenwand 101b und einen rechteckigen Querschnitt sowie eine rechteckige Öffnung, das Gehäuseteil 102 wäre zum Verschließen der rechteckigen Öffnung als rechteckiger Deckel ausgebildet. Und das Bezugs zeichen 104 würde in diesem Fall keinen Elektroden-Separator-Verbund in zylindrischer Form son dern einen Stapel aus mehreren identischen Elektroden-Separator-Verbünden oder einen prismati schen Wickel bezeichnen.
Aus einer Stirnseite des Elektroden-Separator-Verbunds 104 tritt der freie Randstreifen 121 eines Anodenstromkollektors 110 aus, aus der anderen Stirnseite der freie Randstreifen 117 eines Katho denstromkollektors 115. Der Rand llOe des Anodenstromkollektors 110 steht über seine gesamte Länge in unmittelbarem Kontakt mit dem Boden 101a des Gehäuseteils 101 und ist mit diesem min destens über mehrere Abschnitte, bevorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung ver bunden.
Der Rand 115e des Kathodenstromkollektors 115 steht über seine gesamte Länge in unmittelbarem Kontakt mit dem Gehäuseteil 102 und ist mit dieser mindestens über mehrere Abschnitte, bevorzugt Überseine gesamte Länge, durch Verschweißung verbunden. Das Gehäuseteil 102 dient hiersomit gleichzeitig als Kontaktblechteil bzw. als Kontaktplatte.
Der Anodenstromkollektor 110 ist beidseitig mit einer Schicht aus negativem Elektrodenmaterial 123 beladen, weist jedoch einen freien Randstreifen 121 auf, der sich entlang des Längsrands llOe erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial 123 beladen ist. Stattdessen ist der freie Rand streifen 121 beidseitig mit einem keramischen Stützmaterial 165 beschichtet.
Der Kathodenstromkollektor 115 ist beidseitig mit einer Schicht aus negativem Elektrodenmaterial 125 beladen, weist jedoch einen freien Randstreifen 117 auf, der sich entlang des Längsrands 115e erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial 125 beladen ist. Stattdessen ist der freie Rand streifen 117 beidseitig mit einem keramischen Stützmaterial 165 beschichtet. Der Elektroden-Separator-Verbund 104 weist zwei Stirnseiten auf, die durch die Längsränder 118a und 119a sowie 118b und 119b der Separatoren 118 und 119 gebildet werden. Aus diesen Stirnseiten ragen die Längsränder der Stromkollektoren 110 und 115 hervor. Die entsprechenden Überstände sind mit dl und d2 bezeichnet.
Im Gehäuseteil 102 findet sich ein Loch 109, das beispielsweise zur Einbringung von Elektrolyt in das Gehäuse dienen kann. Das Loch ist mit dem Überdruckventil 141 verschlossen, das mit dem Gehäu seteil 102 beispielsweise durch Verschweißung verbunden ist.
Die Gehäuseteile 101 und 102 sind durch die Dichtung 103 elektrisch voneinander isoliert. Das Ge häuse ist durch Bördelung verschlossen. Hierzu ist der Öffnungsrand 101c des Gehäuseteils radial nach innen umgebogen. Das Gehäuseteil 101 bildet den Minuspol und das Gehäuseteil 102 den Plus pol der Zelle 100.
Zur Herstellung der in Fig. 11 dargestellten Zelle kann gemäß Fig. 12 vorgegangen werden, die ein zelnen Verfahrensschritte A bis I sind im Folgenden beschrieben. Zunächst wird der Elektroden-Se- parator-Verbund 104 bereitgestellt, auf dessen obere Stirnseite das als Kontaktblechteil bzw. als Kontaktplatte dienende Gehäuseteil 102 aufgelegt wird. Dieses wird im Schritt B mit dem Längsrand 115e des Kathodenstromkollektors 115 verschweißt. Im Schritt C wird die umlaufende Dichtung 103 auf den Rand des Gehäuseteils 102 aufgezogen. Mit diesem wird im Schritt D der Elektroden-Sepa- rator-Verbund 104 in das Gehäuseteil 101 soweit eingeschoben, bis der Längsrand llOe des Anoden stromkollektors 110 in unmittelbarem Kontakt mit dem Boden 101a des Gehäuseteils 101 steht. Im Schritt E wird dieser mit dem Boden 101a des Gehäuseteils 101 verschweißt. Im Schritt F erfolgt durch Bördelung der Verschluss des Gehäuses. Hierzu wird der der Öffnungsrand 101c des Gehäuse teils 101 radial nach innen umgebogen. Im Schritt G erfolgt eine Befüllung des Gehäuses mit Elekt rolyt, der durch die Öffnung 109 in das Gehäuse eindosiert wird. Die Öffnung 109 wird in den Schrit ten H und I mittels des Überdruckventils 141, das auf das Gehäuseteil 102 aufgeschweißt wird, ver schlossen.
Der Elektroden-Separator-Verbund 104 kann beispielsweise eine positive Elektrode aus 95 Gew.-% NMCA, 2 Gew.-% eines Elektrodenbinders und 3 Gew.-% Ruß als Leitmittel aufweisen. Die negative Elektrode kann eine poröse, elektrisch leitfähige Matrix mit offen poriger Struktur umfassen, in deren
Pore Der Elektroden-Separator-Verbund 104 kann beispielsweise eine positive Elektrode aus 95 Gew.-% NMCA, 2 Gew.-% eines Elektrodenbinders und 3 Gew.-% Ruß als Leitmittel sowie eine negative Elekt rode aus 70 Gew.-% Silizium, 25 Gew.-% Graphit, 2 Gew.-% eines Elektrodenbinders und 3 Gew.-% Ruß als Leitmittel umfassen. Als Elektrolyt kann eine 2 M Lösung von LiPF6 in THF/mTHF (1:1) oder eine 1.5 M Lösung von LiPF6 in FEC/EMC (3:7) mit 2 Gew.-% VC eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Lithium-Ionen-Zelle mit den Merkmalen a. die Zelle umfasst einen bandförmigen Elektroden-Separator-Verbund (104) mit der Sequenz Anode (120) / Separator (118) / Kathode (130), b. die Anode (120) umfasst einen bandförmigen Anodenstromkollektor (110) mit einem ersten Längsrand (llOe) und einem zweiten Längsrand und zwei Endstücken, c. der Anodenstromkollektor (110) weist einen bandförmigen Hauptbereich (122), der mit einer Schicht aus negativem Elektrodenmaterial (123) beladen ist, sowie einen freien Randstreifen (121), der sich entlang des ersten Längsrands (llOe) erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial (123) beladen ist, auf, d. die Kathode (130) umfasst einen bandförmigen Kathodenstromkollektor (115) mit einem ersten Längsrand (115e) und einem zweiten Längsrand und zwei Endstücken, e. der Kathodenstromkollektor (115) weist einen bandförmigen Hauptbereich (116), der mit einer Schicht aus positivem Elektrodenmaterial (125) beladen ist, sowie ei nen freien Randstreifen (117), der sich entlang des ersten Längsrands (115e) er streckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial (125) beladen ist, auf, f. der Elektroden-Separator-Verbund (104) liegt in Form eines Wickels mit zwei end ständigen Stirnseiten vor oder ist Bestandteil eines Stapels, der aus zwei oder mehr identischen Elektroden-Separator-Verbünden (104) gebildet ist und gleichfalls zwei endständige Seiten aufweist, g. die Elektroden-Separator-Verbund (104) ist, gegebenenfalls mitsamt dem oder den weiteren identischen Elektroden-Separator-Verbünden des Stapels, von einem Ge häuse umschlossen, h. die Anode (120) und die Kathode (130) sind derart ausgebildet und/oder innerhalb des Elektroden-Separator-Verbunds (104) derart zueinander angeordnet, dass der erste Längsrand (llOe) des Anodenstromkollektors (110) auseinerderendständigen Stirnseiten oder Seiten des Stapels und der erste Längsrand (115e) des Kathoden stromkollektors (115) aus der anderen der endständigen Stirnseiten oder Seiten des Stapels austritt, i. die Zelle weist ein metallisches Kontaktblechteil (101a, 102, 155) auf, mit dem einer der ersten Längsränder (HOe, 115e) in unmittelbarem Kontakt steht, und j. das Kontaktblechteil (101a, 102, 155) ist mit diesem Längsrand (llOe, 115e) durch Verschweißung verbunden, sowie dem zusätzlichen kennzeichnenden Merkmal k. das negative Elektrodenmaterial (123) umfasst als Aktivmaterial mindestens ein Ma terial aus der Gruppe mit Silizium, Aluminium, Zinn, Antimon und eine Verbindung oder Legierung dieser Materialien, die Lithium reversibel ein- und auslagern kann, in einem Anteil von 20 Gew.-% bis 90 Gew.-%.
2. Zelle nach Anspruch 1 mit den folgenden zusätzlichen Merkmalen: a. Das negative Elektrodenmaterial (123) umfasstals negatives Aktivmaterial weiterhin zur reversiblen Ein- und Auslagerung von Lithium befähigte Partikel auf Kohlenstoff basis wie beispielsweise graphitischen Kohlenstoff, insbesondere eine Mischung aus dem Silizium und diesen kohlenstoffbasierten Partikeln. b. Die zur Interkalation von Lithium befähigten Partikel auf Kohlenstoffbasis sind in dem Elektrodenmaterial in einem Anteil von 5 Gew.-% bis 75 Gew.-%, insbesondere in einem Anteil von 15 Gew.-% bis 45 Gew.-%, enthalten.
3. Zelle nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2 mit mindestens einem der folgenden zusätzli chen Merkmale: a. Das negative Elektrodenmaterial (123) umfasst einen Elektrodenbinderund/oderein Leitmittel. b. Der Elektrodenbinder ist in dem negativen Elektrodenmaterial (123) in einem Anteil von 1 Gew.-% bis 15 Gew.-% enthalten. c. Das Leitmittel ist in dem negativen Elektrodenmaterial (123) in einem Anteil von 0,1 Gew.-% bis 15 Gew.-% enthalten.
4. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem der folgenden zu sätzlichen Merkmale: a. Das positive Elektrodenmaterial (125) umfasst als Aktivmaterial mindestens eine zur reversiblen Ein- und Auslagerung von Lithium befähigte Metalloxidverbindung, be vorzugt eine der vorstehend genannten Verbindungen, insbesondere NMC, NCAoder NM CA. b. Die mindestens eine oxidische Cobalt- und/oder Manganverbindung ist in dem Elekt rodenmaterial (125) in einem Anteil von 80 Gew.-% bis 99 Gew.-% enthalten. c. Das positive Elektrodenmaterial (125) umfasst einen Elektrodenbinder und/oder ein Leitmittel. d. Der Elektrodenbinder ist in dem positiven Elektrodenmaterial (125) in einem Anteil von 1 Gew.-% bis 15 Gew.-% enthalten. e. Das Leitmittel ist in dem positiven Elektrodenmaterial (125) in einem Anteil von 0,1 Gew.-% bis 15 Gew.-% enthalten.
5. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem der folgenden zu sätzlichen Merkmale: a. Das Flächengewicht der negativen Elektrode (120) weicht je Flächeneinheit von min destens 10 cm2 um maximal 2 % von einem Mittelwert ab.
6. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem der folgenden zu sätzlichen Merkmale: a. Die Zelle umfasst einen Elektrolyten, der eine Mischung aus Tetrahydrofuran (THF) und 2-Methyltetrahydrofuran (mTHF) umfasst. b. Das Volumenverhältnis von THF : zu mTHF in der Mischung liegt im Bereich von 2 : 1 bis 1 : 2, besonders bevorzugt beträgt es 1 : 1. c. Die Zelle umfasst einen Elektrolyten, der LiPF6als Leitsalz umfasst. d. Das Leitsalz in einem Anteil von 1,5 bis 2.5 M, insbesondere von 2 M, in dem Elektro lyten enthalten.
7. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen
Merkmale: a. Die Zelle umfasst einen Elektrolyten, der eine Mischung aus Fluoroethylencarbonat (FEC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) umfasst. b. Das Volumenverhältnis von FEC : zu EMC in der Mischung liegt im Bereich von 1 : 7 bis 5 : 7, besonders bevorzugt beträgt es 3 : 7. c. Die Zelle umfasst einen Elektrolyten, der LiPF6als Leitsalz umfasst. d. Das Leitsalz ist in einer Konzentration von 1,0 bis 2.0 M, insbesondere von 1,5 M, in dem Elektrolyten enthalten. e. Der Elektrolyt umfasst Vinylencarbonat, insbesondere in einem Anteil von Ibis 3 Gew.-%.
8. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem derfolgenden zu sätzlichen Merkmale: a. Der bandförmige Hauptbereich (110a) des mitdem Kontaktblechteil (101a, 102, 155) durch Verschweißung verbundenen Stromkollektors (110, 115) weist eine Vielzahl von Durchbrechungen (111) auf. b. Bei den Durchbrechungen (111) in dem Hauptbereich (110a) handelt es sich um runde oder eckige Löcher, insbesondere Stanz- oder Bohrlöcher. c. Der mit dem Kontaktblechteil (101a, 102, 155) durch Verschweißung verbundene Strom ko llektor (110) ist in dem Hauptbereich (110a) perforiert, insbesondere durch Rundloch- oder Schlitzlochperforation.
9. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: a. Die Durchbrechungen (111) in dem Stromkollektor (110), insbesondere in dem Hauptbereich (110a), weisen einen mittleren Durchmesser im Bereich von 1 pm bis 2000 pm auf.
10. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem derfolgenden zu sätzlichen Merkmale: a. Der mit dem Kontaktblechteil (101a, 102, 155) durch Verschweißung verbundene Stromkollektor (110) weist zumindest in einem Teilabschnitt des Hauptbereichs (110a) ein geringeres Flächengewicht auf als der freie Randstreifen (110b) desselben Stromkollektors (110). b. Der mit dem Kontaktblechteil (101a, 102, 155) durch Verschweißung verbundene
Stromkollektor (110) weist in dem freien Randstreifen (110b) keine oder weniger Durchbrechungen (111) pro Flächeneinheit als in dem Hauptbereich (110a) auf.
11. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem der folgenden zu sätzlichen Merkmale: a. Das Flächengewicht des Stromkollektors (110) ist in dem Hauptbereich (110a) ge genüber dem Flächengewicht des Strom kollektors (110) in dem freien Randstreifen (110b) um 5 % bis 80 % reduziert. b. Der Stromkollektor (110) weist in dem Hauptbereich (110a) eine Lochfläche im Be reich von 5 % bis 80 % auf. c. Der Stromkollektor (110) weist in dem Hauptbereich (110a) eine Zugfestigkeit von 20 N/mm2 bis 250 N/mm2 auf.
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