WO2022233640A2 - Elektrode und elektrochemische speicherzelle - Google Patents

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WO2022233640A2
WO2022233640A2 PCT/EP2022/061021 EP2022061021W WO2022233640A2 WO 2022233640 A2 WO2022233640 A2 WO 2022233640A2 EP 2022061021 W EP2022061021 W EP 2022061021W WO 2022233640 A2 WO2022233640 A2 WO 2022233640A2
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conductor
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electrochemical storage
storage cell
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Nina Zensen
Hyunchul Roh
Wonsup Han
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to an electrode for an electrochemical storage cell and an electrochemical storage cell.
  • An electrochemical storage cell is an energy store on an electrochemical basis, which is in particular rechargeable and is adapted to store electrical energy and make it available to consumers, in particular consumers in a vehicle.
  • the increase in temperature is due in particular to the electrical resistance of the electrochemical storage cell.
  • the electrical resistance depends on the transport length of electrons within electrodes of the electrochemical energy store and on the geometry of collector lugs of the electrodes that are used for electrical contacting.
  • the collector lugs can have an unfavorable effect on further processes in the production and/or on the operation of the electrochemical storage cell.
  • filling the electrochemical storage cell with electrolyte and/or degassing the electrochemical storage cell can be more difficult, which can result in more complex processes and a reduced service life.
  • an electrode for an electrochemical storage cell comprising a conductor foil and an electrode coating applied to the conductor foil.
  • the collector foil has a first section and a second section adjoining the first section in the longitudinal direction of the collector foil and a side edge that extends from a first end of the collector foil to a second end of the collector foil that is opposite along the longitudinal direction via the first section and the second section extends across.
  • the collector foil has several collector tabs starting from the side edge for making electrical contact with the electrode, the collector tabs being arranged in the first section of the collector foil and the first section extending from the first end of the collector foil to at most the middle of the side edge.
  • the electrode according to the invention makes it possible to reduce the electrical resistance of the electrode by using a plurality of conductor lugs and in this way to limit the temperature development during operation of the electrode.
  • the conductor lugs are only arranged in a partial area of the electrode, more precisely in the first section. In this way, a preferred direction of the electrode is created, based on which the subsequent positioning of the conductor lugs in an electrochemical storage cell can be selected.
  • the electrode can be rolled up towards the first end, so that the conductor lugs are in the wound state radially further out.
  • the conductor lugs are in the wound state radially further out.
  • these can also be arranged at least partially without overlap, preferably completely without overlap, even in an installed position of the electrode.
  • openings remain between the conductor lugs, which can be used for electrolyte filling and/or degassing of the electrochemical storage cell.
  • the conductor foil is in particular a copper or aluminum foil. If the electrode is an anode, the conductor foil is in particular a copper foil. If the electrode is a cathode, the conductor foil is in particular an aluminum foil.
  • the conductor lugs are preferably an integral part of the conductor foil. In this way, no additional work steps have to be carried out for attaching the collector lugs and the collector lugs are connected stably to the remaining components of the electrode, as a result of which the service life of the electrode is increased.
  • the conductor lugs can be produced by means of laser cutting or mechanical cutting of a precursor of the conductor foil to form the side edge and the conductor lugs.
  • the conductor lugs can be produced before or after the electrode coating is applied.
  • the space required by the collector lugs increases.
  • the intended reduction in electrical resistance is achieved with increasing difficulty.
  • the overlap of conductor lugs in the installed position of the electrode can be limited even with a larger number of conductor lugs by reducing the width of the individual conductor lugs along the longitudinal direction.
  • this has one increasing mechanical weakening of the collector lugs, which can have a negative effect on the service life of the electrode.
  • the collector lugs can be arranged at a uniform distance from one another. Furthermore, such a configuration enables the production of symmetrical arrangements of the conductor lugs in an installed position of the electrode.
  • the length of the collector tabs perpendicular to the longitudinal direction of the collector foil is in particular shorter than the distance between the collector tabs. In this way, the overlap of the conductor lugs in the installation position of the electrode can be further reduced or eliminated.
  • the electrode can be a cathode or an anode, with the electrode preferably being an anode.
  • the object of the invention is also achieved by an electrochemical storage cell with a cylindrical cell coil and a housing surrounding the cylindrical cell coil, the cylindrical cell coil comprising an electrode as described above, a counter-electrode and a separator arranged between the electrode and the counter-electrode.
  • the conductor lugs of the electrode are folded over onto an upper side formed by the cylindrical cell coil and are arranged at least partially without overlapping one another.
  • the at least partially non-overlapping orientation of the collector lugs of the electrode allows the gaps formed between the folded collector lugs on the upper side of the cell coil to be used for filling the electrochemical storage cell with electrolyte and/or for degassing the electrochemical storage cell. This simplifies the production process of the electrochemical storage cell according to the invention and increases its service life.
  • the electrode which only has conductor lugs in the first region, allows the cell coil to have a denser winding and furthermore an at least partially overlap-free arrangement of the conductor lugs can be achieved. In this way, the packing density can be increased.
  • the electrode requires little space within the housing of the electrochemical storage cell, since the conductor lugs are folded over.
  • the electrochemical storage cell according to the invention combines the advantage of a lower electrical resistance and the associated lower heating during charging and discharging processes, so that higher charging and discharging rates can be used, with a long service life of the electrochemical storage cell.
  • the conductor lugs can be electrically contacted via an end cap of the electrochemical storage cell.
  • the end cap has, for example, projections and/or indentations that make electrical contact with the conductor lugs.
  • the folded conductor lugs also allow the housing to be easily welded, for example to the end cap used for electrical contacting.
  • the electrochemical storage cell is in particular a round cell, preferably a round cell of type 21700 or larger, for example a round cell of type 21700 or 4680. Larger types of round cells enable higher energy density, but also require more reliable temperature management.
  • the housing is a cylindrical housing.
  • the folded collector lugs are arranged in particular without any overlaps.
  • the folded collector tabs can be evenly spaced from one another along an outer edge of the top side of the cell coil. This results in particular in a symmetrical distribution of the conductor lugs on the top of the cell coil, which means that temperature differences within the electrochemical storage cell can be minimized particularly well.
  • the electrode is in particular an anode and the counter-electrode is in particular a cathode.
  • the development of heat in the anode during charging processes can be limited, so that the charging rate can be increased and the charging time of the electrochemical storage cell can be reduced. This is particularly advantageous in vehicle applications.
  • the cathode or the anode and the cathode can be an electrode as described above. If both the anode and the cathode are an electrode as described above, in particular the output tabs of one of the electrodes are folded onto the top side of the cell coil and the output tabs of the other electrodes are folded over to an underside of the cell coil opposite the top side.
  • the cylindrical cell coil is preferably obtainable by winding up the electrode arrangement along the longitudinal direction of the conductor foil, the electrode arrangement being rolled up starting from the second end of the conductor foil towards the first end of the conductor foil.
  • the second end of the conductor foil is on the inside of the cylindrical cell wrap, in other words the second end is the proximal end of the conductor foil, while the first end of the conductor foil is on the outside of the cylindrical cell wrap, i.e. the first end is the distal end of the conductor foil , and thus closer to the cylindrical housing.
  • the first area of the electrode has, in particular, an extent along the longitudinal direction of the conductor foil which corresponds at most to the circumference of the outer edge of the cylindrical cell coil. This way can It must be ensured that the arrester lugs are positioned as far outwards as possible in the cell coil.
  • the electrochemical storage cell is in particular a lithium ion cell.
  • FIG. 2 shows a partially rolled-up cylindrical cell coil with an electrode according to the exemplary embodiment according to FIG. 1, and
  • - Fig. 3 is a cross-sectional view of a memory cell having the electrode of Fig. 1.
  • FIG. 1 shows an electrode 10 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the electrode 10 includes a conductor foil 12 to which an electrode coating 14 is applied.
  • the conductor foil 12 is a copper foil.
  • the conductor foil 12 extends from a first end 16 to an opposite second end 18 of the conductor foil 12 in a longitudinal direction L, the conductor foil 12 having a first section 20 and a second section 22 adjoining the first section 20 in the longitudinal direction.
  • the transition from the first section 20 to the second section 22 is indicated by a dashed line.
  • the collector foil 12 also has a side edge 24 which extends along the longitudinal direction L of the collector foil 12 from the first end 16 to the second end 18 of the collector foil across the first section 20 and the second section 22 . Starting from the side edge 24, a plurality of conductor lugs 26 of the conductor foil 12, which are used for electrical contacting of the electrode 10, extend.
  • the conductor lugs 26 are an integral part of the conductor foil 12.
  • starting from the side edge means that the conductor lugs 26 extend in the height direction H shown in Fig. 1 and from an imaginary straight line that is parallel to the length direction L, and whose position is determined by the position of the side edge 24 in Vertical direction H is defined in the second area 22 .
  • the conductor foil 12 is provided with the electrode coating 14 essentially completely. In other words, the conductor foil 12 cannot be seen directly, apart from the conductor lugs 26, since the electrode coating 14 essentially covers the conductor foil 12.
  • the electrode coating could also be applied differently.
  • a marginal area near the side edge 24 could be free of the electrode coating 14 .
  • the electrode 10 has a total of eight collector lugs 26 . In principle, however, fewer or more conductor lugs 26 can also be used, as long as at least two conductor lugs 26 are provided.
  • the conductor lugs 26 are arranged exclusively in the first section 20 of the conductor foil 12 .
  • the first section 20 extends from the first end 16 of the conductor foil 12 to approximately the middle of the side edge 24, i.e. up to half the total length of the conductor foil 12 in the longitudinal direction L, as indicated by the dashed line in Fig. 1.
  • the first section 20 can also be shorter, for example only over a quarter or a third of the total length of the conductor foil 12 in the longitudinal direction L.
  • the conductor lugs 26 have the same geometric configuration and a uniform distance d from one another.
  • the output lugs 26 can also have different geometries and/or can be at different distances from one another.
  • a partially rolled up cylindrical cell coil 28 is shown schematically.
  • the cylindrical cell coil 28 comprises an electrode arrangement with the electrode 10 described above, a counter-electrode 30 and a separator 32 which is arranged between the electrode 10 and the counter-electrode 30 and electrically insulates the electrode 10 and the counter-electrode 30 from one another.
  • the electrode 10 is an anode and the counter-electrode 30 is a cathode.
  • Fig. 2 it can be seen that the electrode arrangement is wound up to form the cylindrical cell coil 28, the electrode arrangement being rolled up along the longitudinal direction L of the conductor foil 12, starting from the second end 18 (see FIG. 1) towards the first end 16, as shown by the arrow P in Fig. 2 indicated.
  • a winding mandrel (not shown) can be used for this purpose, for example.
  • the cell coil has an upper side 36 and an opposite lower side 38 along a height direction H.
  • the electrode arrangement is wound up in such a way that the conductor lugs 26 protrude from the upper side 36 of the cell coil 28 in the vertical direction H. In this way, the conductor tabs 26 can be folded over onto the top 36 in the plane B-L. In other words, the conductor lugs 26 lie essentially flat on the upper side 36 of the cell coil 28 in an installed position.
  • FIG. 3 shows a cross section of an electrochemical storage cell 34 according to the invention, the cross section running perpendicular to the height direction H of the cell coil 28 shown in FIG.
  • the electrochemical storage cell 34 has a housing 40 which accommodates the cylindrical cell coil 28 and surrounds it in the installed position.
  • the housing 40 is a cylindrical housing such that the electrochemical storage cell 34 is a round cell.
  • the conductor lugs 26 are folded over onto the upper side 36 of the cell coil 28 and do not overlap at all.
  • the collector lugs 26 do not touch each other in the installed position of the cell coil 28 .
  • the gaps 42 formed between the folded conductor lugs 26 can be used to fill the housing 40 with electrolyte and/or to degas the electrochemical storage cell 34 .
  • the production of the electrochemical storage cell 34 can be simplified and/or accelerated and the service life of the electrochemical storage cell 34 can be increased.
  • the conductor lugs 26 are distributed symmetrically along an outer edge 44 of the top side 36 of the cell coil 28 .
  • the electrode 10 can be rolled up in such a way that the conductor tabs 26 only start from the outer edge 44 and not from a radially inner point of the cell coil 28. In this way, with the geometry of the conductor lugs 26 remaining the same, a smaller overlap between the conductor lugs 26 is possible or, as in the embodiment shown, can be completely avoided.
  • the distance between the collector tabs 26 in the installation position of the cell coil 28 is determined by the distance d between the collector tabs 26 definitely. As can be seen in Fig. 3, the distance d is greater than the respective length of the conductor lugs 26 in the radial direction to the cavity 39.
  • the conductor lugs 26 are contacted via an end cap (not shown) which is welded to the housing 40 . Due to the fact that the collector lugs 26 are folded over, a robust welding can be carried out in a simple manner without risking damage to the collector lugs 26 .

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Abstract

Eine Elektrode (10) für eine elektrochemische Speicherzelle umfasst eine Ableiterfolie (12) und eine auf die Ableiterfolie (12) aufgebrachte Elektrodenbeschichtung (14). Die Ableiterfolie (12) weist einen ersten Abschnitt (20) und einen an den ersten Abschnitt (20) in Längsrichtung der Ableiterfolie (12) angrenzenden zweiten Abschnitt (22) und eine Seitenkante (24) auf, die sich von einem ersten Ende (16) der Ableiterfolie (12) zu einem entlang der Längsrichtung entgegengesetzten zweiten Ende (18) der Ableiterfolie (12) über den ersten Abschnitt (20) und den zweiten Abschnitt (22) hinweg erstreckt. Ferner weist die Ableiterfolie (12) mehrere von der Seitenkante (24) ausgehende Ableiterfahnen (26) zur elektrischen Kontaktierung der Elektrode (10) auf, wobei die Ableiterfahnen (26) im ersten Abschnitt (20) der Ableiterfolie (12) angeordnet sind und sich der erste Abschnitt (20) vom ersten Ende (16) der Ableiterfolie (12) bis höchstens zur Mitte der Seitenkante (24) erstreckt. Ferner wird eine elektrochemische Speicherzelle angegeben.

Description

Elektrode und elektrochemische Speicherzelle
Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine elektrochemische Speicherzelle sowie eine elektrochemische Speicherzelle.
Eine elektrochemische Speicherzelle ist ein Energiespeicher auf elektrochemischer Basis, die insbesondere wieder aufladbar ist und angepasst ist, elektrische Energie zu speichern und Verbrauchern bereitzustellen, insbesondere Verbrauchern in einem Fahrzeug.
Entscheidende Faktoren für die Leistungsfähigkeit einer elektrochemischen Speicherelle sind die erzielbare Energiedichte, die Lebensdauer sowie die zur Verfügung stehende Lade- und Entladerate, die insbesondere in Fahrzeuganwendungen von besonderer Bedeutung ist und möglichst hoch sein sollte. Die verfügbare Lade- und Entladerate wird jedoch durch verschiedene Effekte begrenzt, unter anderem durch die zu erwartende Temperaturentwicklung während des Lade- und Entladevorgangs sowie von Alterungseffekten.
Der Anstieg der Temperatur ist insbesondere durch den elektrischen Widerstand der elektrochemischen Speicherzelle bedingt. Der elektrische Widerstand hängt wiederum von der Transportlänge von Elektronen innerhalb von Elektroden des elektrochemischen Energiespeichers sowie von der Geometrie von Ableiterfahnen der Elektroden ab, die zur elektrischen Kontaktierung eingesetzt werden. Um die Gesamtwärmeentwicklung der elektrochemischen Speicherzelle zu reduzieren, ist es bekannt, über die Länge der Elektrode mehrere Ableiterfahnen vorzusehen und auf diese Weise die T ransportlänge der Elektronen sowie die pro Ableiterfahne auftretende lokale Erwärmung zu reduzieren.
Daraus ergibt sich jedoch die Notwendigkeit, die Vielzahl von Ableiterfahnen innerhalb eines Gehäuses des elektrochemischen Energiespeichers unterzubringen, wobei die Ableiterfahnen üblicherweise an einer Ober- und/oder Unterseite einer sogenannten „Jelly Roll“ angeordnet werden, wobei die „Jelly Roll“ ein Wickel von aufgerollten Elektroden und zwischen jeder der Elektroden angeordneten Separatoren ist. Die Ableiterfahnen können sich jedoch ungünstig auf weitere Prozesse in der Herstellung und/oder auf den Betrieb der elektrochemischen Speicherzelle auswirken. Insbesondere kann das Befüllen der elektrochemischen Speicherzelle mit Elektrolyt und/oder ein Entgasen der elektrochemischen Speicherzelle erschwert sein, was aufwändigere Prozesse und eine reduzierte Lebensdauer zur Folge haben kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, die eine zuverlässige elektrochemische Speicherzelle mit hoher Leistungsfähigkeit ermöglicht.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Elektrode für eine elektrochemische Speicherzelle, umfassend eine Ableiterfolie und eine auf die Ableiterfolie aufgebrachte Elektrodenbeschichtung. Die Ableiterfolie weist einen ersten Abschnitt und einen an den ersten Abschnitt in Längsrichtung der Ableiterfolie angrenzenden zweiten Abschnitt und eine Seitenkante auf, die sich von einem ersten Ende der Ableiterfolie zu einem entlang der Längsrichtung entgegengesetzten zweiten Ende der Ableiterfolie über den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt hinweg erstreckt. Ferner weist die Ableiterfolie mehrere von der Seitenkante ausgehende Ableiterfahnen zur elektrischen Kontaktierung der Elektrode auf, wobei die Ableiterfahnen im ersten Abschnitt der Ableiterfolie angeordnet sind und sich der erste Abschnitt vom ersten Ende der Ableiterfolie bis höchstens zur Mitte der Seitenkante erstreckt.
Die erfindungsgemäße Elektrode ermöglicht es, durch die Verwendung mehrerer Ableiterfahnen den elektrischen Widerstand der Elektrode zu reduzieren und auf diese Weise die Temperaturentwicklung im Betrieb der Elektrode zu begrenzen.
Zudem sind die Ableiterfahnen erfindungsgemäß lediglich in einem Teilbereich der Elektrode angeordnet, genauer gesagt im ersten Abschnitt. Auf diese Weise wird eine Vorzugsrichtung der Elektrode geschaffen, anhand der die spätere Positionierung der Ableiterfahnen in einer elektrochemischen Speicherzelle gewählt werden kann.
Insbesondere kann die Elektrode ausgehend vom zweiten Ende hin zum ersten Ende aufgerollt werden, sodass sich die Ableiterfahnen im gewickelten Zustand radial weiter außen befinden. Auf diese Weise kann bei gleichbleibender Anzahl und/oder Geometrie der Ableiterfahnen sichergestellt werden, dass diese auch in einer Einbauposition der Elektrode wenigstens teilweise überlappungsfrei angeordnet sein können, bevorzugt vollständig überlappungsfrei. Auf diese Weise verbleiben auch in der Einbauposition der Elektrode Öffnungen zwischen den Ableiterfahnen, die zur Elektrolytbefüllung und/oder Entgasung der elektrochemischen Speicherzelle genutzt werden können.
Um eine ausreichende Stabilität sowie eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten, ist die Ableiterfolie insbesondere eine Kupfer- oder Aluminiumfolie. Ist die Elektrode eine Anode, ist die Ableiterfolie insbesondere eine Kupferfolie. Ist die Elektrode eine Kathode, ist die Ableiterfolie insbesondere eine Aluminiumfolie.
Bevorzugt sind die Ableiterfahnen integraler Bestandteil der Ableiterfolie. Auf diese Weise sind keine zusätzlichen Arbeitsschritte zum Befestigen der Ableiterfahnen durchzuführen und die Ableiterfahnen sind stabil mit den restlichen Bestandteilen der Elektrode verbunden, wodurch die Lebensdauer der Elektrode erhöht wird.
Die Ableiterfahnen können mittels Lasercutting oder mechanischem Zerschneiden eines Vorläufers der Ableiterfolie unter Bildung der Seitenkante und der Ableiterfahnen erzeugt werden.
Die Ableiterfahnen können vor oder nach dem Aufbringen der Elektrodenbeschichtung erzeugt werden.
In einer Variante sind zehn oder weniger Ableiterfahnen vorhanden, bevorzugt sechs bis acht Ableiterfahnen. Bei einer höheren Anzahl an Ableiterfahnen steigt der Platzbedarf der Ableiterfahnen. Bei einer geringeren Anzahl an Ableiterfahnen wird die angedachte Reduktion des elektrischen Widerstands zunehmend schlechter erreicht.
Grundsätzlich kann bei gleichbleibender Längenausdehnung des ersten Bereichs entlang der Längsrichtung der Ableiterfolie der Überlapp von Ableiterfahnen in Einbauposition der Elektrode auch bei einer höheren Anzahl an Ableiterfahnen dadurch begrenzt werden, dass die Breite der einzelnen Ableiterfahnen entlang der Längsrichtung reduziert wird. Dies hat jedoch eine zunehmende mechanische Schwächung der Ableiterfahnen zur Folge, die sich negativ auf die Lebensdauer der Elektrode auswirken kann.
Um einen möglichst gleichmäßigen Stromfluss innerhalb der Elektrode zu ermöglichen, können die Ableiterfahnen in gleichmäßigem Abstand zueinander angeordnet sein. Ferner ermöglicht eine solche Ausgestaltung das Erzeugen von symmetrischen Anordnungen der Ableiterfahnen in einer Einbauposition der Elektrode.
Die Länge der Ableiterfahnen senkrecht zur Längsrichtung der Ableiterfolie ist insbesondere kürzer als der Abstand der Ableiterfahnen zueinander. Auf diese Weise kann der Überlapp der Ableiterfahnen in der Einbauposition der Elektrode weiter reduziert oder ausgeschlossen werden.
Die Elektrode kann eine Kathode oder eine Anode sein, wobei die Elektrode bevorzugt eine Anode ist.
In der Elektrodenbeschichtung können alle Aktivmaterialien zum Einsatz kommen, die für die jeweilige Art von Elektrode geeignet ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine elektrochemische Speicherzelle mit einem zylindrischen Zellwickel und einem den zylindrischen Zellwickel umgebenden Gehäuse, wobei der zylindrische Zellwickel eine Elektrode wie zuvor beschrieben, eine Gegenelektrode sowie einen zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode angeordneten Separator umfasst. Die Ableiterfahnen der Elektrode sind auf eine vom zylindrischen Zellwickel gebildeten Oberseite umgefaltet und sind wenigstens teilweise überlappungsfrei zueinander angeordnet.
Die wenigstens teilweise überlappungsfreie Ausrichtung der Ableiterfahnen der Elektrode erlauben es, zwischen den umgefalteten Ableiterfahnen gebildete Zwischenräume an der Oberseite des Zellwickels zum Befüllen der elektrochemischen Speicherzelle mit Elektrolyt und/oder zum Entgasen der elektrochemischen Speicherzelle zu nutzen. Dies vereinfacht den Herstellungsprozess der erfindungsgemäßen elektrochemischen Speicherzelle und erhöht deren Lebensdauer. Durch die Elektrode, welche lediglich im ersten Bereich Ableiterfahnen aufweist, kann der Zellwickel eine dichtere Wicklung aufweisen und weiterhin eine wenigstens teilweise überlappungsfreie Anordnung der Ableiterfahnen erzielt werden. Auf diese Weise kann die Packungsdichte erhöht werden.
Ferner weist die Elektrode einen geringen Platzbedarf innerhalb des Gehäuses der elektrochemischen Speicherzelle auf, da die Ableiterfahnen umgefaltet sind.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Speicherzelle verbindet den Vorteil eines geringeren elektrischen Widerstands und der damit verbundenen geringeren Erwärmung bei Lade- und Entladevorgängen, sodass auf höhere Lade- und Entladeraten zurückgegriffen werden kann, mit einer hohen Lebensdauer der elektrochemischen Speicherzelle.
Die elektrische Kontaktierung der Ableiterfahnen kann über eine Endkappe der elektrochemischen Speicherzelle erfolgen. Die Endkappe weist beispielsweise Vorsprünge und/oder Vertiefungen auf, die mit den Ableiterfahnen elektrisch kontaktiert sind.
Die umgefalteten Ableiterfahnen erlauben ferner eine einfache Verschweißung des Gehäuses, beispielsweise mit der zur elektrischen Kontaktierung eingesetzten Endkappe.
Die elektrochemische Speicherzelle ist insbesondere eine Rundzelle, bevorzugt eine Rundzelle vom Typ 21700 oder größer, beispielsweise eine Rundzelle vom Typ 21700 oder 4680. Größere Typen an Rundzellen ermöglichen eine höhere Energiedichte, erfordern jedoch auch in stärkerem Ausmaß ein zuverlässiges T emperaturmanagement.
In diesem Fall ist das Gehäuse ein zylindrisches Gehäuse.
Um die Befüllung mit Elektrolyt und/oder Entgasungsvorgänge noch weiter zu verbessern, sind die umgefalteten Ableiterfahnen insbesondere vollständig überlappungsfrei zueinander angeordnet.
Die umgefalteten Ableiterfahnen können entlang einer Außenkante der Oberseite des Zellwickels gleichmäßig voneinander beabstandet sein. Auf diese Weise ergibt sich insbesondere eine symmetrische Verteilung der Ableiterfahnen auf der Oberseite des Zellwickels, wodurch T emperaturunterschiede innerhalb der elektrochemischen Speicherzelle besonders gut minimiert werden können.
Die Elektrode ist insbesondere eine Anode und die Gegenelektrode insbesondere eine Kathode. Auf diese Weise kann die Wärmeentwicklung in der Anode während Ladevorgängen begrenzt werden, sodass die Laderate gesteigert und damit die Ladedauer der elektrochemischen Speicherzelle gesenkt werden kann. Dies ist insbesondere in Fahrzeuganwendungen von Vorteil.
Grundsätzlich kann jedoch auch nur die Kathode oder die Anode und die Kathode eine Elektrode wie zuvor beschrieben sein. Sind sowohl die Anode als auch die Kathode eine Elektrode wie zuvor beschrieben, werden insbesondere die Ableiterfahnen einer der Elektroden auf die Oberseite des Zellwickels und die Ableiterfahnen der anderen der Elektroden auf eine der Oberseite entgegengesetzten Unterseite des Zellwickels umgefaltet.
Der zylindrische Zellwickel ist bevorzugt erhältlich durch Aufwickeln der Elektrodenanordnung entlang der Längsrichtung der Ableiterfolie, wobei die Elektrodenanordnung ausgehend vom zweiten Ende der Ableiterfolie hin zum ersten Ende der Ableiterfolie aufgerollt wird.
In dieser Variante liegt das zweite Ende der Ableiterfolie im zylindrischen Zellwickel innen, mit anderen Worten ist das zweite Ende das proximale Ende der Ableiterfolie, während das erste Ende der Ableiterfolie im zylindrischen Zellwickel außenliegend ist, das heißt das erste Ende ist das distale Ende der Ableiterfolie, und somit näher am zylindrischen Gehäuse.
Aufgrund der Anordnung der Ableiterfahnen im ersten Bereich der Elektrode, sorgt eine solche Herstellung des Zellwickels dafür, dass sich die Ableiterfahnen im fertigen Zellwickel über einen größeren Radius verteilen als es der Fall wäre, wenn das erste Ende im Zellwickel innenliegend wäre. Auf diese Weise kann das Ausmaß des Überlapps zwischen den Ableiterfahnen in der Einbauposition der Elektrode weiter minimiert oder vollständig vermieden werden.
Der erste Bereich der Elektrode weist insbesondere eine Ausdehnung entlang der Längsrichtung der Ableiterfolie auf, die höchstens dem Umfang der Außenkante des zylindrischen Zellwickels entspricht. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Ableiterfahnen möglichst weit außenliegend im Zellwickel positioniert sind.
Die elektrochemische Speicherzelle ist insbesondere eine Lithiumionenzelle.
Weitere Merkmale und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden soll, sowie den Zeichnungen. In diesen zeigen:
- Fig. 1 eine Elektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- Fig. 2 ein teilaufgerollter zylindrischer Zellwickel mit einer Elektrode gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 , und
- Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer Speicherzelle mit der Elektrode nach Fig. 1.
In Fig. 1 ist eine Elektrode 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Die Elektrode 10 umfasst eine Ableiterfolie 12, auf welche eine Elektrodenbeschichtung 14 aufgebracht ist.
Die Ableiterfolie 12 ist in der gezeigten Ausführungsform eine Kupferfolie.
Die Ableiterfolie 12 erstreckt sich von einem ersten Ende 16 zu einem in einer Längsrichtung L entgegengesetzten zweiten Ende 18 der Ableiterfolie 12, wobei die Ableiterfolie 12 einen ersten Abschnitt 20 und einen in Längsrichtung an den ersten Abschnitt 20 angrenzenden zweiten Abschnitt 22 aufweist. In Fig. 1 ist der Übergang von erstem Abschnitt 20 zu zweitem Abschnitt 22 mit einer Strichlinie angedeutet.
Die Ableiterfolie 12 weist ferner eine Seitenkante 24 auf, die sich entlang der Längsrichtung L der Ableiterfolie 12 vom ersten Ende 16 bis zum zweiten Ende 18 der Ableiterfolie über den ersten Abschnitt 20 und den zweiten Abschnitt 22 hinweg erstreckt. Ausgehend von der Seitenkante 24 erstrecken sich mehrere Ableiterfahnen 26 der Ableiterfolie 12, welche zur elektrischen Kontaktierung der Elektrode 10 dienen.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Ableiterfahnen 26 integraler Bestandteil der Ableiterfolie 12.
In diesem Fall bedeutet „ausgehend von der Seitenkante“, dass sich die Ableiterfahnen 26 in die in Fig. 1 gezeigte Höhenrichtung H erstrecken und von einer gedachten Geraden aus, die parallel zur Längenrichtung L ist, und deren Position durch die Lage der Seitenkante 24 in Höhenrichtung H im zweiten Bereich 22 definiert ist.
In der in Fig. 1 dargestellten Ansicht ist die Ableiterfolie 12 im Wesentlichen vollständig mit der Elektrodenbeschichtung 14 versehen. Mit anderen Worten ist die Ableiterfolie 12, abgesehen von den Ableiterfahnen 26, nicht direkt zu erkennen, da die Elektrodenbeschichtung 14 die Ableiterfolie 12 im Wesentlichen bedeckt.
Grundsätzlich könnte die Elektrodenbeschichtung jedoch auch abweichend aufgebracht sein. Beispielsweise könnte ein Randbereich nahe der Seitenkante 24 frei von der Elektrodenbeschichtung 14 sein.
In der gezeigten Ausführungsform weist die Elektrode 10 insgesamt acht Ableiterfahnen 26 auf. Grundsätzlich können jedoch auch weniger oder mehr Ableiterfahnen 26 zum Einsatz kommen, solange wenigstens zwei Ableiterfahnen 26 vorgesehen sind.
Wie in Fig. 1 zu erkennen, sind die Ableiterfahnen 26 ausschließlich im ersten Abschnitt 20 der Ableiterfolie 12 angeordnet.
In der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich der erste Abschnitt 20 vom ersten Ende 16 der Ableiterfolie 12 bis etwa zur Mitte der Seitenkante 24, das heißt bis zur Hälfte der Gesamtlänge der Ableiterfolie 12 in Längsrichtung L, wie durch die Strichlinie in Fig. 1 angedeutet ist.
Grundsätzlich kann der erste Abschnitt 20 jedoch auch kürzer ausfallen, beispielsweise lediglich über ein Viertel oder ein Drittel der Gesamtlänge der Ableiterfolie 12 in Längsrichtung L. Die Ableiterfahnen 26 weisen die gleiche geometrische Ausgestaltung sowie einen gleichmäßigen Abstand d zueinander auf.
Es versteht sich, dass die Ableiterfahnen 26 jedoch auch unterschiedliche Geometrien aufweisen können und/oder unterschiedlich weit voneinander beabstandet sein können.
In Fig. 2 ist schematisch ein teilaufgerollter zylindrischer Zellwickel 28 dargestellt.
Der zylindrische Zellwickel 28 umfasst eine Elektrodenanordnung mit der zuvor beschriebenen Elektrode 10, einer Gegenelektrode 30 sowie einem zwischen der Elektrode 10 und der Gegenelektrode 30 angeordneten Separator 32, der die Elektrode 10 und die Gegenelektrode 30 elektrisch voneinander isoliert.
In der dargestellten Ausführungsform ist die Elektrode 10 eine Anode und die Gegenelektrode 30 eine Kathode.
In Fig. 2 ist zu sehen, dass die Elektrodenanordnung zum zylindrischen Zellwickel 28 aufgewickelt wird, wobei die Elektrodenanordnung entlang der Längsrichtung L der Ableiterfolie 12 ausgehend vom zweiten Ende 18 (vgl. Fig. 1) hin zum ersten Ende 16 aufgerollt wird, wie durch den Pfeil P in Fig. 2 angedeutet.
Dazu kann beispielsweise ein (nicht dargestellter) Wickeldorn verwendet werden.
Der Zellwickel weist eine Oberseite 36 sowie eine entlang einer Höhenrichtung H entgegengesetzte Unterseite 38 auf.
Die Elektrodenanordnung wird so aufgewickelt, dass die Ableiterfahnen 26 in Höhenrichtung H von der Oberseite 36 des Zellwickels 28 abstehen. Auf diese Weise können die Ableiterfahnen 26 in die Ebene B-L auf die Oberseite 36 umgefaltet werden. Mit anderen Worten liegen die Ableiterfahnen 26 in einer Einbauposition im Wesentlichen flach auf der Oberseite 36 des Zellwickels 28 auf.
In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße elektrochemische Speicherzelle 34 im Querschnitt gezeigt, wobei der Querschnitt senkrecht zur in Fig. 2 gezeigten Höhenrichtung H des Zellwickels 28 oberhalb der Oberseite 36 des Zellwickels 28 verläuft. Die elektrochemische Speicherzelle 34 verfügt über ein Gehäuse 40, welches den zylindrischen Zellwickel 28 aufnimmt und diesen in Einbauposition umgibt.
In der gezeigten Ausführungsform ist das Gehäuse 40 ein zylindrisches Gehäuse, sodass es sich bei der elektrochemischen Speicherzelle 34 um eine Rundzelle handelt.
In Fig. 3 ist der spiralförmige Verlauf der aufgewickelten Elektrodenanordnung innerhalb des Zellwickels 28 zur Vereinfachung der Darstellung nicht näher gezeigt.
Mittig innerhalb des Zellwickels 28 ist ein axial über die Höhe des Zellwickels 28 verlaufender Hohlraum 39 vorhanden, welcher durch den Wickelprozess des Zellwickels 28 erzeugt wurde.
Die Ableiterfahnen 26 sind auf die Oberseite 36 des Zellwickels 28 umgefaltet und vollständig überlappungsfrei.
Mit anderen Worten berühren sich die Ableiterfahnen 26 in der Einbauposition des Zellwickels 28 nicht. Somit können die zwischen den umgefalteten Ableiterfahnen 26 gebildeten Zwischenräume 42 zum Befüllen des Gehäuses 40 mit Elektrolyt und/oder zum Entgasen der elektrochemischen Speicherzelle 34 genutzt werden. Auf diese Weise kann die Herstellung der elektrochemischen Speicherzelle 34 vereinfacht und/oder beschleunigt werden sowie die Lebensdauer der elektrochemischen Speicherzelle 34 erhöht werden.
Die Ableiterfahnen 26 sind in der gezeigten Ausführungsform symmetrisch entlang einer Außenkante 44 der Oberseite 36 des Zellwickels 28 verteilt.
Dadurch, dass lediglich im ersten Abschnitt 20 der Ableiterfolie 12 Ableiterfahnen 26 vorhanden sind, kann die Elektrode 10 so aufgerollt werden, dass die Ableiterfahnen 26 lediglich von der Außenkante 44 ausgehen und nicht ausgehend von einem radial weiter innenliegenden Punkt des Zellwickels 28 aus. Auf diese Weise ist bei gleichbleibender Geometrie der Ableiterfahnen 26 ein geringerer Überlapp zwischen den Ableiterfahnen 26 möglich oder kann wie in der gezeigten Ausführungsform vollständig vermieden werden.
Der Abstand der Ableiterfahnen 26 zueinander in Einbauposition des Zellwickels 28 wird durch den Abstand d zwischen den Ableiterfahnen 26 bestimmt. Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, ist der Abstand d größer als die jeweilige Länge der Ableiterfahnen 26 in radialer Richtung zum Hohlraum 39.
Die Kontaktierung der Ableiterfahnen 26 erfolgt über eine (nicht dargestellte) Endkappe, die mit dem Gehäuse 40 verschweißt ist. Dadurch, dass die Ableiterfahnen 26 umgefaltet sind, kann auf einfache Weise eine robuste Verschweißung durchgeführt werden, ohne eine Beschädigung der Ableiterfahnen 26 zu riskieren.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrode für eine elektrochemische Speicherzelle (34), umfassend eine Ableiterfolie (12) und eine auf die Ableiterfolie (12) aufgebrachte Elektrodenbeschichtung (14), wobei die Ableiterfolie (12) einen ersten Abschnitt (20) und einen an den ersten Abschnitt (20) in Längsrichtung der Ableiterfolie (12) angrenzenden zweiten Abschnitt (22) und eine Seitenkante (24) aufweist, die sich von einem ersten Ende (16) zu einem entlang der Längsrichtung entgegengesetzten zweiten Ende (18) der Ableiterfolie (12) über den ersten Abschnitt (20) und zweiten Abschnitt (22) hinweg erstreckt, wobei die Ableiterfolie (12) mehrere von der Seitenkante (24) ausgehende Ableiterfahnen (26) zur elektrischen Kontaktierung der Elektrode (10) aufweist, und wobei die Ableiterfahnen (26) im ersten Abschnitt (20) angeordnet sind, und sich der erste Abschnitt (20) vom ersten Ende (16) der Ableiterfolie (12) bis höchstens zur Mitte der Seitenkante (24) erstreckt.
2. Elektrode nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ableiterfahnen (26) integraler Bestandteil der Ableiterfolie (12) sind.
3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zehn oder weniger Ableiterfahnen (26) vorhanden sind, bevorzugt sechs bis acht Ableiterfahnen (26).
4. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableiterfahnen (26) in gleichmäßigem Abstand zueinander angeordnet sind.
5. Elektrochemische Speicherzelle mit einem zylindrischen Zellwickel (28) und einem den zylindrischen Zellwickel (28) umgebenden Gehäuse (40), wobei der zylindrische Zellwickel (28) eine Elektrode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, eine Gegenelektrode (30) sowie einen zwischen der Elektrode (10) und der Gegenelektrode (30) angeordneten Separator (32) umfasst, wobei die Ableiterfahnen (26) der Elektrode (10) auf eine vom zylindrischen Zellwickel (28) gebildeten Oberseite (36) umgefaltet und wenigstens teilweise überlappungsfrei zueinander angeordnet sind.
6. Elektrochemische Speicherzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die umgefalteten Ableiterfahnen (26) vollständig überlappungsfrei zueinander angeordnet sind.
7. Elektrochemische Speicherzelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die umgefalteten Ableiterfahnen (26) entlang einer Außenkante (44) der Oberseite (36) gleichmäßig voneinander beabstandet sind.
8. Elektrochemische Speicherzelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (10) eine Anode und die Gegenelektrode (30) eine Kathode ist.
9. Elektrochemische Speicherzelle nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Zellwickel (28) eine aufgewickelte Elektrodenanordnung umfassend die Elektrode (10), die Gegenelektrode (30) und den Separator (32) aufweist, wobei die Elektrodenanordnung entlang der Längsrichtung der Ableiterfolie (12) ausgehend vom zweiten (18) hin zum ersten Ende (16) aufgerollt ist.
10. Elektrochemische Speicherzelle nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Speicherzelle (34) eine
Lithiumionenzelle ist.
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