电能存储元件以及用于制造电能存储元件的方法和设备技术

在根据本发明专利技术的电能存储元件中，多个均由作为电极的阴极和阳极以及电解质形成的电化学电池彼此上下堆叠地布置。它们在一侧上被由特别是铝的导电材料形成的顶板封闭，且在相反侧上由特别是的铝导电材料形成的底板封闭。底板涂覆有阴极或阳极，且顶板以互补的方式涂覆有阳极或阴极。阳极和阴极分别形成在导电载体箔或膜的相反地布置的表面上，导电载体箔或膜优选由铝、铜、钢或导电塑料组成。载体箔或膜上具有没有电极材料的外围边缘，边缘通过密封用粘合剂将相邻的电化学电池彼此连接，使得它们相对于彼此和周围环境密闭地密封。阳极由具有尖晶石结构的钛酸锂(LTO)形成，且高压的阴极由具有尖晶石结构的锰酸锂镍(LNMO)或橄榄石结构的磷酸锂(LP)形成。在凝胶状电解质的情况下，在电解质和电化学电池的电极之间分别设置分隔层，且在固体电解质的情况下，不设置分隔层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种大型规格、扁平、安全地构造且具有用于包括整体壳体的双极性电极构造的特定细胞化学技术的电能存储元件。本专利技术还涉及一种用于制造这些电能存储元件的方法和设备。
技术介绍
先前使用的是导致系统级的能量密度降低的常规锂电池组电池(batterycell)(具有金属壳体的圆形、棱柱形或具有塑模盖的扁平电池)。双极性电池组(battery)也是已知的。通常，这些电池彼此连接成模块(约60V，约12个电池)。随后将各个模块连接以形成高压(high-voltage，HV)能量存储部，并且与外围传感器系统、监测系统(能量存储管理系统)、冷却系统和壳体共同形成安全能量存储元件。例如，设置有至外部的接口，以用于车辆通信、能量传输、冷却和与车辆的机械连接。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于提供一种可实现增加的能量密度并且可灵活地且廉价地制造的电能存储元件。根据本专利技术，通过具有权利要求1的特征的电能存储元件来实现上述目的。可使用根据权利要求7的方法和根据权利要求11的设备来制造该电能存储元件。可使用从属权利要求中指定的特征来实现本专利技术的有利实施例和改进示例。在根据本专利技术的电能存储元件中，多个均由作为电极的阴极和阳极以及电解质形成的电化学电池彼此上下堆叠地布置。堆叠的电化学电池在一侧被由特别为铝、铜或钢的导电材料制成的顶板封闭，并且在相反侧被由特别为铝、铜或钢的导电材料制成的底板封闭。底板涂覆有阴极或阳极，并且顶板以互补的方式涂覆有阳极或阴极。阳极和阴极分别形成在导电载体膜的相反地布置的表面上，导电载体膜优选包括铝、铜、钢或导电塑料。载体膜具有外围边缘，外围边缘不具有电极材料，并借助插接或粘接密封件或通过密封用粘合剂以相对于环境密封的方式将相邻的电化学电池彼此连接。可将可UV固化和可热固化的单组分或双组分粘合剂用作密封用粘合剂。除了密封剂之外，还可使用分隔元件或密封元件，以用于在电极、电解质和必要时的环境之间产生屏障效应。阳极包括具有尖晶石结构的钛酸锂LTO，且高压的阴极由具有尖晶石结构的锰酸锂镍LNMO或具有橄榄石结构的磷酸锂(LP)形成。在凝胶电解质的情况下，在电化学电池的电解质和电极之间应当存在相应的分隔层，但与此相反，在固体电解质的情况下，不应当存在分隔层。优选地，阳极可由作为LTO的Li4Ti5O12形成，且阴极可由作为LNMO的LiNi0.5Mn1.5O4或作为LiCoPO4或LiNiPO4的磷酸锂形成。由于通过刮涂、印刷或涂覆或者在不同处理中以空间分解的方式的布置来形成电化学电池的具有预定几何形状的部件，因此可避免有问题地将电解质和分隔层引入电化学电池中(潜在地更大面积的电极堆叠体)。分隔层/电解质复合物一方面应当具有足够的离子导电性，而另一方面应该能够防止阳极和阴极之间的直接接触并因此防止二者之间的短路。例如，能够将电解质组合到分隔层中，这是通过将电介质放置到部分多孔的分隔件中实现的，分隔件为独立式板状元件或为印刷在两个电极中至少一者上的膜。例如，分隔层可由多孔性惰性材料(例如Al2O3)或离子导电材料(例如，锂离子传导玻璃材料)形成并由及聚合物基体(例如聚偏二氟乙烯(PVDF)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或羧甲基纤维素(CMC))形成。电解质可由和有机碳酸酯一起被包埋在聚合物基体中的特别为LiPF6、LiTFSI或LiClO4的锂离子传导盐形成，有机碳酸酯特别为碳酸乙二酯、碳酸二乙酯或碳酸丙二酯，聚合物基体特别由聚氧化乙烯(PEO)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、丙烯酸酯或亚胺(imidine(imidin))形成。然而，其也可由聚电解质、具有可电离阴离子和/或阳离子基团的聚合物或离子液体(特别为N-烷基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(PYR14TFSI))形成，且由作为锂离子传导盐的LiTFSI或作为晶体离子导体的Li7P3S11或Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3形成。如果需要分隔层，那么其可使用优选颗粒形式的诸如Al2O3等陶瓷材料或诸如所谓的LAPT材料等导电锂离子玻璃并使用有机粘结剂来形成。为此，颗粒大小优选为约500nm至30μm。分隔层中可包含聚偏二氟乙烯(PVDF)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、聚乙烯醇(PVA)或羧甲基纤维素(CMC)。在制造根据本专利技术的电能存储元件时，在载体膜的两个相反地布置的表面上涂覆阳极材料和阴极材料，且阴极材料和阳极材料布置在相反侧，使得保留有不具有相应的电极材料的外围边缘或通过使用化学、机械或热移除工艺从该边缘去除电极材料。两个电极中的至少一者涂覆或浸渍有分隔层、液体或凝胶电解质并随后涂覆或浸渍有电解质材料。由于在固体电解质的情况下不需要分隔层，所以各个电极可直接涂覆有电解质材料。可通过用刮涂、印刷、喷涂、点胶、粉末涂覆或静电处理来形成分隔层和/或电解质。接着，通过分割获得均形成电化学电池的独立元件，并且将它们彼此上下堆叠，使得阴极或阳极总是朝向上方布置，且将最底部的电化学电池布置在已涂覆有阴极或阳极的底板，在形成在底板上的电极的方向上布置的相应的互补电极面向形成在底板上的该电极的方向。在所要堆叠的电化学电池达到期望数量之后，将顶板放置在最上面的电化学电池上，顶板上具有与最上面的电化学电池的最上面电极互补的电极。然后，可通过密封件或通过密封用粘合剂来实现电化学电池相对于环境的封闭，必要时还额外地在不具有电极材料的外边缘处利用分隔层来进行密闭。因此，电能存储元件包括多个电极，多个电极表示导电载体膜与布置在两侧的活性材料复合物的组合。可以设想，一个相应的侧面涂覆有例如可被改性(掺杂、涂覆)的所谓的5V高压阴极材料(例如LNMO或LiCoPO4或LiNiPO4)的阴极材料，并且一侧可涂覆有LTO阳极材料。电极在两侧具有没有被电化学活性材料覆盖的外围边缘。将密封件或密封用粘合剂以及分隔层(必要时)布置至未被涂覆的边缘。可将分隔层布置到电极的一侧(例如，阳极侧)或各个电化学电池的两侧的涂层。电解质位于电极之间，且因锂离子而导电并浸渍有电化学活性材料或与电化学活性材料接触。电解质可由具有导电盐或离子液体或聚电解质或凝胶电解质的有机溶剂的混合物形成。作为实施例，可将例如包括Al2O3颗粒和粘合剂(例如，聚偏二氟乙烯(PVDF))的分隔件和例如作为凝胶电解质或固体电解质的电解质以适当的方式布置至这两个电极中的一者。在使用固体电解质时，可省去电解质和相应电极之间的分隔层。另外，固体电解质也可以是电极涂层的组分(例如，粉末形式的硫代磷酸锂的混合物)，此外还可以使用凝胶/液体电解质。作为凝胶/液体电解质，可使用特别为碳酸亚乙酯、碳酸二乙酯或碳酸丙二酯的有机碳酸酯，有机碳酸酯和特别为LiPF6、LiTFSl或LiClO4的锂离子传导盐一起被包埋到聚合物基体(特别为聚氧化乙烯(PEO)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、丙烯酸酯或亚胺)。然而，其也可以由聚电解质、具有可电离阴离子和/或阳离子基团的聚合物或离子液体(特别为N-烷基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(PYR14TFSI))形成且由作为锂离子传导盐的LiTFSI或作为晶体离子导体的Li7P3S11或Li1.5Al0.5Ge1.5(P本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电能存储元件，在电能存储元件中，多个均由作为电极的阴极(20)和阳极(50)以及电解质(30)形成的电化学电池彼此上下堆叠地布置，并且在一侧被由特别为铝的导电材料制成的顶板(10)封闭且在相反侧被由特别为铝的导电材料制成的底板(12)封闭，其中，底板(12)涂覆有阴极(20)或阳极(50)，并且顶板(10)以互补的方式涂覆有阳极(50)或阴极(20)，并且阳极(50)和阴极(20)分别形成在导电载体膜(70)的相反地布置的表面上，导电载体膜优选地包括铝、铜、钢或导电塑料，且载体膜(70)具有外围边缘，外围边缘不具有电极材料并通过密封用粘合剂以相对于环境密闭地密封的方式将相邻的电化学电池彼此连接，并且阳极由具有尖晶石结构的钛酸锂(LTO)形成，且高压的阴极由具有尖晶石结构的锰酸锂镍(LNMO)形成或由具有橄榄石结构的磷酸锂(LP)形成，并且在电化学电池的电解质(30)和电极之间，在凝胶电解质(30)的情况下设置有相应的分隔层(40)且在固体电解质的情况下不设置分隔层(40)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.05 DE 102014210803.91.一种电能存储元件，在电能存储元件中，多个均由作为电极的阴极(20)和阳极(50)以及电解质(30)形成的电化学电池彼此上下堆叠地布置，并且在一侧被由特别为铝的导电材料制成的顶板(10)封闭且在相反侧被由特别为铝的导电材料制成的底板(12)封闭，其中，底板(12)涂覆有阴极(20)或阳极(50)，并且顶板(10)以互补的方式涂覆有阳极(50)或阴极(20)，并且阳极(50)和阴极(20)分别形成在导电载体膜(70)的相反地布置的表面上，导电载体膜优选地包括铝、铜、钢或导电塑料，且载体膜(70)具有外围边缘，外围边缘不具有电极材料并通过密封用粘合剂以相对于环境密闭地密封的方式将相邻的电化学电池彼此连接，并且阳极由具有尖晶石结构的钛酸锂(LTO)形成，且高压的阴极由具有尖晶石结构的锰酸锂镍(LNMO)形成或由具有橄榄石结构的磷酸锂(LP)形成，并且在电化学电池的电解质(30)和电极之间，在凝胶电解质(30)的情况下设置有相应的分隔层(40)且在固体电解质的情况下不设置分隔层(40)。2.根据权利要求1所述的电能存储元件，其特征在于，阳极(50)由作为LTO的Li4Ti5O12形成，阴极(20)由作为LNMO的LiNi0.5Mn1.5O4或作为LiCoPO4或LiNiPO4的磷酸锂形成，并且电解质(30)由锂离子传导盐或聚电解质、具有可电离的阴离子和/或阳离子基团的聚合物形成或者由离子液体或作为晶体离子导体的Li7P3S11或Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3)形成，并且/或者分隔层(40)由优选颗粒形式的Al2O3、锂离子传导玻璃形成且由有机粘结剂形成。3.根据权利要求1或2所述的电能存储元件，其特征在于，电解质(30)由和有机碳酸酯一起被包埋在聚合物基体中的LiPF6、LiTFSI或LiClO4形成，有机碳酸酯特别为碳酸乙二酯、碳酸二乙酯或碳酸丙二酯，聚合物基体特别由聚氧化乙烯(PEO)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、丙烯酸酯或亚胺形成，或者电解质由N-烷基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(PYR14TFSI)形成，并且电解质由作为用作聚电解质的锂离子传导盐的LiTFSI形成。4.根据权利要求1或2所述的电能存储元件，其特征在于，设置有监测模...

【专利技术属性】
技术研发人员：马雷克·沃尔特，克里斯蒂安·尼克罗维斯基，乌韦·帕特奇，迈克尔·罗舍尔，托马斯·埃切尔梅耶，丹尼尔·蒂特尔，迈克尔·克劳斯，
申请(专利权)人：弗劳恩霍夫应用研究促进协会，蒂森克虏伯系统工程有限公司，蒂森克虏伯股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE