具有参考电极的二次蓄能元件制造技术

技术编号:22332400 阅读:64 留言:0更新日期:2019-10-19 12:42
具有参考电极的二次蓄能元件。二次蓄能元件包括:层复合体,其具有包括正极材料的电极层和包括负极材料的电极层和布置在它们之间的隔膜层,该隔膜层具有至少一层,其由具有电绝缘特性的微孔材料构成;参考电极;电解质,层复合体用电解质来浸润,而且隔膜层、电极层和参考电极通过电解质来保持接触;和外壳,其包围层复合体、参考电极和电解质,而且外壳具有三个彼此电绝缘的、能从外壳之外分接的极。参考电极或参考电极的组成部分放置在隔膜层的至少一层与电极层之一之间而且借助于绝缘介质与该电极层电绝缘。参考电极或参考电极的位于那里的组成部分是在隔膜层的至少一层的表面或者绝缘介质的表面上的至少一根金属丝或者网状金属涂层。

Secondary energy storage element with reference electrode

【技术实现步骤摘要】
具有参考电极的二次蓄能元件
随后描述的专利技术涉及具有参考电极的二次蓄能元件。
技术介绍
适合于存储电能的元件(简称:蓄能元件)总是包括正极、负极和隔膜,该隔膜使正极和负极彼此分开。电极和隔膜大多用电解质来浸润。通常,液密密封的外壳包围电极、隔膜和电解质。在这种蓄能元件中,发生电化学的、提供能量的反应,该反应由两个彼此电耦合的但是空间上彼此分开的子反应组成。在比较低的氧化还原电位下发生的子反应在负极上进行,在比较高的氧化还原电位下发生的子反应在正极上进行。在放电时,在负极上通过氧化过程来释放电子,造成经过外部耗电器到达正极的电子流,相对应的数量的电子由该正极吸收。因此,在正极上发生还原过程。同时,为了电荷平衡的目的,在电池之内出现与电极反应相对应的离子流。该离子流通过传导离子的电解质来确保。在二次(可再充电的)电池中,该放电反应是可逆的,即存在使在放电时发生的化学能到电能的转换逆转的可能性。如果结合二次电池使用术语“阳极”和“阴极”,则通常根据电极的放电功能来对这些电极进行命名。即这种电池的负极是阳极,正极是阴极。二次蓄能元件的非常流行的示例是镍/金属氢化物电池和锂离子电池。尤其是在二次蓄能元件中,电极和隔膜常常构造为层。通常,这些层彼此连接成层复合体,例如通过粘贴或通过压薄来彼此连接成层复合体。在很多情况下,这种层复合体以线圈复合体、尤其是螺旋形线圈的形式存在。但是也可能的是:将多个这种层复合体加工成堆。为了可以确定二次蓄能元件的能量含量,常常确定该二次蓄能元件的电极的电极电位。电极电位说明了电极可以提供怎样的电压。单个电极的电极电位并不能以电化学方式来确定,因为总是需要第二电极来进行电位测量,在该第二电极上同样构造有电极电位。为了该目的,可以使用参考电极。那么电极电位是电极的相对于参考电极被测量到的电压。从现有技术公知基于锂离子的二次蓄能元件,所述二次蓄能元件具有以金属锂的形式的参考电极。替选地,在基于锂离子的蓄能元件中也可使用钛酸锂参考(所谓的LTO参考)。大多在外壳中将这种参考电极布置在由所提到的层复合体构成的堆或线圈旁边。然而,在这样放置参考电极的情况下测量的电极电位在动态条件下常常明显不同于在层复合体之内的真正的电位关系。借助于这样放置的参考电极仅仅可以可靠地确定平衡电位。从WO2012/049201A1公知经改善的用于借助于参考电极来确定电位的设计。这里,多层地构造的LTO参考被集成到由电极和隔膜构成的层复合体中,其方式是给阴极配备留空部,将LTO参考嵌入到该留空部中,或者其方式是将该参考嵌入到多层隔膜的两层之间。借此,也可能的是在电极复合体中的测量。不过,在阳极与阴极之间的平衡在层复合体的范围内移动,该参考布置在该层复合体中。还必须采取花费高的措施,以便使在留空部之内的参考相对于与阴极的直接接触绝缘。此外,被嵌入到隔膜的两层之间的参考可能干扰电极之间的离子流。DE102014001260A1在图1中公开了一种锂电池组,该锂电池组的隔膜包括参考电极。参考电极被集成到隔膜的薄膜中或者布置在多层隔膜的层之间。参考电极可以通过印刷方法以相对应地小的厚度来形成。DE102017109690A1致力于如何可以使伪影最小化或消除伪影的问题,所述伪影由于在锂电池组中存在参考电极而出现。参考电极被描述为导线,该导线在其表面上具有电阻涂层。在此,该参考电极可以布置在对应电极与工作电极之间的隔膜之内。
技术实现思路
本专利技术所基于的任务在于:提供一种相对于现有技术经改善的具有参考电极的二次蓄能元件。为了解决该任务,本专利技术提出了随后描述的具有权利要求1的特征的具有参考电极的二次蓄能元件、尤其是该二次蓄能元件的优选的实施方式。本专利技术的扩展方案是从属权利要求的主题。按照本专利技术的二次蓄能元件具有如下特征组合:a:该二次蓄能元件包括层复合体,该层复合体具有带正极材料的电极层(正极层)和带负极材料的电极层(负极层)和布置在该带正极材料的电极层(正极层)与该带负极材料的电极层(负极层)之间的隔膜层,b:该隔膜层包括至少一层,该至少一层由具有电绝缘特性的微孔材料构成,c:该二次蓄能元件包括参考电极,d:该二次蓄能元件包括电解质,层复合体用该电解质来浸润,而且隔膜层、电极层和参考电极通过该电解质来保持接触,e:该二次蓄能元件包括外壳,该外壳包围层复合体、参考电极和电解质,而且f:该外壳具有三个彼此电绝缘的、能从该外壳之外分接的极,这三个极中,第一极与正极层电连接,第二极与负极层电连接而第三极与参考电极电连接。相对于现有技术,按照本专利技术的二次蓄能元件的特点在于如下附加特征:g:参考电极或参考电极的组成部分放置在隔膜层的至少一层与电极层之一之间而且借助于绝缘介质与该电极层电绝缘,而且h:参考电极或参考电极的位于那里的组成部分是在隔膜层的至少一层的表面或者绝缘介质的表面上的至少一根金属丝或者网状金属涂层。因此,在按照本专利技术的二次蓄能元件中,参考电极或参考电极的组成部分被集成到层复合体中,不过不是集成在正极的层中(如在WO2012/049201A1中提出的那样),而是恰好集成在电极层之一与隔膜层之间或者集成在隔膜层中。因而,参考电极也不影响电极平衡。此外,不同于WO2012/049201A1,在层复合体之内也只布置一根金属丝或一个网状金属涂层而不是多层地构造的LTO参考。不同于参考电极布置在层复合体之外的蓄能元件,按照本专利技术的设计方案能够精确地检测电极单个电位,在动态条件下也能够精确地检测电极单个电位。电位关系可以在层复合体之内被量取。在这种情况下获得的测量数据例如可以被用于做出关于当前的充电状态、电池老化以及关于安全方面、诸如锂电镀(Lithium-Plating)的结论。层复合体包括多层,所述多层以正极层/隔膜层/负极层为顺序。优选地,电极之一布置在两个隔膜层之间,使得层复合体具有正极层/隔膜层/负极层/隔膜层的顺序或者负极层/隔膜层/正极层/隔膜层的顺序。该蓄能元件的电极可基于完全不同的材料。本专利技术基本上能应用于任何电化学系统。不过优选的是:该蓄能元件是锂离子蓄能元件,即具有如下电极的蓄能元件,所述电极在运行时嵌入和脱出锂离子。按照本专利技术的蓄能元件的电极层通常分别包括金属集流体以及电化学活性成分(常常也被称作电极活性材料)和电化学不活跃成分。集流体用于:尽可能大面积地与电化学活性成分电接触。这些集流体通常由扁平的金属衬底组成,例如由金属薄膜或者由金属泡沫或者由金属纤维网组成。这些扁平的金属衬底通常在两侧涂层有电极活性材料。因此,一个电极层优选地包括具有电极活性材料的两层而且在这两层之间包括集流体。如果蓄能元件是锂离子蓄能元件,则考虑可吸收并且重新释放锂离子的全部材料,作为电极活性材料。关于这方面,对于负极来说,现有技术例如是碳基材料、如石墨碳或者是能够可逆地吸收锂的非石墨碳材料。对于二次锂离子系统的正极来说,例如考虑锂金属氧化物化合物和锂金属磷酸盐化合物,如LiCoO2和LiFePO4。首先应提到电极粘合剂和导电介质,作为电化学不活跃成分。电极粘合剂确保了电极的机械稳定性而且导致由电化学活性材料构成的颗粒彼此间的接触以及与集流体的接触。导电介质、如炭黑用于:能够实现电极的导电性。对于本领域技术人员来说公知适合于蓄能单元中的本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种二次蓄能元件(50;60),所述二次蓄能元件具有如下特征:a:所述二次蓄能元件包括层复合体(10),所述层复合体具有:包括正极材料的电极层(12);和包括负极材料的电极层(14);和布置在所述包括正极材料的电极层与所述包括负极材料的电极层之间的隔膜层(18),b:所述隔膜层(18)包括至少一层,所述至少一层由具有电绝缘特性的微孔材料构成,c:所述二次蓄能元件包括参考电极(24A;24B、27),d:所述二次蓄能元件包括电解质,所述层复合体(10)用所述电解质来浸润,而且所述隔膜层(18)、所述电极层(12和14)和所述参考电极(24A;24B、27)通过所述电解质来保持接触,e:所述二次蓄能元件包括外壳(30),所述外壳包围所述层复合体(10)、所述参考电极(24A;24B、27)和所述电解质,f:所述外壳(30)具有三个彼此电绝缘的、能从所述外壳(30)之外分接的极,所述三个极中,第一极(40)与具有正极材料的电极层(12)电连接,第二极(42)与具有负极材料的电极层(14)电连接而第三极(44)与所述参考电极(24A;24B、27)电连接;以及所述二次蓄能元件具有如下附加特征:g:在所述层复合体之内,正极层和负极层在它们之间包围出重叠区,而且h:参考电极(24A)或参考电极(24B、27)的组成部分(24B)放置在所述隔膜层(18)的至少一层与所述电极层之一(12)之间而且借助于绝缘介质(20)与所述电极层(12)电绝缘,而且i:所述参考电极(24A)或所述参考电极(24B、27)的位于那里的组成部分(24B)是在所述隔膜层的至少一层的表面或者所述绝缘介质(20)的表面(22)上的至少一根金属丝或者网状金属涂层(24),而且j:在所述重叠区之内,所述至少一根金属丝或所述网状金属涂层(24)布置在所述隔膜层的一层的表面或者所述绝缘介质(20)的表面上,而且k:所述至少一根金属丝或所述网状金属涂层在所述表面上覆盖所述重叠区在其上延伸的区域的最大5%的区域。...

【技术特征摘要】
2018.04.04 EP 18165727.11.一种二次蓄能元件(50;60),所述二次蓄能元件具有如下特征:a:所述二次蓄能元件包括层复合体(10),所述层复合体具有:包括正极材料的电极层(12);和包括负极材料的电极层(14);和布置在所述包括正极材料的电极层与所述包括负极材料的电极层之间的隔膜层(18),b:所述隔膜层(18)包括至少一层,所述至少一层由具有电绝缘特性的微孔材料构成,c:所述二次蓄能元件包括参考电极(24A;24B、27),d:所述二次蓄能元件包括电解质,所述层复合体(10)用所述电解质来浸润,而且所述隔膜层(18)、所述电极层(12和14)和所述参考电极(24A;24B、27)通过所述电解质来保持接触,e:所述二次蓄能元件包括外壳(30),所述外壳包围所述层复合体(10)、所述参考电极(24A;24B、27)和所述电解质,f:所述外壳(30)具有三个彼此电绝缘的、能从所述外壳(30)之外分接的极,所述三个极中,第一极(40)与具有正极材料的电极层(12)电连接,第二极(42)与具有负极材料的电极层(14)电连接而第三极(44)与所述参考电极(24A;24B、27)电连接;以及所述二次蓄能元件具有如下附加特征:g:在所述层复合体之内,正极层和负极层在它们之间包围出重叠区,而且h:参考电极(24A)或参考电极(24B、27)的组成部分(24B)放置在所述隔膜层(18)的至少一层与所述电极层之一(12)之间而且借助于绝缘介质(20)与所述电极层(12)电绝缘,而且i:所述参考电极(24A)或所述参考电极(24B、27)的位于那里的组成部分(24B)是在所述隔膜层的至少一层的表面或者所述绝缘介质(20)的表面(22)上的至少一根金属丝或者网状金属涂层(24),而且j:在所述重叠区之内,所述至少一根金属丝或所述网状金属涂层(24)布置在所述隔膜层的一层的表面或者所述绝缘介质(20)的表面上,而且k:所述至少一根金属丝或所述网状金属涂层在所述表面上覆盖所述重叠区在其上延伸的区域的最大5%的区域。2.根据权利要求1所述的蓄能元件,所述蓄能元件具有如下附加特征:a:所述隔膜层多层地来构造,而且包括:第一层,所述第一层由具有电绝缘特性的微孔材料构成;和第二层,所述第二层由具有电绝缘特性的微孔材料构成,b:所述绝缘介质是所述第二层,c:所述参考电极或所述参考电极的组成部分布置在所述第一层与所述第二层之间。3.根据权利要求1所述的蓄能元件,所述蓄能元件具有如下附加特征:a:所述隔膜层单层或多层地来构造,b:所述绝缘介质是在所述隔膜层的外侧或在所述电极层之一的外侧的涂层,其中所述参考电极或所述参考电极的组成部分布置在所述隔膜层的外侧与所述涂层之间。4.根据权利要求1所述的蓄能元件(50;60),所述蓄能元件具有如下附加特征:a:所述隔膜层(18)单层或多层地来构造,b:所述绝缘介质(20)是薄膜,所述薄膜布置在所述参考电极(24A)或所述参考电极(24B、27)的组成部分(24B)与所述电极层(12)之间。5.根据权利要求1所述的蓄能元件,所述蓄能元件具有如下附加特征:a:所述隔膜层单层或多层地来构造;b:所述绝缘介质是在所述参考电极的外侧或在所述参考电极的组成部分的外侧的具有电绝缘特性的微孔涂层。6.根据上述权利要求之一所述的蓄能元件(50),所述蓄能元件具有如下附加特征:a:所述金属丝或所述网状金属涂层(24)由能与锂制成合金的金属或者能与锂制成合金的金属合金组成,所述金属或所述金属合金在所述蓄能元件在常见的运行条件下(运行温度直至80℃)运行时可逆地吸收锂离子并且重新释放锂离子。7.根据权利要求1至5之一所述的蓄能元件(60),所述蓄能元件具有如下附加特征:a:所述参考电极(24B、27)包括基于如下化合物的电极作为第一组成部分(27),所述化合物能可逆地吸收并且重新释放锂离子;b:所述参考电极(24B、27)包括所述至少一根金属丝或所述网状金属涂层(24),作为第二组成部分(24B);c:所述金属丝或所述网状金属涂层由金属或者金属合金组成,所述金属或所述金属合金在所述蓄能元件在常见的运行条件下(运行温度直至80℃)运行时既没有与锂制成合金也没有可逆地吸收锂离子并且重新释放锂离子;d:仅仅所述参考电极(24B、27)的第二组成部分(24B)放置在所述隔膜层(18)的至少一层与所述电极层之一...

【专利技术属性】
技术研发人员:I楚马克D恩斯林S肖尔茨S施托克
申请(专利权)人:瓦尔达微电池有限责任公司
类型:发明
国别省市:德国,DE

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