电池制造技术

本发明专利技术涉及一种电池(1)、即锂离子电池，其具有电极层(2)和电流放电器(3)，其中，电极层(2)在活性材料(5)中具有多个辅助通道(7、7a至7e)。如下地改进电池(1)，即辅助通道(7、7a至7e)既构造在阴极处又构造在阳极处。

【技术实现步骤摘要】
电池
本专利技术涉及一种根据权利要求1的前序部分的特征的电池(Batterie)。本专利技术此外还涉及一种根据权利要求10、11或12的特征的用于制造这种电池的方法。
技术介绍
电池(或称为电池组)具有一个或多个单池(Zellen)。单池尤其是具有阳极、阴极、隔膜(Separator)和电解质。电极在此由活性材料和放电器(Ableiter)构成。电极中的材料被称为活性材料，在所述材料中发生化学物质改变过程、即能量存储和能量输出。倍率C(C-Rate)描述了以额定容量归一化后的充电或放电电流(以安培计)。额定容量是完全充电的单池或电池所存储的电量，该电量在放电时在定义的条件下可以提取出。在常规的电池单池中，活性材料具有大约45至50％的重量份额。剩余的重量份额通过壳体、电解质、针对阳极和阴极的放电器和隔膜形成。这些组成部分对于电池来说可惜是不可缺少的，然而值得期望的是，改进活性材料与非活性材料之间的比以提高活性材料的份额。这可以通过提高面容量来获得。面容量的单位是mAh/cm2。常见的汽车电池单池具有2.5至4mAh/cm2的面容量。在正常挤压电极层时，3.5mAh/cm2的面容量大约具有50微米的电极厚度。电极层的厚度提高到大约100微米将面容量理论上提高到7mAh/cm2。然而，基于更长的扩散路径和局部的锂离子浓度波动而导致出现问题。电流负载能力急剧降低，并且仅在0.1至0.2C的倍率C的情况下才能得到满量的7mAh/cm2。对于不需要高的倍率C、峰值电流或不需要高的充电速率的电子设备来说，这样的涂层是足够的。这样的电池例如可以用于紧急出口照明装置或可移动的MP3播放器。在汽车应用中，基于高的充电/放电速率和高的峰值电流，由于加速和回收导致出现问题。在1C的电流负载能力的情况下不再均匀地利用面积的整个容量，这导致的是，紧挨着隔膜的区域比电流放电器附近的区域被更剧烈地占用(beansprucht)。在20分钟以下的快速充电时，这意味着至少3C的倍率C。由EP2749396A1已知一种电池，其具有阳极、阴极和在阳极和阴极附近的隔膜。阴极具有指形地相互交错的由活性阴极材料构成的条带，其中，指形地相互交错的材料条带作为多个由第一材料和第二材料构成的层布置。这些材料分别包含锂，其中，第一材料具有比第二材料更小的锂浓度。第一材料形成孔通道。在阳极和阴极上分别在外部布置有电流放电器。阳极可以包括指形地相互交错的材料条带，其中，材料之一形成孔通道。孔通道作为汇(Senke)或源起重要的作用，以便使锂离子的运动变得容易。孔通道能够实现锂离子的更短的路径。这能够实现使用更厚的电极。此外描述了用于制造电池的方法，其中，第一活性材料与溶剂混合，以便制造第一电极活性材料。第二活性材料与溶剂混合，以便产生第二电极活性材料。第一电极活性材料和第二电极活性材料作为指形地相互交错的条带被共挤出到一个面上。借助印刷头实施共挤出，印刷头能够实现的是，不同的流体交替汇流到一个点上，其中两个流体不混合。从第一和第二电极活性材料移除溶剂，以便产生电池阴极。隔膜布置在阴极上，阳极布置在隔膜上，以便形成电池。在混合时使用导电介质、如碳。通过共挤出制造不同密度的以线料形式的电极。如此制造的阴极具有更大的功率和更高的体积能量密度。该结构的缺点是性能低，因为活性材料与非活性材料的表面和体积比不是最佳的。此外，制造方法是耗费的和缓慢的。由EP2814091A1已知一种具有用于改进表面离子扩散的涂层的固体电池和一种用于该固体电池的制造方法。阴极和/或阳极具有电池材料，其中，电池材料具有孔。孔的内表面涂有表面扩散改进涂层。通过活性电极材料的多孔结构和用固体电解质层涂覆所述孔，应该促进扩散，并且因此改进电池。由WO2017/023900A1已知一种具有金属锂阳极的电池和一种用于制造电池的方法。形成具有第一表面的衬底，其中，第一表面具有多个孔。孔形成辅助通道并且包含锂金属。该方法包括将锂金属引入至少一部分孔中。形成电解质，电解质布置在衬底的第一表面与阴极之间。电解质配置为使电解质通过扩散而在衬底与阴极之间可逆地运输锂离子。在一些实施方式中，衬底不仅用作阳极，而且还用作导电的集电器。电池因此具有微孔集电器，其中，锂金属嵌入到孔中。微孔衬底是金属、如铜或镍。该金属与锂是电化学稳定的。备选地，导电材料可以是导电聚合物，或者包括碳纳米管。石墨或锂等阳极材料被放弃。微孔衬底因此可以用作具有锂金属储库的阳极和用作集电器。微孔衬底可以改进在阳极/集电器边界面附近的锂金属的交换。也就是说，多孔衬底结构可以提高体积，锂可以以该体积嵌入到集电器中。作为可能的结果，电池功率应该基于更高的锂扩散速率、关于电池使用寿命被改进。因此，锂离子电池应该具有更高的效率、更高的功率密度和/或更好的循环使用寿命。衬底内的孔可以具有球形的、半球形的、柱形的、截锥形的、随机的或伪随机的形状。所述孔可以具有规则的或不规则的间距。所述孔可以以规则阵列来布置，该规则阵列例如是六角形的、方形的、线形的或其他的分组阵列。例如，多个球形的孔可以以具有大约100微米的中心到中心间距的方形的格栅排列。方形的格栅可以由多个堆叠的孔层在微孔衬底内重复。作为制造方法说明的是，当衬底材料是铜或镍时，该衬底材料利用加热的氧合金氧化。在氧化后，衬底材料中的孔可以通过湿式或干式蚀刻被蚀刻。作为备选的制造过程，可以利用增材式材料沉积来制造微孔结构。例如可以在使用3D印刷机、电蚀刻和/或电镀、结构化的金属蒸发或其他的金属沉积技术的情况下形成微孔结构。该电池的缺点在于，金属锂阳极在循环期间被消耗，因为锂被持续溶解和沉积。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，对这种类型的电池和这种类型的用于制造电池的方法予以改进。本专利技术所要解决的技术问题现在通过具有权利要求1的特征的电池解决，并且通过具有权利要求10、11或12的特征的方法解决。根据本专利技术，辅助通道既构造在阴极的电极层中又构造在阳极的电极层中。辅助通道形成矩阵(Matrix)，并且非线状地、而是点状地构建在电极层中。在必要时更大的电极厚度的情况下活性材料与非活性材料的表面和体积比如下地得到改进，即，既为阳极又为阴极提供辅助通道。由此，可以在同时形成高倍率C的情况下形成更大的电极层厚度。阴极可以具有石墨作为活性材料。阳极可以具有锂化合物作为活性材料。电流放电器可以由铜和铝制成。通过聚合物结构形成隔膜。作为电解质，可使用溶解在无水的质子惰性的溶剂、例如碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、1,2-二甲氧基乙烷中的盐LiPF6、LiBF4或LiBOB，或者由PVDF或PVDF-HFP构成的聚合物可使用在锂-聚合物电池中或可使用Li3PO4N。在实际涂层以活性材料之前，将具有辅助通道的矩阵施加在针对阳极和阴极的电流放电器上。辅助通道点状地构建和制造，这具有相对于线状结构的优点，即改进电池的性能，因为改进了活性材料相对非活性材料的表面和体积比。可以通过印刷、喷洒、刮浆、丝网印刷法或喷射进行施加。辅助通道垂直于电导体地取向。辅助通道可以是榫形、锥形、软管形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池(1)、即锂离子电池，其具有电极层(2)和电流放电器(3)，其中，电极层(2)在活性材料(5)中具有多个辅助通道(7、7a至7e)，其特征在于，辅助通道(7、7a至7e)既构造在阴极处又构造在阳极处。/n

【技术特征摘要】
20180620 DE 102018114804.61.一种电池(1)、即锂离子电池，其具有电极层(2)和电流放电器(3)，其中，电极层(2)在活性材料(5)中具有多个辅助通道(7、7a至7e)，其特征在于，辅助通道(7、7a至7e)既构造在阴极处又构造在阳极处。


2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，辅助通道(7)的直径为0.5至5000μm，尤其是在5至2000μm之间，进一步优选在10至1000μm之间，和特别优选在20至500μm之间。


3.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其特征在于，所述辅助通道(7、7a至7e)点状地构建在活性材料(5)中。


4.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其特征在于，所述辅助通道(7、7a至7e)具有无填充物的开放式结构。


5.根据权利要求1或2所述的电池，其特征在于，所述辅助通道(7、7a至7e)具有带辅助物质的封闭式结构。


6.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其特征在于，辅助物质具有导电添加剂。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：M赫尔曼，A斯佩德尔，
申请(专利权)人：大众汽车有限公司，奥迪股份公司，DRINGHCF保时捷股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE