电化学电池制造技术

本发明专利技术涉及电化学电池(2)，其具有电池壳体(4)和至少一个容纳在所述电池壳体(4)中的电池单元(6)，所述电池单元(6)具有阴极层(8)，其中所述阴极层(8)具有纯二氧化镍锂作为活性材料，并且其中设置加压装置(14)，借助于该加压装置(14)可至少暂时地向所述阴极层(8)施加增加的压力。增加的压力。增加的压力。

【技术实现步骤摘要】
电化学电池


[0001]本专利技术涉及电化学电池(或电化学蓄电池)，特别是用于机动车辆的电化学电池，其具有电池壳体和至少一个容纳在所述电池壳体中的电化学电池单元，所述电化学电池单元具有至少一个阴极层。本专利技术还涉及用于操作这种电池(或蓄电池)的方法。

技术介绍

[0002]电气式或机电式驱动或可驱动的机动车辆，例如电动或混合动力车辆，通常包括电动机，利用该电动机可驱动一个或两个车轴。为了提供电能，电动机通常连接至车辆内部的(高压)电池作为电蓄能器。
[0003]特别是电化学的电池在此和在下文中尤其应理解为机动车辆的所谓的二次电池(二级电池)。在这种(二次)车辆电池中，消耗掉的化学能可通过电(充电)过程得到再生。这种类型的车辆电池例如被设计成电化学蓄电池，特别是锂离子蓄电池。为了产生或提供工作电压，这种车辆电池通常具有电池壳体连同容纳在所述电池壳体中的至少一个电池单元。
[0004]电池单元例如被设计成电化学(薄)层单元。薄层单元具有分层结构，该分层结构具有阴极层(阴极)和阳极层(阳极)以及引入其间的隔板层(隔板)。这些组件例如被液体电解质(电解液)渗透(或穿透)，所述液体电解质建立所述组件的离子传导连接或电荷平衡。
[0005]作为正极层的活性材料，例如可使用用于锂离子电池的富镍的层状正极材料，例如化学式为LiNiO2的二氧化镍锂，其具有相对高的能量密度和低的制造成本。然而，在这种情况下，在电池运行中，电池单元中会发生氧化还原过程(还原氧化过程)，这会导致使阴极材料老化的老化机制。根据电池单元中的温度和压力，这些老化过程也可在电池没有运行的情况下自发地发生。
[0006]例如，在所谓的脱锂过程中，镍被热化学驱动地并且持续地迁移至锂平面。这意味着在充电过程中氧(O)被还原，从而导致分子氧(O2)的气体形成以及具有Li2O成分的氧化锂的形成。当镍在锂平面中的比例很高的情况下，具有R
‑
3m空间群的层状结构可转变成岩盐的、立方体的具有Fm
‑
3m空间群的Li1‑
x
Ni
1+x
O2结构(其中x最高达0.4)。由于更高的表面活性，这些相互关联的过程主要发生在阴极表面。
[0007]对于车用电池的应用，这造成，富镍的阴极材料一方面导致更长的续航里程，但另一方面具有缩短的使用寿命以及低的安全性。特别是在电动汽车领域(其中必须在足够长的使用寿命和高安全性的情况下实现特别长的续航里程)，显示出有必要优化富镍的阴极材料的稳定性，而不显著降低其能量密度。
[0008]为了提高电池的稳定性并由此提高电池的使用寿命和安全性，LiNiO2阴极材料大多以化学方式，特别是通过掺杂和/或涂覆各种过渡金属例如钴(Co)、锰(Mn)或钨(W)，以及形态学上，特别地通过微型一次和二次颗粒和/或晶界几何形状来改变。作为LiNiO2的结构优化的补充或替代，可对充电和放电过程进行调节，使得减少对使用寿命和安全性的威胁。这是通过较低的充电电压、较低的C倍率以及通过热管理(散热，即能量损失)来实现的。在
此，C倍率尤其应理解为电池基于其容量(C)的充电(或放电电流)。
[0009]连词“和/或”在此处和在下文中以这种方式理解，使得通过该连词连接的特征可共同地形成也可形成为彼此的替代。
[0010]LiNiO2阴极材料的化学成分以及微米和纳米结构的变化总是导致理论容量和电化学势的降低，从而导致电池单元的能量密度的降低。例如，由Li(Ni
x
Co
y
Mn
z
)O2制成的阴极层，即所谓的NMC阴极，具有比LiNiO2更高的电化学稳定性和热稳定性。因此，尽管NMC阴极在长期使用后与LiNiO2阴极相比具有更高的可用放电容量，但它们在第一次(充电/放电)循环中具有较低的放电容量。与整体(本体)或块状LiNiO2相比，微结构改性使锂离子的界面扩散更容易，从而在短时间内获得更多的容量。在此，缺点是加剧的不可逆的界面过程(O2气体的形成、从层状到局部的、立方体的、电化学惰性的岩盐相的相变)。此外，必须考虑更复杂的、迄今非标准化的制造工艺以及复杂掺杂的、涂覆的和微型的结构的更高的制造成本，尤其是用于工业目的。在工艺优化方面，当降低充电电压、C倍率以及温度时，有助于热化学稳定性的、可实现的电化学能量和功率密度降低。
[0011]上述解决方案(掺杂、涂覆、微结构化)也可例如相互组合。例如，可对锰和钴掺杂的LNO颗粒进行涂覆和在微观尺度上针对性地排列，使得可局部和全局地实现最大锂扩散率，从而实现高性能和能量密度。此外，充电和放电过程也可在有限的C倍率和温度下进行。因此，可在使用寿命、范围和性能之间找到折衷方案。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的是提供特别合适的电化学电池。特别地，应能够简单且有效地使用纯二氧化镍锂作为阴极材料。本专利技术的目的还在于，提出特别适合的用于运行这种电池的方法。
[0013]根据本专利技术，在电池方面利用一种电化学的电池来实现所述目的，并且在方法方面利用一种用于运行上述电化学的电池的方法来实现所述目的。有利的改进和发展是本申请的主题。关于电池引用的优点和设计也可应用于方法，反之亦然。
[0014]本专利技术基于以下认知：通过逆转电化学所致的老化机制，纯二氧化镍锂(LiNiO2)可用作针对高能和高性能应用的阴极材料。由于这些机制在恒定的热力学条件(温度、压力、荷电状态)下是不可逆的，因此必须在老化机制期间或之后改变这三种状态变量中的至少一个，使得其梯度驱动自愈。基于量子力学(密度泛函理论，DFT)的从头算模拟表明，LiNiO2本体，即体积LiNiO2，尤其在低温下总是比具有反应产物(Li1‑
x
Ni
1+x
O,Li2O,O2)的系统更稳定。只有当阴极表面比例足够高时，反应产物才会由于Li2O的表面稳定性非常高而变得更加稳定，从而在电池充电(脱锂)过程中也会发生放热老化反应。
[0015]在表面对能量平衡的影响可忽略不计的情况下，阴极中的金属锂，例如作为枝晶，是必要的，以便发生老化反应。在发电机为电池单元充电的帮助下，只有一部分锂离子连同来自过渡金属的电子(Ni
3+
至Ni
4+
)在高C倍率下到达阳极，而一些锂离子和电子没有及时离开阴极，使得在表面和界面处形成锂金属。阴极被锂金属形成过程中产生的欧姆耗散热加热。在表面处，氧和锂结合并形成更稳定的Li2O表面，而其他氧原子(O)有助于气体的形成。由于浮力和电解质和其他单元电池组件的流体动力学条件，气态的、受热的(分子)氧(O2)会丢失。
[0016]氧的损失是反应不可逆的最重要原因之一。根据本专利技术，因此提供电池单元的静态内部压力的增加，这增加了气体压力。电池单元上产生的压力导致阴极内的机械压应力增加，结果氧分子(O2)由于其在这种情况下的体积减小而更频繁地撞击老化的LNO表面。理想情况下，老化过程中耗散的热能应保留在系统中，即，老化过程应绝热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电化学电池(2)，其具有电池壳体(4)和至少一个容纳在所述电池壳体(4)中的电池单元(6)，所述电池单元(6)具有至少一个阴极层(8)，
‑
其中所述阴极层(8)具有纯二氧化镍锂作为活性材料，并且
‑
其中设置加压装置(14)，借助于该加压装置(14)可至少暂时地向所述阴极层(8)施加增加的压力。2.根据权利要求1所述的电池(2)，其特征在于，所述加压装置(14)设置并且配置用于，在所述电池壳体(4)内产生增加的静态内部压力。3.根据权利要求1或2所述的电池(2)，其特征在于，所述电池单元(6)被设计成没有壳体的。4.根据权利要求1至3之一所述的电池(2)，其特征在于，所述加压装置(14)在所述电池壳体(4)中具有阀(18)，通过所述阀(18)能够将流体输送到所述电池壳体(4)的内部。5.根据权利要求1至3之一所述的电池(2)，其特征在于，所述加压装置(14)具有在所述电池壳体(4)内部的可充气的袋(16)。6.一种用于运行根据权利要求1至5之一所述的电化学的电池(2)的方法，
‑
其中所述电池(2)在用电能的充...

【专利技术属性】
技术研发人员：V格拉瓦斯，J库普曼，J米勒，SB奥洛乌圭弗，J韦格纳，M维索普，
申请(专利权)人：大众汽车股份公司，
类型：发明
国别省市：