具有高的比能量密度的锂离子单体电池制造技术

已知一种锂离子单体电池（100），其包括具有阳极（120）/隔膜（118）/阴极（130）的序列的带状的电极

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有高的比能量密度的锂离子单体电池


[0001]下面描述的专利技术涉及一种包括电极
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隔膜
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复合结构的锂离子单体电池。

技术介绍

[0002]电化学单体电池能够通过氧化还原反应将所储存的化学能转换成电能。它们通常包括由隔膜彼此分隔的正电极和负电极。在放电时，在负电极上通过氧化过程释放电子。由此产生能够由外部的电负载分流的电子流，对所述外部的电负载来说电化学单体电池用作能量供应源。同时，在单体电池的内部出现与电极反应相对应的离子流。这种离子流横穿隔膜并且能够通过引导离子的电解质来实现。
[0003]如果放电是可逆的、也就是说存在将在放电时进行的从化学能到电能的转换重又倒转且因此重又给单体电池充电的可行方案，则谈及二次单体电池。在二次单体电池中常见的将负电极称作阳极并且将正电极称作阴极的情况涉及电化学单体电池的放电功能。
[0004]广泛使用的二次锂离子单体电池基于锂的使用，锂能够以离子的形式在单体电池的电极之间来回移动。在此，所述锂离子单体电池突出之处在于相对高的能量密度。锂离子单体电池的负电极和正电极通常由所谓的复合电极来形成，所述复合电极除了在电化学上活性的组分外也包括在电化学上非活性的组分。
[0005]原则上，能够接收并且重又输出锂离子的所有材料都能够考虑作为用于二次锂离子单体电池的在电化学上活性的组分（活性材料）。对于负电极来说，为此经常使用基于碳的颗粒、如例如石墨碳。也能够使用其他非石墨碳材料，其适合于插入锂。此外，也能够使用能够与锂制成合金的金属的和半金属的材料。例如，锡、铝、锑和硅这些元素能够与锂形成金属间相。作为用于正电极的活性材料，例如能够使用钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、磷酸铁锂（LiFePO4）或者其衍生物。所述在电化学上活性的材料通常以颗粒形式包含在电极中。
[0006]作为在电化学上非活性的组分，所述复合电极通常包括面状的和/或带状的集电器、例如用活性材料来涂覆的金属箔。用于负电极的集电器（阳极集电器）例如能够由铜或镍来形成，并且用于正电极的集电器（阴极集电器）例如能够由铝来形成。此外，所述电极能够包括电极粘接剂（例如聚偏氟乙烯（PVDF）或其他聚合物、例如羧甲基纤维素）。这确保了电极的机械稳定性并且经常也确保了活性材料在集电器上的附着。此外，所述电极能够包含改进导电性的添加剂和其他添加物。
[0007]作为电解质，锂离子单体电池通常包括锂盐、如六氟磷酸锂（LiPF6）在有机溶剂（例如碳酸的醚和酯）中的溶液。
[0008]在制造具有一个或多个隔膜的锂离子单体电池时，所述复合电极被组合成复合体。在此，电极和隔膜通常在压力下、必要时也通过层压或通过粘合来彼此连接。单体电池的基本功能能力而后能够通过用电解质浸渍复合结构这种方试来建立。
[0009]在许多实施方式中，所述复合体平坦地构成，从而多个复合体能够平坦地彼此上下堆叠。然而，所述复合体经常以绕组的形式来形成或被加工成绕组。
[0010]通常，不管是否卷绕，所述复合体都包括正电极/隔膜/负电极的序列。复合体经常被制造为所谓的双单体电池，其具有的可能的序列是：负电极/隔膜/正电极/隔膜/负电极或者正电极/隔膜/负电极/隔膜/正电极。
[0011]对于在汽车领域内的应用来说、对于电动自行车来说或者也对于具有高能量需求的、如例如在工具中的应用来说，需要具有尽可能高的能量密度的锂离子单体电池，其同时能够在充电和放电时用高电流来加载。
[0012]通常，用于所提到的应用的单体电池构造为例如具有形状系数21
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70（直径乘以高度以mm计）柱状的圆形单体电池，这种类型的单体电池始终包括呈绕组的形式的复合体。这种形状系数的现代锂离子单体电池已经能够达到直至270 Wh/kg的能量密度。然而，这种能量密度仅被视为中间步骤。市场上已经要求具有还更高的能量密度的单体电池。
[0013]然而，在开发改进的锂离子单体电池时，除了仅能量密度之外还要注意其他因素。单体电池的内阻以及电极的热连接也是异常重要的参数，所述内阻应该保持得尽可能低，以便减小在充电和放电时的功率损耗，并且所述热连接对单体电池的温度调节来说是必要的。这些参数对于包含呈绕组的形式的复合体的柱状的圆形单体电池来说也非常重要。在给单体电池快速充电时，由于功率损耗而可能在单体电池中出现热积聚，所述热积聚可能导致严重的热机械应力并且因此导致单体电池结构的变形和损坏。如果所述集电器的电连接通过被焊接到集电器上的、轴向从所卷绕的复合体中伸出的单独的导体片（Ableiterfahnen）来实现，则会严重地存在所述风险，因为在充电或放电时在强烈负荷下可能局部地在这些导体片上出现发热情况。
[0014]在WO 2017/215900 A1中说明了这样一些单体电池，对于所述单体电池来说电极
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隔膜
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复合结构以及其电极带状地构成并且以绕组的形式存在。所述电极分别具有用电极材料加载的集电器。相反极化的电极在电极
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隔膜
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复合结构的内部彼此错开地布置，从而正电极的集电器的纵向边缘在一侧并且负电极的集电器纵向边缘在另一侧从所述绕组中伸出。为了与集电器电接触，所述单体电池具有至少一个接触板，所述接触板如此安放在纵向边缘之一上，从而产生线状的接触区。所述接触板沿着线状的接触区通过焊接与纵向边缘连接。由此可能的是，在集电器和因此所属的电极的长度范围内对该集电器和因此也对该电极进行电接触。这明显降低了所描述的单体电池的内部的内阻。因此，能够更好地捕集大电流的出现。
[0015]然而，对于在WO 2017/215900 A1中所说明的单体电池来说成问题的是，将纵向边缘和接触板彼此焊接起来非常困难。电极的集电器相对于接触板具有非常小的厚度。因此，所述集电器的边缘区域在机械上极其敏感并且在焊接过程的期间可能意外地被压下或被熔化。此外，在焊接接触板时可能会导致电极
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隔膜
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复合结构的隔膜的熔化。在极端情况下，由此可能引起短路。

技术实现思路

[0016]本专利技术的任务在于，提供锂离子单体电池，所述锂离子单体电池突出之处在于相对于现有技术得到改进的能量密度以及尽可能在其电极的整个面和长度的范围内的均匀的电流分布，并且所述锂离子单体电池同时在其内阻和其被动的散热能力方面拥有出色的特性。此外，所述单体电池突出之处也应该在于得到改进的可制造性和安全性。
[0017]该任务通过具有权利要求1的特征的以下所描述的锂离子单体电池、尤其以下所描述的锂离子单体电池的优选的实施方式来解决。这种优选的实施方式的优选的设计方案从从属权利要求中得出。
[0018]按照本专利技术的锂离子单体电池突出之处始终在于以下特征a.到j.：a. 所述单体电池包括拥有阳极/隔膜/阴极的序列的电极
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隔膜
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复合结构、优选拥有阳极/隔膜/阴极的序列的带状的电极
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.锂离子单体电池（100），具有以下特征：a. 所述单体电池包括带状的电极
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隔膜
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复合结构（104），所述电极
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隔膜
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复合结构具有阳极（120）/隔膜（118）/阴极（130）的序列；b. 所述阳极（120）包括负的电极材料（123）以及带状的阳极集电器（110），所述阳极集电器具有第一纵向边缘（110e）和第二纵向边缘以及两个端部件；c. 所述阳极集电器（110）具有用由负的电极材料构成的层（123）来加载的带状的主区域（122）以及自由边缘带（121），所述自由边缘带沿着所述第一纵向边缘（110e）延伸并且所述自由边缘带没有用电极材料（123）来加载；d. 所述阴极（130）包括正的电极材料（125）以及带状的阴极集电器（115），所述阴极集电器具有第一纵向边缘（115e）和第二纵向边缘以及两个端部件；e. 所述阴极集电器（115）具有用由正的电极材料（125）构成的层来加载的带状的主区域（116）以及自由边缘带（117），所述自由边缘带沿着所述第一纵向边缘（115e）延伸并且所述自由边缘带没有用电极材料（125）来加载；f. 所述电极
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隔膜
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复合结构（104）以具有两个位于端部的端侧的绕组的形式存在；g. 所述电极
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隔膜
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复合结构（104）被壳体包围；h. 所述阳极（120）和阴极（130）在所述电极
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隔膜
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复合结构（104）的内部错开地布置，从而所述阳极集电器（110）的第一纵向边缘（110e）从位于端部的端侧中的一个端侧中伸出，并且所述阴极集电器（115）的第一纵向边缘（115e）从位于端部的端侧中的另一个端侧中伸出；i. 所述单体电池具有金属的接触元件（101a、102、155），所述第一纵向边缘（110e、115e）之一与所述接触元件直接接触，并且j. 所述接触元件（101a、102、155）通过焊接与这个纵向边缘（110e、115e）连接，以及附加的特征部分特征：k. 所述隔膜（118）包括至少一种无机材料，所述无机材料改进其对热负荷的抵抗能力。2.根据权利要求1所述的单体电池，具有以下附加特征：a. 所述电极
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隔膜
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复合结构（104）额外地包括第二隔膜119；b. 所述隔膜（118）和隔膜（119）相同地构成；c. 所述电极
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隔膜
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复合结构104具有阳极（120）/隔膜（118）/阴极（130）/隔膜（119）的序列、或者隔膜（119）/阳极（120）/隔膜（118）/阴极（130）的序列。3.根据权利要求1或权利要求2所述的单体电池，具有以下附加特征：a. 所述隔膜（118）和/或所述隔膜（119）是带状的塑料基材，所述塑料基材具有处于5
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m范围内、优选处于7
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m至12
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m范围内的厚度并且具有第一纵向边缘和第二纵向边缘以及两个端部件；b....

【专利技术属性】
技术研发人员：E，
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：