DE102013224294A1 - Separator device and battery cell with separator - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Separatoreinrichtung (2) zur Anordnung zwischen einer Lithiummetallelektrode (5, 7) und einer Kathode (6, 7) in einer Batteriezelle (1) aufweisend, eine ionendurchlässige leitfähige Einlage (9) zur Detektion eines Lithiumdendriten (12) der Lithiummetallelektrode (5, 7), wenn dieser die ionendurchlässige leitfähige Einlage (9) kontaktiert. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batteriezelle mit einer derartigen SeparatoreinrichtungThe invention relates to a separator device (2) for arrangement between a lithium metal electrode (5, 7) and a cathode (6, 7) in a battery cell (1) comprising an ion-permeable conductive insert (9) for detecting a lithium dendrite (12) of the lithium metal electrode (5, 7), when it contacts the ion-permeable conductive insert (9). Furthermore, the invention relates to a battery cell with such a separator

Description

Die Erfindung betrifft eine Separatoreinrichtung zur Detektion von Lithiumdendriten, sowie eine Batteriezelle mit einer derartigen Separatoreinrichtung.The invention relates to a separator for the detection of lithium dendrites, and a battery cell with such a separator.

Stand der TechnikState of the art

Bei der Elektrifizierung eines Automobils stellt die Lithium-Ionen-Batterie denjenigen Batterietyp dar, welcher für die derzeit gestellten Anforderungen am geeignetsten ist. So versprechen Zellsysteme mit Lithiummetall höhere Energiedichten. Ein vielversprechender Kandidat für eine Lithiummetallbatterie ist beispielsweise die Lithium-Schwefel-Zelle. Lithium zeichnet sich durch seine hohe spezifische Kapazität von 3861 mAh/g und sein stark negatives Potential, d.h. ein Standardpotential von –3,04 V, aus.In the electrification of an automobile, the lithium-ion battery is the type of battery most suitable for the requirements currently being met. For example, cell systems with lithium metal promise higher energy densities. A promising candidate for a lithium metal battery is, for example, the lithium-sulfur cell. Lithium is characterized by its high specific capacity of 3861 mAh / g and its strong negative potential, i. a standard potential of -3.04V, off.

Aus der DE 10 2011 116 781 A1 ist eine Lithium-Ionen Batterie bekannt, bei welcher negative Elektrodenplatten und positive Elektrodenplatten durch eine poröse Separatorplatte physikalisch getrennt sind. Ein Separator ist dabei aus einem Polyolefin-Material gebildet, das Mikroporen enthält. Der Körper der jeweiligen Elektrodenmaterialien und der dazwischen liegende poröse Separatorkörper werden mit einem geeigneten flüssigen Elektrolyt befeuchtet und infiltriert.From the DE 10 2011 116 781 A1 For example, a lithium ion battery is known in which negative electrode plates and positive electrode plates are physically separated by a porous separator plate. A separator is formed from a polyolefin material containing micropores. The body of the respective electrode materials and the interposed porous separator body are moistened with a suitable liquid electrolyte and infiltrated.

Eine Herausforderung bei der Verwendung von reinem Lithiummetall stellt das Dendritenwachstum dar, welches durch ungleichmäßige Abscheidung von Lithium während eines Ladevorgangs verursacht wird. Die Dendriten können durch einen Separator zu einer Kathode (positive Elektrode) wandern und einen internen Kurzschluss auslösen. Im schlimmsten Fall kommt es hierbei zu stark exothermen Reaktionen, die letztendlich zur Explosion einer Batteriezelle führen können.A challenge with the use of pure lithium metal is the dendrite growth caused by uneven deposition of lithium during a charge. The dendrites can travel through a separator to a cathode (positive electrode) and cause an internal short circuit. In the worst case, this leads to strongly exothermic reactions, which can ultimately lead to the explosion of a battery cell.

Wiederaufladbare Lithiummetall-Batterien weisen eine Anodenfolie bestehend aus einem Stromableiter und Lithium. Dieses wird während der Ladung inhomogen abgeschieden. Rechargeable lithium metal batteries have an anode foil consisting of a current conductor and lithium. This is deposited inhomogeneously during charging.

Dies führt zu dem zuvor beschriebenen dendritischen Aufwachsen des Lithiums und kann letztendlich interne Kurzschlüsse in der Zelle auslösen.This leads to the above-described dendritic growth of the lithium and can ultimately cause internal shorts in the cell.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung schafft eine Separatoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Batteriezelle mit einer derartigen Separatoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9.The invention provides a separator with the features of claim 1 and a battery cell with such a separator with the features of claim 9.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Preferred developments are subject of the dependent claims.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft eine Separatoreinrichtung, welche das Detektieren von Lithiumdendriten der Lithiummetallelektrode einer Batteriezelle erlaubt, bevor die Lithiumdendriten bis zur Kathode (positive Elektrode) weiterwachsen und es zu einem Kurzschluss zwischen der Lithiummetallelektrode und der Kathode kommt, mit den damit verbundenen negativen Auswirkungen für die Batteriezelle.The present invention provides a separator device which allows the detection of lithium dendrites of the lithium metal electrode of a battery cell before the lithium dendrites continue to grow to the cathode (positive electrode) and cause a short circuit between the lithium metal electrode and the cathode, with the associated negative effects for the battery cell.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, das Dendritenwachstum beim Durchbrechen der Separatoreinrichtung zu detektieren. Durch die frühzeitige Detektion kann die Batterie bzw. das Batteriemodul beispielsweise über das Batteriemanagement noch rechtzeitig abgeschaltet werden, bevor es zu einem Kurzschluss mit der Kathode kommt.The idea on which the present invention is based is to detect dendrite growth when the separator device breaks through. Due to the early detection, the battery or the battery module can be switched off in good time, for example via the battery management, before it comes to a short circuit with the cathode.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist die ionendurchlässige leitfähige Einlage wenigstens eine lithiumreaktive Substanz auf. Die wenigstens eine lithiumreaktive Substanz ist in der Separatoreineinrichtung verteilt und/oder als Sperrschicht vorgesehen. Die lithiumreaktive Substanz kann beispielsweise ein Polymer mit vicinalen Halogenatomen, d. h., dass an zwei benachbarten Kohlenstoffatomen jeweils ein Halogenatom gebunden ist, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (Teflon®) oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP) sein. Mittels der lithiumreaktiven Substanz kann das Weiterwachsen von Lithiumdendriten verhindert werden, da die lithiumreaktive Substanz mit den Spitzen der Lithiumdendriten reagieren kann.In one embodiment of the invention, the ion-permeable conductive insert comprises at least one lithium-reactive substance. The at least one lithium-reactive substance is distributed in the Separatoreineinrichtung and / or provided as a barrier layer. The lithium-reactive substance may, for example, be a polymer having vicinal halogen atoms, ie a halogen atom is bound to two adjacent carbon atoms, such as polytetrafluoroethylene ( Teflon® ) or polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP). By means of the lithium-reactive substance, the further growth of lithium dendrites can be prevented since the lithium-reactive substance can react with the peaks of the lithium dendrites.

Die wenigstens eine lithiumreaktive Substanz bildet in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung selbst die Sperrschicht. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist eine Sperrschicht, beispielsweise aus einem Polymer, mit der lithiumreaktiven Substanz beschichtet, beispielsweise mit Polytetrafluorethylen. Ein solches Polytetrafluorethylen wird beispielsweise unter der Bezeichnung Teflon® vertrieben.The at least one lithium-reactive substance forms the barrier layer itself in a further embodiment of the invention. In another embodiment of the invention, a barrier layer, for example of a polymer, is coated with the lithium-reactive substance, for example with polytetrafluoroethylene. Such a polytetrafluoroethylene is sold, for example, under the name Teflon® .

Die ionendurchlässige leitfähige Einlage weist in einer Ausführungsform der Erfindung eine Referenzelektrode auf. Ebenso kann die ionendurchlässige leitfähige Einlage auch aus dem Referenzelektrodenmaterial bestehen. Als Material für die Referenzelektrode kann beispielsweise Lithium, Lithiumeisenphosphat und/oder Lithiumtitanat in einem Bereich auf die ionendurchlässige leitfähige Einlage aufgebracht werden oder die ionendurchlässige Einlage ein derartiges Material aufweisen oder aus diesem hergestellt sein. Die eingesetzten Materialien für die Referenzelektrode haben den Vorteil, dass sie eine gute Potentialstabilität aufweisen und Potentiale und Potentialänderungen an Elektroden, festgestellt und z.B. verfolgt werden können.The ion-permeable conductive insert has, in one embodiment of the invention, a reference electrode. Likewise, the ion-permeable conductive insert may also consist of the reference electrode material. As the material for the reference electrode, for example, lithium, lithium iron phosphate and / or lithium titanate may be applied in a range to the ion-permeable conductive liner or the ion-permeable liner may comprise or be made of such material. The materials used for the reference electrode have the advantage that they have good potential stability and potentials and potential changes to electrodes, detected and can be tracked, for example.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht die ionendurchlässige leitfähige Einlage aus Metall oder ist damit beschichtet. Das Metall ist beispielsweise Nickel, Kupfer, Aluminium und/oder Zinn. Metalle wie Aluminium und Zinn oder entsprechende Metalllegierungen haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie mit den Spitzen der Lithiumdendriten reagieren und so ein Weiterwachsen der Lithiumdendriten stoppen können.In a further embodiment of the invention, the ion-permeable conductive insert is made of metal or is coated therewith. The metal is, for example, nickel, copper, aluminum and / or tin. Metals such as aluminum and tin or corresponding metal alloys have the additional advantage that they can react with the tips of the lithium dendrites and thus stop further growth of the lithium dendrites.

Des Weiteren kann die ionendurchlässige leitfähige Einlage auch aus Kohlenstoff bestehen. Kohlenstoff ist ein leichtes und kostengünstiges Material.Furthermore, the ion-permeable conductive insert can also consist of carbon. Carbon is a lightweight and inexpensive material.

Die ionendurchlässige leitfähige Einlage ist in einer Ausführungsform der Erfindung ein ionendurchlässiges leitfähiges Netz oder ein ionendurchlässiges leitfähiges poröses Material.The ion permeable conductive insert in one embodiment of the invention is an ion permeable conductive mesh or an ion permeable conductive porous material.

Die ionendurchlässige leitfähige Einlage weist eine leitfähige Kontaktierung auf über die eine Potentialdifferenz bestimmt wird zwischen der ionendurchlässigen leitfähigen Einlage und der Lithiummetallelektrode oder der Kathode. Die Separatoreinrichtung mit ihrer ionendurchlässigen leitfähigen Einlage wird stromlos betrieben und es kann eine Potentialdifferenz zwischen der Lithiummetallelektrode und der ionendurchlässigen leitfähigen Einlage bestimmt werden, die normalerweise ungleich Null ist. Wächst nun ein Lithiumdendrit der Lithiummetallelektrode soweit, dass er die ionendurchlässige leitfähige Einlage der Separatoreinrichtung kontaktiert, so entsteht ein Kurzschluss und die Potentialdifferenz ist Null. Auf diese Weise kann erfasst werden, wenn ein Lithiumdendrit die Separatoreinrichtung erreicht und es können geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden, wie ein Abschalten der Batteriezelle, um einen Kurzschluss zwischen der Lithiummetallelektrode und der Kathode aufgrund eines Weiterwachsens des Lithiumdendriten zu verhindern.The ion-permeable conductive insert has a conductive contact via which a potential difference is determined between the ion-permeable conductive insert and the lithium metal electrode or the cathode. The separator device with its ion-permeable conductive insert is operated without current and a potential difference between the lithium metal electrode and the ion-permeable conductive insert, which is normally non-zero, can be determined. If a lithium dendrite of the lithium metal electrode then grows so far that it makes contact with the ion-permeable conductive insert of the separator device, a short circuit occurs and the potential difference is zero. In this way, it can be detected when a lithium dendrite reaches the separator and appropriate countermeasures can be taken, such as turning off the battery cell to prevent a short circuit between the lithium metal electrode and the cathode due to growth of the lithium dendrite.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Batteriezelle einen Spannungsmesser auf zum Bestimmen der Potentialdifferenz zwischen der Lithiummetallelektrode und der ionendurchlässigen leitfähigen Einlage der Separatoreinrichtung. Die von dem Spannungsmesser gemessene Potentialdifferenz kann von einem Batteriemanagement ausgewertet und wenn ein Kurzschluss zwischen der Lithiummetallelektrode und der Separatoreinrichtung aufgrund eines Lithiumdendriten erfasst wurde, die Batteriezelle durch das Batteriemanagement beispielsweise abgeschaltet werden.In one embodiment of the invention, the battery cell has a voltmeter for determining the potential difference between the lithium metal electrode and the ion-permeable conductive insert of the separator device. The potential difference measured by the voltmeter can be evaluated by a battery management and if a short circuit between the lithium metal electrode and the separator device has been detected due to a lithium dendrite, the battery cell can be switched off by the battery management, for example.

Die Batteriezelle weist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung einen Spannungsmesser auf zum Bestimmen einer Potentialdifferenz zwischen der Kathode und der ionendurchlässigen leitfähigen Einlage der Separatoreinrichtung. Dabei kann, wenn die ionendurchlässige leitfähige Einlage zusätzlich ein Referenzelektrodenmaterial aufweist, das Potential der Kathode bestimmt und beispielsweise eine Alterung der Elektrode festgestellt werden.In a further embodiment of the invention, the battery cell has a voltmeter for determining a potential difference between the cathode and the ion-permeable conductive insert of the separator device. In this case, if the ion-permeable conductive insert additionally comprises a reference electrode material, the potential of the cathode can be determined and, for example, an aging of the electrode can be ascertained.

Die Batteriezelle ist beispielsweise eine Lithium-Metallbatterie und kann z.B. als Beutelbatteriezelle oder eine Batteriezelle mit einem festen Gehäuse, wie z.B. einem Kunststoffgehäuse oder Metallgehäuse, ausgebildet sein. Beutelbatteriezellen, welche auch als Pouch-Zellen oder Folienbatteriezellen bezeichnet werden, werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, beispielsweise bei elektronischen Geräten wie Handys, PCs usw. sowie bei Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Plug-Hybrid Fahrzeugen.The battery cell is, for example, a lithium metal battery and may be e.g. as a bag battery cell or a battery cell with a solid housing, such as a plastic housing or metal housing, be formed. Bag battery cells, also referred to as pouch cells or foil battery cells, are used in a variety of applications, such as electronic devices such as cell phones, personal computers, etc., and in vehicles such as hybrid or plug hybrid vehicles.

Die Batteriezelle ist in einer Ausführungsform der Erfindung zur Speisung wenigstens einer Komponente eines Fahrzeugs, insbesondere eines Hybrid-Fahrzeugs oder Plug-Hybrid-Fahrzeugs, einer elektronischen Einrichtung, insbesondere einem PC, einem Laptop, einem Handy, einem Smartphone, oder eines elektrischen Werkzeugs, mit Energie ausgebildet.In one embodiment of the invention, the battery cell is for supplying at least one component of a vehicle, in particular a hybrid vehicle or plug-hybrid vehicle, an electronic device, in particular a PC, a laptop, a mobile phone, a smartphone, or an electrical tool. trained with energy.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:Further features and advantages of the present invention will be explained below with reference to the figures. Show it:

1 eine schematische Ansicht einer Batteriezelle mit einer Separatoreinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; 1 a schematic view of a battery cell with a separator according to a first embodiment of the invention;

2 eine Pouch-Zelle mit zusätzlicher leitfähiger Kontaktierung für die ionendurchlässige leitfähige Einlage; 2 a pouch cell with additional conductive contacting for the ion permeable conductive insert;

3 eine schematische Ansicht einer Batteriezelle mit einer Separatoreinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einer reaktiven Sperrschicht; und 3 a schematic view of a battery cell with a separator according to a second embodiment of the invention with a reactive barrier layer; and

4 eine schematische Ansicht einer Batteriezelle mit einer Separatoreinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit einem Referenzelektrodenmaterial. 4 a schematic view of a battery cell with a separator according to a third embodiment of the invention with a reference electrode material.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1 ist eine rein schematische und stark vereinfachte Ansicht einer Batteriezelle 1 mit einer Separatoreinrichtung 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. In 1 is a purely schematic and greatly simplified view of a battery cell 1 with a separator 2 shown according to a first embodiment of the invention.

Die Batteriezelle 1 weist dabei ein festes Gehäuse 3 auf, z.B. aus Kunststoff, in welchem ein Elektrolyt 4 aufgenommen ist und in welchem eine Anode und eine Kathode vorgesehen sind. Die Anode ist z.B. eine Lithiummetallelektrode welche eine Elektrodenbeschichtung 5, z.B. Lithium, und eine leitfähigen Kontaktierung 7 aufweist. Die Lithiummetallelektrode bildet den Minuspol, während die Kathode den Pluspol bildet. Die Kathode weist eine Elektrodenbeschichtung 6, z.B. eine Lithiumcobaltoxidhaltige-(LiCoO2) Beschichtung, und eine leitfähige Kontaktierung 7 auf. Die leitfähige Kontaktierung 7 auf der Lithiummetallelektrode kann z.B. Nickel oder Kupfer sein und die leitfähige Kontaktierung 7 auf der Kathode kann z.B. Aluminium sein. The battery cell 1 has a solid housing 3 on, for example, plastic, in which a electrolyte 4 is received and in which an anode and a cathode are provided. The anode is eg a lithium metal electrode which is an electrode coating 5 , eg lithium, and a conductive contact 7 having. The lithium metal electrode forms the negative pole, while the cathode forms the positive pole. The cathode has an electrode coating 6 For example, a lithium cobalt oxide-containing (LiCoO 2 ) coating, and a conductive contacting 7 on. The conductive contact 7 On the lithium metal electrode may be, for example, nickel or copper and the conductive contact 7 For example, aluminum may be on the cathode.

Zwischen der Anode, z.B. der Lithiummetallelektrode, und der Kathode ist außerdem die Separatoreinrichtung 2 angeordnet. Between the anode, for example, the lithium metal electrode, and the cathode is also the separator 2 arranged.

Separatoreinrichtungen haben in Batteriezellen die Aufgabe eine Barriere bereitzustellen, die die beiden Elektroden elektrisch voneinander isoliert, um Kurzschlüsse innerhalb der Batteriezelle zu vermeiden. Gleichzeitig ist die Separatoreinrichtung jedoch durchlässig für Ionen, damit die elektrochemischen Reaktionen in der Batteriezelle ablaufen können.Separator devices have the task of providing a barrier in battery cells which electrically isolates the two electrodes from one another in order to avoid short circuits within the battery cell. At the same time, however, the separator is permeable to ions so that the electrochemical reactions can take place in the battery cell.

Wie zuvor beschrieben kann ein Dendritenwachstum durch ein ungleichmäßiges Abscheidung von Lithium an der Lithiummetallelektrode während eines Ladevorgangs auftreten. Die Dendriten können hierbei durch die Separatoreinrichtung dringen und bis zu der Kathode wandern und einen internen Kurzschluss auslösen. As previously described, dendrite growth may occur due to uneven deposition of lithium on the lithium metal electrode during charging. In this case, the dendrites can penetrate through the separator device and migrate as far as the cathode and trigger an internal short circuit.

Die Separatoreinrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung weist beispielsweise ein poröses Kunststoffmaterial 8, wie z.B. Polyethylen und/oder Polypropylen, auf. Optional kann die Separatoreinrichtung 2 auch beispielsweise ein oder mehrere keramische Materialien aufweisen. Die Separatoreinrichtung 2 ist auf diese Beispiele jedoch nicht beschränkt und kann aus jedem anderen geeigneten Material oder jeder anderen geeigneten Materialkombination hergestellt sein.The separator device 2 According to the first embodiment of the invention, for example, a porous plastic material 8th , such as polyethylene and / or polypropylene on. Optionally, the separator 2 Also, for example, have one or more ceramic materials. The separator device 2 however, is not limited to these examples and may be made of any other suitable material or material combination.

Des Weiteren weist die Separatoreinrichtung 2 eine für Ionen durchlässige leitfähige bzw. elektrisch leitfähige Einlage 9 auf, beispielsweise ein ionendurchlässiges Netz aus einem leitfähigen Material oder einer leitfähigen Materialkombination und/oder ein ionendurchlässiges poröses leitfähiges Material oder poröse leitfähige Materialkombination. Die Porengröße des porösen Materials oder die Größe der Öffnungen des Netzes liegt, um für Ionen durchlässig zu sein, vorzugsweise in einem Bereich von 10nm bis 1000nm. Die Erfindung ist aber auf den genannten Bereich nicht beschränkt.Furthermore, the separator device 2 an ion-permeable conductive or electrically conductive insert 9 For example, an ion-permeable network of a conductive material or a conductive material combination and / or an ion-permeable porous conductive material or porous conductive material combination. The pore size of the porous material or the size of the openings of the mesh is, in order to be permeable to ions, preferably in a range of 10nm to 1000nm. However, the invention is not limited to the stated range.

Mittels der ionendurchlässigen leitfähigen Einlage 9 kann ein Ein- oder Durchdringen eines Lithiumdendriten in die Separatoreinrichtung 2 detektiert werden. Die ionendurchlässige leitfähige Einlage 9, z.B. das ionendurchlässige leitfähige Netz oder das ionendurchlässige leitfähige poröse Material, kann beispielsweise aus Nickel, Kupfer und/oder Kohlenstoff bestehen oder damit beschichtet sein. Beispielsweise kann ein Metall oder eine Metalllegierung auf das Netz oder auf das poröse Material aufgedampft werden, um ein für Ionen durchlässiges leitfähiges Netz bzw. ein für Ionen durchlässiges leitfähiges poröses Material zu erhalten. By means of the ion-permeable conductive insert 9 may be a penetration or penetration of a lithium dendrite in the separator 2 be detected. The ion-permeable conductive insert 9 For example, the ion-permeable conductive mesh or the ion-permeable conductive porous material may be made of or coated with, for example, nickel, copper, and / or carbon. For example, a metal or metal alloy may be vapor-deposited on the mesh or on the porous material to obtain an ion-permeable conductive or ion-permeable conductive porous material.

Des Weiteren kann die ionendurchlässige leitfähige Einlage 9 auch aus einem Metall, welches mit Lithium eine Legierung bilden kann, bestehen oder mit diesem beschichtet sein. Beispielsweise kann die ionendurchlässige leitfähige Einlage 9 aus Aluminium und/oder Zinn bestehen oder mit dieser beschichtet sein. Dadurch kann das Ein- oder Durchdringen des Dendrites in die Separatoreinrichtung 2 nicht nur detektiert werden, sondern die Dendritenspitze reagiert zusätzlich mit dem Metall unter Bildung einer Legierung. Dadurch kann ein weiteres Vorstoßen des Dendrits verhindert werden.Furthermore, the ion-permeable conductive insert 9 also made of a metal which can form an alloy with lithium, or be coated with this. For example, the ion-permeable conductive insert 9 consist of or coated with aluminum and / or tin. This allows the penetration or penetration of the dendrite into the separator 2 Not only are they detected, but the dendrite tip additionally reacts with the metal to form an alloy. As a result, a further penetration of the dendrite can be prevented.

Ebenso kann die für ionendurchlässige leitfähige Einlage 9 aus jedem anderen geeigneten Material oder jeder anderen geeigneten Materialkombination hergestellt sein, das bzw. die für Ionen durchlässig, leitfähig und in dem Elektrolyt als Medium stabil ist bzw. sind.Likewise, the ion-permeable conductive insert 9 be made of any other suitable material or any other suitable combination of materials which is permeable to ions, conductive and stable in the electrolyte as a medium.

Die ionendurchlässige leitfähige Einlage 9 ist innerhalb der Separatoreinrichtung 2 vorgesehen, wie in dem Ausführungsbeispiel in 1 gezeigt ist, um einen direkten Kontakt mit der Anode oder Kathode zu verhindern.The ion-permeable conductive insert 9 is inside the separator 2 provided as in the embodiment in 1 is shown to prevent direct contact with the anode or cathode.

Die Separatoreinrichtung 2 fungiert hierbei als dritte Elektrode und wird stromlos betrieben. Zwischen der ionendurchlässigen leitfähigen Einlage 9 der Separatoreinrichtung 2 und der Lithiummetallelektrode wird die Spannung, beispielsweise kontinuierlich, mittels eines Spannungsmessers 11 gemessen, wie in dem Ausführungsbeispiel in 1 gezeigt ist. Dabei wird eine Potentialdifferenz zwischen der Lithiummetallelektrode und der Separatoreinrichtung 2 als dritter Elektrode gemessen. Im normalen Batteriebetrieb ist die Spannungsdifferenz oder Potentialdifferenz ΔU zwischen der Separatoreinrichtung 2 bzw. deren ionendurchlässigen leitfähigen Einlage 9 und der Lithiummetallelektrode ungleich Null bzw. es gilt ΔU ≠ 0V. The separator device 2 acts as a third electrode and is operated without power. Between the ion-permeable conductive insert 9 the separator device 2 and the lithium metal electrode becomes the voltage, for example continuously, by means of a voltmeter 11 measured as in the embodiment in 1 is shown. In this case, a potential difference between the lithium metal electrode and the separator 2 measured as the third electrode. In normal battery operation, the voltage difference or potential difference ΔU is between the separator means 2 or their ion-permeable conductive insert 9 and the lithium metal electrode is not equal to zero or ΔU ≠ 0V.

Beispielsweise wird bei einer voll aufgeladenen Batteriezelle mit der Lithiummetallelektrode als Minuspol und der LiCoO2 Kathode als Pluspol eine Spannung von z.B. 4,2V gemessen. Zwischen der negativen Elektrode und der ionendurchlässigen leitfähigen Einlage wird auch eine Potentialdifferenz ΔU gemessen. Der Unterschied besteht darin, dass über die ionendurchlässige leitfähige Einlage kein Strom fließt. Der Strom fließt, sobald ein Verbraucher an die Batteriezelle angeschlossen ist über den Minuspol und Pluspol.For example, in the case of a fully charged battery cell with the lithium metal electrode as the negative pole and the LiCoO 2 cathode as the positive pole, a voltage of, for example, 4.2 V is measured. Between the negative electrode and the ion-permeable conductive insert also becomes a potential difference ΔU measured. The difference is that no current flows through the ion-permeable conductive insert. The current flows as soon as a consumer is connected to the battery cell via the negative pole and positive pole.

Wächst nun einer der Lithiumdendriten 12, wie in 1 mit einer gestrichelten Linie angedeutet ist, von der Lithiummetallelektrode in die Separatoreinrichtung 2 bis zu der ionendurchlässigen leitfähigen Einlage 9 und kontaktiert diese, so entsteht ein Kurzschluss. Now grow one of the lithium dendrites 12 , as in 1 is indicated by a dashed line, from the lithium metal electrode in the separator 2 up to the ion-permeable conductive insert 9 and contacts them, this creates a short circuit.

Bei einem Kurzschluss ist die Potentialdifferenz ΔU = 0. Die ionendurchlässige leitfähige Einlage 9 und die Lithiummetallelektrode befinden sich dabei auf dem gleichen Potential. Dadurch kann der Dendrit detektiert werden.In the event of a short circuit, the potential difference ΔU = 0. The ion-permeable conductive insert 9 and the lithium metal electrode are at the same potential. As a result, the dendrite can be detected.

Dieser Spannungssprung kann beispielsweise über ein mit der Batteriezelle 1 verbundenes Batteriemanagement detektiert werden und damit das Ein- oder Durchdringen des Dendriten 12 in die Separatoreinrichtung 2 bestimmt werden. Dadurch können Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um einen Kurschluss zwischen der Anode und der Kathode zu verhindern. Ein Beispiel für eine Gegenmaßnahme ist das Abschalten der Batteriezelle 1 oder eines Batteriezellenmoduls, bevor der Dendrit bis zu der Kathode hin weiterwächst und es zu einem Kurzschluss zwischen der Anode und der Kathode kommt.This voltage jump can, for example, via a with the battery cell 1 connected battery management are detected and thus the penetration or penetration of the dendrite 12 in the separator 2 be determined. As a result, countermeasures can be taken to prevent a short circuit between the anode and the cathode. An example of a countermeasure is the shutdown of the battery cell 1 or a battery cell module before the dendrite continues to grow toward the cathode, causing a short circuit between the anode and the cathode.

Zur elektrischen Kontaktierung der für ionendurchlässigen leitfähigen Einlage 9 der Separatoreinrichtung 2 mit der Lithiummetallelektrode, weist die Separatoreinrichtung 2 eine zusätzliche leitfähige Kontaktierung 7 auf, welche aus der Zellumhüllung oder dem Batteriezellengehäuse 3 geführt wird. Die leitfähige Kontaktierung 7 der ionendurchlässigen leitfähigen Einlage 9 kann die z.B. Nickel, Aluminium oder Kupfer sein. Das Batteriezellengehäuse 3 ist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, wie zuvor beschrieben beispielsweise ein festes Gehäuse, z.B. aus Kunststoff. Die leitfähigen Kontaktierungen 7 der Anode, der Kathode und der ionendurchlässigen leitfähigen Einlage 9 sind nach außen aus dem Gehäuse geführt. Diese leitfähigen Kontaktierungen 7 für die Anode, Kathode und ionendurchlässige leitfähige Einlage 9 können dabei jeweils aus einem unterschiedlichen Material sein.For electrical contacting of the ion-permeable conductive insert 9 the separator device 2 with the lithium metal electrode, the separator means 2 an additional conductive contact 7 on which from the cell envelope or the battery cell housing 3 to be led. The conductive contact 7 the ion-permeable conductive insert 9 may be, for example, nickel, aluminum or copper. The battery cell case 3 is in the in 1 shown embodiment, as described above, for example, a solid housing, for example made of plastic. The conductive contacts 7 the anode, the cathode and the ion-permeable conductive insert 9 are led out of the housing. These conductive contacts 7 for the anode, cathode and ion-permeable conductive insert 9 can each be made of a different material.

Auf diese Weise kann die Separatoreinrichtung 2 mittels ihrer ionendurchlässigen leitfähigen Einlage 9 ein Eindringen oder Durchdringen eines Lithiumdendriten 12 der Lithiummetallelektrode als Anode in die Separatoreinrichtung 2 detektieren. Die Batteriezelle 1 kann daraufhin als Gegenmaßnahme z.B. vom Batteriemanagement abgeschaltet werden, um das Weiterwachsen des Lithiumdendriten 12 zu stoppen. Dadurch kann effektiv ein Kurzschluss in der Batteriezelle 1 verhindert und starke exotherme Reaktionen, die bis zur Explosion der Batteriezelle 1 führen könnten, wirksam unterbunden werden.In this way, the separator 2 by means of their ion-permeable conductive insert 9 penetration or penetration of a lithium dendrite 12 the lithium metal electrode as an anode in the separator 2 detect. The battery cell 1 can then be turned off as a countermeasure, for example by the battery management to the continued growth of the lithium dendrite 12 to stop. This can effectively cause a short circuit in the battery cell 1 prevents and strong exothermic reactions that continue until the battery cell explodes 1 could be effectively prevented.

In 2 ist ein weiteres Beispiel für eine Batteriezelle 1 mit einer erfindungsgemäßen Separatoreinrichtung gezeigt. Die Batteriezelle gemäß 2 unterscheidet sich von der Batteriezelle 1 gemäß 1 lediglich dadurch, dass die Batteriezelle 1 in 1 ein festes Batteriegehäuse aufweist und die Batteriezelle 1 in 2 stattdessen als sog. Pouch- oder Beutelbatteriezelle 14 ausgebildet ist, mit einer flexiblen Außenhülle 13 als Gehäuse. In der flexiblen Außenhülle 13 sind wenigstens eine Lithiummetallelektrode als Anode, eine Kathode, eine dazwischen angeordnete Separatoreinrichtung mit einer ionendurchlässigen leitfähigen Einlage und ein Elektrolyt angeordnet und insbesondere eingeschweißt. Derartige Pouch- oder Beutelbatteriezellen mit einer flexiblen Außenhülle 13 als Gehäuse werden auch als Folienzellen bezeichnet und in einer Vielzahl von Anwendung eingesetzt, z.B. bei Autobatterien, Pulsmessgeräten beim Arzt, um nur zwei Beispiele zu nennen. Die in 2 gezeigte Pouch- oder Folien- bzw. Beutelbatteriezelle 14, weist neben den beiden leitfähigen Kontaktierungen 7 der Kathode als Pluspol und der Anode als Minuspol eine zusätzliche leitfähige Kontaktierung 7 für die ionendurchlässige leitfähige Einlage auf, zum Messen der Potentialdifferenz zwischen der Lithiummetallelektrode und der ionendurchlässigen leitfähigen Einlage, um das Eindringen eines Dendriten in die Separatoreinrichtung zu detektieren und geeignete Gegenmaßnahmen zu treffen.In 2 is another example of a battery cell 1 shown with a separator according to the invention. The battery cell according to 2 is different from the battery cell 1 according to 1 only in that the battery cell 1 in 1 a fixed battery housing and the battery cell 1 in 2 instead as a so-called pouch or bag battery cell 14 is formed, with a flexible outer shell 13 as a housing. In the flexible outer shell 13 At least one lithium metal electrode as an anode, a cathode, a separating device arranged therebetween with an ion-permeable conductive insert and an electrolyte are arranged and in particular welded. Such pouch or bag battery cells with a flexible outer shell 13 as housing are also referred to as foil cells and used in a variety of applications, such as car batteries, heart rate monitors at the doctor, to name just two examples. In the 2 shown pouch or foil or bag battery cell 14 , shows next to the two conductive contacts 7 the cathode as positive pole and the anode as negative pole an additional conductive contact 7 for the ion permeable conductive pad, for measuring the potential difference between the lithium metal electrode and the ion permeable conductive pad to detect the penetration of a dendrite into the separator means and to take appropriate countermeasures.

Des Weiteren ist in 3 eine schematische Ansicht einer Batteriezelle 1 mit einer Separatoreinrichtung 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt.Furthermore, in 3 a schematic view of a battery cell 1 with a separator 2 according to a second embodiment of the invention.

Die Batteriezelle 1, wie sie in dem Ausführungsbeispiel in 3 gezeigt ist, weist dabei denselben Aufbau auf, wie die Batteriezelle 1 gemäß 1, so dass hierzu auf die Beschreibung zu 1 verwiesen wird, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden. Insbesondere weist die Batteriezelle 1 gemäß 3 ebenfalls eine Lithiummetallelektrode als Minuspol, eine Kathode als Pluspol, eine zusätzliche dazwischen angeordnete Separatoreinrichtung 2 mit einer ionendurchlässigen leitfähigen Einlage 9 und ein Elektrolyt 4 auf. The battery cell 1 , as in the embodiment in 3 is shown, it has the same structure as the battery cell 1 according to 1 , so to this on the description too 1 referenced to avoid unnecessary repetition. In particular, the battery cell 1 according to 3 likewise a lithium metal electrode as a negative pole, a cathode as a positive pole, an additional separator device arranged therebetween 2 with an ion-permeable conductive insert 9 and an electrolyte 4 on.

Des Weiteren ist ein Spannungsmesser 11 zum Bestimmen einer Potentialdifferenz zwischen der Lithium-Elektrode und der Separatoreinrichtung 2 und deren ionendurchlässigen leitfähigen Einlage 9 vorgesehen. Furthermore, a voltmeter 11 for determining a potential difference between the lithium electrode and the separator means 2 and their ion-permeable conductive insert 9 intended.

Die Ausführungsform gemäß 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 dadurch, dass die Separatoreinrichtung 2 wenigstens eine lithiumreaktive Substanz aufweist, die mit Lithium-Dendritenspitzen 12 reagieren kann. The embodiment according to 3 differs from the embodiment according to 1 in that the separator means 2 has at least one lithium-reactive substance with lithium dendrite tips 12 can react.

Die wenigstens eine zusätzliche lithiumreaktive Substanz kann dabei verteilt in der Separatoreinrichtung 2 und/oder in wenigstens einer zusätzlichen Sperrschicht 15 der Separatoreinrichtung 2 vorgesehen sein. Die Sperrschicht 15 ist beispielsweise aus einem Polymer mit vicinalständigen Halogenatomen, die mit Lithium unter Bildung von beispielsweise LiF Lithiumfluorid reagieren.The at least one additional lithium-reactive substance can be distributed in the separator device 2 and / or in at least one additional barrier layer 15 the separator device 2 be provided. The barrier layer 15 is, for example, a polymer having vicinal halogen atoms which react with lithium to form, for example, LiF lithium fluoride.

In dem Ausführungsbeispiel, wie es in 3 gezeigt ist, ist die Separatoreinrichtung 2 mit einer Sperrschicht 15 versehen, welche auf der Rückseite der ionendurchlässigen und leitfähigen Einlage 9 oder auf der Rückseite der Separatoreinrichtung 2 (nicht dargestellt) vorgesehen ist. Wie zuvor beschrieben ist die Sperrschicht 15 beispielsweise ein Polymer mit vicinalständigen Halogenatomen. Die Sperrschicht 15 kann ebenso beispielsweise mit einer Beschichtung aus Polytetrafluorethylen (PTFE) versehen sein. Polytetrafluorethylen (PTFE) reagiert ebenfalls mit Lithium-Dendriten 12. Polytetrafluorethylen wird beispielsweise unter der Bezeichnung Teflon® vertrieben.In the embodiment, as it is in 3 is shown is the separator 2 with a barrier layer 15 provided on the back of the ion permeable and conductive insert 9 or on the back of the separator 2 (not shown) is provided. As described above, the barrier layer is 15 For example, a polymer with vicinal Halogen atoms. The barrier layer 15 may also be provided, for example, with a coating of polytetrafluoroethylene (PTFE). Polytetrafluoroethylene (PTFE) also reacts with lithium dendrites 12 , Polytetrafluoroethylene is sold, for example, under the name Teflon® .

Die Erfindung ist aber auf die genannten lithiumreaktiven Substanzen wie ein Polymer mit vicinalständigen Halogenatomen wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (Teflon®) oder PVDF-HFP nicht beschränkt. Grundsätzlich kann jede lithiumreaktive Substanz oder Kombination von lithiumreaktiven Substanzen eingesetzt werden, die zu Verteilung in der Separatoreinrichtung oder zur Ausbildung oder Beschichtung einer Sperrschicht geeignet und in dem Elektrolyt der Batteriezelle stabil sind.The invention is, however, to the aforementioned lithium-reactive substances such as a polymer having vicinalständigen halogen atoms such as polytetrafluoroethylene (Teflon ®) or PVDF-HFP not limited. In principle, any lithium-reactive substance or combination of lithium-reactive substances which are suitable for distribution in the separator device or for the formation or coating of a barrier layer and which are stable in the electrolyte of the battery cell can be used.

Wie zuvor mit Bezug auf 1 beschrieben, fungiert auch bei der Batteriezelle 1 gemäß 3 die Separatoreinrichtung 2 als dritte Elektrode und wird stromlos betrieben. Zwischen der ionendurchlässigen leitfähigen Einlage 9 und der Lithiummetallelektrode wird z.B. kontinuierlich die Spannung mittels eines Spannungsmessers 11 gemessen. Dabei wird die Potentialdifferenz zwischen der Lithiummetallelektrode bzw. dem Minuspol und der Separatoreinrichtung 2 und deren ionendurchlässigen leitfähigen Einlage 9 gemessen. Im normalen Batteriebetrieb ist die Potentialdifferenz ΔU zwischen der Separatoreinrichtung 2 bzw. deren ionendurchlässiger leitfähiger Einlage 9 und der Lithiummetallelektrode ungleich Null bzw. es gilt ΔU ≠ 0V. Wächst einer der Lithiumdendriten 12 in die Separatoreinrichtung 2 und kontaktiert die ionendurchlässige leitfähige Einlage 9, wie in 3 gestrichelt angedeutet ist, so entsteht ein Kurzschluss. Bei einem Kurzschluss befinden sich die ionendurchlässige leitfähige Einlage 9 und die Lithiummetallelektrode auf dem gleichen Potential, so dass die Potentialdifferenz ΔU = 0 ist. Dadurch kann der Dendrit 12 detektiert werden. Mittels der Sperrschicht 15 mit einer lithiumreaktiven Substanz, wie in dem Ausführungsbeispiel in 3 gezeigt ist, kann zusätzlich das Weiterwachsen des Lithiumdendriten zu der Kathode verhindert werden. As before with reference to 1 described, also acts at the battery cell 1 according to 3 the separator device 2 as a third electrode and is operated without power. Between the ion-permeable conductive insert 9 and the lithium metal electrode, for example, continuously the voltage by means of a voltmeter 11 measured. In this case, the potential difference between the lithium metal electrode or the negative pole and the separator 2 and their ion-permeable conductive insert 9 measured. In normal battery operation, the potential difference ΔU is between the separator means 2 or their ion-permeable conductive insert 9 and the lithium metal electrode is not equal to zero or ΔU ≠ 0V. Grows one of the lithium dendrites 12 in the separator 2 and contacts the ion permeable conductive insert 9 , as in 3 is indicated by dashed lines, creating a short circuit. In the event of a short circuit, the ion-permeable conductive insert is located 9 and the lithium metal electrode at the same potential, so that the potential difference ΔU = 0. This allows the dendrite 12 be detected. By means of the barrier layer 15 with a lithium reactive substance, as in the embodiment in 3 In addition, further growth of the lithium dendrite to the cathode can be prevented.

Weiter ist in 4 eine schematische Ansicht einer Batteriezelle 1 mit einer Separatoreinrichtung 2 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Next is in 4 a schematic view of a battery cell 1 with a separator 2 shown according to a third embodiment of the invention.

Die Batteriezelle 1, wie sie in dem Ausführungsbeispiel in 4 gezeigt ist, weist denselben Aufbau auf, wie die Batteriezellen gemäß 1, so dass hierzu auf die Beschreibung zu 1 verwiesen wird, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden. Dabei weist die Batteriezelle 1 gemäß 4 ebenfalls eine Lithiummetallelektrode als Minuspol, eine Kathode als Pluspol, eine dazwischen angeordnete Separatoreinrichtung 2 mit einer ionendurchlässigen leitfähigen Einlage 9 und ein Elektrolyt 4 auf. The battery cell 1 , as in the embodiment in 4 is shown, has the same structure as the battery cells according to 1 , so to this on the description too 1 referenced to avoid unnecessary repetition. In this case, the battery cell 1 according to 4 also a lithium metal electrode as a negative pole, a cathode as a positive pole, a separator arranged therebetween 2 with an ion-permeable conductive insert 9 and an electrolyte 4 on.

Die Ausführungsform gemäß 4 unterscheidet sich von den Ausführungsformen gemäß 1 dadurch, dass die Separatoreinrichtung 2 wenigstens ein zusätzliches Referenzelektrodenmaterial 16 aufweist, um eine Referenzelektrode zu bilden. The embodiment according to 4 differs from the embodiments according to 1 in that the separator means 2 at least one additional reference electrode material 16 to form a reference electrode.

Auf die ionendurchlässige leitfähige Einlage 9 wird zusätzlich in einem Bereich der Vorder- oder Rückseite ein Referenzelektrodenmaterial 16 aufgebracht, so dass die ionendurchlässige leitfähige Einlage 9 zusätzlich als Referenzelektrode genutzt werden kann. Dadurch können zusätzliche elektrochemische Daten während des Batteriebetriebs gewonnen werden, wie im Folgenden noch erläutert wird.On the ion-permeable conductive insert 9 In addition, in a region of the front or back, a reference electrode material 16 applied so that the ion-permeable conductive insert 9 can also be used as a reference electrode. As a result, additional electrochemical data can be obtained during battery operation, as will be explained below.

Wird ein Metallnetz, z.B. Nickel usw., oder poröses metallhaltiges Material als ionendurchlässige leitfähige Einlage 9 verwendet, so kann beispielsweise ein Stück Lithium auf der ionendurchlässigen leitfähigen Einlage 9 angebracht werden, wie in dem Ausführungsbeispiel in 3 gezeigt ist. Is a metal mesh, such as nickel, etc., or porous metal-containing material as an ion-permeable conductive insert 9 For example, a piece of lithium may be used on the ion-permeable conductive insert 9 be attached, as in the embodiment in 3 is shown.

Verwendet man z.B. Lithium als Referenzelektrodenmaterial 16, so besitzen die Referenzelektrode und die Lithiumanode im stromlosen Zustand dasselbe Potential. Scheidet sich Lithium beim Laden der Batteriezelle 1 auf der Lithiummetallelektrode ab, so ist die Potentialdifferenz ΔU aufgrund von Überspannungen an der Lithiummetallelektrode ungleich Null bzw. es gilt ΔU ≠ 0V. Wächst nun einer der Lithiumdendrit 12 während des Ladens in die Separatoreinrichtung 2 und kontaktiert die ionendurchlässige leitfähige Einlage 9, wie in 4 mit einer gestrichelten Linie angedeutet ist, so kommt es zu einem Kurzschluss und die ionendurchlässige leitfähige Einlage 9 und die Lithiummetallelektrode befinden sich wieder auf dem gleichen Potential. Dem entsprechend beträgt die Potentialdifferenz ΔU Null bzw. es gilt ΔU = 0V. Dieser Spannungssprung kann beispielsweise über das zuvor mit Bezug auf 1 beschriebene Batteriemanagement erfasst werden und geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden, wie ein Ausschalten der Batteriezelle.For example, using lithium as a reference electrode material 16 Thus, the reference electrode and the lithium anode in the de-energized state have the same potential. Lithium separates when charging the battery cell 1 on the lithium metal electrode, the potential difference ΔU due to overvoltages on the lithium metal electrode is not equal to zero or ΔU ≠ 0V. Grow one of the lithium dendrite 12 during loading into the separator 2 and contacts the ion permeable conductive insert 9 , as in 4 is indicated by a dashed line, so there is a short circuit and the ion-permeable conductive insert 9 and the lithium metal electrode are again at the same potential. the Accordingly, the potential difference ΔU is zero or ΔU = 0V. This voltage jump can, for example, over that previously with reference to 1 described battery management are detected and appropriate countermeasures are taken, such as turning off the battery cell.

Als Referenzelektrodenmaterial 16 für eine Referenzelektrode eignet sich neben Lithium beispielsweise auch Lithiumeisenphosphat oder Lithiumtitanat. Die Erfindung ist aber auf Lithium, Lithiumeisenphosphat und Lithiumtitanat als Material für eine Referenzelektrode nicht beschränkt. Es kann jedes andere Material eingesetzt werden, welches als Referenzelektrode für die Batteriezelle geeignet ist.As a reference electrode material 16 For a reference electrode, besides lithium, for example, lithium iron phosphate or lithium titanate is also suitable. However, the invention is not limited to lithium, lithium iron phosphate and lithium titanate as a material for a reference electrode. Any other material that is suitable as a reference electrode for the battery cell can be used.

Die Referenzelektrode hat den Vorteil, dass sie eine gute Potentialstabilität oder ein konstantes Potential aufweist, d.h. das Potential der Referenzelektrode ändert sich über einen weiten Konzentrationsbereich kaum bis gar nicht. Des Weiteren kann mittels der Referenzelektrode das Potential und/oder die Potentialänderung einer Elektrode z.b während des Betriebs gemessen und z.B. verfolgt werden und dadurch zusätzliche elektrochemische Daten während des Batteriebetriebs gewonnen werden, wie anhand des folgenden Beispiels erläutert wird.The reference electrode has the advantage of having good potential stability or constant potential, i. the potential of the reference electrode hardly changes, if at all, over a wide concentration range. Furthermore, by means of the reference electrode, the potential and / or the potential change of an electrode can be measured during operation, for example during operation, e.g. and thereby obtain additional electrochemical data during battery operation, as will be illustrated by the following example.

Wird eine Batterie entladen, kommt es zu einem Spannungsabfall. Diese Überspannung ist je nach Stromstärke unterschiedlich. Im Zuge der Alterung kann diese Überspannnung aufgrund von Deckschichtbildungen auf den Elektroden zunehmen. Bei einer Batterie ohne Referenzelektrode kann nicht geklärt werden, welche Elektrode für die Überspannung verantwortlich ist. Mit der Referenzelektrode können die einzelnen Potentiale gegenüber dem Referenzpotential detektiert werden. Dadurch ist eine Zuordnung des Spannungsabfalls möglich.When a battery is discharged, a voltage drop occurs. This overvoltage varies depending on the current. In the course of aging, this overvoltage may increase due to overcoat on the electrodes. In the case of a battery without a reference electrode, it is not possible to determine which electrode is responsible for the overvoltage. With the reference electrode, the individual potentials can be detected with respect to the reference potential. As a result, an assignment of the voltage drop is possible.

Die Erfindung kann in allen Lithium-Metall-Batteriezellen 1, beispielsweise Lithium-Schwefel Batteriezellen, Lithium-Luft-Batteriezellen usw. zum Einsatz kommen. Die Erfindung ist auf die genannten Beispiele für Lithium-Batteriezellen 1 jedoch nicht beschränkt.The invention can be used in all lithium metal battery cells 1 For example, lithium-sulfur battery cells, lithium-air battery cells, etc. are used. The invention is based on the aforementioned examples of lithium battery cells 1 but not limited.

Solche Batteriezellen 1, wie sie anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben wurden, können in Applikationen wie Werkzeugen, mobilen Geräten, Computern, Hybrid-Fahrzeugen, sowie Plug-in Hybrid-Fahrzeugen und in rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen angewendet werden.Such battery cells 1 as exemplified by reference to the 1 to 4 can be used in applications such as tools, mobile devices, computers, hybrid vehicles, plug-in hybrid vehicles, and all-electric vehicles.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. So können die zuvor anhand der 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, insbesondere einzelne Merkmale davon. Beispielsweise kann die Separatoreinrichtung, wie sie mit Bezug auf 1 beschrieben wurde mit wenigstens einem zusätzlichen lithiumreaktiven Material, wie in 3 beschrieben wurde, und/oder mit einer Referenzelektrode, wie mit Bezug auf 4 beschrieben wurde ausgebildet sein. Die Batteriezellen, wie sie mit Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben wurden, und Kombinationen davon können sowohl mit einem festen Gehäuse, wie mit Bezug auf 1 beschrieben wurde, oder als Beutelbatteriezelle, wie mit Bezug auf 2 beschrieben wurde, ausgebildet sein.Although the present invention has been fully described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto but is modifiable in a variety of ways. So the previously based on the 1 to 4 described embodiments are also combined with each other, in particular individual features thereof. For example, the separator device as described with reference to 1 has been described with at least one additional lithium reactive material, as in 3 has been described, and / or with a reference electrode, as with reference to 4 has been described. The battery cells, as with respect to the 1 to 4 and combinations thereof, both with a fixed housing, as with respect to 1 or as a bag-type battery cell as described with reference to FIG 2 has been described, be formed.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102011116781 A1 [0003] DE 102011116781 A1 [0003]

Claims (13)

Separatoreinrichtung (2) zur Anordnung zwischen einer Lithiummetallelektrode (5, 7) und einer Kathode (6, 7) in einer Batteriezelle (1) aufweisend, eine ionendurchlässige leitfähige Einlage (9) zur Detektion eines Lithiumdendriten (12) der Lithiummetallelektrode (5, 7), wenn dieser die ionendurchlässige leitfähige Einlage (9) kontaktiert.Separator device ( 2 ) for arrangement between a lithium metal electrode ( 5 . 7 ) and a cathode ( 6 . 7 ) in a battery cell ( 1 ), an ion-permeable conductive insert ( 9 ) for the detection of a lithium dendrite ( 12 ) of the lithium metal electrode ( 5 . 7 ), if this the ion-permeable conductive insert ( 9 ) contacted. Separatoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei die ionendurchlässige leitfähige Einlage (9) wenigstens eine lithiumreaktive Substanz aufweist, wobei die wenigstens eine lithiumreaktive Substanz in der Separatoreineinrichtung (2) verteilt und/oder als Sperrschicht (15) vorgesehen ist und wobei die wenigstens eine lithiumreaktive Substanz insbesondere ein Polymer mit vicinalen Halogenatomen, insbesondere Polytetrafluorethylen und/oder Polyvinylidenfluorid Hexafluorpropylen (PVDF-HFP) ist.Separator device according to claim 1, wherein the ion-permeable conductive insert ( 9 ) has at least one lithium-reactive substance, wherein the at least one lithium-reactive substance in the Separatoreineinrichtung ( 2 ) and / or as a barrier layer ( 15 ) and wherein the at least one lithium-reactive substance is in particular a polymer having vicinal halogen atoms, in particular polytetrafluoroethylene and / or polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene (PVDF-HFP). Separatoreinrichtung nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine lithiumreaktive Substanz die Sperrschicht (15) bildet oder eine Sperrschicht (15) mit der wenigstens einen lithiumreaktiven Substanz beschichtet ist, wobei die Sperrschicht (15) insbesondere aus einem Polymer besteht, welches mit der wenigstens einen lithiumreaktiven Substanz beschichtet ist.Separator device according to claim 2, wherein the at least one lithium-reactive substance, the barrier layer ( 15 ) or a barrier layer ( 15 ) is coated with the at least one lithium-reactive substance, wherein the barrier layer ( 15 ) consists in particular of a polymer which is coated with the at least one lithium-reactive substance. Separatoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ionendurchlässige leitfähige Einlage (9) als eine Referenzelektrode (16) ausgebildet ist oder diese aufweist und wobei als Material für die Referenzelektrode insbesondere Lithium, Lithiumeisenphosphat und/oder Lithiumtitanat in einem Bereich auf die ionendurchlässige leitfähige Einlage (9) aufgebracht ist oder die ionendurchlässige leitfähige Einlage (9) aus diesem Material besteht.Separator device according to one of the preceding claims, wherein the ion-permeable conductive insert ( 9 ) as a reference electrode ( 16 ) or wherein it has as material for the reference electrode in particular lithium, lithium iron phosphate and / or lithium titanate in an area on the ion-permeable conductive insert ( 9 ) or the ion-permeable conductive insert ( 9 ) consists of this material. Separatoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ionendurchlässige leitfähige Einlage (9) aus Metall besteht oder damit beschichtet ist und wobei das Metall insbesondere Nickel, Kupfer, Aluminium und/oder Zinn ist. Separator device according to one of the preceding claims, wherein the ion-permeable conductive insert ( 9 ) is made of or coated with metal and wherein the metal is in particular nickel, copper, aluminum and / or tin. Separatoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ionendurchlässige leitfähige Einlage (9) aus Kohlenstoff besteht.Separator device according to one of the preceding claims, wherein the ion-permeable conductive insert ( 9 ) consists of carbon. Separatoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ionendurchlässige leitfähige Einlage (9) ein ionendurchlässiges leitfähiges Netz oder ein ionendurchlässiges leitfähiges poröses Material ist.Separator device according to one of the preceding claims, wherein the ion-permeable conductive insert ( 9 ) is an ion permeable conductive mesh or an ion permeable conductive porous material. Separatoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ionendurchlässige leitfähige Einlage (9) eine leitfähige Kontaktierung (7) aufweist zum Bestimmen einer Potentialdifferenz zwischen der ionendurchlässigen leitfähigen Einlage (9) und der Lithiummetallelektrode (5, 7) oder der Kathode (6, 7).Separator device according to one of the preceding claims, wherein the ion-permeable conductive insert ( 9 ) a conductive contact ( 7 ) for determining a potential difference between the ion-permeable conductive insert ( 9 ) and the lithium metal electrode ( 5 . 7 ) or the cathode ( 6 . 7 ). Batteriezelle (1), welche wenigstens eine Lithiummetallelektrode (5, 7) und eine Kathode (6, 7) aufweist, wobei zwischen der Lithiummetallelektrode (5, 7) und der Kathode (6, 7), eine Separatoreinrichtung (2) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche angeordnet ist.Battery cell ( 1 ), which at least one lithium metal electrode ( 5 . 7 ) and a cathode ( 6 . 7 ), wherein between the lithium metal electrode ( 5 . 7 ) and the cathode ( 6 . 7 ), a separator device ( 2 ) is arranged according to one of the preceding claims. Batteriezelle nach Anspruch 9, wobei die Batteriezelle (1) einen Spannungsmesser (11) aufweist zum Bestimmen einer Potentialdifferenz zwischen der Lithiummetallelektrode (5, 7) und der ionendurchlässigen leitfähigen Einlage (9) der Separatoreinrichtung (2).Battery cell according to claim 9, wherein the battery cell ( 1 ) a voltmeter ( 11 ) for determining a potential difference between the lithium metal electrode ( 5 . 7 ) and the ion-permeable conductive insert ( 9 ) of the separator device ( 2 ). Batteriezelle nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Batteriezelle (1) einen Spannungsmesser (11) aufweist zum Bestimmen einer Potentialdifferenz zwischen der Kathode (6, 7) und der ionendurchlässigen leitfähigen Einlage (9) der Separatoreinrichtung (2).Battery cell according to one of claims 9 or 10, wherein the battery cell ( 1 ) a voltmeter ( 11 ) for determining a potential difference between the cathode ( 6 . 7 ) and the ion-permeable conductive insert ( 9 ) of the separator device ( 2 ). Batteriezelle nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Batteriezelle (1) eine Lithium-Metallbatterie ist und vorzugsweise eine Beutelbatteriezelle (14) oder eine Batteriezelle (1) mit einem festen Gehäuse ist, insbesondere einem Kunststoffgehäuse.Battery cell according to one of claims 9 to 11, wherein the battery cell ( 1 ) is a lithium metal battery, and preferably a bag battery cell ( 14 ) or a battery cell ( 1 ) is a solid housing, in particular a plastic housing. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Batteriezelle (1) derart ausgebildet ist zur Speisung wenigstens einer Komponente eines Fahrzeugs, insbesondere eines Hybrid-Fahrzeugs oder Plug-Hybrid-Fahrzeugs, einer elektronischen Einrichtung, insbesondere einem PC, einem Laptop, einem Handy, einem Smartphone, oder eines elektrischen Werkzeugs, mit Energie.Battery cell according to one of claims 9 to 12, wherein the battery cell ( 1 ) is designed to power at least one component of a vehicle, in particular a hybrid vehicle or plug-hybrid vehicle, an electronic device, in particular a PC, a laptop, a mobile phone, a smartphone, or an electrical tool.
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