DE102016220975A1

DE102016220975A1 - Stromkollektor für eine Energiespeicherzelle zum Speichern elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102016220975A1
Application number: DE102016220975.2A
Authority: DE
Inventors: Severin Hahn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2018-04-26
Also published as: CN107978761A; CN107978761B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromkollektor (10) für eine Energiespeicherzelle zum Speichern elektrischer Energie. Der Stromkollektor (10) weist einen als Tab (11) bezeichneten Kontaktierungsbereich auf, der an einem ersten von zwei einander entgegengesetzten Endbereichen (15, 16) des Stromkollektors (10) angeordnet und zum Verbinden des Stromkollektors (10) mit einer Elektrode oder mehreren gleichpoligen Elektroden der Energiespeicherzelle vorgesehen ist. Der Stromkollektor (10) ist in Form einer Schicht mit sich entlang einer ersten Richtung (R1) veränderlicher Schichtdicke (D1) ausgebildet. Ein Verlauf der Schichtdicke (D1) entlang der ersten Richtung (R1) entspricht einer mit wachsendem Abstand zu einem zweiten der zwei Endbereiche (15, 16) monoton steigenden oder streng monoton steigenden ersten Funktion. Die erste Richtung (R1) erstreckt sich von dem zweiten Endbereich (16) zu dem ersten Endbereich (15) und verläuft senkrecht zu der Schichtdicke (D1). Der Abstand zum zweiten Endbereich (16) verläuft entlang der ersten Richtung (R1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromkollektor für eine Energiespeicherzelle zum Speichern elektrischer Energie. Ferner betrifft die Erfindung eine Energiespeicherzelle zum Speichern elektrischer Energie mit wenigstens einem solchen Stromkollektor.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Energiespeicherzellen zum Speichern von elektrischer Energie, wie zum Beispiel Lithium-Ionen-Batterien, hybride Superkondensatoren und Superkondensatoren, bekannt. Solche Energiespeicherzellen umfassen dünne Elektrodenschichten, die auf flachen Stromkollektoren aufgetragen sind. Die Elektrodenschichten sind jeweils als Anoden- oder Kathodenschichten ausgebildet. Die Stromkollektoren sind jeweils in Form einer Schicht mit konstanter Schichtdicke ausgebildet und weisen jeweils einen als Tab bezeichneten Kontaktierungsbereich auf. Der Tab eines solchen Stromkollektors ist zum Verbinden des jeweiligen Stromkollektors mit einer oder mehreren gleichpoligen Elektroden der entsprechenden Energiespeicherzelle vorgesehen. In Lithium-Ionen-Batterien und hybriden Superkondensatoren wird häufig Kupfer für die an den Anodenschichten angrenzenden Stromkollektoren und Aluminium für die an den Kathodenschichten angrenzenden Stromkollektoren verwendet. In Superkondensatoren wird häufig Aluminium sowohl für die an den Anodenschichten als auch für die an den Kathodenschichten angrenzenden Stromkollektoren verwendet.
Bei den zuvor beschriebenen Stromkollektoren verringert ein Gewicht dieser Stromkollektoren eine Energiedichte der entsprechenden Energiespeicherzellen. Bei den zuvor beschriebenen Energiespeicherzellen spielt ein von den Stromkollektoren gebildeter Anteil an einem Volumen, Gewicht und Materialkosten der jeweiligen Energiespeicherzellen eine sehr große Rolle. Der Anteil der Stromkollektoren an dem Volumen der jeweiligen Energiespeicherzellen beträgt bis zu 15%. Der Anteil der Stromkollektoren an dem Gewicht der jeweiligen Energiespeicherzellen beträgt bis zu 12 %. Der Anteil der Stromkollektoren an den Materialkosten der jeweiligen Energiespeicherzellen beträgt bis zu 30 %. Daher ist es von Vorteil, eine Verwendung von überflüssigem Material bei der Herstellung solcher Stromkollektoren zu vermeiden.
Aus den Dokumenten EP 1 233 465 A1 und US 2014/0272561 A1 ist es bekannt, eine Masse eines Stromkollektors durch Aussparungen an Stellen des Stromkollektors, die nicht stark mit Strom belastet werden, zu verringern. Ein solcher Stromkollektor ist folglich gitterartig ausgebildet und bedingt dadurch eine aufwendige Elektrodenherstellung, was im Gegensatz dazu steht, dass fast alle industriell zu erzeugende Energiespeicherzellen durch Foliengießen in einem Rollenwicklungsprozess hergestellt werden.
Aus dem Dokument US 2007/0026307 A1 ist ein Stromkollektor für eine Batterie bekannt. Der Stromkollektor weist einen Kontaktierungsbereich auf. Der Kontaktierungsbereich ist an einem ersten von zwei einander entgegengesetzten Endbereichen des Stromkollektors angeordnet und zum Verbinden des Stromkollektors mit einem Anschluss der Batterie vorgesehen. Dabei ist eine Dicke des Stromkollektors an dem ersten Endbereich größer als eine Dicke des Stromkollektors an einem zweiten der zwei Endbereiche.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Stromkollektor für eine Energiespeicherzelle zum Speichern elektrischer Energie bereitgestellt. Der Stromkollektor weist einen als Tab bezeichneten Kontaktierungsbereich auf. Der Tab ist an einem ersten von zwei einander entgegengesetzten Endbereichen des Stromkollektors angeordnet und zum Verbinden, insbesondere zum Zusammenschweißen, des Stromkollektors mit einer Elektrode oder mehreren gleichpoligen Elektroden der Energiespeicherzelle vorgesehen. Der Stromkollektor ist in Form einer Schicht mit sich entlang einer ersten Richtung veränderlicher Schichtdicke ausgebildet. Ein Verlauf der Schichtdicke entlang einer ersten Richtung entspricht einer mit wachsendem Abstand zu einem zweiten der zwei Endbereiche monoton steigenden oder streng monoton steigenden ersten Funktion. Die erste Richtung erstreckt sich von dem zweiten Endbereich zu dem ersten Endbereich und verläuft senkrecht zu der Schichtdicke. Der Abstand zum zweiten Endbereich verläuft entlang der ersten Richtung.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Dadurch, dass die erste Funktion mit dem wachsenden Abstand zum zweiten Endbereich monoton oder streng monoton steigt, wird erreicht, dass sich die Schichtdicke des Stromkollektors zum Tab hin im Wesentlichen gleichmäßig vergrößert beziehungsweise sich zum zweiten Ende hin im Wesentlichen gleichmäßig verkleinert. Der Stromkollektor verdickt sich folglich zum Tab hin beziehungsweise verengt sich zum zweiten Endbereich hin. Dadurch, dass der Stromkollektor in Form einer Schicht mit sich zum zweiten Ende hin verkleinernden Schichtdicke ausgebildet ist, wird erreicht, dass in einem Herstellungsprozess des Stromkollektors Material eingespart wird. Dadurch, dass dabei der Stromkollektor weiterhin im Wesentlichen schichtförmig bleibt, wird gleichzeitig erreicht, dass der Stromkollektor zusammen mit wenigstens einer schichtenförmigen Elektrode und bevorzugt auch zusammen mit wenigsten einem weiteren gleichartig ausgebildeten Stromkollektor weiterhin durch übliche Foliengießverfahren hergestellt werden können.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist eine entlang einer zweiten Richtung erfolgte Dimensionierung eines zuvor beschriebenen Stromkollektors einen konstanten Verlauf entlang der zweiten Richtung auf. Die zweite Richtung verläuft senkrecht zu der ersten Richtung und der Schichtdicke. Dadurch, dass die entlang der ersten Richtung erfolgte Dimensionierung des jeweiligen Stromkollektors überall in dem Stromkollektor gleichbleibend ist, wird erreicht, dass der jeweilige Stromkollektor zusammen mit wenigstens einer schichtförmige Elektrode und insbesondere mit wenigstens einem weiteren derartigen Stromkollektors weiterhin in einem üblichen Rollenwicklungsprozess um eine parallel zur ersten Richtung verlaufende Achse entlang der zweiten Richtung in Form einer Rolle aufgewickelt werden können. Eine solche Rolle kann beispielsweise eine Jelly-Roll sein, der den elektrochemischen Teil einer elektrochemischen Energiespeicherzelle bildet.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung entspricht die erste Funktion, die den Verlauf der Schichtendicke eines zuvor beschriebenen Stromkollektors entlang der ersten Richtung beschreibt, zumindest teilweise einer linearen Funktion.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung entspricht die erste Funktion in einem ersten Bereich eines zuvor beschriebenen Stromkollektors einer konstanten Funktion und in einem zweiten Bereich des jeweiligen Stromkollektors einer linearen Funktion. Dabei umfasst der erste Bereich den ersten Endbereich. Ferner umfasst der zweite Bereich den zweiten Endbereich und folgt unmittelbar nach dem ersten Bereich.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung nimmt die Schichtdicke eines zuvor beschriebenen Stromkollektors an dem ersten Endbereich des jeweiligen Stromkollektors einen maximalen Wert an. Dabei ist der maximale Wert der Schichtdicke größer als ein erster oder gleich einem ersten Schichtdickengrenzwert. Ferner ist der erste Schichtdickengrenzwert als Quotienten zwischen einem ersten Parameter und einem zweiten Parameter zu bestimmen. Der erste Parameter ist als Produkt zwischen einem Stromwert eines von dem jeweiligen Stromkollektor bei Vorliegen einer Nennleistung der Energiespeicherzelle abzuführenden Stromes, einem spezifischen Widerstand des jeweiligen Stromkollektors und einer entlang der ersten Richtung erfolgten Dimensionierung des jeweiligen Stromkollektors zu bestimmen. Der zweite Parameter ist als Produkt zwischen einem maximal zulässigen Spannungswert eines sich zwischen den zwei Endbereichen einzustellenden Spannungsabfalls und einer entlang einer zweiten Richtung erfolgten Dimensionierung des jeweiligen Stromkollektors zu bestimmen. Die zweite Richtung verläuft senkrecht zu der ersten Richtung und der Schichtdicke. Dadurch, dass der maximale Wert der Schichtdicke größer als der oder gleich dem ersten Schichtdickengrenzwert ist, wird erreicht, dass ein Spannungswert des sich zwischen den zwei Endbereichen einzustellenden Spannungsabfalls den maximal zulässigen Spannungswert des genannten Spannungsabfalls nicht übersteigt. Dadurch wird eine hohe Betriebssicherheit des jeweiligen Stromkollektors gewährleistet. Hierbei zu berücksichtigen ist, dass der erste Schichtdickengrenzwert einer minimalen effektiven Schichtdicke des jeweiligen Stromkollektors entspricht, die für eine Ableitung des gesamten in dem jeweilige Stromkollektor auftretenden Stromes notwendig ist. Hierbei ist es ferner zu berücksichtigen, dass der von dem jeweiligen Stromkollektor abzuführende Strom nicht über die gesamte Erstreckung des jeweiligen Stromkollektors entlang der ersten Richtung fließt, sondern erst in den sich unmittelbar um den Tab herum erstreckenden ersten Endbereich des jeweiligen Stromkollektors eingeführt wird. Folglich ist es nicht notwendig, dass die Schichtdicke überall in dem jeweiligen Stromkollektor größer als der erste oder gleich dem ersten Schichtdickengrenzwert ist. Folglich ist es auch nicht notwendig, dass die Schichtdicke überall in dem jeweiligen Stromkollektor gleichbleibend ist. Das bedeutet, dass ein elektrischer Widerstand eines zuvor beschriebenen Stromkollektors mit sich zum zweiten Endbereich hin verkleinernden Schichtdicke im Wesentlich gleich mit dem elektrischen Widerstand eines entsprechenden konventionellen schichtförmigen Stromkollektors mit konstanter Schichtdicke ist.
Sehr vorteilhaft bei einem zuvor beschriebenen Stromkollektor ist, dass, anders als bei den aus dem Stand der Technik bekannten und weiter oben beschriebenen Gitterstrukturen, der elektrische Widerstand des jeweiligen Stromkollektors nicht durch die sich verändernden Schichtdicke beeinflusst oder erhöht wird. Gitterstrukturen verusachen auch eine zusätzliche Leitung von Strom in der jeweiligen Elektrode angrenzend zu den Aussparungen. In diesen Elektroden ist die eletrische Leitfähigkeit schlechter als in den meist metallischen Stromkollektoren, was zu einem zusätzlichen inneren Widerstand führen würde. Folglich kann ein zuvor beschriebener Stromkollektor ohne Leistungsverlust in allen marktüblichen Technologien zur Herstellung von Energiespeicherzellen, wie zum Beispiel von Lithium-Ionen-Batterien, hybride Superkondensatoren und Superkondensatoren, angewendet werden.
Bei einem zuvor beschriebenen Stromkollektor wird weniger Material oder Materialgemisch im Verhältnis zu für Elektroden einer entsprechenden Energiespeicherzelle eingesetztem Aktivmaterial verwendet. Aus diesem Grund können Volumen, Gewicht und Materialkosten eines zuvor beschriebenen Stromkollektors unabhängig von der verwendeten Technologie zur Herstellung einer entsprechenden Energiespeicherzelle reduziert werden, ohne dass eine Veränderung des elektrischen Widerstandes des jeweiligen Stromkollektors und folglich auch ohne dass ein Leistungsverlust eintritt.
Ferner ermöglicht ein zuvor beschriebener Stromkollektor, der sich zum zweiten Endbereich hin verengt, eine Anwendung des jeweiligen Stromkollektors in einer elektrochemischen Energiespeicherzelle mit Elektroden mit bipolarem Design, da kein Elektrolytaustausch durch den jeweiligen Stromkollektor stattfinden kann.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung nimmt die Schichtdicke eines zuvor beschriebenen Stromkollektors an dem zweiten Endbereich einen minimalen Wert an. Der minimale Wert der Schichtdicke ist größer als ein zweiter oder gleich einem zweiten Schichtdickengrenzwert. Der zweite Schichtdickengrenzwert ist in Abhängigkeit von einem minimal zulässigen Widerstandswert eines elektrischen Widerstands des jeweiligen Stromkollektors zu bestimmen. Alternativ entspricht der zweite Schichtdickengrenzwert einer in einem Herstellungsprozess des jeweiligen Stromkollektors minimal erreichbaren Schichtdicke eines für den jeweiligen Stromkollektor verwendeten Materials oder Materialgemisches.
Bei einem zuvor beschriebenen Stromkollektor, bei dem der minimalen Wert der Schichtdicke der minimal erreichbaren Schichtdicke des für den jeweiligen Stromkollektor verwendeten Materials oder Materialgemisches entspricht, wird die Materialeinsparung im Herstellungsprozess des jeweiligen Stromkollektors maximiert.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein zuvor beschriebener Stromkollektor symmetrisch um die erste Richtung ausgebildet. Auf diese Weise kann der jeweilige Stromkollektor zusammen mit wenigstens einer schichtförmigen Elektrode, die eine oder zwei an dem Stromkollektor angrenzende Elektroden umfasst, einen sich zum zweiten Endbereich des jeweiligen Stromkollektors hin verengenden Schichtaufbau für die entsprechende Energiespeicherzelle bilden. Dadurch kann ein Volumen beziehungsweise ein Gewicht der entsprechenden Energiespeicherzelle minimiert und folglich eine auf das Gewicht bezogene Energiedichte der Energiespeicherzelle maximiert werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle zum Speichern von elektrischer Energie, wobei die Energiespeicherzelle mehrere Elektroden und wenigstens einen zuvor beschriebenen Stromkollektor umfasst. Bevorzugt ist die Energiespeicherzelle in Form einer Lithium-Ionen-Batterie, eines hybriden Superkondensators oder eines Superkondensators ausgebildet.
Bei einer zuvor beschriebenen Energiespeicherzelle sind die mehreren Elektroden bevorzugt jeweils in Form einer Schicht mit konstanter Schichtdicke ausgebildet. Weiter bevorzugt bilden die Elektroden zusammen mit dem wenigstens einen Stromkollektor einen Schichtaufbau mit mehreren übereinander angeordneten Schichten.
Bei einer zuvor beschriebenen Energiespeicherzelle ist der Schichtenaufbau bevorzugt um eine zur erste Richtung eines des wenigstens einen Stromkollektors verlaufenden Achse entlang einer zweiten Richtung zu einer Rolle aufgewickelt. Dabei verläuft die zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung und der Schichtdicke des jeweiligen Stromkollektors.
Bei einer zuvor beschriebenen Energiespeicherzelle weist der wenigstens eine Stromkollektor bevorzugt mehrere Stromkollektoren auf. Dabei sind die mehreren mit Elektroden beschichteten Stromkollektoren bevorzugt gleich untereinander ausgebildet, separiert durch einen Separator.
Bei einer zuvor beschriebenen Energiespeicherzelle weist der wenigstens eine Stromkollektor bevorzugt wenigstens einen ersten Stromkollektor und wenigstens einen zweiten Stromkollektor auf. Dabei sind der wenigstens eine Tab des wenigstens einen ersten Stromkollektors und der wenigstens eine Tab des wenigstens einen zweiten Stromkollektors an zwei einander entgegengesetzten Endbereichen der jeweiligen Energiespeicherzelle angeordnet.
Bei einer zuvor beschriebenen Energiespeicherzelle, bei welcher der wenigstens eine Tab des wenigsten einen ersten Stromkollektors und der wenigstens eine Tab des wenigsten einen zweiten Stromkollektors an den zwei entgegengesetzten Endbereichen der jeweiligen Energiespeicherzelle angeordnet sind, kann eine auf das Gewicht bezogene Energiedichte der jeweiligen Energiespeicherzelle maximiert werden.
Eine zuvor beschriebenen Energiespeicherzelle, bei welcher der wenigstens eine Tab des wenigsten einen ersten Stromkollektors und der wenigstens eine Tab des wenigsten einen zweiten Stromkollektors an den zwei entgegengesetzten Endbereichen der jeweiligen Energiespeicherzelle angeordnet sind, kann in Form einer prismatischen oder zylindrischen elektrochemischen Energiespeicherzelle ausgebildet sein. Bei solchen elektrochemischen Energiespeicherzellen ist ein entsprechender Schichtaufbau bevorzugt in Form einer Jelly-Roll ausgebildet. Solche prismatischen oder zylindrischen elektrochemischen Energiespeicherzellen haben bevorzugt ein Gehäuse, das ein Potential eines negativen Anschlusses der jeweiligen Energiespeicherzelle aufweist.
Eine zuvor beschriebene Energiespeicherzelle, bei welcher der wenigstens eine Tab des wenigsten einen ersten Stromkollektors und der wenigstens eine Tab des wenigsten einen zweiten Stromkollektors an den zwei entgegengesetzten Endbereichen der jeweiligen Energiespeicherzelle angeordnet sind, kann in Form einer Pouchzelle ausgebildet sein. Dabei sind die Endbereiche des jeweiligen positiven Anschlusses und der des negativen Anschluss gegenüber zueinander angeordnet.
Bei einer zuvor beschriebenen Energiespeicherzelle, bei welcher der wenigstens eine Tab des wenigstens einen ersten Stromkollektors und der wenigstens eine Tab des wenigstens einen zweiten Stromkollektors an den zwei entgegengesetzten Endbereichen der jeweiligen Energiespeicherzelle angeordnet sind, kann ein entsprechender Schichtaufbau eine gleichbleibende Dicke aufweisen. Die Dicke eines Schichtaufbaus einer zuvor beschriebenen Energiespeicherzelle verläuft dabei parallel zu der Schichtdicke eines oder mehrerer des wenigstens einen Stromkollektors. Der Schichtaufbau einer zuvor beschriebenen Energiespeicherzelle kann folglich in einem gegenüber einem konventionellen Herstellungsprozess minimal umzustellenden Herstellungsprozess um eine parallel zur ersten Richtung eines des wenigstens einen Stromkollektors verlaufende Achse entlang der zweiten Richtung des jeweiligen Stromkollektors zu einer Rolle aufgewickelt werden. Dabei kann es vorkommen, dass die Richtung, um die eine konventionelle Rolle aufzuwickeln ist, nur um ein paar Winkelgrade zu verdrehen ist, um zu derjenigen ersten Richtung zu gelangen, um welche die Rolle einer zuvor beschriebenen Energiespeicherzelle aufzuwickeln ist.
Bei einer zuvor beschriebenen Energiespeicherzelle weisen die mehreren Elektroden bevorzugt wenigstens eine erste Elektrode und wenigstens eine zweite Elektrode auf. Dabei weisen die wenigstens eine erste Elektrode und die wenigstens eine zweite Elektrode unterschiedliche Polaritäten auf. Ferner grenzt ein jeder des wenigstens einen ersten Stromkollektors an einer oder zwei der wenigstens einen ersten Elektrode an. Weiterhin grenzt ein jeder des wenigstens einen zweiten Stromkollektors an eine oder zwei der wenigsten einen zweiten Elektrode an.
Bevorzugt umfasst eine zuvor beschriebene Energiespeicherzelle einen Separator und ist in Form einer elektrochemischen Energiespeicherzelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, ausgebildet. Dabei ist der Separator zwischen zwei der mehreren Elektroden angeordnet und die zwei Elektroden weisen unterschiedliche Polaritäten auf.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:

1 ein gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildeter Stromkollektor für eine elektrochemische Energiespeicherzelle, und
2 ein Schichtaufbau für eine elektrochemische Energiespeicherzelle, wobei der Schichtaufbau mehrere Elektroden und zwei jeweils gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildete Stromkollektoren umfasst.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt einen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildeten Stromkollektor 10 für eine elektrochemische Energiespeicherzelle (nicht dargestellt). Der Stromkollektor 10 weist einen als Tab 11 bezeichneten Kontaktierungsbereich auf, der an einem ersten Endbereich 15 von zwei einander entgegengesetzten Endbereichen 15, 16 des Stromkollektors 10 angeordnet ist. Der Tab 11 ist ferner zum Verbinden des Stromkollektors 10 mit einer Elektrode oder mehreren gleichpoligen Elektroden der Energiespeicherzelle vorgesehen.
Der Stromkollektor 10 ist in Form einer Schicht mit sich entlang einer ersten Richtung R1 veränderlicher Schichtdicke D1 ausgebildet. Dabei entspricht ein Verlauf der Schichtdicke D1 entlang der ersten Richtung R1 einer mit wachsendem Abstand (nicht explizit gekennzeichnet) zu einem zweiten Endbereich 16 der zwei Endbereiche 15, 16 monoton steigenden oder streng monoton steigenden ersten Funktion. Die erste Richtung R1 erstreckt sich von dem zweiten Endbereich 16 zu dem ersten Endbereich 15 und verläuft senkrecht zu der Schichtdicke D1. Der Abstand zum zweiten Endbereich 16 verläuft entlang der ersten Richtung R1. Bevorzugt entspricht die erste Funktion zumindest teilweise einer linearen Funktion. Weiter bevorzugt entspricht die erste Funktion in einem ersten Bereich (nicht explizit gekennzeichnet) des Stromkollektors 10 einer konstanten Funktion und in einem zweiten Bereich (nicht explizit gekennzeichnet) des Stromkollektors 10 einer linearen Funktion. Der erste Bereich umfasst den ersten Endbereich 15. Der zweite Bereich umfasst den zweiten Endbereich 16 und folgt unmittelbar nach dem ersten Bereich.
Bei dem in der 1 dargestellten Stromkollektor 10 vergrößert sich die Schichtdicke D1 zu dem Tab 11 hin. Mit anderen Worten verkleinert sich die Schichtdicke D1 zu dem zweiten Endbereich 16 hin. Die Schichtdicke D1 nimmt an dem zweiten Endbereich 16 einen minimalen Wert L0 von zum Beispiel 10*10^-6 m und an dem ersten Endbereich 15 einen maximalen Wert L1 von zum Beispiel 20*10^-6 m an. Dadurch, dass der Stromkollektor 10 in Form einer Schicht mit sich zum zweiten Endbereich 16 hin verkleinernder Schichtdicke D1 ausgebildet ist, wird erreicht, dass Volumen, Gewicht und Materialkosten des Stromkollektors 10 reduziert werden. Dadurch, dass der Stromkollektor 10 weiterhin im Wesentlichen schichtartig bleibt, wird gleichzeitig erreicht, dass der Stromkollektor 10 zusammen mit wenigstens einer schichtenförmigen Elektrode (nicht dargestellt) und bevorzugt auch zusammen mit wenigsten einem weiteren gemäß der ersten Ausführungsform ausgebildeten Stromkollektor (nicht dargestellt) weiterhin durch übliche Foliengießverfahren hergestellt werden können.
Der Stromkollektor 10 weist ferner eine gleichbleibende Dimensionierung entlang einer zweiten Richtung R2 auf. Die zweite Richtung R2 verläuft dabei senkrecht zu der ersten Richtung R1 und der Schichtdicke D1. Mit anderen Worten ist die Dimensionierung des Stromkollektors 10 entlang der zweiten Richtung R2 überall in dem Stromkollektor 10 konstant. Dadurch wird erreicht, dass der Stromkollektor 10 zusammen mit wenigstens einer schichtartigen Elektrode (nicht dargestellt) und bevorzugt mit wenigstens einem weiteren gemäß der ersten Ausführungsform ausgebildeten Stromkollektors (nicht dargestellt) weiterhin in einem üblichen Rollenwicklungsprozess um eine zur ersten Richtung R1 verlaufende Achse entlang der zweiten Richtung R2 in Form einer Rolle 17 aufgewickelt werden können. Eine solche Rolle 17 ist stark schematisiert in der 1 dargestellt und kann beispielsweise eine Jelly-Roll sein, die den elektrochemischen Teil der elektrochemischen Energiespeicherzelle bildet.
Ferner ist der Stromkollektor 10 symmetrisch um die erste Richtung R1 ausgebildet.
2 zeigt einen Schichtaufbau 100 für eine elektrochemische Energiespeicherzelle (nicht dargestellt). Der Schichtaufbau 100 umfasst einen gemäß der ersten Ausführungsform ausgebildeten ersten Stromkollektor 20, einen gemäß der ersten Ausführungsform ausgebildeten zweiten Stromkollektor 30, mehrere Elektroden 40, 45, 50, 55 und einen Separator 60. Der erste Stromkollektor 20 ist in gleicher Weise ausgebildet, in welcher der in der 1 dargestellte Stromkollektor 10 ausgebildet ist. Folglich sind ein Tab (nicht dargestellt), eine Schichtdicke D21, eine erste Richtung R21 und eine zweite Richtung (nicht dargestellt) des ersten Stromkollektors 20 jeweils in gleicher Weise bezüglich des ersten Stromkollektors 20 definiert, in der eine entsprechende Größe des in der 1 dargestellten Stromkollektors 10 bezüglich des in der 1 dargestellten Stromkollektors 10 definiert ist. Der zweite Stromkollektor 30 ist in gleicher Weise ausgebildet, in welcher der in der 1 dargestellte Stromkollektor 10 ausgebildet ist. Folglich sind ein Tab (nicht dargestellt), eine Schichtdicke D31, eine erste Richtung R31 und eine zweite Richtung (nicht dargestellt) des zweiten Stromkollektors 30 jeweils in gleicher Weise bezüglich des zweiten Stromkollektors 30 definiert, in der eine entsprechende Größe des in der 1 dargestellten Stromkollektors 10 bezüglich des in der 1 dargestellten Stromkollektors 10 definiert ist. Bei dem in der 2 dargestellten Schichtaufbau 100 sind der erste und der zweite Stromkollektor 20, 30 gleich untereinander ausgebildet. Ferner ist der erste Stromkollektor 20 symmetrisch um seine erste Richtung R21 ausgebildet. Weiterhin ist der zweite Stromkollektor 30 symmetrisch um seine erste Richtung R31 ausgebildet
Die mehreren Elektroden 40, 45, 50, 55 sind jeweils in Form einer Schicht mit konstanter Schichtdicke ausgebildet und umfassen wenigstens eine erste Elektrode 40, 45 und wenigstens eine zweite Elektrode 50, 55. Die wenigstens eine erste Elektrode 40, 45 und die wenigstens eine zweite Elektrode 50, 55 weisen unterschiedliche Polaritäten auf. So kann beispielsweise eine jede der wenigstens einen ersten Elektrode 40, 45 eine negative Elektrode sein. Ferner kann eine jede der wenigstens einen zweiten Elektrode 50, 55 eine positive Elektrode sein. Die wenigstens eine erste Elektrode 40, 45 umfasst eine erste Elektrode 40 und eine weitere erste Elektrode 45. Der erste Stromkollektor 20 ist zwischen der ersten Elektrode 40 und der weiteren ersten Elektrode 45 angeordnet. Die wenigstens eine zweite Elektrode 50, 55 umfasst eine zweite Elektrode 50 und eine weitere zweite Elektrode 55. Der zweite Stromkollektor 30 ist zwischen der zweiten Elektrode 50 und der weiteren zweiten Elektrode 55 angeordnet. Der Separator 60 ist zwischen der ersten Elektrode 40 und der zweiten Elektrode 50 angeordnet.
Bei dem in der 2 dargestellten Schichtaufbau 100 sind der Tab des ersten Stromkollektors 20 und der Tab des zweiten Stromkollektors 30 an zwei einander entgegengesetzten Endbereichen der Schichtaufbau 100 angeordnet. Hier ist zu berücksichtigen, dass in einem Zustand, in dem der Schichtaufbau 100 in die entsprechende elektrochemische Energiespeicherzelle eingebaut ist, ein jeder der zwei Endbereiche der Schichtaufbau 100 jeweils einem von zwei einander entgegengesetzten Endbereichen der jeweiligen Energiespeicherzelle entspricht. Durch die zuvor beschriebene Anordnung der Tabs der Stromkollektoren 20, 30 des Schichtaufbaus 100 wird ermöglicht, dass eine parallel zu der Schichtdicke D21 des ersten Stromkollektors 20 und der Schichtdicke D31des zweiten Stromkollektors 30 verlaufende Dicke D2 des Schichtaufbaus 100 überall in dem Schichtaufbau 100 im Wesentlichen gleichbleibend ist. Dadurch wird ermöglicht, dass der Schichtaufbau 100 in einem gegenüber einem konventionellen Herstellungsprozess minimal umzustellenden Herstellungsprozess um eine parallel zur ersten Richtung R21, R31 des ersten oder des zweiten Stromkollektors 20, 30 parallel verlaufende Achse entlang der zweiten Richtung des jeweiligen Stromkollektors 20, 30 zu einer Rolle aufgewickelt werden kann. Eine solche Rolle kann beispielsweise eine Jelly-Roll darstellen, die den elektrochemischen Teil der entsprechenden elektrochemischen Energiespeicherzelle bildet.
Ein Anteil der Stromkollektoren 20, 30 des Schichtaufbaus 100 an einem Volumen der entsprechenden Energiespeicherzelle beträgt beispielsweise bis zu 11,25 %. Ein Anteil der Stromkollektoren 20, 30 des Schichtaufbaus 100 an einem Gewicht der entsprechenden Energiespeicherzelle beträgt beispielsweise bis zu 9 %. Ein Anteil der Stromkollektoren 20, 30 des Schichtaufbaus 100 an Materialkosten der entsprechenden Energiespeicherzelle beträgt beispielsweise bis zu 22,5 %. Folglich wird bei einer Energiespeicherzelle, die den in der 2 dargestellten Schichtaufbau 100 umfasst, gegenüber einer entsprechenden konventionell hergestellten Energiespeicherzelle, ein Anteil der entsprechenden Stromkollektoren 20, 30 an dem Volumen, Gewicht und den Materialkosten der jeweiligen Energiespeicherzelle um beispielsweise 25% reduziert.
Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird hiermit zur weiteren Offenbarung der Erfindung ergänzend auf die Darstellung in den 1 und 2 Bezug genommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1233465 A1 [0004]
US 2014/0272561 A1 [0004]
US 2007/0026307 A1 [0005]

Claims

Stromkollektor (10, 20, 30) für eine Energiespeicherzelle zum Speichern elektrischer Energie, wobei der Stromkollektor (10, 20, 30) einen als Tab (11) bezeichneten Kontaktierungsbereich aufweist, der an einem ersten von zwei einander entgegengesetzten Endbereichen (15, 16) des Stromkollektors (10, 20, 30) angeordnet und zum Verbinden des Stromkollektors (10, 20, 30) mit einer Elektrode (40, 45, 50, 55) oder mehreren gleichpoligen Elektroden (40, 45, 50, 55) der Energiespeicherzelle vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (10, 20, 30) in Form einer Schicht mit sich entlang einer ersten Richtung (R1, R21, R31) veränderlicher Schichtdicke (D1, D21, D31) ausgebildet ist, wobei ein Verlauf der Schichtdicke (D1, D21, D31) entlang der ersten Richtung (R1, R21, R31) einer mit wachsendem Abstand zu einem zweiten der zwei Endbereiche (15, 16) monoton steigenden oder streng monoton steigenden ersten Funktion entspricht, wobei sich die erste Richtung (R1, R21, R31) von dem zweiten Endbereich (16) zu dem ersten Endbereich (15) erstreckt und senkrecht zu der Schichtdicke (D1, D21, D31) verläuft und der Abstand zum zweiten Endbereich (16) entlang der ersten Richtung (R1, R21, R31) verläuft.
Stromkollektor (10, 20, 30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine entlang einer zweiten Richtung (R2) erfolgte Dimensionierung des Stromkollektors (10, 20, 30) einen konstanten Verlauf entlang der ersten Richtung (R1, R21, R31) aufweist, wobei die zweite Richtung (R2) senkrecht zu der ersten Richtung (R1, R21, R31) und der Schichtdicke (D1, D21, D31) verläuft.
Stromkollektor (10, 20, 30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funktion zumindest teilweise einer linearen Funktion entspricht.
Stromkollektor (10, 20, 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funktion in einem ersten Bereich des Stromkollektors (10, 20, 30) einer kontanten Funktion und in einem zweiten Bereich des Stromkollektors (10, 20, 30) einer linearen Funktion entspricht, wobei der erste Bereich den ersten Endbereich (15) umfasst und der zweite Bereich den zweiten Endbereich (16) umfasst und unmittelbar nach dem ersten Bereich folgt.
Stromkollektor (10, 20, 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (D1, D21, D31) an dem ersten Endbereich (15) einen maximalen Wert (L1) annimmt, wobei der maximale Wert (L1) der Schichtdicke (D1, D21, D31) größer als ein erster oder gleich einem ersten Schichtdickengrenzwert ist, wobei der erste Schichtdickengrenzwert als Quotient zwischen einem ersten Parameter und einem zweiten Parameter zu bestimmen ist, wobei der erste Parameter als Produkt zwischen einem Stromwert eines von dem Stromkollektor (10, 20, 30) bei Vorliegen einer Nennleistung der Energiespeicherzelle abzuführenden Stromes, einem spezifischen Widerstand des Stromkollektors (10, 20, 30) und einer entlang der ersten Richtung (R1, R21, R31) erfolgten Dimensionierung des Stromkollektors (10, 20, 30) zu bestimmen ist, wobei der zweite Parameter als Produkt zwischen einem maximal zulässigen Spannungswert eines sich zwischen den zwei Endbereichen (15, 16) einzustellenden Spannungsabfalls und einer entlang einer zweiten Richtung (R2) erfolgten Dimensionierung des Stromkollektors (10, 20, 30) zu bestimmen ist, wobei die zweite Richtung (R2) senkrecht zu der ersten Richtung (R1, R21, R31) und der Schichtdicke (D1, D21, D31) verläuft.
Stromkollektor (10, 20, 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (D1, D21, D31) an dem zweiten Endbereich (16) einen minimalen Wert (L0) annimmt, wobei der minimale Wert (L0) der Schichtdicke (D1, D21, D31) größer als ein zweiter oder gleich einem zweiten Schichtdickengrenzwert ist, wobei der zweite Schichtdickengrenzwert in Abhängigkeit eines minimal zulässigen Widerstandswertes eines elektrischen Widerstands des Stromkollektors (10, 20, 30) zu bestimmen ist oder einer in einem Herstellungsprozess des Stromkollektors (10, 20, 30) minimal erreichbaren Schichtdicke eines für den Stromkollektor (10, 20, 30) verwendeten Materials oder Materialgemisches entspricht.
Stromkollektor (10, 20, 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (10, 20, 30) symmetrisch um die erste Richtung (R1, R21, R31) ausgebildet ist.
Energiespeicherzelle zum Speichern elektrischer Energie, wobei die Energiespeicherzelle mehrere Elektroden (40, 45, 50, 55) und wenigstens einen Stromkollektor (20, 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst.
Energiespeicherzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Elektroden (40, 45, 50, 55) jeweils in Form einer Schicht mit konstanter Schichtdicke ausgebildet sind und zusammen mit dem wenigstens einen Stromkollektor (20, 30) einen Schichtaufbau (100) mit mehreren übereinander angeordneten Schichten bilden.
Energiespeicherzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtenaufbau (100) um eine zur ersten Richtung (R21, R31) eines des wenigstens einen Stromkollektors (20, 30) parallel verlaufende Achse entlang einer zweiten Richtung zu einer Rolle aufgewickelt ist, wobei die zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung (R21, R31) und der Schichtdicke (D21, D31) des jeweiligen Stromkollektors (20, 30) verläuft.
Energiespeicherzelle nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Stromkollektor (20, 30) mehrere Stromkollektoren (20, 30) aufweist, die untereinander gleich ausgebildet sind.
Energiespeicherzelle nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Stromkollektor (20, 30) wenigstens einen ersten Stromkollektor (20) und wenigstens einen zweiten Stromkollektor (30) aufweist, wobei der wenigstens eine Tab des wenigstens einen ersten Stromkollektors (20) und der wenigstens eine Tab des wenigstens einen zweiten Stromkollektors (30) an zwei einander entgegengesetzten Endbereichen der Energiespeicherzelle angeordnet sind.
Energiespeicherzelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Elektroden (40, 45, 50, 55) wenigstens eine erste Elektrode (40, 45) und wenigstens eine zweite Elektrode (50, 55) aufweisen, wobei die wenigstens eine erste Elektrode (40, 45) und die wenigstens eine zweite Elektrode (50, 55) unterschiedliche Polaritäten aufweisen, wobei der wenigstens eine erste Stromkollektor (20) an der wenigstens einen ersten Elektrode (40, 45) angrenzt und der wenigstens eine zweite Stromkollektor (30) an der wenigsten einen zweiten Elektrode (50, 55) angrenzt.
Energiespeicherzelle nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzelle einen Separator (60) umfasst und in Form einer elektrochemischen Energiespeicherzelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, ausgebildet ist, wobei der Separator (60) zwischen zwei Elektroden (40, 50) der mehreren Elektroden (40, 45, 50, 55) angeordnet ist und die zwei Elektroden (40, 50) unterschiedliche Polaritäten aufweisen.