DE102017217042A1 - Elektrochemische Zelle mit mäanderförmig ausgeführtem Stromableiter - Google Patents

Elektrochemische Zelle mit mäanderförmig ausgeführtem Stromableiter Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Festkörperbatterie (1), umfassend mindestens einen Elektrodenstapel (2), mindestens ein negatives Terminal (12) und mindestens ein positives Terminal (11), wobei jeder Elektrodenstapel (2) mindestens eine elektrochemische Festkörperzelle (3) umfasst, und jede elektrochemische Festkörperzelle (3) umfasst:
(i) mindestens eine positive Elektrode (21), umfassend einen positiven Stromableiter (31), welcher die mindestens eine positive Elektrode (21) elektrisch leitend mit einem positiven Terminal (11) verbindet;
(ii) mindestens eine negative Elektrode (22), umfassend einen negativen Stromableiter (32), welcher die mindestens eine negative Elektrode (22) elektrisch leitend mit einem negativen Terminal (22) verbindet; und
(iii) mindestens einen Festelektrolyt (15), welcher mindestens zwischen der negativen Elektrode (22) und der positiven Elektrode (21) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass der positive Stromableiter (31) der positive Elektrode (21) zwischen dem Austrittsbereich aus dem mindestens einen Elektrodenstapel (2) und dem Anschlussbereich an das positive Terminal (11) mäanderförmig ausgeführt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, umfassend mindestens einen Stromableiter einer positiven Elektrode, welcher zwischen dem Austrittsbereich aus dem mindestens einen Elektrodenstapel der elektrochemischen Zelle und dem Anschlussbereich an das positive Terminal mäanderförmig ausgeführt ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrochemischen Zelle sowie deren Verwendung.
  • Stand der Technik
  • Elektrochemische Festkörperbatterien umfassen üblicherweise Elektrodenstapel, deren Stromableiter in Form von Ableiterfolien in einem aufwendigen Verfahren einzeln an das jeweilige Terminal der Festkörperbatterie geschweißt werden. Diese Verbindungen sind darüber hinaus anfällig für ein Reißen der Folie aufgrund der „Atmung“ der elektrochemischen Zelle während des Be- und Entladens. Hierunter ist die Veränderung der Volumina und/oder Form der einzelnen Schichten des Elektrodenstapels zu verstehen, welcher mit der Einlagerung bzw. der Freisetzung der Lithiumionen bzw. -atome aus dem positiven bzw. negativen Aktivmaterial der Elektroden verbunden ist.
  • JP 2009-224035 offenbart eine Festkörperbatterie, die durch eine geschwungene, mehrlagige Anordnung der Elektroden im Elektrodenstapel eine bessere Raumnutzung bietet und gleichzeitig die mechanische Belastung der Elektroden gering hält.
  • KR 2015-0040454 offenbart eine Batteriezelle, umfassend einen Elektrodenstapel, der in Zick-Zack-Form in der Batteriezelle angeordnet ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Festköperbatterie, umfassend mindestens einen Elektrodenstapel, mindestens ein positives Terminal und mindestens ein negatives Terminal, wobei jeder Elektrodenstapel mindestens eine elektrochemische Festkörperzelle umfasst, und jede elektrochemische Festkörperzelle umfasst:
    • (i) mindestens eine positive Elektrode, umfassend einen positiven Stromableiter, welcher die mindestens eine positive Elektrode elektrisch leitend mit einem positiven Terminal verbindet;
    • (ii) mindestens eine negative Elektrode, umfassend einen negativen Stromableiter, welcher die mindestens eine negative Elektrode elektrisch leitend mit einem negativen Terminal verbindet; und
    • (iii) mindestens einen Festelektrolyt, welcher mindestens zwischen der negativen und der positiven Elektrode angeordnet ist;
    dadurch gekennzeichnet, dass der Stromableiter der positive Elektrode zwischen dem Austrittsbereich aus dem mindestens einen Elektrodenstapel und dem Anschlussbereich an das positive Terminal mäanderförmig ausgeführt ist.
  • Anders ausgedrückt umfasst die elektrochemische Festkörperbatterie mindestens eine elektrochemische Zelle, welche mindestens eine positive Elektrode mit mindestens einem Stromableiter umfasst, welcher mäanderförmig zum positiven Terminal verläuft. Mäanderförmig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Stromableiter in diesem Bereich länger ist, als die zu überbrückende Abstand zwischen positiver Elektrode und dem positiven Terminal und der Stromableiter in diesem Bereich geschwungen in Form von Wellen oder Schleifen verläuft und insbesondere keine Knicke oder Kanten aufweist.
  • Ebenso kann in einer Ausführungsform der Erfindung der mindestens eine Stromableiter der mindestens einen negativen Elektrode zwischen dem Anschlussbereich an das negative Terminal und dem Austrittsbereich aus dem mindestens einen Elektrodenstapel mäanderförmig ausgeführt sein.
  • Die mindestens eine positive Elektrode umfasst mindestens einen Stromableiter und mindestens ein Aktivmaterial (nachfolgend auch als positives Aktivmaterial bezeichnet). Als positives Aktivmaterial kann prinzipiell jedes dem Fachmann bekannte Aktivmaterial verwendet werden, welches üblicherweise zur Verwendung in positiven Elektroden, insbesondere positiven Elektroden für Lithium-haltige elektrochemische Zellen, geeignet ist. Besonders bevorzugt wird metallisches Lithium als Aktivmaterial verwendet.
  • Der Stromableiter der positiven Elektrode besteht aus mindestens einem elektrisch leitfähigen Material. Geeignete Materialien, aus denen der Stromableiter gebildet sein kann sind beispielsweise Aluminium, Kupfer, Nickel oder auch Legierungen dieser Metalle. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Stromableiter aus elementarem (metallischem) Lithium gefertigt. Vorzugsweise stellt Lithium in diesem Fall sowohl das Aktivmaterial als auch das Material des Stromableiters dar. Die Schichtdicke des Stromableiters ist vorzugsweise nicht besonders eingeschränkt und reicht beispielsweise von 1 bis 500 µm, insbesondere von 5 bis 200 µm. Vorzugsweise ist der Stromableiter der positiven Elektrode flächig ausgestaltet.
  • Als negative Elektrode können sämtliche dem Fachmann bekannten Elektroden eingesetzt werden, welche als negative Elektroden in elektrochemischen Festkörperzellen, insbesondere in lithiumhaltigen elektrochemischen Festkörperzellen, eingesetzt werden können. Diese umfassen üblicherweise mindestens einen Stromableiter, sowie mindestens ein Aktivmaterial, welche auf mindestens einer Oberfläche des mindestens einen Stromableiters angeordnet und mit diesem elektrisch leitend verbunden ist. Der Stromableiter ist aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt und kann im Übrigen wie der Stromableiter der erfindungsgemäßen positiven Elektrode ausgebildet sein. Das Aktivmaterial umfasst mindestens ein Aktivmaterial (nachfolgend auch als negatives Aktivmaterial bezeichnet) und in der Regel mindestens ein Bindemittel. Das negative Aktivmaterial umfasst dabei in der Regel Verbindungen, welche in der Lage sind Lithium-Ionen reversibel aufzunehmen und freizusetzen. Typische negative Aktivmaterialien sind dabei Mischoxide, welche Lithium sowie mindestens ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Nickel, Kobalt, Mangan (sog. NCM-Mischoxide), umfassen. Als Beispiele zu nennen sind: LiCoO2, Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxide (z.B. LiNi0,8Co0,15Al0,05O2; NCA) und Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxide (z.B. LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2 (NMC (811)), LiNi0,33Mn0,33Co0,33O2 (NMC (111)), LiNi0,6Mn0,2Co0,2O2 (NMC (622)), LiNi0,5Mn0,3Co0,2O2 (NMC (532)) oder LiNi0,4Mn0,3Co0,3O2 (NMC (433)), überlithiierte Schichtoxide der allgemeinen Formel n(Li2MnO3) · 1-n (LiMO2) mit M = Co, Ni, Mn, Cr und 0 ≤ n ≤ 1, Spinelle der allgemeinen Formel n(Li2MnO3) · 1-n (LiM2O4) mit M=Co, Ni, Mn, Cr und 0 ≤ n ≤ 1. Ferner sind insbesondere Spinellverbindungen der Formel LiMxMn2-xO4 mit M = Ni, Co, Cu, Cr, Fe (z.B. LiMn2O4, LiNi0.5Mn1.5O4), Olivinverbindungen der Formel LiMPO4 mit M = Mn, Ni, Co, Cu, Cr, Fe (z.B. LiFePO4, LiMnPO4), Silikatverbindungen der Formel Li2MSiO4 mit M = Ni, Co, Cu, Cr, Fe, Mn (z.B. Li2FeSiO4), Tavoritverbindungen (z.B. LiVPO4F), Li2MnO3, Li1.17Ni0.17Co0.1Mn0.56O2 und Li3V2(PO4)3 als geeignete negative Aktivmaterialien hervorzuheben. Übliche Bindemittel für die negative Elektrode umfassen Styrol-Butadien-Copolymer (SBR), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethen (PTFE), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyacrylsäure (PAA), Polyvinylalkohol (PVA) und Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer (EPDM). In Festkörperzellen wird häufig der Festelektrolyt (insbesondere Polymerelektrolyt) auch als Bindemittel in der negativen Elektrode eingesetzt. Ferner umfasst das Aktivmaterial vorzugweise noch Leitadditive, z.B. Leitruß.
  • Der Festelektrolyt zeichnet sich dadurch aus, dass er ein Material umfasst oder aus diesem besteht, welches bei Raumtemperatur im Wesentlichen fest ist, und wenigstens bei Betriebstemperatur eine ausreichende lonenleitfähigkeit aufweist, um den Transport von Ionen, insbesondere Lithiumionen, zwischen den Elektroden zu gewährleisten. Darüber hinaus ist der Festelektrolyt nicht elektrisch leitfähig. Als Festelektrolyt können prinzipiell sämtliche dem Fachmann bekannte Festelektrolyte, wie z.B. keramische Festelektrolyte und/oder Polymerelektrolyte in der erfindungsgemäßen elektrochemischen Festkörperzelle eingesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die elektrochemische Festkörperzelle mindestens einen Polymerelektrolyt. Dieser umfasst vorzugsweise mindesten ein Polymer und mindestens ein Leitsalz. Als geeignete Polymere sind Polyalkylenoxide, wie Polyethylenoxid (PEO) und Polypropylenoxid (PPO) sowie Copolymere derselben zu nennen. Vorzugsweise umfasst das Polymer ein Polyethylenoxid (PEO) und/oder ein Copolymer von Polyethylenoxid. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Polymer des Polymerelektrolyten identisch mit dem mindestens einen Bindemittel der erfindungsgemäßen positiven Elektrode der elektrochemischen Festkörperzelle. Geeignete Leitsalze sind insbesondere Lithiumsalze. Das Leitsalz kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4), Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF6), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiSO3CF3), Lithiumbis(trifluormethylsulphonyl)imid (LiN(SO2CF3)2), Lithiumbis(pentafluorethylsulphonyl)imid (LiN(SO2C2F5)2), Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB, LiB(C2O4)2), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiBF2(C2O4)), Lithium-tris(pentafluorethyl)trifluorophosphat (LiPF3(C2F5)3) und Kombinationen davon. Diese könne jeweils einzeln, oder in Kombination miteinander verwendet werden. Vorzugsweise macht das mindestens eine Leitsalz einen Anteil von 1 bis 5 Gew.-%, insbesondere 2 bis 3 Gew.-% des Gesamtgewichts des Polymerelektrolyts aus.
  • Weiterhin kann die elektrochemische Festkörperzelle gegebenenfalls mindestens einen Separator umfassen, welcher zwischen der positiven und der negativen Elektrode angeordnet ist. Der Separator dient der Aufgabe, die Elektroden vor einem direkten Kontakt miteinander zu schützen und so einen Kurzschluss zu unterbinden. Gleichzeitig muss der Separator den Transfer der Ionen von einer Elektrode zur anderen gewährleisten. Es ist daher wichtig, dass der Separator elektrisch nicht leitfähig ist, jedoch eine möglichst hohe lonenleitfähigkeit, insbesondere gegenüber Lithium-Ionen aufweist. Geeignete Materialien sind insbesondere Polymere, wie Polyolefine, Polyester und fluorierte Polymere. Besonders bevorzugte Polymere sind Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polytetrafluorethen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF). Häufig übernimmt der Festelektrolyt die Rolle des Separators, sodass dieser nicht notwendig ist.
  • Eine Einheit aus mindestens einer positiven Elektrode, mindestens einer negativen Elektrode und mindestens einem Festelektrolyt wird im Sinne dieser Erfindung als elektrochemische Festkörperzelle bezeichnet. Eine Vielzahl solcher elektrochemischer Zellen kann zu einer elektrochemischen Festkörperbatterie zusammengefasst werden, indem die Stromableiter der positiven Elektroden und die Stromableiter der negativen Elektroden jeweils elektrisch leitend mit einem positiven bzw. negativen Terminal verbunden werden. Jede Festkörperbatterie weist dabei ein negatives Terminal und ein positives Terminal auf, wobei jedes Terminal mit einer Vielzahl Stromableitern verbunden ist bzw. sein kann, welche jeweils zu einer positiven Elektrode bzw. einer negativen Elektrode einer elektrochemischen Festkörperzelle gehören. Mindestens die Stromableiter aller positiven Elektroden sind zwischen dem Austrittsbereich aus dem mindestens einen Elektrodenstapel und dem Anschlussbereich an das positive Terminal mäanderförmig ausgeführt ist. Der Austrittsbereich aus dem Elektrodenstapel ist dabei der Bereich, an dem die Elektroden nicht mehr mit Aktivmaterial und/oder Elektrolyt umgeben sind. Hier sind die Stromableiter häufig kleiner ausgestaltet, z.B. in Form von sogenannten Stromableiterfähnchen, welche lediglich der Anbindung an das jeweilige Terminal dienen.
  • Folien im Sinne dieser Erfindung sind flächige Gebilde einer einheitlichen chemischen Zusammensetzung, die sich durch eine Oberfläche von der Umgebung abgrenzen lassen und deren größten Ausdehnung in zwei der drei Raumrichtungen mindestens zehnmal, vorzugsweise mindestens einhundertmal, insbesondere mindestens eintausendmal der Ausdehnung in die dritte Raumrichtung entspricht.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist der positive Stromableiter eine Metallfolie, welche mit einer Klemmverbindung direkt oder indirekt an das positive Terminal angebunden ist. Vorzugsweise ist die Metallfolie mit der Klemmverbindung direkt an das positive Terminal angebunden. Die Anbindung dünner Metallfolien stellt sich üblicherweise schwierig dar, insbesondere in einem maschinellen Verfahren. Gerade Metallfolien aus weichen Metallen wie Lithium reißen hierbei besonders schnell. Eine Klemmverbindung ermöglicht das Anbinden von Metallfolien, ohne dass diese selbst mechanisch stark beansprucht werden. Dieses schonende Verfahren wird dadurch durch die mäanderförmige Ausgestaltung des Stromableiters unterstützt. Die Anbindung der Metallfolie über eine Klemmverbindung kann beispielsweise mit Hilfe eines wellenförmigen, geriffelten oder glatten Klemmverbinders erzielt wird. Um eine möglichst stabile Klemmverbindung zu erreichen, wird vorzugsweise ein wellenförmiger oder geriffelter Klemmverbinder eingesetzt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist auch der mindestens eine negative Stromableiter eine Metallfolie, welche mit einer Klemmverbindung direkt oder indirekt an das positive Terminal angebunden ist. Beispielsweise ist der Negative Stromableiter aus einer Kupferfolie oder einer Aluminiumfolie gefertigt.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der positive Stromableiter eine Metallfolie, welche Lithium oder eine Lithiumlegierung, insbesondere eine Legierungen mit Alkali- oder Erdalkalimetallen, Aluminium, Kupfer und/oder Nickel, umfasst.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Festkörperbatterie, umfassend mindestens einen Elektrodenstapel, mindestens ein positives Terminal und mindestens ein negatives Terminal, wobei jeder Elektrodenstapel mindestens eine elektrochemische Festkörperzelle umfasst, und jede elektrochemische Festkörperzelle umfasst:
    • (i) mindestens eine positive Elektrode, umfassend mindestens einen positiven Stromableiter, welcher die mindestens eine positive Elektrode elektrisch leitend mit einem positiven Terminal verbindet;
    • (ii) mindestens eine negative Elektrode, umfassend mindestens einen negativen Stromableiter, welcher die mindestens eine negative Elektrode elektrisch leitend mit einem negativen Terminal verbindet; und
    • (iii) mindestens einen Festelektrolyt, welcher mindestens zwischen der negativen und der positiven Elektrode angeordnet ist;
    dadurch gekennzeichnet, dass der Stromableiter der positive Elektrode zwischen dem Austrittsbereich aus dem mindestens einen Elektrodenstapel und dem Anschlussbereich an das positive Terminal mäanderförmig ausgeführt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird so durchgeführt, dass zunächst mindestens eine elektrochemische Festkörperzelle, umfassend die mindestens eine positive Elektrode, die mindestens eine negative Elektrode und den mindestens einen Elektrolyten, bereitgestellt wird. Sofern eine Vielzahl elektrochemischer Festkörperzellen eingesetzt werden soll, werden diese vorteilhafter weise zu Elektrodenstapeln zusammengefasst, wobei die Anschlussstellen der positiven Stromableiter und der negativen Stromableiter an die Terminals (die sogenannten Stromableiterfähnchen) getrennt voneinander jeweils einen Stapel ausbilden. Die gestapelten positiven Stromableiter werden dann an das positive Terminal der Festkörperbatterie angeschlossen. Dies geschieht mit Hilfe eines Klemmverbinders, insbesondere mit Hilfe eines wellenförmigen, geriffelten oder glatten Klemmverbinders, vorzugsweise eines wellenförmigen oder geriffelten Klemmverbinders. Dabei ist darauf zu Achten, dass der Stromableiter der positiven Elektrode zwischen dem Austrittsbereich aus dem mindestens einen Elektrodenstapel und dem Anschlussbereich an das positive Terminal mäanderförmig ausgeführt ist. Dies wird erzielt, indem die Länge des positiven Stromableiters in dem Bereich zwischen dem Austrittsbereich aus dem mindestens einen Elektrodenstapel und dem Anschlussbereich an das positive Terminal größer ist als der Abstand zwischen dem Austrittsbereich aus dem mindestens einen Elektrodenstapel und dem Anschlussbereich an das positive Terminal.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vielzahl von positiven Stromableitern aus mindestens einem Elektrodenstapel zu einem Stapel von positiven Stromableitern zusammengefasst und gemeinsam mittels einer Klemmverbindung direkt oder indirekt an das positive Terminal angebunden, sodass jeder der positiven Stromableiter zwischen dem Austrittsbereich aus dem mindestens einen Elektrodenstapel und dem Anschlussbereich an das positive Terminal mäanderförmig ausgestaltet ist.
  • Vorzugsweise wird mit dem negativen Stromableiter der negativen Elektrode analog vorgegangen, sodass auch hier eine mäanderförmige Ausgestaltung erzielt wird. Auch die negativen Stromableiter werden vorzugweise mit einer Klemmverbindung an das negative Terminal angebunden.
  • Die erfindungsgemäße elektrochemische Festkörperbatterie findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), in einem Werkzeug oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt. Unter Werkzeugen sind dabei insbesondere Heimwerkzeuge sowie Gartenwerkzeuge zu verstehen. Unter Consumer-Elektronik-Produkten sind insbesondere Mobiltelefone, Tablet-PCs oder Notebooks zu verstehen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Festkörperbatterie zeichnet sich dadurch aus, dass durch die mäanderförmige Ausgestaltung der Anbindung der positiven Stromableiter und/oder der negativen Stromableiter an die jeweiligen Terminals eine Änderung der Anordnung, der Volumina und/oder der Form innerhalb der Festkörperbatterie während der Ladungszyklen (sogenannte Zell-Atmung oder Swelling) ausgeglichen werden kann. Die Gefahr des Abreißen der Stromableiter von dem Terminal wird so mit einfachen Mitteln effektiv reduziert. Außerdem ermöglicht die Verwendung von Klemmverbindern eine rasche, schonende und kostengünstige Anbindung der Stromableiter. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch leicht umsetzbar. Die Verwendung von Lithiumfolien als Aktivmaterial und Stromableiter verbessert durch den Verzicht auf weitere Materialien die Leitfähigkeit indem der elektrische Wiederstand positiven Elektrode sinkt.
  • Figurenliste
  • Es zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäße elektrochemische Festkörperbatterie;
    • 2 einen schematische Darstellung eines Elektrodenstapels in der Draufsicht; und
    • 3 eine schematisch Darstellung eines Elektrodenstapels in der Seitenansicht.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist der Aufbau einer elektrochemischen Festkörperbatterie 1 schematisch dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 1 kein Elektrodenstapel 2 dargestellt. Der Elektrodenstapel 2 ist stattdessen auf eine elektrochemische Festkörperzelle 3 mit jeweils einer positiven Elektrode 21 und einer negativen Elektrode 22 reduziert. Eine positive Elektrode 21, umfassend einen positiven Stromableiter 31 und ein positives Aktivmaterial 41, ist über ein mäanderförmig geführtes positives Stromableiterfähnchen 51 des positiven Stromableiters 31 mittels eines Klemmverbinders 61 mit dem positiven Terminal 11 verbunden. Gegenüberliegend befindet sich eine negative Elektrode 22, die ein negatives Aktivmaterial 42 und einen negativen Stromableiter 32 umfasst, über welchen die negative Elektrode 22 über ein mäanderförmig geführtes negatives Stromableiterfähnchen 52 des negativen Stromableiters 32 mittels eines Klemmverbinders 62 mit dem negativen Terminal 12 verbindet. Die positive Elektrode 21 und die negative Elektrode 22 sind in einem Gehäuse 4 angeordnet.
  • Das positive Aktivmaterial 41 ist ebenso wie der positive Stromableiter 31 (inklusive des positiven Stromableiterfähnchens 51) vorzugsweise aus elementarem Lithium in Form einer Lithiumfolie gefertigt. Das negative Aktivmaterial 42 umfasst beispielsweise ein NCM-Mischoxid als Aktivmaterial. Der negative Stromableiter 32 (inklusive des negativen Stromableiterfähnchens 52) ist vorzugsweise aus einem Metall gefertigt, z.B. aus einer Aluminiumfolie.
  • Der Festelektrolyt 15 trennt die positive Elektrode 21 und die negative Elektrode 22 mechanisch voneinander und stellt gleichzeitig eine ionenleitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden her. Der Festelektrolyt 15 übernimmt so auch die Aufgabe des Separators. Als Festelektrolyt 15 wird ein Polymerelektrolyt, beispielsweise ein Gemisch aus Polyethylenoxid und Li(CF3)SO2NSO2(CF3) (LiTFSI) eingesetzt.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektrodenstapels 2 in der Draufsicht. Im Vordergrund ist eine positive Elektrode 21 zu erkennen, welche aus einer Lithiumfolie besteht. Die Lithiumfolie übernimmt vorliegend die Aufgabe des positiven Stromableiters 31 sowie des positiven Aktivmaterials 41. Die Lithiumfolie ist im Wesentlichen rechteckig ausgebildet und weist in einem Bereich ein positives Stromableiterfähnchen 51 auf, welches ebenfalls aus einer Lithiumfolie gefertigt ist. Die in dem Elektrodenstapel 2 darunterliegenden positiven Elektroden 21 sind analog ausgestaltet und so angeordnet, dass sämtliche positiven Stromableiterfähnchen 51 deckungsgleich übereinander liegen. Die negative Elektroden 22 sind in der vorliegenden Draufsicht nicht erkennbar. Lediglich die jeweiligen negativen Stromableiterfähnchen 52 ragen über die Ausdehnung der obersten positiven Elektrode 21 hinaus und sind so zu sehen. Die Anbindung des Elektrodenstapels 2 an das positive Terminal 11 bzw. das negative Terminal 12 erfolgt gemeinsam für sämtliche positiven Elektroden 21 über den Stapel der positiven Stromableiterfähnchen 51 bzw. gemeinsam für sämtliche negativen Elektroden 22 über den Stapel der negativen Stromableiterfähnchen 52. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der Anschluss die Terminals 11, 12 vorliegend nicht gezeigt.
  • 3 zeigt den Elektrodenstapel 2 gemäß 2 in der Seitenansicht aus der in 2 gezeigten Blickrichtung A. Es ist der Aufbau aus abwechselnden positiven Elektroden 21 und negativen Elektroden 22 zu erkennen, wobei zwischen diesen Elektrolyt 15 angeordnet ist. Die positiven Stromableiterfähnchen 51 der positiven Elektroden 21 liegen in dieser Ansicht im Vordergrund und können im Stapel mäanderförmig geführt und so mit einem Klemmverbinder 61 an das positive Terminal 11 angeschlossen werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die in der vorliegenden Ansicht im Hintergrund liegenden negativen Stromableiterfähnchen 52 der negativen Elektroden 22 sowie deren Anschluss an das negative Terminal 12 nicht gezeigt.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2009224035 [0003]
    • KR 20150040454 [0004]

Claims (10)

  1. Elektrochemische Festkörperbatterie (1), umfassend mindestens einen Elektrodenstapel (2), mindestens ein positives Terminal (11) und mindestens ein negatives Terminal (12) wobei jeder Elektrodenstapel (2) mindestens eine elektrochemische Festkörperzelle (3) umfasst, und jede elektrochemische Festkörperzelle (3) umfasst: (i) mindestens eine positive Elektrode (21), umfassend einen positiven Stromableiter (31), welcher die mindestens eine positive Elektrode (21) elektrisch leitend mit einem positiven Terminal (11) verbindet; (ii) mindestens eine negative Elektrode (22), umfassend einen negativen Stromableiter (32), welcher die mindestens eine negative Elektrode (22) elektrisch leitend mit einem negativen Terminal (22) verbindet; und (iii) mindestens einen Festelektrolyt (15), welcher mindestens zwischen der negativen Elektrode (22) und der positiven Elektrode (21) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass der positive Stromableiter (31) der positive Elektrode (21) zwischen dem Austrittsbereich aus dem mindestens einen Elektrodenstapel (2) und dem Anschlussbereich an das positive Terminal (11) mäanderförmig ausgeführt ist.
  2. Elektrochemische Festkörperbatterie (1) nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine positive Stromableiter (31) eine Metallfolie ist, welche mit einer Klemmverbindung direkt oder indirekt an das positive Terminal (11) angebunden ist.
  3. Elektrochemische Festkörperbatterie (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine positive Stromableiter (31) eine Metallfolie ist, welche Lithium und/oder eine Lithiumlegierung umfasst.
  4. Elektrochemische Festkörperbatterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mäanderförmige Ausgestaltung des positiven Stromableiters (31) dadurch erreicht wird, dass die Länge des positiven Stromableiters (31), insbesondere in Form eines positiven Stromableiterfähnchens (51), zwischen dem Austrittsbereich aus dem mindestens einen Elektrodenstapel (2) und dem Anschlussbereich an das positive Terminal (11) größer ist als der Abstand zwischen dem Austrittsbereich aus dem mindestens einen Elektrodenstapel (2) und dem Anschlussbereich an das positive Terminal (11).
  5. Elektrochemische Festkörperbatterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Vielzahl von positiven Stromableitern (31), insbesondere in Form von positiven Stromableiterfähnchen (51), aus mindestens einem Elektrodenstapel (2) zu einem Stapel von positiven Stromableitern (31) zusammengefasst und gemeinsame mittels einer Klemmverbindung direkt oder indirekt an das positive Terminal (11) angebunden werden, wobei jeder der positiven Stromableiter (31), insbesondere in Form von positiven Stromableiterfähnchen (51), zwischen dem Austrittsbereich aus dem mindestens einen Elektrodenstapel (2) und dem Anschlussbereich an das positive Terminal (11) mäanderförmig ausgestaltet ist.
  6. Elektrochemische Festkörperbatterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der negative Stromableiter (32) der negativen Elektrode (22) zwischen dem Austrittsbereich aus dem mindestens einen Elektrodenstapel (2) und dem Anschlussbereich an das negative Terminal (12) mäanderförmig ausgeführt ist.
  7. Elektrochemische Festkörperbatterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Klemmverbindung direkt an das positive Terminal (11) angebunden ist.
  8. Elektrochemische Festkörperbatterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Klemmverbindung über einen wellenförmigen, geriffelten oder glatten Klemmverbinder (61) erzielt wird.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Festkörperbatterie (1), umfassend mindestens einen Elektrodenstapel (2), mindestens ein positives Terminal (11) und mindestens ein negatives Terminal (12), wobei jeder Elektrodenstapel (2) mindestens eine elektrochemische Festkörperzelle (3) umfasst, und jede elektrochemische Festkörperzelle (3) umfasst: (i) mindestens eine positive Elektrode (21), umfassend mindestens einen positiven Stromableiter (31), welcher die mindestens eine positive Elektrode (21) elektrisch leitend mit einem positiven Terminal (11) verbindet; (ii) mindestens eine negative Elektrode (22), umfassend mindestens einen negativen Stromableiter (32), welcher die mindestens eine negative Elektrode (22) elektrisch leitend mit einem negativen Terminal (12) verbindet; und (iii) mindestens einen Festelektrolyt (15), welcher mindestens zwischen der negativen Elektrode (22) und der positiven Elektrode (21) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass der positive Stromableiter (31) der positive Elektrode (21) zwischen dem Austrittsbereich aus dem mindestens einen Elektrodenstapel (2) und dem Anschlussbereich an das positive Terminal (11) mäanderförmig ausgeführt wird.
  10. Verwendung einer elektrochemischen Festkörperbatterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder einer nach einem Verfahren nach Anspruch 9 erhaltenen elektrochemischen Festkörperbatterie (1) in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), in einem Werkzeug oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt.
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