DE102017218416A1 - Electrode unit for a battery cell and battery cell - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrodeneinheit (10) für eine Batteriezelle, umfassend eine Mehrzahl von Stapelelementen (50), welche jeweils eine anodische Aktivmaterialschicht (41), eine kathodische Aktivmaterialschicht (42) und eine zwischen der anodischen Aktivmaterialschicht (41) und der kathodischen Aktivmaterialschicht (42) angeordnete Separatorschicht (45) aufweisen, und mindestens ein elektrisch leitfähiges Leitelement (60), welches zwischen zwei benachbarten Stapelelementen (50) angeordnet ist. Dabei weist das mindestens eine Leitelement (60) eine Leitschicht auf, welche ein Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren umfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, welche mindestens eine erfindungsgemäße Elektrodeneinheit (10) umfasst.

Figure DE102017218416A1_0000
The invention relates to an electrode unit (10) for a battery cell, comprising a plurality of stack elements (50) each having an anodic active material layer (41), a cathodic active material layer (42) and an intermediate active material layer (41) and the cathodic active material layer ( 42) arranged separator layer (45), and at least one electrically conductive guide element (60) which is arranged between two adjacent stack elements (50). In this case, the at least one guide element (60) has a conductive layer, which comprises a fabric made of carbon nanotubes. The invention also relates to a battery cell which comprises at least one electrode unit (10) according to the invention.
Figure DE102017218416A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle, die eine Mehrzahl von Stapelelementen, welche jeweils eine anodische Aktivmaterialschicht, eine kathodische Aktivmaterialschicht und eine zwischen der anodischen Aktivmaterialschicht und der kathodischen Aktivmaterialschicht angeordnete Separatorschicht aufweisen, und mindestens ein elektrisch leitfähiges Leitelement, welches zwischen zwei benachbarten Stapelelementen angeordnet ist, umfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, welche mindestens eine erfindungsgemäße Elektrodeneinheit umfasst.The invention relates to an electrode unit for a battery cell, comprising a plurality of stack elements each having an anode active material layer, a cathodic active material layer and a separator layer disposed between the anodic active material layer and the cathodic active material layer, and at least one electrically conductive guide element sandwiched between two adjacent stack elements is arranged comprises. The invention also relates to a battery cell which comprises at least one electrode unit according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen.Electrical energy can be stored by means of batteries. Batteries convert chemical reaction energy into electrical energy. Here, a distinction is made between primary batteries and secondary batteries. Primary batteries are only functional once, while secondary batteries, also referred to as accumulators, are rechargeable. A battery comprises one or more battery cells.

In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.In particular, so-called lithium-ion battery cells are used in an accumulator. These are characterized among other things by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge. Lithium-ion battery cells are used, inter alia, in motor vehicles, in particular in electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HEV) and plug-in hybrid electric vehicles (PHEV).

Lithium-Ionen-Batteriezellen umfassen mindestens eine Elektrodeneinheit, welche eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, aufweist. Die Kathode sowie die Anode umfassen jeweils eine Aktivmaterialschicht, welche ein elektrochemisches Aktivmaterial aufweist. Die Aktivmaterialschicht umfasst neben dem Aktivmaterial oft weitere Materialien, insbesondere eine elektronische Leitkomponente wie beispielweise Leitruß oder Graphit, sowie eine ionische Leitkomponente wie beispielweise einen Elektrolyt. Zur mechanischen Stabilisierung der Aktivmaterialschicht kann beispielweise ein Polymerbinder verwendet werden.Lithium-ion battery cells comprise at least one electrode unit, which has a positive electrode, which is also referred to as a cathode, and a negative electrode, which is also referred to as an anode. The cathode and the anode each comprise an active material layer which comprises an electrochemical active material. In addition to the active material, the active material layer often comprises other materials, in particular an electronic conductive component such as carbon black or graphite, and an ionic conductive component such as an electrolyte. For mechanical stabilization of the active material layer, for example, a polymer binder can be used.

Die Elektrodeneinheit umfasst auch einen zwischen der Kathode und der Anode angeordneten Separator, welcher die Anode und die Kathode voneinander separiert. Der Separator ist ionisch leitfähig aber elektrisch nichtleitend ausgebildet. Der Separator kann insbesondere einen Festkörperelektrolyten, wie beispielsweise Polymer, Glas oder Keramik, aufweisen.The electrode unit also includes a separator disposed between the cathode and the anode, which separates the anode and the cathode from each other. The separator is ionically conductive but electrically non-conductive. The separator may in particular comprise a solid electrolyte, such as polymer, glass or ceramic.

Aus der Druckschrift US 2015/0064533 A1 sind eine gattungsgemäße Elektrodeneinheit sowie eine gattungsgemäße Batteriezelle bekannt. Dabei sind mehrere Stapelelemente vorgesehen, welche jeweils eine zwischen einer anodischen Aktivmaterialschicht und einer kathodischen Aktivmaterialschicht angeordnete Separatorschicht aufweisen. Zwischen zwei benachbarten Stapelelementen ist jeweils ein metallisch ausgebildetes und somit elektrisch leitfähiges Leitelement angeordnet.From the publication US 2015/0064533 A1 are a generic electrode unit and a generic battery cell known. In this case, a plurality of stack elements are provided which each have a separator layer arranged between an anodic active material layer and a cathodic active material layer. Between two adjacent stack elements, a metallically formed and thus electrically conductive guide element is arranged in each case.

Die Druckschrift US 2016/0036059 A1 offenbart eine Batteriezelle, welche eine Mehrzahl von negativen Elektrodenschichten und eine Mehrzahl von positiven Elektrodenschichten aufweist, zwischen denen jeweils eine Separatorschicht angeordnet ist. Die positiven Elektrodenschichten enthalten dabei ein dreidimensionales Gerüst aus einem Faserverbund und eine Leitkomponente, welche faserartig aus Kohlenstoffnanoröhren gebildet ist.The publication US 2016/0036059 A1 discloses a battery cell having a plurality of negative electrode layers and a plurality of positive electrode layers, between each of which a separator layer is disposed. The positive electrode layers in this case contain a three-dimensional framework made of a fiber composite and a conductive component, which is formed like a fiber from carbon nanotubes.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird eine Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle vorgeschlagen. Die Elektrodeneinheit umfasst eine Mehrzahl von Stapelelementen. Die Stapelelemente weisen jeweils eine anodische Aktivmaterialschicht, eine kathodische Aktivmaterialschicht und eine zwischen der anodischen Aktivmaterialschicht und der kathodischen Aktivmaterialschicht angeordnete Separatorschicht auf.An electrode unit for a battery cell is proposed. The electrode unit comprises a plurality of stack elements. The stacking elements each comprise an anodic active material layer, a cathodic active material layer, and a separator layer disposed between the anodic active material layer and the cathodic active material layer.

Die kathodische Aktivmaterialschicht enthält beispielsweise als Aktivmaterial eine Legierung aus Nickel, Cobald und Mangan (NCM) oder Lithiummanganoxid (LMO) oder Lithiumeisenphosphat (LFP). Auch andere Aktivmaterialien sind denkbar. Das kathodische Aktivmaterial kann optional eine Beschichtung, beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al2O3) oder Lithiumniobat (LiNbO3) zur Reduzierung des Oberflächenwiderstands aufweisen. Die kathodische Aktivmaterialschicht kann auch einen insbesondere sulfidisch, oxidisch oder polymerisch ausgebildeten Festkörperelektrolyten zur Erhöhung der ionischen Leitfähigkeit enthalten. Ferner kann die kathodische Aktivmaterialschicht einen Leitfähigkeitszusatz, beispielsweise eine Kohlenstoffverbindung, zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit aufweisen. Zur mechanischen Stabilisierung der kathodischen Aktivmaterialschicht kann beispielweise ein Binder verwendet werden.The cathodic active material layer contains, for example as active material, an alloy of nickel, cobalt and manganese (NCM) or lithium manganese oxide (LMO) or lithium iron phosphate (LFP). Other active materials are conceivable. The cathodic active material may optionally have a coating of, for example, alumina (Al 2 O 3 ) or lithium niobate (LiNbO 3 ) to reduce surface resistance. The cathodic active material layer may also contain a particularly sulfidic, oxidic or polymeric solid-state electrolyte for increasing the ionic conductivity. Furthermore, the cathodic active material layer may have a conductivity additive, for example a carbon compound, for increasing the electrical conductivity. For mechanical stabilization of the cathodic active material layer, for example, a binder can be used.

Die anodische Aktivmaterialschicht enthält als Aktivmaterial beispielsweise reines metallisches Lithium oder eine Lithiumlegierung. Die anodische Aktivmaterialschicht kann als Aktivmaterial auch Graphit, Silizium oder eine Mischung aus diesen Stoffen enthalten. Auch andere Aktivmaterialien sind denkbar. Ferner kann die anodische Aktivmaterialschicht auch einen insbesondere sulfidisch ausgebildeten Festkörperelektrolyten zur Erhöhung der ionischen Leitfähigkeit aufweisen.The anodic active material layer contains as active material, for example, pure metallic lithium or a lithium alloy. The anodic active material layer can also be graphite, silicon or a mixture of these substances as active material contain. Other active materials are conceivable. Furthermore, the anodic active material layer may also have a particularly sulfidically formed solid electrolyte for increasing the ionic conductivity.

Die Elektrodeneinheit umfasst ferner mindestens ein elektrisch leitfähiges Leitelement, welches zwischen zwei benachbarten Stapelelementen angeordnet ist. Mittels des elektrisch leitfähigen Leitelements sind somit zwei benachbarte Stapelelemente seriell verschaltet. Das Leitelement ist dabei ionisch nicht leitend ausgebildet. Ein Transport von Lithiumionen durch das Leitelement hindurch ist also nicht möglich.The electrode unit further comprises at least one electrically conductive guide element, which is arranged between two adjacent stack elements. By means of the electrically conductive guide element thus two adjacent stack elements are connected in series. The guide element is ionically non-conductive. A transport of lithium ions through the guide element is therefore not possible.

Erfindungsgemäß weist das mindestens eine Leitelement eine Leitschicht auf, welche ein Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren umfasst. Das Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren ist dabei flächig und verhältnismäßig dünn ausgeführt, insbesondere in Form einer Folie. Bei der Herstellung der Elektrodeneinheit wird die Leitschicht vorzugsweise vorgefertigt und dann zwischen die Stapelelemente eingebracht. Das Gewebe ist dabei insbesondere aus Kohlenstoffnanoröhren gebildet.According to the invention, the at least one guide element has a conductive layer, which comprises a fabric made of carbon nanotubes. The fabric of carbon nanotubes is flat and relatively thin, especially in the form of a film. In the manufacture of the electrode unit, the conductive layer is preferably prefabricated and then introduced between the stack elements. The tissue is formed in particular from carbon nanotubes.

Vorzugsweise weist die Separatorschicht der Stapelelemente einen Festkörperelektrolyten auf. Der Festkörperelektrolyt weist dabei insbesondere für Lithiumionen eine verhältnismäßig hohe Leitfähigkeit auf, ist aber elektrisch nicht leitfähig. Der Festkörperelektrolyt ist bevorzugt anorganisch, insbesondere sulfidisch, oxidisch oder polymerisch, ausgebildet. Der Festkörperelektrolyt kann beispielsweise eine kristalline sowie eine amorphe Struktur oder eine Mischung aus diesen beiden Strukturen aufweisen.The separator layer of the stack elements preferably has a solid electrolyte. The solid-state electrolyte has a relatively high conductivity, in particular for lithium ions, but is not electrically conductive. The solid electrolyte is preferably inorganic, in particular sulphidic, oxidic or polymeric. The solid electrolyte may, for example, have a crystalline as well as an amorphous structure or a mixture of these two structures.

Vorzugsweise sind die Stapelelemente und das mindestens eine Leitelement derart in der Elektrodeneinheit angeordnet, dass das mindestens eine Leitelement an die anodische Aktivmaterialschicht eines Stapelelements und an die kathodische Aktivmaterialschicht eines benachbarten Stapelelements angrenzt. Somit sind die zwei benachbarten Stapelelemente mittels des elektrisch leitfähigen Leitelements seriell verschaltet.Preferably, the stack elements and the at least one guide element are arranged in the electrode unit such that the at least one guide element adjoins the anodic active material layer of a stack element and the cathodic active material layer of an adjacent stack element. Thus, the two adjacent stack elements are connected in series by means of the electrically conductive guide element.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung grenzt die Leitschicht des mindestens einen Leitelements, also das besagte Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren, unmittelbar an eine anodische Aktivmaterialschicht eines Stapelelements an.According to an advantageous embodiment of the invention, the conductive layer of the at least one guide element, that is to say the said fabric of carbon nanotubes, adjoins directly to an anodic active material layer of a stack element.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung grenzt die Leitschicht des mindestens einen Leitelements, also das besagte Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren, unmittelbar an eine kathodische Aktivmaterialschicht eines Stapelelements an.According to a further advantageous embodiment of the invention, the conductive layer of the at least one guide element, that is to say the said fabric of carbon nanotubes, adjoins directly to a cathodic active material layer of a stack element.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das mindestens eine Leitelement eine elektrisch leitfähige Randschicht auf. Die elektrisch leitfähige Randschicht ist beispielsweise in Form einer Beschichtung auf die Leitschicht des mindestens einen Leitelements, also auf das besagte Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren, aufgebracht. Die Randschicht weist bevorzugt eine Stärke von etwa 1 µm auf.According to an advantageous development of the invention, the at least one guide element has an electrically conductive surface layer. The electrically conductive surface layer is applied, for example, in the form of a coating on the conductive layer of the at least one guide element, that is to say on the said fabric of carbon nanotubes. The edge layer preferably has a thickness of about 1 μm.

Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung sind die Stapelelemente und das mindestens eine Leitelement derart in der Elektrodeneinheit angeordnet, dass die elektrisch leitfähige Randschicht des mindestens einen Leitelements unmittelbar an eine anodische Aktivmaterialschicht eines Stapelelements angrenzt.According to one possible embodiment of the invention, the stack elements and the at least one guide element are arranged in the electrode unit such that the electrically conductive edge layer of the at least one guide element directly adjoins an anodic active material layer of a stack element.

Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung sind die Stapelelemente und das mindestens eine Leitelement derart in der Elektrodeneinheit angeordnet, dass die elektrisch leitfähige Randschicht des mindestens einen Leitelements unmittelbar an eine kathodische Aktivmaterialschicht eines Stapelelements angrenzt.According to a further possible embodiment of the invention, the stack elements and the at least one guide element are arranged in the electrode unit such that the electrically conductive edge layer of the at least one guide element directly adjoins a cathodic active material layer of a stack element.

Bevorzugt ist die elektrisch leitfähige Randschicht des mindestens einen Leitelements metallisch ausgebildet und insbesondere aus Kupfer, Aluminium oder Nickel gefertigt.Preferably, the electrically conductive surface layer of the at least one guide element is formed metallic and in particular made of copper, aluminum or nickel.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung enthält die Leitschicht, welche als Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren oder als Kohlenstoffnanoröhren-Fasermatte ausgebildet ist, für den Fall dass die Randschicht in Kontakt mit der Kathode ist, bereits vorab eingebrachtes Lithium. Das besagte Lithium ist beispielsweise in das Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren eingebracht. Durch die Randschicht wird ein Kontakt des Lithium in der Fasermatte mit der Kathode vermieden, die Fasermatte an sich bildet jedoch ein Grundgerüst für die Abscheidung von Lithium an der Anode beim Ladeprozess der Batterie, was vorteilhaft die Volumenänderung des Zellstapels verringern kann.According to an advantageous embodiment of the invention, the conductive layer, which is formed as a fabric of carbon nanotubes or as a carbon nanotube fiber mat, in the event that the edge layer is in contact with the cathode, already pre-introduced lithium. For example, said lithium is introduced into the fabric of carbon nanotubes. The edge layer avoids contact of the lithium in the fiber mat with the cathode, but the fiber mat per se forms a skeleton for the deposition of lithium at the anode during the charging process of the battery, which can advantageously reduce the volume change of the cell stack.

Es wird auch eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens eine erfindungsgemäße Elektrodeneinheit umfasst.A battery cell is also proposed which comprises at least one electrode unit according to the invention.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Eine erfindungsgemäße Elektrodeneinheit kann eine verhältnismäßig hohe spezifische Energie von über 400 Wh/kg aufweisen. Dabei ist der relative Anteil an elektrochemisch inaktiven Komponenten vorteilhaft reduziert. Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren können in Stärken von 3 µm bis 5 µm hergestellt werden und sind somit deutlich dünner als handelsübliche Kupferfolien, welche üblicherweise in Stärken zwischen 6 µm und 10 µm verfügbar sind. Ferner weisen Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren ein deutlich geringeres Gewicht als handelsübliche Kupferfolien auf. Ein Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren mit einer Stärke von 5 µm hat beispielsweise ein Gewicht zwischen 0,18 mg/cm2 und 0,2 mg/cm2. Eine handelsübliche Kupferfolie mit einer Stärke von 10 µm hat beispielsweise ein Gewicht von 9 mg/cm2. Somit sind die spezifische Energie - gemessen in Wh/kg - sowie die Energiedichte - gemessen in Wh/l - einer erfindungsgemäßen Elektrodeneinheit und einer erfindungsgemäßen Batteriezelle vorteilhaft erhöht.An electrode unit according to the invention may have a relatively high specific energy of more than 400 Wh / kg. The relative proportion of electrochemically inactive components is advantageously reduced. Carbon nanotube fabrics can be produced in thicknesses of 3 .mu.m to 5 .mu.m and are thus significantly thinner than commercially available copper foils, which are commonly used in Thicknesses between 6 μm and 10 μm are available. Furthermore, carbon nanotube fabrics have a significantly lower weight than commercial copper foils. For example, a woven fabric of carbon nanotubes having a thickness of 5 μm has a weight of between 0.18 mg / cm 2 and 0.2 mg / cm 2 . For example, a commercial copper foil having a thickness of 10 μm has a weight of 9 mg / cm 2 . Thus, the specific energy - measured in Wh / kg - and the energy density - measured in Wh / l - an electrode unit according to the invention and a battery cell according to the invention are advantageously increased.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle,
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung einer Elektrodeneinheit,
  • 3 eine schematische Schnittdarstellung eine Leitelements gemäß einer ersten Ausführungsform,
  • 4 eine schematische Schnittdarstellung eine Leitelements gemäß einer zweiten Ausführungsform und
  • 5 eine schematische Schnittdarstellung eine Leitelements gemäß einer dritten Ausführungsform.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a battery cell,
  • 2 a schematic sectional view of an electrode unit,
  • 3 a schematic sectional view of a guide element according to a first embodiment,
  • 4 a schematic sectional view of a guide element according to a second embodiment and
  • 5 a schematic sectional view of a guide element according to a third embodiment.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, wherein a repeated description of these elements is dispensed with in individual cases. The figures illustrate the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Zellengehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Das Zellengehäuse 3 kann aber auch aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt sein. 1 shows a schematic representation of a battery cell 2 , The battery cell 2 includes a cell housing 3 , which is prismatic, in the present cuboid, is formed. The cell case 3 In the present case, it is designed to be electrically conductive and, for example, made of aluminum. The cell case 3 but can also be made of an electrically insulating material, such as plastic.

Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden.The battery cell 2 includes a negative terminal 11 and a positive terminal 12 , About the terminals 11 . 12 can one from the battery cell 2 provided voltage can be tapped. Furthermore, the battery cell 2 over the terminals 11 . 12 also be loaded.

Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist eine Elektrodeneinheit 10 angeordnet, welche beispielsweise als Elektrodenstapel ausgeführt ist. Die Elektrodeneinheit 10 weist zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, auf. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind durch einen Separator 18 voneinander separiert. Der Separator 18 ist ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig. Der Separator 18 ist elektrisch isolierend, also für Elektronen nicht leitend.Inside the cell case 3 the battery cell 2 is an electrode unit 10 arranged, which is designed for example as an electrode stack. The electrode unit 10 has two electrodes, namely an anode 21 and a cathode 22 , on. The anode 21 and the cathode 22 are through a separator 18 separated from each other. The separator 18 is ionic conductive, so permeable to lithium ions. The separator 18 is electrically insulating, ie non-conductive for electrons.

Die Elektrodeneinheit 10 umfasst ferner einen negativen Stromableiter 31. Der negative Stromableiter 31 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und beispielsweise aus einem Metall gefertigt, insbesondere aus Kupfer. Der negative Stromableiter 31 ist elektrisch mit der Anode 21 und mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.The electrode unit 10 further includes a negative current collector 31 , The negative current collector 31 is made electrically conductive and made for example of a metal, in particular of copper. The negative current collector 31 is electric with the anode 21 and with the negative terminal 11 the battery cell 2 connected.

Die Elektrodeneinheit 10 umfasst ferner einen positiven Stromableiter 32. Der positive Stromableiter 32 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und beispielsweise aus einem Metall gefertigt, insbesondere aus Aluminium. Der positive Stromableiter 32 ist elektrisch mit der Kathode 22 und mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.The electrode unit 10 further includes a positive current collector 32 , The positive current conductor 32 is made electrically conductive and made for example of a metal, in particular aluminum. The positive current conductor 32 is electric with the cathode 22 and with the positive terminal 12 the battery cell 2 connected.

In der Kathode 22 der Elektrodeneinheit 10 sind Lithiumatome eingelagert. Bei einem Ladevorgang der Elektrodeneinheit 10 in der Batteriezelle 2 wandern Lithiumionen von der Kathode 22 durch den Separator 18 zu der Anode 21. Dabei werden die Lithiumionen in der Anode 21 eingelagert. Dieser Vorgang wird auch als Lithiierung bezeichnet. Gleichzeitig fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Kathode 22 zu der Anode 21.In the cathode 22 the electrode unit 10 Lithium atoms are embedded. During a charging process of the electrode unit 10 in the battery cell 2 Lithium ions migrate from the cathode 22 through the separator 18 to the anode 21 , The lithium ions in the anode 21 stored. This process is also referred to as lithiation. At the same time electrons flow in an external circuit from the cathode 22 to the anode 21 ,

Beim Betrieb der Batteriezelle 2, also bei einem Entladevorgang der Elektrodeneinheit 10, fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Anode 21 zu der Kathode 22. Innerhalb der Elektrodeneinheit 10 wandern Lithiumionen von der Anode 21 durch den Separator 18 zu der Kathode 22. Dabei lagern die Lithiumionen aus der Anode 21 reversibel aus, was auch als Delithiierung bezeichnet wird.During operation of the battery cell 2 , ie during a discharge process of the electrode unit 10 , electrons flow in an external circuit from the anode 21 to the cathode 22 , Inside the electrode unit 10 Lithium ions migrate from the anode 21 through the separator 18 to the cathode 22 , The lithium ions are stored in the anode 21 reversible, which is also called delithiation.

2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Elektrodeneinheit 10 für die in 1 dargestellte Batteriezelle 2. Die Elektrodeneinheit 10 umfasst mehrere, vorliegend drei, Stapelelemente 50. Die Elektrodeneinheit 10 umfasst ferner mehrere, vorliegend zwei, elektrisch leitfähige Leitelemente 60. Dabei ist zwischen je zwei benachbarten Stapelelementen 50 jeweils ein Leitelement 60 angeordnet. Die Elektrodeneinheit 10 kann auch eine andere Anzahl von Stapelelementen 50 und Leitelementen 60 aufweisen. 2 shows a schematic sectional view of an electrode unit 10 for the in 1 illustrated battery cell 2 , The electrode unit 10 comprises several, in the present case three, stack elements 50 , The electrode unit 10 further comprises a plurality, in the present case two, electrically conductive guide elements 60 , It is between each two adjacent stack elements 50 each a guide element 60 arranged. The electrode unit 10 can also have a different number of stack elements 50 and guiding elements 60 respectively.

Jedes der Stapelelemente 50 weist jeweils eine anodische Aktivmaterialschicht 41, eine kathodische Aktivmaterialschicht 42 und eine ionisch leitfähige Separatorschicht 45 auf. Die Separatorschicht 45 ist dabei jeweils zwischen der anodischen Aktivmaterialschicht 41 und der kathodischen Aktivmaterialschicht 42 angeordnet. Each of the stack elements 50 each has an anodic active material layer 41 , a cathodic active material layer 42 and an ionically conductive separator layer 45 on. The separator layer 45 is in each case between the anodic active material layer 41 and the cathodic active material layer 42 arranged.

Die anodischen Aktivmaterialschichten 41 der einzelnen Stapelelemente 50 bilden zusammen die in 1 dargestellte Anode 21 der Elektrodeneinheit 10. Die kathodischen Aktivmaterialschichten 42 der einzelnen Stapelelemente 50 bilden zusammen die in 1 dargestellte Kathode 22 der Elektrodeneinheit 10. Die ionisch leitfähigen Separatorschichten 45 der einzelnen Stapelelemente 50 bilden zusammen den in 1 dargestellten Separator 18 der Elektrodeneinheit 10.The anodic active material layers 41 the individual stack elements 50 together form the in 1 represented anode 21 the electrode unit 10 , The cathodic active material layers 42 the individual stack elements 50 together form the in 1 illustrated cathode 22 the electrode unit 10 , The ionically conductive separator layers 45 the individual stack elements 50 together form the in 1 shown separator 18 the electrode unit 10 ,

Die anodische Aktivmaterialschicht 41 der Stapelelemente 50 enthält ein Aktivmaterial, beispielsweise reines metallisches Lithium, eine Lithiumlegierung, Graphit, Silizium oder eine Mischung aus diesen Stoffen. Ferner enthält die anodische Aktivmaterialschicht 41 einen sulfidisch ausgebildeten Festkörperelektrolyten zur Erhöhung der ionischen Leitfähigkeit.The anodic active material layer 41 the stack elements 50 contains an active material, for example pure metallic lithium, a lithium alloy, graphite, silicon or a mixture of these substances. Further, the anodic active material layer contains 41 a sulfidic solid electrolyte to increase the ionic conductivity.

Die kathodische Aktivmaterialschicht 42 der Stapelelemente 50 enthält ein Aktivmaterial, welches optional eine Beschichtung zur Reduzierung des Oberflächenwiderstands aufweist. Die kathodische Aktivmaterialschicht 42 enthält ferner einen sulfidisch, oxidisch oder polymerisch ausgebildeten Festkörperelektrolyten zur Erhöhung der ionischen Leitfähigkeit. Ebenso enthält die kathodische Aktivmaterialschicht 42 einen Leitfähigkeitszusatz in Form einer Kohlenstoffverbindung zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit. Auch enthält die kathodische Aktivmaterialschicht 42 zur mechanischen Stabilisierung einen Binder.The cathodic active material layer 42 the stack elements 50 contains an active material which optionally has a coating for reducing the surface resistance. The cathodic active material layer 42 also contains a sulfide, oxide or polymer solid electrolyte to increase the ionic conductivity. Likewise, the cathodic active material layer contains 42 a conductivity additive in the form of a carbon compound to increase the electrical conductivity. Also contains the cathodic active material layer 42 for mechanical stabilization a binder.

Die Separatorschicht 45 der Stapelelemente 50 enthält einen Festkörperelektrolyten. Der Festkörperelektrolyt weist dabei insbesondere für Lithiumionen eine verhältnismäßig hohe Leitfähigkeit auf und ist elektrisch nicht leitfähig. Der Festkörperelektrolyt ist anorganisch, insbesondere sulfidisch, oxidisch oder polymerisch, ausgebildet.The separator layer 45 the stack elements 50 contains a solid electrolyte. The solid-state electrolyte has a relatively high conductivity, in particular for lithium ions, and is not electrically conductive. The solid electrolyte is inorganic, in particular sulphidic, oxidic or polymeric.

Die Stapelelemente 50 und die Leitelemente 60 sind derart in der Elektrodeneinheit 10 angeordnet, dass die Leitelemente 60 an die anodische Aktivmaterialschicht 41 eines Stapelelements 50 und an die kathodische Aktivmaterialschicht 42 eines benachbarten Stapelelements 50 angrenzen. Somit sind die Stapelelemente 50 mittels der elektrisch leitfähigen Leitelemente 60 seriell verschaltet.The stack elements 50 and the guiding elements 60 are so in the electrode unit 10 arranged that the guiding elements 60 to the anodic active material layer 41 a stacking element 50 and to the cathodic active material layer 42 an adjacent stacking element 50 adjoin. Thus, the stacking elements 50 by means of the electrically conductive guide elements 60 connected in series.

Der negative Stromableiter 31 ist elektrisch mit der anodischen Aktivmaterialschicht 41 eines an einem Rand befindlichen Stapelelements 50 verbunden. Der negative Stromableiter 31 kann beispielsweise ein Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren oder eine Folie aus Kupfer umfassen.The negative current collector 31 is electrically connected to the anodic active material layer 41 an on-edge stacking element 50 connected. The negative current collector 31 For example, it may comprise a carbon nanotube fabric or a copper foil.

Der positive Stromableiter 32 ist elektrisch mit der kathodischen Aktivmaterialschicht 42 eines an dem gegenüber liegenden Rand befindlichen Stapelelements 50 verbunden. Der positive Stromableiter 32 kann beispielsweise ein Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren oder eine Folie aus Aluminium umfassen.The positive current conductor 32 is electrically connected to the cathodic active material layer 42 a stacking element located on the opposite edge 50 connected. The positive current conductor 32 For example, it may comprise a carbon nanotube fabric or an aluminum foil.

3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eine Leitelements 60 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Leitelement 60 gemäß der ersten Ausführungsform weist eine Leitschicht 62 auf, welche ein Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren umfasst. Das Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren ist dabei flächig und verhältnismäßig dünn ausgebildet, insbesondere in Form einer Folie. Die Leitschicht 62 ist somit elektrisch leitfähig. Somit ist das Leitelement 60 gemäß der ersten Ausführungsform elektrisch leitfähig. 3 shows a schematic sectional view of a guide element 60 according to a first embodiment. The guiding element 60 according to the first embodiment has a conductive layer 62 which comprises a fabric of carbon nanotubes. The fabric of carbon nanotubes is flat and relatively thin, in particular in the form of a film. The conductive layer 62 is thus electrically conductive. Thus, the guiding element 60 According to the first embodiment electrically conductive.

Die Leitelemente 60 gemäß der ersten Ausführungsform sind derart in der Elektrodeneinheit 10 angeordnet, dass die Leitschicht 62 der Leitelemente 60, also das besagte Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren, unmittelbar an die anodische Aktivmaterialschicht 41 eines Stapelelements 50 und unmittelbar an eine kathodische Aktivmaterialschicht 42 eines benachbarten Stapelelements 50 angrenzt.The guiding elements 60 According to the first embodiment, such are in the electrode unit 10 arranged that the conductive layer 62 the guiding elements 60 That is, said carbon nanotube web, directly to the anodic active material layer 41 a stacking element 50 and immediately to a cathodic active material layer 42 an adjacent stacking element 50 borders.

4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eine Leitelements 60 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Leitelement 60 gemäß der zweiten Ausführungsform weist ebenfalls eine Leitschicht 62 auf, welche ein Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren umfasst. Das Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren ist dabei flächig und verhältnismäßig dünn ausgebildet, insbesondere in Form einer Folie. Die Leitschicht 62 ist somit elektrisch leitfähig. 4 shows a schematic sectional view of a guide element 60 according to a second embodiment. The guiding element 60 according to the second embodiment also has a conductive layer 62 which comprises a fabric of carbon nanotubes. The fabric of carbon nanotubes is flat and relatively thin, in particular in the form of a film. The conductive layer 62 is thus electrically conductive.

Zusätzlich weist das Leitelement 60 gemäß der zweiten Ausführungsform eine elektrisch leitfähige Randschicht 64 auf. Die Randschicht 64 ist beispielsweise in Form einer Beschichtung auf die Leitschicht 62 aufgebracht. Die Randschicht 64 ist vorliegend metallisch ausgebildet und beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder Nickel gefertigt. Die Randschicht 64 ist somit elektrisch leitfähig. Somit ist auch das Leitelement 60 gemäß der zweiten Ausführungsform elektrisch leitfähig.In addition, the guide element 60 According to the second embodiment, an electrically conductive surface layer 64 on. The boundary layer 64 is for example in the form of a coating on the conductive layer 62 applied. The boundary layer 64 is presently metallic and made for example of copper, aluminum or nickel. The boundary layer 64 is thus electrically conductive. Thus, also the guiding element 60 according to the second embodiment electrically conductive.

Die Leitelemente 60 gemäß der zweiten Ausführungsform können dabei beispielsweise derart in der Elektrodeneinheit 10 angeordnet sein, dass die Leitschicht 62 der Leitelemente 60, also das Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren, unmittelbar an die anodische Aktivmaterialschicht 41 eines Stapelelements 50 angrenzt, und dass die Randschicht 64 der Leitelemente 60 unmittelbar an die kathodische Aktivmaterialschicht 42 eines benachbarten Stapelelements 50 angrenzt.The guiding elements 60 According to the second embodiment, for example, in the electrode unit 10 be arranged that the conductive layer 62 the guiding elements 60 So the tissue from carbon nanotubes, directly to the anodic active material layer 41 a stacking element 50 adjoins, and that the boundary layer 64 the guiding elements 60 directly to the cathodic active material layer 42 an adjacent stacking element 50 borders.

Die Leitelemente 60 gemäß der zweiten Ausführungsform können aber auch beispielsweise derart in der Elektrodeneinheit 10 angeordnet sein, dass die Leitschicht 62 der Leitelemente 60, also das Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren, unmittelbar an die kathodische Aktivmaterialschicht 42 eines Stapelelements 50 angrenzt, und dass die Randschicht 64 der Leitelemente 60 unmittelbar an die anodische Aktivmaterialschicht 41 eines benachbarten Stapelelements 50 angrenzt.The guiding elements 60 however, according to the second embodiment as well, for example, such in the electrode unit 10 be arranged that the conductive layer 62 the guiding elements 60 , ie the fabric of carbon nanotubes, directly to the cathodic active material layer 42 a stacking element 50 adjoins, and that the boundary layer 64 the guiding elements 60 directly to the anodic active material layer 41 an adjacent stacking element 50 borders.

5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eine Leitelements 60 gemäß einer dritten Ausführungsform. Das Leitelement 60 gemäß der dritten Ausführungsform weist ebenfalls eine Leitschicht 62 auf, welche ein Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren umfasst. Das Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren ist dabei flächig und verhältnismäßig dünn ausgebildet, insbesondere in Form einer Folie. Die Leitschicht 62 ist somit elektrisch leitfähig. 5 shows a schematic sectional view of a guide element 60 according to a third embodiment. The guiding element 60 according to the third embodiment also has a conductive layer 62 which comprises a fabric of carbon nanotubes. The fabric of carbon nanotubes is flat and relatively thin, in particular in the form of a film. The conductive layer 62 is thus electrically conductive.

Zusätzlich weist das Leitelement 60 gemäß der dritten Ausführungsform zwei elektrisch leitfähige Randschichten 64 auf, welche die zentral gelegene Leitschicht 62 beidseitig umgeben. Die zentrale Leitschicht 62 ist also zwischen den beiden Randschichten 64 angeordnet. Die beiden Randschichten 64 sind beispielsweise in Form von Beschichtungen auf die Leitschicht 62 aufgebracht. Die Randschichten 64 sind vorliegend metallisch ausgebildet und beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder Nickel gefertigt. Die Randschichten 64 sind somit elektrisch leitfähig. Somit ist auch das Leitelement 60 gemäß der dritten Ausführungsform elektrisch leitfähig.In addition, the guide element 60 according to the third embodiment, two electrically conductive edge layers 64 on which the centrally located conductive layer 62 surrounded on both sides. The central conductive layer 62 is between the two marginal layers 64 arranged. The two boundary layers 64 are for example in the form of coatings on the conductive layer 62 applied. The marginal layers 64 are presently metallic and made of copper, aluminum or nickel, for example. The marginal layers 64 are thus electrically conductive. Thus, also the guiding element 60 According to the third embodiment electrically conductive.

Die Leitelemente 60 gemäß der dritten Ausführungsform sind insbesondere derart in der Elektrodeneinheit 10 angeordnet, dass die eine Randschicht 64 der Leitelemente 60 unmittelbar an die kathodische Aktivmaterialschicht 42 eines Stapelelements 50 angrenzt, und dass die andere Randschicht 64 der Leitelemente 60 unmittelbar an die anodische Aktivmaterialschicht 41 eines benachbarten Stapelelements 50 angrenzt.The guiding elements 60 According to the third embodiment, in particular, such are in the electrode unit 10 arranged that the one edge layer 64 the guiding elements 60 directly to the cathodic active material layer 42 a stacking element 50 adjoins, and that the other edge layer 64 the guiding elements 60 directly to the anodic active material layer 41 an adjacent stacking element 50 borders.

Bei der Herstellung der Elektrodeneinheit 10 werden vorzugsweise die Separatorschicht 45 und die kathodische Aktivmaterialschicht 42 der Stapelelemente 50 zunächst miteinander verbunden und gemeinsam mittels eines Kalanders verdichtet. Anschließend werden die anodischen Aktivmaterialschichten 41 aufgebracht und die Leitelemente 60 zwischen den Stapelelementen 50 angeordnet.In the manufacture of the electrode unit 10 are preferably the separator layer 45 and the cathodic active material layer 42 the stack elements 50 initially connected together and compacted together by means of a calender. Subsequently, the anodic active material layers 41 applied and the guiding elements 60 between the stack elements 50 arranged.

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.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2015/0064533 A1 [0006]US 2015/0064533 A1 [0006]
  • US 2016/0036059 A1 [0007]US 2016/0036059 A1 [0007]

Claims (11)

Elektrodeneinheit (10) für eine Batteriezelle (2), umfassend eine Mehrzahl von Stapelelementen (50), welche jeweils eine anodische Aktivmaterialschicht (41), eine kathodische Aktivmaterialschicht (42) und eine zwischen der anodischen Aktivmaterialschicht (41) und der kathodischen Aktivmaterialschicht (42) angeordnete Separatorschicht (45) aufweisen, und mindestens ein elektrisch leitfähiges Leitelement (60), welches zwischen zwei benachbarten Stapelelementen (50) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Leitelement (60) eine Leitschicht (62) aufweist, welche ein Gewebe aus Kohlenstoffnanoröhren umfasst.An electrode unit (10) for a battery cell (2), comprising a plurality of stacking elements (50) each having an anode active material layer (41), a cathodic active material layer (42) and an active material between the anodic material layer (41) and the cathodic active material layer (42 ) and at least one electrically conductive guide element (60) which is arranged between two adjacent stack elements (50), characterized in that the at least one guide element (60) has a conductive layer (62) which is a woven fabric from carbon nanotubes. Elektrodeneinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorschicht (45) der Stapelelemente (50) einen Festkörperelektrolyten aufweist.Electrode unit (10) after Claim 1 , characterized in that the separator layer (45) of the stack elements (50) comprises a solid state electrolyte. Elektrodeneinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Leitelement (60) an die anodische Aktivmaterialschicht (41) eines Stapelelements (50) und an die kathodische Aktivmaterialschicht (42) eines benachbarten Stapelelements (50) angrenzt.The electrode unit (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one conducting element (60) is adjacent to the anodic active material layer (41) of a stacking element (50) and to the cathodic active material layer (42) of an adjacent stacking element (50). Elektrodeneinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht (62) des mindestens einen Leitelements (60) unmittelbar an eine anodische Aktivmaterialschicht (41) eines Stapelelements (50) angrenzt.Electrode unit (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the conductive layer (62) of the at least one guide element (60) directly adjacent to an anodic active material layer (41) of a stack element (50). Elektrodeneinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht (62) des mindestens einen Leitelements (60) unmittelbar an eine kathodische Aktivmaterialschicht (42) eines Stapelelements (50) angrenzt.Electrode unit (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the conductive layer (62) of the at least one guide element (60) directly adjacent to a cathodic active material layer (42) of a stack element (50). Elektrodeneinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Leitelement (60) eine elektrisch leitfähige Randschicht (64) aufweist.An electrode unit (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one guide element (60) has an electrically conductive edge layer (64). Elektrodeneinheit (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Randschicht (64) des mindestens einen Leitelements (60) unmittelbar an eine anodische Aktivmaterialschicht (41) eines Stapelelements (50) angrenzt.Electrode unit (10) after Claim 6 , characterized in that the edge layer (64) of the at least one guide element (60) directly adjacent to an anodic active material layer (41) of a stack element (50). Elektrodeneinheit (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Randschicht (64) des mindestens einen Leitelements (60) unmittelbar an eine kathodische Aktivmaterialschicht (42) eines Stapelelements (50) angrenzt.Electrode unit (10) after Claim 6 , characterized in that the edge layer (64) of the at least one guide element (60) directly adjacent to a cathodic active material layer (42) of a stack element (50). Elektrodeneinheit (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Randschicht (64) des mindestens einen Leitelements (60) aus Kupfer, Aluminium oder Nickel gefertigt ist.Electrode unit (10) according to one of Claims 6 to 8th , characterized in that the edge layer (64) of the at least one guide element (60) made of copper, aluminum or nickel is made. Elektrodeneinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht (62) des mindestens einen Leitelements (60) Lithium enthält.Electrode unit (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the conductive layer (62) of the at least one guide element (60) contains lithium. Batteriezelle (2), umfassend mindestens eine Elektrodeneinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.Battery cell (2), comprising at least one electrode unit (10) according to one of the preceding claims.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1906471A1 (en) * 2006-09-27 2008-04-02 Daramic, LLC A battery separator for extending the cycle life of a battery
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US20160036059A1 (en) 2014-07-30 2016-02-04 Honda Motor Co., Ltd. Current collector also serving as electrode for battery, and battery including the same

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