DE102018200543A1 - Galvanic element, battery and method for producing a galvanic element - Google Patents
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Abstract
Ein galvanisches Element (10) mit einem an ein Elektrodenmaterial (22) angrenzenden Stromableiter, der wenigstens einen Strom an die Außenseite des galvanischen Elements (10) führenden Stromabnehmer (34) elektrisch leitend kontaktiert, wird vorgeschlagen. Der Stromableiter ist wenigstens abschnittsweise durch eine perforierte Metallfolie (26) gebildet, die im Bereich eines Kontakts zu dem wenigstens einen Stromabnehmer (34) derart verformt ist, insbesondere mechanisch verformt, dass eine Kontaktfläche zwischen Metallfolie (26) und Stromabnehmer (34) vergrößert ist. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements (10) vorgeschlagen.A galvanic element (10) having a current collector which adjoins an electrode material (22) and which electrically conducts at least one current to the current collector (34) leading to the outside of the galvanic element (10) is proposed. The current conductor is at least partially formed by a perforated metal foil (26) which is deformed in the region of contact with the at least one current collector (34), in particular mechanically deformed, that a contact area between the metal foil (26) and current collector (34) is increased , Furthermore, a method for producing a galvanic element (10) is proposed.
Description
Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element, eine Batterie sowie ein Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements.The invention relates to a galvanic element, a battery and a method for producing a galvanic element.
Unter einer Batterie wird eine zusammengeschaltete Einheit aus wenigstens zwei galvanischen Elementen verstanden. Im Folgenden werden die Begriffe Zelle und Batterie synonym gebraucht.A battery is understood to mean an interconnected unit of at least two galvanic elements. In the following, the terms cell and battery are used synonymously.
Aus dem Stand der Technik bekannte Batterien weisen üblicherweise Stromableiter aus durchgängigen oder nicht durchgängigen Metallfolien auf. Beide Folien-Typen weisen jedoch ihre spezifischen charakteristischen Vor- und Nachteile auf.Batteries known from the prior art usually have current conductors made of continuous or non-continuous metal foils. However, both types of films have their specific characteristic advantages and disadvantages.
Durchgängige Metallfolien haben eine gute Leitfähigkeit und lassen sich gut verarbeiten. Jedoch haben sie eine hohe Dichte, was das Verhältnis von nutzbarer Energie der Batterie zur Masse der Batterie reduziert.Continuous metal foils have good conductivity and can be processed well. However, they have a high density, which reduces the ratio of usable energy of the battery to the mass of the battery.
Nicht durchgängige Metallfolien haben gegenüber den durchgängigen Metallfolien eine reduzierte Dichte, was ein besseres Verhältnis von nutzbarer Energie zur Masse der Batterie bedingt. Jedoch ist die Leitfähigkeit von nicht durchgängigen Metallfolien kleiner als die von durchgängigen Metallfolien. Außerdem ist aufgrund der ungleichmäßigen und/oder reduzierten Oberfläche das Anbringen der nicht durchgängigen Metallfolie an Zellterminals meist erschwert. Zudem ist die mechanische Stabilität von nicht durchgängigen Metallfolien, beispielsweise hinsichtlich der Zugfestigkeit, in der Regel geringer als die von durchgängigen Metallfolien.Non-continuous metal foils have a reduced density compared to the continuous metal foils, which results in a better ratio of usable energy to the mass of the battery. However, the conductivity of non-continuous metal foils is smaller than that of continuous metal foils. In addition, due to the uneven and / or reduced surface attaching the non-continuous metal foil to cell terminals is usually difficult. In addition, the mechanical stability of non-continuous metal foils, for example in terms of tensile strength, usually lower than that of continuous metal foils.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein galvanisches Element, eine Batterie sowie ein Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements zu schaffen, bei dem bzw. der die Nachteile aus dem Stand der Technik beseitigt sind.The object of the invention is therefore to provide a galvanic element, a battery and a method for producing a galvanic element, in which or the disadvantages of the prior art are eliminated.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein galvanisches Element mit einem an ein Elektrodenmaterial angrenzenden Stromableiter, der wenigstens einen Strom an die Außenseite des galvanischen Elements führenden Stromabnehmer elektrisch leitend kontaktiert, wobei der Stromableiter wenigstens abschnittsweise durch eine perforierte Metallfolie gebildet ist, die im Bereich eines Kontakts zu dem wenigstens einen Stromabnehmer derart verformt ist, insbesondere mechanisch verformt, dass eine Kontaktfläche zwischen Metallfolie und Stromabnehmer vergrößert ist. Unter einer Metallfolie ist dabei im Folgenden eine flächige, dünne Schicht aus Metall oder Metallschaum zu verstehen, die (mechanisch) bearbeitet sein kann. Durch die Perforation der Metallfolie ergeben sich mehrere Vorteile. Zum einen ist die Anbindung des Stromableiters an das angrenzende Elektrodenmaterial erhöht, da sich das Elektrodenmaterial in die Perforation erstrecken kann. Zum anderen weist die perforierte Metallfolie gegenüber einer durchgehenden Metallfolie der gleichen Grundfläche (ohne Perforation) ein geringeres Gewicht auf, sodass das Verhältnis von nutzbarer Energie des galvanischen Elements zur Masse des galvanischen Elements verbessert ist. Durch die Verformung der perforierten Metallfolie im Bereich des Kontakts zum Stromabnehmer und die damit einhergehende vergrößerte Kontaktfläche ist die Leitfähigkeit der Verbindung zwischen Stromableiter und Stromabnehmer erhöht, also der Widerstand verringert. Vorzugsweise ist die perforierte Metallfolie derart verformt, dass die Leitfähigkeit der Verbindung zwischen Stromableiter und Stromabnehmer in der gleichen Größenordnung wie die Leitfähigkeit einer analogen Verbindung zwischen einer durchgehenden Metallfolie und dem Stromabnehmer ist, beispielsweise mehr als 60 Prozent dieser Leitfähigkeit beträgt. Der Stromableiter leitet Elektronen vom Elektrodenmaterial zum äußeren Stromabnehmer (auch als Terminal bezeichnet) oder in die entgegengesetzte Richtung. Insbesondere erstreckt sich der Stromableiter in einen Bereich des galvanischen Elements, in dem sich ein Elektrolyt befindet. Durch die Perforation wird die Metallfolie von Durchgangsöffnungen durchzogen, die sich zwischen den großflächigen Seiten der Metallfolie erstrecken.The object is achieved according to the invention by a galvanic element having a current collector which adjoins an electrode material and which electrically conducts at least one current to the outside of the galvanic element, the current conductor being formed at least in sections by a perforated metal foil which is in the region of a contact to which at least one current collector is deformed in such a way, in particular mechanically deformed, that a contact area between metal foil and current collector is increased. In the following, a metal foil is to be understood as meaning a flat, thin layer of metal or metal foam which may be processed (mechanically). The perforation of the metal foil has several advantages. On the one hand, the connection of the current conductor to the adjacent electrode material is increased since the electrode material can extend into the perforation. On the other hand, the perforated metal foil has a lower weight compared to a continuous metal foil of the same base area (without perforation), so that the ratio of usable energy of the galvanic element to the mass of the galvanic element is improved. Due to the deformation of the perforated metal foil in the region of the contact with the current collector and the associated increased contact area, the conductivity of the connection between current conductor and current collector is increased, ie the resistance is reduced. Preferably, the perforated metal foil is deformed such that the conductivity of the connection between current collector and current collector is of the same order of magnitude as the conductivity of an analogous connection between a continuous metal foil and the current collector, for example more than 60 percent of this conductivity. The current conductor conducts electrons from the electrode material to the outer current collector (also referred to as a terminal) or in the opposite direction. In particular, the current collector extends into a region of the galvanic element in which an electrolyte is located. Through the perforation, the metal foil is penetrated by passage openings which extend between the large-area sides of the metal foil.
Vorzugsweise ist die Metallfolie abschnittsweise mit dem Elektrodenmaterial beschichtet. Dadurch ist die Anbindung der Metallfolie an das Elektrodenmaterial besonders fest und der Ladungsaustausch zwischen Elektrodenmaterial und Metallfolie ist erleichtert. Insbesondere ist der ohmsche Widerstand des Übergangs zwischen Elektrodenmaterial und Metallfolie reduziert.Preferably, the metal foil is partially coated with the electrode material. As a result, the connection of the metal foil to the electrode material is particularly strong and the charge exchange between electrode material and metal foil is facilitated. In particular, the ohmic resistance of the transition between electrode material and metal foil is reduced.
Weiter bevorzugt ist die Metallfolie in einem unbeschichteten Bereich verformt. Unter einem unbeschichteten Bereich ist dabei ein Bereich zu verstehen, der nicht mit Elektrodenmaterial beschichtet ist. Nicht davon ausgeschlossen sind beispielsweise Bereiche von Passivierungsschichten, die manche Metalle bei Kontakt mit Sauerstoff bilden, und/oder Funktionsschichten, die auf die Metallfolie aufgebracht sind, um eine Verarbeitbarkeit oder eine Haltbarkeit der Metallfolie zu erhöhen. Es werden erfindungsgemäß die Vorteile einer durchgehenden Metallfolie (höhere Leitfähigkeit) und einer nicht durchgehenden Metallfolie (bessere Anbindung an das Elektrodenmaterial, geringeres Gewicht pro Volumen) kombiniert. Im beschichteten Bereich wird die bessere Anbindung der nicht durchgehenden Metallfolie an das Elektrodenmaterial genutzt. Im unbeschichteten Bereich wird die Metallfolie durch mechanische Verformung einer durchgehenden Metallfolie angenähert, sodass die Leitfähigkeit erhöht und die Anbindung der Metallfolie an den Stromabnehmer verbessert ist.More preferably, the metal foil is deformed in an uncoated area. An uncoated area is to be understood as an area which is not coated with electrode material. Not excluded are, for example, areas of passivation layers, which form some metals on contact with oxygen, and / or functional layers, which are applied to the metal foil in order to increase processability or durability of the metal foil. According to the invention, the advantages of a continuous metal foil (higher conductivity) and a non-continuous metal foil (better connection to the electrode material, lower weight per volume) are combined. In the coated area the better connection of the non-continuous metal foil to the electrode material is used. In the uncoated area, the metal foil is approximated by mechanical deformation of a continuous metal foil, so that the conductivity is increased and the connection of the metal foil to the current collector is improved.
Ein Aspekt sieht vor, dass die Metallfolie im Bereich des Kontakts gefalzt und/oder verpresst ist. Auf diese Weise lässt sich die Anbindung der Metallfolie an den Stromabnehmer besonders leicht verbessern. One aspect provides that the metal foil is folded and / or pressed in the region of the contact. In this way, the connection of the metal foil to the pantograph can be particularly easily improved.
Vorzugsweise ist die Metallfolie über ihre gesamte Erstreckung hinweg perforiert, insbesondere gleichmäßig perforiert. Dadurch ist über die gesamte Erstreckung der Metallfolie hinweg eine optimale Anbindung des Elektrodenmaterials an die Metallfolie gewährleistet.The metal foil is preferably perforated over its entire extent, in particular perforated uniformly. As a result, an optimal connection of the electrode material to the metal foil is ensured over the entire extent of the metal foil.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Metallfolie eine Streckmetallfolie. Die Streckmetallfolie kann in Bezug auf die Anordnung und Größe der Perforation, die durch Durchgangsöffnungen in der Streckmetallfolie gebildet ist, in jeder beliebigen Geometrie vorliegen. Insbesondere ist der Perforationsgrad der Streckmetallfolie (Verhältnis zwischen der Summe der Flächen der Durchgangsöffnungen und der gesamten Grundfläche der Streckmetallfolie, inklusive Öffnungen und gemessen vom Außenrand) größer als 15 Prozent, vorzugsweise größer als 30 Prozent, beispielsweise größer als 50 Prozent.In another aspect, the metal foil is an expanded metal foil. The expanded metal foil may be in any geometry with respect to the location and size of the perforation formed by through holes in the expanded metal foil. In particular, the degree of perforation of the expanded metal foil (ratio between the sum of the areas of the through-openings and the entire base area of the expanded metal foil, including openings and measured from the outer edge) is greater than 15 percent, preferably greater than 30 percent, for example greater than 50 percent.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Metallfolie durch einen Metallschaum gebildet. Die Metallfolie kann in Bezug auf die Anordnung und Größe der Perforation in jeder beliebigen Geometrie vorliegen. Insbesondere ist der Perforationsgrad der Metallfolie (Verhältnis zwischen dem Volumen der Poren und Hohlräume des Metallschaums zum Gesamtvolumen der Metallfolie, gemessen von den Außenrändern) größer als 25 Prozent, vorzugsweise größer als 50 Prozent, weiter bevorzugt größer als 75 Prozent. Der Metallschaum kann im Bereich des Kontakts zum Stromabnehmer verpresst sein.In a further embodiment of the invention, the metal foil is formed by a metal foam. The metal foil may be in any geometry with respect to the location and size of the perforation. In particular, the degree of perforation of the metal foil (ratio between the volume of the pores and voids of the metal foam to the total volume of the metal foil, measured from the outer edges) is greater than 25 percent, preferably greater than 50 percent, more preferably greater than 75 percent. The metal foam can be pressed in the region of the contact with the current collector.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Metallfolie eine Lochfolie, vorzugsweise wobei die Lochfolie über ihre Gesamtfläche ein durchgehend gleichmäßiges Lochmuster aufweist, das die Perforation bildet. Die Lochfolie kann in Bezug auf die Anordnung und Größe der Durchgangsöffnungen jeder beliebigen Geometrie vorliegen. Insbesondere ist der Perforationsgrad der Lochfolie (Verhältnis zwischen der Summe der Flächen der Durchgangsöffnungen und der gesamten Grundfläche der Lochmetallfolie, inklusive Öffnungen und gemessen vom Außenrand) größer als 15 Prozent, vorzugsweise größer als 30 Prozent, beispielsweise größer als 50 Prozent.In one embodiment of the invention, the metal foil is a perforated foil, preferably wherein the perforated foil has over its entire surface a continuous uniform hole pattern which forms the perforation. The perforated foil may be in any geometry with respect to the location and size of the ports. In particular, the degree of perforation of the perforated film (ratio between the sum of the areas of the through openings and the entire base area of the perforated metal foil, including openings and measured from the outer edge) is greater than 15 percent, preferably greater than 30 percent, for example greater than 50 percent.
Vorzugsweise ist die Metallfolie an den wenigstens einen Stromabnehmer angeschweißt. Durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen Metallfolie und Stromabnehmer ist der ohmsche Widerstand des Übergangs zwischen Metallfolie und Stromabnehmer reduziert. Zudem ist das Anschweißen der Metallfolie durch die vergrößerte Kontaktfläche zwischen Metallfolie und Stromabnehmer erleichtert.Preferably, the metal foil is welded to the at least one current collector. Due to the cohesive connection between metal foil and current collector, the ohmic resistance of the transition between metal foil and current collector is reduced. In addition, the welding of the metal foil is facilitated by the increased contact area between metal foil and current collector.
Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch eine Batterie mit mehreren erfindungsgemäßen galvanischen Elementen. Insbesondere sind die galvanischen Elemente gestapelt (Zellstapel) oder gewickelt (Zellwickel). Die Stromableiter der mehreren galvanischen Elemente, also die perforierten Metallfolien, können stoffschlüssig und elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Genauer gesagt sind die Stromableiter der Anoden der mehreren galvanischen Elemente miteinander verbunden und die Stromableiter der Kathoden sind miteinander verbunden. Durch die mechanische Verformung der perforierten Metallfolien ist ein Abstand zwischen den Metallfolien reduziert. Die Metallfolien müssen deswegen zur gegenseitigen Kontaktierung weniger stark gebogen werden, wodurch mechanische Spannungen im Zellstapel oder Zellwickel und damit die Neigung zur Dendritenbildung reduziert sind. Dementsprechend sind Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Batterie verbessert. Bezüglich der übrigen Vorteile wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.The object is further achieved according to the invention by a battery having a plurality of galvanic elements according to the invention. In particular, the galvanic elements are stacked (cell stack) or wound (cell coil). The current conductors of the plurality of galvanic elements, that is to say the perforated metal foils, can be connected to one another in a material-locking and electrically conductive manner. More specifically, the current conductors of the anodes of the plurality of galvanic elements are connected together and the current conductors of the cathodes are connected together. The mechanical deformation of the perforated metal foils reduces a distance between the metal foils. The metal foils must therefore be less strongly bent for mutual contact, whereby mechanical stresses in the cell stack or cell coil and thus the tendency to dendritic formation are reduced. Accordingly, the life and reliability of the battery are improved. With regard to the other advantages, reference is made to the above explanations.
Die Aufgabe wird zudem erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements, insbesondere eines erfindungsgemäßen galvanischen Elements, mit den folgenden Schritten: Wenigstens eine Halbzelle mit einem an ein Elektrodenmaterial angrenzenden Stromableiter wird vorgesehen, der wenigstens abschnittsweise als perforierte Metallfolie gebildet ist; ein Teilabschnitt der Metallfolie wird verformt, insbesondere mechanisch verformt; und der Teilabschnitt wird an einem Strom an die Außenseite des galvanischen Elements führenden Stromabnehmer befestigt, sodass die Metallfolie und der Stromabnehmer elektrisch leitend verbunden werden. Bezüglich der Vorteile wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.The object is also achieved according to the invention by a method for producing a galvanic element, in particular a galvanic element according to the invention, comprising the following steps: At least one half cell with a current collector adjacent to an electrode material is provided, which is formed at least in sections as a perforated metal foil; a partial section of the metal foil is deformed, in particular mechanically deformed; and the sub-portion is attached to a current to the outside of the galvanic-conducting current collector, so that the metal foil and the current collector are electrically connected. With regard to the advantages, reference is made to the above explanations.
Vorzugsweise wird der Teilabschnitt der Metallfolie derart verformt, dass eine Kontaktfläche zwischen Metallfolie und Stromabnehmer vergrößert wird. Dadurch wird der ohmsche Widerstand der Verbindung zwischen Metallfolie und Stromabnehmer reduziert.Preferably, the portion of the metal foil is deformed such that a contact area between the metal foil and the current collector is increased. This reduces the ohmic resistance of the connection between metal foil and current collector.
Weiter bevorzugt wird der Teilabschnitt der Metallfolie gefalzt und/oder verpresst wird. Auf diese Weise wird die Anbindung der Metallfolie an den Stromabnehmer in besonders einfacher Art und Weise verbessert.More preferably, the portion of the metal foil is folded and / or pressed. In this way, the connection of the metal foil to the current collector is improved in a particularly simple manner.
Ein Aspekt sieht vor, dass die Metallfolie mit dem Stromabnehmer verschweißt wird. Die Metallfolie und der Stromabnehmer werden stoffschlüssig verbunden, wodurch der ohmsche Widerstand des Übergangs zwischen Metallfolie und Stromabnehmer reduziert wird. Zudem ist das Anschweißen der Metallfolie durch die vergrößerte Kontaktfläche zwischen Metallfolie und Stromabnehmer erleichtert.One aspect provides that the metal foil is welded to the current collector. The metal foil and the current collector are materially connected, whereby the ohmic resistance of the transition between metal foil and pantograph is reduced. In addition, the welding is the Metal foil facilitated by the increased contact area between metal foil and pantograph.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In diesen zeigen:
- -
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen galvanischen Elements einer erfindungsgemäßen Batterie; - -
2 eine Detailansicht eines Stromableiters des erfindungsgemäßen galvanischen Elements von1 ; - -
3 ein schematisches Ablaufdiagramm der Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des galvanischen Elements von1 ; - -
4 schematisch ein Querschnitt durch einen Randbereich eines Zellstapels oder Zellwickels einer erfindungsgemäßen Batterie; und - -
5 eine schematische Darstellung eines Zellwickels einer erfindungsgemäßen Batterie.
- -
1 a schematic representation of a galvanic element according to the invention of a battery according to the invention; - -
2 a detailed view of a current collector of the galvanic element of the invention1 ; - -
3 a schematic flow diagram of the steps of a method according to the invention for the production of the galvanic element of1 ; - -
4 schematically a cross section through an edge region of a cell stack or cell coil of a battery according to the invention; and - -
5 a schematic representation of a cell coil of a battery according to the invention.
In
Das galvanische Element
In der ersten und der zweiten Kammer
Der Aufbau der Elektroden
Die Metallfolie
Die Streckmetallfolie kann im Prinzip jede beliebige Geometrie aufweisen. Der Perforationsgrad der Streckmetallfolie (Verhältnis zwischen der Fläche der Durchgangsöffnungen und der gesamten Grundfläche der Streckmetallfolie, inklusive Öffnungen und gemessen vom Außenrand) ist vorzugsweise größer als 15 Prozent, weiter bevorzugt größer als 30 Prozent, beispielsweise größer als 50 Prozent.The expanded metal foil may, in principle, have any desired geometry. The degree of perforation of the expanded metal foil (ratio between the area of the passage openings and the entire base area of the expanded metal foil, including openings and measured from the outer edge) is preferably greater than 15 percent, more preferably greater than 30 percent, for example greater than 50 percent.
Die erste Metallfolie
Um die Verbindung zwischen den Metallfolien
Der erste und der zweite Stromabnehmer
Wird ein Stromkreis über die Zellterminals
Optional sind die beiden Zellterminals
In einer alternativen Ausgestaltung der Elektroden
Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Elektroden
Ein Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements
Zunächst werden zwei Halbzellen mit zwei wie oben beschrieben aufgebauten Elektroden
Nun wird jeweils ein Teilabschnitt der Metallfolien
Schließlich werden die mechanisch verformten Bereiche der Metallfolien
Mehrere (wenigstens zwei) zusammengeschaltete, oben beschriebene galvanische Elemente
Die Stromableiter der mehreren galvanischen Elemente
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