DE102019001007A1 - Battery with at least one lithium-ion battery cell and method for producing such a battery - Google Patents

Battery with at least one lithium-ion battery cell and method for producing such a battery Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (10), bei welcher durch an einem ersten Ableiter (12) angeordnete Kohlenstofffasern eine negative Elektrode (14) gebildet ist, und bei welcher durch an einem zweiten Ableiter (20) angeordnetes Elektrodenmaterial eine positive Elektrode gebildet ist. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) umfasst einen Elektrolyten. Hierbei weist die Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) als einzigen Elektrolyten einen Feststoffelektrolyten (16) auf, in welchem Partikel (18) des positiven Elektrodenmaterials dispergiert vorliegen. Der Feststoffelektrolyt (16) ist durch Spritzgießen eines die Partikel (18) enthaltenden Ausgangsmaterials des Feststoffelektrolyten (16) mit der negativen Elektrode (14) verbunden. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Batterie.

Figure DE102019001007A1_0000
The invention relates to a battery, in particular for a motor vehicle, with at least one lithium-ion battery cell (10), wherein by at a first arrester (12) disposed carbon fibers, a negative electrode (14) is formed, and in which by a second arrester (20) disposed electrode material is formed a positive electrode. The lithium-ion battery cell (10) comprises an electrolyte. Here, the lithium-ion battery cell (10) as a single electrolyte to a solid electrolyte (16), in which particles (18) of the positive electrode material are dispersed. The solid electrolyte (16) is connected to the negative electrode (14) by injection molding a starting material of the solid electrolyte (16) containing the particles (18). Furthermore, the invention relates to a method for producing such a battery.
Figure DE102019001007A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit wenigstens einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, bei welcher durch an einem ersten Ableiter angeordnete Kohlenstofffasern eine negative Elektrode gebildet ist. Durch an einem zweiten Ableiter angeordnetes Elektrodenmaterial ist eine positive Elektrode gebildet. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle umfasst auch einen Elektrolyten. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie.The invention relates to a battery having at least one lithium-ion battery cell, in which a negative electrode is formed by carbon fibers arranged on a first arrester. By electrode material arranged on a second arrester, a positive electrode is formed. The lithium-ion battery cell also includes an electrolyte. Furthermore, the invention relates to a method for producing a battery.

Das herkömmliche Batteriedesign von Lithium-Ionen-Batteriezellen besteht aus einem Sandwich, welches ein poröses Graphitmaterial umfasst, welches eine negative Elektrode und somit beim Entladen der Batteriezelle die Anode der Batteriezelle bildet. Das Sandwich umfasst des Weiteren einen porösen Separator und ein poröses Verbundmaterial, welches beim Entladen der Batteriezelle die Kathode, also die positive Elektrode der Batteriezelle, bildet. Des Weiteren ist üblicherweise ein flüssiger Elektrolyt vorgesehen.The conventional battery design of lithium-ion battery cells consists of a sandwich comprising a porous graphite material, which forms a negative electrode and thus during discharge of the battery cell, the anode of the battery cell. The sandwich furthermore comprises a porous separator and a porous composite material which forms the cathode, that is to say the positive electrode of the battery cell, when the battery cell is discharged. Furthermore, a liquid electrolyte is usually provided.

Diese Gestaltung bringt viele Herausforderungen mit sich, obwohl sie mit einer einfachen Herstellbarkeit einhergeht. Einerseits haben derartige Lithium-Ionen-Batteriezellen eine vergleichsweise geringe flächenbezogene Energiedichte. Aufgrund des Vorhandenseins des flüssigen Elektrolyten besteht des Weiteren das Risiko einer Leckage, und die Batteriezellen sind leicht entflammbar, wenn die Batterie beschädigt wird.This design poses many challenges, although it goes hand in hand with ease of manufacture. On the one hand, such lithium-ion battery cells have a comparatively low area-related energy density. Further, due to the presence of the liquid electrolyte, there is a risk of leakage and the battery cells are easily flammable if the battery is damaged.

Des Weiteren sind derartige Batteriezellen vergleichsweise leicht zerbrechlich, ziemlich schwer und insbesondere nicht dazu in der Lage, mechanische Lasten in größerem Umfang aufzunehmen. Daher werden Batterien mit derartigen Batteriezellen auch als parasitäre Batterien bezeichnet. Als eine Konsequenz dieser Umstände müssen Automobilhersteller, welche Batterien mit derartigen Lithium-Ionen-Batteriezellen verwenden, gesonderte Komponenten vorsehen, um die Batterie im Falle eines Aufpralls oder Unfalls eines mit der Batterie ausgestatteten Kraftfahrzeugs zu schützen. Dies fügt zu der gesamten Struktur des Kraftfahrzeugs zusätzliches Gewicht hinzu.Furthermore, such battery cells are comparatively easily fragile, rather heavy, and in particular unable to absorb mechanical loads on a larger scale. Therefore, batteries with such battery cells are also referred to as parasitic batteries. As a consequence of these circumstances, automobile manufacturers using batteries with such lithium-ion battery cells must provide separate components to protect the battery in the event of a crash or accident of a motor vehicle equipped with the battery. This adds extra weight to the overall structure of the motor vehicle.

Die WO 03/012908 A2 beschreibt ein Ausführungsbeispiel einer Batteriezelle, bei welcher ein Ableiter, an welchem ein Kathodenmaterial angeordnet ist, als Aluminiumfolie ausgebildet ist. Ein weiterer Ableiter, an welchem ein Anodenmaterial angeordnet ist, ist hierbei als Kupferfolie ausgebildet. Die WO 03/12908/A2 offenbart des Weiteren unterschiedliche Materialien zum Bereitstellen der Kathode, beispielsweise ein Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2). Die WO 03/012908 A2 offenbart auch Ausführungsformen, bei welchen das Anodenmaterial Kohlenstofffasern umfasst. Ineinandergreifende Strukturen des Anodenmaterials oder des Kathodenmaterials können bei Ausführungsformen von Batteriezellen gemäß der WO 03/012908 A2 erhalten werden, indem Elektrodenpartikel in polymerisierbaren Monomeren dispergiert vorliegen. Die Monomere werden hierbei bevorzugt so ausgebildet, dass sie als Bindemittel fungieren, welches für den flüssigen Elektrolyten durchlässig ist.The WO 03/012908 A2 describes an embodiment of a battery cell, in which an arrester, on which a cathode material is arranged, is formed as aluminum foil. Another arrester, on which an anode material is arranged, is in this case formed as a copper foil. The WO 03/12908 / A2 further discloses different materials for providing the cathode, for example a lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ). The WO 03/012908 A2 also discloses embodiments in which the anode material comprises carbon fibers. Intermeshing structures of the anode material or the cathode material may be used in embodiments of battery cells according to the WO 03/012908 A2 can be obtained by dispersed electrode particles in polymerizable monomers. The monomers are preferably formed so that they act as a binder, which is permeable to the liquid electrolyte.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der WO 03/012908 A2 , in welchem eine Lithium-Ionen-Batteriezelle durch sequentielle Beschichtung erhalten wird, kann ein Bindemittel, in welchem Elektrodenmaterial der Kathode suspendiert vorliegt, als Feststoffelektrolyt ausgebildet sein. Bei dieser Ausgestaltung werden eine das Kathodenmaterial enthaltende Suspension und eine das Anodenmaterial enthaltende Suspension Schicht für Schicht abgelagert. Das Bindemittel bildet hierbei eine durchgängige Schicht, welche einen Kontakt zwischen der Kathode und der Anode vermeidet.In a further embodiment of the WO 03/012908 A2 In which a lithium-ion battery cell is obtained by sequential coating, a binder in which electrode material of the cathode is suspended may be formed as a solid electrolyte. In this embodiment, a suspension containing the cathode material and a suspension containing the anode material are deposited layer by layer. The binder forms a continuous layer, which avoids contact between the cathode and the anode.

Als nachteilig ist bei derartigen Lithium-Ionen-Batteriezellen der Umstand anzusehen, dass auch diese nicht in nennenswertem Umfang zum Aufnehmen von Lasten geeignet sind.A disadvantage is to be considered in such lithium-ion battery cells, the fact that these are not suitable for recording loads to a significant extent.

Die US 2015/180028 A1 beschreibt eine Batterie mit Kohlenstofffasern als negativer Elektrode, wobei die Kohlenstofffasern mit einem für Lithium-Ionen leitfähigen Polymerharz beschichtet sind, in welches Nanopartikel eines Kathodenmaterials und Ruß eingebettet sind. Dieses zwei Elektroden umfassende System wird dann mit einem flüssigen Elektrolyten getränkt.The US 2015/180028 A1 describes a battery with carbon fibers as a negative electrode, wherein the carbon fibers are coated with a lithium ion conductive polymer resin in which nanoparticles of a cathode material and carbon black are embedded. This two-electrode system is then soaked in a liquid electrolyte.

Ein Nachteil dieses Systems ist das Vorhandensein des flüssigen Elektrolyten. Ein weiterer Nachteil liegt in dem Risiko eines Kurzschlusses für den Fall einer untauglichen Beschichtung der Kohlenstofffasern.A disadvantage of this system is the presence of the liquid electrolyte. Another disadvantage is the risk of short-circuiting in the case of unfit coating of the carbon fibers.

Schließlich beschreibt die US 2010/330419 A1 Elektrodenfasern, welche mit einer ersten Schicht beschichtet sind, welche als Separator oder als ein Elektrolyt dient, wobei eine zweite Schicht als Kathode dient.Finally, that describes US 2010/330419 A1 Electrode fibers which are coated with a first layer which serves as a separator or as an electrolyte, wherein a second layer serves as a cathode.

Auch hier ist die Unfähigkeit, mechanische Lasten aufzunehmen, nachteilig sowie auch die geringen elektrisch isolierenden Eigenschaften und damit einhergehend ein hohes Risiko für ein Auftreten von Kurzschlüssen.Again, the inability to absorb mechanical loads, disadvantageous as well as the low electrical insulating properties and, consequently, a high risk of occurrence of short circuits.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterie der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine verbesserte Lastaufnahme aufweist, und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Batterie anzugeben.Object of the present invention is to provide a battery of the type mentioned, which has an improved load bearing, and to provide a method for producing such a battery.

Diese Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. This object is achieved by a battery having the features of patent claim 1 and by a method having the features of patent claim 9. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Batterie, welche insbesondere als elektrischer Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen kann, weist wenigstens eine Lithium-Ionen-Batteriezelle auf. Eine negative Elektrode der Lithium-Ionen-Batteriezelle ist durch an einem ersten Ableiter der Batteriezelle angeordnete Kohlenstofffasern gebildet. Eine positive Elektrode der Lithium-Ionen-Batteriezelle ist durch an einem zweiten Ableiter angeordnetes Elektrodenmaterial gebildet. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle weist als einzigen Elektrolyten einen Feststoffelektrolyten auf, in welchem Partikel des positiven Elektrodenmaterials dispergiert vorliegen. Der Feststoffelektrolyt ist durch Spritzgießen eines die Partikel enthaltenden Ausgangsmaterials des Feststoffelektrolyten mit der negativen Elektrode verbunden. Durch das Spritzgießen oder Spritzpressen und das anschließende Aushärten des Ausgangsmaterials, in welchem die Partikel des positiven Elektrodenmaterials dispergiert vorhanden sind, lässt sich eine strukturtragende Funktion der einzelnen Lithium-Ionen-Batteriezelle und somit auch der Batterie erreichen. Folglich weist die Batterie eine verbesserte Lastaufnahme auf.The battery according to the invention, which can be used in particular as an electrical energy store of a motor vehicle, has at least one lithium-ion battery cell. A negative electrode of the lithium-ion battery cell is formed by arranged on a first arrester of the battery cell carbon fibers. A positive electrode of the lithium-ion battery cell is formed by electrode material disposed on a second arrester. The lithium-ion battery cell has as a single electrolyte a solid electrolyte in which particles of the positive electrode material are dispersed. The solid electrolyte is connected to the negative electrode by injection molding a particulate-containing raw material of the solid electrolyte. By injection molding or transfer molding and the subsequent curing of the starting material in which the particles of the positive electrode material are dispersed, a structure-supporting function of the individual lithium-ion battery cell and thus also the battery can be achieved. Consequently, the battery has an improved load bearing.

Im Vergleich zu einer Batterie, bei welcher ein flüssiger Elektrolyt in den Lithium-Ionen-Batteriezellen der Batterie vorhanden ist, weist die Batterie zudem ein verringertes Gewicht auf. Denn es ist lediglich der Feststoffelektrolyt vorgesehen und nicht zusätzlich ein flüssiger Elektrolyt. Im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien weist die Batterie eine höhere Energiedichte und eine höhere flächenbezogene Kapazität auf. Durch das Spritzgießen oder Spritzpressen des Ausgangsmaterials, welches nach dem Aushärten den Feststoffelektrolyten bildet, lassen sich die Batteriezellen zudem sehr leicht im Hinblick auf die Formgebung beeinflussen. Es können also auch komplexe Formen von Komponenten der Batteriezelle realisiert werden. Die Batterie ist des Weiteren sehr einfach herstellbar, da Verfahren und Abläufe genutzt werden können, welche aus der Herstellung von Verbundmaterialien bekannt sind.In addition, compared to a battery in which a liquid electrolyte is present in the lithium-ion battery cells of the battery, the battery has a reduced weight. Because it is only the solid electrolyte provided and not additionally a liquid electrolyte. Compared to conventional lithium-ion batteries, the battery has a higher energy density and a higher area-related capacity. By injection molding or transfer molding of the starting material, which forms the solid electrolyte after curing, the battery cells can also very easily influence with regard to the shaping. So it can be realized even complex forms of components of the battery cell. The battery is also very easy to produce, since methods and processes can be used, which are known from the production of composite materials.

Aufgrund der Abwesenheit eines flüssigen Elektrolyten wird auch eine erhöhte Sicherheit erreicht. Denn Leckagen von flüssigem Elektrolyt können nicht auftreten, und eine Entflammbarkeit der Batteriezelle ist aufgrund des Fehlens eines flüssigen Elektrolyten verringert. Wenn die Batterie in dem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommt, brauchen zudem weniger Verstärkungsmittel vorgesehen zu werden, um die Batterie zu schützen. Denn die Batteriezellen der Batterie weisen selber bereits die strukturtragende und somit die verbesserte Lastaufnahme ermöglichende Funktion auf. Dadurch lässt sich auch das Gewicht des die Batterie aufweisenden Kraftfahrzeugs verringern beziehungsweise besonders gering halten.Due to the absence of a liquid electrolyte also increased safety is achieved. Because leakage of liquid electrolyte can not occur, and flammability of the battery cell is reduced due to the absence of a liquid electrolyte. In addition, when the battery is used in the motor vehicle, less amplifying means need to be provided to protect the battery. Because the battery cells of the battery themselves already have the structure-carrying and thus the improved load-enabling function. As a result, the weight of the motor vehicle having the battery can also be reduced or kept particularly low.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Batterie wird durch an einem ersten Ableiter angeordnete Kohlenstofffasern eine negative Elektrode wenigstens einer Lithium-Ionen-Batteriezelle gebildet. Durch an einem zweiten Ableiter angeordnetes Elektrodenmaterial wird eine positive Elektrode der Lithium-Ionen-Batteriezelle gebildet. Des Weiteren wird ein Elektrolyt der Lithium-Ionen-Batteriezelle bereitgestellt. Als einziger Elektrolyt der Lithium-Ionen-Batteriezelle wird ein Feststoffelektrolyt verwendet, in welchem Partikel des positiven Elektrodenmaterials dispergiert vorliegen. Der Feststoffelektrolyt wird durch Spritzgießen eines die Partikel enthaltenden Ausgangsmaterials des Feststoffelektrolyten mit der negativen Elektrode verbunden.In the method according to the invention for producing a battery, a negative electrode of at least one lithium-ion battery cell is formed by carbon fibers arranged on a first arrester. By electrode material arranged on a second arrester, a positive electrode of the lithium-ion battery cell is formed. Furthermore, an electrolyte of the lithium-ion battery cell is provided. As the sole electrolyte of the lithium-ion battery cell, a solid electrolyte is used in which particles of the positive electrode material are dispersed. The solid electrolyte is bonded to the negative electrode by injection molding a particulate-containing raw material of the solid electrolyte.

Die für die erfindungsgemäße Batterie beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.The advantages and preferred embodiments described for the battery according to the invention also apply to the method according to the invention and vice versa.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawings. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Dabei zeigen:

  • 1 schematisch Komponenten einer Einzelzelle oder Basiszelle, welche als Lithium-Ionen-Batteriezelle einer Batterie ausgebildet ist, wobei Partikel eines Kathodenmaterials der Batteriezelle in einen Feststoffelektrolyten eingebettet sind;
  • 2 schematisch eine weitere Anordnung von Komponenten einer solchen Batteriezelle, wobei zwei Einzelzellen oder Basiszellen aufeinander gestapelt angeordnet sind;
  • 3 Schritte eines beispielhaften Herstellungsverfahrens zum Erhalten einer Anordnung der Komponenten, wie sie in 2 gezeigt ist; und
  • 4 schematisch einen zusätzlichen Verfahrensschritt zur weiteren Bearbeitung einer in 3 gezeigten Lithium-Ionen-Batteriezelle.
Showing:
  • 1 schematically components of a single cell or base cell, which is designed as a lithium-ion battery cell of a battery, wherein particles of a cathode material of the battery cell are embedded in a solid electrolyte;
  • 2 schematically a further arrangement of components of such a battery cell, wherein two single cells or basic cells are stacked on top of each other;
  • 3 Steps of an exemplary manufacturing process for obtaining an arrangement of the components as shown in FIG 2 is shown; and
  • 4 schematically an additional process step for further processing of a in 3 shown lithium-ion battery cell.

Mit Bezug auf die vorliegenden Figuren wird eine Möglichkeit erläutert, ein System eines Schichtenverbunds für die Gestaltung einer leicht zu formenden und auch leicht skalierbaren Feststoff-Polymer-Batterie zu nutzen, welche eine strukturtragende Funktion aufweist.With reference to the present figures, a possibility is explained of using a system of a layer composite for the design of an easily shaped and also easily scalable solid-polymer battery which has a structure-carrying function.

Eine jeweilige Batteriezelle der Batterie weist bevorzugt eine negative Elektrode 14 auf (vergleiche 1), welche insbesondere Kohlenstofffasern umfasst und beim Entladen der Batteriezelle als Anode fungiert. Ein Kathodenmaterial einer jeweiligen, dann als Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 ausgebildeten Einzelzelle der Batterie weist bevorzugt ein Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid auf, beispielsweise in Form von LiNiCOAlO2, welches in einem Elektrolyten dispergiert vorliegt. Hierbei ist der Elektrolyt als Feststoffelektrolyt 16 (vergleiche 1) ausgebildet und vorzugsweise als Feststoff-Polymer-Elektrolyt.A respective battery cell of the battery preferably has a negative electrode 14 on (compare 1 ), which in particular comprises carbon fibers and acts as an anode during discharge of the battery cell. A cathode material of a respective, then as a lithium-ion battery cell 10 formed single cell of the battery preferably has a lithium-nickel-cobalt-aluminum oxide, for example in the form of LiNiCOAlO 2 , which is dispersed in an electrolyte. Here, the electrolyte is a solid electrolyte 16 (see 1 ) and preferably as a solid polymer electrolyte.

Eine Batterie mit strukturtragender Funktion, welche eine Mehrzahl von derartigen Lithium-Ionen-Batteriezellen 10 aufweist, kann dementsprechend als Schichtenverbundsystem ausgebildet sein, dessen Komponenten beispielhaft und schematisch in 1 gezeigt sind. So umfasst die Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 eine erste Lage oder erste Schicht, welche als erster Ableiter 12 beziehungsweise negativer Stromsammler dient. Der erste Ableiter 12 kann als Metallfolie ausgebildet sein, welche beispielsweise aus Kupfer gebildet ist. Auf diesem ersten Ableiter 12 oder negativen Stromsammler ist eine zweite Schicht eines Anodenmaterials angeordnet, welches die negative Elektrode 14 bildet. Die negative Elektrode 14 ist bevorzugt durch Kohlenstofffasern gebildet oder umfasst Kohlenstofffasern. Hierbei können unidirektionale Kohlenstofffasern zum Einsatz kommen, Gewebe oder Gestricke von Kohlenstofffasern, vorimprägnierte Fasern (Prepregs) oder dergleichen.A battery having a structure-supporting function, which includes a plurality of such lithium-ion battery cells 10 Accordingly, may be formed as a layer composite system, whose components are exemplary and schematically in 1 are shown. So includes the lithium-ion battery cell 10 a first layer or first layer, which acts as the first arrester 12 or negative current collector is used. The first arrester 12 may be formed as a metal foil, which is formed for example of copper. On this first arrester 12 or negative current collector, a second layer of an anode material is disposed, which is the negative electrode 14 forms. The negative electrode 14 is preferably formed by carbon fibers or comprises carbon fibers. Here, unidirectional carbon fibers may be used, woven or knitted carbon fibers, pre-impregnated fibers (prepregs) or the like.

Eine dritte Schicht der Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 umfasst gemäß 1 den Feststoffelektrolyten 16, in welchem vorliegend Partikel 18 oder Nanopartikel eines positiven Elektrodenmaterials beziehungsweise eines Kathodenmaterials dispergiert vorliegen. In 1 sind lediglich einige dieser Partikel 18 mit einem Bezugszeichen versehen. Eine weitere Schicht dient als positiver Stromsammler beziehungsweise zweiter Ableiter 20, welcher beispielsweise als Aluminiumfolie ausgebildet sein kann.A third layer of the lithium-ion battery cell 10 includes according to 1 the solid electrolyte 16 in which particles are present 18 or nanoparticles of a positive electrode material or a cathode material are dispersed. In 1 are just a few of these particles 18 provided with a reference numeral. Another layer serves as a positive current collector or second arrester 20 , which may be formed for example as aluminum foil.

Eine derartige Anordnung der vorstehend beschriebenen Lagen oder Schichten kann eine in 1 gezeigte Einzelzelle oder Basiszelle bereitstellen, welche als die Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 ausgebildet ist. Das Schichtverbundsystem sollte wenigstens eine solche Basiszelle oder Einzelzelle umfassen.Such an arrangement of the layers or layers described above may include an in 1 shown single cell or base cell, which is called the lithium-ion battery cell 10 is trained. The layer composite system should comprise at least one such basic cell or single cell.

Es können jedoch auch derartige Basiszellen vervielfacht und aufeinander gestapelt werden, sodass eine Vielzahl derartiger Basiszellen das Schichtverbundsystem bilden. Ein Beispiel eines solchen Schichtverbundsystems, welches zwei Basiszellen umfasst, ist in 2 gezeigt. Dementsprechend umfasst hierbei die Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 den ersten Ableiter 12, wobei an einer ersten Seite 22 und an einer zweiten, der ersten Seite 22 gegenüberliegenden Seite 24 des ersten Ableiters 12 jeweilige negative Elektroden 14 angeordnet sind, welche bevorzugt durch Kohlenstofffasern gebildet sind. An diese negativen Elektroden 14 schließt sich zu beiden Seiten 22, 24 hin jeweils eine Schicht des Feststoffelektrolyten 16 mit den eingebetteten Partikeln 18 des positiven Elektrodenmaterials an. Jeweilige zweite Ableiter 20 kontaktieren den jeweiligen Feststoffelektrolyten 16.However, such basic cells can also be multiplied and stacked on top of each other so that a large number of such basic cells form the layer composite system. An example of such a multilayer composite system comprising two basic cells is shown in FIG 2 shown. Accordingly, this includes the lithium-ion battery cell 10 the first arrester 12 , being on a first page 22 and on a second, the first page 22 opposite side 24 of the first arrester 12 respective negative electrodes 14 are arranged, which are preferably formed by carbon fibers. To these negative electrodes 14 closes on both sides 22 . 24 towards each one layer of the solid electrolyte 16 with the embedded particles 18 of the positive electrode material. Respective second arrester 20 Contact the respective solid electrolyte 16 ,

Die Verwendung von Kohlenstofffasern als das Anodenmaterial beziehungsweise zum Bereitstellen der negativen Elektrode 14 wird aufgrund der zahlreichen Vorteile dieser Lösung bevorzugt. Aufgrund ihres runden Querschnitts sorgen Kohlenstofffasern für eine größere flächenbezogene Energiedichte als eine übliche, zweidimensionale flächige oder bahnförmige Elektrode. Des Weiteren kann eine Zunahme der Faserdichte in einem gewobenen Gebilde und/oder die Hinzufügung von Schichten zum Zwecke des Ausbildens einer dreidimensionalen Struktur die aktive Oberfläche der Anode besonders stark vergrößern. Zusätzlich haben Kohlenstofffasern sehr gute mechanische Eigenschaften. Kohlenstofffasern stellen nämlich Zugfestigkeiten von 0,8 GPa bis zu 7 GPa bereit und einen Elastizitätsmodul zwischen 50 GPa und 700 GPa. Des Weiteren haben Kohlenstofffasern eine geringe Dichte im Bereich von etwa 1,8 Gramm pro Kubikzentimeter. Im Vergleich zu hochfesten Stählen mit einer Dichte von etwa 7 Gramm pro Kubikzentimeter bis 8 Gramm pro Kubikzentimeter ist dies eine erhebliche Verbesserung.The use of carbon fibers as the anode material or to provide the negative electrode 14 is preferred due to the numerous advantages of this solution. Due to their round cross-section carbon fibers provide for a larger surface energy density than a conventional, two-dimensional sheet or web electrode. Furthermore, an increase in fiber density in a woven structure and / or the addition of layers for the purpose of forming a three-dimensional structure can particularly greatly increase the active surface area of the anode. In addition, carbon fibers have very good mechanical properties. Carbon fibers provide tensile strengths of 0.8 GPa up to 7 GPa and a modulus of elasticity between 50 GPa and 700 GPa. Furthermore, carbon fibers have a low density in the range of about 1.8 grams per cubic centimeter. Compared to high strength steels with a density of about 7 grams per cubic centimeter to 8 grams per cubic centimeter, this is a significant improvement.

Aufgrund der Kombination der vergrößerten aktiven Oberfläche und der geringen Dichte bieten Kohlenstofffasern als negatives Elektrodenmaterial beziehungsweise als die negative Elektrode 14 ein viel höheres Verhältnis der Energiedichte bezogen auf das Gewicht verglichen mit üblichen Graphitelektroden. Ein weiterer Vorteil ist die gute Verfügbarkeit von Kohlenstofffasern mit einem großen Spektrum an Geometrien, welches Einzelfasern, zweidimensionale unidirektionale Faseranordnungen und dreidimensionale gewobene Anordnungen, vorimprägnierte Fasern (Prepregs) oder dergleichen umfasst.Due to the combination of the increased active surface and the low density, carbon fibers offer as the negative electrode material and the negative electrode, respectively 14 a much higher energy density ratio by weight compared to conventional graphite electrodes. Another advantage is the good availability of carbon fibers with a wide range of geometries, which single fibers, two-dimensional unidirectional fiber arrangements and three-dimensional woven arrangements, pre-impregnated fibers (prepregs) or the like.

Eine besonders vielversprechende Lösung besteht in der Verwendung von Geweben aus Polyacrylnitril-basierten Kohlenstofffasern. Studien haben eine ähnliche oder höhere Kapazität von auf der Basis von Polyacrylnitril (PAN) hergestellten Kohlenstofffasern bezogen auf Graphitelektroden gezeigt, wobei 250 mAh/g bis 350 mAh/g sowie sehr hohe coulombsche Wirkungsgrade von 99,9 Prozent nach zehn Zyklen festgestellt wurden. Polyacrylnitril-basierte Kohlenstofffasern zeigen auch konkurrenzfähige mechanische Eigenschaften mit Zugfestigkeiten im Bereich von 3,5 GPa bis 6 GPa und einem Elastizitätsmodul zwischen 230 GPa und 300 GPa.A particularly promising solution is the use of polyacrylonitrile-based carbon fiber fabrics. Studies have shown similar or higher capacitance of polyacrylonitrile (PAN) based carbon fibers to graphite electrodes, with 250 mAh / g to 350 mAh / g and very high coulomb efficiencies of 99.9 percent after ten cycles. Polyacrylonitrile-based carbon fibers also exhibit competitive mechanical properties with tensile strengths in the range of 3.5 GPa to 6 GPa and a modulus of elasticity between 230 GPa and 300 GPa.

Andere in Betracht zu ziehende Materialien für die Anode beziehungsweise die negative Elektrode 14 umfassen eindimensionale einzelne Kohlenstofffasern, zweidimensionale, unidirektionale Kohlenstofffasern sowie dreidimensionale Gewebe, etwa in Leinwandbindung, Atlasbindung oder Köperbindung, Triaxialgewebe und dergleichen, vorimprägnierte Fasern (Prepregs) oder ähnliche Kohlenstofffasern enthaltende Anordnungen.Other materials to be considered for the anode or the negative electrode 14 include one-dimensional single carbon fibers, two-dimensional unidirectional carbon fibers and three-dimensional fabrics such as plain weave, satin weave or twill weave, triaxial weave and the like, pre-impregnated fibers (prepregs) or similar carbon fiber containing assemblies.

Eine Funktionalisierung und/oder Beschichtung der Fasern kann vorgesehen sein, um deren Eigenschaften, etwa elektrochemische Eigenschaften, Adhäsionseigenschaften und dergleichen zu verbessern.Functionalization and / or coating of the fibers may be provided to improve their properties, such as electrochemical properties, adhesion properties, and the like.

Vorliegend werden Partikel 18 oder Nanopartikel des Kathodenmaterials beziehungsweise positiven Elektrodenmaterials in Betracht gezogen. Insbesondere sind die Partikel 18 oder Nanopartikel in einem Polymerharz dispergiert, welches als der Feststoffelektrolyt 16 dient. Im Hinblick auf das Kathodenmaterial beziehungsweise das positive Elektrodenmaterial wird die Verwendung von Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid in Betracht gezogen, etwa in Form von LiNiCOAlO2. Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxide (NCA) bieten zahlreiche Vorteile. Zu diesen zählen eine hohe spezifische Energie und eine gute spezifische Leistung sowie auch eine lange Lebensdauer. Ein derartiges Material ist daher auch für traditionelle Lithium-Ionen-Batteriezellen mit einem flüssigen Elektrolyten bereits in Betracht gezogen worden.Here are particles 18 or nanoparticles of the cathode material or positive electrode material considered. In particular, the particles 18 or nanoparticles dispersed in a polymer resin, which is referred to as the solid electrolyte 16 serves. With regard to the cathode material or the positive electrode material, the use of lithium-nickel-cobalt-aluminum oxide is considered, for example in the form of LiNiCOAlO 2 . Lithium-nickel-cobalt-aluminum-oxides (NCA) offer numerous advantages. These include a high specific energy and a good specific performance as well as a long service life. Such a material has therefore already been considered for traditional lithium-ion battery cells with a liquid electrolyte.

Zusätzlich oder alternativ zu dem wenigstens einen Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA) können die Partikel 18 wenigstens ein Lithium-Kobalt-Oxid, etwa der Form LiCoO2, und/oder wenigstens ein Lithium-Mangan-Oxid, etwa der Form LiMn2O4, und/oder wenigstens ein Lithium-Titan-Oxid, etwa der Form L4Ti5O12, und/oder wenigstens ein Lithiumphosphat, etwa der Form LiFePO4, LiMnPO4, LiNiPO4, LiCoPO4 oder dergleichen, und/oder wenigstens ein Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC), etwa der Form LiNiMnCoO2, und/oder LiO2, LiS, LiC oder dergleichen umfassen.In addition or as an alternative to the at least one lithium-nickel-cobalt-aluminum oxide (NCA), the particles 18 at least one lithium-cobalt oxide, for example of the form LiCoO 2 , and / or at least one lithium-manganese oxide, for example of the form LiMn 2 O 4 , and / or at least one lithium-titanium oxide, for example of the form L 4 Ti 5 O 12 , and / or at least one lithium phosphate, such as the form LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , LiCoPO 4 or the like, and / or at least one lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (NMC), about the form LiNiMnCoO 2 , and / or LiO 2 , LiS, LiC or the like.

Das Polymerharz, in welches die Partikel 18 oder Nanopartikel des Kathodenmaterials beziehungsweise positiven Elektrodenmaterials eingebettet sind, bildet den Feststoffelektrolyten 16. Auch dies bietet zahlreiche Vorteile. Dies sorgt nämlich einerseits für einen Zusammenhalt sowohl des Anodenmaterials als auch des Kathodenmaterials. Zudem bringt das Bereitstellen des Feststoffelektrolyten 16 die Fähigkeit der Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 mit sich, mechanischen Belastungen gut standzuhalten wie etwa einem Zug, einem Druck, einer Torsion oder dergleichen.The polymer resin into which the particles 18 or nanoparticles of the cathode material or positive electrode material are embedded, forms the solid electrolyte 16 , This also offers numerous advantages. On the one hand, this ensures cohesion of both the anode material and the cathode material. In addition, providing the solid electrolyte brings 16 the ability of the lithium-ion battery cell 10 to withstand mechanical loads well such as a train, a pressure, a twist or the like.

Darüber hinaus sorgt die Verwendung des Feststoffelektrolyten 16 für eine verbesserte Sicherheit des Batteriesystems ohne das Risiko einer Leckage, für eine hohe thermische Stabilität und für eine geringe Entflammbarkeit. Die Verwendung des Feststoffelektrolyten 16 erlaubt zudem viel höhere Energiedichten als sie mit üblichen flüssigen Elektrolyten erreicht werden können. Und der Feststoffelektrolyt 16 dient zugleich als Separator und als Elektrolyt der Lithium-Ionen-Batteriezelle 10. Schließlich erlaubt der Feststoffelektrolyt 16 eine sehr große Flexibilität bei der Herstellung beziehungsweise Verarbeitung der Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 mit einem breiten Spektrum an komplexen Formen.In addition, the use of the solid electrolyte ensures 16 for improved safety of the battery system without the risk of leakage, for high thermal stability and low flammability. The use of the solid electrolyte 16 also allows much higher energy densities than can be achieved with conventional liquid electrolytes. And the solid electrolyte 16 also serves as a separator and as an electrolyte of the lithium-ion battery cell 10 , Finally, the solid electrolyte allows 16 a very great flexibility in the production or processing of the lithium-ion battery cell 10 with a wide range of complex shapes.

An den verwendbaren Feststoffelektrolyten 16 sind lediglich geringe Anforderungen zu stellen, mit Ausnahme einer hohen Leitfähigkeit für Li+-lonen. Verschiedenen Materialien können zum Bereitstellen des Feststoffelektrolyten 16 in Betracht gezogen werden, wie etwa Feststoff-Polymer-Elektrolyte, anorganische Feststoffelektrolyte oder organischanorganische Hybridverbundelektrolyte. Von diesen Lösungen hat sich die Verwendung eines Feststoff-Polymer-Elektrolyten als im Hinblick auf dessen Eigenschaften besonders vielversprechend erwiesen. Hierzu zählen eine hohe mechanische Festigkeit, eine hohe Flammhemmung, eine hohe thermische Stabilität, eine hohe lonenleitfähigkeit und ein großes elektrochemisches Fenster. Mögliche Feststoff-Polymer-Elektrolyte umfassen Polyethylenoxid, Polycarbonate, Polysiloxane und dergleichen.On the usable solid electrolyte 16 only low requirements are to be made, with the exception of a high conductivity for Li + ions. Various materials can be used to provide the solid electrolyte 16 such as solid-polymer electrolytes, inorganic solid electrolytes or organo-inorganic hybrid composite electrolytes. Of these solutions, the use of a solid polymer electrolyte has proven particularly promising in terms of its properties. These include high mechanical strength, high flame retardancy, high thermal stability, high ionic conductivity and a large electrochemical window. Possible solid polymer electrolytes include polyethylene oxide, polycarbonates, polysiloxanes, and the like.

Ein Hinzufügen von zusätzlichen Komponenten oder Elementen in eine Matrix des Polymers, um weitere Eigenschaften hinzuzufügen wie etwa eine höhere Leitfähigkeit und verbesserte Flammhemmung und dergleichen, wird vorliegend in Betracht gezogen.Addition of additional components or elements into a matrix of the polymer to add further properties such as higher conductivity and improved flame retardancy and the like is contemplated herein.

Anhand von 3 soll ein Verfahren veranschaulicht werden, bei welchem die Lithiumlonen-Batteriezelle 10 hergestellt werden kann, welche in 2 gezeigt ist. Das Verfahren erlaubt einen raschen und in großem Ausmaß skalierbaren Herstellungsprozess sowie eine große Spannbreite von Geometrien der Komponenten. Ein weiterer Vorteil ist die Anwendung von Herstellungsprozessschritten, welche etwa im Bereich der Herstellung von Verbundwerkstoffen bereits Anwendung finden.Based on 3 to illustrate a method in which the lithium-ion battery cell 10 can be made, which in 2 is shown. The method allows for a rapid and scalable manufacturing process as well as a wide range of geometries of the components. Another advantage is the application of manufacturing process steps, which are already used in the field of production of composite materials.

Ein Beispiel eines solchen Herstellverfahrens kann die im Folgenden mit Bezug auf 3 erläuterten Schritte umfassen. Gemäß einem ersten Schritt 26 können zwei Lagen des Anodenmaterials beziehungsweise der negativen Elektrode 14 auf beiden Seiten des ersten Ableiters 12 angeordnet werden, welcher als Metallfolie oder Metallgitter ausgebildet und beispielsweise aus Kupfer gebildet sein kann. Der erste Ableiter 12 dient als negativer Stromsammler.An example of such a manufacturing method can be found below with reference to 3 include explained steps. According to a first step 26 may be two layers of the anode material or the negative electrode 14 on both sides of the first arrester 12 can be arranged, which may be formed as a metal foil or metal grid and formed, for example, of copper. The first arrester 12 serves as a negative current collector.

In einem nachfolgenden Schritt wird der erste Ableiter 12 zusammen mit den an dem ersten Ableiter 12 angeordneten Kohlenstofffasern, welche die negative Elektrode 14 bilden, mittels eines Umformwerkzeugs 28 vorgeformt beziehungsweise umgeformt. Von dem Umformwerkzeug 28 sind in 3 schematisch eine obere Werkzeughälfte 30 und eine untere Werkzeughälfte 32 dargestellt.In a subsequent step, the first arrester becomes 12 along with those at the first arrester 12 arranged carbon fibers, which the negative electrode 14 form, by means of a forming tool 28 preformed or reshaped. From the forming tool 28 are in 3 schematically an upper mold half 30 and a lower tool half 32 shown.

Wenn vorimprägnierte Kohlenstofffasern (Prepregs) zum Bereitstellen der negativen Elektrode 14 verwendet werden, kann während des Verformens der Komponenten in dem Umformwerkzeug 28 Wärme zugeführt werden, um die Integrität des Schichtenverbundsystems sicherzustellen.When preimpregnated carbon fibers (prepregs) for providing the negative electrode 14 can be used during the deformation of the components in the forming tool 28 Heat are supplied to ensure the integrity of the composite layer system.

Der vorgeformte Verbund wird dann in ein Spritzgießwerkzeug 34 oder ein Spritzpresswerkzeug eingebracht. In dieses Spritzgießwerkzeug 34 wird ein Ausgangsmaterial 36 des Feststoffelektrolyten 16 eingespritzt, welches die Partikel 18 enthält. Die Partikel 18 oder Nanopartikel des Kathodenmaterials beziehungsweise des positiven Elektrodenmaterials können hierbei in einem Monomergemisch vorliegen, welches das Monomer, wenigstens ein Lösungsmittel, Salze, Additive und dergleichen enthält. In dieses Monomergemisch können die Partikel 18 oder Nanopartikel des Elektrodenmaterials vor dem Einspritzen in das Spritzgießwerkzeug 34 eingemischt werden. Je nachdem, welche Art an Monomergemisch verwendet wird, kann etwa durch Elektropolymerisation oder Aushärten beziehungsweise Vernetzen die Polymermatrix des Feststoffelektrolyten 16 gebildet werden. Im Falle einer beispielhaft möglichen Verwendung von Polycarbonat kann Harzspritzpressen (Resin Transfer Moulding, RTM) in dem entsprechenden Bearbeitungsschritt in Betracht gezogen werden, welcher in dem Spritzgießwerkzeug 34 oder Spritzpresswerkzeug stattfindet.The preformed composite is then placed in an injection mold 34 or a transfer molding tool introduced. In this injection mold 34 becomes a starting material 36 of the solid electrolyte 16 injected the particles 18 contains. The particles 18 or nanoparticles of the cathode material or of the positive electrode material may in this case be present in a monomer mixture which contains the monomer, at least one solvent, salts, additives and the like. In this monomer mixture, the particles 18 or nanoparticles of the electrode material prior to injection into the injection mold 34 be mixed. Depending on which type of monomer mixture is used, the polymer matrix of the solid electrolyte can be produced, for example, by electropolymerization or curing or crosslinking 16 be formed. In the case of an exemplary possible use of polycarbonate, Resin Transfer Molding (RTM) may be considered in the appropriate processing step used in the injection molding tool 34 or transfer molding tool takes place.

Durch das Spritzgießen oder Spritzpressen wird der Feststoffelektrolyt 16 bevorzugt in eine mit der vorgeformten negativen Elektrode 14 korrespondierende Form gebracht. Hierbei kann, wie in einem Schritt 38 in 3 gezeigt, der Feststoffelektrolyt 16 durch das Spritzgießen mit einer ersten Seite 40 der vorgeformten negativen Elektrode 14 und mit einer der ersten Seite 40 gegenüberliegenden zweiten Seite 42 der vorgeformten negativen Elektrode 14 verbunden werden.By injection molding or transfer molding, the solid electrolyte 16 preferably in one with the preformed negative electrode 14 brought corresponding form. Here, as in one step 38 in 3 shown, the solid electrolyte 16 by injection molding with a first side 40 the preformed negative electrode 14 and with one of the first page 40 opposite second side 42 the preformed negative electrode 14 get connected.

Anschließend können, wie in einem weiteren Schritt 44 in 3 gezeigt, zwei Lagen der Metallfolie beziehungsweise des Gitters, welches insbesondere aus Aluminium gebildet sein kann und durch welches der zweite Ableiter 20 beziehungsweise positive Stromsammler gebildet wird, auf einander gegenüberliegenden Seiten des Schichtverbunds in einem weiteren Umformwerkzeug 46 angeordnet werden. Die zweiten Ableiter 20 werden in dem Schritt 44 so in dem weiteren Umformwerkzeug 46 angeordnet, dass nach dem Umformen der zweiten Ableiter 20 die zweiten Ableiter 20 den jeweiligen Feststoffelektrolyten 16 flächig kontaktieren.Then, as in another step 44 in 3 shown, two layers of the metal foil or the grid, which may be formed in particular of aluminum and through which the second arrester 20 or positive current collector is formed, on opposite sides of the layer composite in another forming tool 46 to be ordered. The second arrester 20 be in the step 44 so in the other forming tool 46 arranged that after forming the second arrester 20 the second arrester 20 the respective solid electrolyte 16 contact surface.

Gemäß der den Schritt 44 veranschaulichenden Darstellung in 3 umfasst das weitere Umformwerkzeug 46 ebenfalls eine obere Werkzeughälfte 48 und eine untere Werkzeughälfte 50. Mittels des weiteren Umformwerkzeugs 46 wird auch der zweite Ableiter 20 in eine mit der Form des ausgehärteten Feststoffelektrolyten 16 korrespondierende Form gebracht.According to the step 44 Illustrative illustration in FIG 3 includes the further forming tool 46 also an upper mold half 48 and a lower tool half 50 , By means of the further forming tool 46 will also be the second arrester 20 in one with the shape of the solidified solid electrolyte 16 brought corresponding form.

In 3 ist auch die so hergestellte Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 gezeigt, welche im Hinblick auf die Abfolge der Komponenten in dem Schichtverbund den in 2 gezeigten Aufbau aufweist. Dementsprechend ist eine Feststoff-Polymer-Batterie beziehungsweise Feststoff-Polymer-Batteriezelle mit strukturtragender Funktion bereitgestellt, in welche negative und positive Stromsammler in Form der Ableiter 12, 20 integriert sind.In 3 is also the lithium-ion battery cell thus prepared 10 which, in view of the sequence of the components in the layer composite, corresponds to those in FIG 2 has shown construction. Accordingly, a solid-polymer battery or solid-polymer battery cell is provided with structure-carrying function, in which negative and positive current collector in the form of the arrester 12 . 20 are integrated.

4 zeigt einen weiteren, optionalen Bearbeitungsschritt 52, welcher vorgesehen sein kann, um die Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 gemäß 3 mit einem elektrisch isolierenden Material 54 zu umgeben. Dementsprechend kann eine weitere Monomermischung 56 in eine weitere Spritzgießform 58 eingebracht werden, um ein elektrisch isolierendes Polymerharz zu bilden, welches einen den ersten Ableiter 12 und den zweiten Ableiter 20 umfassenden Grundkörper 60 der Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 umgibt. 4 shows another, optional processing step 52 , which may be provided to the lithium-ion battery cell 10 according to 3 with an electrically insulating material 54 to surround. Accordingly, another monomer mixture 56 in another injection mold 58 are introduced to form an electrically insulating polymer resin, which is a first arrester 12 and the second arrester 20 comprehensive body 60 the lithium-ion battery cell 10 surrounds.

Abhängig von der gewählten Monomermischung 56 kann insbesondere eine Elektropolymerisation oder ein Aushärten beziehungsweise Vernetzen in Betracht gezogen werden, um die Polymermatrix beziehungsweise das elektrisch isolierende Material 54 zu bilden. Bei dem Umgeben des Grundkörpers 60 mit dem elektrisch isolierenden Material 54 wird bevorzugt dafür gesorgt, dass freie Enden 62, 64 der Ableiter 12, 20 aus dem elektrisch isolierenden Material 54 heraustreten. Die entsprechend elektrisch isolierte Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 ist ebenfalls in 4 gezeigt.Depending on the selected monomer mixture 56 In particular, an electropolymerization or a curing or crosslinking can be considered to avoid the Polymer matrix or the electrically insulating material 54 to build. When surrounding the body 60 with the electrically insulating material 54 is preferably ensured that free ends 62 . 64 the arrester 12 . 20 from the electrically insulating material 54 stepping out. The corresponding electrically isolated lithium-ion battery cell 10 is also in 4 shown.

Durch die Anwendung der vorstehend beschriebenen Herstellverfahren können unterschiedliche Geometrien der Komponenten beziehungsweise der Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 erhalten beziehungsweise in Betracht gezogen werden. Beispielsweise können planare beziehungsweise ebene oder flache Komponenten beziehungsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen 10, aber auch komplexe 3D-Geometrien erzeugt werden, welche auch bei der Herstellung von anderen Schichtverbundsystemen erhältlich sind.By using the manufacturing method described above, different geometries of the components or the lithium-ion battery cell 10 be received or considered. For example, planar or flat or flat components or lithium-ion battery cells 10 , but also complex 3D geometries are produced, which are also available in the production of other composite laminates.

Durch das Bereitstellen der vorstehend beschriebenen Batterie und durch das vorstehend beschriebenen Verfahren lassen sich die hauptsächlichen Nachteile von parasitären Batterien vermeiden, insbesondere das hohe Gewicht und die Unfähigkeit von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, mechanische Lasten aufzunehmen. Dies wird durch die Verwendung der strukturtragenden Feststoffbatterie erreicht, welche die wenigstens eine Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 aufweist.By providing the battery described above and by the method described above, the major drawbacks of parasitic batteries, in particular the heavy weight and inability of conventional lithium-ion batteries to absorb mechanical loads, can be avoided. This is achieved by the use of the structure-carrying solid-state battery, which comprises the at least one lithium-ion battery cell 10 having.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Lithium-Ionen-BatteriezelleLithium-ion battery cell
1212
Ableiterarrester
1414
Elektrodeelectrode
1616
FeststoffelektrolytSolid electrolyte
1818
Partikelparticle
2020
Ableiterarrester
2222
Seitepage
2424
Seitepage
2626
Schrittstep
2828
Umformwerkzeugforming tool
3030
Werkzeughälftetool half
3232
Werkzeughälftetool half
3434
Spritzgießwerkzeuginjection mold
3636
Ausgangsmaterialstarting material
3838
Schrittstep
4040
Seitepage
4242
Seitepage
4444
Schrittstep
4646
Umformwerkzeugforming tool
4848
Werkzeughälftetool half
5050
Werkzeughälftetool half
5252
Bearbeitungsschrittprocessing step
5454
Materialmaterial
5656
Monomermischungmonomer
5858
Spritzgießforminjection mold
6060
Grundkörperbody

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 03/012908 A2 [0005, 0006]WO 03/012908 A2 [0005, 0006]
  • WO 0312908 A2 [0005]WO 0312908 A2 [0005]
  • US 2015180028 A1 [0008]US 2015180028 A1 [0008]
  • US 2010330419 A1 [0010]US 2010330419 A1 [0010]

Claims (9)

Batterie, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (10), bei welcher durch an einem ersten Ableiter (12) angeordnete Kohlenstofffasern eine negative Elektrode (14) gebildet ist, und bei welcher durch an einem zweiten Ableiter (20) angeordnetes Elektrodenmaterial eine positive Elektrode gebildet ist, wobei die Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) einen Elektrolyten umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) als einzigen Elektrolyten einen Feststoffelektrolyten (16) aufweist, in welchem Partikel (18) des positiven Elektrodenmaterials dispergiert vorliegen, wobei der Feststoffelektrolyt (16) durch Spritzgießen eines die Partikel (18) enthaltenden Ausgangsmaterials (36) des Feststoffelektrolyten (16) mit der negativen Elektrode (14) verbunden ist.Battery, in particular for a motor vehicle, having at least one lithium-ion battery cell (10) in which a negative electrode (14) is formed by carbon fibers arranged on a first arrester (12), and in which a second arrester (20 ), wherein the lithium-ion battery cell (10) comprises an electrolyte, characterized in that the lithium-ion battery cell (10) as sole electrolyte has a solid electrolyte (16) in which particles ( 18) of the positive electrode material, the solid electrolyte (16) being connected to the negative electrode (14) by injection molding a starting material (36) of the solid electrolyte (16) containing the particles (18). Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffelektrolyt (16) als Feststoff-Polymer-Elektrolyt und/oder als anorganischer Feststoffelektrolyt und/oder als organisch-anorganischer Hybridverbund-Elektrolyt ausgebildet ist.Battery after Claim 1 , characterized in that the solid electrolyte (16) is formed as a solid polymer electrolyte and / or as an inorganic solid electrolyte and / or as an organic-inorganic hybrid composite electrolyte. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (18) wenigstens ein Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid umfassen.Battery after Claim 1 or 2 , characterized in that the particles (18) comprise at least one lithium-nickel-cobalt-aluminum oxide. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ableiter (12) zusammen mit den an dem ersten Ableiter (12) angeordneten Kohlenstofffasern mittels eines Umformwerkzeugs (28) vorgeformt ist.Battery after one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the first arrester (12) is preformed by means of a forming tool (28) together with the carbon fibers arranged on the first arrester (12). Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffelektrolyt (16) durch das Spritzgießen in eine mit der vorgeformten negativen Elektrode (14) korrespondierende Form gebracht ist.Battery after Claim 4 , characterized in that the solid electrolyte (16) is brought by injection molding in a form corresponding to the preformed negative electrode (14). Batterie nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffelektrolyt (16) durch das Spritzgießen mit einer ersten Seite (40) der vorgeformten negativen Elektrode (14) und mit einer der ersten Seite (40) gegenüberliegenden zweiten Seite (42) der vorgeformten negativen Elektrode (14) verbunden ist.Battery after Claim 4 or 5 characterized in that the solid electrolyte (16) is injection molded to a first side (40) of the preformed negative electrode (14) and to a second side (42) of the preformed negative electrode (14) opposite the first side (40) is. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ableiter (20) mittels eines Umformwerkzeugs (46) in eine mit der Form des Feststoffelektrolyten (16) korrespondierende Form gebracht ist.Battery after one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the second arrester (20) by means of a forming tool (46) is brought into a shape corresponding to the shape of the solid electrolyte (16). Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein den ersten Ableiter (12) und den zweiten Ableiter (20) umfassender Grundkörper (60) der Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) von einem elektrisch isolierenden Material (54) umgeben ist, wobei freie Enden (62, 64) der Ableiter (12, 20) aus dem elektrisch isolierenden Material (54) heraustreten.Battery after one of the Claims 1 to 6 , characterized in that a base body (60) of the lithium-ion battery cell (10) comprising the first arrester (12) and the second arrester (20) is surrounded by an electrically insulating material (54), free ends (62, 64) of the arresters (12, 20) emerge from the electrically insulating material (54). Verfahren zum Herstellen einer Batterie, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bei welchem durch an einem ersten Ableiter (12) angeordnete Kohlenstofffasern eine negative Elektrode (14) wenigstens einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) der Batterie gebildet wird, bei welchem durch an einem zweiten Ableiter (20) angeordnetes Elektrodenmaterial eine positive Elektrode der Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) gebildet wird, und bei welchem ein Elektrolyt der Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als einziger Elektrolyt der Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) ein Feststoffelektrolyt (16) verwendet wird, in welchem Partikel (18) des positiven Elektrodenmaterials dispergiert vorliegen, wobei der Feststoffelektrolyt (16) durch Spritzgießen eines die Partikel (18) enthaltenden Ausgangsmaterials (36) des Feststoffelektrolyten (16) mit der negativen Elektrode (14) verbunden wird.Method for producing a battery, in particular for a motor vehicle, in which a negative electrode (14) of at least one lithium-ion battery cell (10) of the battery is formed by carbon fibers arranged on a first arrester (12), in which case by a second Ableiter (20) arranged electrode material is a positive electrode of the lithium-ion battery cell (10) is formed, and in which an electrolyte of the lithium-ion battery cell (10) is provided, characterized in that as the sole electrolyte of the lithium-ion Battery cell (10) is a solid electrolyte (16) is used in which particles (18) of the positive electrode material dispersed, wherein the solid electrolyte (16) by injection molding of the particles (18) containing starting material (36) of the solid electrolyte (16) with the negative electrode (14) is connected.
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