EP2486614A1 - Elektrochemische zelle und verfahren zur herstellung einer solchen zelle - Google Patents

Elektrochemische zelle und verfahren zur herstellung einer solchen zelle

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EP2486614A1
EP2486614A1 EP10754695A EP10754695A EP2486614A1 EP 2486614 A1 EP2486614 A1 EP 2486614A1 EP 10754695 A EP10754695 A EP 10754695A EP 10754695 A EP10754695 A EP 10754695A EP 2486614 A1 EP2486614 A1 EP 2486614A1
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EP
European Patent Office
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layer
electrode layer
electrode
electrochemical cell
edge
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Withdrawn
Application number
EP10754695A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Joerg Kaiser
Claus-Rupert Hohenthanner
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Li Tec Battery GmbH
Original Assignee
Li Tec Battery GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to an electrochemical cell having an electrode stack with in particular a plurality of layers of active material. Furthermore, the invention relates to a method for producing an aforementioned electrochemical cell. Furthermore, the invention relates to a battery with at least one aforementioned electrochemical cell.
  • There are lithium-ion cells are known in which anodes and cathodes are arranged alternately, wherein between the anodes and the cathodes in each case a separator is provided.
  • the cathodes generally have a smaller areal extent than the anodes.
  • an electrochemical cell comprising at least one electrode stack, which is arranged within a sheath of the electrochemical cell, wherein the electrode stack at least one cathode layer and one anode layer wherein a separator layer is arranged between the first electrode layer and the second electrode layer, and wherein the cathode layer has a smaller areal extent than the anode layer.
  • This electrochemical cell is further characterized in that an edge layer is arranged adjacent to the first electrode layer. The edge layer is preferably made mechanically stabilizing.
  • an electrode stack is to be understood as a device which, as an assembly of a galvanic cell, also serves to store chemical energy and to deliver electrical energy.
  • the electrode stack has a plurality of plate-shaped elements, at least two electrodes, namely in particular anode and cathode, and a separator which at least partially receives the electrolyte.
  • at least one anode, a separator and a cathode are stacked or stacked, wherein the separator is at least partially disposed between the anode and the cathode.
  • This sequence of anode, separator and cathode can be repeated as often as desired within the electrode stack.
  • the plate-shaped elements are wound into an electrode winding.
  • electrode stack is also used for electrode windings: Before the electrical energy is emitted, stored chemical energy is converted into electrical energy. During charging, the electrical energy supplied to the electrode stack or the galvanic cell is converted into chemical energy and stored a plurality of electrode pairs and separators, particularly preferably some of the electrodes are electrically connected to one another.
  • an at least partial limitation is to be understood, which delimits the electrode stack to the outside.
  • the envelope is preferably gas and liquid tight, so that a material exchange with the environment can not take place.
  • the electrode Stacks are located within the enclosure. At least one current conductor, in particular two current conductors extend out of the enclosure and serve to connect the electrode stacks.
  • the outwardly extending current conductors preferably represent the positive pole connection and the negative pole connection of the electrochemical cell. However, it is also possible for a plurality of current conductors to extend out of the enclosure, in particular four current arresters. If the electrochemical cell has two electrode stacks which are connected in series with one another, two electrodes of different electrode stacks are connected to one another.
  • a current collector is an element which is made of an electrically conductive material. It is used to conduct electricity between two geometrically separated points.
  • a current collector is connected to an electrode stack.
  • the current conductor is connected to all similar electrodes of an electrode stack, i. either with the cathodes or with the anodes. It goes without saying that a current conductor is not connected to the cathodes and anodes of an electrode stack at the same time, since this would lead to a short circuit.
  • a current collector may be connected to different electrodes of different electrode stacks, e.g. in a series connection of the two electrode stacks. At least one current collector extends from the enclosure and may serve to connect the electrochemical cell to the outside.
  • the current collector may be integrally formed with one or more electrodes. A distinction between current collector and electrode can be seen in that the current conductor is not coated in particular with active electrode material.
  • the cathode layer By providing the edge layer on the first electrode layer, the cathode layer can be mechanically enlarged. The enlargement results in a reduced surface pressure on the electrode layers, in particular on the cathode layer, while the pressure remains constant.
  • the cathode layer and the edge layer are preferably in a common Plane arranged.
  • the separator layer which is in contact with the first electrode layer and in particular overlaps the cathode layer in an edge region of the first electrode layer, can thereby be supported by the edge layer.
  • the anode layer which is arranged on the side of the separator layer facing away from the first electrode layer, is indirectly supported by the edge layer.
  • the edge layer is preferably arranged at least on one side of the first electrode layer.
  • the boundary layer is arranged on one side of the first electrode layer, from which a current conductor is connected to the cathode layer.
  • the current conductor is preferably not coated with active electrode material.
  • the current arrester may have a cross-sectional thickness which is less than the cross-sectional thickness of the first electrode layer.
  • the cross-sectional thickness of the current conductor can be summed up by a certain cross-sectional thickness of the edge layer, in particular to a cross-sectional thickness which corresponds to the cross-sectional thickness of the cathode layer in the region of the interface between the current conductor and the first electrode layer.
  • the edge layer is preferably arranged on at least two mutually opposite sides of the first electrode layer.
  • the edge layer can be split into several, in particular not interconnected, portions of the edge layer.
  • the edge layer is arranged circumferentially around the cathode layer.
  • a circumferential area around the cathode layer can be reinforced.
  • the anode layer is thereby supported in a peripheral region of the edge layer.
  • the edge layer may form a particular supporting frame around the cathode layer.
  • the electrode layer preferably forms a composite layer together with the edge layer.
  • the composite layer preferably has the mechanical properties that would have a continuous cathode layer. As a result, all the disadvantages can be compensated, which can result from the smaller areal extent of the first electrode layer.
  • a length of the composite layer corresponds to a length of the second electrode layer.
  • a width of the composite layer corresponds to a width of the second electrode layer.
  • An outline of the composite layer preferably corresponds to an outline of the second electrode layer.
  • corresponding is meant a wide-ranging concept of size, which is to be understood in particular as manufacturing-related tolerances
  • deviations in the single-digit percentage range between the two length specifications may well lie in. However, the deviations are preferably smaller, in particular smaller than 5%. based on the geometric surface area.
  • the edge layer has a cross-sectional thickness that substantially corresponds to a cross-sectional thickness of the first electrode layer.
  • the edge layer has a hardness which corresponds approximately to the hardness of the first electrode layer.
  • the edge layer can simulate an enlarged cathode layer.
  • the first layer may be a cathode layer and the second layer may be an anode layer.
  • the invention is achieved by a method for producing a generic electrochemical cell, wherein at least on one side of the electrode layer, an edge layer is attached.
  • the edge layer and the first electrode layer can be arranged in a common plane.
  • the edge layer can be arranged at least on one side of the first electrode layer, in particular on one side of the first electrode layer, of which a current conductor is connected to the first electrode layer.
  • the edge layer can be arranged at least on two respective opposite sides of the first electrode layer. More preferably, the edge layer can be arranged circumferentially around the first electrode layer.
  • a composite layer is formed together from the first electrode layer with the edge layer.
  • Fig. 1 shows an inventive electrochemical cell in flat construction in the
  • FIG. 2 shows a detail view of an electrochemical cell according to FIG. 1 in FIG
  • FIG. 3 is a detail view of an electrochemical cell according to FIG. 1 in FIG.
  • FIG. 4 a Cross section after the application of a boundary layer; 4 a) a cathode of the electrochemical cell according to FIG. 1 before the application of an edge layer, FIG.
  • FIG. 5 a an alternative cathode according to FIG. 1 before the application of a
  • FIG. 1 shows an electrochemical cell 1 according to the invention.
  • the electrochemical cell 1 comprises an electrode stack 2 which is accommodated within an enclosure 4.
  • the envelope 4 consists essentially of two moldings, which were made of packaging film. The moldings were brought into their illustrated form in a deep drawing process.
  • the sheath 4 has a limited resistance to externally acting forces, since the sheath 4 is largely elastic, so that forces acting on externally can be passed on to the electrode stack. It can be seen that forces in the edge region F R of the electrochemical cell 1 can be greater than forces occurring in the central region F z .
  • FIG. 1 it can not be seen that a plurality of current conductors 3, which extend through the sheath 4, are electrically conductively connected to the electrode stack 2.
  • FIG 2 shows a detail of the electrode stack 2 of an electrochemical cell of Figure 1 shown enlarged.
  • the electrode stack 2 has a plurality of first electrode layers 5 and a plurality of second electrode layers 6.
  • the electrode layers 5, 6 are designed flat and arranged parallel to a plane E.
  • the first electrode layers 5 and the second electrode layers Layers 6 are arranged alternately.
  • a separator layer 7 is arranged between the first electrode layer 5, which in the present case is a cathode layer, and the second electrode layer 6, which in the present case is an anode layer.
  • the current conductors 3 can be seen, which are arranged outside the electrode layers 5, 6. Extensions of the current conductor 3 within the electrode layers 5, 6 form the electrodes 13, 14.
  • a cathode 13 is provided within the cathode layer 5; Within the anode layer 6, an anode 14 is provided.
  • the current conductors 3 may be integrally formed with the respective electrodes 13, 14; However, the current conductor 3 can also be formed separately from the electrodes 13, 14 and be connected to them in an electrically conductive manner.
  • the cathode layer 5 has a smaller areal extent than the anode layer 6. Thus, it can be seen that in an edge region 11, the anode layer 6 projects beyond the cathode layer 5.
  • gaps 12 are formed between two anode layers 6, which are bounded on one side by a side 9 of the cathode layer 5. Due to the gap 12, the anode layers 6 in the case of external Karataufbringung perpendicular to the respective planes E of the layers no resistance counteracted, so that the anode layers 6 can bend in the edge region 11 into the gaps 12, which is indicated by the dashed lines , This can lead to signs of aging on the electrode stacks.
  • FIG. 3 shows the detail of the electrode stack 2 according to FIG. 2 after an edge layer 8 has been applied. It can be seen that the gap 12 is completely filled by the edge layer 8 of polyurethane.
  • the edge layer 8 is attached to one side 9 of the cathode layer 5 and arranged with this in a plane E.
  • the cathode layer 5 and the edge layer 8 forms a composite layer 10, which is arranged between two respective anode layers 6.
  • the edge layer 8 in this case has a hardness which corresponds to the hardness of the cathode layer 5.
  • the edge layer 8 acts mechanically stabilizing, in particular on the anode layer. 6
  • FIG. 4 a shows a cathode layer 5 before the application of an edge layer.
  • the cathode layer 5 has a length Li and a width B.
  • In one side 9 of the current conductor 3 is connected to the cathode.
  • FIG. 4b shows a development of the invention as shown in FIG. On the cathode layer 5, according to FIG. 5b), an edge layer 1 1 is attached circumferentially around the cathode layer 5, so that a composite layer 10 is formed therefrom. Both the length L 2 and the width B 2 of the composite layer 10 are thus greater than the length U as well as the width Bt of the cathode layer 5.
  • FIG. 5c shows by way of example an anode layer 6 of the electrochemical cell according to the invention.
  • the length L 2 corresponds to the length L 2 of the composite layer 10.
  • the width B 2 of the anode layer 6 corresponds to the width B 2 of the composite layer 10.

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Abstract

Eine elektrochemische Zelle (1) weist zumindest einen Elektrodenstapel (2) auf, der innerhalb einer Umhüllung (4) der elektrochemischen Zelle angeordnet ist, wobei der Elektrodenstapel (2) zumindest eine erste Elektrodenschicht (5) und eine zweite Elektrodenschicht (6) aufweist, wobei zwischen der ersten Elektrodenschicht (5) und der zweiten Elektrodenschicht (6) eine Separatorschicht (7) angeordnet ist, wobei die erste Elektrodenschicht (5) eine geringere flächige Ausdehnung aufweist als die zweiten Elektrodenschicht (6), und wobei benachbart an der ersten Elektrodenschicht (5) eine insbesondere mechanisch stabilisierende Randschicht (8) angeordnet ist.

Description

Elektrochemische Zelle und
Verfahren zur Herstellung einer solchen Zelle
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle mit einem Elektrodenstapel mit insbesondere mehreren Schichten von aktivem Material. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer vorgenannten elektrochemischen Zelle. Ferner betrifft die Erfindung eine Batterie mit wenigstens einer vorgenannten elektrochemischen Zelle. Es sind Lithium-Ionen-Zellen bekannt, bei denen Anoden und Kathoden abwechselnd angeordnet sind, wobei zwischen den Anoden und den Kathoden jeweils ein Separator vorgesehen ist. Insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen weisen die Kathoden in der Regel eine kleinere flächige Ausdehnung auf als die Anoden. Dadurch ergibt sich, dass in Randbereichen der Kathoden ein Spalt entstehen kann, sodass die Anoden in diesem Bereich verbogen werden können, insbesondere bei externem Druckaufbringen auf die elektrochemische Zelle. An Stellen mit vermehrtem Verbiegen können die elektrochemischen Zellen Alterungserscheinungen aufweisen. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte elektrochemische Zelle bereitzustellen.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine elektrochemische Zelle, aufweisend zumindest einen Elektrodenstapel, der innerhalb einer Umhüllung der elektrochemischen Zelle angeordnet ist, wobei der Elektrodenstapel zumindest eine Kathodenschicht und eine Anodenschicht aufweist, wobei zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht eine Separatorschicht angeordnet ist, und wobei die Kathodenschicht eine geringere flächige Ausdehnung aufweist als die Anodenschicht. Diese elektrochemische Zelle ist weiter dadurch gekenn- zeichnet, dass benachbart an der ersten Elektrodenschicht eine Randschicht angeordnet ist. Die Randschicht ist vorzugsweise mechanisch stabilisierend ausgestaltet.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Elektrodenstapel eine Einrichtung zu verstehen, welche als Baugruppe einer galvanischen Zelle auch der Speicherung chemischer Energie und zur Abgabe elektrischer Energie dient. Dazu weist der Elektrodenstapel mehrere plattenförmige Elemente auf, wenigstens zwei Elektroden, nämlich insbesondere Anode und Kathode, und einen Separator, welcher den Elektrolyt wenigstens teilweise aufnimmt. Vorzugsweise sind wenigstens eine Anode, ein Separator und eine Kathode übereinander gelegt bzw. gestapelt, wobei der Separator wenigstens teilweise zwischen Anode und Kathode angeordnet ist. Diese Abfolge von Anode, Separator und Kathode kann sich innerhalb des Elektrodenstapels beliebig oft wiederholen. Vorzugsweise sind die plattenförmigen Elemente zu einem Elektrodenwickel aufgewickelt. Nachfolgend wird der Begriff „Elektrodenstapel" auch für Elektrodenwickel verwendet. Vor der Abgabe elektrischer Energie wird gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie gewandelt. Während des Ladens wird die dem Elektrodenstapel bzw. der galvanischen Zelle zugeführte elektrische Energie in chemische Energie gewandelt und abgespeichert. Vorzugsweise weist der Elektrodenstapel mehrere Elektrodenpaare und Separatoren auf. Besonders bevorzugt sind einige Elektroden untereinander insbesondere miteinander elektrisch verbunden.
Unter Umhüllung ist im Rahmen der Erfindung eine zumindest teilweise Begrenzung zu verstehen, welche die Elektrodenstapel nach außen hin abgrenzt. Die Umhüllung ist vorzugsweise gas- und flüssigkeitsdicht, sodass ein Materialaustausch mit der Umgebung nicht stattfinden kann. Die Elektroden- Stapel sind innerhalb der Umhüllung angeordnet. Wenigstens ein Stromableiter, insbesondere zwei Stromableiter erstrecken sich aus der Umhüllung hinaus und dienen zum Anschließen der Elektrodenstapel. Die sich nach außen erstreckenden Stromableiter stellen dabei vorzugsweise den Pluspolanschluss und den Minuspolanschluss der elektrochemischen Zelle dar. Jedoch können sich auch mehrere Stromableiter aus der Umhüllung erstrecken, insbesondere vier Stromableiter. Wenn die elektrochemische Zelle dabei zwei Elektrodenstapel aufweist, die miteinander in Reihe geschaltet sind, so sind zwei Elektroden unterschiedlicher Elektrodenstapel miteinander verbunden.
Ein Stromableiter ist dabei ein Element, welches aus einem stromleitenden Material hergestellt ist. Es dient zur Leitung von Strom zwischen zwei geometrisch von einander getrennten Punkten. Im vorliegenden Fall ist ein Stromableiter mit einem Elektrodenstapel verbunden. Insbesondere ist der Stromableiter dabei mit allen gleichartigen Elektroden eines Elektrodenstapels verbunden, d.h. entweder mit den Kathoden oder mit den Anoden. Es ist selbstverständlich, dass ein Stromableiter nicht mit den Kathoden und Anoden eines Elektrodenstapels gleichzeitig verbunden ist, da ' dies zu einem Kurzschluss führen würde. Jedoch kann ein Stromableiter mit unterschiedlichen Elektroden von unterschiedlichen Elektrodenstapeln verbunden sein, so z.B. bei einer Reihenschaltung der beiden Elektrodenstapel. Wenigstens ein Stromableiter erstreckt sich aus der Umhüllung und kann dabei zum Anschließen der elektrochemischen Zelle nach außen dienen. Der Stromableiter kann mit einer oder mehreren Elektroden einstückig ausgebildet sein. Eine Abgrenzung zwischen Stromableiter und Elektrode kann darin gesehen werden, dass der Stromableiter insbesondere nicht mit aktivem Elektrodenmaterial beschichtet ist.
Durch das Vorsehen der Randschicht an der ersten Elektrodenschicht kann die Kathodenschicht mechanisch vergrößert werden. Durch die Vergrößerung ergibt sich bei gleichbleibendem Druck eine verringerte Flächenpressung auf die Elektrodenschichten insbesondere auf die Kathodenschicht. Dabei sind die Kathodenschicht und die Randschicht vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Die Separatorschicht, welche in Anlage zur ersten Elektrodenschicht ist und die Kathodenschicht in einem Randbereich der ersten Elektrodenschicht insbesondere überlappt, kann dabei von der Randschicht abgestützt werden. Mittelbar wird dadurch insbesondere auch die Anoden- schicht, welche auf der der ersten Elektrodenschicht abgewandten Seite der Separatorschicht angeordnet ist, durch die Randschicht abgestützt. Hierdurch ergibt sich insbesondere eine Verringerung von Abbiegungen, die sich im Bereich der Überlappung der Separatorschicht und insbesondere auch der zweiten Elektrodenschicht in Randbereichen ergeben können. Diese Abbiegungen können ansonsten insbesondere dann auftreten, wenn auf die elektrochemische Zelle von extern mit Kraft, insbesondere Druck, beaufschlagt wird. Dies kann insbesondere auch bei der Fertigung der elektrochemischen Zelle der Fall sein. Vorzugsweise ist die Randschicht zumindest an einer Seite der ersten Elektrodenschicht angeordnet. Insbesondere ist die Randschicht an einer Seite der ersten Elektrodenschicht angeordnet, von der ein Stromableiter an die Kathodenschicht angeschlossen ist. Der Stromableiter ist dabei vorzugsweise nicht mit aktivem Elektrodenmaterial beschichtet. Insofern kann der Strom- ableiter eine Querschnittsdicke aufweisen, die geringer ist als die Querschnittsdicke der ersten Elektrodenschicht. Dadurch, dass im Bereich des Stromableiters die Randschicht angebracht ist, kann somit die Querschnittsdicke des Stromableiters um eine gewisse Querschnittsdicke der Randschicht insbesondere auf eine Querschnittsdicke aufsummiert werden, die der Quer- schnittsdicke der Kathodenschicht im Bereich der Schnittstelle zwischen Stromableiter und erster Elektrodenschicht entspricht.
Vorzugsweise ist die Randschicht zumindest an zwei jeweils gegenüber liegenden Seiten der ersten Elektrodenschicht angeordnet. Grundsätzlich kann nämlich die Randschicht aufgespaltet sein in mehrere insbesondere nicht miteinander verbundene Abschnitte der Randschicht. Dabei kann insbesondere sichergestellt werden, dass wenn die Kathodenschicht zentral zur zweiten Elektrodenschicht ausgerichtet ist, dass an beiden axialen Überständen der zweiten Elektrodenschicht diese Mittels der Randschicht, abgestützt werden kann. Vorzugsweise ist die Randschicht umlaufend um die Kathodenschicht angeordnet. Dadurch kann ein umlaufender Bereich um die Kathodenschicht verstärkt werden. Insbesondere wird die Anodenschicht dadurch in einem umlaufenden Bereich von der Randschicht unterstützt. Die Randschicht kann einen insbesondere stützenden Rahmen um die Kathodenschicht bilden.
Vorzugsweise bildet die Elektrodenschicht gemeinsam mit der Randschicht eine Verbundschicht. Die Verbundschicht hat dabei vorzugsweise die mechanischen Eigenschaften, die eine durchgehende Kathodenschicht hätte. Hierdurch können sämtliche Nachteile ausgeglichen werden, die sich durch die kleinere flächige Ausdehnung der ersten Elektrodenschicht ergeben können.
Vorzugsweise entspricht eine Länge der Verbundschicht einer Länge der zweiten Elektrodenschicht. Vorzugsweise entspricht eine Breite der Verbundschicht einer Breite der zweiten Elektrodenschicht.
Vorzugsweise entspricht ein Umriss der Verbundschicht einem Umriss der zweiten Elektrodenschicht. Unter„entsprechen" ist dabei ein weit auszulegender Größenbegriff gemeint. Darunter sind insbesondere fertigungstechnisch bedingte Toleranzen zu verstehen. Ferner können dabei durchaus Ab- weichungen im einstelligen Prozentbereich zwischen den beiden Längenangaben liegen. Vorzugsweise sind die Abweichungen aber geringer, insbesondere kleiner als 5%, bezogen auf den geometrischen Flächeninhalt.
Vorzugsweise weist die Randschicht eine Querschnittsdicke auf, die im Wesent- liehen einer Querschnittsdicke der ersten Elektrodenschicht entspricht. Dabei weist vorzugsweise die Randschicht eine Härte auf, die etwa der Härte der ersten Elektrodenschicht entspricht. Bei insbesondere ähnlichen mechanischen Eigenschaften, insbesondere ähnlichen elastischen und/oder plastischen Eigenschaften, kann die Randschicht eine vergrößerte Kathodenschicht simulieren. Insbesondere kann die erste Schicht eine Kathodenschicht sein und die zweite Schicht eine Anodenschicht sein.
Ferner wird die Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer gattungsgemäßen elektrochemischen Zelle, wobei zumindest an einer Seite der Elektrodenschicht eine Randschicht angebracht wird. Die Randschicht und die erste Elektrodenschicht können in einer gemeinsamen Ebene angeordnet werden. Die Randschicht kann zumindest an einer Seite der ersten Elektrodenschicht angeordnet werden, insbesondere an einer Seite der ersten Elektrodenschicht, von der ein Stromableiter an die ersten Elektrodenschicht angeschlossen ist. Vorzugsweise kann die Randschicht zumindest an zwei jeweils gegenüber liegenden Seiten der ersten Elektrodenschicht angeordnet werden. Weiter bevorzugt kann die Randschicht umlaufend um die erste Elektrodenschicht angeordnet werden. Bevorzugt wird gemeinsam aus der ersten Elektrodenschicht mit der Randschicht eine Verbundschicht gebildet. Es wird auf die genannten Vorteile verwiesen. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Darin zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle in Flachbauweise im
Querschnitt;
Fig. 2 eine Detailansicht einer Elektrochemischen Zelle nach Fig. 1 im
Querschnitt vor dem Aufbringen einer Randschicht; Fig. 3 eine Detailansicht einer Elektrochemischen Zelle nach Fig. 1 im
Querschnitt nach dem Aufbringen einer Randschicht; Fig. 4 a) eine Kathode der Elektrochemischen Zelle gemäß Fig. 1 vor dem Aufbringen einer Randschicht,
b) eine Kathode der Elektrochemischen Zelle gemäß Fig. 1 nach dem Aufbringen einer Randschicht; und
Fig. 5 a) eine alternative Kathode gemäß Fig. 1 vor dem Aufbringen einer
Randschicht,
b) eine alternative Kathode gemäß Fig. 1 nach dem Aufbringen einer Randschicht,
c) eine Anode der Elektrochemischen Zelle nach Fig. 1.
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle 1 gezeigt. Die elektrochemische Zelle 1 umfasst einen Elektrodenstapel 2 der innerhalb einer Umhüllung 4 aufgenommen ist. Die Umhüllung 4 besteht dabei im Wesentlichen aus zwei Formteilen, die aus Verpackungsfolie hergestellt wurden. Die Formteile wurden in einem Tiefziehprozess in ihre dargestellte Form gebracht. Die Umhüllung 4 weist dabei eine begrenzte Wiederstandsfähigkeit gegenüber extern angreifende Kräfte auf, da die Umhüllung 4 weitgehend elastisch ausgebildet, sodass extern angreifende Kräfte auf den Elektrodenstapel weiter- geleitet werden können. Es ist zu erkennen, dass Kräfte im Randbereich FR der elektrochemischen Zelle 1 größer sein können als auftretende Kräfte im Zentralbereich Fz.
In der Figur 1 ist nicht zu erkennen, dass mit dem Elektrodenstapel 2 mehrere Stromableiter 3 elektrisch leitend verbunden sind, die sich durch die Umhüllung 4 hindurch erstrecken.
Figur 2 zeigt ausschnittsweise den Elektrodenstapel 2 einer elektrochemischen Zelle nach Figur 1 vergrößert dargestellt. Der Elektrodenstapel 2 weist mehrere erste Elektrodenschichten 5 und mehrere zweite Elektrodenschichten 6 auf. Die Elektrodenschichten 5, 6 sind flächig ausgestaltet und parallel zu einer Ebene E angeordnet. Die ersten Elektrodenschichten 5 und die zweiten Elektroden- schichten 6 sind jeweils abwechselnd angeordnet. Zwischen der ersten Elektrodenschicht 5, welche im vorliegenden Fall eine Kathodenschicht ist, und der zweiten Elektrodenschicht 6, welche im vorliegenden Fall eine Anodenschicht ist, ist jeweils eine Separatorschicht 7 angeordnet.
Es sind Stromableiter 3 zu erkennen, die außerhalb der Elektrodenschichten 5, 6 angeordnet sind. Verlängerungen der Stromableiter 3 innerhalb der Elektrodenschichten 5, 6 bilden die Elektroden 13, 14. Dabei ist innerhalb der Kathodenschicht 5 eine Kathode 13 vorgesehen; innerhalb der Anodenschicht 6 ist eine Anode 14 vorgesehen. Die Stromableiter 3 können einstückig mit den jeweiligen Elektroden 13, 14 ausgebildet sein; die Stromableiter 3 können aber auch separat zu den Elektroden 13, 14 ausgebildet sein und mit diesen elektrisch leitend verbunden sein. Die Kathodenschicht 5 weist eine geringere flächige Ausdehnung als die Anodenschicht 6 auf. Somit ist zu erkennen, dass in einem Randbereich 11 die Anodenschicht 6 die Kathodenschicht 5 überragt. Dadurch bilden sich zwischen zwei Anodenschichten 6 jeweils Spalte 12, die einseitig von einer Seite 9 der Kathodenschicht 5 begrenzt werden. Aufgrund des Spaltes 12 wird den Anoden- schichten 6 im Falle von externer Karataufbringung senkrecht zu den jeweiligen Ebenen E der Schichten keine Widerstandskraft entgegengesetzt, sodass sich die Anodenschichten 6 im Randbereich 11 in die Spalten 12 hinein verbiegen können, was durch die gestrichelte Linien angedeutet ist. Dies kann zu Alterungserscheinungen an den Elektrodenstapeln führen.
Figur 3 zeigt den Ausschnitt des Elektrodenstapels 2 gemäß Figur 2, nachdem eine Randschicht 8 angebracht wurde. Dabei ist zu erkennen, dass der Spalt 12 vollständig von der Randschicht 8 aus Polyurethan ausgefüllt ist. Die Randschicht 8 ist dabei an einer Seite 9 der Kathodenschicht 5 angebracht und mit dieser in einer Ebene E angeordnet. Insofern bildet die Kathodenschicht 5 und die Randschicht 8 eine Verbundschicht 10, welche zwischen zwei jeweiligen Anodenschichten 6 angeordnet ist. Dadurch dass der Spalt 12 nunmehr von der Randschicht 8 ausgefüllt ist, wirkt die Randschicht 8 als Widerstandskraft aufbringendes Element, welches ein Verbiegen der Anodenschicht 6 im Randbereich 1 1 verhindern kann. Die Randschicht 8 weist dabei eine Härte auf, die der Härte der Kathodenschicht 5 entspricht.
Die Randschicht 8 wirkt dabei mechanisch stabilisierend, insbesondere auf die Anodenschicht 6.
Figur 4a) zeigt eine Kathodenschicht 5 vor dem Aufbringen einer Randschicht. Die Kathodenschicht 5 weist eine Länge Li und eine Breite B auf. In einer Seite 9 ist der Stromableiter 3 an der Kathode angeschlossen.
In Figur 4b) ist zu erkennen, dass die Kathodenschicht 5 an der Seite 9 die Randschicht 8 angebracht wurde. Die übrigen Seiten der Kathodenschicht 5 sind ohne Randschicht 8 versehen. Es ist zu erkennen, dass die aus Kathodenschicht 5 und Randschicht 8 gebildete Verbundschicht 10 nunmehr eine Länge L2 aufweist, während die Breite unverändert zur entsprechenden Breite der Kathodenschicht 5 geblieben ist. Figur 5b) zeigt eine Weiterbildung der Erfindung, wie sie in Figur 4 gezeigt ist. Auf die Kathodenschicht 5 wird gemäß Figur 5b) eine Randschicht 1 1 umlaufend um die Kathodenschicht 5 angebracht, sodass daraus eine Verbundschicht 10 gebildet ist. Sowohl die Länge L2 als auch die Breite B2 der Verbundschicht 10 sind somit größer als die Länge U als auch die Breite B-t der Kathodenschicht 5.
In Figur 5c) ist beispielhaft eine Anodenschicht 6 der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle gezeigt. Die Länge L2 entspricht dabei der Länge L2 der Verbundschicht 10. Die Breite B2 der Anodenschicht 6 entspricht dabei der Breite B2 der Verbundschicht 10. Bezugszeichenliste elektrochemische Zelle
Elektrodenstapel
Stomableiter
Umhüllung
Kathodenschicht
Anodenschicht
Separatorschicht
Randschicht
Seite
Verbundschicht
Randbereich
Spalt
Kathode
Anode
aktives Kathodenmaterial
aktives Anodenmaterial
Ebene
Breite
Länge
Kraft

Claims

Patentansprüche
Elektrochemische Zelle (1 ), mit zumindest einem Elektrodenstapel (2), der innerhalb einer Umhüllung (4) der elektrochemischen Zelle angeordnet ist, wobei der Elektrodenstapel (2) zumindest eine erste
Elektrodenschicht (5) und eine zweite Elektrodenschicht (6) aufweist, wobei zwischen der ersten Elektrodenschicht (5) und der zweiten
Elektrodenschicht (6) eine Separatorschicht (7) angeordnet ist, und wobei die erste Elektrodenschicht (5) eine geringere flächige Ausdehnung aufweist als die zweiten Elektrodenschicht (6),
dadurch gekennzeichnet, dass
benachbart an der ersten Elektrodenschicht (5) eine insbesondere mechanisch stabilisierende Randschicht (8) angeordnet ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Elektrodenschicht (5) und die Randschicht (8) in einer gemeinsamen Ebene (E) angeordnet sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Randschicht (8) zumindest an einer Seite (9) der ersten Elektrodenschicht (5) angeordnet ist, insbesondere an einer Seite der ersten
Elektrodenschicht, von der ein Stromableiter (3) an die erste Elektrodenschicht (5) angeschlossen ist.
Elektrochemische Zelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Randschicht (8) zumindest an zwei jeweils gegenüber liegenden Seiten (9) der ersten Elektrodenschicht (5) angeordnet ist.
Elektrochemische Zelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Randschicht (8) umlaufend um die erste Elektrodenschicht (5) angeordnet ist.
Elektrochemische Zelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Elektrodenschicht (5) gemeinsam mit der Randschicht (8) eine Verbundschicht (10) bildet.
Elektrochemische Zelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Länge (L3) der Verbundschicht (10) einer Länge (L2) der zweiten Elektrodenschicht (6) entspricht.
Elektrochemische Zelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Breite der Verbundschicht einer Breite der zweiten Elektrodenschicht (6) entspricht.
9. Elektrochemische Zelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Randschicht (8) eine Querschnittsdicke aufweist, die im Wesentlichen einer Querschnittsdicke der ersten Elektrodenschicht (5) entspricht.
Elektrochemische Zelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Randschicht (8) eine Härte aufweist, die in etwa der Härte der ersten Elektrodenschicht (5) entspricht.
11. Elektrochemische Zelle nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Elektrodenschicht eine Kathodenschicht (5) ist und die zweite Elektrodenschicht eine Anodenschicht (6) ist.
Batterie, mit zumindest einer elektrochemischen Zelle (1 ) nach
mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle (1 ), wobei die elektrochemische Zelle (1) zumindest einen Elektrodenstapel (2), der innerhalb einer Umhüllung (4) der elektrochemischen Zelle angeordnet ist, aufweist, wobei der Elektrodenstapel (2) zumindest eine erste
Elektrodenschicht (5) und eine zweite Elektrodenschicht (6) aufweist, wobei zwischen der ersten Elektrodenschicht (5) und der zweiten
Elektrodenschicht (6) eine Separatorschicht (7) angeordnet ist, und wobei die ersten Elektrodenschicht (5) eine geringere flächige Ausdehnung aufweist als die zweite Elektrodenschicht (6),
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest an eine Seite der ersten Elektrodenschicht eine Randschicht (8) angebracht wird. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Randschicht (8) und die erste Elektrodenschicht (5) in einer gemeinsamen Ebene (E) angeordnet werden. 15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Randschicht (8) zumindest an einer Seite (9) der ersten Elektrodenschicht (6) angeordnet wird, insbesondere an einer Seite der ersten Elektrodenschicht (6), von der ein Stromableiter (3) an die erste
Elektrodenschicht angeschlossen ist.
16. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Randschicht (8) zumindest an zwei jeweils gegenüber liegenden Seiten (9) der ersten Elektrodenschicht (5) angeordnet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Randschicht (8) umlaufend um die erste Elektrodenschicht (5) angeordnet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Verbundschicht (10) gemeinsam aus der ersten Elektrodenschicht (5) gemeinsam mit der Randschicht (8) gebildet wird.
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