WO2018036668A1 - Separator-stromableiter-einheit für galvanische zellen - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a separator-Stromableiter-unit for galvanic cells, in particular for lithium-ion cells, a galvanic cell with such a separator-Stromableiter-unit, and a battery having a plurality of such cells.
  • Lithium-based galvanic cells and, above all, batteries constructed therefrom, in particular lithium-ion accumulators, are used in a large number of electrical appliances as electrical energy stores and suppliers.
  • the best-known applications include lithium-ion batteries for electric or hybrid vehicles and for so-called consumer products.
  • the latter include in particular mobile terminals, such as notebook computers, tablet computers, mobile phones or cameras.
  • a conventional lithium-based battery, in particular for electric or hybrid vehicles has a plurality of stacked individual galvanic cells, each having a negative and a positive electrode layer, which are spatially and electrically separated from each other by a Separator harsh. As a rule, the cells are connected in parallel or in series with one another in order to achieve the total voltage or current supply capability required for the battery.
  • the cell stack can in particular be aligned along a single stacking direction, or be wound up in the form of a so-called electrode coil. Accordingly, prismatic or cylindrical battery housing shapes are often found which enclose the cell stack and also provide mechanical strength.
  • the individual electrodes of the cell stack usually consist of a thin layer-like and mechanically loadable carrier substrate, which can be electrically conductive at the same time and thus serve as a collector substrate and / or current conductor of the electrode, and a mostly pasty active material on one or both sides of the carrier substrate layered is applied.
  • so-called “free-standing electrodes” or “FSE” are known, which are electrodes in which the carrier substrate is omitted, since the active material itself has the necessary mechanical strength to that in the manufacture and operation of the galvanic cells be able to successfully withstand typically occurring mechanical stresses within their design or specifications.
  • FSE free-standing electrodes
  • the current conductors required for the supply or removal of the electrical current which are each electrically conductively connected to the electrode (s) of a specific polarity, are manufactured separately and have to be used in the manufacture of the cell or cell
  • the battery can be connected to the respective electrodes by means of suitable process steps, before they are then combined together with a separator to form a cell. This also applies in the case of free-standing electrodes.
  • a first aspect of the invention relates to a separator-Stromableiter unit for a galvanic cell, in particular for a lithium-ion cell.
  • the separator-Stromableiter unit has a separator and a number N ⁇ 1 electrically conductive current collector, which are each arranged on the surface of the separator and connected to the unit, while forming a respective interface with the surface of the separator.
  • Each of the current conductors has a porous material for receiving an electrolyte, so that the separator-Stromableiter-unit through each of the interfaces through the ion-conducting effect when the porous material has taken up the electrolyte.
  • a “separator-current collector unit” in the sense of the invention means a component designed as a separate unit for a galvanic cell and / or a battery of a plurality of galvanic cells, which has both a separator and at least one current conductor connected thereto.
  • a “separator” in the sense of the invention is to be understood as meaning a component of a galvanic cell which is set up to spatially and electrically separate the negative and the positive electrode in the galvanic cell.
  • the separator must be permeable to the ions which are involved in the conversion of the chemical into electrical energy stored in the cell, thereby having to travel between the negative and the positive electrode or vice versa through the separator.
  • the materials used are predominantly liquid-soaked microporous plastics and nonwovens made of glass fiber or polyethylene. Particu- larly in the case of lithium-ion cells, separators are also used in the form of liquid-soaked microporous membranes in order to facilitate the passage of ions.
  • Such membranes are usually polymeric films, which may also consist of several layers.
  • heat-resistant, microporous ceramic separators especially in liquid-impregnated or dry form, are known.
  • separators which are based on a very fine nonwoven fabric, which is ceramic coated.
  • a "current conductor” in the sense of the invention is to be understood as meaning an electrically conductive structure of a galvanic cell or battery which is electrically conductively connected to one or a plurality of similar electrodes in order to dissipate electrical current or supply it to these cells during operation of the cell ,
  • the separator and one or more current conductors are designed together as a component or a unit, and need not be processed separately in the manufacture of a galvanic cell. This can be used in particular to reduce the complexity of the corresponding manufacturing process, in particular the number of corresponding process steps.
  • each of the current conductors since it is applied to a surface of the separator, use its mechanical strength and thus thinner and be carried out with less material and thus less mass than would be the case with a free-standing current conductor. In this way, therefore, the particular gravimetric energy density of galvanic cells can be increased.
  • the mechanical strength and stability of the separator which is usually embodied as a thin layer or membrane, can also be increased by its connection to the current conductor or current conductors, which in turn makes it possible to shorten the cycle time during production.
  • the separator and each of the current conductors are each formed in layers and together form a layer stack.
  • the separator-current collector unit is formed as a film containing the layer stack. This has the particular advantage that the separator-current collector unit can be flexible, which can be used in particular for the production of galvanic cells in which a flexibility, in particular a foldability of the separator is required (for example, in a cell structure by means of "Z -Folding").
  • At least one of the current conductors is applied to the separator in the form of a physically or chemically deposited coating.
  • the coating can be applied in particular by means of one or more of the following coating techniques: vapor deposition, electroplating, physical or chemical vapor deposition ("Physical Vapor Deposition", CVD), liquid electroless coating or Sputtering.
  • vapor deposition electroplating
  • CVD physical or chemical vapor deposition
  • liquid electroless coating or Sputtering.
  • the separator-Stromableiter unit has a first and a second separate current collector, and the first and the second current collector are arranged on the separator, that the separator at least partially between the first and the second current collector is located.
  • the first current conductor contains copper or nickel.
  • the second current conductor contains aluminum or nickel. This is particularly useful when the second current collector for a positive electrode, in particular a lithium-ion battery, is provided.
  • a second aspect of the invention relates to a galvanic cell, which may be in particular a lithium-ion cell.
  • the cell has a first, electrically negative electrode, a second, electrically positive electrode, and a Separator-Stromableiter unit arranged between the two electrodes and in contact with them and in contact with an electrolyte according to the first aspect of the invention, in particular according to FIG one or more of its previously described preferred embodiments and further developments.
  • the separator Stromableiter unit has a first and a second separate Stromableiter, and the first and the second current collector are arranged on the separator, that the separator at least partially between the first and the second current collector is located.
  • the first current collector contains copper or nickel and the second current collector contains aluminum or nickel.
  • the first current conductor with the first electrode and the second current collector with the second electrode in touching contact.
  • At least one of the electrodes is designed as a freestanding electrode, FSE.
  • FSE freestanding electrode
  • a third aspect of the invention relates to a battery, in particular a lithium-ion battery. It has a cell stack which has a plurality of galvanic cells stacked on one another in accordance with the second aspect of the invention, in particular according to one or more of its embodiments and further developments described herein.
  • the cell stack may in particular be in the form of a classical stack with a plurality of individual layers stacked on a single stacking direction or in the form of a so-called "Z-fold" in which the stacking takes place by means of a Z-shaped folding of a continuous multi-layered substrate comprising the electrodes and contains the separator current collector unit.
  • a shaping of the cell stack as an electrode winding, in which the multilayer substrate is in wound form, is also possible in principle, at least insofar as the corresponding electrode material and the separator current collector unit have the required flexibility.
  • the invention can be used particularly advantageously in connection with typically time-consuming stacking or Z-folding processes for manufacturing the battery, since, in particular, during the transition from winding processes to As a result of the reduced number of battery components made possible according to the invention, one of these processes reduces the complexity of the manufacturing processes and thus a significant increase in efficiency, in particular a reduction in the process times, can be achieved in the manufacture of the battery.
  • the separator Stromableiter units of the galvanic cells of the cell stack are each formed so that N ⁇ 2 applies and the respective separator-Stromableiter unit has a first and a second separate Stromableiter.
  • the first and the second current collector are respectively arranged on the corresponding separator, that the separator is at least partially between the first and the second current collector.
  • the first current collector contains copper or nickel
  • the second current collector contains aluminum or nickel.
  • the first current conductor is in contact with the first electrode and the second current conductor is in touching contact with the second electrode.
  • the separator-current collector units succeeding each other along its stacking direction have an alternating orientation, so that the respective order of arrangement of the current collector and separators along the stacking direction is inverted in the case of separator-current collector units immediately following one another.
  • a battery of reduced complexity and optimized energy density is provided in which the individual cells are stacked along a stacking direction.
  • a separator Stromableiter unit is provided in each of the cells between the associated electrodes. Due to the alternating orientation of the successive Separator-Stromableiter units so a total of a series connection of the individual cells of the battery can be realized in a simple manner.
  • At least one of the electrodes of the battery is designed as an integral electrode, which at the same time functions as a similar electrode of two adjacent ones of the galvanic cells in the cell stack.
  • the thickness and / or mass of the integral electrode can be chosen to be lower than the sum of the thicknesses or masses in the case of separate similar electrodes of the adjacent cells, without impairing their mechanical stability. This allows a further increase in the energy density of the battery.
  • the galvanic cells are stacked by means of a Z-fold to the cell stack. As previously mentioned, this allows a particularly high energy density of the battery and a production of the cell stack from a single multi-layer substrate.
  • FIG. 1 schematically shows a separator Stromableiter unit with a single current collector, according to a first preferred embodiment of the invention
  • FIG. 2 schematically shows a separator-Stromableiter unit according to a second preferred embodiment of the invention, wherein in each case a current conductor is provided on two opposite sides of a separator;
  • FIG. 3 schematically shows a galvanic cell according to a preferred embodiment of the invention, which has a separator current collector unit according to FIG. 2; FIG. and
  • FIG. 4 shows a battery, in particular a lithium-ion battery according to a preferred embodiment of the invention, which is constructed from a plurality of galvanic cells stacked on top of each other with integral electrodes of adjacent cells.
  • a battery in particular a lithium-ion battery according to a preferred embodiment of the invention, which is constructed from a plurality of galvanic cells stacked on top of each other with integral electrodes of adjacent cells.
  • the same reference numerals are used for the same or corresponding elements of the invention throughout.
  • a separator-current collector unit 1 according to the invention is shown schematically.
  • the separator-current collector unit 1 has a separator 2, which may be formed in particular in the form of a microporous membrane made of plastic or ceramic.
  • a separator 2 which may be formed in particular in the form of a microporous membrane made of plastic or ceramic.
  • separators in particular to those for lithium-ion batteries.
  • a current conductor 3 is applied as a metallic layer, in particular vapor-deposited.
  • this current conductor is intended to serve as a current conductor for a negative or a positive electrode in the construction of a galvanic cell by means of the separator-worker unit 1
  • the material of the metallic layer is selected accordingly.
  • the use of copper or nickel is advantageous for a positive electrode current collector and the use of aluminum or nickel for a negative electrode current collector. This is especially true when the galvanic cell is a lithium-ion cell.
  • Each of the current conductors has a porous material for receiving an electrolyte, so that the separator-Stromableiter-unit through the at least one interface through the ion-conducting effect when the porous material has taken up the electrolyte.
  • the metallic layer itself preferably has this porosity.
  • the most suitable electrolytes here are the electrolytes known for conventional lithium-ion cells.
  • a current collector 3 for only one of the two electrodes of the cell by way of the separator worker unit 1, while FIG the other electrode is provided with an additional current collector, or due to its special design, in particular in the case of a free-standing electrode, can dispense with such.
  • FIG. 2 shows a development of the separator-current collector unit 1 from FIG. 1, in which a respective current collector 3 or 4, preferably as a layer, is applied on both opposite main sides of the separator 2.
  • a first of the two current conductors 3 and 4 for example, the Current conductor 3, consists of a material which is suitable from a chemical and in particular electrochemical view as a current conductor for a negative electrode.
  • the first current conductor can contain or consist of copper or nickel and the second current conductor aluminum or nickel.
  • Each of the current conductors again has a porous material for receiving an electrolyte, so that the separator-Stromableiter-unit acts as a whole ion-conducting when the porous material has taken up the electrolyte.
  • a galvanic cell 7 is shown schematically, which has a Separator- Stromableiter unit of FIG. 2, which is filled with a suitable electrolyte.
  • the electrolyte may contain lithium ions in particular.
  • the cell 7 has a first electrode 5, which is in touching contact with the first current conductor 3, and a second electrode 6, which is in touching contact with the second current conductor 4.
  • each of the two electrodes 5 and 6 is also electrically conductively connected to the corresponding current conductor 3 or 4 so that the respective current conductor 3 or 4 can conduct currents from and to the respectively associated electrode 5 or 6.
  • Each of the current conductors (3; 4) has a porous material for receiving the electrolyte, so that the separator current collector unit 1 acts as an ion conductor through the at least one interface.
  • the current conductors 3 and 4 may also have external terminals 8a and 8b.
  • the terminals 8a and 8b can in particular serve to connect a plurality of cells 7 to one another to form a battery, and / or to provide the electrical voltages or currents generated by the cell 7 to other electrical components.
  • FIG. 4 schematically illustrates a battery 9, in particular a lithium-ion battery, which is composed of a plurality of galvanic cells 7 stacked on top of one another in a stacking direction (in the illustration of FIG. 4, this being the horizontal direction).
  • the electrodes 5, 6 of respectively adjacent galvanic cells 7, facing each other in the same way (ie, positive or negative) due to the stacking each become an integral electrode 5, 6, respectively summarized, which also acts as a corresponding electrode of the two adjacent galvanic cells 7.
  • Each of the cells 7 has a separator Stromableiter unit 1, which is arranged between the two integral electrodes 5 and 6 of the cell 7 and with their current conductors 3 and 4 with the respective electrodes 5 and 6 in touch contact and thus also in electrical contact.
  • the sequence of the first current collector 3, the separator 2 and the second current collector 4 alternates along the stacking direction of the cells 7 in the immediately successive Separator-Stromableiter units 1, so that each of the electrodes 5 and 6 only of the same Stromableitern 3 or 4 is surrounded.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Separator-Stromableiter-Einheit für eine galvanische Zel- le, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Zelle. Die Separator-Stromableiter-Einheit weist einen Separator sowie eine Anzahl N ≧ 1 elektrisch leitender Stromableiter auf, die jeweils auf der Oberfläche des Separators angeordnet und mit dieser zu einer Einheit verbunden sind und dabei mit der Oberfläche des Separators eine je- weilige Grenzfläche ausbilden. Dabei weist jeder der Stromableiter ein poröses Ma- terial zur Aufnahme eines Elektrolyten auf, so dass die Separator-Stromableiter- Einheit durch die wenigstens eine Grenzfläche hindurch ionenleitend wirkt, wenn das poröse Material den Elektrolyten aufgenommen hat. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine galvanische Zelle mit einer solchen Separator-Stromableiter-Einheit und eine aus mehreren solcher Zellen aufgebaute Batterie. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erreichbare Energiedichte von galvanischen Zellen und Bat- terien, sowie deren Fertigbarkeit insbesondere im Hinblick auf deren Komplexität und/oder Fertigungszeiten zu verbessern.

Description

SEPARATOR-STROMABLEITER-EINHEIT FÜR GALVANISCHE ZELLEN
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Separator-Stromableiter-Einheit für galvanische Zellen, insbesondere für Lithium-Ionen-Zellen, eine galvanische Zelle mit einer solchen Separator-Stromableiter-Einheit, und eine Batterie mit einer Mehrzahl solcher Zellen.
Lithium-basierte galvanische Zellen und vor allem daraus aufgebaute Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren, werden in einer Vielzahl von elektrischen Geräten als elektrische Energiespeicher und -lieferanten verwendet. Zu den bekanntesten Anwendungen gehören dabei Lithium-Ionen-Akkumulatoren für Elektro- oder Hybrid-Fahrzeuge und für sogenannte Consumer-Produkte. Zu Letzteren gehören insbesondere mobile Endgeräte, wie etwa Notebook-Computer, Tablet- Computer, Mobiltelefone oder Kameras. Eine herkömmliche lithium-basierte Batte- he, insbesondere für Elektro- oder Hybrid-Fahrzeuge, weist eine Mehrzahl von übereinandergestapelten einzelnen galvanischen Zellen auf, die jeweils eine negative und eine positive Elektrodenschicht aufweisen, die durch eine Separatorschicht voneinander räumlich und elektrisch getrennt sind. Die Zellen sind in der Regel parallel oder seriell miteinander verschaltet, um die für die Batterie erforderliche Ge- samtspannung bzw. Stromlieferfähigkeit zu erreichen. Dabei kann der Zellstapel insbesondere entlang einer einzigen Stapelrichtung ausgerichtet sein, oder in Form eines sogenannten Elektrodenwickels aufgewickelt sein. Dementsprechend sind prismatische oder zylindrische Batteriegehäuseformen häufig vorzufinden, die den Zellstapel umschließen und auch mit mechanischer Festigkeit versehen.
Die einzelnen Elektroden des Zellstapels bestehen dabei üblicherweise aus einem dünnen schichtartigen und mechanisch belastbaren Trägersubstrat, das insbesondere zugleich elektrisch leitend sein kann und somit als Kollektorsubstrat und/oder Stromableiter der Elektrode dienen kann, sowie einem meist pastösen Aktivmaterial, das auf das Trägersubstrat einseitig oder beidseitig schichtartig aufgebracht ist. Inzwischen sind jedoch auch sogenannte "freistehende Elektroden" bzw. "FSE" bekannt, wobei es sich um Elektroden handelt, bei denen das Trägersubstrat entfällt, da das Aktivmaterial selbst die notwendige mechanische Festigkeit aufweist, um den bei der Herstellung und im Betrieb der galvanischen Zellen im Rahmen ihrer Auslegung bzw. Spezifikationen typischerweise auftretenden mechanischen Belastungen erfolgreich widerstehen zu können. Produkte und Technologien, die derarti- ge freistehende Elektroden verwenden, werden derzeit beispielsweise von den Firmen „24M" und "Maxwell Technologies" entwickelt und teilweise angeboten. Freistehenden Elektroden für lithium-basierte galvanische Zellen und Verfahren zu ihrer Herstellung sind insbesondere in US 2015303481 A1 beschrieben.
Bei den heute bekannten lithium-basierten galvanischen Zellen und Batterien werden die zur Zuführung bzw. Abführung des elektrischen Stroms erforderlichen Stromableiter, die jeweils mit der bzw. den Elektroden einer bestimmten Polarität elektrisch leitend verbunden sind, separat hergestellt und müssen bei der Fertigung der Zelle bzw. Batterie mittels geeigneter Prozessschritte mit den jeweiligen Elektroden verbunden werden, bevor diese dann zusammen mit einem Separator zu einer Zelle kombiniert werden. Dies gilt auch im Falle von freistehenden Elektroden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erreichbare Energie- dichte von galvanischen Zellen und Batterien, sowie deren Fertigbarkeit insbesondere im Hinblick auf eine Reduktion von deren Komplexität und/oder Fertigungszeiten zu verbessern.
Eine Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht durch eine Separator-Stromableiter-Einheit gemäß Anspruch 1 , eine galvanische Zelle gemäß Anspruch 9 mit einer solchen Separator-Stromableiter-Einheit, und eine Batterie gemäß Anspruch 12 mit einer Mehrzahl solcher Zellen. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Separator-Stromableiter-Einheit für eine galvanische Zelle, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Zelle. Die Separator- Stromableiter-Einheit weist einen Separator sowie eine Anzahl N ^ 1 elektrisch leitender Stromableiter auf, die jeweils auf der Oberfläche des Separators angeordnet und mit diesem zu einer Einheit verbunden sind, und dabei mit der Oberfläche des Separators eine jeweilige Grenzfläche ausbilden. Jeder der Stromableiter weist ein poröses Material zur Aufnahme eines Elektrolyten auf, so dass die Separator- Stromableiter-Einheit durch jede der Grenzflächen hindurch ionenleitend wirkt, wenn das poröse Material den Elektrolyten aufgenommen hat. Unter einer "Separator-Stromableiter-Einheit " im Sinne der Erfindung ist ein als eine separate Einheit ausgebildetes Bauteil für eine galvanische Zelle und/oder eine Batterie aus mehreren galvanischen Zellen zu verstehen, das sowohl einen Separator als auch wenigstens einen damit verbundenen Stromableiter aufweist.
Unter einem "Separator" im Sinne der Erfindung ist dabei eine Komponente einer galvanischen Zelle zu verstehen, die eingerichtet ist, die negative und die positive Elektrode in der galvanischen Zelle räumlich und elektrisch zu trennen. Der Separator muss jedoch für die Ionen durchlässig sein, welche an der Umwandlung der in der Zelle gespeicherten chemischen in elektrische Energie beteiligt sind und dabei zwischen der negativen und der positiven Elektrode bzw. umgekehrt durch den Separator hindurch wandern müssen. Als Materialien kommen vorwiegend flüssig- keitsgetränkte mikroporöse Kunststoffe sowie Vliese aus Glasfaser oder Polyethylen zum Einsatz. Insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen werden zum Teil auch Separa- toren in Form fluessigkeitsgetränkter mikroporöser Membranen eingesetzt, um den lonendurchgang zu ermöglichen. Bei solchen Membranen handelt es sich meist um polymere Folien, die auch aus mehreren Lagen bestehen können. Ebenso sind hitzebeständige, mikroporöse keramische Separatoren, vor allem in flüssigkeitsge- tränkter oder trockener Form, bekannt. Insbesondere für den Einsatz in Traktions- batterien für Elektroautos und Hybridfahrzeuge sind auch Materialien als Separatoren bekannt, die auf einem sehr feinen Vliesstoff basieren, welcher keramisch beschichtet ist.
Unter einem "Stromableiter" im Sinne der Erfindung ist eine elektrisch leitende Struktur einer galvanischen Zelle oder Batterie zu verstehen, die mit einer oder einer Mehrzahl gleichartiger Elektroden elektrisch leitend verbunden ist, um beim Betrieb der Zelle von diesen Elektroden elektrischen Strom abzuführen oder ihn diesen zuzuführen. Vorteilhaft sind bei dieser Lösung der Separator und ein oder mehrere Stromableiter zusammen als ein Bauteil bzw. eine Einheit ausgeführt, und müssen bei der Herstellung einer galvanischen Zelle nicht getrennt verarbeitet werden. Dies kann insbesondere genutzt werden, um die Komplexität des entsprechenden Fertigungsprozesses, insbesondere die Anzahl der entsprechenden Prozessschritte zu reduzie- ren. Des Weiteren kann jeder der Stromableiter, da er auf einer Oberfläche des Separators aufgebracht ist, dessen mechanische Festigkeit nutzen und somit dünner und mit weniger Material und somit weniger Masse ausgeführt werden, als dies bei einem freistehenden Stromableiter der Fall wäre. Auf diese Weise lässt sich somit auch die insbesondere gravimetrische Energiedichte von galvanischen Zellen erhöhen. Schließlich lässt sich auch andersherum die mechanische Festigkeit und Stabi- lität des meist als dünne Schicht bzw. Membran ausgeführten Separators durch dessen Verbindung mit dem Stromableiter bzw. den Stromableitern erhöhen, was wiederum eine Verkürzung der Taktzeit bei der Fertigung ermöglicht.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Separator-Stromableiter- Einheit und deren Weiterbildungen beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird, beliebig miteinander sowie mit den im Weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform sind der Separator und jeder der Stromableiter jeweils schichtförmig ausgebildet und bilden zusammen einen Schichtstapel. Auf diese Weise ist eine besonders raumsparende Anordnung des Separators und des bzw. der Stromableiter gegeben, die insbesondere gut mit herkömmlichen Bauformen von galvanischen Zellen kombinierbar ist, da herkömmliche Separatoren oftmals ebenfalls als Schichtstapel ausgebildet sind. Gemäß einer be- vorzugten Weiterbildung dazu ist die Separator-Stromableiter-Einheit als eine den Schichtstapel enthaltende Folie ausgebildet. Dies hat insbesondere auch den Vorteil, dass die Separator-Stromableiter-Einheit flexibel sein kann, was insbesondere zur Fertigung von galvanischen Zellen genutzt werden kann, bei denen eine Flexibilität, insbesondere eine Faltbarkeit des Separators erforderlich ist (zum Beispiel bei einem Zellaufbau mittels "Z-Faltung").
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens einer der Stromableiter auf den Separator in Form einer physikalisch oder chemisch abgeschiedenen Beschichtung aufgebracht. Die Beschichtung kann gemäß bevorzugter Weiterbildungen insbesondere mittels einer oder mehrerer der folgenden Beschich- tungstechniken aufgebracht sein: Aufdampfen, galvanische Beschichtung, physikalische oder chemischer Dampfabscheidung ("Physical Vapor Deposition", PVD; "Chemical Vapor Deposition", CVD), flüssige stromfreie Beschichtung oder Sput- tern. Auf diese Weise können vorteilhaft besonders dünne Stromabieiterschichten auf dem Separator erzeugt werden, was insbesondere zur Steigerung der Energie- dichte (insbesondere der gravimetrischen Energiedichte) von galvanischen Zellen genutzt werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gilt N ^ 2, die Separator- Stromableiter-Einheit weist einen ersten und einen zweiten separaten Stromableiter auf, und der erste und der zweite Stromableiter sind so auf dem Separator angeordnet, dass der Separator zumindest teilweise zwischen dem ersten und dem zweiten Stromableiter liegt. Auf diese Weise ist es möglich, auf dem Separator jeweils sowohl für eine positive Elektrode als auch für eine negative Elektrode einer galvani- sehen Zelle jeweils einen oder mehrere Stromableiter vorzusehen. Dies ermöglicht einen besonders platzsparenden und somit im Sinne einer Steigerung der Energiedichte vorteilhaften Aufbau von entsprechenden galvanischen Zellen, da dann für keine der beiden Elektrodenarten ein separater Stromableiter vorgesehen werden muss (was wiederum entsprechende zusätzliche Fertigungsschritte mit sich bringen würde). Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung enthält der erste Stromableiter Kupfer oder Nickel. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der erste Stromableiter für eine negative Elektrode, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, vorgesehen ist. Gemäß einer Weiteren, damit bevorzugt auch kombinierbaren, Weiterbildung enthält der zweite Stromableiter Aluminium oder Nickel. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der zweite Stromableiter für eine positive Elektrode, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, vorgesehen ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine galvanische Zelle, die insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle sein kann. Die Zelle weist eine erste, elektrisch negative Elektrode, eine zweite, elektrisch positive Elektrode, und eine zwischen den beiden Elektroden angeordnete und mit diesen jeweils in Berührungskontakt stehende und mit einem Elektrolyten versehene Separator-Stromableiter-Einheit gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, insbesondere gemäß einer oder mehrerer seiner vorausgehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Weiterbildungen, auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Zelle gilt N ^ 2, die Separator- Stromableiter-Einheit weist einen ersten und einen zweiten separaten Stromableiter auf, und der erste und der zweite Stromableiter sind so auf dem Separator angeordnet, dass der Separator zumindest teilweise zwischen dem ersten und dem zweiten Stromableiter liegt. Der erste Stromableiter enthält Kupfer oder Nickel und der zweite Stromableiter enthält Aluminium oder Nickel. Dabei steht der erste Stromableiter mit der ersten Elektrode und der zweite Stromableiter mit der zweiten Elektrode in Berührungskontakt. Auf diese Weise kann bei der Zelle auf zusätzliche Stromableiter verzichtet werden, da diese bereits in der Separator-Stromableiter-Einheit vorgesehen sind und mit der jeweiligen Elektrode elektrisch leitend in Kontakt stehen. Dementsprechend sind zur Herstellung einer solchen Zelle keine zusätzlichen Prozessschritte zum Einfügen und Verbinden von zusätzlichen Stromableitung erforderlich, was die Fertigungskomplexität für die Zelle entsprechend reduziert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine der Elekt- roden, als freistehende Elektrode, FSE, ausgebildet. Bevorzugt gilt dies für alle Elektroden einer Elektrodenart (positiv bzw. negativ), besonders bevorzugt sogar für alle Elektroden der Zelle. Damit können die Komplexität der Fertigung der Zelle weiter reduziert sowie deren Energiedichte weiter erhöht werden, denn bei der Herstellung der Zelle kann sowohl auf zusätzliche Stromableiter als auch auf Trägersub- strate zur Herstellung der mechanischen Stabilität der Elektroden verzichtet werden. Stattdessen genügt es, je eine positive und negative freistehende Elektroden mit dem entsprechenden Stromableiter der Separator-Stromableiter-Einheit in Berührungskontakt zu bringen, etwa durch entsprechendes Aufeinanderstapeln, um eine galvanische Zelle herzustellen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Lithium- Ionen-Batterie. Sie weist einen Zellstapel auf, der eine Mehrzahl von aufeinander- gestapelten galvanischen Zellen gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, insbesondere gemäß einer oder mehrerer seiner hierin beschriebenen Ausführungsfor- men und Weiterbildung, aufweist. Der Zellstapel kann insbesondere in Form eines klassischen Stapels mit mehreren entlang einer einzigen Stapelrichtung aufeinan- dergestapelten Einzelschichten oder in Form einer sogenannten "Z-Faltung" vorliegen, bei der die Stapelung mittels einer Z-förmigen Faltung eines durchgängigen mehrschichtigen Substrats erfolgt, das die Elektroden und die Separator- Stromableiter-Einheit enthält. Auch eine Ausformung des Zellstapels als Elektrodenwickel, bei der das mehrschichtige Substrat in aufgewickelter Form vorliegt, ist grundsätzlich weiterhin möglich, jedenfalls, soweit das entsprechende Elektrodenmaterial sowie die Separator-Stromableiter Einheit die dafür erforderliche Flexibilität aufweisen. Die Erfindung kann besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit typi- scherweise zeitintensiven Stapel- oder Z-Faltungs-Prozessen zur Fertigung der Batterie eingesetzt werden, da insbesondere beim Übergang von Wickelprozessen zu einem dieser Prozesse aufgrund der erfindungsgemäß ermöglichten reduzierten Anzahl von Batteriekomponenten die Komplexität der Fertigungsprozesse reduziert und damit eine signifikante Effizienzerhöhung, insbesondere auch eine Reduktion der Prozesszeiten, bei der Fertigung der Batterie erreicht werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Batterie sind die Separator- Stromableiter-Einheiten der galvanischen Zellen des Zellstapels jeweils so ausgebildet, dass N ^ 2 gilt und die jeweilige Separator-Stromableiter-Einheit einen ersten und einen zweiten separaten Stromableiter aufweist. Dabei sind der erste und der zweite Stromableiter jeweils so auf dem entsprechenden Separator angeordnet, dass der Separator zumindest teilweise zwischen dem ersten und dem zweiten Stromableiter liegt. Der erste Stromableiter enthält Kupfer oder Nickel der zweite Stromableiter enthalt Aluminium oder Nickel. Dabei steht der erste Stromableiter mit der ersten Elektrode und der zweite Stromableiter mit der zweiten Elektrode in Be- rührungskontakt. Innerhalb des Zellstapels weisen die entlang seiner Stapelrichtung aufeinander folgenden Separator-Stromableiter-Einheiten eine alternierende Ausrichtung auf, so dass bei unmittelbar aufeinanderfolgenden Separator-Stromableiter- Einheiten die jeweilige Reihenfolge der Anordnung der Stromableiter und Separatoren entlang der Stapelrichtung invertiert ist. Auf diese Weise wird eine Batterie mit verringerter Komplexität und optimierter Energiedichte zur Verfügung gestellt, bei der die einzelnen Zellen entlang einer Stapelrichtung aufeinandergestapelt sind. Dabei ist in jeder der Zellen zwischen den zugehörigen Elektroden eine Separator- Stromableiter-Einheit vorgesehen. Aufgrund der alternierenden Ausrichtung der aufeinanderfolgenden Separator-Stromableiter-Einheiten kann so auf einfache Weise insgesamt eine Serienschaltung der einzelnen Zellen der Batterie realisiert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine der Elektroden der Batterie als integrale Elektrode ausgebildet, die zugleich als eine gleichartige Elektrode von zwei benachbarten der galvanischen Zellen im Zellstapel fungiert. Auf diese Weise ist die Anzahl der Komponenten der Batterie nochmals reduziert. Auch kann die Dicke und/oder Masse der integralen Elektrode geringer gewählt werden, als die Summe der Dicken bzw. Massen im Falle separater gleichartiger Elektroden der benachbarten Zellen, ohne deren mechanische Stabilität zu beeinträchtigen. So lässt sich eine weitere Steigerung der Energiedichte der Batterie er- reichen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Batterie, sind die galvanischen Zellen mittels einer Z-Faltung zu dem Zellstapel gestapelt. Wie schon vorausgehend erwähnt, ermöglicht dies eine besonders hohe Energiedichte der Batterie und eine Fertigung des Zellstapels aus einem einzigen mehrschichtigen Sub- strat.
Die vorausgehend jeweils für die Separator-Stromableiter-Einheit beschriebenen Ausführungsformen, Weiterbildungen und Vorteile treffen entsprechend gleichermaßen auf die galvanische Zelle gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und die Batterie gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung zu.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
Dabei zeigt:
Fig. 1 schematisch eine Separator-Stromableiter-Einheit mit einem einzigen Stromableiter, gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 schematisch eine Separator-Stromableiter-Einheit gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der auf zwei gegenüber gegenüberliegenden Seiten eines Separators jeweils ein Stromableiter vorgesehen ist;
Fig. 3 schematisch eine galvanische Zelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die eine Separator-Stromableiter-Einheit gemäß Fig. 2 aufweist; und
Fig. 4 eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die aus einer Mehrzahl von übereinander gestapelten galvanischen Zellen mit integralen Elektroden benachbarter Zellen aufgebaut ist. In den nachfolgenden Figuren, werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechende Elemente der Erfindung verwendet.
Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine einfache Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Separator-Stromableiter-Einheit 1 schematisch dargestellt ist. Die Separator-Stromableiter-Einheit 1 weist einen Separator 2 auf, der insbesondere in Form einer mikroporösen Membran aus Kunststoff oder Keramik ausgebildet sein kann. Hierbei kann auf bekannte handelsübliche Separatoren, insbesondere auf solche für Lithium-Ionen-Batterien, zurückgegriffen werden.
Auf einer Hauptfläche des Separators 2 ist ein Stromableiter 3 als metallische Schicht aufgebracht, insbesondere aufgedampft. Abhängig davon, ob dieser Stromableiter beim Aufbau einer galvanischen Zelle mittels der Separator-Arbeiter-Einheit 1 als Stromableiter für eine negative oder eine positive Elektrode dienen soll ist das Material der metallischen Schicht entsprechend gewählt. Insbesondere ist für einen Stromableiter einer positiven Elektrode die Verwendung von Kupfer oder Nickel und für einen Stromableiter einer negativen Elektrode die Verwendung von Aluminium oder Nickel vorteilhaft. Dies gilt insbesondere dann, wenn die galvanische Zelle eine Lithium-Ionen-Zelle darstellt. Jeder der Stromableiter weist ein poröses Material zur Aufnahme eines Elektrolyten auf, so dass die Separator-Stromableiter-Einheit durch die wenigstens eine Grenzfläche hindurch ionenleitend wirkt, wenn das poröse Material den Elektrolyten aufgenommen hat. Bevorzugt weist die metallische Schicht selbst diese Porosität auf. Als Elektrolyt kommen hier vor allem die für herkömmliche Lithium-Ionen-Zellen bekannten Elektrolyten infrage.
Bei einer galvanischen Zelle, die mit einer Separator-Stromableiter-Einheit 1 gemäß dieser ersten Ausführungsform ausgestaltet ist, ist es möglich, nur für eine der beiden Elektroden der Zelle mittels der Separator-Arbeiter-Einheit 1 einen Stromableiter 3 zur Verfügung zu stellen, während die andere Elektrode mit einem zusätzlichen Stromableiter versehen ist, oder aufgrund ihrer speziellen Bauart, insbesondere im Falle einer freistehenden Elektrode, auf einen solchen verzichten kann.
In Fig. 2 ist eine Fortbildung der Separator-Stromableiter-Einheit 1 aus Fig. 1 gezeigt, bei der auf beiden gegenüberliegenden Hauptseiten des Separators 2 jeweils ein Stromableiter 3 bzw. 4, vorzugsweise als Schicht, aufgebracht ist. Dabei ist es zweckmäßig, dass ein erster der beiden Stromableiter 3 und 4, beispielsweise der Stromableiter 3, aus einem Material besteht, das aus chemischer und insbesondere elektrochemischer Sicht als Stromableiter für eine negative Elektrode geeignet ist. Entsprechendes gilt für den anderen der Stromableiter, dies sei im Beispiel der Stromableiter 4, im Hinblick auf eine positive Elektrode. Insbesondere kann der ers- te Stromableiter Kupfer oder Nickel und der zweite Stromableiter Aluminium oder Nickel enthalten oder daraus bestehen. Jeder der Stromableiter weist wieder ein poröses Material zur Aufnahme eines Elektrolyten auf, so dass die Separator- Stromableiter-Einheit insgesamt ionenleitend wirkt, wenn das poröse Material den Elektrolyten aufgenommen hat.
In Fig. 3 ist schematisch eine galvanische Zelle 7 dargestellt, die eine Separator- Stromableiter-Einheit gemäß Fig. 2 aufweist, die mit einem geeigneten Elektrolyten aufgefüllt ist. Speziell im Falle einer Lithium-Ionen-Batterie kann der Elektrolyt insbesondere Lithium-Ionen enthalten. Zusätzlich weist die Zelle 7 eine erste Elektrode 5 auf, die mit dem ersten Stromableiter 3 in Berührungskontakt steht, sowie eine zweite Elektrode 6, die mit dem zweiten Stromableiter 4 in Berührungskontakt steht, auf. Aufgrund des jeweiligen Berührungskontakts ist jede der beiden Elektroden 5 und 6 mit dem entsprechenden Stromableiter 3 bzw. 4 auch elektrisch leitend verbunden, sodass der jeweilige Stromableiter 3 bzw. 4 Ströme von und zu der jeweils zugehörigen Elektrode 5 bzw. 6 leiten kann. Jeder der Stromableiter (3; 4) weist ein poröses Material zur Aufnahme des Elektrolyten auf, so dass die Separator- Stromableiter-Einheit 1 durch die wenigstens eine Grenzfläche hindurch ionenleitend wirkt. Die Stromableiter 3 und 4 können zudem externe Anschlüsse 8a bzw. 8b aufweisen. Die Anschlüsse 8a bzw. 8b können insbesondere dazu dienen, mehrere Zellen 7 miteinander zu einer Batterie zu verschalten, und/oder die von der Zelle 7 erzeugten elektrischen Spannungen bzw. Ströme anderen elektrischen Komponenten bereitzustellen.
Fig. 4 stellt schematisch eine Batterie 9, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, dar, die aus einer Mehrzahl von entlang einer Stapelrichtung (in der Darstellung aus Fig. 4 ist dies die horizontale Richtung) aufeinandergestapelten galvanischen Zellen 7 aufgebaut ist. Dabei sind die aufgrund der Stapelung jeweils einander zugewand- ten gleichartigen (d.h. positiven bzw. negativen) Elektroden 5 bzw. 6 von jeweils benachbarten galvanischen Zellen 7 jeweils zu einer integralen Elektrode 5 bzw. 6 zusammengefasst, die zugleich als eine entsprechende Elektrode der zwei benachbarten galvanischen Zellen 7 fungiert. Alternativ ist es natürlich auch möglich, die entsprechenden gleichartigen Elektroden 5 bzw. 6 für jede Zelle separat auszuführen und die im Zellstapel nebeneinanderliegenden gleichartigen Elektroden 5 bzw. 6 miteinander zu verbinden.
Jede der Zellen 7 weist eine Separator-Stromableiter-Einheit 1 auf, die zwischen den beiden integralen Elektroden 5 bzw. 6 der Zelle 7 angeordnet ist und mit ihren Stromableitern 3 bzw. 4 mit den jeweiligen Elektroden 5 bzw. 6 in Berührungskon- takt und somit auch in elektrischem Kontakt steht. Dabei alterniert die Reihenfolge des ersten Stromableiters 3, des Separators 2 und des zweiten Stromableiter 4 der entlang der Stapelrichtung der Zellen 7 in den unmittelbar aufeinanderfolgenden Separator-Stromableiter-Einheiten 1 , sodass jede der Elektroden 5 bzw. 6 nur von gleichartigen Stromableitern 3 bzw. 4 umgeben ist.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zu Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer bei- spielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Separator-Stromableiter-Einheit
2 Separator
3 erster Stromableiter, insbesondere für negative Elektrode
4 zweite Stromableiter, insbesondere für positive Elektrode
5 erste, insbesondere negative Elektrode
6 zweite, insbesondere positive Elektrode
7 galvanische Zelle
8a, b Anschlüsse der galvanischen Zelle
9 Batterie

Claims

ANSPRÜCHE
Separator-Stromableiter-Einheit (1 ) für eine galvanische Zelle (7), insbesondere für eine Lithium-Ionen-Zelle, aufweisend:
einen Separator (2);
eine Anzahl N ^ 1 elektrisch leitender Stromableiter (3; 4), die jeweils auf der Oberfläche des Separators (2) angeordnet und mit diesem zu einer Einheit verbunden sind, und dabei mit der Oberfläche des Separators (2) eine jeweilige Grenzfläche ausbilden;
wobei jeder der Stromableiter (3; 4) ein poröses Material zur Aufnahme eines Elektrolyten aufweist, so dass die Separator-Stromableiter-Einheit (1 ) durch jede der Grenzflächen hindurch ionenleitend wirkt, wenn das poröse Material den Elektrolyten aufgenommen hat.
Separator-Stromableiter-Einheit (1 ) gemäß Anspruch 1 , wobei der Separator (2) und jeder der Stromableiter (3; 4) jeweils schichtförmig ausgebildet sind und zusammen einen Schichtstapel bilden.
Separator-Stromableiter-Einheit (1 ) gemäß Anspruch 2, wobei die Separator- Stromableiter-Einheit (1 ) als eine den Schichtstapel enthaltende Folie ausgebildet ist.
Separator-Stromableiter-Einheit (1 ) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Stromableiter (3; 4) auf den Separator (2) in Form einer physikalisch oder chemisch abgeschiedenen Beschichtung aufgebracht ist.
Separator-Stromableiter-Einheit (1 ) gemäß Anspruch 4, wobei die Beschichtung mittels einer oder mehrerer der folgenden Beschichtungstechniken aufgebracht ist: Aufdampfen, galvanische Beschichtung, physikalische oder chemischer Dampfabscheidung oder Sputtern.
Separator-Stromableiter-Einheit (1 ) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei: die Separator-Stromableiter-Einheit (1 ) einen ersten und einen zweiten separaten Stromableiter (3; 4) aufweist; und
der erste und der zweite Stromableiter (3; 4) so auf dem Separator (2) angeordnet sind, dass der Separator (2) zumindest teilweise zwischen dem ersten und dem zweiten Stromableiter (3; 4) liegt.
Separator-Stromableiter-Einheit (1 ) gemäß Anspruch 6, wobei der erste Stromableiter (3) Kupfer oder Nickel enthält.
Separator-Stromableiter-Einheit (1 ) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei der zweite Stromableiter (4) Aluminium oder Nickel enthält.
Galvanische Zelle (7), insbesondere Lithium-Ionen-Zelle, aufweisend:
eine erste, elektrisch negative Elektrode (5);
eine zweite, elektrisch positive Elektrode (6); und
eine zwischen den beiden Elektroden (5; 6) angeordnete und mit diesen jeweils in Berührungskontakt stehende und mit einem Elektrolyten versehene Separator-Stromableiter-Einheit (1 ) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche.
Galvanische Zelle (7) gemäß Anspruch 9, wobei die Separator- Stromableiter-Einheit (1 ) gemäß Anspruch 7 und/oder 8 ausgebildet ist, und der erste Stromableiter (3) mit der ersten Elektrode (5) und der zweite Stromableiter (4) mit der zweiten Elektrode (6) in Berührungskontakt steht.
Galvanische Zelle (7) gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei zumindest eine der Elektroden (5; 6) als freistehende Elektrode, FSE, ausgebildet ist.
Batterie (9), insbesondere Lithium-Ionen-Batterie, aufweisend einen Zellstapel, der eine Mehrzahl von aufeinandergestapelten galvanischen Zellen (7) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 1 1 aufweist.
Batterie (9) gemäß Anspruch 12, wobei:
die Separator-Stromableiter-Einheiten (1 ) der galvanischen Zellen (7) des Zellstapels jeweils gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8 ausgebildet sind; und innerhalb des Zellstapels die entlang seiner Stapelrichtung aufeinander folgenden Separator-Stromableiter-Einheiten (1 ) eine alternierende Ausrichtung aufweisen, so dass bei unmittelbar aufeinander folgenden Separator- Stromableiter-Einheiten (1 ) die jeweilige Reihenfolge der Anordnung der Stromableiter (3; 4) und Separatoren (2) entlang der Stapelrichtung invertiert ist.
Batterie (9) gemäß Anspruch 13, wobei wenigstens eine der Elektroden (5; 6) der Batterie (9) als integrale Elektrode ausgebildet ist, die zugleich als eine gleichartige Elektrode (5; 6) von zwei benachbarten der galvanischen Zellen (7) im Zellstapel fungiert.
15. Batterie (9) gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei die galvanischen Zellen (7) mittels einer Z-Faltung zu dem Zellstapel gestapelt sind.
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