电化学电池和用于制造该电化学电池的方法

文档序号:441047 发布日期:2021-12-24 浏览:1次 >En<

阅读说明:本技术 电化学电池和用于制造该电化学电池的方法 (Electrochemical cell and method for manufacturing the same ) 是由 S·斯托克 E·皮特利克 R·哈德 D·恩斯林 B·贝克 于 2020-05-19 设计创作,主要内容包括:电化学电池(100)包括电极-隔膜复合体(101),该电极-隔膜复合体具有阳极(115)、至少一个隔膜(116、117)和阴极(118)。阳极(115)和阴极(118)分别包括集流体(115a、118a),该集流体具有由至少一种金属组成的表面,该表面加载有由电极活性材料构成的至少一个层(115b、118b)。集流体(115a、118a)的表面包括至少一个空闲区域(115c、118c),该至少一个空闲区域未加载该电极活性材料。代替于此,这些表面在该至少一个空闲区域(115c、118c)用支撑材料(119)涂层,该支撑材料比用它涂层的表面更加耐热。在制造电池(100)时,在制造电极-隔膜复合体(101)之前或之后,可以将支撑材料(119)涂覆到该至少一个空闲区域(115c、118c)上或者在那里形成该支撑材料。(An electrochemical cell (100) includes an electrode-separator composite (101) having an anode (115), at least one separator (116, 117), and a cathode (118). The anode (115) and the cathode (118) each comprise a current collector (115 a, 118 a) having a surface consisting of at least one metal, which is loaded with at least one layer (115 b, 118 b) of an electrode active material. The surface of the current collector (115 a, 118 a) comprises at least one free area (115 c, 118 c) which is not loaded with the electrode active material. Instead, the surfaces are coated in the at least one free area (115 c, 118 c) with a support material (119) which is more heat-resistant than the surface coated therewith. In the production of the battery (100), a support material (119) can be applied to the at least one free region (115 c, 118 c) or formed there, before or after the production of the electrode-separator composite (101).)

电化学电池和用于制造该电化学电池的方法

技术领域

随后描述的本发明涉及一种具有电极-隔膜复合体的电化学电池,该电极-隔膜复合体具有阳极、至少一个隔膜和阴极。

背景技术

这样的电池原则上已经已知,例如从DE 10 2009 060 800 A1已知。在该德国专利申请中,描述了由电极-隔膜复合体构成的圆柱形线圈,这些圆柱形线圈被插入到圆柱形金属外壳中。为了电极的电触点接通,使用集流体,这些集流体加载有电极活性材料。这些集流体分别与金属箔焊接,该金属箔充当单独的电导体并且这些集流体与外壳电连接。

在DE 10 2009 060 800 A1中描述的用于对电极的电触点接通的方法高效且成本低廉。但是,该方法在某些应用情况下有缺点。例如,电极通过金属箔的电连接是有问题的。如果这样连接的电极应该在短时间内存储或释放高电流,则金属箔会非常强烈地发热。

从WO 2017/215900 A1公知这种类型的电化学电池,其中电极-隔膜复合体及其电极构造成带状并且以线圈或堆的形式存在。电极分别具有加载有电极材料的集流体。极性相反的电极在电极-隔膜复合体内彼此错开地布置,使得正电极的集流体的纵向边缘在一侧从线圈或堆伸出而负电极的集流体的纵向边缘在另一侧从线圈或堆伸出。为了集流体的电触点接通,电池具有至少一个接触板,该接触板放在所述纵向边缘之一上,使得得到线形接触区。该接触板与该纵向边缘沿着该线形接触区通过焊接来连接。由此可能的是:使集流体以及借此还有所属的电极在其整个长度内电触点接通。这非常显著地减小了所描述的电池之内的内阻。因此,可以比例如从DE 10 2009 060 800 A1公知的电池好得多地阻止高电流的出现。

但是,在WO 2017/215900 A1中所描述的电池中成问题的是:使纵向边缘与接触板彼此焊接是非常困难的。相比于接触板,电极的集流体具有非常薄的厚度。因而,集流体的边缘区域在机械上非常敏感并且可以在焊接过程期间被无意间下陷或熔化。此外,在对接触板进行焊接时,可能发生电极-隔膜复合体的隔膜的熔化。在极端情况下,由此可能造成短路。

本发明所基于的任务在于:提供这种类型的电化学电池,该电化学电池相对于所引用的现有技术而言的特点不仅在于载流能力被改善而且在于可制造性被改善。

发明内容

为了解决该任务,本发明提出了具有权利要求1的特征的电化学电池和具有权利要求13的特征的方法。本发明的扩展方案是从属权利要求的主题。所有权利要求的全文在此通过引用而成为说明书的内容。

按照本发明的电化学电池的特点始终在于如下特征a - d:

a. 电池包括电极-隔膜复合体,该电极-隔膜复合体具有阳极、至少一个隔膜和阴极;而且

b. 阳极包括阳极集流体,该阳极集流体具有由至少一种金属组成的表面,该表面加载有由负电极活性材料构成的至少一个层;而且

c. 阴极包括阴极集流体,该阴极集流体具有由至少一种金属组成的表面,该表面加载有由正电极活性材料构成的至少一个层;而且

d. 阳极集流体的表面和/或阴极集流体的表面包括至少一个空闲区域,该空闲区域未加载相应的电极活性材料。

该电池的特点特别是在于如下特征:

e. 在该至少一个空闲区域内,阳极集流体的表面和/或阴极集流体的表面涂层有支撑材料,该支撑材料比用它涂层的表面更加耐热。

在这种情况下,“更加耐热”应该是指:支撑材料在表面熔化的温度下保持固态。即,要么该支撑材料具有比该表面更高的熔点,要么该支撑材料在该表面已经熔化的温度下才升华或分解。

优选地,不仅阳极集流体的表面而且阴极集流体的表面都分别具有未加载相应的电极活性材料的空闲区域。在一个扩展方案中,优选的是:不仅在阳极集流体的表面上的空闲区域而且在阴极集流体的表面上的空闲区域都涂层有该支撑材料。特别优选地,针对这些区域中的每个区域,都使用相同的支撑材料。

按照本发明的电池优选地是二次电池、即可再充电的电池。因而,对于按照本发明的电池来说,优选地考虑可在二次电化学电池中使用的材料,作为电极活性材料。

特别优选地,电化学电池是锂离子电池。在这种情况下,可以考虑可吸收锂离子并且重新释放锂离子的所有材料,作为电极活性材料。负电极活性材料例如可以是碳基材料,如石墨碳或者其它能够插入锂离子的材料。可与锂形成金属间相的金属和半金属、例如硅,可以用作负电极材料,尤其是也可以与能够插入锂离子的碳基材料混合地使用。例如可以考虑锂-金属氧化物化合物和锂-金属磷酸盐化合物,如LiCoO2和LiFePO4,作为正电极活性材料。还适合的是基于NMC(镍钴锰酸锂)、LTO(钛酸锂)以及基于NCA(镍钴铝酸锂)的材料。

在另一优选的实施方式中,按照本发明的电池可以是镍-金属氢化物电池,该镍-金属氢化物电池在负电极的一侧具有储氢合金作为电极活性材料并且在正电极的一侧具有氢氧化镍/羟基氧化镍作为电极活性材料。

此外,按照本发明的电池的电极可以像在WO 2016/005529 A1中以及在WO 2016/005528 A2中描述的系统的电极那样来构造。在这些文献中描述了如下系统,在这些系统的情况下,正电极具有基于羟基氧化镍/氢氧化镍的电极活性材料,而负电极包含由活性炭和储氢合金构成的混合物或者由活性炭和金属和/或氧化形式的铁构成的混合物,作为电极活性材料。

在所有提到的情况下,电极活性材料不仅在正电极的一侧而且在负电极的一侧都优选地以颗粒形式存在。

除了电极活性材料和集流体之外,按照本发明的电池的电极还可具有其它组成部分。常见的尤其是电极粘合剂和导电剂。电极粘合剂确保了电极的机械稳定性并且引起电极活性材料颗粒彼此间以及与集流体的电触点接通和机械接触。像炭黑那样的导电剂用于提高电极的导电能力。

通常,电极-隔膜复合体包括电解质,用电解质来浸渍电极,并且该电解质确保了在电池的充电或放电时在电池的电极之间出现的离子流。在锂离子电池组的情况下,大多使用由包含导电锂盐的有机碳酸盐构成的混合物,作为电解质。在镍-金属氢化物电池以及在WO 2016/005529 A1中和在WO 2016/005528 A2中描述的电池的情况下,优选地使用碱性水溶液作为电解质。

至少一个隔膜用于:阻止极性相反的电极的直接接触。同时,该隔膜必须对于离子来说有渗透能力,这些离子在充电和放电过程中在电极之间来回迁移。对于按照本发明的电池的电极-隔膜复合体来说,尤其可以考虑由多孔塑料膜制成、例如由聚烯烃或由聚醚酮制成的隔膜,作为隔膜。也可以使用由这些材料构成的纤维网和纺织物。

通常,电极-隔膜复合体按正电极/隔膜/负电极的顺序包括这些电极和该至少一个隔膜。在优选的实施方式中,存在具有两个隔膜的复合体,例如具有可能的顺序为负电极/第一隔膜/正电极/第二隔膜或者正电极/第一隔膜/负电极/第二隔膜。

在一些实施方式中,电极-隔膜复合体也可具有超过一个正电极或者超过一个负电极。这样,例如可能的是:该复合体具有:顺序 负电极/第一隔膜/正电极/第二隔膜/负电极;或者顺序 正电极/第一隔膜/负电极/第二隔膜/正电极。

在该复合体之内,这些电极和这些隔膜优选地通过层压和/或粘贴来彼此连接。

这些电极中的集流体用于使电极活性材料尽可能大面积地电触点接通。

特别优选地,按照本发明的电池的集流体以及借此也包括按照本发明的电池本身的特点在于如下附加特征a.至f.中的至少一个附加特征:

a. 组成阳极集流体的表面的该至少一种金属包括来自具有铜、铜合金、钛、钛合金、镍、镍合金和不锈钢的组中的至少一个成员;

b. 阳极集流体由该至少一种金属组成;

c. 阳极集流体是金属箔、金属泡沫、纺织织物或金属网;

d. 组成阴极集流体的表面的该至少一种金属包括来自具有铝、铝合金、钛、钛合金和不锈钢的组中的至少一个成员;

e. 阴极集流体由该至少一种金属组成;

f. 阴极集流体是金属箔、金属泡沫、纺织织物或金属网。

在优选的实施方式中,上文的特征a.至c.全部同时彼此相结合地被实现。在其它优选的实施方式中,上文的特征d.至f.全部同时彼此相结合地被实现。在特别优选的实施方式中,上文的特征a.至f.全部同时彼此相结合地被实现。

特别优选地,阳极集流体由铜或铜合金组成,而同时阴极集流体由铝或铝合金组成。

但是,除了完全由该至少一种金属组成的集流体之外,也一定可以使用如下集流体,在所述集流体的情况下,由该至少一种金属组成的表面包围非金属结构、例如由玻璃或塑料制成的长丝构成的纺织织物。在这种情况下,术语“纺织织物”尤其是指纤维网、纺织物、网和针织物。

在一个特别优选的实施方式中,阴极集流体由铝箔、优选地厚度在5 µm至30 µm的范围内的铝箔组成。特别优选地,阳极集流体由铜箔、优选地厚度在5 µm至15 µm的范围内的铜箔组成,或者由镍箔、优选地厚度在3 µm至10 µm的范围内的镍箔组成。

在特别优选的实施方式中,按照本发明的电池的集流体以及借此也包括按照本发明的电池本身的特点在于如下附加特征a.至d.中的至少一个附加特征:

a. 阳极集流体具有两个扁平侧,这两个扁平侧由至少一个边缘彼此分开;

d. 阳极集流体在这两个扁平侧加载有由负电极活性材料构成的至少一个层;

c. 阳极集流体的表面包括用支撑材料涂层的空闲区域,该空闲区域在其两个扁平侧被划分成两个子区域;

d. 阳极集流体的这两个子区域涂层有支撑材料。

特别优选地,上文的特征a.至d.全部同时彼此相结合地被实现。

在特别优选的实施方式中,按照本发明的电池的集流体以及借此也包括按照本发明的电池本身的特点在于如下附加特征a.至d.中的至少一个附加特征:

a. 阴极集流体具有两个扁平侧,这两个扁平侧由至少一个边缘彼此分开;

b. 阴极集流体在这两个扁平侧加载有由正电极活性材料构成的至少一个层;

c. 阴极集流体的表面包括用支撑材料涂层的空闲区域,该空闲区域在其两个扁平侧被划分成两个子区域;

d. 阴极集流体的这两个子区域涂层有支撑材料。

特别优选地,上文的特征a.至d.全部同时彼此相结合地被实现。

该空闲区域或者这些子区域可以完全或者部分地用支撑材料涂层。相反,将所述扁平侧以及借此也将这两个子区域彼此分开的该至少一个边缘优选地没有用支撑材料涂层。

在一个扩展方案中,不仅阴极集流体而且阳极集流体都具有所提及的扁平侧和用支撑材料涂层的、划分成两个子区域的空闲区域。这尤其是当可以分别使用箔或者另一所提及的衬底、比如所提及的纺织织物作为阴极以及阳极集流体时适用。在这种衬底的情况下,这些集流体的表面基本上对应于这两个扁平侧的表面。该至少一个边缘可以在对表面的定量检测时被忽略。由于所提到的衬底的厚度小,该至少一个边缘通常并不是这些集流体的表面的重要部分。

特别优选地,不仅在阴极集流体上的两个子区域而且在阳极集流体上的两个子区域都涂层有支撑材料。

特别优选地,在阳极集流体的表面上的至少一个空闲区域和/或在阴极集流体的表面上的至少一个空闲区域涂层有支撑材料。更确切地说,可以优选的是:由正电极材料和负电极材料构成的层也同时涂层有支撑材料。出于工艺过程原因,更简单的是:在将支撑材料涂覆到该至少一个空闲区域上时,也将支撑材料涂覆到由电极材料构成的层上,原因在于否则可能需要对这些层的掩蔽。

原则上,可在本发明的范围内使用的支撑材料可以是金属或金属合金,只要该金属或该金属合金具有比组成表面的金属更高的熔点的话,该表面用支撑材料涂层。但是,在很多实施方式中,按照本发明的电池的特点优选地在于如下附加特征a.至c.中的至少一个附加特征:

a. 该支撑材料是非金属材料;

b. 该非金属材料是陶瓷材料、玻璃陶瓷材料或者玻璃;

c. 该陶瓷材料是氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氮化钛(TiN)、氮化铝钛(TiAlN)或者碳氮化钛(TiCN)。

在当前情况下,术语“陶瓷材料”应作广义解释。陶瓷材料尤其能被理解成碳化物、氮化物、氧化物、硅化物或这些化合物的混合物和衍生物。按照本发明,支撑材料特别优选地按照上文的特征c.来构造。

术语“玻璃陶瓷材料”尤其是指包括嵌入到无定形玻璃相中的结晶颗粒的材料。

原则上,术语“玻璃”是指满足上文限定的热稳定性标准并且相对于可能存在于电池中的电解质而言化学稳定的任何无机玻璃。

特别优选地,阳极集流体由铜或铜合金组成,而同时阴极集流体由铝或铝合金组成,而且支撑材料是氧化铝或氧化钛。

在按照本发明的电池的特别优选的第一变型方案中,该电池的特点在于如下附加特征a.至g.中的至少一个附加特征:

a. 电极-隔膜复合体以具有两个末端端侧的线圈的形式存在;

b. 电极-隔膜复合体以及该电极-隔膜复合体所包括的至少一个隔膜、该电极-隔膜复合体所包括的电极以及借此还有阳极集流体和阴极集流体构造成带状并且分别具有两个纵向边缘;

c. 电极-隔膜复合体的两个末端端侧由该至少一个隔膜的纵向边缘形成;

d. 不仅阳极集流体的表面而且阴极集流体的表面分别包括未加载电极活性材料的空闲区域;

e. 在阳极集流体的表面上的空闲区域是沿着它的两个纵向边缘之一的条状边缘区域;

f. 在阴极集流体的表面上的空闲区域是沿着它的两个纵向边缘之一的条状边缘区域;

g. 带状阳极和带状阴极在该电极-隔膜复合体内彼此错开地布置,使得

• 阳极集流体的纵向边缘与阳极集流体的空闲区域一起从这两个末端端侧中的一个末端端侧伸出,而且

• 阴极集流体的纵向边缘与阴极集流体的空闲区域一起从这两个末端端侧中的另一末端端侧伸出。

优选地,上文的特征a.至g.全部同时彼此相结合地被实现。

在电极-隔膜复合体的这种线圈形的造型的情况下,这些集流体也优选地具有两个扁平侧而且优选地分别在两侧加载有由相应的电极材料构成的层。特别优选地,不仅在阳极集流体的表面上的边缘区域而且在阴极集流体的表面上的边缘区域都通过这些表面沿着其延伸的相应边缘区域被划分成两个分别构造成条状的子区域,这两个子区域全都用支撑材料来涂层。特别优选地,这些子区域分别用由支撑材料构成的条带来涂层。因此,这些集流体不仅在两侧加载有相应的电极材料而且在两侧用支撑材料来涂层。纵向边缘优选地没有用支撑材料来涂层。

在电极-隔膜复合体的制造中,通常注意的是:电极和集流体彼此组合,使得不发生极性相反的集流体的一侧凸出,因为这可能增加短路风险。然而,在所描述的错开的布置中,短路风险被降低到最低限度,因为极性相反的集流体从线圈的相反的端侧伸出。

优选地,线圈的最大高度在30 mm至100 mm的范围内,并且线圈的最大直径在10mm至45 mm的范围内。

优选地,构造成带状的阳极和阴极集流体具有在50 mm至300 mm的范围内的长度、在30 mm至100 mm的范围内的宽度和在30 µm至200 µm的范围内的厚度。

条状边缘区域以及条状子区域优选地具有在0.5 mm至5 mm的范围内的宽度。

在优选的实施方式中,线圈是圆柱形线圈。但是,在其它实施方式中,线圈也可以是棱柱形扁平线圈。众所周知,棱柱形扁平线圈的构造类似于圆柱形线圈的构造。但是,电极-隔膜复合体为了制造扁平线圈不是绕着轴螺旋形地被缠绕而是扁平地被缠绕,使得被处理成扁平线圈的复合体包括平坦的、不翘曲的部段,这些部段在扁平线圈中彼此堆叠。

在按照本发明的电池的特别优选的第二变型方案中,该电池的特点在于如下附加特征a.至e.中的至少一个附加特征:

a. 该电极-隔膜复合体与至少一个其它的相同的电极-隔膜复合体一起是堆的组成部分,在该堆中至少两个电极-隔膜复合体彼此堆叠;

b. 所述至少两个电极-隔膜复合体及其阳极、阴极和隔膜以及借此还有其阳极集流体和阴极集流体分别具有至少一个纵向边缘;

c. 阳极集流体沿着其纵向边缘或者其纵向边缘之一分别具有空闲区域、尤其是以条状边缘区域形式的空闲区域;

d. 阴极集流体沿着其纵向边缘或者其纵向边缘之一分别具有空闲区域、尤其是以条状边缘区域形式的空闲区域;

e. 所述至少两个电极-隔膜复合体的阳极和阴极在该堆之内并且借此也在这些复合体之内彼此错开地布置,使得

• 在该堆的一侧,这些阳极集流体的空闲区域重叠,而且

• 在该堆的另一侧,这些阴极集流体的空闲区域重叠。

优选地,上文的特征a.至e.全部同时彼此相结合地被实现。

在这种堆形的造型的情况下,这些集流体也优选地具有两个扁平侧而且优选地分别在两侧加载有由相应的电极材料构成的层。特别优选地,不仅在阳极集流体的表面上的边缘区域而且在阴极集流体的表面上的边缘区域都通过这些表面沿着其延伸的相应边缘区域被划分成两个分别构造成条状的子区域,这两个子区域全都用支撑材料来涂层。特别优选地,这些子区域分别用由支撑材料构成的条带来涂层。因此,这些集流体不仅在两侧加载有相应的电极材料而且在两侧用支撑材料来涂层。纵向边缘优选地没有用支撑材料来涂层。

优选地,该堆的最大高度在5 mm至20 mm的范围内。

阳极和阴极集流体像这些电极那样优选地构造成矩形。特别优选地,这些阳极和阴极集流体具有在100 mm至300 mm的范围内的长度、在50 mm至150 mm的范围内的宽度和在50 µm至250 µm的范围内的厚度。

条状边缘区域以及条状子区域优选地具有在0.5 mm至5 mm的范围内的宽度。

优选的是:按照本发明的电池的特点在于如下附加特征a.至d.中的至少一个附加特征:

a. 用支撑材料对该至少一个空闲区域的涂层具有在0.015至1.0 mm、优选地0.05至0.2 mm的范围内的厚度;

b. 在阳极集流体上的由负电极材料构成的至少一个层具有在0.03至1.0 mm、优选地0.1至0.2 mm的范围内的厚度;

c. 在阴极集流体上的由正电极材料构成的至少一个层具有在0.03至1.0 mm、优选地0.1至0.2 mm的范围内的厚度;

d. 在阳极或阴极集流体上的支撑材料的涂层的厚度在位于其上的电极材料的层的厚度的1 %到100 %之间。

优选地,上文的特征a.至d.全部同时彼此相结合地被实现。

在一个扩展方案中,在阳极或阴极集流体上的支撑材料的涂层的厚度在位于其上的电极材料的层的厚度的5 %到50 %之间、特别优选地2 %到25 %之间。

特别优选地,按照本发明的电池的特点在于如下附加特征a.至c.中的至少一个附加特征:

a. 阳极集流体和阴极集流体按照权利要求3和4来构造,即分别具有所提及的两个扁平侧以及用支撑材料涂层的、划分成两个子区域的空闲区域;

b. 电池包括第一电导体,该第一电导体焊接到阳极集流体的边缘上;

c. 电池包括第二电导体,该第二电导体焊接到阴极集流体的边缘上。

优选地,上文的特征a.至d.全部同时彼此相结合地被实现。

对这些电导体的焊接尤其可以借助于激光焊接或者借助于WIG焊接(钨极惰性气体保护焊)来实现。

在一个优选的实施方式中,按照本发明的电池的特点附加地在于如下特征a.至c.中的至少一个特征:

a. 该电池按照权利要求6来构造,即具有以带两个末端端侧的线圈为形式的电极-隔膜复合体以及构造成带状的阳极集流体和构造成带状的阴极集流体,它们分别具有两个纵向边缘;

b. 第一电导体焊接到构造成带状的阳极集流体的纵向边缘上,阳极集流体的空闲区域沿着该纵向边缘延伸;

c. 第二电导体焊接到构造成带状的阴极集流体的纵向边缘上,阴极集流体的空闲区域沿着该纵向边缘延伸。

优选地,上文的特征a.至c.全部同时彼此相结合地被实现。

在按照上文的特征a.至c.的优选的实施方式的一个扩展方案中,按照本发明的电池的特点附加地在于如下特征a.至d.中的至少一个特征:

a. 第一电导体是金属接触板;

b. 第二电导体是金属接触板;

c. 第一金属接触板扁平地放在线圈的端侧,接触板被焊接到其上的纵向边缘从该端侧伸出;

d. 第二金属接触板扁平地放在线圈的端侧,接触板被焊接到其上的纵向边缘从该端侧伸出。

优选地,上文的特征a.至d.全部同时彼此相结合地被实现。

在按照本发明的电池的该扩展方案中,使用由错开布置引起的集流体的凸出,其方式是借助于接触板来使这些集流体大面积地触点接通。通过这些接触板,可能的是:使这些集流体以及借此还有所属的电极在其整个长度内电触点接通。即,通过扁平地放在线圈的端侧,得到线形接触区。如果按照该扩展方案的电极-隔膜复合体例如以螺旋形线圈的形式存在,则阳极集流体和阴极集流体的从线圈的端侧伸出的纵向边缘同样具有螺旋形几何形状。接着,类似的情况适用于线形接触区,这些接触板沿着所述线形接触区与这些纵向边缘焊接。

优选地,这些接触板与这些纵向边缘沿着线形接触区通过焊接来连接。如在WO2017/215900 A1中所描述的那样,这种造型可以出色地阻止高电流的出现。

这些接触板又可以与按照本发明的电池的极、例如外壳正极和外壳负极连接。

这些接触板可以与这些纵向边缘沿着线形接触区通过至少一个焊缝或者通过多个焊点来连接。特别优选地,这些纵向边缘包括一个或多个部段,所述一个或多个部段分别在其整个长度内通过焊缝与这些接触板连贯地连接。必要时,这些纵向边缘在其整个长度内与接触板连贯地焊接。

在这些接触板与这些纵向边缘焊接的情况下,可能发生开头提及的问题,即这些集流体的边缘区域的无意间下陷或熔化。支撑材料解决了这些问题。该支撑材料以机械方式支撑这些集流体的边缘并且阻止这些边缘的熔化,尤其是当这些集流体在两侧都涂层有该支撑材料时阻止这些边缘的熔化。此外,该支撑材料也防止短路,所述短路由于电极-隔膜复合体的隔膜的开头提及的熔化而造成。该支撑材料使其所覆盖的空闲区域电绝缘。即,在优选的实施方式中,该支撑材料构造成电绝缘。

这些接触板优选地是厚度在200 µm至1000 µm、优选地400 – 500 µm的范围内的金属板。这些接触板优选地由铝、铝合金、钛、钛合金、镍、镍合金、不锈钢或镀镍钢组成。这些接触板优选地由与它们被焊接到的集流体相同的材料组成。

这些接触板优选地分别具有至少一个缝隙和/或至少一个穿孔。通过缝隙和/或穿孔,确保了接触板在焊接过程中不会翘曲。还确保了:接触板不阻碍电解质渗入到线圈或堆形的电极-隔膜复合体中。

在优选的实施方式中,这些接触板具有盘的形状,尤其是圆盘或者至少近似圆盘的形状。因此,这些接触板具有外部圆盘边缘或者至少近似圆盘边缘。在这种情况下,近似圆盘尤其应该被理解成具有带至少一个分开的圆弧段、优选地带两个到四个分开的圆弧段的圆形的盘。

在其它优选的实施方式中,这些接触板也可具有多边形,优选地正多边形、尤其是具有4到10个角和边的正多边形的形状。

尤其是在作为锂离子电池的实施方式中,按照本发明的电池优选地设计成圆柱形圆形电池。那么,该电池包括圆柱形外壳,在该圆柱形外壳中存在该电池所包括的线圈的电极-隔膜复合体。圆柱形圆形电池的高度大于其直径。这些圆柱形圆形电池尤其适合于在汽车领域应用,应用于电动自行车或者也应用于能量需求高的其它应用。

该空闲区域或者这些子区域可以完全或者部分地用支撑材料涂层。相反,将所述扁平侧以及借此也将这两个子区域彼此分开的该至少一个边缘优选地没有用支撑材料涂层。

构造成圆形电池的锂离子电池的高度优选地在15 mm至150 mm的范围内。圆柱形圆形电池的直径优选地在10 mm至50 mm的范围内。在这些范围内,例如18 x 65(以mm为单位的直径乘高度)或者21 x 70(以mm为单位的直径乘高度)的形状因子是特别优选的。具有这些形状因子的圆柱形圆形电池尤其适合于对机动车的电驱动装置的供电。

构造成圆柱形圆形电池的按照本发明的锂离子电池的标称容量优选地高达6000mAh。就21 x 70的形状因子而言,该电池在作为锂离子电池的实施方式中优选地具有在2000 mAh至5000 mAh的范围内、特别优选地在3000 至4500 mAh的范围内的标称容量。

在一些实施方式中,按照本发明的电池也可以是纽扣电池、尤其是锂离子纽扣电池,该纽扣电池具有由两个外壳部分构成的金属外壳,这两个外壳部分通过电绝缘密封件来彼此电绝缘,例如在DE 10 2009 060 800 A1的图1中所示。在这种情况下,接触板例如可以与极性为正的二分之一外壳部分连接。纽扣电池构造成圆柱形并且其高度小于其直径。优选地,高度在4 mm至15 mm的范围内。还优选的是:纽扣电池的直径在5 mm至25 mm的范围内。纽扣电池适合于给小型电子设备、如手表、助听器和无线耳机供应电能。

构造成纽扣电池的按照本发明的锂离子电池的标称容量通常高达1500 mAh。优选地,标称容量在100 mAh至1000 mAh的范围内、特别优选地在100至800 mAh的范围内。

在欧盟,关于二次电池组的标称容量的数据的制造商规格受到严格规定。这样,比如关于二次镍镉电池组的标称容量的数据基于按照IEC/EN 61951-1和IEC/EN 60622标准的测量,关于二次镍-金属氢化物电池组的标称容量的数据基于按照IEC/EN 61951-2标准的测量,关于二次锂电池组的标称容量的数据基于按照IEC/EN 61960标准的测量,并且关于二次铅酸电池组的标称容量的数据基于按照IEC/EN 61056-1标准的测量。在本申请中关于标称容量的任何数据优选地同样基于这些标准。

但是,按照本发明的电池也可以与至少一个其它的相同的电池一起是电池组的组成部分,其中该电池与该至少一个其它的相同的电池优选地并联或串联而且这两个电池进一步优选地具有共同的外壳并且必要时也具有共同的电解质。

按照本发明的用于制造所描述的电化学电池的方法始终包括如下步骤:

a. 提供阳极,该阳极包括阳极集流体,该阳极集流体具有由至少一种金属组成的表面,该表面加载有由负电极活性材料构成的至少一个层;

b. 提供阴极,该阴极包括阴极集流体,该阴极集流体具有由至少一种金属组成的表面,该表面加载有由正电极活性材料构成的至少一个层;而且

c. 在使用所提供的阳极和所提供的阴极的情况下制造电极-隔膜复合体,该电极-隔膜复合体具有阳极、至少一个隔膜和阴极。

按照本发明,在制造电极-隔膜复合体之前或之后,

d.在阳极集流体的表面上的未加载负电极活性材料的空闲区域和/或在阴极集流体的表面上的未加载正电极活性材料的空闲区域用支撑材料来涂层,该支撑材料比用它涂层的表面更加耐热。

在该方法中使用的材料和电池组成部分在描述按照本发明的电池时已经予以描述。在此参考这些实施方案。

在优选的实施方式中,该方法的特点在于如下附加特征之一:

a. 支撑材料被气相沉积在一个或多个空闲区域上;

b. 该支撑材料作为悬浮液或糊剂的组成部分被涂覆到一个或多个空闲区域上;

c. 从溶胶-凝胶工艺中获得该支撑材料。

用于用支撑材料对集流体进行涂层的最佳方法取决于支撑材料的类型。气相沉积例如可以借助于CVD或PVD方法(CVD = 化学气相沉积(chemical vapour deposition),PVD= 物理气相沉积(physical vapour deposition))或者这些方法的变型方案(例如借助于“原子层沉积(atomic layer deposition)”,即ALD方法)来实现。在PVD方法中待沉积的材料通常本身已经作为气相的蒸气存在(该材料通过物理方法被变成气相),而在CVD方法中待沉积的元素的化合物(所谓的前体)蒸发。这些化合物在衬底的表面上分解成所希望的薄膜材料。在PVD方法中,可以通过蒸镀、溅射、离子镀和这些工艺的变型方案来形成涂层。

例如,可以基于像三甲基铝那样的有机金属铝化合物作为前体来制造氧化铝涂层。尤其也可以借助于CVD方法来制造由所提及的碳氮化钛(TiCN)构成的涂层。可以借助于PVD来制造TiN涂层和Ti-AlN涂层。相对应的方法从文献中已知。

悬浮液或糊剂的涂覆可以借助于常见的涂层方法、如喷涂法、浸涂、印刷和挤出来实现。

此外,也可以通过从文献中已知的溶胶-凝胶工艺来制造像氧化铝涂层那样的氧化涂层。例如可以基于像三仲丁醇铝那样的烷基铝或者基于三异丙醇铝来制造氧化铝。

原则上可能的是:将支撑材料涂覆到这些集流体上,然后给这些集流体加载电极材料。在这种情况下,适宜的是:对这些集流体的应在后续步骤中被加载电极活性材料的区域进行掩蔽。然而,优选地,支撑材料被涂覆到已经加载电极活性材料的集流体上。在这种情况下,能够在相对应的掩蔽的情况下仅对所提到的空闲区域进行涂层。但是,出于工艺过程原因,可以优选的是:不仅仅用支撑材料对空闲区域进行涂层,而是对这些电极全体、即还有由电极活性材料构成的层进行涂层。在这种情况下,不需要掩蔽。

在一些优选的实施方式,支撑材料在空闲区域中被涂覆在相应的电极材料的宽的第一条带旁边,但是在此没有完全覆盖这些空闲区域。代替于此,该支撑材料以第二条带或第二条线的形式沿着阳极和/或阴极集流体的纵向边缘被涂覆,而与此同时,相应的空闲区域的第三条带或第三条线沿着该纵向边缘未覆盖。特别优选地,第二条带或第二条线将由电极材料构成的第一条带与该第二条带或者该第二条线分开。

附图说明

本发明的其它特征以及从本发明中得到的优点从附图中以及从对这些附图的随后描述中得出。随后描述的实施方式仅用于解释和更好地理解本发明而且绝不应被理解成限制性的。

在图1和5中,以斜上方的俯视图以及以截面示意性示出了构造成螺旋形线圈的电极-隔膜复合体101的实施方式,该电极-隔膜复合体可以被加工成按照本发明的电池100。该线圈具有两个末端端侧103和109,在图1中只能看到这两个末端端侧中的一个末端端侧,即端侧103。电极-隔膜复合体101包括带状阳极115和带状阴极118,该带状阳极和该带状阴极通过带状隔膜116和117来彼此分开。

具体实施方式

这两个末端端侧103和109由带状隔膜116和117的纵向边缘形成。在电极-隔膜复合体100之内,电极115和118彼此错开地布置,使得阳极115的纵向边缘从这些端侧之一伸出并且形成凸出110,而阴极118的纵向边缘从相反的端侧伸出并且形成凸出102。

图6用于阐明在图1和5中示出的线圈的构造。这里示出了经过阳极115和阴极118以及两个电极115和118的各一个前体的截面。前体与电极115和118的区别仅在于:后者分别具有由支撑材料119构成的涂层。像电极115和118那样,这些前体包括阳极集流体115a和阴极集流体118a。阳极集流体115a是铜箔。阴极集流体118a是铝箔。这些箔分别具有两个扁平侧115d、115e以及118d、118e,所述扁平侧通过纵向边缘115f、115g以及118f、118g来彼此分开,而且分别在两侧加载有由电极活性材料构成的层115b;118b。

阳极集流体115a的表面和阴极集流体118a的表面分别包括条状空闲区域115c;118c,所述空闲区域未加载相应的电极活性材料。这些空闲区域分别包括在阳极集流体115a的两个扁平侧115d、115e以及阴极集流体118a的两个扁平侧118d、118e上的两个条状子区域。在线圈101的电极的情况下,这些子区域分别涂层有由氧化铝作为支撑材料119构成的层。纵向边缘118f和115g本身没有支撑材料119。

空闲区域115c和118c由于涂覆在两侧的支撑材料119而相对于机械和热负荷更稳定。此外,支撑材料119将区域115c和118c电绝缘。

在图8中示出了对图6中以截面示出的阳极115的俯视图。

在图1和5中示出的、构造成线圈的电极-隔膜复合体101的情况下,阳极集流体115a的纵向边缘115g与用支撑材料119涂层的空闲区域115c一起从末端端侧109伸出。阴极集流体118a的纵向边缘118f与空闲区域118c一起从末端端侧103伸出。由于电极-隔膜复合体101的螺旋形缠绕,伸出的纵向边缘115g和118f同样具有螺旋形几何形状。

为了制造按照本发明的电池100,两个接触板104扁平地被放到线圈的端侧103和109上。在图3中示出了将接触板104放到端侧103上。在接触板与从端侧103和109伸出的纵向边缘115g和118f之间,得到线形接触区。这些接触板与纵向边缘115g和118f沿着线形接触区通过焊接来连接。由此可能的是:使集流体115a和118a在其整个长度内电触点接通。

在图2中示出了接触板104。这些接触板构造成近似圆盘。只是近似,因为盘边缘113在四个部位113a至113d偏离完美的圆几何形状,在这四个部位分别分隔出扁平的圆弧段。接触板104具有缝隙105a、105b、105c和105d。这四个缝隙沿径向从外部盘边缘113出发朝着接触板的中心的方向取向。在该接触板的中心,接触板104具有圆孔形式的通道114。在中心孔114的右侧和左侧发现两个其它通道120和121。这些通道可用作在安装接触板104时的定位辅助。

在图4(斜上方的俯视图)和7(截面)中示出了焊接的结果。接触板104和纵向边缘118f通过焊缝122来连接。在这种情况下,该接触板具有与纵向边缘118f相同的螺旋形走向。焊缝122准确地遵循纵向边缘118f的螺旋形走向。但是,由于缝隙105a至105d,纵向边缘118f不可能在其整个长度内与接触板104连贯地焊接。代替于此,纵向边缘118f——被缝隙105a至105d中断地——包括多个部段,这些部段分别在其整个长度内通过焊缝122沿着接触区与接触板104连贯地连接。

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