原电池的制作方法

原电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种原电池，包括正电极、负电极和分离器，该分离器由电解液浸透并且在正电极和负电极之间设置。此外本发明涉及包括这样的原电池的电池组和用于制造这样的原电池的方法。
【背景技术】
[0002]锂离子电池组的特征尤其在于非常高的比能量和极小的自放电。这样的电池组的锂离子单电池具有至少一个正电极和至少一个负电极(阴极或者阳极)，它们能够可逆地储藏(嵌入)或者重新疏散(嵌出)锂离子。此外锂离子单电池包括至少一个分离器，该分离器既在空间方面又在电的方面将正电极和负电极彼此分开。为在电极内发生锂离子的嵌入或者锂离子的嵌出，需要锂离子导体。它被以液体电解液的形式提供。在这种情况下在使用的分离器内的微孔允许电解液浸入分离器内，使得离子能够通过分离器。
[0003]为制造锂离子单电池，使用包括负电极、正电极和位于这两个电极之间的分离器的层结构构成原电池。正电极和负电极与导电体接触，所述导电体建立对外的电连接。这样构成的原电池用电解液浸透并且用包装材料封装。作为包装材料例如可以使用铝复合膜。这样封装的单电池由于其轻的包装材料也称袋或者软包。作为外壳也使用坚固的金属外壳，例如形式为深拉或者挤压的外壳部件。在这种情况下称为硬外壳或者“hard case”。
[0004]从DE 102 55 121 Al中已知一种用于电池组单电池的分离器。该分离器包括柔韧的、具有透孔的载体和多孔的、用以填充载体的透孔的陶瓷材料。该陶瓷材料适合收纳导通离子的电解液并且为避免树枝状的形成而包括第一平均孔大小的第一多孔层，该第一多孔层接触电池组单电池的第一电极；和包括第二平均孔大小的第二多孔层，该第二多孔层接触电池组单电池的另一个电极。第二多孔层的第二平均孔大小小于第一多孔层的第一平均孔大小。
[0005]在从现有技术中已知的电池组单电池中，如图1所示，正电极、分离器和负电极互相叠置。分离器用电解液浸透，并允许离子在两个电极之间流动。在这种情况下分离器具有突出的区域，该区域超过电极伸出。该突出的区域是需要的，以便保证可靠地分开两个电极。在这种情况下离子流动借助电解液能够在整个由分离器填充的区域内进行。因此在电极的边缘区域内为离子传导提供比在层结构的内部区域中更大的区域，使得在边缘区域中的离子电流被提高。离子沿着其流动的电流路径在图1中通过实线表示。不均匀的离子电流是有缺点的，因为在离子电流密度提高的区域内出现对电极的局部的过充电。在锂离子单电池的情况下这点特别有问题，因为这在离子电流密度提高的区域内可能导致锂的沉积，这使电池组的安全性受损。因此希望在电极的整个面上实现均匀的离子电流。

【发明内容】

[0006]建议一种原电池，它包括正电极、负电极和分离器，该分离器用电解液浸透并且在正电极和负电极之间设置，其中分离器具有多孔区域，该多孔区域基本上与正电极和负电极的活性面一致，使得正电极和负电极之间通过电解液的电流路径仅在该一致的区域内延伸。
[0007]在这种情况下原电池的正电极与分离器的一侧连接并且负电极与分离器的另一侧连接。在这种情况下分离器的几何尺寸这样选择，使得该分离器越过电极伸出。两个电极在分离器的相对的侧面上如此设置，使得两个电极尽可能精确相对。
[0008]分离器在一个区域内构造为多孔的，其中该多孔区域基本上与正电极和负电极的活性面一致地重叠。所谓电极的活性面指电极的在电方面是活性的区域，也就是说用活性材料涂层。分离器的多孔区域用电解液浸透，使得能够传导离子。在这种情况下在两个电极之间构造离子沿着其流动的电流路径。
[0009]正电极(阴极)例如包括铝制的载体膜，其上涂敷活性材料，例如不同锂金属氧化物的组合。
[0010]负电极(阳极)作为载体例如包括铜膜，其上涂敷例如基于天然的和/或合成的石墨的活性材料。
[0011]电解液例如是在非周期的碳酸盐(例如乙基甲基碳酸盐、二甲基碳酸盐或者二乙基碳酸盐)或者周期的碳酸盐(例如碳酸亚乙酯或者碳酸异丙烯酯)中溶解的六氟磷酸锂(LiPF6)、全氯化锂(LiC104)、六氟合砷酸锂(LiAsF6)或者四氟硼酸锂(LiBF4)。
[0012]在对原电池充电或者放电时锂离子通过电解液从一个电极向另一个电极流动，其中电解液在多孔区域内穿过分离器。因为仅基本上与电极的活性面一致的区域是多孔的，所以不存在其内比在层结构的中心内的区域内更多的电解液供离子传导使用的边缘区域。离子沿着其流动的电流路径现在均匀地分布。
[0013]为使两个电极与分离器的多孔区域一致，优选分离器的多孔区域与正电极和负电极的活性面除小于0.1mm的误差外一致地重叠。
[0014]该偏差越大，对边缘区域内的附加的电流路径的抑制就越小。在这种情况下最大允许的偏差一一在该最大允许的偏差情况下抑制尚足够好一一还依赖于原电池的化学系统和运行条件，特别依赖于电流强度。
[0015]作为分离器在本发明的一种实施方式中采用多孔的分离器，其中它在多孔区域外的微孔被封闭。
[0016]在本发明的一种实施方式中多孔区域外的微孔用聚合物封闭。
[0017]分离器的材料例如从聚烯烃(例如聚丙烯、聚乙烯)、氟化聚烯烃、聚酰亚胺、聚酰胺和聚对苯二甲酸乙二酯中选择。特别优选聚烯烃。
[0018]为封闭微孔，适合的是聚合物，例如聚烯烃(例如聚丙烯、聚乙烯)、氟化聚烯烃、聚酰亚胺、聚酰胺和聚对苯二甲酸乙二酯。特别是为封闭微孔可以选择与组成分离器的材料同样的材料。
[0019]为减小离子电流中的局部最大值还可以想到，使正电极或者负电极的几何尺寸分别小于另一个电极的几何尺寸。然而这具有这样的缺点:提供较少的活性材料供原电池使用，使得能量密度减小。在这种情况下典型地阳极的每条边比阴极宽直到3mm。
[0020]此外建议一种电池组，它包括至少一个如刚才说明的原电池。该电池组根据实施变体可以作为车辆电池组、设备电池组或者作为静止的工业电池组实施。
[0021]此外建议一种用于制造原电池的方法，包括步骤:
[0022]a)提供第一电极，
[0023]b)提供分离器，其中该分离器是多孔的，使得电解液能够浸入，并且该分离器的尺寸大于第一电极的活性面的尺寸，
[0024]c)连接第一电极与分离器，
[0025]d)通过封闭分离器在多孔区域外的微孔产生多孔区域，和
[0026]e)提供第二电极并且连接该第二电极与分离器的空闲的侧面，
[0027]其中如此设置多孔区域，使得它基本上与正电极和负电极的活性面一致，使得正电极和负电极之间通过电解液的电流路径仅能够在一致的区域内延伸。
[0028]在第一步骤提供第一电极。在此情况下例如可以涉及正电极(阴极)。在一种实施方式中第一电极可以包括铝膜作为载体材料，该铝膜被用基于不同锂金属氧化物的组合的活性材料涂层。
[0029]在本方法的第二步骤b)提供分离器。该分离器的尺寸在此情况下这样选择，使得该分离器大于第一电极的活性面。分离器的材料是多孔的，使得电解液能够浸入。电解液在制作完成的原电池中表示离子导体，通过它离子能够从一个电极漫游到另一个电极。分离器自身是电绝缘的，使得该分离器在空间方面和电的方面将两个电极彼此分开。
[0030]在本方法的下一步骤c)连接第一电极与分离器。这例如可以通过挤压发生。
[0031]在本方法的步骤d)在分离器内产生多孔区域。为此封闭分离器在多孔区域外的微孔。
[0032]在本方法的最后的步骤e)提供第二电极。在此情况下例如可以涉及负电极(阳极)。用于锂电池组单电池的阳极例如可以通过使用基于天然的和/或合成的石墨的活性材料对铜载体膜涂层获得。该第二电极同样与分离器连接，而且是在分离器的与第一电极相对的侧面上。该连接例如同样可以通过挤压进行。第二电极的活性面的几何尺寸基本上相应于多孔区域 的尺寸。
[0033]可以想到，部分地以另外的顺序执行这些步骤，从而特别是可以在连接第一电极与分离器的步骤c)之前在分离器内产生多孔区域。
[0034]在继续的制造步骤中电接触第一和第二电极并且把通过步骤a)到e)产生的层结构用包装材料包围。最晚在封闭包装材料前不久填充电解液，使得分离器由该电解液浸透。作为电解液例如使用在有机溶剂内溶解的锂导电盐--六氟磷酸锂(LiPF6)。
[0035]优选如此选择分离器的多孔区域的位置和大小，使得电极的活性面与分离器的多孔区域除小于0.1mm的误差外一致地重叠。同样两个电极在分离器内的连接优选这样实施，使得分离器的多孔区域与正电极和负电极的活性面除小于0.1mm的误差外一致地重置。
[0036]分离器的材料例如从聚烯烃(例如聚丙烯、聚乙烯)、氟化聚烯烃、聚酰亚胺、聚酰胺和聚对苯二甲酸乙二酯中选择。特别优选聚烯烃。
[0037]在本方法的一种变体中在本方法的步骤b)通过用聚合物填充来封闭分离器在多孔区域外的微孔。作为用于填充多孔区域的材料特别适合的是和用于分离器自身的材料相同的材料。
[0038]本发明的优点
[0039]在建议的原电池中使用分离器，该分离器仅在用于传导离子的电解液的以下区域内是通透的，在该区域内正电极和负电极一致地重叠。由此避免在电极的边缘区域内能够为离子构造比在所述结构的中心区域内更多的电流路径。从而离子电流均匀地在两个电极之间延伸，避免在边缘局部出现最大值。
[0040]通过均匀的离子电流防止在具有大离子电流的区域内导致对电极的局部过充电，通过电极的局部过充电可能使锂沉积和影响电池组的安全性。
[0041]与其中两个电极之一的几何尺寸被选择为比另一个电极的几何尺寸小的替换解决方案相反，这里不必去掉电极的活性面，使得通过所建议的解决方案不影响原电池的能量密度。
【附图说明】
[0042]图1表示根据现有技术的原电池，
[0043]图2表示本发明的原电池。
【具体实施方式】
[0044]图1表示根据现有技术的原电池I。原电池I包括具有正电极8、分离器2和负电极10的层序列。正电极8以它的活性面9与分离器2连接，负电极10也以它的活性面11与分呙器2连接。
[0045]正电极8例如包括铝膜作为载体，在该铝膜上涂敷基于不同锂金属氧化物的组合的活性材料。负电极10例如是铜膜，在该铜膜上涂敷基于天然的和/或合成的石墨的活性材料。
[0046]分离器2的材料例如是聚烯烃并且具有许多微孔，通过这些微孔电解液能够浸入分离器2内。电解液例如是一种在有机溶剂中溶解的锂导电盐，例如六氟磷酸锂(LiPF6)。分离器2自身是电绝缘体，使得它既在电的方面又在空间方面将负电极10和正电极8分开。
[0047]因为分离器2用电解液浸透，所以分离器对于离子是可导通的，使得在锂离子电池组的情况下锂离子能够从一个电极(8、10)向另一个流动。在这种情况下构成离子电流，它在图1中用电流路径12表示。在这种情况下离子电流在边缘区域16内大于在其中正电极8和负电极10 —致重叠的一致的区域14内。边缘区域16内提高的离子电流的原因在于，在边缘区域16内与一致的区域14相反存在附加的电解液供传输离子使用并且抵抗离子电流的电阻因此较小。边缘区域16内较高的离子电流在图1中通过更密集的电流路径12表示。
[0048]通过边缘区域16内提高的离子电流可能在电极8、10的边缘处导致局部过充电，在局部过充电的情况下锂沉积。这是不希望的，因为这负面影响电池组的安全性。
[0049]图2表示本发明的原电池I。原电池I包括，如参考图1所述，具有正电极8、分离器2和负电极10的层序列。
[0050]分离器2是多孔材料，它在电的方面和空间方面将正电极8和负电极10分开。通过微孔电解液能够浸入分离器2内，使得能够实现两个电极8、10之间的离子传导。
[0051]在图2示出的实施方式中在边缘区域16内封闭分离器2的微孔，使得产生不通透的区域6，电解液不能浸入该区域。在这种情况下不通透的区域6如此设置，使得产生多孔区域4，它与两个电极8、10的活性面9、11 一致地重叠。因此离子电流仅能够在该一致的区域14内构成。离子沿着其流动的电流路径12现在均匀地在一致的区域14上分布，在电极8和10的边缘区域内不出现离子电流的最大值。因为以这种方式不出现局部的过充电，所以改善了如此构成的原电池I的循环稳定性。
[0052]本发明不限于这里说明的实施例和其中强调的方面。相反在通过权利要求说明的范围内能够实现许多变型，它们位于专业人员处理的范围内。
【主权项】
1.原电池(I)，包括正电极(8)、负电极(10)和分离器(2)，该分离器⑵用电解液浸透并且在正电极(8)和负电极(10)之间设置，其特征在于，分离器(2)具有多孔区域(4)，该多孔区域基本上与正电极⑶和负电极(10)的活性面(9、11) 一致，使得正电极⑶和负电极(10)之间通过电解液的电流路径(12)仅在一致的区域(14)内延伸。2.根据权利要求1所述的原电池(I)，其特征在于，分离器(2)的多孔区域⑷与正电极⑶和负电极(10)的活性面(9、11)除小于0.1mm的误差外一致地重叠。3.根据权利要求1或2所述的原电池(I)，其特征在于，分离器(2)是多孔的分离器，其中该分离器在多孔区域(4)外的微孔被封闭。4.根据权利要求3所述的原电池(1)，其特征在于，多孔区域(4)外的微孔用聚合物封闭。5.根据权利要求1到4之一所述的原电池(1)，其特征在于，分离器(2)的材料从聚烯烃、氟化聚烯烃、聚酰亚胺、聚酰胺和聚对苯二甲酸乙二酯中选择。6.电池组，包括至少一个根据权利要求1到5之一所述的原电池(I)。7.用于制造原电池(I)的方法，包括步骤: a)提供第一电极(8)， b)提供分离器(2)，其中该分离器是多孔的，使得电解液能够浸入，并且该分离器的尺寸大于第一电极(8)的活性面(9)的尺寸， c)连接第一电极⑶与分离器(2)， d)通过封闭分离器(2)在多孔区域⑷外的微孔产生多孔区域(4)，和 e)提供第二电极(10)并且连接该第二电极(10)与分离器(2)的空闲的侧面， 其中多孔区域⑷被设置为，使得它基本上与正电极⑶和负电极(10)的活性面(9、11) 一致，使得正电极⑶和负电极(10)之间通过电解液的电流路径(12)仅能够在一致的区域(14)内延伸。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，分离器(2)的多孔区域(4)与正电极(8)和负电极(10)的活性面(9、11)除小于0.1mm的误差外一致地重叠。9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，分离器(2)的材料从聚烯烃、氟化聚烯烃、聚酰亚胺、聚酰胺和聚对苯二甲酸乙二酯中选择。10.根据权利要求7到9之一所述的方法，其特征在于，在该方法的步骤d)中分离器(2)在多孔区域(4)外的微孔通过用聚合物填充而加以封闭。
【专利摘要】本发明涉及一种原电池(1)，包括正电极(8)、负电极(10)和分离器(2)，该分离器(2)用电解液浸透并且在正电极(8)和负电极(10)之间设置，其中分离器(2)具有多孔区域(4)，它基本上与正电极(8)和负电极(10)的活性面(9、11)一致，使得正电极(8)和负电极(10)之间通过电解液的电流路径(12)仅能够在一致的区域(14)内延伸。此外本发明涉及用于制造原电池(1)的方法和包括原电池(1)的电池组。
【IPC分类】H01M2/18, H01M10/0525
【公开号】CN104882582
【申请号】CN201510145139
【发明人】P·拉费尔斯泰特
【申请人】罗伯特·博世有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年2月17日
【公告号】DE102014203147A1