DE102005038351A1

DE102005038351A1 - Elektrochemischer Energiespeicher

Info

Publication number: DE102005038351A1
Application number: DE102005038351A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr. Hahn; Manfred Dr. Waidhas
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2005-08-11
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2007-02-15
Also published as: WO2007017506A1

Abstract

Vom Stand der Technik sind elektrochemische Energiespeicher als Batterie oder Kondensatoren bekannt. Batterien zeichnen sich durch einen Vergleich zu Kondensatoren hoher Energiedichte aus, besitzen aber eine vergleichsweise geringe Leistungsdichte. Gemäß der Erfindung wird ein Faradayscher Energiespeicher, d. h. eine Batterie, mit einem Doppelschichtkondensator (DLC) kombiniert und befinden sich im gleichen Elektrolyten. Insbesondere ist für beide Teilspeicher ein gemeinsames Gehäuse (10) vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Energiespeicher, mit einem Gehäuse, einem Elektrolyten, mit Ableitern und mit Elektroden.

Elektrochemische Energiespeicher sind vom Stand der Technik in separaten Ausführungen entweder als Batterie oder als Kondensator bekannt. Batterien zeichnen sich durch eine im Vergleich zu Kondensatoren hohe Energiedichte aus, besitzen aber eine vergleichsweise geringe Leistungsdichte. Besonders ausgeprägt ist ein derartiges Verhalten bei primären Lithium-Thionyl-Batterien. Aber auch wieder aufladbare Systeme, wie beispielsweise der bekannte Blei-Akku, sind nicht in der Lage, hohe Impulsströme bereitzustellen. Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren (DLC = Double Layer Condensator) besitzen dagegen eine eingeschränkte Energiedichte, dafür allerdings eine sehr hohe Leistungsdichte.

In der Praxis behilft man sich für den Fall, dass für technische Anwendungen eine hohe Energiedichte bei gleichzeitig hoher Impulsbelastbarkeit gefordert wird, damit, dass das Batteriesystem nicht nach der erforderlichen Energiemenge, sondern nach der Leistung ausgelegt wird. Dies führt allerdings in Bezug auf die Energiemenge zu deutlich überdimensionierten Systemen mit dem Nachteil eines zu hohen Gewichtes und Volumens. Die Starterbatterien im PKW bis hin in Diesellokomotiven sind dafür entsprechende Beispiele.

Blitzlichtgeräte für die Photographie sind ein spezifisches Beispiel, bei dem ein Energiespeicher hoher Energie, d.h. eine Batterie, mit einem Speicher hoher Impulsleistung, d.h. einem Kondensator, miteinander verbunden sind. Beim Einschalten des Gerätes wird der Kondensator aus der Batterie aufgeladen und gibt dann in sehr kurzer Zeit seinen Energieinhalt ab. Hierbei handelt es sich aber um die Kombination zweier isolierter elektrochemischer Energiespeicher.

Ausgehend von letzterem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen kompakten Energiespeicher anzugeben, der die Vorteile der Batterie mit den Vorteilen des Kondensators verbindet.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung löst das Problem unzureichender Impulsbelastbarkeit von Batterien kleinerer und mittlerer Baugröße, wobei nun kompakte Einheiten gebildet werden.

Vorteilhaft ist bei der Erfindung insbesondere, dass die Doppelschichtkondensatoren voll in den Batterieaufbau integriert werden können und bei der Batterie und den Doppelschichtkondensatoren Verwendung vom gleichen Elektrolyten gemacht wird. Dabei bilden die Elektroden der Batterie ein Redoxsystem, wobei die DLC-Elektroden auf den gleichen Ableitern des Batteriesystems aufgebracht werden können.

Mit der Erfindung ist ein elektrochemischer Energiespeicher realisiert, der eine deutlich höhere Impulsbelastbarkeit aufweist als die entsprechenden reinen Batteriesysteme.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung den Patentansprüchen. Es zeigen
1 den schematischen Aufbau einer Batterie mit darin integrierten DLC-Elektroden,
2 einen Aufbau speziell für eine Knopfzelle,
3 den Aufbau einer primären Lithiumbatterie mit DLC-Elektroden in dreilagiger Formation,
4 einen derartigen Aufbau in vierlagiger Formation und
5 eine Alternative zu 3.
In der 1 ist ein Batterieaufbau mit einer negativen Elektrode 1 und einer positiven Elektrode 3 dargestellt, zwischen der ein in 1 nicht im Einzelnen bezeichneter Elektrolyt und ein Separator 2 angeordnet ist. Mit 4 bzw. 4' sind die Ableiter für die Elektroden 1 und 3 dargestellt.
Der Separator 2 besteht aus isolierendem, aber porösem Material und hat die Funktion, den Elektrolytraum aufzuspannen. Der Elektrolyt befindet sich in den Poren des Separators 2 und stellt eine ionische Verbindung zwischen den Elektroden 1, 3 her Des weitern kann er den verbleibenden Leerraum im den Elektrodenaufbau umschließenden Gehäuse füllen.
In einem Endbereich befinden sich auf den Ableitern 4 bzw. 4' Elektroden 5 bzw. 5', die zusammen mit dem Elektrolyten und dem Separator 2 einen Doppelschichtkondensator bilden. Ein solcher Doppelschichtkondensator wird auch allgemein als DLC-Element bezeichnet, wobei auf die englische Bezeichnung „Double Layer Condensator" zurückgegriffen wird.
In 1 ist weiterhin ein Gehäuse 10 angedeutet, in dem sich die Kombination aus Batterie und DLC befindet.
Wesentlich ist bei der Anordnung gemäß 1, dass ein gemeinsamer Elektrolytraum mit dem gleichen Elektrolyten für die Batterie und dem DLC vorhanden ist. Geeignete Elektrolyten für solche Anwendungen sind: Entweder wasserbasierte Systeme, z. B. Kalilauge, oder organische Elektrolytsysteme, wie sie beispielsweise für Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden.
In 2 ist eine Knopfzelle 20 als Beispiel herangezogen. Eine solche Zelle besteht aus einer negativen Elektrode 21, die sich auf einem Ableiter 24 befindet, einem Separator 22 und einer zugehörigen positiven Elektrode 23 mit Ableiter 24'. Auf der negativen Elektrode 21 befinden sich nun mehrere streifenförmige Elektroden 25 eines Doppelschichtkondensators DLC. Die negative Elektrode 21 besteht dabei aus Li- und C-Segmenten und die positive Elektrode 23 aus MnO₂. Das Gehäuse der Knopfzelle 20 ist in 3 der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
Die 3 bis 5 beschreiben jeweils unterschiedlich aufgebaute, aber prinzipiell gleiche primäre Lithiumbatterien. Alternativ sind auch Lithium-Ionenelemente mit entsprechendem Aufbau geeignet. In 3 ist ein derartiger Aufbau mit einer dreilagigen Elektroden-Anordnung dargestellt, in 4 eine vierlagige Elektroden-Anordnung und in 5 eine Alternative wiederum mit einer dreilagigen Elektrodenanordnung.
Im Einzelnen sind in den 3 bis 5 die negative Elektrode mit 11, die positive Elektrode mit 13, die Separatoren mit 12, die Ableiter mit 14 und die DCL-Elektrode mit 15 bezeichnet.
In den 3 bis 5 besteht die negative Elektrode 11 aus Lithium oder Li/C die positive Elektrode aus beispielsweise Manganoxid (MnO₂). Die DCL-Elektrode wird insbesondere durch ggf. modifizierte Aktivkohle gebildet.
Speziell in 4 ist zentrisch eine negative Elektrode 11 vorhanden, die auf der Gegenseite des Ableiters 12 mit einer DLC-Elektrode 15 aus Kohlenstoff (C) belegt ist. Beidseitig ist ein Separator 12 vorhanden, der an der unteren Seite von einer positiven Elektrode 13 mit anschließender DLC-Elektrode 15 und auf der Oberseite von einer DLC-Elektrode 15 mit einer positiven Elektrode 13 gefolgt wird. Diese Anordnung ist Teil eines Aufbaus mit m gestapelten Einzelelektroden, wobei speziell die Elektrodenlage n und n + 1 dargestellt sind.
In 4 sind die positive Elektrode 13 wiederum aus MnO₂ und die negative Elektrode aus Li/C gebildet. Die Ableiter 14 sind auf Vorder- und Rückseite unterschiedlich beschichtet.
Ein prinzipiell ähnlicher Aufbau ergibt sich aus 5, in der wiederum zwei Lagen n und n + 1 eines m-lagigen Aufbaus dargestellt sind. Es ergibt sich obige Abfolge der negativen Elektrode 11 mit der DLC-Elektrode 15 und dem Separator 12, dem die positive Elektrode 13 mit Separator 12 folgt. Wesentlich ist hier, dass der negative Ableiter 14 beidseitig unterschiedlich beschichtet ist. Der positive Ableiter 14' ist dagegen mit nur einem Material beschichtet.
Die negative Elektrode 11 kann auch – wie bei einer Nickel(Ni)-Metallhydrid-Batterie – aus einer Wasserstoff(H₂)- speichernden Metalllegierung bestehen und die positive Elektrode aus einem NiO/NiO(OH)₂-Redoxsystem.
Statt der Aktivkohle (C) können auch andere geeignete DLC-Elektrodenmaterialien verwendet werden, wobei eine hinreichende Leitfähigkeit und eine große Oberfläche gewährleistet sein muss. Auch Mischungen unterschiedlicher Materialien sind möglich.
Bei den vorstehend beschriebenen Beispielen ist jeweils gewährleistet, dass die Kombination von Faraday'schem Energiespeicher und Doppelschichtkondensator eine deutlich höhere Impulsbelastbarkeit als entsprechende reine Batterieelemente aufweist.

Claims

Elektrochemischer Energiespeicher, mit einem Gehäuse, einem Elektrolyten, Ableitern und Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faraday'scher Energiespeicher (Batterie) und ein Doppelschichtkondensator (DLC) miteinander kombiniert sind und sich im gleichen Elektrolytraum befinden.
Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem einzigen Gehäuse (10) sowohl Elektroden (1, 3; 11, 13; 11, 23) mit einem Redoxsystem als auch Elektroden (5, 15, 25) eines Doppelschichtkondensators enthalten sind.
Energiespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Doppelschichtkondensator-Elektroden räumlich abgegrenzt von den Elektroden (1, 3; 11, 13; 11, 23) der Batterie auf den Batterieelektrodenableitern (4, 14, 24) befinden.
Energiespeicher nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden mit dem Redoxsystem eine positive Elektrode (3, 13, 23) aus Nickeloxid/Nickeloxidhydrid (NiO/NiO(OH)₂) und eine negative Elektrode (1, 11, 23) aus einer Wasserstoff (H₂)-speichernden Metalllegierung beinhalten.
Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Elektrode und/oder die negative Elektrode mit einem DLC-Elektrodenmaterial gemischt sind.
Energiespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Lithium-Primärbatterie die aus Lithium bestehende negative Elektrode (21) durch Bezirke (25), beispielsweise Streifen, eines DLC-Materials ergänzt ist.
Energiespeicher nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das DLC-Material ein Material auf Koh lenstoffbasis, vorzugsweise Aktivkohle oder anderweitig modifizierte Kohlenstoffverbindungen, ist.
Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet in der Realisierung als primäre Lithiumbatterie oder Lithium-Ionen-Element.
Energiespeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine dreilagige Elektroden-Anordnung vorhanden ist. (3, 5)
Energiespeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine vierlagige Elektroden-Anordnung vorhanden ist. (4)