DE102009055944A1 - Separator for electrochemical cell i.e. lithium ion cell, utilized in energy storage system of e.g. electric vehicle, has regular or disorder patterns comprising variety of projections and/or recesses and arranged on side of single layer - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Separator für eine elektrochemische Zelle und eine elektrochemische Zelle mit einem solchen Separator, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle.The invention relates to a separator for an electrochemical cell and an electrochemical cell with such a separator, in particular a lithium-ion cell.
Elektrochemische Zellen werden in vielen Bereichen der Technik als Energiespeicher eingesetzt. Insbesondere werden sie in der Fahrzeugtechnik in Energiespeichersystemen von Elektro- und Hybridfahrzeugen verwendet, aber auch im stationären Bereich, etwa zur Pufferung von Lastspitzen oder bei Energiespeichern zur dezentralen Energieversorgung.Electrochemical cells are used in many areas of technology as energy storage. In particular, they are used in vehicle technology in energy storage systems of electric and hybrid vehicles, but also in the stationary area, such as for buffering peak loads or energy storage for decentralized energy supply.
Eine elektrochemische Zelle beinhaltet zwei Elektroden, welche über einen Elektrolyten Ionen, in der Regel Ionen eines Metalls, miteinander austauschen können. Zwischen den beiden Elektroden ist ein Separator angeordnet, welcher einer räumlichen Trennung sowie einer elektrischen Isolation der beiden Elektroden dient. Außerdem hat der Separator die Aufgabe, den Elektrolyten in sich aufzunehmen und auf diese Weise den Innenaustausch zwischen den Elektroden durch den Separator hindurch zu ermöglichen. Um einen möglichst kompakten Aufbau und eine besonders hohe Energiedichte der elektrochemischen Zelle zu erreichen, steht der Separator meistens in einem Berührungskontakt mit den Elektroden oder ist zumindest in einer unmittelbaren Umgebung der beiden Elektroden angeordnet.An electrochemical cell includes two electrodes, which can exchange ions with one another via an electrolyte, usually ions of a metal. Between the two electrodes, a separator is arranged, which serves a spatial separation and electrical insulation of the two electrodes. In addition, the separator has the task to absorb the electrolyte in it and in this way to allow the internal exchange between the electrodes through the separator. In order to achieve the most compact possible structure and a particularly high energy density of the electrochemical cell, the separator is usually in touching contact with the electrodes or is arranged at least in a direct vicinity of the two electrodes.
Bei einer Verwendung der elektrochemischen Zelle zwecks einer Energieentnahme sind die beiden Elektroden über einen äußeren Stromkreislauf, elektrisch miteinander verbunden, durch den eine Spannung zwischen den beiden Elektroden abgegriffen wird. Die beiden Elektroden unterscheiden sich durch ein jeweiliges Elektrodenpotential, das häufig auch als Redoxpotential bezeichnet wird, welches ein Maß dafür ist, wie leicht und wie schnell die jeweilige Elektrode die Ionen (in den Elektrolyten) abgeben können. Je kleiner dieses Potential einer Elektrode ist, umso leichter und schneller gibt die Elektrode die jeweiligen Ionen (in den Elektrolyten) ab. Eine elektrochemische Zelle beinhaltet daher zwei Elektroden mit unterschiedlichen Elektrodenpotentialen bezüglich einer Ionisierung eines chemischen Elements (meistens eines Metalls), wobei die Elektrode mit dem kleineren Potential als negative Elektrode und die Elektrode mit dem größeren Potential als positive Elektrode bezeichnet wird. Eine maximal erreichbare Spannung einer elektrochemischen Zelle, welche über den oben genannten Stromkreislauf abgegriffen werden kann, ist durch die Differenz der beiden Elektrodenpotentiale begrenzt. Um eine möglichst hohe Spannung und damit auch eine möglichst große Energiedichte in der elektrochemischen Zelle zu erreichen, ist man bestrebt, Elektrodenmaterialien, auch als Aktivmaterialien bezeichnet, zu entwickeln, welche sich durch besonders große oder besonders kleine Elektrodenpotentiale auszeichnen. Insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen können zu diesem Zweck sehr verschiedene Elektrodenmaterialien zum Einsatz kommen.When using the electrochemical cell for the purpose of energy extraction, the two electrodes are electrically connected to each other via an external circuit, through which a voltage between the two electrodes is tapped. The two electrodes differ by a respective electrode potential, which is often referred to as redox potential, which is a measure of how easily and how quickly the respective electrode can deliver the ions (in the electrolyte). The smaller the potential of an electrode, the easier and faster the electrode will deliver the respective ions (in the electrolyte). An electrochemical cell therefore includes two electrodes having different electrode potentials with respect to ionization of a chemical element (usually a metal), the electrode having the smaller potential being referred to as the negative electrode and the electrode having the larger potential being referred to as the positive electrode. A maximum achievable voltage of an electrochemical cell, which can be tapped via the above-mentioned circuit, is limited by the difference between the two electrode potentials. In order to achieve the highest possible voltage and thus the highest possible energy density in the electrochemical cell, it is endeavored to develop electrode materials, also referred to as active materials, which are distinguished by particularly large or particularly small electrode potentials. Particularly in the case of lithium-ion cells, very different electrode materials can be used for this purpose.
Für eine Sicherheit und eine Haltbarkeit der elektrochemischen Zelle ist eine mechanische Stabilität, thermische Stabilität (Stabilität bei hohen Temperaturen) und elektrochemische Stabilität des Separators entscheidend. Wird der Separator beispielsweise durch eine mechanische Krafteinwirkung beschädigt, insbesondere durch ein Durchdrücken oder Reißen des Separators, kann es zu einem elektrischen Kurzschluss der beiden Elektroden führen. Dies hat in der Regel eine Zerstörung der Zelle zur Folge und geht meistens mit einer sehr starken Wärmeentwicklung einher, die zu einer Brandentwicklung führen kann. Derartige Kurzschlüsse können auch durch eine Verformung des Separators infolge hoher Temperaturen entstehen, oder Dendriten durchstechen den Separator, welche beispielsweise bei Kristallisationsprozessen (Kupfer auf der negativen Ableitelektrode) innerhalb der Zelle entstehen können. Ferner sollte ein Aufquellen des Separators durch die Aufnahme des Elektrolyts so weit wie möglich unterbunden werden.For safety and durability of the electrochemical cell, mechanical stability, thermal stability (stability at high temperatures) and electrochemical stability of the separator are crucial. If the separator is damaged, for example, by a mechanical force, in particular by a pressing or tearing of the separator, it can lead to an electrical short circuit of the two electrodes. This usually results in the destruction of the cell and is usually accompanied by a very strong evolution of heat, which can lead to the development of a fire. Such short circuits can also be caused by deformation of the separator due to high temperatures, or dendrites puncture the separator, which can arise, for example, in crystallization processes (copper on the negative lead-off electrode) within the cell. Furthermore, swelling of the separator should be prevented by the absorption of the electrolyte as much as possible.
Die mechanische Stabilität des Separators, insbesondere in Form einer Steifigkeit (Stabilität gegenüber Knicken und Falten) des Separators, hat insbesondere den Vorteil, dass der Separator, dessen Dicke in der Regel in einem Mikrometerbereich liegt, in einem Produktionsprozess weniger leicht knickbar oder faltbar ist, wodurch sich Fehlproduktionen oder Stauungen während des Produktionsprozesses verringern lassen. Auch eine Handhabbarkeit des Separators, etwa bei einem Einbau in eine elektrochemische Zelle vereinfacht sich mit einer erhöhten Steifigkeit des Separators. Insgesamt ist die Bedeutung der mechanischen Stabilität des Separators bei Anwendungen in besonders großen und flächigen elektrochemischen Zellen zu.The mechanical stability of the separator, in particular in the form of a stiffness (stability to kinking and folding) of the separator, has the particular advantage that the separator, the thickness of which is generally in the micrometer range, is less easily foldable or foldable in a production process, which can reduce defective production or stagnation during the production process. Handling of the separator, for example when installed in an electrochemical cell, is also simplified with increased stiffness of the separator. Overall, the importance of the mechanical stability of the separator in applications in particularly large and flat electrochemical cells is too.
Im Stand der Technik ist bekannt, dass sich die mechanische Stabilität von auf Kunststoff basierender Separatoren durch eine Beimischung von keramischen oder anorganischen Anteilen in den Kunststoff erhöhen lässt. So wird etwa in
Die elektrochemische Stabilität des Separators verhindert, dass der Separator selbst chemische Umwandlungsprozesse durchläuft wie beispielsweise eine Oxidation oder eine Reduktion von in dem Separator enthaltener Anteile. Insbesondere in elektrochemischen Zellen mit Elektroden, welche besonders hohe oder besonders niedrige Redoxpotentiale aufweisen, besteht die Gefahr der Oxidation oder Reduktion von Bestandteilen in dem Separator.The electrochemical stability of the separator prevents the separator itself from undergoing chemical conversion processes such as oxidation or reduction in the process Separator contained shares. In particular, in electrochemical cells with electrodes which have particularly high or particularly low redox potentials, there is a risk of oxidation or reduction of constituents in the separator.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Separator für eine elektrochemische Zelle vorzuschlagen, welcher die genannten Probleme löst oder zumindest abmildert.It is therefore the object of the present invention to propose a separator for an electrochemical cell, which solves the problems mentioned or at least mitigated.
Ein solcher Separator soll also mechanisch, elektrochemisch wie auch thermisch besonders stabil und leicht herstellbar sein. Außerdem ist eine elektrochemische Zelle mit einem solchen Separator vorzuschlagen, welche sich durch eine besonders lange Haltbarkeit, möglichst große Sicherheit und leichte Herstellbarkeit auszeichnet.Such a separator should therefore be particularly stable and easy to produce mechanically, electrochemically as well as thermally. In addition, an electrochemical cell with such a separator to propose, which is characterized by a particularly long shelf life, maximum safety and ease of manufacture.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Separator mit den Merkmalen des Hauptanspruchs und durch eine elektrochemische Zelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Spezielle Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstände der Unteransprüche.This object is achieved by a separator with the features of the main claim and by an electrochemical cell having the features of
Demnach ist in einem erfindungsgemäßen Separator für eine elektrochemische Zelle mit einer elektronisch isolierenden Trennschicht, die eine Vielzahl von Poren zur Aufnahme eines Elektrolyts aufweist und mindestens eine schichtförmige Einzellage beinhaltet, vorgesehen, dass auf mindestens einer Seite der mindestens einen Einzellage ein regelmäßiges oder regelloses, aus einer Vielzahl von Erhebungen und/oder Vertiefungen bestehendes Muster aufgebracht ist.Accordingly, in a separator according to the invention for an electrochemical cell having an electronically insulating separating layer, which has a plurality of pores for receiving an electrolyte and at least one layered single layer, provided that on at least one side of the at least one single layer a regular or random, from a variety of surveys and / or depressions existing pattern is applied.
Die Erfindung beruht demnach auf dem Gedanken, eine mechanische Stabilität des Separators durch Aufbringen des Musters aus den Erhebungen und/oder Vertiefungen zu erhöhen. Im Vergleich zu einem Separator ohne dieses Muster hat der erfindungsgemäße Separator eine größere Steifigkeit, wodurch sich, wie bereits oben beschreiben, insbesondere seine Herstellbarkeit sowie Verarbeitbarkeit in einer elektrochemischen Zelle vereinfacht.The invention is therefore based on the idea to increase mechanical stability of the separator by applying the pattern from the elevations and / or depressions. In comparison with a separator without this pattern, the separator according to the invention has a greater rigidity, which, as already described above, in particular simplifies its manufacturability and processability in an electrochemical cell.
Der Erfindung liegt außerdem die Erkenntnis zugrunde, dass chemische Reaktionen zwischen festen Substanzen an Kontaktflächen zwischen diesen Substanzen ablaufen, an denen also ein direkter Berührungskontakt zwischen den Substanzen besteht. Durch das auf die betreffende mindestens eine Einzellage aufgetragene Muster kann eine Kontaktfläche zwischen dieser Einzellage mit an sie angrenzenden Schichten verkleinert werden, so dass chemische Reaktionen zwischen der betreffenden Einzellage und einer weiteren an die Einzellage angrenzenden Schicht, etwa eine Elektrode, nur noch an der durch das Muster reduzierten Kontaktfläche ablaufen kann. Durch das Muster können also chemische Veränderungen der betreffenden Einzellage auf den Bereich der reduzierten Kontaktfläche räumlich eingegrenzt werden. Dies resultiert in einer größeren chemischen |Stabilität|[BP1] der mit dem Muster versehenen Einzellage und somit des gesamten Separators.The invention is also based on the recognition that chemical reactions between solid substances take place at contact surfaces between these substances, ie where there is direct physical contact between the substances. By applied to the relevant at least one single layer pattern, a contact surface between this single layer can be reduced with adjoining layers, so that chemical reactions between the individual layer and another adjacent to the single layer layer, such as an electrode, only at the by the pattern reduced contact surface can run off. Thus, chemical changes of the individual layer in question can be spatially limited to the area of the reduced contact area by the pattern. This results in greater chemical stability [BP1] of the single layer provided with the pattern and thus of the entire separator.
In einer Ausführungsform ist das Muster daher auf einer Außenfläche der Trennschicht des Separators aufgebracht. Diese Außenfläche fungiert in der Regel als Kontaktfläche mit einer Elektrode einer elektrochemischen Zelle. Da, wie oben bereits beschrieben, solche Elektroden häufig Aktivmaterialien mit besonders hohen oder besonders niedrigen Redoxpotentialen aufweisen, besteht in der Regel ein besonders großes Risiko, dass die Trennschicht des Separators an dieser Außenfläche durch das Aktivmaterial der Elektrode oxidiert oder reduziert wird. Daher tragen die genannten Muster auf der Außenfläche der Trennschicht durch die beschriebene Reduktion der Kontaktfläche besonders stark zur Vergrößerung der elektrochemischen Stabilität des Separators bei.In one embodiment, therefore, the pattern is applied to an outer surface of the separation layer of the separator. This outer surface usually acts as a contact surface with an electrode of an electrochemical cell. Since, as already described above, such electrodes frequently have active materials with particularly high or particularly low redox potentials, there is generally a particularly great risk that the separation layer of the separator on this outer surface is oxidized or reduced by the active material of the electrode. Therefore, the above-mentioned patterns on the outer surface of the separation layer contribute greatly to the increase of the electrochemical stability of the separator due to the described reduction of the contact area.
Während die Kontaktflächen zwischen dem Separator und einer Elektrode durch das Muster verringert werden kann (für eine verbesserte elektrochemische Stabilität des Separators), vergrößert sich durch das Muster gleichzeitig eine Oberfläche des Separators und mit ihr eine Benetzbarkeit des Separators mit einer Flüssigkeit, wie etwa dem Elektrolyten. Auf diese Weise ergibt sich ein weiterer wesentlicher Vorteil des hier beschriebenen Musters durch die verbesserte Benetzbarkeit des Separators durch den Elektrolyten. Durch eine hohe Benetzbarkeit des Separators mit dem Elektrolyten wird gleichzeitig eine vollständige und gleichmäßige Durchdringung und Durchnässung der Trennschicht des Separators mit dem Elektrolyt erleichtert und verbessert. Eine solche möglichst vollständige Durchdringung der Trennschicht mit dem Elektrolyten ist notwendig für eine möglichst gute und gleichmäßige Ionenleitfähigkeit des Separators durch die Trennschicht, die wiederum eine Vorraussetzung für eine hohe Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit einer elektrochemischen Zelle ist.While the contact area between the separator and an electrode may be reduced by the pattern (for improved electrochemical stability of the separator), the pattern simultaneously enlarges a surface of the separator and, with it, wettability of the separator with a liquid, such as the electrolyte , In this way, a further significant advantage of the pattern described here results from the improved wettability of the separator by the electrolyte. By a high wettability of the separator with the electrolyte at the same time a complete and uniform penetration and wetting of the separating layer of the separator with the electrolyte is facilitated and improved. Such as complete as possible penetration of the separation layer with the electrolyte is necessary for the best possible and uniform ion conductivity of the separator through the separation layer, which in turn is a prerequisite for high performance and durability of an electrochemical cell.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, dass die Erhebungen und/oder Vertiefungen als Noppen, Krater, Rillen, Rippen und/oder wabenförmige Strukturen ausgestaltet sind. Solche Strukturen lassen sich in der Regel besonders leicht herstellen, etwa durch Walzen oder Eindrücken. Ferner lässt sich mit solchen Strukturen, insbesondere durch wabenförmige Strukturen, eine besonders hohe Stabilität und Steifigkeit des Separators erreichen. Außerdem eignen sich die genannten Strukturen dazu, sich ineinander zu verhaken oder zu verzahnen, wenn sie sich auf einander zugewandten Seiten zweier direkt nebeneinander angeordneter Einzellagen des Separators aufgebracht sind, so dass die genannten Strukturen der einen Einzellage sich einem Berührungskontakt mit den Strukturen der anderen Einzellage befinden. Durch ein Verzahnen oder Verhaken der Strukturen ist eine verbesserte Haftung dieser Einzellagen aneinander erreichbar. Dadurch kann insbesondere ein Verschieben, Verziehen oder Verformen der Einzellagen gegeneinander vermindert werden, so dass insgesamt eine größere mechanische Stabilität des Separators erreicht werden kann. Insbesondere kann auf diese Weise eine Einzellage, welche etwa aus einem Kunststoff besteht und welche bei bestimmten Temperaturen zu Verformungen neigt, etwa zu einem Zusammenziehen, durch eine benachbarte formbeständigere Einzellage, etwa mit einem bestimmten anorganischen Anteil, besonders gut durch die miteinander verhakten oder verkeilten Muster gestützt werden. Außerdem erleichtert sich auf diese Weise auch die Herstellung eines solchen Separators, da solche Einzellagen nach einem Aneinanderlegen weniger leicht gegeneinander verrutschen können.An embodiment of the invention provides that the elevations and / or depressions are configured as nubs, craters, grooves, ribs and / or honeycomb-shaped structures. As a rule, such structures can be produced particularly easily, for example by rolling or pressing in. Furthermore, with such structures, in particular by honeycomb-shaped structures, a particularly high stability and rigidity of the separator can be achieved. In addition, the structures mentioned are suitable for interlocking or interlocking with one another when they are applied to mutually facing sides of two individual layers of the separator arranged directly next to one another, so that the abovementioned Structures of a single layer are in physical contact with the structures of the other single layer. By interlocking or hooking the structures, improved adhesion of these individual layers to one another can be achieved. As a result, in particular, a displacement, warping or deformation of the individual layers relative to one another can be reduced, so that overall a greater mechanical stability of the separator can be achieved. In particular, can in this way a single layer, which consists of a plastic and which tends to deformation at certain temperatures, such as a contraction, by an adjacent dimensionally stable single layer, such as a certain inorganic content, particularly well by the interlocked or wedged pattern be supported. In addition, facilitates in this way, the production of such a separator, since such individual layers can not easily slip against each other after a juxtaposition.
Eine besonders leicht herstellbare Ausführungsform sieht vor, dass das genannte Muster auf die mindestens eine Einzellage durch ein Umformverfahren aufgebracht ist, insbesondere durch Walzen oder Eindrücken, beispielsweise integriert in einem Castverfahren. Besonders gut sind solche Umformungen auch für Einzellagen geeignet in einer Abfolge an ein vorausgegangenes Extrudieren, Coaten, Recken, Ausziehen oder Siebdrucken der Einzellage. Vorteilhaft ist ferner, dass auf diese Weise Abmaße der Strukturen, wie beispielsweise eine Höhe der Erhebungen, eine Tiefe der Vertiefungen sowie ein mittlerer Abstand zwischen diesen Strukturen unabhängig von anderen Parametern des Separators, insbesondere von der Porengröße, einstellbar ist. Auf diese Weise lassen sich also die vorteilhaften Eigenschaften dieser Strukturen getrennt von weiteren Eigenschaften des Separators, wie etwa eine Dicke, Länge und Breite, eine Porosität und die Porengröße, einstellen. Eine weitere Möglichkeit der Erzeugung der genannten Muster liegt im Verpressen und Laminieren von Einzellagen miteinander, bei dem gleichzeitig ein Muster auf die Einzellagen aufgepresst werden kann.An embodiment which can be produced particularly easily provides that said pattern is applied to the at least one individual layer by a forming process, in particular by rolling or impressions, for example integrated in a casting process. Such transformations are also particularly suitable for individual layers in a sequence following a preceding extrusion, coating, stretching, drawing or screen printing of the single layer. It is also advantageous that, in this way, dimensions of the structures, such as, for example, a height of the elevations, a depth of the depressions and a mean distance between these structures, can be set independently of other parameters of the separator, in particular of the pore size. In this way, therefore, the advantageous properties of these structures can be adjusted separately from other properties of the separator, such as a thickness, length and width, a porosity and the pore size. Another possibility of generating said pattern is in the pressing and laminating of individual layers with each other, in which at the same time a pattern can be pressed onto the individual layers.
Die genannten Muster können auch dadurch entstehen, dass durch die Morphologie der keramischen Körnchen eine Oberflächenrauhigkeit mit Höhen und Tiefen erzeugt |wird|[BP2]. In einem Ausführungsbeispiel ist daher vorgesehen, dass die Erhebungen und/oder Vertiefungen durch eine Oberflächenrauhigkeit einer auf die Einzellage aufgetragenen keramischen Beschichtung gegeben sind. Dabei werden die Erhebungen durch keramische Körnchen geformt.These patterns can also be caused by the surface roughness with ups and downs created by the morphology of the ceramic grains [BP2] . In one embodiment, it is therefore provided that the elevations and / or depressions are given by a surface roughness of a ceramic coating applied to the single layer. The elevations are formed by ceramic granules.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass ein mittlerer Abstand zwischen zwei benachbarten Erhebungen oder ein mittlerer Abstand zwischen zwei benachbarten Vertiefungen um einen Faktor X größer ist als eine mittlere Porengröße, wobei der Faktor X in einem Bereich von 1 bis 10000, vorzugsweise in einem Bereich von 50 bis 1000 liegt. In einer Ausführungsform ist eine mittlere Höhe der Erhebungen oder eine mittlere Tiefe der Vertiefungen um einen Faktor Y größer ist als die mittlere Porengröße, wobei der Faktor Y in einem Bereich von 1 bis 10000, vorzugsweise in einem Bereich von 50 bis 1000 liegt. In einer weiteren Ausführungsform ist ferner ein mittlerer Durchmesser der Erhebungen oder ein mittlerer Durchmesser der Vertiefungen um einen Faktor Z größer ist als die mittlere Porengröße, der Faktor Z in einem Bereich von 1 bis 10000 liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 50 bis 1000.In a further embodiment, it is provided that a mean distance between two adjacent elevations or a mean distance between two adjacent depressions is greater by a factor X than an average pore size, wherein the factor X in a range of 1 to 10,000, preferably in one area from 50 to 1000 lies. In one embodiment, a mean height of the pits or a mean depth of the pits is greater by a factor Y than the average pore size, wherein the factor Y is in a range of 1 to 10,000, preferably in a range of 50 to 1000. In a further embodiment, furthermore, a mean diameter of the elevations or a mean diameter of the depressions is greater by a factor Z than the mean pore size, the factor Z is in a range from 1 to 10,000, preferably in a range from 50 to 1000.
Die mittlere Porengröße der Trennschicht des Separators, welche durch einen Mittelwert einer Gauß-Verteilung über gemessene Porengrößen gegeben ist, liegt in der Regel in einem Bereich zwischen 10 nm und 2 μm. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Erhebungen eine Höhe in einem Bereich zwischen 0,01 μm und 100 μm, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,1 μm und 10 μm, aufweisen und/oder die Vertiefungen eine Tiefe in einem Bereich zwischen 0,01 μm und 100 μm, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,1 μm und 10 μm, aufweisen, wobei außerdem ein mittlerer Abstand zwischen den Erhebungen und/oder Vertiefungen in einem Bereich zwischen 0,01 μm und 100 μm, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,1 μm und 10 μm, liegt. In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Erhebungen und/oder die Vertiefungen einen Durchmesser in einem Bereich zwischen 0,01 μm und 100 μm, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,1 μm und 10 μm, aufweisen.The mean pore size of the separating layer of the separator, which is given by an average value of a Gaussian distribution over measured pore sizes, is generally in a range between 10 nm and 2 μm. In one embodiment, it is provided that the elevations have a height in a range between 0.01 μm and 100 μm, preferably in a range between 0.1 μm and 10 μm, and / or the depressions have a depth in a range between 0, 01 .mu.m and 100 .mu.m, preferably in a range between 0.1 .mu.m and 10 .mu.m, wherein in addition a mean distance between the elevations and / or depressions in a range between 0.01 .mu.m and 100 .mu.m, preferably in a range between 0.1 μm and 10 μm. In a further embodiment, it is provided that the elevations and / or the depressions have a diameter in a range between 0.01 μm and 100 μm, preferably in a range between 0.1 μm and 10 μm.
Die beschriebenen Muster mit Erhebungen und/oder Vertiefungen mit den genannten Abmessungen und Abständen voneinander, insbesondere in dem jeweils besonders bevorzugten Bereich von 0,1 μm und 10 μm, eignen sich besonders gut zum gleichzeitigen Erzielen der oben genannten Vorteile, also der Erhöhung der mechanischen Stabilität (insbesondere der Steifigkeit) wie auch der elektrochemischen Stabilität und der Benetzbarkeit des Separators.The described patterns with elevations and / or depressions having the dimensions and distances from each other, in particular in the particular preferred range of 0.1 .mu.m and 10 .mu.m, are particularly well suited for simultaneously achieving the above-mentioned advantages, ie the increase of the mechanical Stability (in particular the rigidity) as well as the electrochemical stability and the wettability of the separator.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Trennschicht mindestens zwei Einzellagen umfasst, die flächig lose aneinander liegen oder flächig fest miteinander verbunden sind, insbesondere durch Laminieren oder durch Beschichten einer ersten Einzellage mit einer zweiten Einzellage. Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Separator über einen Shut-Down-|Mechanismus|[BP3] verfügt, bei dem ab einer bestimmten kritischen Temperatur beispielsweise eine niedermolekulare Kunststoffschicht schmilzt und auf diese Weise ihre Ionendurchlässigkeit verliert (hochohmig wird). Eine weitere höhermolekulare Kunststoffschicht mit einem höheren Schmelzpunkt (höheren thermischen Stabilität) bleibt dabei mechanisch stabil und dient als eine Trägerschicht zur Erhaltung einer Formstabilität und Integrität des Separators (typischerweise neigt eine schmelzende Einzellage zum Schrumpfen) und damit der räumlichen Trennung und elektrischen Isolation zweier Elektroden.One embodiment provides that the separating layer comprises at least two individual layers which lie loosely against each other flatly or are firmly connected to one another in a planar manner, in particular by lamination or by coating a first single layer with a second single layer. An embodiment provides that the separator via a shut-down | mechanism | [BP3] , where, for example, a low-molecular-weight plastic layer melts at a certain critical temperature, thus reducing its ion permeability loses (becomes high impedance). Another high molecular weight plastic layer with a higher melting point (higher thermal stability) remains mechanically stable and serves as a carrier layer to maintain dimensional stability and integrity of the separator (typically, a melting single layer tends to shrink) and thus the spatial separation and electrical isolation of two electrodes.
Ein weiterer Vorteil eines mehrlagigen Aufbaus eines Separators besteht in einer besonders hohen Sicherheit gegen Kurzschlüsse oder Feinschlüsse aufgrund von Produktionsfehlern innerhalb einer Einzelschicht. Ein Produktionsfehler in einer Einzellage, etwa ein kleines Loch (eine Fehlstelle) in der Einzellage, ist im Fall mehrerer Einzellagen in der Regel durch eine weitere Einzellage überdeckt, so dass keine schädlichen Auswirkungen des Produktionsfehlers entstehen, wie beispielsweise Kurzschlüsse oder Feinschlüsse (Leckströme durch kleine Fehlstellen oder Pinholes) und der Produktionsfehler somit korrigiert wird. Auf diese Weise lässt sich eine Ausschussmenge während der Herstellung solcher Separatoren verringern, wodurch sich insgesamt die Herstellungskosten solcher Separatoren verringern lassen. Ebenso können Schadstellen innerhalb einer Einzellage korrigiert oder ausgeglichen werden, welche während einer Benutzung, etwa innerhalb einer elektrochemischen Zelle, entstehen, beispielsweise bei einem teilweisen Durchstechen der Trennschicht etwa durch einen Dendrit.Another advantage of a multi-layered structure of a separator is a particularly high level of safety against short circuits or fines due to production errors within a single layer. A production error in a single position, such as a small hole (a defect) in the single layer, in the case of several individual layers usually covered by a further single layer, so that no harmful effects of production error arise, such as short circuits or fine circuits (leakage currents through small Defects or pinholes) and the production error is thus corrected. In this way, a scrap amount during the production of such separators can be reduced, which can reduce the overall manufacturing cost of such separators. Likewise, defects within a single layer can be corrected or compensated, which arise during use, such as within an electrochemical cell, for example, in a partial piercing of the separating layer, for example by a dendrite.
Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die Trennschicht mindestens eine Einzellage enthält, die einen anorganischen Anteil aufweist. Hier und im Folgenden wird unter einem Anteil immer ein Massenanteil innerhalb der betreffenden Einzellage verstanden. Der restliche Anteil einer solchen Einzellage ist in der Regel ein Kunststoff, siehe unten. Ein anorganischer Anteil innerhalb einer Einzellage hat die Eignung, die mechanische Stabilität der betreffenden Einzellage gegenüber äußeren Kräften zu erhöhen, so dass die Einzellage stabiler ist gegenüber Knicken, Falten, Durchstechen, Durchdrücken, Reißen, mit den oben beschriebenen Vorteilen. Eine solche Schicht eignet sich dadurch insbesondere als tragende Einzellage innerhalb der Trennschicht, die außerdem einem Aufquellen der Trennschicht durch einen Kontakt mit einem Elektrolyt entgegenwirkt. Ferner hat eine Einzellage mit einem hinreichend hoch gewählten anorganischen Anteil eine besonders große thermische Stabilität, so dass selbst im Fall, dass weitere Lagen innerhalb der Trennschicht des Separators schmelzen, eine sichere elektrische Isolation zweier Elektroden weiterhin gewährleistet ist, siehe Beschreibung des Shut-Down-Mechanismus oben. Ein solcher anorganischer Anteil innerhalb einer Einzellage hat auch in einem Separator, welcher kein aufgeprägtes Muster hier vorgeschlagener Art aufweist, die hier beschriebenen Vorteile.An embodiment provides that the separating layer contains at least one single layer, which has an inorganic portion. Here and below, a proportion always means a mass fraction within the particular individual position. The remaining portion of such a single layer is usually a plastic, see below. An inorganic fraction within a single layer has the ability to increase the mechanical stability of the individual layer relative to external forces, so that the single layer is more stable against buckling, folding, puncturing, crushing, tearing, with the advantages described above. Such a layer is thus particularly suitable as a supporting single layer within the separating layer, which also counteracts swelling of the separating layer by contact with an electrolyte. Furthermore, a single layer with a sufficiently high inorganic content selected has a particularly high thermal stability, so that even in the case that further layers melt within the separating layer of the separator, a secure electrical insulation of two electrodes is still ensured, see description of the shut-down Mechanism above. Such an inorganic portion within a single layer also has the advantages described herein in a separator having no embossed pattern of the type proposed herein.
In einem Ausführungsbeispiel sind zwei äußere Einzellagen aus Polyethylen (Schmelzpunkt etwa 130°C–140°C) und eine zwischen diesen Einzellagen angeordnete weitere Einzellage aus Polypropylen (Schmelzpunkt etwa 160°C. Für eine Stabilisierung bei hohen Temperaturen auch über 160°C ist mindestens eine keramische Beschichtung einer dieser Einzellagen vorgesehen, und zwar derart, dass diese Beschichtung zwischen zwei dieser Einzellagen angeordnet ist. Vorzugsweise besteht diese Beschichtung aus eine Aluminiumoxid- oder einer Siliziumdioxidkeramik. Auf diese Weise wird selbst bei einem Schmelzen der genannten Einzellagen einem Schrumpfen des Separators entgegengewirkt, so eine Trennung zweier Elektroden weiterhin gewährleistet ist.In one exemplary embodiment, two outer individual layers of polyethylene (melting point about 130 ° C.-140 ° C.) and a further individual layer of polypropylene arranged between these individual layers (melting point about 160 ° C.) are at least above 160 ° C. for stabilization at high temperatures a coating of one of these individual layers is provided, in such a way that this coating is arranged between two of these individual layers.This coating preferably consists of an aluminum oxide or a silicon dioxide ceramic In this way, a shrinkage of the separator is counteracted even when the individual layers are melted , so a separation of two electrodes is still guaranteed.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der anorganischer Anteil der Trennschicht durch eine Keramik, insbesondere durch Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Spodumen (LiAlSi2O6),ein Phosphat (beispielsweise ein Lithiumphosphat wie Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3), Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Bornitrid, Borcarbid, Titandiborid, Zirkoniumdiborid oder durch einen daraus bestehenden Mischwerkstoff, durch Lithium leitende Festkörperverbindungen (bei Lithium-Ionen-Zellen), und/oder Glasfasern gegeben ist. Dabei werden die jeweiligen anorganischen Anteile so eingestellt, dass sich für ein vorgegebenes Elektrodenmaterial (Aktivmaterial) eine besonders hohe elektrochemische Stabilität der jeweiligen Einzellage und somit des gesamten Separators ergibt.In one embodiment, it is provided that the inorganic portion of the separating layer is replaced by a ceramic, in particular by aluminum oxide, silicon dioxide, spodumene (LiAlSi 2 O 6 ), a phosphate (for example a lithium phosphate such as Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 ( PO 4 ) 3 ), silicon carbide, silicon nitride, boron nitride, boron carbide, titanium diboride, zirconium diboride or by a mixture material consisting thereof, by lithium-conducting solid compounds (in lithium-ion cells), and / or glass fibers is given. In this case, the respective inorganic components are adjusted so that, for a given electrode material (active material), a particularly high electrochemical stability of the individual individual layer and thus of the entire separator results.
Der Grundgedanke ist es dabei, auf einer Seite des Separators, welche dazu bestimmt ist, der negativen Elektrode zugewandt zu sein, ein anorganisches Material zu wählen, welches möglichst elektrochemisch stabil gegenüber einer Reduktion ist (welches sich also nicht leicht reduzieren lässt), wie beispielsweise Aluminiumoxid, und auf einer Seite des Separators, welche dazu bestimmt ist, der positiven Elektrode zugewandt zu sein, ein anorganisches Material zu wählen, welches möglichst elektrochemisch stabil gegenüber einer Oxidation ist (welches sich also nicht leicht oxidieren lässt), wie beispielsweise Siliziumdioxid. Neben der Stoffauswahl für den anorganischen Anteil ist ferner vorgesehen, die jeweiligen anorganischen Massenanteile innerhalb von Einzellagen eines Separators jeweils auf die Aktivmaterialien innerhalb der Elektroden einer elektrochemischen Zelle abzustimmen. Dies führt insbesondere im Fall von Lithium-Ionen-Zellen, für welche eine große Anzahl verschiedener Aktivmaterialien bekannt ist, zu unterschiedlichen Abfolgen von Einzellagen mit jeweils unterschiedlichen Anteilen (möglicherweise) verschiedener anorganischer Materialen. Diese weitere wesentliche Grundidee der Erfindung wird anhand von weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung weiter unten konkretisiert werden. In der Regel liegt der anorganische Anteil in einem Bereich zwischen 0,001 und 100%.The basic idea is to choose on one side of the separator, which is intended to face the negative electrode, an inorganic material which is as electrochemically stable to a reduction (which therefore can not be easily reduced), such as Alumina, and on one side of the separator, which is intended to face the positive electrode to choose an inorganic material which is as electrochemically stable to oxidation (which therefore can not be easily oxidized), such as silica. In addition to the choice of substance for the inorganic portion is also intended to tune the respective inorganic mass fractions within individual layers of a separator in each case to the active materials within the electrodes of an electrochemical cell. This leads, in particular in the case of lithium-ion cells, for which a large number of different active materials is known, to different sequences of individual layers, each with different proportions (possibly) of different inorganic materials. This further essential basic idea of the invention will be concretized below on the basis of further exemplary embodiments of the invention. In general, the inorganic content is in a range between 0.001 and 100%.
In einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Trennschicht mindestens eine Einzellage mit einem auf einem Kunststoff basierenden Anteil aufweist. Eine solche Einzellage lässt sich (unabhängig von einem anschließend aufgebrachten Muster hier vorgeschlagener Art) durch Recken oder Extrusion mit einem Öl und einem anschließenden Herauslösen des Öls auf eine vorgegebene, möglichst gleichmäßige Porosität, mittlere Porengröße und Schichtdicke einstellen, welche eine möglichst gute Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Sicherheit vor einer Kurzschlussbildung durch diese Einzellage erlauben. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der auf dem Kunststoff basierende Anteil der Trennschicht durch Polyolefin, insbesondere Polyethylen, Polypropylen oder eine Kombination hieraus, durch Polyvinylidendifluorid (PVDF), Hexafluorpropylen(HFP) oder eine Kombination aus beiden letztgenannten (PVDF-HFP), Teflon, Polycarbonate, Polyethylenteraphtalat, Polyvinylchlorid, Polyurethan und/oder durch ein Vlies oder durch eine Kombination daraus gegeben ist. In der Regel ist der restliche Anteil der Einzellage durch ein anorganisches Material gegeben, beispielsweise durch eines der oben genannten. Dabei werden wiederum die jeweiligen auf einem Kunststoff oder einem anorganischen Material basierenden Anteile einer Einzellage so eingestellt, dass sich eine besonders große thermische, mechanische und für ein vorgegebenes Elektrodenmaterial (Aktivmaterial) eine besonders hohe elektrochemische Stabilität dieser Einzellage beziehungsweise des gesamten Separators ergibt. Hierzu werden weiter unten spezielle Ausführungsbeispiele gegeben.In one embodiment, it is provided that the separating layer has at least one individual layer with a portion based on a plastic. Such a single layer can be adjusted (regardless of a subsequently applied pattern here proposed type) by stretching or extrusion with an oil and subsequent dissolution of the oil to a predetermined, uniform as possible porosity, average pore size and layer thickness, which is the best possible conductivity at the same time allow high security against a short circuit formation by this single layer. In one embodiment, it is provided that the plastic-based portion of the release layer by polyolefin, in particular polyethylene, polypropylene or a combination thereof, by polyvinylidene difluoride (PVDF), hexafluoropropylene (HFP) or a combination of the latter (PVDF-HFP), Teflon , Polycarbonates, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, polyurethane and / or by a non-woven or by a combination thereof. In general, the remaining portion of the single layer is given by an inorganic material, for example by one of the above. In this case, in turn, the respective components of a single layer based on a plastic or an inorganic material are adjusted such that a particularly high thermal, mechanical and for a given electrode material (active material) results in a particularly high electrochemical stability of this single layer or of the entire separator. For this purpose, specific embodiments are given below.
In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Trennschicht des Separators mindestens einen oder eine Kombination von Basisbausteinen B1, B2 und B3 beinhaltet, wobei Basisbaustein B1 aus einer ersten Einzellage mit einem anorganischen Anteil und einer zweiten ausschließlich auf Kunststoff basierenden Einzellage aufgebaut ist, Basisbaustein B2 aus einer ersten Einzellage mit einem anorganischen Anteil und einer zweiten und einer dritten jeweils ausschließlich auf Kunststoff basierenden Einzellagen aufgebaut ist, wobei die erste Einzellage zwischen der zweiten und der dritten Einzellage angeordnet ist, und Basisbaustein B3 aus einer ersten und einer zweiten Einzellage mit unterschiedlichen anorganischen Anteilen aufgebaut ist. Dabei sind die jeweils restlichen Anteile der genannten Einzellagen mit anorganischem Anteil vorzugsweise durch ein auf einem Kunststoff basierenden Material gegeben.In a further development, it is provided that the separating layer of the separator comprises at least one or a combination of basic building blocks B1, B2 and B3, wherein basic building block B1 is constructed from a first single layer with an inorganic portion and a second single-layer based exclusively on plastic, basic module B2 a first single layer with an inorganic portion and a second and a third each based solely on plastic individual layers is constructed, wherein the first single layer between the second and the third single layer is arranged, and basic block B3 of a first and a second single layer with different inorganic components is constructed. In this case, the respective remaining portions of said individual layers with an inorganic portion are preferably given by a material based on a plastic.
Die genannten Einzellagen der Basisbausteine B1, B2 und B3 können lose aneinander liegen oder eine Einzellage, insbesondere eine keramische, kann auch als Beschichtungen einer anderen Einzellage gegeben sein. Im letzteren Fall kann die als Beschichtung aufgetragene Einzellage besonders dünn ausgestaltet werden zur Erzielung einer besonders guten Ionenleitfähigkeit und einer hohen Energiedichte innerhalb einer elektrochemischen Zelle mit einem solchen Separator. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Einzellagen innerhalb eines Separators fest miteinander verbunden, insbesondere durch Lamination.The mentioned individual layers of the basic building blocks B1, B2 and B3 can lie loosely against one another or a single layer, in particular a ceramic, can also be present as coatings of another single layer. In the latter case, the single layer applied as a coating can be designed to be particularly thin in order to achieve a particularly good ion conductivity and a high energy density within an electrochemical cell with such a separator. In a preferred embodiment, the individual layers are firmly connected within a separator, in particular by lamination.
In Basisbaustein B2 ist die Einzellage mit dem anorganischen Anteil zwischen zwei auf Kunststoff basierenden Einzellagen angeordnet und vorzugsweise vollständig durch diese umschlossen, und auf diese Weise besonders gut vor einem Abreiben, etwa während einer Weiterverarbeitung, geschützt, wodurch eine besonders lange Haltbarkeit und Sicherheit des Separators erzielt wird. Durch eine Kombination der genannten Basisbausteine kann die mechanische Stabilität des Separators gesteigert und das Risiko eines Kurzschlusses verringert werden. Insbesondere bei besonders großen und flächigen elektrochemischen Zellen, bei denen die mechanische Stabilität und die Kurzschlusssicherheit einen besonders hohen Stellenwert einnimmt, sind daher Separatoren mit drei oder mehr Einzellagen vorteilhaft, auch wenn eine daraus resultierende größere Dicke des Separators eine etwas reduzierte Ionenleitfähigkeit und Energiedichte der elektrochemischen Zelle zur Folge hat.In basic module B2, the single layer is arranged with the inorganic portion between two plastic-based individual layers and preferably completely enclosed by them, and thus particularly well protected against attrition, such as during further processing, whereby a particularly long shelf life and security of the separator is achieved. By combining the mentioned basic components, the mechanical stability of the separator can be increased and the risk of a short circuit can be reduced. Separators with three or more individual layers are therefore particularly advantageous in the case of particularly large and planar electrochemical cells in which the mechanical stability and the short-circuit safety occupy a particularly high level, even if a resulting greater thickness of the separator results in a somewhat reduced ionic conductivity and energy density of the electrochemical cell Cell results.
Die Erfindung sieht außerdem eine elektrochemische Zelle, insbesondere für Elektro- oder Hybridfahrzeuge oder stationäre Anwendungen etwa zur dezentralen Energieversorgung, mit einer negativen und einer positiven Elektrode vor, in der ein Separator hier vorgeschlagener Art mit einem Elektrolyt zwischen der negativen und der positiven Elektrode angeordnet ist, wobei das Elektrolyt ganz oder teilweise von den Poren der Trennschicht aufgenommen ist, eine erste Außenfläche der Trennschicht mit der negativen Elektrode in einem Berührungskontakt steht und wobei eine zweite Außenfläche der Trennschicht mit der positiven Elektrode in einem Berührungskontakt steht zur Herstellung einer ionenleitenden Verbindung zwischen der negativen und der positiven Elektrode.The invention also provides an electrochemical cell, in particular for electric or hybrid vehicles or stationary applications such as for decentralized power supply, with a negative and a positive electrode, in which a separator of the type proposed here is arranged with an electrolyte between the negative and the positive electrode wherein the electrolyte is wholly or partly taken up by the pores of the separation layer, a first outer surface of the separation layer is in physical contact with the negative electrode, and a second outer surface of the positive electrode separation layer is in physical contact for establishing an ion conductive connection between the second electrode negative and positive electrode.
In einer Ausführungsform ist die elektrochemische Zelle eine Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid-, Nickel-Zink, Lithium-, oder Li-Ionen Zelle oder ein Doppelschichtkondensator.In one embodiment, the electrochemical cell is a nickel-cadmium, nickel-metal hydride, nickel-zinc, lithium, or Li-ion cell or a double-layer capacitor.
In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass das Muster auf der ersten Außenfläche und/oder auf der zweiten Außenfläche der Trennschicht angeordnet ist zur Verbesserung einer Benetzbarkeit der Trennschicht mit dem Elektrolyt und zur Verkleinerung einer Kontaktfläche zwischen der Trennschicht und den Elektroden für eine Erhöhung einer elektrochemischen Stabilität der Trennschicht.In a further development it is provided that the pattern on the first outer surface and / or on the second outer surface of the separating layer is arranged to improve a wettability of the separation layer with the electrolyte and to reduce a contact area between the separation layer and the electrodes for increasing an electrochemical stability of the separation layer.
Eine weitere Ausführungsform seht vor, dass ein anorganischer Massenanteil der Trennschicht ausgehend von der ersten Außenschicht in einer Richtung zur zweiten Außenschicht hin zunimmt zur Verbesserung einer elektrochemischen Stabilität der Trennschicht, insbesondere zur Vermeidung einer Reduktion von anorganischen Anteilen der Trennschicht an der negativen Elektrode. In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt der genannte prozentuale Massenanteil um 20–70 Prozentpunkte zu, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform um 40–60 Prozentpunkte. In einer Weiterentwicklung ist ferner vorgesehen, dass der genannte Massenanteil nach einer Zunahme zur positiven Elektrode hin wieder abnimmt, insbesondere zur Vermeidung einer Oxidation von anorganischen Anteilen der Trennschicht an der negativen Elektrode.A further embodiment provides that an inorganic mass fraction of the separating layer, starting from the first outer layer in a direction toward the second outer layer, increases to improve an electrochemical stability of the separating layer, in particular to avoid a reduction of inorganic portions of the separating layer at the negative electrode. In a preferred embodiment, said percentage mass fraction increases by 20-70 percentage points, in a particularly preferred embodiment by 40-60 percentage points. In a further development, it is further provided that said mass fraction decreases again after an increase towards the positive electrode, in particular for avoiding an oxidation of inorganic portions of the separation layer at the negative electrode.
In einer Ausführungsform weist eine die erste Außenschicht bildende Einzellage der Trennschicht einen anorganischen Massenanteil in einem Bereich zwischen 10% und 98% auf. In einer weiteren Ausführungsform weist eine die zweite Außenschicht bildende Einzellage der Trennschicht einen anorganischen Massenanteil in einem Bereich zwischen 10% und 98% auf. Eine Weiterentwicklung sieht vor, dass die Trennschicht eine zwischen einer die erste Außenschicht bildenden ersten Einzellage und einer die zweite Außenschicht bildenden zweiten Einzellage angeordnete dritte Einzellage aufweist mit einem anorganischen Massenanteil in einem Bereich zwischen 10% und 98%.In one embodiment, a single layer of the separating layer forming the first outer layer has an inorganic mass fraction in a range between 10% and 98%. In a further embodiment, a single layer of the separating layer forming the second outer layer has an inorganic mass fraction in a range between 10% and 98%. A further development provides that the separating layer has a third single layer arranged between a first single layer forming the first outer layer and a second single layer forming the second outer layer with an inorganic mass fraction in a range between 10% and 98%.
Ein restlicher Anteil in den genannten Einzellagen basiert in der Regel jeweils auf einem der oben genanten Kunststoffe, welcher eine Flexibilität der jeweiligen Einzellage erzeugt und einem Einreißen der Einzellage entgegenwirkt.A remaining proportion in the individual layers mentioned is generally based in each case on one of the above-mentioned plastics, which produces a flexibility of the individual individual layer and counteracts a tearing of the single layer.
In einer Weiterentwicklung ist die elektrochemische Zelle eine Lithium-Ionen-Zelle mit einer negativen Elektrode mit einem Elektrodenmaterial aus einer der Materialgruppen A (Graphit, Soft-Carbon, Hard-Carbon), B (Silizium, Zinn) oder C (Lithiumtitanat) und/oder einer positiven Elektrode mit einem Elektrodenmaterial aus einer der Materialgruppen D (Li-Co-Verbindungen), E (Li-Ni-Verbindungen, Li-Mn-Verbindungen, Li-Co-Ni-Mn-Verbindungen), F (Li-Fe-P-Verbindungen, Li-Mn-P-Verbindungen, Li-Co-P-Verbindungen). In einer Ausführungsform einer solchen Lithium-Ionen-Zelle mit einer elektrochemisch besonders stabilen Trennschicht ist vorgesehen, dass ein anorganischer Anteil einer die erste Außenschicht bildenden Einzellage der Trennschicht bei einer negativen Elektrode mit einem Elektrodenmaterial aus A zwischen 40% und 98% liegt, aus B zwischen 60% und 98% liegt oder aus C zwischen 0% und 25% liegt. In einer weiteren Ausführungsform der beschriebenen Lithium-Ionen-Zelle ist vorgesehen, dass ein anorganischer Anteil einer die zweite Außenschicht bildenden Einzellage bei einer positiven Elektrode mit einem Elektrodenmaterial aus D zwischen 40% und 98% liegt, aus E zwischen 30% und 98% liegt oder aus F zwischen 10% und 98% liegt. Diese Wertebereiche für die jeweiligen Massenanteile eignen sich besonders gut zur Verbesserung einer elektrochemischen Stabilität der Trennschicht.In a further development, the electrochemical cell is a lithium-ion cell with a negative electrode with an electrode material from one of the material groups A (graphite, soft-carbon, hard-carbon), B (silicon, tin) or C (lithium titanate) and / or a positive electrode having an electrode material of one of the material groups D (Li-Co compounds), E (Li-Ni compounds, Li-Mn compounds, Li-Co-Ni-Mn compounds), F (Li-Fe -P compounds, Li-Mn-P compounds, Li-Co-P compounds). In one embodiment of such a lithium-ion cell with an electrochemically particularly stable separation layer is provided that an inorganic portion of a first outer layer forming single layer of the separation layer at a negative electrode with an electrode material of A between 40% and 98%, from B between 60% and 98%, or from C between 0% and 25%. In a further embodiment of the lithium-ion cell described is provided that an inorganic portion of the second outer layer forming single layer is at a positive electrode with an electrode material of D between 40% and 98%, from E between 30% and 98% or F is between 10% and 98%. These ranges of values for the respective mass fractions are particularly suitable for improving an electrochemical stability of the separating layer.
Im Folgenden werden spezielle Ausführungsformen der Erfindung anhand von
In
In
In
In
In
In Zwischenräumen zwischen den Noppen
Die Noppen haben einen mittlerer Durchmesser d1, einen mittleren Abstand d2 und eine mittlere Höhe d3 von jeweils 1 μm. Eine mittlere Porengröße von Poren
In
Sie umfasst eine negative Elektrode
Durch Ersetzen der linken Einzellage
Ein weiterer Vorteil der gezeigten Ausführungsform ist ein Schutz durch die Anordnung der keramischen mittleren Einzellage
In
Die negative Elektrode
Die positive Elektrode
Durch den zweilagigen Aufbau der hier beschriebenen Zelle
In
Die negative Elektrode
In
Die negative Elektrode
Für eine elektrochemische Stabilität des Separators ist in der der negativen Elektrode
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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