DE102014225451A1

DE102014225451A1 - Lithium-Ionen-Zelle

Info

Publication number: DE102014225451A1
Application number: DE102014225451.5A
Authority: DE
Inventors: Jan Philipp Schmidt; Nikolaos Tsiouvaras
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2016-06-16
Also published as: WO2016091567A1; CN106797006A; US20170271724A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lithium-Ionen-Zelle, umfassend zwei einander gegenüberliegende Elektroden (12, 14) unterschiedlicher Polarität, die durch einen für Lithium-Ionen permeablen, porösen Separator (16) voneinander getrennt sind, wobei der Separator (16) als ein mindestens dreischichtiges Komposit-Element ausgebildet ist. Die Erdfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine der Schichten des Separators (16) eine beidseitig von elektronisch isolierenden, Lithium-Ionen-permeablen Schichten (162) flankierte, elektrisch leitfähige, poröse Sensorschicht (161) ist, die über eine Widerstandsmesseinrichtung (20) mit wenigstens einer der Elektroden (14, 14) verbunden ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lithium-Ionen-Zelle, umfassend zwei einander gegenüberliegende Elektroden unterschiedlicher Polarität, die durch einen für Lithium-Ionen permeablen, porösen Separator voneinander getrennt sind, wobei der Separator als ein mindestens dreischichtiges Komposit-Element ausgebildet ist.
Stand der Technik
Derartige Lithium-Ionen-Zellen sind bekannt aus der WO 2010/130339 A1 .
Lithium-Ionen-Zellen sind als wiederaufladbare Hochleistungs-Energiespeicher in vielen elektronischen Geräten bekannt. Wegen Ihrer hohen Energiedichte finden sie auch als Energiespeicher in Kraftfahrzeugen mit Hybrid- oder reinem Elektroantrieb Verwendung.
Gemäß ihrem typischen Aufbau weisen Lithium-Ionen-Zellen zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität auf, die jeweils in der Lage sind, Lithium-Ionen je nach herrschenden Spannungsbedingungen abzugeben oder zu binden. Die Abgabe bzw. Entnahme der Lithium-Ionen erfolgt in einen bzw. aus einem Elektrolyten, der allerdings an den eigentlichen Bindungs- bzw. Abgabeprozessen nicht direkt beteiligt ist. Um einen Kurzschluss zwischen den Elektroden zu vermeiden, ist zwischen den Elektroden ein sogenannter Separator angeordnet, der für die wandernden Lithium-Ionen permeabel ist, aber eine elektronisch isolierende Trennschicht zwischen den Elektroden darstellt. Häufig handelt es sich bei dem Separator um eine poröse Schicht aus einem elektrisch nichtleitenden Polymer. Aus der o.g. Druckschrift ist es bekannt, den Separator als 3-schichtiges Komposit-Element auszubilden, wobei eine insbesondere oxidische, anorganische Stabilisierungsschicht beidseitig von einer Polyetherimid-Schicht flankiert ist. Die elektronisch isolierenden Polymerschichten bilden einen chemisch inerten Schutz der selbst auch elektronisch isolierenden Stabilisierungsschicht. Zentrale Aufgabe der Stabilisierungsschicht ist die Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Lithium-Ionen-Zelle zum Schutz gegen Beschädigung und Durchschläge.
Problematisch bei Lithium-Ionen-Zellen kann das sogenannte Dendritenwachstum sein. Dendriten sind fingerartige Anwachsungen, die entstehen, wenn Lithium-Ionen an einer Elektrode, insbesondere der Anode auskristallisieren. Bleibt ein solches Dendritenwachstum unbemerkt, können eine Dendriten den Separator durchstechen und einen Kurzschluss zwischen den Elektroden auslösen. Werden die Dendriten jedoch rechtzeitig bemerkt, kann ihrem Wachstum durch geeignetes Batterie-Management entgegengewirkt werden.
Aufgabenstellung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gattungsgemäße Lithium-Ionen-Zelle derart weiterzubilden, dass ein Dendritenwachstum frühzeitig erkannt werden kann.
Darlegung der Erfindung
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass eine der Schichten des Separators eine beidseitig von elektronisch isolierenden, Lithium-Ionen-permeablen Schichten flankierte, elektrisch leitfähige, poröse Sensorschicht ist, die über eine Widerstandsmesseinrichtung mit wenigstens einer der Elektroden verbunden ist.
Wächst ein Dendrit so weit, dass er die elektrisch isolierende Schutzschicht des Separators durchsticht und in Kontakt mit der Sensorschicht gerät, kann mittels der Widerstandmesseinrichtung der Zusammenbruch des Widerstandes zwischen der betroffenen Elektrode und dem Separator detektiert werden. Entsprechend können geeignete Gegenmaßnahmen über das Batterie-Management eingeleitet werden. Wesentlich dabei ist, dass der so erzeugte Kurzschluss zwischen der betroffenen Elektrode und dem Separator nicht zu einem Versagen der gesamten Lithium-Ionen-Zelle führt; dies würde erst bei einem Kurzschluss zwischen den beiden Elektroden erfolgen, der zum Zeitpunkt der Dendriten-Detektion gerade noch nicht vorliegt. Die Erfindung ermöglicht also eine rechtzeitige Erkennung des Dendritenwachstums, sodass die Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können, wenn noch keine akute Gefahr einer dauerhaften Beschädigung der Zelle gegeben ist.
Günstigerweise besteht die Sensorschicht aus einem elektrisch leitfähigen Polymermaterial. Beispielsweise kann hier ein Polyanilin, ein Polypyrrol oder ein Polythiophen Einsatz finden. Diese Materialien haben sich als besonders tauglich erwiesen, wie weiter unten noch weiter ausgeführt werden soll.
Alternativ ist es auch möglich, dass die leitfähige Sensorschicht aus einem metallisch veredelten, nicht-leitenden Polymermaterial besteht. Beispielsweise kann eine elektrisch nicht-leitende Polymerfolie mit einer Metallschicht bedampft oder anderweitig veredelt werden. Die Herstellung derartiger Polymerfolien ist jedoch aufwendig und teuer, sodass die zuvor genannte Alternative bevorzugt wird.
Grundsätzlich denkbar ist auch die Verwendung einer metallischen, von Poren durchbrochen Schicht, die zwischen den beiden elektrisch isolierenden Schutzschichten eingebettet ist. Diese Variante ist jedoch im Hinblick auf Herstellungskosten und Gewicht noch ungünstiger als die vorgenannte Variante.
Die Ausführungsformen der Erfindung, die die Ausgestaltung der leitenden Sensorschicht unter Verwendung eines Polymermaterials betreffen, sind im Hinblick auf die Ionen-Permeabilität des Separators besonders vorteilhaft. Insbesondere lässt sich das Polymermaterial als poröse Membran ausbilden. Die Porosität der Membran erlaubt es den Lithium-Ionen, den Separator in hoher Dichte zu durchdringen, was zwingende Voraussetzung für einen hohen Batteriestrom ist. Als besonders günstig wird dabei angesehen, wenn das Polymermaterial als eine gereckte Folie ausgebildet ist. Durch Recken von Polymerfolien ist es nämlich möglich, poröse Membranen herzustellen. Dem Fachmann ist grundsätzlich bekannt, welche mechanischen Beanspruchungen beim Recken aufgebracht werden müssen, um eine Membran gewünschter Porosität zu erzeugen.
In diesem Zusammenhang wird auch deutlich, warum Ausführungsformen der Erfindung bevorzugt werden, bei denen die leitende Sensorschicht aus einem elektrisch leitfähigen Polymermaterial besteht. Dieses ändert nämlich durch Recken seine elektrische Leitfähigkeit nicht oder nur minimal. Im Gegensatz dazu können metallisch beschichtete Folien beim Recken ihre Leitfähigkeit einbüßen, wenn die metallische Beschichtung reißt. Erfolgt die Beschichtung jedoch erst nach dem Recken, besteht die Gefahr, dass die Poren durch das Beschichtungsmetall zugesetzt werden.
Günstigerweise ist die Widerstandsmesseinrichtung zusammen mit einer mit ihr verbundenen Steuerung und einer mit der Steuerung verbundenen Sendeeinheit beabstandet von den Elektroden in ein die Elektroden und den Separator umgebendes Batteriegehäuse integriert, wobei mittels der Steuerung Widerstandsmessungen durch die Widerstandsmesseinrichtung initiierbar und von der Widerstandsmesseinrichtung ermittelte Widerstandswerte oder eine daraus abgeleitete Größe über die Sendeeinheit an eine externe Empfangseinheit kommunizierbar sind. Typischerweise sind Lithium-Ionen-Zellen ohnehin mit einer komplexen Steuerung ausgestattet. Diese ist häufig in Form eines integrierten Schaltkreises realisiert, der in das Batteriegehäuse eingebaut ist. Die genannte Weiterbildung der Erfindung sieht nun vor, die erfindungsgemäße Widerstandsmesseinrichtung hier ebenfalls zu integrieren und zusätzlich eine Sendeeinheit vorzusehen, mit der die erfindungsgemäß ermittelten Widerstandswerte oder davon abgeleitete Größen, bspw. ein Warnhinweis für einen Benutzer, an eine externe Steuerung kommuniziert werden können. Letztere weist hierzu eine entsprechende Empfangseinheit auf. Für diese Kommunikation sind unterschiedliche Varianten denkbar. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Sendeeinheit als eine Funk-Sendeeinheit ausgebildet ist, sodass die von der Widerstandsmesseinrichtung ermittelten Widerstandswerte oder die daraus abgeleitete Größe per Funk an die externe Empfangseinheit kommunizierbar sind. Eine gesonderte Verdrahtung erübrigt sich dabei, sodass erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Zellen ohne weiteres auch durch herkömmliche Lithium-Ionen-Zellen austauschbar sind und umgekehrt. Ob oder ob nicht von der Erfindung auf Seiten der externen Steuerung Gebrauch gemacht werden kann, hängt dann lediglich davon ab, ob die externe Steuerung über eine geeignete Funk-Empfangseinheit verfügt.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Sendeeinheit einen Modulator umfasst und derart mit einer Gleichspannungs-Ableitung einer der Elektroden verbunden ist, dass die von der Widerstandsmesseinheit ermittelten Widerstandswerte oder die daraus abgeleitete Größe als ein einer Gleichspannung der Elektrode aufgeprägtes Modulationssignal an die externe Empfangseinheit kommunizierbar sind. Bei dieser Ausführungsform wird eine ohnehin vorhandene drahtgebundene Verbindung zur Kommunikation der Daten verwendet. Auch bei dieser Variante ist keine gesonderte Verdrahtung erforderlich. Die Nutzbarkeit der Erfindung hängt vielmehr allein von einer auf Seiten der externen Steuerung notwendigen Empfangseinrichtung mit Demodulator ab.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Zelle.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Zelle 10. Die Zelle 10 umfasst eine erste Elektrode 12 und eine zweite Elektrode 14, die einander gegenüberliegend angeordnet sind und unterschiedliche Polarität aufweisen. Zwischen den Elektroden 12, 14 ist ein Separator 16 angeordnet, der als 3-schichtiges Komposit-Element ausgebildet ist. Als eine zentrale Schicht umfasst der Separator 16 eine elektrisch leitfähige Sensorschicht 161, die bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen Polymermaterial besteht, das, besonders bevorzugt, eine als gereckte Folie geschaffene, poröse Membran ist. Beidseitig flankiert ist die Sensorschicht 161 von elektrisch isolierenden Polymerschichten 162, die bevorzugt ebenfalls als poröse Membran ausgestaltet sind, besonders bevorzugt geschaffen als gereckte Folien.
Zwischen den Elektroden 12, 14 und dem Separator befindet sich der Elektrolyt 18, mit welchem die Elektroden 12, 14 und der Separator 16 vorzugsweise getränkt sind. Auf Grund der elektronisch isolierenden Polymerschichten 162 liegt zwischen der elektrisch leitfähigen Sensorschicht 161 und den Elektroden 12, 14 ein im Wesentlichen unendlich hoher Widerstand R an. Dieser ist in 1 mit dem Widerstands-Symbol angedeutet. Der Fachmann wird verstehen, dass es sich bei den dargestellten Widerständen R nicht um separate Bauteile handelt. Jede Elektrode 12, 14 ist mit der Sensorschicht 161 über eine Widerstandsmesseinrichtung 20 verbunden, die in eine komplexere Batterie-Management-Einheit eingebunden ist. Die Batterie-Management-Einheit 22 ist nicht im Detail gezeigt. Bevorzugt handelt es sich um eine integrierte Schaltung, die in ein nicht dargestelltes Gehäuse der Lithium-Ionen-Zelle 10 eingebettet ist.
Auf der linken Seite von 1 ist das Wachstum eines Dendriten 24 an der Elektrode 12 angedeutet. Im dargestellten Zustand hat der Dendrit bereits die linke Schutzschicht 162 des Separators 16 durchstoßen und kontaktiert die Sensorschicht 161. Dies führt zu einem Zusammenbruch des entsprechenden Widerstandes R, der von der Widerstandsmesseinrichtung 20 detektierbar ist. Auf Basis einer solchen Detektion können von der Batterie-Management-Einheit 22 dem Dendritenwachstum entgegenwirkende Maßnahmen ergriffen werden. Auch kann das Ereignis über speziell vorgesehene Kanäle an eine nicht dargestellte, externe Steuerung kommuniziert werden, bspw. per Funk oder über ein auf die Gleichspannung der Zelle 10 aufmoduliertes Signal.
Auf der rechten Seite von 1 ist ein ähnliches Szenario dargestellt. Allerdings ist hier nicht das Wachstum eines Dendriten angedeutet, sondern die Bildung eines Kurzschlusses zwischen der rechten Elektrode 14 und der Sensorschicht 161 auf Grund eines elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen Fremdkörpers 26, der in den Elektrolyten 12 eingedrungen ist. Auch dieses Signal führt zu einem Zusammenbruch des entsprechenden Widerstandes, hier des Widerstandes zwischen der rechten Elektrode 14 und der Sensorschicht 161. Durch geeignete Kommunikation dieses Ereignisses an eine externe Steuerung kann ein Warnsignal an einen Benutzer abgegeben oder eine von der Zelle 10 betriebene Vorrichtung abgeschaltet werden.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
Bezugszeichenliste

10: Lithium-Ionen-Zelle
12: Elektrode
14: Elektrode
16: Separator
161: Leitfähige Sensorschicht
162: Isolierschicht
18: Elektrolyt
20: Widerstandsmesseinrichtung
22: Batterie-Management-Einheit
24: Dendrit
26: Fremdkörper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/130339 A1 [0002]

Claims

Lithium-Ionen-Zelle, umfassend zwei einander gegenüberliegende Elektroden (12, 14) unterschiedlicher Polarität, die durch einen für Lithium-Ionen permeablen, porösen Separator (16) voneinander getrennt sind, wobei der Separator (16) als ein mindestens dreischichtiges Komposit-Element ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Schichten des Separators (16) eine beidseitig von elektronisch isolierenden, Lithium-Ionen-permeablen Schichten (162) flankierte, elektrisch leitfähige, poröse Sensorschicht (161) ist, die über eine Widerstandsmesseinrichtung (20) mit wenigstens einer der Elektroden (14, 14) verbunden ist.
Lithium-Ionen-Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (161) aus einem elektrisch leitfähigen Polymermaterial besteht.
Lithium-Ionen-Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Polymermaterial ein Polyanilin, ein Polypyrrol oder ein Polythiophen umfasst.
Lithium-Ionen-Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (161) aus einem metallisch veredelten, nicht-leitenden Polymermaterial besteht.
Lithium-Ionen-Zelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial als eine poröse Membran ausgebildet ist.
Lithium-Ionen-Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial als eine gereckte Folie ausgebildet ist.
Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsmesseinrichtung (20) zusammen mit einer mit ihr verbundenen Steuerung und einer mit der Steuerung verbundenen Sendeeinheit beabstandet von den Elektroden (12, 14) in ein die Elektroden (12, 14) und den Separator (16) umgebendes Batteriegehäuse integriert ist, wobei mittels der Steuerung Widerstandsmessungen durch die Widerstandsmesseinrichtung (20) initiierbar und von der Widerstandsmesseinrichtung (20) ermittelte Widerstandswerte oder eine daraus abgeleitete Größe über die Sendeeinheit an eine externe Empfangseinheit kommunizierbar sind.
Lithium-Ionen-Zelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Widerstandsmesseinrichtung (20), die Steuerung und die Sendeeinheit gemeinsam in Form eines integrierten Schaltkreises realisiert sind.
Lithium-Ionen-Zelle nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit als eine Funk-Sendeeinheit ausgebildet ist, sodass die von der Widerstandsmesseinrichtung (20) ermittelten Widerstandswerte oder die daraus abgeleitete Größe per Funk an die externe Empfangseinheit kommunizierbar sind.
Lithium-Ionen-Zelle nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit einem Modulator umfasst und derart mit einer Gleichspannungs-Ableitung einer der Elektroden verbunden ist, dass die von der Widerstandsmesseinrichtung (20) ermittelten Widerstandswerte oder die daraus abgeleitete Größe als ein einer Gleichspannung der Elektrode aufgeprägtes Modulationssignal an die externe Empfangseinheit kommunizierbar sind.