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DE102016214337A1 - Solid battery - Google Patents

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DE102016214337A1
DE102016214337A1 DE102016214337.9A DE102016214337A DE102016214337A1 DE 102016214337 A1 DE102016214337 A1 DE 102016214337A1 DE 102016214337 A DE102016214337 A DE 102016214337A DE 102016214337 A1 DE102016214337 A1 DE 102016214337A1
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DE
Germany
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solid
layer
cathode
anode
heatable
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Pending
Application number
DE102016214337.9A
Other languages
German (de)
Inventor
Christoph Bauer
Saskia Lupart
Sandra Zugmann
Dave Andre
Sonia Dandl
Kamelia Detig-Karlou
Florian Engel
Roland Freund
Edwin Knobbe
Peter Lamp
Claudia Lintz
Simon Nürnberger
Jan Philipp Schmidt
Dennis Schünemann
Barbara Stiaszny
Christoph Stinner
Matthias Tschech
Nikolaos Tsiouvaras
Jens Vetter
Thomas Wöhrle
Tobias Zeilinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
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Abstract

Eine Festkörperbatterie (1) umfasst mindestens eine Festkörperzelle (100), die eine Anode (110), eine Festelektrolytschicht (130) und eine Kathode (120), die in einem Stapel angeordnet sind, aufweist. Die Festelektrolytschicht (130) ist als ein Separator zwischen der Anode (110) und der Kathode (120) angeordnet. Die Festkörperbatterie (1) umfasst des Weiteren eine erwärmbare Schicht (10), die dazu ausgebildet ist, sich bei einem Stromdurchfluss zu erwärmen. Die erwärmbare Schicht (10) ist derart angeordnet, dass die erwärmbare Schicht (10) die bei dem Stromdurchfluss erzeugte Wärme an die mindestens eine Festkörperzelle (100) abgibt, so dass sich die Temperatur des Festelektrolyten (130) erhöht.A solid state battery (1) comprises at least one solid state cell (100) having an anode (110), a solid electrolyte layer (130) and a cathode (120) arranged in a stack. The solid electrolyte layer (130) is disposed as a separator between the anode (110) and the cathode (120). The solid state battery (1) further comprises a heatable layer (10) adapted to be heated at a current flow. The heatable layer (10) is arranged such that the heatable layer (10) delivers the heat generated during the current flow to the at least one solid state cell (100), so that the temperature of the solid electrolyte (130) increases.

Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörperbatterie, die beispielsweise als eine Fahrzeugbatterie verwendet werden kann. The invention relates to a solid-state battery, which can be used for example as a vehicle battery.

Als Antriebsbatterien für Fahrzeuge sind Batterien mit einem Festelektrolyt, so genannte Festkörperbatterien, oder Batterien mit einem flüssigen, organischen Elektrolyten gebräuchlich. Lithiumbatterien, die einen Festelektrolyten enthalten, bieten einen Vorteil gegenüber Lithiumbatterien mit herkömmlichen flüssigen, organischen Elektrolyten, da dieser nicht entzündlich ist. Festelektrolyte weisen im Vergleich zu herkömmlichen organischen Elektrolyten erheblich verbesserte Sicherheitscharakteristika auf, da diese nicht nur nicht entzündlich sind, sondern auch Lithium-Dentridenwachstum vermindern. Des Weiteren wird aufgrund der Selektivität der Ladungsträger und der hohen Stabilität von Festelektrolyten im Allgemeinen sowohl die Zyklenstabilität als auch die kalendarische Lebensdauer der Batterie verbessert. Zudem tritt eine verminderte Selbstentladung der Batterie auf. Batteries with a solid electrolyte, so-called solid-state batteries, or batteries with a liquid, organic electrolyte are used as drive batteries for vehicles. Lithium batteries containing a solid electrolyte offer an advantage over lithium batteries with conventional liquid organic electrolytes because it is non-flammable. Solid electrolytes have significantly improved safety characteristics as compared to conventional organic electrolytes, as they are not only non-flammable but also reduce lithium dentride growth. Furthermore, due to the selectivity of the carriers and the high stability of solid electrolytes in general, both the cycle stability and the calendar life of the battery are improved. In addition, a reduced self-discharge of the battery occurs.

Die ionische Leitfähigkeit von Festelektrolyten erreicht bei Raumtemperatur zwar fast die Leitfähigkeit von flüssigen Elektrolyten. Die ionische Leitfähigkeit der meisten Festelektrolyte liegt jedoch unterhalb der von flüssigen Elektrolyten. Aufgrund der allgemein leicht geringeren Leitfähigkeit von Festelektrolyten sowie der erhöhten Grenzflächenwiderstände fest-fest ist auch die Leistungsfähigkeit der einzelnen Batteriezellen (Festkörperzellen) einer Festkörperbatterie bei Raumtemperatur geringer als beispielsweise die Leitfähigkeit von Lithiumzellen mit flüssigen Elektrolyten. The ionic conductivity of solid electrolytes almost reaches the conductivity of liquid electrolytes at room temperature. However, the ionic conductivity of most solid electrolytes is below that of liquid electrolytes. Due to the generally slightly lower conductivity of solid electrolytes and the increased interfacial resistances fixed-solid and the performance of the individual battery cells (solid state cells) of a solid state battery at room temperature is lower than, for example, the conductivity of lithium cells with liquid electrolytes.

Klassische Festkörperelektrolyte weisen eine lineare Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Temperatur auf. Polymere Festelektrolyte (Polymerelektrolyte) verhalten sich jedoch anders. Sie benötigen typischerweise Temperaturen von mehr als 35 °C und bevorzugt von mehr als 45 °C, um die notwendige Lithium-Leitfähigkeit zu erreichen. Unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur knickt die Lithium-Leitfähigkeit stark ab, sodass bei Raumtemperatur und darunter keine geeignete Leitfähigkeit mehr vorherrscht. Classic solid-state electrolytes have a linear dependence of the conductivity on the temperature. However, polymer solid electrolytes (polymer electrolytes) behave differently. They typically require temperatures greater than 35 ° C, and preferably greater than 45 ° C, to achieve the requisite lithium conductivity. Below its glass transition temperature, the lithium conductivity drops sharply, so that at room temperature and below no more suitable conductivity prevails.

Ein Anliegen der vorliegenden Erfindung ist es, eine Festkörperbatterie bereitzustellen, bei der der Festelektrolyt eine hohe Leitfähigkeit aufweist. A concern of the present invention is to provide a solid state battery in which the solid electrolyte has a high conductivity.

Die Aufgabe wird mit einer Festkörperbatterie gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Festkörperbatterie umfasst mindestens eine Festkörperzelle, die eine Anode, eine Festelektrolytschicht und eine Kathode aufweist. Anode, Festelektrolytschicht und Kathode sind in einem Stapel angeordnet. Die Festelektrolytschicht ist als ein Separator zwischen der Anode und der Kathode angeordnet. Die Festkörperbatterie umfasst erfindungsgemäß eine erwärmbare Schicht, die dazu ausgebildet ist, sich bei einem Stromdurchfluss zu erwärmen. Die mindestens eine erwärmbare Schicht ist derart angeordnet, dass die erwärmbare Schicht die bei dem Stromdurchfluss erzeugte Wärme an die mindestens eine Festkörperzelle abgibt, so dass sich die Temperatur des Festelektrolyten erhöht. The object is achieved with a solid state battery according to claim 1. The solid state battery comprises at least one solid state cell having an anode, a solid electrolyte layer and a cathode. Anode, solid electrolyte layer and cathode are arranged in a stack. The solid electrolyte layer is disposed as a separator between the anode and the cathode. The solid-state battery according to the invention comprises a heatable layer, which is designed to heat at a current flow. The at least one heatable layer is arranged such that the heatable layer delivers the heat generated during the current flow to the at least one solid state cell, so that the temperature of the solid electrolyte increases.

Durch die Verwendung einer erwärmbaren Schicht innerhalb der Festkörperbatterie kann die ionische Leitfähigkeit, insbesondere die Lithium-Leitfähigkeit, des Festelektrolyten auch bei niedriger Umgebungstemperatur, beispielsweise bei Raumtemperatur, unterhalb der Raumtemperatur und/oder unterhalb der Glasübergangstemperatur des Elektrolyten, hoch bleiben beziehungsweise beibehalten werden. Als erwärmbare Schicht können beispielsweise Metallplatten und/oder (beschichtete) Folien, die aufgrund ihres Widerstandes bei einer Stromdurchfuhr zu einer Erwärmung der Batteriezelle führen, verwendet werden. Die Anzahl und Platzierung dieser Folien beziehungsweise Platten kann je nach Zellart beziehungsweise Materialart und Anwendung der resultierenden Zellen erfolgen. By using a heatable layer within the solid-state battery, the ionic conductivity, in particular the lithium conductivity of the solid electrolyte even at low ambient temperature, for example at room temperature, below room temperature and / or below the glass transition temperature of the electrolyte, remain high or be maintained. As a heatable layer, for example, metal plates and / or (coated) films, which lead to a heating of the battery cell due to their resistance in a current transit to be used. The number and placement of these films or plates can be done depending on the cell type or type of material and application of the resulting cells.

Für Polymerbatterien, bei denen der Festelektrolyt ein Polymer ist, ergeben sich diverse Möglichkeiten zur Platzierung der erwärmbaren Schicht innerhalb der Batterie, da hier das Polymer eine flexible Einheit in der Zelle bildet. Die erwärmbare Schicht kann beispielsweise als Ableiter mit erhöhtem Widerstand an der Kathode oder der Anode angeordnet sein. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die erwärmbare Schicht, beispielsweise als Metallstreifen oder als ein metallisches Netz, die sich bei einem Stromdurchfluss erwärmen, im Polymer des Elektrolyten einzubetten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die erwärmbare Schicht zwischen den einzelnen Schichten einer Festkörperzelle der Festkörperbatterie anzuordnen. For polymer batteries in which the solid electrolyte is a polymer, there are various possibilities for placing the heatable layer within the battery, since here the polymer forms a flexible unit in the cell. The heatable layer can be arranged, for example, as an arrester with increased resistance at the cathode or the anode. Furthermore, it is possible to embed the heatable layer, for example as a metal strip or as a metallic mesh, which heat at a current flow, in the polymer of the electrolyte. Another possibility is to arrange the heatable layer between the individual layers of a solid state cell of the solid state battery.

Für Festkörperbatterien mit klassischen Festkörperelektrolyten ist der Einbau der erwärmbaren Schicht in die Zelle jedoch eine Herausforderung, da hier die Grenzflächen aufeinander abgestimmt sein müssen und es keine flexiblen Teile in der Zelle gibt. Eine Möglichkeit zur Einführung der erwärmbaren Schicht in die Zelle besteht darin, die an der Anode beziehungsweise der Kathode zum Abgreifen einer Spannung angeordneten Ableiter zu substituieren beziehungsweise diese als erwärmbare Schicht zu verwenden. For solid-state batteries with classic solid-state electrolytes, however, the incorporation of the heatable layer into the cell is a challenge, since here the interfaces must be coordinated and there are no flexible parts in the cell. One possibility for introducing the heatable layer into the cell is to substitute the arresters arranged at the anode or the cathode for tapping a voltage, or to use these as a heatable layer.

Der Einsatz von (mindestens) einer erwärmbaren Schicht innerhalb eines Schichtstapels der Festkörperbatterie beziehungsweise innerhalb eines Schichtstapels einer Festkörperzelle der Batterie ermöglicht die Erhöhung beziehungsweise Beibehaltung der ionischen Leitfähigkeit von Festelektrolyten, insbesondere auch von polymeren Festkörperelektrolyten, bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise Temperaturen unter 40 °C. Bei Polymerbatterien wird eine Erhöhung beziehungsweise Beibehaltung der Leitfähigkeit bei einer Umgebungstemperatur, die kleiner als die Glasübergangstemperatur (Tg) des Polymer-Elektrolyt ist, ermöglicht. The use of (at least) a heatable layer within a layer stack of the solid state battery or within a layer stack of a solid state cell of the battery allows the increase or Retention of the ionic conductivity of solid electrolytes, in particular of polymeric solid electrolyte, at low temperatures, for example temperatures below 40 ° C. In the case of polymer batteries, it is possible to increase or maintain the conductivity at an ambient temperature which is lower than the glass transition temperature (Tg) of the polymer electrolyte.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to figures showing exemplary embodiments of the present invention. Show it:

1 eine erste Ausführungsform einer Festkörperbatterie mit hoher Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen, 1 a first embodiment of a solid state battery with high conductivity at low temperatures,

2A eine zweite Ausführungsform einer Festkörperbatterie mit hoher Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen, 2A a second embodiment of a solid state battery with high conductivity at low temperatures,

2B eine dritte Ausführungsform einer Festkörperbatterie mit hoher Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen. 2 B a third embodiment of a solid state battery with high conductivity at low temperatures.

3A und 3B eine vierte Ausführungsform einer Festkörperbatterie mit hoher Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen mit unterschiedlicher Verschaltung einer erwärmbaren Schicht, 3A and 3B a fourth embodiment of a high-conductivity solid-state battery at low temperatures with different interconnection of a heatable layer,

4A und 4B eine fünfte Ausführungsform einer Festkörperbatterie mit hoher Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen mit unterschiedlicher Verschaltung einer erwärmbaren Schicht, 4A and 4B a fifth embodiment of a high-conductivity solid-state battery at low temperatures with different interconnection of a heatable layer,

5 eine sechste Ausführungsform einer Festkörperbatterie mit hoher Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen, 5 a sixth embodiment of a high-conductivity solid-state battery at low temperatures,

6 verschiedene Ausführungsbeispiele einer Stapelanordnung von Festkörperzellen einer Festkörperbatterie. 6 Various embodiments of a stack arrangement of solid state cells of a solid state battery.

Die 1 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsformen einer Festkörperbatterie 1 mit einer erhöhten ionischen Leitfähigkeit des Festelektrolyten bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen unter 40 °C, beziehungsweise bei Verwendung eines polymeren Festkörperelektrolyten bei Temperaturen unterhalb der Glasübergangstemperatur der Polymer-Elektrolyte. The 1 to 5 show various embodiments of a solid-state battery 1 with an increased ionic conductivity of the solid electrolyte at low temperatures, for example at temperatures below 40 ° C, or when using a polymeric solid electrolyte at temperatures below the glass transition temperature of the polymer electrolytes.

Die in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsformen einer Festkörperbatterie 1 umfassen mindestens eine Festkörperzelle 100, die eine Anode 110, eine Kathode 120 und einen Festelektrolyten 130 aufweist. Die Anode 110, die Kathode 120 und die Festelektrolytschicht 130 sind in einem Stapel angeordnet. Die Festelektrolytschicht 130 ist als ein Separator zwischen der Anode 110 und der Kathode 120 angeordnet. The in the 1 to 5 shown embodiments of a solid state battery 1 comprise at least one solid state cell 100 that is an anode 110 , a cathode 120 and a solid electrolyte 130 having. The anode 110 , the cathode 120 and the solid electrolyte layer 130 are arranged in a stack. The solid electrolyte layer 130 is as a separator between the anode 110 and the cathode 120 arranged.

Eine Anodenableiterschicht 21 ist in dem Stapel elektrisch leitend zur Anodenschicht 110 angeordnet. Der Anodenableiter 21 ist an diejenige Hauptoberfläche der Anodenschicht 110 angrenzend angeordnet, welche von der Festelektrolytschicht 130 und Kathodenschicht 120 abgewendet ist. In dem Stapel ist des Weiteren eine Kathodenableiterschicht 22 in elektrisch leitender Anordnung zur Kathodenschicht 120 vorhanden. Der Kathodenableiter 22 ist an diejenige Hauptoberfläche der Kathodenschicht 120 angrenzend angeordnet, welche von der Festelektrolytschicht 130 und der Anodenschicht 110 abgewendet ist. An anode conductor layer 21 is in the stack electrically conductive to the anode layer 110 arranged. The anode conductor 21 is to the main surface of the anode layer 110 arranged adjacent, which of the solid electrolyte layer 130 and cathode layer 120 is averted. Further, in the stack is a cathode drainage layer 22 in an electrically conductive arrangement to the cathode layer 120 available. The cathode conductor 22 is to the main surface of the cathode layer 120 arranged adjacent, which of the solid electrolyte layer 130 and the anode layer 110 is averted.

Des Weiteren weisen die gezeigten Ausführungsformen der Festkörperbatterie 1 (mindestens) eine erwärmbare Schicht 10 auf, die dazu ausgebildet ist, sich bei einem Stromdurchfluss zu erwärmen. Die erwärmbare Schicht 10 ist dabei thermisch derart an den Stapel angekoppelt, dass die erwärmbare Schicht 10 die bei dem Stromdurchfluss erzeugte Wärme an die Festkörperzelle 100 abgibt, sodass sich die Temperatur des Elektrolyten 130 der Festkörperzelle 100 erhöht. Furthermore, the embodiments shown have the solid-state battery 1 (at least) a heatable layer 10 which is adapted to heat at a current flow. The heatable layer 10 is thermally coupled to the stack such that the heatable layer 10 the heat generated at the current flow to the solid state cell 100 gives off, so that the temperature of the electrolyte 130 the solid-state cell 100 elevated.

Die in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsformen der Festkörperbatterie weisen neben der Festkörperzelle 100 mindestens eine weitere Festkörperzelle 200 mit einer Anode 210, einer Kathode 220 und einer Festelektrolytschicht 230, die zwischen der Anode 210 und der Kathode 220 angeordnet ist, auf. Der Kathodenableiter 22 ist zwischen der Kathode 120 der Festkörperzelle 100 und der Kathode 220 der Festkörperzelle 200 angeordnet. Der Kathodenableiter 22 der Batteriezelle 100 wird somit auch als Kathodenableiter für die Batteriezelle 200 verwendet. Der Anodenableiter 21 der Festkörperzelle 200 ist auf einer dem Festelektrolyt 230 abgewandten Seite der Anode 210 angeordnet. The in the 1 to 5 shown embodiments of the solid state battery have in addition to the solid state cell 100 at least one other solid-state cell 200 with an anode 210 , a cathode 220 and a solid electrolyte layer 230 between the anode 210 and the cathode 220 is arranged on. The cathode conductor 22 is between the cathode 120 the solid-state cell 100 and the cathode 220 the solid-state cell 200 arranged. The cathode conductor 22 the battery cell 100 is thus also used as a cathode conductor for the battery cell 200 used. The anode conductor 21 the solid-state cell 200 is on a the solid electrolyte 230 opposite side of the anode 210 arranged.

Die 1 bis 5 zeigen der Einfachheit halber lediglich die beiden Festkörperzellen 100 und 200, die in dem Stapel angeordnet sind. Die mit einer geschweiften Klammer gekennzeichnete Stapelanordnung aus der Festkörperzelle 100 und der weiteren Festkörperzelle 200 kann jedoch beliebig oft in dem Batteriestapel der Festkörperbatterie 1 vorhanden sein. The 1 to 5 For the sake of simplicity, only the two solid-state cells are shown 100 and 200 which are arranged in the stack. The marked with a brace stack assembly from the solid state cell 100 and the other solid-state cell 200 However, as often as desired in the battery pack of the solid state battery 1 to be available.

1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Festkörperbatterie 1 mit mindestens einer erwärmbaren Schicht 10 zum Erwärmen der Batterie beziehungsweise der Festkörperzelle 100. Die erwärmbare Schicht 10 kann beispielsweise als Anodenableiter 21 der Zelle 100 ausgebildet sein. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform liegt der Anodenableiter 21 auf einer ersten/oberen Seite der Anode 110 und die Festelektrolytschicht 130 liegt auf einer zweiten/unteren Seite der Anode 110, die der ersten Seite gegenüberliegend angeordnet ist. Die erwärmbare Schicht 10 kann auch als Kathodenableiter 22 der Festkörperzelle 100 ausgebildet sein. Wie in 1 gezeigt ist, kann die Festelektrolytschicht 130 auf einer ersten/oberen Seite der Kathode 120 und der Kathodenableiter 22, der als erwärmbare Schicht 10 wirken kann, liegt auf einer zweiten/unteren Seite der Kathode 120, die der ersten Seite der Kathode gegenüberliegend angeordnet ist. 1 shows a first embodiment of a solid-state battery 1 with at least one heatable layer 10 for heating the battery or the solid-state cell 100 , The heatable layer 10 can be used, for example, as an anode conductor 21 the cell 100 be educated. At the in 1 the embodiment shown is the anode conductor 21 on a first / upper side of the anode 110 and the Solid electrolyte layer 130 lies on a second / lower side of the anode 110 which is located opposite the first side. The heatable layer 10 can also be used as a cathode conductor 22 the solid-state cell 100 be educated. As in 1 is shown, the solid electrolyte layer 130 on a first / upper side of the cathode 120 and the cathode conductor 22 that is heatable layer 10 can act on a second / lower side of the cathode 120 which is disposed opposite to the first side of the cathode.

Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform weist der Anodenableiter 21 beziehungsweise der Kathodenableiter 22 einen erhöhten Widerstand auf. Dies bedeutet, dass die erwärmbare Schicht 10 gewissermaßen als ein Verbraucher mit einem erhöhten Widerstand ausgebildet ist, wobei die erwärmbare Schicht/der Verbraucher 10 gleichzeitig der Ableiter der Festkörperzelle ist. Bei einem Stromdurchfluss erwärmen sich der Anodenableiter 21 und/oder der Kathodenableiter 22 und geben die bei dem Stromdurchfluss erzeugte Wärme an die Festkörperbatterie 1 beziehungsweise die Festkörperzelle 100 ab, sodass sich die Temperatur der Festkörperbatterie/Festkörperzelle und insbesondere die Temperatur des Festelektrolyten 130 der Zelle erhöht. At the in 1 embodiment shown, the anode conductor 21 or the cathode conductor 22 an increased resistance. This means that the heatable layer 10 is formed as it were a consumer with an increased resistance, wherein the heatable layer / the consumer 10 at the same time is the arrester of the solid state cell. With a current flow, the anode conductor heats up 21 and / or the cathode conductor 22 and apply the heat generated at the current flow to the solid-state battery 1 or the solid-state cell 100 so that the temperature of the solid state battery / solid state cell and in particular the temperature of the solid electrolyte 130 the cell increases.

Die in 1 gezeigte Ausführungsform einer Festkörperbatterie wird vorteilhaft insbesondere dann eingesetzt, wenn als Elektrolyt klassische Festkörperelektrolyte, beispielsweise ein Elektrolyt welcher ein ionenleitendes, insbesondere Lithium-ionenleitendes, glasartiges oder keramisches Material aufweist, verwendet werden. Die Festelektrolytschicht kann beispielsweise einen Festelektrolyten der Familie der Granate oder Perovskite umfassen. Die Festelektrolytschicht kann auch ein Material abgeleitet von der Struktur von LISICON (Lithium (LI) Super (S) Ionic (I) Conductor (CON)) umfassen. In the 1 shown embodiment of a solid-state battery is advantageously used in particular when the electrolyte is conventional solid electrolytes, for example, an electrolyte which has an ion-conducting, in particular lithium-ion-conducting, vitreous or ceramic material used. The solid electrolyte layer may comprise, for example, a solid electrolyte of the family of garnets or perovskites. The solid electrolyte layer may also comprise a material derived from the structure of LISICON (Lithium (LI) Super (S) Ionic (I) Conductor (CON)).

Für derartige Festkörperbatterien mit klassischen Festkörperelektrolyten ist der Einbau der erwärmbaren Schicht in den Schichtstapel der Batterie eine Herausforderung, da hier die Grenzflächen aufeinander abgestimmt sein müssen und es keine flexiblen Teile innerhalb der Batteriezelle gibt. Diese Schwierigkeit wird gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform dadurch gelöst, indem die Ableiter selbst ganz oder zumindest teilweise als erwärmbare Schichten verwendet werden. For such solid-state batteries with classic solid-state electrolyte, the incorporation of the heatable layer in the layer stack of the battery is a challenge, since here the interfaces must be coordinated and there are no flexible parts within the battery cell. This difficulty is determined according to the in 1 embodiment shown thereby solved by the arresters themselves are used wholly or at least partially as wärärmbare layers.

Wie oben erläutert, kann die mit einer geschweiften Klammer gekennzeichnete Stapelanordnung aus der Festkörperzelle 100 und der weiteren Festkörperzelle 200 beliebig oft in dem Schichtstapel der Festkörperbatterie 1 vorhanden sein. Dabei kann jeder Ableiter als erwärmbare Schicht 10 fungieren beziehungsweise nur jeder x-te Ableiter. As discussed above, the stapled stack assembly can be made from the solid state cell 100 and the other solid-state cell 200 as often as desired in the layer stack of the solid-state battery 1 to be available. Each arrester can be considered a heatable layer 10 act or only every x-th arrester.

Die 2A und 2B zeigen jeweils eine weitere Ausführungsform einer Festkörperbatterie 1 mit der Festkörperzelle 100 und der weiteren Festkörperzelle 200. Bei der in 2A gezeigten Ausführungsform ist die erwärmbare Schicht 10 als Verbraucher direkt am Anodenableiter 21, beispielsweise auf einer der Zelle 100 abgewandten Seite des Anodenableiters 21, angeordnet. Bei der in 2B gezeigten Ausführungsform der Festkörperbatterie ist die erwärmbare Schicht 10 zwischen der Anode 110 und dem Anodenableiter 21 angeordnet. Die erwärmbare Schicht 10 ist dazu ausgebildet, sich bei einem Stromdurchfluss zu erwärmen und die Wärme an die Festkörperbatterie 1/Festkörperzelle 100 und insbesondere an den Festelektrolyt 130 abzugeben, wodurch die ionische Leitfähigkeit des Festelektrolyten insbesondere bei niedriger Umgebungstemperatur erhöht wird. Die erwärmbare Schicht 10 ist als ein Verbraucher mit einem erhöhten Widerstand, der sich bei einem Stromdurchfluss erwärmt, ausgebildet. The 2A and 2 B each show a further embodiment of a solid-state battery 1 with the solid-state cell 100 and the other solid-state cell 200 , At the in 2A The embodiment shown is the heatable layer 10 as a consumer directly at the anode conductor 21 on one of the cells, for example 100 opposite side of the Anodenableiters 21 arranged. At the in 2 B shown embodiment of the solid state battery is the heatable layer 10 between the anode 110 and the anode conductor 21 arranged. The heatable layer 10 is designed to heat up at a current flow and heat to the solid state battery 1 / Solid cell 100 and in particular to the solid electrolyte 130 which increases the ionic conductivity of the solid electrolyte, especially at low ambient temperature. The heatable layer 10 is designed as a consumer with an increased resistance that heats up at a current flow.

Die erwärmbare Schicht 10 ist bei den beiden in den 2A und 2B gezeigten Ausführungsbeispielen direkt am Anodenableiter 21 angeordnet. In den 2A und 2B ist die erwärmbare Schicht 10 jeweils einseitig, das heißt an einer Oberseite beziehungsweise einer Unterseite des Anodenableiters 21 dargestellt. Es sind jedoch auch andere Ausführungsformen möglich, bei denen die erwärmbare Schicht 10 beispielsweise beidseitig zum Anodenableiter 21 oder im Anodenableiter 21 selbst angeordnet ist. The heatable layer 10 is in the two in the 2A and 2 B shown embodiments directly on the anode conductor 21 arranged. In the 2A and 2 B is the heatable layer 10 each one-sided, that is on an upper side or a lower side of the Anodenableiters 21 shown. However, other embodiments are possible in which the heatable layer 10 for example, on both sides to the anode conductor 21 or in the anode conductor 21 arranged itself.

Die 3A und 3B zeigen eine weitere Ausführungsform einer Festkörperbatterie 1 mit einer hohen ionischen Leitfähigkeit des Festelektrolyten 130 der Batteriezelle 100, insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen. Die Festkörperbatterie umfasst die bereits in den 1 und 2A beziehungsweise 2B gezeigte mindestens eine Festkörperzelle 100 und die mindestens eine Festkörperzelle 200. Bei der in den 3A und 3B dargestellten Ausführungsform der Festkörperbatterie ist die erwärmbare Schicht 10 zwischen der Anode 110 und der Festelektrolytschicht 130 der Festkörperzelle 100 angeordnet. Die erwärmbare Schicht 10 stellt einen Verbraucher dar, der sich bei einem Stromdurchfluss erwärmt und die dabei entstehende Wärme an den Festelektrolytseparator 130 abgibt. Die 3A und 3B zeigen unterschiedliche Möglichkeiten einer Verschaltung der erwärmbaren Schicht 10 zum Erwärmen der Schicht 10. Die erwärmbare Schicht 10 kann in Abhängigkeit von der Festelektrolytart der Festelektrolytschicht 130 am beziehungsweise im Festelektrolyten angeordnet sein. Die erwärmbare Schicht kann des Weiteren auch an der dem Festelektrolyten zugewandten Anodenseite der Anode 110 angeordnet sein. The 3A and 3B show a further embodiment of a solid-state battery 1 with a high ionic conductivity of the solid electrolyte 130 the battery cell 100 especially at low ambient temperatures. The solid-state battery includes those already in the 1 and 2A respectively 2 B shown at least one solid state cell 100 and the at least one solid state cell 200 , In the in the 3A and 3B illustrated embodiment of the solid state battery is the heatable layer 10 between the anode 110 and the solid electrolyte layer 130 the solid-state cell 100 arranged. The heatable layer 10 represents a consumer who heats up at a current flow and the resulting heat to the Festelektrolytseparator 130 emits. The 3A and 3B show different possibilities of interconnection of the heatable layer 10 for heating the layer 10 , The heatable layer 10 may depend on the Festelektrolytart the solid electrolyte layer 130 be arranged on or in the solid electrolyte. Furthermore, the heatable layer can also be attached to the anode side of the anode facing the solid electrolyte 110 be arranged.

Die 4A und 4B zeigen eine andere Ausführungsform der Festkörperbatterie 1, wobei auch hier der Einfachheit halber nur die beiden Festkörperzellen 100 und 200 dargestellt sind. Bei der in den 4A und 4B gezeigten Ausführungsform der Festkörperbatterie ist die erwärmbare Schicht 10 zwischen der Kathode 120 und der Festelektrolytschicht 130 angeordnet. Ähnlich wie bei der in den 3A und 3B gezeigten Ausführungsform kann die erwärmbare Schicht 10 in Abhängigkeit von der Art des Festelektrolyten 130 am beziehungsweise im Festelektrolyten selbst angeordnet sein. Die erwärmbare Schicht kann bei einer anderen Ausgestaltungsform an der dem Festelektrolyten zugewandten Kathodenseite der Kathode 120 angeordnet sein. The 4A and 4B show another embodiment of the solid-state battery 1 Here, too, for the sake of simplicity, only the two solid-state cells 100 and 200 are shown. In the in the 4A and 4B shown embodiment of the solid state battery is the heatable layer 10 between the cathode 120 and the solid electrolyte layer 130 arranged. Similar to the one in the 3A and 3B In the embodiment shown, the heatable layer 10 depending on the type of solid electrolyte 130 be arranged on or in the solid electrolyte itself. In another embodiment, the heatable layer may be on the cathode side of the cathode facing the solid electrolyte 120 be arranged.

Bei einem Stromdurchfluss erwärmt sich die erwärmbare Schicht 10 und gibt die dabei entstehende Wärme an die Festkörperbatterie 1 beziehungsweise die Festkörperzelle 100 ab. Dadurch erwärmt sich der Festelektrolyt 130 und behält somit auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen seine Leitfähigkeit bei. In den 4A und 4B sind unterschiedliche Möglichkeiten einer Verschaltung der erwärmbaren Schicht 10 zum Erzeugen eines Stromflusses durch die Schicht 10 dargestellt. At a current flow, the heatable layer is heated 10 and gives the resulting heat to the solid state battery 1 or the solid-state cell 100 from. As a result, the solid electrolyte heats up 130 and thus maintains its conductivity even at low ambient temperatures. In the 4A and 4B are different ways of interconnecting the heatable layer 10 for generating a current flow through the layer 10 shown.

5 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der Festkörperbatterie 1 umfassend die mindestens eine Festkörperzelle 100 und die mindestens eine Festkörperzelle 200. Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform der Festkörperbatterie ist die erwärmbare Schicht 10 zwischen der Kathode 120 und dem Kathodenableiter 22 angeordnet. Die erwärmbare Schicht 10 ist dazu ausgebildet, sich bei einem Stromdurchfluss zu erwärmen und die entstehende Wärme an den Festelektrolyten 130 abzugeben, so dass auch bei der in 5 gezeigten Ausführungsform der Festkörperbatterie die Leitfähigkeit des Festelektrolyten 130 bei niedrigen Temperaturen beibehalten wird. 5 shows another possible embodiment of the solid state battery 1 comprising the at least one solid-state cell 100 and the at least one solid state cell 200 , At the in 5 shown embodiment of the solid state battery is the heatable layer 10 between the cathode 120 and the cathode conductor 22 arranged. The heatable layer 10 is designed to heat at a current flow and the resulting heat to the solid electrolyte 130 so that even at the in 5 shown embodiment of the solid state battery, the conductivity of the solid electrolyte 130 maintained at low temperatures.

Die erwärmbare Schicht, die in 5 nur einseitig an dem Kathodenableiter 22 dargestellt ist, kann gemäß weiterer Ausführungsbeispiele auch beidseitig des Kathodenableiters 22 oder im Kathodenableiter 22 angeordnet sein. The heatable layer used in 5 only on one side of the cathode arrester 22 is shown, according to further embodiments also on both sides of the Kathodenableiters 22 or in the cathode conductor 22 be arranged.

Die Verwendung der in den 2A bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiele einer Festkörperbatterie bieten sich insbesondere dann an, wenn ein polymerer Festelektrolyt verwendet wird und die Festkörperbatterie somit als eine Polymerbatterie ausgebildet ist. Geeignet sind zum Beispiel polyethylenoxid-, polyacrylnitrid- und silikonbasierte Polymerelektrolyte. Da das Polymer eine flexible Einheit ist, ergeben sich die in den 2A bis 5 gezeigten diversen Möglichkeiten der Platzierung der erwärmbaren Schicht 10 innerhalb einer Festkörperzelle. The use of in the 2A to 5 shown embodiments of a solid state battery are particularly useful when a polymeric solid electrolyte is used and the solid state battery is thus formed as a polymer battery. For example, polyethylene oxide, polyacrylonitrile and silicone based polymer electrolytes are suitable. Since the polymer is a flexible unit, resulting in the 2A to 5 shown various possibilities of placement of the heatable layer 10 within a solid state cell.

Sowohl für Polymerbatterien als auch Festkörperbatterien mit klassischen Festkörperelektrolyten besteht außerdem die Möglichkeit, die erwärmbare Schicht 10 zwischen den einzelnen Festkörperzellen anzuordnen. Da die Zellen über eine intrinsisch erhöhte Sicherheit verfügen, können Pouch-Bags verwendet werden, die im Vergleich zu Hard-Case-Zellen eine verbesserte Wärmeübertragung aufweisen können, eine erhöhte spezifische Energie beziehungsweise Energiedichte bereitstellen und zudem einen flexibleren Formfaktor besitzen. For polymer batteries as well as solid state batteries with classic solid state electrolytes it is also possible to use the heatable layer 10 to arrange between the individual solid-state cells. Since the cells have intrinsically increased safety, pouch bags can be used, which can have improved heat transfer compared to hard-case cells, provide increased specific energy or energy density and also have a more flexible form factor.

In den 2A bis 5 sind verschiedene Möglichkeiten der Verschaltung der erwärmbaren Schicht 10 zum Erzeugen eines Stromflusses durch die erwärmbare Schicht 10 dargestellt. Durch eine leifähige Verbindung zwischen dem Anodenableiter 21 und dem Kathodenableiter 22 der Festkörperzelle 100 wird ein Stromfluss durch die erwärmbare Schicht 10 erzeugt, der von der von der Batterie 1 selbst erzeugten Spannung hervorgerufen wird. In den 2A bis 5 ist jeweils strichliert noch eine alternative Stromführung bei der Erwärmungsphase dargestellt, bei der der Strom aus der Zelle durch die erwärmbare Schicht mit dem definierten Widerstand durchgeleitet wird. Zum Erzeugen des Stromflusses ist die erwärmbare Schicht 10 gemäß der in den 2A, 2B, 3A, 4A und 5 gezeigten Ausführungsformen an eine externe Strom-/Spannungsquelle 30 angeschlossen. Die 3B und 4B zeigen eine Verschaltung der erwärmbaren Schicht 10, bei der der Stromdurchfluss durch die Schicht 10 von der Festkörperzelle 100 bereitgestellten Spannung selbst hervorgerufen wird. In the 2A to 5 are different ways of interconnecting the heatable layer 10 for generating a current flow through the heatable layer 10 shown. By a leifähige connection between the anode conductor 21 and the cathode conductor 22 the solid-state cell 100 becomes a current flow through the heatable layer 10 generated by that of the battery 1 self-generated voltage is caused. In the 2A to 5 is shown in broken lines or an alternative current guidance in the heating phase, in which the current from the cell is passed through the heatable layer with the defined resistance. To generate the current flow is the heatable layer 10 according to the in 2A . 2 B . 3A . 4A and 5 shown embodiments of an external power / voltage source 30 connected. The 3B and 4B show an interconnection of the heatable layer 10 in which the flow of current through the layer 10 from the solid state cell 100 provided voltage itself is caused.

6 zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele, wie die einzelnen Festkörperzellen innerhalb des Schichtstapels der Festkörperbatterie 1 miteinander verschaltet werden können. Der Schichtstapel aus der mindestens einen Festkörperzelle 100 und der mindestens einen Festkörperzelle 200 kann wie im linken Bild der 6 gezeigt ist, parallel oder, wie im rechten Bild der 6 gezeigt ist, seriell aufgebaut sein. Bei dem seriellen Aufbau des Schichtstapels der Batterie ist zwischen der Anode 110 der Festkörperzelle 100 und der Kathode 220 der Festkörperzelle 200 eine elektrisch isolierende Trennschicht 40 angeordnet. Die Verwendung einer erwärmbaren Schicht 10 zur Erwärmung der Festkörperbatterie, wie sie in den 1 bis 5 beispielhaft gezeigt ist, ist unabhängig von einem parallelen oder seriellen Aufbau des Schichtstapels der Batterie. 6 shows various embodiments, such as the individual solid state cells within the layer stack of the solid state battery 1 can be interconnected with each other. The layer stack of the at least one solid-state cell 100 and the at least one solid state cell 200 can as in the left picture of the 6 is shown in parallel or, as in the right image of the 6 is shown to be serially constructed. In the serial structure of the layer stack of the battery is between the anode 110 the solid-state cell 100 and the cathode 220 the solid-state cell 200 an electrically insulating separating layer 40 arranged. The use of a heatable layer 10 for heating the solid state battery, as in the 1 to 5 is shown by way of example, is independent of a parallel or serial structure of the layer stack of the battery.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Festkörperbatterie Solid battery
10 10
erwärmbare Schicht heatable layer
21 21
Anodenableiter anode conductor
22 22
Kathodenableiter cathode conductor
30 30
Strom-/Spannungsquelle Current / voltage source
40 40
elektrisch isolierende Trennschicht electrically insulating separating layer
100100
Festkörperzelle  Solid-state cell
110110
Anode der Festkörperzelle 100 Anode of the solid-state cell 100
120120
Kathode der Festkörperzelle 100 Cathode of the solid-state cell 100
130130
Festelektrolyt der Festkörperzelle 100 Solid electrolyte of the solid-state cell 100
200200
Festkörperzelle  Solid-state cell
210210
Anode der Festkörperzelle 200 Anode of the solid-state cell 200
220220
Kathode der Festkörperzelle 200 Cathode of the solid-state cell 200
230230
Festelektrolytschicht der Festkörperzelle 200 Solid electrolyte layer of the solid-state cell 200

Claims (13)

Festkörperbatterie, umfassend: – mindestens eine Festkörperzelle (100), die eine Anode (110), eine Festelektrolytschicht (130), und eine Kathode (120), die in einem Stapel angeordnet sind, aufweist, wobei die Festelektrolytschicht (130) als ein Separator zwischen der Anode (110) und der Kathode (120) angeordnet ist, – eine erwärmbare Schicht (10), die dazu ausgebildet ist, sich bei einem Stromdurchfluss zu erwärmen, – wobei die erwärmbare Schicht (10) derart angeordnet ist, dass die erwärmbare Schicht (10) die bei dem Stromdurchfluss erzeugte Wärme an die mindestens eine Festkörperzelle (100) abgibt, so dass sich die Temperatur des Festelektrolyten (130) erhöht. A solid-state battery, comprising: - at least one solid-state cell ( 100 ), which is an anode ( 110 ), a solid electrolyte layer ( 130 ), and a cathode ( 120 ), which are arranged in a stack, wherein the solid electrolyte layer ( 130 ) as a separator between the anode ( 110 ) and the cathode ( 120 ), - a heatable layer ( 10 ), which is adapted to heat at a current flow, - wherein the heatable layer ( 10 ) is arranged such that the heatable layer ( 10 ) the heat generated at the current flow to the at least one solid state cell ( 100 ), so that the temperature of the solid electrolyte ( 130 ) elevated. Festkörperbatterie nach Anspruch 1, – wobei die erwärmbare Schicht (130) als ein Anodenableiter (21) ausgebildet ist, – wobei der Anodenableiter (21) auf einer ersten Seite der Anode (110) und die Festelektrolytschicht (130) auf einer zweiten der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Anode (110) angeordnet ist. Solid state battery according to claim 1, - wherein the heatable layer ( 130 ) as an anode conductor ( 21 ), - wherein the anode conductor ( 21 ) on a first side of the anode ( 110 ) and the solid electrolyte layer ( 130 ) on a second side of the anode opposite the first side ( 110 ) is arranged. Festkörperbatterie nach Anspruch 1, – wobei die erwärmbare Schicht (10) als ein Kathodenableiter (22) ausgebildet ist, – wobei die Festelektrolytschicht (130) auf einer ersten Seite der Kathode (120) und der Kathodenableiter (22) auf einer zweiten der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Kathode (120) angeordnet ist. Solid state battery according to claim 1, - wherein the heatable layer ( 10 ) as a cathode conductor ( 22 ), - wherein the solid electrolyte layer ( 130 ) on a first side of the cathode ( 120 ) and the cathode conductor ( 22 ) on a second side of the cathode opposite the first side ( 120 ) is arranged. Festkörperbatterie nach Anspruch 1, umfassend: – einen Anodenableiter (21), – wobei der Anodenableiter (21) auf einer ersten Seite der Anode und die Festelektrolytschicht (130) auf einer zweiten der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Anode (110) angeordnet ist, – wobei die erwärmbare Schicht (10) zwischen der Anode (110) und dem Anodenableiter (21) angeordnet ist. A solid-state battery according to claim 1, comprising: - an anode conductor ( 21 ), - wherein the anode conductor ( 21 ) on a first side of the anode and the solid electrolyte layer ( 130 ) on a second side of the anode opposite the first side ( 110 ), wherein the heatable layer ( 10 ) between the anode ( 110 ) and the anode conductor ( 21 ) is arranged. Festkörperbatterie nach Anspruch 1, umfassend: – einen Kathodenableiter (22), – wobei die Festelektrolytschicht (130) auf einer ersten Seite der Kathode (120) und der Kathodenableiter (22) auf einer zweiten der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Kathode (120) angeordnet ist, – wobei die erwärmbare Schicht (10) zwischen der Kathode (120) und dem Kathodenableiter (22) angeordnet ist. Solid state battery according to claim 1, comprising: - a cathode arrester ( 22 ), - wherein the solid electrolyte layer ( 130 ) on a first side of the cathode ( 120 ) and the cathode conductor ( 22 ) on a second side of the cathode opposite the first side ( 120 ), wherein the heatable layer ( 10 ) between the cathode ( 120 ) and the cathode conductor ( 22 ) is arranged. Festkörperbatterie nach Anspruch 1, wobei die erwärmbare Schicht (10) zwischen der Anode (110) und der Festelektrolytschicht (130) angeordnet ist. A solid-state battery according to claim 1, wherein the heatable layer ( 10 ) between the anode ( 110 ) and the solid electrolyte layer ( 130 ) is arranged. Festkörperbatterie nach Anspruch 1, wobei die erwärmbare Schicht (10) zwischen der Kathode (120) und der Festelektrolytschicht (130) angeordnet ist. A solid-state battery according to claim 1, wherein the heatable layer ( 10 ) between the cathode ( 120 ) and the solid electrolyte layer ( 130 ) is arranged. Festkörperbatterie nach Anspruch 1, wobei die erwärmbare Schicht (10) in der Festelektrolytschicht (130) angeordnet ist. A solid-state battery according to claim 1, wherein the heatable layer ( 10 ) in the solid electrolyte layer ( 130 ) is arranged. Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Festelektrolytschicht (130) als ein Polymerelektrolyt ausgebildet ist. Solid state battery according to one of claims 1 to 8, wherein the solid electrolyte layer ( 130 ) is formed as a polymer electrolyte. Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei die erwärmbare Schicht (10) als eine metallische Platte oder als eine Folie mit einer leitfähigen Beschichtung ausgebildet ist. A solid-state battery according to any one of claims 4 to 9, wherein the heatable layer ( 10 ) is formed as a metallic plate or as a foil with a conductive coating. Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die erwärmbare Schicht (10) derart verschaltet ist, dass der Stromfluss durch die erwärmbare Schicht (10) von der von der Batterie (1) erzeugten Spannung hervorgerufen wird. A solid-state battery according to any one of claims 1 to 10, wherein the heatable layer ( 10 ) is connected such that the current flow through the heatable layer ( 10 ) from that of the battery ( 1 ) generated voltage. Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die erwärmbare Schicht (10) an eine externe Strom-/Spannungsquelle (30) zum Erzeugen des Stromflusses durch die erwärmbare Schicht (10) angeschlossen ist. A solid-state battery according to any one of claims 1 to 11, wherein the heatable layer ( 10 ) to an external power source ( 30 ) for generating the current flow through the heatable layer ( 10 ) connected. Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend: – mindestens eine weitere Festkörperzelle (200), die eine Anode (210), eine Festelektrolytschicht (230), und eine Kathode (220), die in einem Stapel angeordnet sind, aufweist, wobei die Festelektrolytschicht (230) als ein Separator zwischen der Anode (210) und der Kathode (220) angeordnet ist, – wobei die mindestens eine Festkörperzelle (100) und die mindestens eine weitere Festkörperzelle (200) derart gestapelt angeordnet sind, dass die Festkörperzelle (100) und die weitere Festkörperzelle (200) parallel oder seriell miteinander verschaltet sind. Solid state battery according to one of claims 1 to 12, comprising: - at least one further solid state cell ( 200 ), which is an anode ( 210 ), a solid electrolyte layer ( 230 ), and a cathode ( 220 ), which are arranged in a stack, wherein the solid electrolyte layer ( 230 ) as a separator between the anode ( 210 ) and the cathode ( 220 ), wherein the at least one solid-state cell ( 100 ) and the at least one further solid-state cell ( 200 ) are stacked such that the solid state cell ( 100 ) and the further solid-state cell ( 200 ) are connected in parallel or in series with each other.
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