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DE102019134633A1 - Cell with optimized performance and energy density - Google Patents

Cell with optimized performance and energy density Download PDF

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DE102019134633A1
DE102019134633A1 DE102019134633.9A DE102019134633A DE102019134633A1 DE 102019134633 A1 DE102019134633 A1 DE 102019134633A1 DE 102019134633 A DE102019134633 A DE 102019134633A DE 102019134633 A1 DE102019134633 A1 DE 102019134633A1
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DE
Germany
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electrode
lithium ion
electrode arrangement
ion cell
ratio
Prior art date
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Pending
Application number
DE102019134633.9A
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German (de)
Inventor
Jens Vetter
Juergen HILDINGER
Azad Darbandi
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

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithiumionenzelle, die mindestens eine erste Elektroden-Anordnung aus Anode, Separator und Kathode, die auf eine hohe Energiedichte hin optimiert ist, mindestens eine zweite Elektroden-Anordnung aus Anode, Separator und Kathode, die auf eine hohe Leistung hin optimiert ist, sowie einen Elektrolyten und ein Gehäuse, in die Elektroden-Anordnungen und der Elektrolyt eingebracht sind, umfasst. Das Verhältnis des Gewichtsanteils der ersten Elektroden-Anordnung zum Gewichtsanteil der zweiten Elektroden-Anordnung beträgt 99/1 bis 1/99.The present invention relates to a lithium ion cell which has at least one first electrode arrangement consisting of anode, separator and cathode, which is optimized for high energy density, and at least one second electrode arrangement consisting of anode, separator and cathode, which is optimized for high performance is, as well as an electrolyte and a housing into which the electrode assemblies and the electrolyte are introduced. The ratio of the weight fraction of the first electrode arrangement to the weight fraction of the second electrode arrangement is 99/1 to 1/99.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sekundärzelle, insbesondere eine Lithiumionenzelle bzw. einen Zellverbund, mit Elektrodenanordnungen unterschiedlicher Leistung und Energiedichte, so dass das Energie/Leistungsverhältnis beliebig eingestellt werden kann.The present invention relates to a secondary cell, in particular a lithium ion cell or a cell composite, with electrode arrangements of different power and energy density, so that the energy / power ratio can be set as desired.

Technischer HintergrundTechnical background

Zur Einführung der Terminologie wird zunächst kurz der technische Hintergrund in Bezug auf Lithiumionenzellen zusammengefasst. Eine Lithiumionenzelle umfasst allgemein zumindest eine negative Elektrode (Anode), eine positive Elektrode (Kathode), einen dazwischenliegenden Separator sowie einen Elektrolyten.To introduce the terminology, the technical background relating to lithium ion cells is first briefly summarized. A lithium ion cell generally comprises at least one negative electrode (anode), one positive electrode (cathode), an intermediate separator and an electrolyte.

Die Elektroden umfassen eine aktive Schicht, die typischerweise ein Aktivmaterial, ein Bindemittel und ggf. auch einen elektrisch leitfähigen Zusatz wie Leitruß umfasst, und auf eine Metallfolie (Stromkollektor) aufgebracht ist.The electrodes comprise an active layer, which typically comprises an active material, a binder and possibly also an electrically conductive additive such as conductive carbon black, and is applied to a metal foil (current collector).

Die Zellen können in Wickel- oder Stapelbauweise hergestellt sein. Bei Wickel-Bauweise wird eine Abfolge aus Separator, Anodenfolie, Separator und Kathodenfolie, wobei Anoden- und Kathodenfolie doppelseitig mit Aktivmaterial beschichtet sind, auf einen runden oder prismatischen Kern aufgewickelt. In der Stapelbauweise werden die Elektroden mit jeweils dazwischenliegendem Separator gestapelt, wobei wiederum unterschiedliche Bauweisen möglich sind, etwa in Form von Singlecells mit einseitig beschichteten Elektroden und dazwischenliegendem Separator, Bicells mit einer doppelseitig beschichteten Elektrode und jeweils eine Abfolge von Separator und Gegenelektrode auf beiden Seiten, oder auch Anordnungen, in der alle Elektroden außer der obersten und der untersten doppelseitig beschichtet sind. Die Wickel oder Stapel sind wiederum in ein Gehäuse eingebracht, wobei Foliengehäuse („Pouch“) oder formstabile Metallgehäuse („Hardcase“) in Betracht kommen.The cells can be produced in a wound or stacked construction. In the winding design, a sequence of separator, anode foil, separator and cathode foil, with anode and cathode foil coated on both sides with active material, is wound onto a round or prismatic core. In the stack design, the electrodes are stacked with a separator in between, whereby again different designs are possible, for example in the form of single cells with electrodes coated on one side and a separator in between, bicells with an electrode coated on both sides and a sequence of separator and counter electrode on both sides, or arrangements in which all electrodes except the top and bottom are coated on both sides. The rolls or stacks are in turn placed in a housing, with foil housings (“pouch”) or dimensionally stable metal housings (“hardcase”) being considered.

Für einen Energiespeicher auf Basis von Lithiumionenzellen können verschiedene Anforderungen bestehen, die teilweise miteinander im Konflikt stehen können. So können im Hinblick auf die Energiedichte eine möglichst hohe Aktivmaterialbeladung und ein möglichst geringer Gewichtsanteil von passiven Bestandteilen, also z.B. möglichst dünne Separatoren und Stromkollektorfolien, wünschenswert sein.There may be various requirements for an energy storage device based on lithium ion cells, some of which may conflict with one another. With regard to the energy density, the highest possible active material loading and the lowest possible weight proportion of passive components, e.g. the thinnest possible separators and current collector foils, can be desirable.

Zur Maximierung der Leistung kann hingegen z.B. ein höherer Anteil an elektrisch leitfähigem Zusatz, eine größere Benetzungsfläche zwischen Elektroden und Elektrolyt und eine Auslegung der Zelle, insbesondere des Separators, für hohe Stromdichten und damit auch höhere Temperaturen von Vorteil sein, was teilweise im Widerspruch zu den Anforderungen für die Energiedichte stehen kann.To maximize the performance, however, a higher proportion of electrically conductive additive, a larger wetting area between electrodes and electrolyte and a design of the cell, in particular the separator, for high current densities and thus also higher temperatures can be advantageous, which in part contradicts the Requirements for the energy density can be.

Ähnliches ergibt sich auch für die Temperaturabhängigkeit der Leistung. Wird speziell eine hohe Leistung bei tiefer Temperatur (z.B. 0°C oder darunter) gefordert, so ist ein Elektrolyt erforderlich, der einen möglichst niedrigen Schmelzpunkt und eine möglichst niedrige Viskosität aufweist, was sich durch ein Elektrolyt-Lösungsmittel mit hohem Mischungsanteil an offenkettigen Kohlensäureestern im Vergleich zu cyclischen Kohlensäureestern wie Ethylencarbonat bewerkstelligen lässt. Jedoch weisen offenkettige Kohlensäureester eine geringe Dielektrizitätskonstante und damit ein niedriges Lösungsvermögen für das Leitsalz auf, so dass die Leistung bei normaler Temperatur (z.B. 20°C und darüber) gegenüber Elektrolyten mit hohem Anteil an cyclischen Carbonaten verschlechtert sein kann.The same applies to the temperature dependence of the power. If, in particular, high performance at low temperatures (e.g. 0 ° C or below) is required, an electrolyte is required that has the lowest possible melting point and the lowest possible viscosity, which is achieved by an electrolyte solvent with a high proportion of open-chain carbonic acid esters in the mixture Can be compared to cyclic carbonic acid esters such as ethylene carbonate. However, open-chain carbonic acid esters have a low dielectric constant and thus a low solubility for the conductive salt, so that the performance at normal temperature (e.g. 20 ° C and above) compared to electrolytes with a high proportion of cyclic carbonates can be impaired.

Zur Erhöhung der (Spitzen-) Leistung eines im Hinblick auf die Energiedichte optimierten Batteriesystems, beispielsweise des Energiespeichersystems (ESS) eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, ist es möglich, einen zusätzlichen sekundären Energiespeicher bereitzustellen, der auf hohe Maximalleistung ausgelegt ist, die gleiche Spannung wie das Haupt-ESS liefert und zu diesem parallel geschaltet ist. Ein Nachteil dieser Bauweise ist jedoch die erhöhte Komplexität, der Platzbedarf und das Gewicht, die ein vollständiges Sekundär-ESS mit sich bringt.To increase the (peak) performance of a battery system optimized in terms of energy density, for example the energy storage system (ESS) of an electrically operated vehicle, it is possible to provide an additional secondary energy storage device that is designed for high maximum performance, the same voltage as that Main ESS supplies and is connected in parallel to it. A disadvantage of this design, however, is the increased complexity, space requirements and weight that a complete secondary ESS entails.

Alternativ kann auch auf Zellebene eine Parallelschaltung verschiedener Zelltypen in Betracht kommen, von denen die einen im Hinblick auf die Energiedichte und die anderen im Hinblick auf die Leistung optimiert sind. Dies hat jedoch den Nachteil, dass aufgrund der typischerweise unterschiedlichen und nicht kompatiblen Zellgeometrie (Hardcase in HEV-PEHV2 bzw. HEV-PHEV1-Format, Kombination mit Pouch-Zellen, etc.) eine mechanische, elektrische und thermische Integration schwierig ist.Alternatively, a parallel connection of different cell types can also be considered at cell level, some of which are optimized with regard to energy density and the other with regard to performance. However, this has the disadvantage that mechanical, electrical and thermal integration is difficult due to the typically different and incompatible cell geometry (hard case in HEV-PEHV2 or HEV-PHEV1 format, combination with pouch cells, etc.).

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

In Anbetracht der obigen Problematik stellt die vorliegende Erfindung eine Lithiumionenzelle bzw. einen Zellverbund mit Elektrodenanordnungen unterschiedlicher Leistungs- und Energiedichte bereit, so dass das Energie/Leistungsverhältnis beliebig eingestellt werden kann.In view of the above problem, the present invention provides a lithium-ion cell or a cell composite with electrode arrangements of different power and energy density, so that the energy / power ratio can be set as desired.

Die Energiedichte (E) und die Leistungsdichte (P) werden im Stand der Technik typischerweise als Energie (Wh) oder maximal entnehmbare Leistung (W) pro Brutto-Gewicht oder Volumen der gesamten Zelle (d.h. einschließlich Gehäuse) spezifiziert. Dabei kann das Gehäuse je nach Zelltyp und Format beispielsweise 1-30% des Gewichts oder 3-40% des Volumens ausmachen. Da erfindungsgemäß Elektrodenanordnungen mit unterschiedlichen Energie- bzw. Leistungsdichten (E bzw. P) kombiniert eingesetzt werden, werden für die nachfolgende Beschreibung zweckmäßigerweise gewichtsbezogene Netto-Energie- bzw. Leistungsdichten verwendet, die sich auf das Gewicht der Elektrodenanordnung alleine beziehen.The energy density (E) and the power density (P) are typically expressed in the state of the art as energy (Wh) or maximum drawable power (W) per gross weight or volume of the entire cell (i.e. including housing) specified. The housing can make up, for example, 1-30% of the weight or 3-40% of the volume, depending on the cell type and format. Since electrode arrangements with different energy or power densities (E or P) are used in combination according to the invention, weight-related net energy or power densities, which relate to the weight of the electrode arrangement alone, are expediently used for the following description.

Zur Charakterisierung der Elektrodenanordnungen wird dabei insbesondere das Verhältnis von Leistungs- zu Energiedichte (P/E-Verhältnis) herangezogen.To characterize the electrode arrangements, in particular the ratio of power to energy density (P / E ratio) is used.

Dementsprechend betrifft die Erfindung eine Lithiumionenzelle, umfassend:

  • - mindestens eine erste Elektroden-Anordnung aus Anode, Separator und Kathode, die eine erste Leistungsdichte P1 und eine erste Energiedichte E1 aufweist, wobei der gewichtsbezogene Anteil der ersten Elektroden-Anordnung an der Gesamtheit der Elektrodenanordnungen in der Zelle G1 beträgt;
  • - mindestens eine zweite Elektroden-Anordnung aus Anode, Separator und Kathode, die eine zweite Leistungsdichte P2 und eine zweite Energiedichte E2 aufweist wobei der gewichtsbezogene Anteil der zweiten Elektroden-Anordnung an der Gesamtheit der Elektrodenanordnungen in der Zelle G2 beträgt;
  • - einen Elektrolyten, der ein nichtwässriges Lösungsmittel und ein Leitsalz umfasst, sowie
  • - ein Gehäuse, in das die Elektroden-Anordnungen und der Elektrolyt eingebracht sind;
dadurch gekennzeichnet, dass das P/E-Verhältnis der ersten Elektroden-Anordnung (P1/E1) kleiner ist als das P/E-Verhältnis der zweiten Elektroden-Anordnung (P2/E2); und dass das Verhältnis der Anteile G1 und G2 99/1 bis 1/99 beträgt.Accordingly, the invention relates to a lithium ion cell comprising:
  • - At least one first electrode arrangement comprising anode, separator and cathode, which has a first power density P 1 and a first energy density E 1 , the weight-related proportion of the first electrode arrangement in the totality of the electrode arrangements in the cell being G 1 ;
  • - At least one second electrode arrangement comprising anode, separator and cathode, which has a second power density P 2 and a second energy density E 2 , the weight-related proportion of the second electrode arrangement in the totality of the electrode arrangements in the cell being G 2 ;
  • - An electrolyte, which comprises a non-aqueous solvent and a conductive salt, and
  • a housing into which the electrode assemblies and the electrolyte are introduced;
characterized in that the P / E ratio of the first electrode arrangement (P 1 / E 1 ) is smaller than the P / E ratio of the second electrode arrangement (P 2 / E 2 ); and that the ratio of the proportions G 1 and G 2 is 99/1 to 1/99.

Die erste Elektrodenanordnung mit dem niedrigeren Verhältnis P1/E1 ist auf eine hohe Energiedichte hin ausgelegt, und die zweite Elektrodenanordnung mit dem größeren Verhältnis P2/E2 auf eine hohe Leistungsdichte. Die Gesamt-Energie- bzw. Leistungsdichte der Zelle ergibt sich als gewichteter Mittelwert als Eges = G1E1 + G2E2 bzw. Pges = G1P1 + G2P2. Somit lässt sich die erfindungsgemäße Zelle durch entsprechende Wahl des P/E-Verhältnisses der ersten und zweiten Elektrodenanordnung und des Gewichtsverhältnisses G1/G2 mit einem stufenlos einstellbaren Gesamt-P/E-Verhältnis herstellen.The first electrode arrangement with the lower ratio P 1 / E 1 is designed for a high energy density, and the second electrode arrangement with the larger ratio P 2 / E 2 is designed for a high power density. The total energy or power density of the cell results as a weighted mean value as Eges = G 1 E 1 + G 2 E 2 or Pges = G 1 P 1 + G 2 P 2. Thus, the cell according to the invention can be selected accordingly of the P / E ratio of the first and second electrode arrangements and the weight ratio G 1 / G 2 with a continuously adjustable total P / E ratio.

Sie kann ohne weiteres in bestehende Batteriesysteme integriert werden, ohne dass zusätzlicher Bauraum benötigt wird, und ohne dass zusätzliche mechanische, elektrische oder thermische Integrationsmaßnahmen auf Modul- oder Speicherebene notwendig werden. Dadurch kann eine erhöhte Leistung bereitgestellt werden, ohne dass auf Modul- oder Speicherebene zusätzliche Kosten anfallen.It can be easily integrated into existing battery systems without requiring additional installation space and without the need for additional mechanical, electrical or thermal integration measures at the module or storage level. This enables increased performance to be provided without incurring additional costs at the module or storage level.

FigurenlisteFigure list

  • 1 zeigt schematisch eine Referenzzelle (links) sowie erfindungsgemäße Zellen, die einen einzelnen Elektrodenstapel mit nach rechts hin abnehmendem Anteil der Stapellagen der ersten Elektrodenanordnung mit niedrigem P/E-Verhältnis und zunehmendem Anteil der Stapellagen der zweiten Elektrodenanordnung mit hohem P/E-Verhältnis umfasst, der in ein Hardcase-Gehäuse eingebracht ist. 1 shows schematically a reference cell (left) as well as cells according to the invention, which comprises a single electrode stack with a proportion of the stacking layers of the first electrode arrangement with a low P / E ratio decreasing towards the right and an increasing proportion of the stacking layers of the second electrode arrangement with a high P / E ratio, which is placed in a hardcase housing.
  • 2 ist eine weitere schematische Darstellung einer Referenzzelle (links) sowie erfindungsgemäßen Zellen mit einem einzelnen Elektrodenstapel in einem Hardcase-Gehäuse, mit einer alternativen Anordnung der Stapellagen. 2 is a further schematic representation of a reference cell (left) and cells according to the invention with a single electrode stack in a hardcase housing, with an alternative arrangement of the stacking layers.
  • 3 zeigt schematisch eine Referenzzelle (links) und erfindungsgemäße Zellen, in denen die Elektrodenanordnungen als Wickel ausgeführt sind, die wiederum in ein Hardcase-Gehäuse eingebracht sind, mit einem von links nach rechts abnehmenden Anteil der ersten Elektrodenanordnungen und zunehmendem Anteil der zweiten Elektrodenanordnungen. 3 shows schematically a reference cell (left) and cells according to the invention, in which the electrode arrangements are designed as coils, which are in turn placed in a hardcase housing, with a proportion of the first electrode arrangements decreasing from left to right and an increasing proportion of the second electrode arrangements.
  • 4 zeigt schematisch eine Referenzzelle (links) und erfindungsgemäße Zellen, in denen ein Stapel aus Stapellagen der ersten Elektrodenanordnung und ein Stapel aus Stapellagen der zweiten Elektrodenanordnung gemeinsam in ein Hardcase-Gehäuse eingebracht sind. 4th shows schematically a reference cell (left) and cells according to the invention, in which a stack of stacked layers of the first electrode arrangement and a stack of stacked layers of the second electrode arrangement are introduced together into a hard case housing.
  • 5 zeigt zwei Möglichkeiten der Kombination der erfindungsgemäßen Zellen mit herkömmlichen Zellen. 5 shows two possibilities of combining the cells according to the invention with conventional cells.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

Auslegung der ElektrodenanordnungenDesign of the electrode arrangements

Allgemein ist die erfindungsgemäße Zelle so konfiguriert, dass die Gesamtheit ihrer Elektrodenanordnungen zumindest einen Anteil G1 von ersten Elektrodenanordnungen umfasst, der auf eine hohe Energiedichte hin optimiert ist, und zumindest einen Anteil G2 von zweiten Elektrodenanordnungen, der auf eine hohe Leistung hin optimiert ist. Die Anteile sind dabei gewichtsbezogen definiert, und die Optimierung im Hinblick auf die Energie- bzw. Leistungsdichte wird anhand des P/E-Verhältnisses charakterisiert.In general, the cell according to the invention is configured in such a way that the entirety of its electrode arrangements comprises at least a portion G 1 of first electrode arrangements which is optimized for high energy density, and at least a portion G 2 of second electrode arrangements which is optimized for high performance . The proportions are defined based on weight, and the optimization with regard to the energy or power density is characterized on the basis of the P / E ratio.

Unter einer Elektroden-Anordnung wird hierbei die Abfolge von Anode, Separator und Kathode verstanden, ohne dass dabei es auf deren genaue Konfiguration (z.B. Wickel, Stapel, einseitig oder beidseitige Beschichtung, etc.) ankommt.In this context, an electrode arrangement is understood to mean the sequence of anode, separator and cathode, without their precise configuration (eg winding, stack, coating on one or both sides, etc.) being important.

Beispielsweise kann ein Teil des Stapels aus Lagen der Elektrodenanordnungen mit hoher Energiedichte bestehen und damit den Anteil G1 bereitstellen, während ein weiterer Teil aus Lagen der Elektrodenanordnungen mit hoher Leistung besteht und so den Anteil G2 bereitstellt. Beim Einsatz von zwei Elektrodenanordnungen mit unterschiedlichem P/E-Verhältnis ergibt sich die Gesamtheit Gges als Summe der Anteile G1 und G2.For example, a part of the stack can consist of layers of the electrode arrangements with high energy density and thus provide the portion G 1 , while a further part consists of layers of the electrode arrangements with high power and thus make the portion G 2 available. When using two electrode arrangements with different P / E ratios, the total G tot is the sum of the proportions G 1 and G 2 .

Erfindungsgemäß können je nach Anforderungsprofil auch mehr als zwei Elektrodenanordnungen mit unterschiedlichen P/E-Verhältnissen verwendet werden; falls beispielsweise im Betrieb unterschiedliche Arten von Lastspitzen erwartet werden, können neben der auf hohe Energiedichte optimierten Elektrodenanordnung zwei oder mehr Elektrodenanordnungen mit unterschiedlicher Leistungsoptimierung zum Einsatz kommen. Üblicherweise sind jedoch Elektrodenanordnungen mit zwei unterschiedlichen P/E-Verhältnissen ausreichend und im Hinblick auf eine Verringerung der Komplexität und Vereinfachung der Fertigung bevorzugt.According to the invention, depending on the requirement profile, more than two electrode arrangements with different P / E ratios can also be used; If, for example, different types of load peaks are expected during operation, two or more electrode arrangements with different power optimization can be used in addition to the electrode arrangement optimized for high energy density. Usually, however, electrode arrangements with two different P / E ratios are sufficient and preferred with a view to reducing the complexity and simplifying production.

Die Wahl der P/E-Verhältnisse für die leistungs- und energieoptimierten Elektrodenanordnungen kann ebenfalls vom Anforderungsprofil abhängen. Für den Einsatz als Hauptenergiespeicher in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug kann die energieoptimierte erste Elektrodenanordnung ein P/E-Verhältnis von beispielsweise 8 oder weniger, vorzugsweise 6 oder weniger, insbesondere 4 oder weniger betragen. Das P/E-Verhältnis der leistungsoptimierten zweiten Elektrodenanordnung kann demensprechend bei mehr als 8, vorzugsweise 10 oder höher, insbesondere 20 oder höher liegen. Beim Einsatz in Kombination mit einer weiteren Energiequelle, etwa in Verbindung mit herkömmlichen Lithiumionenzellen oder in einem hybridelektrisch oder plug-in-hybridelektrischen Fahrzeug, können die P/E-Verhältnisse entsprechend höher sein.The choice of the P / E ratios for the performance and energy-optimized electrode arrangements can also depend on the requirement profile. For use as the main energy store in an electrically operated vehicle, the energy-optimized first electrode arrangement can have a P / E ratio of, for example, 8 or less, preferably 6 or less, in particular 4 or less. The P / E ratio of the power-optimized second electrode arrangement can accordingly be more than 8, preferably 10 or higher, in particular 20 or higher. When used in combination with another energy source, for example in connection with conventional lithium ion cells or in a hybrid electric or plug-in hybrid electric vehicle, the P / E ratios can be correspondingly higher.

Das Verhältnis der Anteile G1 und G2 (G1/G2) hängt ebenfalls vom Einsatzzweck und dem gewünschten Gesamt-P/E-Verhältnis bzw. der Gesamt-Energie- und Leistungsdichte ab, und liegt allgemein zwischen 99/1 und 1/99, vorzugsweise 90/10 bis 10/90, insbesondere 75/25 bis 25/75. Beim Einsatz als Haupt- oder alleiniger Energiespeicher sind höhere Anteile von G1 bevorzugt, das Verhältnis beträgt dann vorzugsweise 99/1 bis 50/50, stärker bevorzugt 90/5 bis 67/33, insbesondere 90/10 bis 75/25. Bei Verwendung in Kombination mit einer weiteren Energiequelle kann hingegen ein verringerter Anteil G1 eingesetzt werden.The ratio of the proportions G 1 and G 2 (G 1 / G 2 ) also depends on the intended use and the desired total P / E ratio or the total energy and power density, and is generally between 99/1 and 1 / 99, preferably 90/10 to 10/90, in particular 75/25 to 25/75. When used as the main or sole energy store, higher proportions of G 1 are preferred; the ratio is then preferably 99/1 to 50/50, more preferably 90/5 to 67/33, in particular 90/10 to 75/25. When used in combination with a further energy source, however, a reduced proportion G 1 can be used.

Aufbau der ZelleStructure of the cell

Erfindungsgemäß sind die ersten bzw. zweiten Elektrodenanordnungen mit hoher Energie- bzw. Leistungsdichte gemeinsam in einem Zellgehäuse untergebracht.According to the invention, the first and second electrode arrangements with a high energy or power density are housed together in a cell housing.

Solche Ausführungsformen sind in 1 gezeigt. Die linke Zelle dient als Referenz und umfasst lediglich einen Stapel aus ersten Elektrodenanordnungen mit hoher Energiedichte, der in ein Hardcase-Gehäuse eingebracht ist. In diesem Fall entspricht G1 der Gesamtheit GGes. Durch Austausch einzelner Stapellagen durch solche mit hoher Leistung, wie in der Figur mitte-links gezeigt, wird der Anteil G1 verringert und der Anteil G2 erhöht. Die Hochleistungsstapellagen der zweiten Elektrodenanordnung können grundsätzlich an einer beliebigen Position des Stapels positioniert sein. In der Figur ist eine mittige Positionierung gewählt. Durch zunehmende Verringerung der Hochenergie-Stapellagen der ersten und Erhöhung der Hochleistungs-Stapellagen der zweiten Elektrodenanordnung kann das Verhältnis von G1 und G2 und damit das Verhältnis von Energiedichte und Leistung stufenlos eingestellt werden. Such embodiments are in 1 shown. The left cell serves as a reference and only comprises a stack of first electrode arrangements with a high energy density, which is placed in a hard case housing. In this case, G 1 corresponds to the totality G Ges . By replacing individual stack layers with those with high performance, as shown in the middle-left in the figure, the proportion G 1 is reduced and the proportion G 2 is increased. The high-performance stack layers of the second electrode arrangement can in principle be positioned at any desired position of the stack. Central positioning is selected in the figure. By increasing the reduction in the high-energy stacking layers of the first and increasing the high-performance stacking layers of the second electrode arrangement, the ratio of G 1 and G 2 and thus the ratio of energy density and power can be set continuously.

Dies ist in den Abbildungen mitte-rechts und rechts dargestellt.This is shown in the middle-right and right-hand figures.

2 zeigt eine alternative Ausführungsform, in der die Hochleistungs-Stapellagen am Rand des Gesamtstapels angebracht sind. 2 shows an alternative embodiment in which the high-performance stack layers are attached to the edge of the overall stack.

Daneben kann die Zelle auch mehrere Stapel oder mehrere Wickel umfassen, die gemeinsam parallelgeschaltet im gleichen Gehäuse untergebracht sind. Dann kann beispielsweise eine gewisse Anzahl der enthaltenen Wickel oder Stapel aus Elektrodenanordnungen mit hoher Energiedichte aufgebaut sein und damit den Anteil G1 bereitstellten, während der Rest aus Elektrodenanordnungen mit hoher Leistung aufgebaut ist und damit den Anteil G1 bereitstellt.In addition, the cell can also comprise several stacks or several coils, which are accommodated in the same housing connected in parallel. Then, for example, a certain number of the wraps or stacks contained can be made up of electrode arrangements with high energy density and thus provide the portion G 1 , while the remainder is made up of electrode arrangements with high power and thus make up the portion G 1 .

3 zeigt ein Beispiel einer Ausführungsform, in der mehrere prismatische Wickel in ein Hardcase-Gehäuse eingebracht sind. In der linken Zelle (Referenzbeispiel) werden lediglich zwei Wickel mit hoher Energiedichte eingesetzt, die die Gesamtheit der Elektrodenanordnungen ausmachen. 3 shows an example of an embodiment in which several prismatic windings are introduced into a hard case housing. In the cell on the left (reference example) only two coils with high energy density are used, which make up the entirety of the electrode arrangements.

In der Zelle mitte-links werden zwei Wickel mit hoher Energiedichte, aber reduzierter Elektrodenfläche eingesetzt, d.h. die Wickel haben die gleiche Höhe und Breite wie in der linken Zelle, doch ist die Anzahl der Windungen und damit die Dicke des Wickels und folglich der Anteil G1 reduziert. Der dadurch gewonnene Platz im Gehäuse wird von einem dritten Wickel mit hoher Leistung eingenommen, der den Anteil G2 bereitstellt.In the middle-left cell, two coils with high energy density but reduced electrode area are used, i.e. the coils have the same height and width as in the left cell, but the number of turns and thus the thickness of the coil and consequently the proportion G is 1 reduced. The space gained in the housing is used by a third Taken with high performance wrap, which provides the portion G 2.

Durch Reduktion der Windungszahl der Hochenergie-Wickel und entsprechende Erhöhung der Windungszahl des Hochleistungs-Wickels, wie in den Abbildungen mitte-rechts und rechts skizziert, lässt sich das Verhältnis von G1 und G2 und damit das Verhältnis von Energiedichte und Leistung stufenlos einstellen.By reducing the number of turns of the high-energy winding and correspondingly increasing the number of turns of the high-performance winding, as sketched in the middle-right and right-hand figures, the ratio of G 1 and G 2 and thus the ratio of energy density and power can be continuously adjusted.

Analoges gilt auch für die Stapelbauweise, wie in 4 gezeigt. Die linke Abbildung skizziert wiederum den Referenzfall, in dem das Hardcase-Gehäuse lediglich einen Stapel mit hoher Energiedichte enthält.The same applies to the stacked construction, as in 4th shown. The figure on the left again outlines the reference case in which the hard case housing only contains a stack with a high energy density.

Die Figur mitte-links zeigt eine Zelle mit einem HochenergieStapel, dessen Anzahl der Lagen (und damit dessen Anteil G1) gegenüber dem Referenzfall reduziert ist. Der freigewonnene Platz wird von einem Hochleistungs-Stapel eingenommen, der den Anteil G2 bereitstellt. Wiederum lässt sich die Anzahl der Lagen im Hochenergiestapel kontinuierlich reduzieren und die Anzahl der Lagen im Hochleistungsstapel kontinuierlich erhöhen, so dass das Verhältnis von G1 und G2 und damit das Verhältnis von Energiedichte und Leistung stufenlos einstellbar ist.The figure in the middle-left shows a cell with a high-energy stack, the number of layers (and thus its proportion G 1 ) is reduced compared to the reference case. The space freed up is taken up by a high-performance stack that provides the G 2 portion. Again, the number of layers in the high-energy stack can be continuously reduced and the number of layers in the high-performance stack can be continuously increased so that the ratio of G 1 and G 2 and thus the ratio of energy density and power can be continuously adjusted.

Konfiguration der ElektrodenanordnungenConfiguration of the electrode arrangements

Die Elektrodenanordnungen umfassen allgemein eine negative Elektrode (Anode), eine positive Elektrode (Kathode) und einen dazwischenliegenden Separator.The electrode assemblies generally include a negative electrode (anode), a positive electrode (cathode) and a separator therebetween.

Die Elektroden umfassen eine aktive Schicht, die typischerweise ein Aktivmaterial, ein Bindemittel wie z.B. PVdF oder Celluloseether und ggf. auch einen elektrisch leitfähigen Zusatz wie Leitruß umfasst, und auf eine Metallfolie (Stromkollektor) ein- oder beidseitig aufgebracht ist.The electrodes comprise an active layer, which typically comprises an active material, a binding agent such as PVdF or cellulose ether and possibly also an electrically conductive additive such as carbon black, and is applied to one or both sides of a metal foil (current collector).

Für die Kathode wird als Stromkollektor vorzugsweise Aluminiumfolie eingesetzt. Das Kathodenaktivmaterial ist nicht speziell beschränkt, und es können übliche, im Stand der Technik bekannte Materialien eingesetzt werden, die in der Lage sind, Lithium zu interkalieren und zu deinterkalieren. Bevorzugte Beispiele umfassen Übergangsmetalloxide mit Schichtstruktur des Typs LiMO2 (M = Co, Ni, Mn) wie LiCoO2 (LCO) , LiNiO2, LiMnO2 oder Mischoxide wie LiNixMnyCozO2 (mit x+y+z=1; NMC) oder LiCo0,85Al0,15O2 (NCA) , Spinelle wie LiMn2O4 (LMO) oder auch im Olivin-Typ kristallisierende Phosphate wie LiFePO4 (LFP) oder LiFe0,15 Mn0,85PO4 (LFMP) . Eine weitere Klasse der Kathodenmaterialien sind Konversionsmaterialien wie z.B. Übergangsmetallfluoride wie FeF3, NiF2, CoFeF3, CuF2, etc., oder Sulfide wie CuS. Die Verwendung einer Mischung von zwei oder mehreren dieser Materialien kommt ebenfalls in Betracht.Aluminum foil is preferably used as the current collector for the cathode. The cathode active material is not particularly limited, and conventional materials known in the art capable of intercalating and deintercalating lithium can be used. Preferred examples include transition metal oxides with a layer structure of the type LiMO 2 (M = Co, Ni, Mn) such as LiCoO 2 (LCO), LiNiO 2 , LiMnO 2 or mixed oxides such as LiNi x Mn y Co z O 2 (with x + y + z = 1; NMC) or LiCo 0.85 Al 0.15 O 2 (NCA), spinels such as LiMn 2 O 4 (LMO) or phosphates that crystallize in the olivine type such as LiFePO 4 (LFP) or LiFe 0.15 Mn 0, 85 PO 4 (LFMP). Another class of cathode materials are conversion materials such as transition metal fluorides such as FeF 3 , NiF 2 , CoFeF 3 , CuF 2 , etc., or sulfides such as CuS. The use of a mixture of two or more of these materials is also possible.

Als Stromkollektor für die Anode wird vorzugsweise Kupferfolie eingesetzt, da Aluminium zur Bildung von Legierungen mit Lithium neigt. Als Anodenaktivmaterial kommen wiederum im Stand der Technik übliche Materialien in Betracht, beispielsweise Interkalationsmaterialien auf Kohlenstoffbasis wie Graphit, Hardcarbon oder Softcarbon, sowie Lithiumtitanat-Materialien, Legierungsbildner wie Silizium, Aluminium oder Magnesium oder auch Verbundmaterialien wie Kohlenstoff/Silicium.Copper foil is preferably used as the current collector for the anode, since aluminum tends to form alloys with lithium. Materials customary in the prior art come into consideration as anode active material, for example carbon-based intercalation materials such as graphite, hard carbon or soft carbon, as well as lithium titanate materials, alloying agents such as silicon, aluminum or magnesium or composite materials such as carbon / silicon.

Der Separator hat die Funktion, einerseits die Elektroden mechanisch und elektrisch zu trennen, und andererseits eine Übertragung von Lithiumionen zwischen den Elektroden zu ermöglichen. Typischerweise wird eine poröse Polyolefinfolie, insbesondere aus Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP), oder ein Vliesmaterial eingesetzt. Der Separator kann als Mehrschicht-Separator mit Shutdown-Funktion ausgeführt sein, insbesondere mit einer Schichtfolge PP/PE/PP, so dass die niedrigschmelzende PE-Lage zwischen den höher schmelzenden PP-Lagen liegt und im Fall eines abnormalen Temperaturanstiegs aufschmelzen und die Poren verschließen kann, um den Lithiumionenfluss zu unterbinden. Optional kann der Separator auch eine keramische Beschichtung aufweisen.The function of the separator is, on the one hand, to separate the electrodes mechanically and electrically, and, on the other hand, to enable the transfer of lithium ions between the electrodes. Typically, a porous polyolefin film, in particular made of polyethylene (PE) or polypropylene (PP), or a nonwoven material is used. The separator can be designed as a multilayer separator with a shutdown function, in particular with a layer sequence PP / PE / PP, so that the low-melting PE layer lies between the higher melting PP layers and, in the event of an abnormal rise in temperature, melts and closes the pores can to prevent the flow of lithium ions. Optionally, the separator can also have a ceramic coating.

Die Auslegung der Elektrodenanordnungen auf hohe Energie- bzw. Leistungsdichte erfolgt auf eine an sich bekannte Weise. The electrode arrangements are designed for high energy or power density in a manner known per se.

So können allgemein die Energie- und Leistungsdichte durch die Zusammensetzung und Konfiguration der Elektroden, insbesondere die Aktivmaterialbelegung bzw. das Verhältnis von Aktivmaterial zu passiven Bestandteilen reguliert werden.In general, the energy and power density can be regulated by the composition and configuration of the electrodes, in particular the active material coverage or the ratio of active material to passive components.

Daneben ist es auch möglich, für die erste und zweite Elektrodenanordnung unterschiedliche Aktivmaterialien oder Aktivmaterialmischungen einzusetzen. So weisen beispielsweise Kathodenaktivmaterialien vom Schichtoxid-Typ wie LCO in Bezug auf die Stöchiometrie einen höheren maximalen Lithiumanteil und damit eine höhere Ladungsdichte auf als solche vom Spinell-Typ wie LMO oder vom Olivin-Typ wie LFP. Dagegen sind bei Aktivmaterialien vom Spinell- oder Olivin-Typ die maximalen Entladeströme üblicherweise höher als bei den Schichtoxiden.In addition, it is also possible to use different active materials or active material mixtures for the first and second electrode arrangements. For example, cathode active materials of the layered oxide type such as LCO have a higher maximum lithium content in relation to the stoichiometry and thus a higher charge density than those of the spinel type such as LMO or of the olivine type such as LFP. In contrast, with active materials of the spinel or olivine type, the maximum discharge currents are usually higher than with the layered oxides.

Folglich kann beispielsweise für die erste Elektrodenanordnung mit hoher Energiedichte ein Schichtoxid wie LCO oder eine Aktivmaterialmischung mit hohem Schichtoxid-Anteil zum Einsatz kommen, und für die zweite Elektrodenanordnung mit hoher Leistungsdichte ein Oxid mit Spinell-Struktur wie LMO oder eine Aktivmaterialmischung mit hohem Spinell-Anteil. Beim Einsatz von mehr als zwei Elektrodenanordnungen mit unterschiedlichen Energiedichten können beispielsweise Mischungen von Schichtoxid- und Spinell-Aktivmaterialien in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen verwendet werden.Consequently, a layer oxide such as LCO or an active material mixture with a high layer oxide content can be used for the first electrode arrangement with high energy density, and an oxide with a spinel structure such as LMO or an active material mixture with a high spinel content can be used for the second electrode arrangement with high power density . When using more than two electrode arrangements with different energy densities, it is possible, for example, to use mixtures of layered oxide and spinel active materials in different mixing ratios.

Da die erste und zweite Elektrodenanordnung parallelgeschaltet werden, sind die Nennspannungen vorzugsweise möglichst gleich. Dies lässt sich einerseits durch Einsatz identischer Aktivmaterialkombinationen erreichen. Beim Einsatz unterschiedlicher Aktivmaterialkombinationen, etwa im Hinblick auf die oben beschriebene Optimierung von Energie- und Leistungsdichte, ist die Differenz der Potentialdifferenzen der ersten und zweiten Elektrodenanordnung vorzugsweise 0,3 V oder kleiner, stärker bevorzugt 0,2 V oder kleiner, insbesondere 0,1 V oder kleiner.Since the first and second electrode arrangements are connected in parallel, the nominal voltages are preferably the same as possible. This can be achieved on the one hand by using identical combinations of active materials. When using different active material combinations, for example with regard to the above-described optimization of energy and power density, the difference between the potential differences of the first and second electrode arrangements is preferably 0.3 V or less, more preferably 0.2 V or less, in particular 0.1 V or smaller.

Verschaltung der ZellenInterconnection of the cells

Die erfindungsgemäßen Zellen können ohne weiteres in bestehende Batteriesysteme integriert werden. Hierzu können die im bestehenden Batteriesystem vorgesehenen Zellen (beispielsweise Zellen, die allein auf hohe Energiedichte hin optimiert sind) vollständig oder teilweise durch erfindungsgemäße Zellen ausgetauscht werden. Auf diese Weise kann das Energie/Leistungsverhältnis des Batteriesystems auf einfache Art je nach Anforderung modifiziert werden, ohne dass die Komplexität auf Modul- oder Speicherebene erhöht wird. Insbesondere sind keine zusätzlichen mechanischen, elektrischen oder thermischen Integrationsmaßnahmen auf Modul- oder Speicherebene nötig.The cells according to the invention can easily be integrated into existing battery systems. For this purpose, the cells provided in the existing battery system (for example cells that are optimized solely for high energy density) can be completely or partially replaced by cells according to the invention. In this way, the energy / power ratio of the battery system can be modified in a simple manner depending on the requirements, without increasing the complexity at the module or storage level. In particular, no additional mechanical, electrical or thermal integration measures are required on the module or storage level.

Als Beispiel für den teilweisen Einsatz der erfindungsgemäßen Zellen kommt eine zellweise Verwendung innerhalb eines Strangs aus seriell verknüpften Zellen in Betracht. Beispielsweise kann jede dritte Zelle durch eine erfindungsgemäße Zelle ersetzt sein, wie in 5 oben gezeigt.An example of the partial use of the cells according to the invention is a cell-by-cell use within a strand of serially linked cells. For example, every third cell can be replaced by a cell according to the invention, as in FIG 5 shown above.

Bei mehreren parallelen Strängen können auch ein oder mehrere Stränge aus erfindungsgemäßen Zellen und die weiteren Stränge aus herkömmlichen Zellen aufgebaut sein. Eine solche Anordnung ist in 5 unten gezeigt.In the case of several parallel strands, one or more strands can also be made up of cells according to the invention and the other strands of conventional cells. Such an arrangement is in 5 shown below.

Claims (10)

Lithiumionenzelle, umfassend: - mindestens eine erste Elektroden-Anordnung aus Anode, Separator und Kathode, die eine erste Leistungsdichte P1 und eine erste Energiedichte E1 aufweist, wobei der gewichtsbezogene Anteil der ersten Elektroden-Anordnung an der Gesamtheit der Elektrodenanordnungen in der Zelle G1 beträgt; - mindestens eine zweite Elektroden-Anordnung aus Anode, Separator und Kathode, die eine zweite Leistungsdichte P2 und eine zweite Energiedichte E2 aufweist wobei der gewichtsbezogene Anteil der zweiten Elektroden-Anordnung an der Gesamtheit der Elektrodenanordnungen in der Zelle G2 beträgt; - einen Elektrolyten, der ein nichtwässriges Lösungsmittel und ein Leitsalz umfasst, sowie - ein Gehäuse, in das die Elektroden-Anordnungen und der Elektrolyt eingebracht sind; dadurch gekennzeichnet, dass das P/E-Verhältnis der ersten Elektroden-Anordnung (P1/E1) kleiner ist als das P/E-Verhältnis der zweiten Elektroden-Anordnung (P2/E2); und dass das Verhältnis der Anteile G1 und G2 99/1 bis 1/99 beträgt.A lithium ion cell comprising: at least one first electrode arrangement comprising anode, separator and cathode, which has a first power density P 1 and a first energy density E 1 , the weight-related proportion of the first electrode arrangement in relation to the totality of the electrode arrangements in the cell G Is 1; - At least one second electrode arrangement comprising anode, separator and cathode, which has a second power density P 2 and a second energy density E 2 , the weight-related proportion of the second electrode arrangement in the totality of the electrode arrangements in the cell being G 2 ; - An electrolyte, which comprises a non-aqueous solvent and a conductive salt, and - a housing into which the electrode arrangements and the electrolyte are introduced; characterized in that the P / E ratio of the first electrode arrangement (P 1 / E 1 ) is smaller than the P / E ratio of the second electrode arrangement (P 2 / E 2 ); and that the ratio of the proportions G 1 and G 2 is 99/1 to 1/99. Lithiumionenzelle gemäß Anspruch 1, worin das Gehäuse ein Hardcase-Gehäuse ist.Lithium ion cell according to Claim 1 wherein the case is a hard case case. Lithiumionenzelle gemäß Anspruch 1 oder 2, worin die Elektroden-Anordnungen jeweils als Wickel konfiguriert sind.Lithium ion cell according to Claim 1 or 2 wherein the electrode assemblies are each configured as a coil. Lithiumionenzelle gemäß Anspruch 1 oder 2, worin die Elektroden-Anordnungen jeweils als einzelne Stapel konfiguriert sind.Lithium ion cell according to Claim 1 or 2 wherein the electrode assemblies are each configured as a single stack. Lithiumionenzelle gemäß Anspruch 1 oder 2, worin die Zelle mindestens einen Stapel umfasst, der wiederum eine oder mehrere Lagen der ersten Elektroden-Anordnung und eine oder mehrere Lagen der zweiten Elektroden-Anordnung umfasst.Lithium ion cell according to Claim 1 or 2 wherein the cell comprises at least one stack, which in turn comprises one or more layers of the first electrode arrangement and one or more layers of the second electrode arrangement. Lithiumionenzelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, worin P1/E1 8 oder weniger, vorzugsweise 4 oder weniger und P2/E2 mehr als 8, vorzugsweise 20 oder mehr beträgt.Lithium ion cell according to at least one of Claims 1 to 5 wherein P 1 / E 1 is 8 or less, preferably 4 or less and P 2 / E 2 is more than 8, preferably 20 or more. Lithiumionenzelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, worin G1/G2 90/5 bis 67/33, vorzugsweise 90/10 bis 75/25 beträgt.Lithium ion cell according to at least one of Claims 1 to 6th wherein G 1 / G 2 is 90/5 to 67/33, preferably 90/10 to 75/25. Batteriemodul, das eine Mehrzahl parallel und/oder seriell geschalteter Lithiumionenzellen umfasst, worin mindestens eine der Zellen eine Lithiumionenzelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 ist.A battery module comprising a plurality of lithium ion cells connected in parallel and / or in series, wherein at least one of the cells is a lithium ion cell according to at least one of the Claims 1 to 7th is. Batteriesystem, das das eine Lithiumionenzelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 oder ein Batteriemodul gemäß Anspruch 8 sowie ein Batteriemanagement-Steuergerät umfasst.Battery system that includes a lithium ion cell according to at least one of Claims 1 to 7th or a battery module according to Claim 8 as well as a battery management control unit. Verwendung des Batteriesystems gemäß Anspruch 9 als Energiespeicher für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, ausgewählt aus einem batterie-elektrisch betriebenen Fahrzeug, einem plug-in-hybridelektrisch betriebenen Fahrzeug und einem hybridelektrisch betriebenen Fahrzeug.Use the battery system in accordance with Claim 9 as energy storage for an electrically powered vehicle, selected from a battery-powered vehicle, a plug-in hybrid electric powered vehicle and a hybrid electric powered vehicle.
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