DE102023110708A1 - energy storage element and battery - Google Patents
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Abstract
Ein sekundäres Energiespeicherelement (100) umfasst als Elektroden eine Kathode (108) und eine Anode (105), die Teile eines Verbundkörpers (104) sind, in dem sie, getrennt durch eine Separator- oder Festelektrolytschicht (116), in der Sequenz Kathode (108) / Separator- oder Festelektrolytschicht (116) / Anode (105) vorliegen. Die Kathode (108) umfasst einen Kathodenstromkollektor (109) und ein positives Elektrodenmaterial (110), die Anode (105) einen Anodenstromkollektor (106) und ein negatives Elektrodenmaterial (107). Der Kathodenstromkollektor (109) weist einen Hauptbereich, der beidseitig mit einer Schicht aus dem positiven Elektrodenmaterial (110) beladen ist, sowie einen freien Randstreifen (109b), der sich entlang eines Rands des Kathodenstromkollektors (109) erstreckt und der nicht mit dem positiven Elektrodenmaterial (110) beladen ist, auf. Alternativ oder gleichzeitig weist der Anodenstromkollektor (106) einen Hauptbereich, der beidseitig mit einer Schicht aus dem negativen Elektrodenmaterial (107) beladen ist, sowie einen freien Randstreifen (106b), der sich entlang eines Rands des Anodenstromkollektors (106) erstreckt und der nicht mit dem negativen Elektrodenmaterial (107) beladen ist, auf. Die Kathode (108) und die Anode (105) sind derart ausgebildet und/oder innerhalb des Verbundkörpers (104) derart zueinander angeordnet, dass der freie Randstreifen (109b) des Kathodenstromkollektors (109) aus einer Seite (104b) des Verbundkörpers (104) und/oder der freie Randstreifen (106b) des Anodenstromkollektors (106) aus einer anderen Seite (104a) des Verbundkörpers (104) austritt. Das Energiespeicherelement umfasst ein erstes Kontaktmetallblech (112), das mit einem der freien Randstreifen (106b) in unmittelbarem Kontakt steht, und/oder ein zweites Kontaktmetallblech (109a), das mit dem anderen der freien Randstreifen (109b) in unmittelbarem Kontakt steht. Die Elektroden (105, 108) umfassen hierbei mindestens einen lonentyp aus der Gruppe mit Natriumionen, Kaliumionen, Calciumionen, Magnesiumionen und Aluminiumionen, welche beim Laden und Entladen des sekundären Energiespeicherelements (100) zwischen der Kathode (108) und der Anode (105) ausgetauscht werden.A secondary energy storage element (100) comprises a cathode (108) and an anode (105) as electrodes, which are parts of a composite body (104) in which they are separated by a separator or solid electrolyte layer (116) in the sequence cathode (108) / separator or solid electrolyte layer (116) / anode (105). The cathode (108) comprises a cathode current collector (109) and a positive electrode material (110), the anode (105) comprises an anode current collector (106) and a negative electrode material (107). The cathode current collector (109) has a main region which is loaded on both sides with a layer of the positive electrode material (110), as well as a free edge strip (109b) which extends along an edge of the cathode current collector (109) and which is not loaded with the positive electrode material (110). Alternatively or simultaneously, the anode current collector (106) has a main region which is loaded on both sides with a layer of the negative electrode material (107), as well as a free edge strip (106b) which extends along an edge of the anode current collector (106) and which is not loaded with the negative electrode material (107). The cathode (108) and the anode (105) are designed and/or arranged relative to one another within the composite body (104) in such a way that the free edge strip (109b) of the cathode current collector (109) emerges from one side (104b) of the composite body (104) and/or the free edge strip (106b) of the anode current collector (106) emerges from another side (104a) of the composite body (104). The energy storage element comprises a first contact metal sheet (112) which is in direct contact with one of the free edge strips (106b) and/or a second contact metal sheet (109a) which is in direct contact with the other of the free edge strips (109b). The electrodes (105, 108) comprise at least one ion type from the group consisting of sodium ions, potassium ions, calcium ions, magnesium ions and aluminum ions, which are exchanged between the cathode (108) and the anode (105) during charging and discharging of the secondary energy storage element (100).
Description
Die Erfindung betrifft ein Energiespeicherelement, das sich zur Bereitstellung sehr hoher Ströme eignet, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Energiespeicherelements.The invention relates to an energy storage element which is suitable for providing very high currents, as well as a method for producing such an energy storage element.
Anwendungsgebiet und Stand der Technikfield of application and state of the art
Elektrochemische Energiespeicherelemente sind dazu in der Lage, gespeicherte chemische Energie durch eine Redoxreaktion in elektrische Energie umzuwandeln. Eine der einfachsten Formen eines elektrochemischen Energiespeicherelements ist die elektrochemische Zelle. Sie umfasst eine positive und eine negative Elektrode, die beispielsweise von einem Separator voneinander getrennt sind. Bei einer Entladung werden an der negativen Elektrode durch einen Oxidationsprozess Elektronen freigesetzt. Hieraus resultiert ein Elektronenstrom, der von einem externen elektrischen Verbraucher abgegriffen werden kann, für den die elektrochemische Zelle als Energielieferant dient. Zugleich kommt es zu einem der Elektrodenreaktion entsprechenden Ionenstrom innerhalb der Zelle. Dieser Ionenstrom durchquert den Separator und wird meist durch einen ionenleitenden Elektrolyten ermöglicht.Electrochemical energy storage elements are able to convert stored chemical energy into electrical energy through a redox reaction. One of the simplest forms of an electrochemical energy storage element is the electrochemical cell. It comprises a positive and a negative electrode, which are separated from each other by a separator, for example. During a discharge, electrons are released at the negative electrode through an oxidation process. This results in an electron current that can be tapped by an external electrical consumer for which the electrochemical cell serves as an energy supplier. At the same time, an ion current corresponding to the electrode reaction occurs within the cell. This ion current passes through the separator and is usually made possible by an ion-conducting electrolyte.
Wenn die Entladung reversibel ist, also die Möglichkeit besteht, die bei der Entladung erfolgte Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie wieder umzukehren und die Zelle wieder zu laden, spricht man von einer sekundären Zelle. Die bei sekundären Zellen allgemein übliche Bezeichnung der negativen Elektrode als Anode und die Bezeichnung der positiven Elektrode als Kathode bezieht sich auf die Entladefunktion der elektrochemischen Zelle.If the discharge is reversible, i.e. if it is possible to reverse the conversion of chemical energy into electrical energy during the discharge and recharge the cell, then the cell is called a secondary cell. The common designation of the negative electrode as anode and the designation of the positive electrode as cathode in secondary cells refers to the discharge function of the electrochemical cell.
Für viele Anwendungen werden als Energiespeicherelemente heute sekundäre Lithium-Ionen-Zellen eingesetzt, da diese hohe Ströme bereitstellen können und sich durch eine vergleichsweise hohe Energiedichte auszeichnen. Sie basieren auf dem Einsatz von Lithium, welches in Form von Ionen zwischen den Elektroden der Zelle hin und her wandern kann. Die negative Elektrode und die positive Elektrode einer Lithium-Ionen-Zelle werden in der Regel von sogenannten Kompositelektroden gebildet, die neben elektrochemisch aktiven Komponenten auch elektrochemisch inaktive Komponenten umfassen.Secondary lithium-ion cells are now used as energy storage elements for many applications, as they can provide high currents and are characterized by a comparatively high energy density. They are based on the use of lithium, which can migrate back and forth between the cell's electrodes in the form of ions. The negative electrode and the positive electrode of a lithium-ion cell are usually formed by so-called composite electrodes, which include electrochemically active components as well as electrochemically inactive components.
Als elektrochemisch aktive Komponenten (Aktivmaterialien) für sekundäre Lithium-Ionen-Zellen kommen prinzipiell sämtliche Materialien in Frage, die Lithium-Ionen aufnehmen und wieder abgeben können. Für die negative Elektrode werden hierfür beispielsweise Partikel auf Kohlenstoffbasis, wie beispielsweise graphitischer Kohlenstoff, eingesetzt. Als Aktivmaterialien für die positive Elektrode können beispielsweise Lithiumcobaltoxid (LiCoO2), Lithiummanganoxid (LiMn2O4), Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) oder Derivate hiervon eingesetzt werden. Die elektrochemisch aktiven Materialien sind in der Regel in Partikelform in den Elektroden enthalten.In principle, all materials that can absorb and release lithium ions can be used as electrochemically active components (active materials) for secondary lithium-ion cells. For example, carbon-based particles such as graphitic carbon are used for the negative electrode. Lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ), lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) or derivatives thereof can be used as active materials for the positive electrode. The electrochemically active materials are usually contained in the electrodes in particle form.
Als elektrochemisch inaktive Komponenten umfassen die Kompositelektroden im Allgemeinen einen flächigen und/oder bandförmigen Stromkollektor, beispielsweise eine metallische Folie, der als Träger für das jeweilige Aktivmaterial dient. Der Stromkollektor für die negative Elektrode (Anodenstromkollektor) kann beispielsweise aus Kupfer oder Nickel und der Stromkollektor für die positive Elektrode (Kathodenstromkollektor) beispielsweise aus Aluminium gebildet sein. Weiterhin können die Elektroden als elektrochemisch inaktive Komponenten einen Elektrodenbinder (z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder ein anderes Polymer, beispielsweise Carboxymethylzellulose), leitfähigkeitsverbessernde Additive und andere Zusätze umfassen. Der Elektrodenbinder gewährleistet die mechanische Stabilität der Elektroden und häufig auch die Haftung des Aktivmaterials auf den Stromkollektoren.As electrochemically inactive components, the composite electrodes generally comprise a flat and/or strip-shaped current collector, for example a metallic foil, which serves as a carrier for the respective active material. The current collector for the negative electrode (anode current collector) can be made of copper or nickel, for example, and the current collector for the positive electrode (cathode current collector) can be made of aluminum, for example. Furthermore, the electrodes can comprise an electrode binder (e.g. polyvinylidene fluoride (PVDF) or another polymer, for example carboxymethyl cellulose), conductivity-improving additives and other additives as electrochemically inactive components. The electrode binder ensures the mechanical stability of the electrodes and often also the adhesion of the active material to the current collectors.
Als Elektrolyten umfassen Lithium-Ionen-Zellen in der Regel Lösungen von Lithiumsalzen wie Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in organischen Lösungsmitteln (z. B. Ether und Ester der Kohlensäure).Lithium-ion cells typically contain electrolytes consisting of solutions of lithium salts such as lithium hexafluorophosphate (LiPF6) in organic solvents (e.g. ethers and esters of carbonic acid).
Die Kompositelektroden werden bei der Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle mit einem oder mehreren Separatoren zu einem Verbundkörper kombiniert. Hierbei werden die Elektroden und Separatoren meist unter Druck, gegebenenfalls auch durch Lamination oder durch Verklebung, miteinander kombiniert. Die grundsätzliche Funktionsfähigkeit der Zelle kann dann durch Tränkung des Verbunds mit dem Elektrolyten hergestellt werden.When manufacturing a lithium-ion cell, the composite electrodes are combined with one or more separators to form a composite body. The electrodes and separators are usually combined under pressure, possibly also by lamination or by gluing. The basic functionality of the cell can then be achieved by impregnating the composite with the electrolyte.
In vielen Ausführungsformen wird der Verbundkörper in Form eines Wickels gebildet oder zu einem Wickel verarbeitet. Alternativ kann es sich bei dem Verbundkörper auch um einen Stapel aus Elektroden handeln.In many embodiments, the composite body is formed in the form of a coil or processed into a coil. Alternatively, the composite body can also be a stack of electrodes.
Analog zu Lithium-Ionen-Zellen lassen sich auch Natrium-Ionen-Zellen, welche das Alkalimetall Natrium in Form von Na-Ionen verwenden, Kalium-Ionen-Zellen, welche das Alkalimetall Kalium in Form von Kaliumionen verwenden, Calcium-Ionen-Zellen, welche das Erdalkalimetall Calcium in Form von Calciumionen verwenden, Magnesium-Ionen-Zellen, welche das Erdalkalimetall Magnesium in Form von Magnesiumionen verwenden und Aluminium-Ionen-Zellen, welche das Aluminium in Form von Aluminiumionen verwenden, herstellen. Der Aufbau der Kompositelektroden und deren Weiterverarbeitung kann für Zellen mit diesen alternativen Zellchemien grundsätzlich 1:1 übernommen werden, wobei auf die jeweilige Zellchemie abgestimmte Stromkollektormaterialien, Elektrodenmaterialien, Elektrolyte und Separatoren zum Einsatz kommen.Analogous to lithium-ion cells, sodium-ion cells, which use the alkali metal sodium in the form of Na ions, potassium-ion cells, which use the alkali metal potassium in the form of potassium ions, calcium-ion cells, which use the alkaline earth metal calcium in the form of calcium ions, magnesium-ion cells, which use the alkaline earth metal magnesium in the form of magnesium ions, and aluminum-ion cells, which use aluminum in the form of aluminum ions, can also be produced. The structure of the composite electrodes and their further processing can basically be adopted 1:1 for cells with these alternative cell chemistries, whereby current collector materials, electrode materials, electrolytes and separators tailored to the respective cell chemistry are used.
Insbesondere Natrium-Ionen-Zellen haben in der Zwischenzeit Praxistauglichkeit erreicht. Im Vergleich zur Lithium-Ionen-Technik wird die Herstellung von Natrium-Ionen-Zellen nicht durch knappe Ressourcen begrenzt. Sie weisen allerdings im Mittel eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Zellen auf.Sodium-ion cells in particular have now become practical. In comparison to lithium-ion technology, the production of sodium-ion cells is not limited by scarce resources. However, on average they have a lower energy density than lithium-ion cells.
Aufgrund ihrer hohen Energiedichte sind Lithium-Ionen-Zellen vor allem als Energiequelle für Elektromotoren im Automobilbereich aber auch für E-Bikes oder andere Anwendungen mit hohem Energiebedarf, z.B. für Elektrowerkzeuge, geeignet. Dafür werden Lithium-Ionen-Zellen benötigt, die dafür optimiert sind, mit hohen Strömen beim Laden und Entladen belastet zu werden.Due to their high energy density, lithium-ion cells are particularly suitable as an energy source for electric motors in the automotive sector, but also for e-bikes or other applications with high energy requirements, e.g. power tools. This requires lithium-ion cells that are optimized to be loaded with high currents during charging and discharging.
Klassisch werden die Elektroden insbesondere von gewickelten Verbundkörpern über Metallstreifen (Tabs) kontaktiert, die durch Verschweißung mit den Stromkollektoren verbunden sind und stirnseitig aus den gewickelten Verbundkörpern herausragen, wie dies beispielsweise in den
Aus der
Ähnliche Zellkonstruktionen finden sich in der
Als Starterbatterien für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren sowie für einige andere spezielle Anwendungsfälle haben sich Lithium-Ionen-Zellen am Markt bislang nicht durchsetzen können. Für diese Anwendungen kommen nach wie vor meist Bleiakkumulatoren zum Einsatz, bei denen die Elektroden aus Blei bzw. Bleidioxid und der Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure bestehen. Bleiakkumulatoren können kurzzeitig starke Ströme liefern und sind auch bei tiefen Temperaturen performant. Darüber hinaus sind sie vergleichsweise kostengünstig zu produzieren.Lithium-ion cells have not yet been able to establish themselves on the market as starter batteries for vehicles with combustion engines and for some other special applications. Lead batteries are still mostly used for these applications, with the electrodes made of lead or lead dioxide and the electrolyte made of diluted sulfuric acid. Lead batteries can deliver strong currents for short periods of time and are also efficient at low temperatures. In addition, they are comparatively inexpensive to produce.
Aus Umweltschutzgründen wäre ein Ersatz allerdings dringend geboten, da Blei ausgesprochen giftig ist. Obgleich für Batterien in vielen Ländern ein effizientes Pfandsystem existiert, ist die Freisetzung von Blei beim Bleierzabbau und der folgenden Aufbereitung sowie auch beim Bleirecycling teilweise nur schwer zu vermeiden.For environmental reasons, however, a replacement is urgently needed, as lead is extremely toxic. Although an efficient deposit system for batteries exists in many countries, the release of lead during lead ore mining and subsequent processing, as well as during lead recycling, is sometimes difficult to avoid.
Aufgabe und Lösungtask and solution
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, Energiespeicherelemente bereitzustellen, die in ihrer Performance bei tiefen Temperaturen Bleiakkumulatoren nicht nachstehen, dabei aber günstiger sind als Lithium-Ionen-Zellen und hohe Ströme beim Laden aufnehmen und beim Entladen abgeben können.The object of the present invention was to provide energy storage elements which are not inferior to lead-acid batteries in their performance at low temperatures, but are cheaper than lithium-ion cells and can absorb high currents when charging and release them when discharging.
Diese Aufgabe wird durch das Energiespeicherelement mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Auch die Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 13 trägt zur Lösung der Aufgabe bei. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.This object is achieved by the energy storage element with the features of
Erfindungsgemäßes EnergiespeicherelementEnergy storage element according to the invention
Das erfindungsgemäße Energiespeicherelement weist stets die unmittelbar folgenden Merkmale a. bis g. auf:
- a. Es umfasst als Elektroden eine Kathode und eine Anode, die Teile eines Verbundkörpers sind, in dem sie, getrennt durch eine Separator- oder Festelektrolytschicht, in der Sequenz Kathode / Separator- oder Festelektrolytschicht / Anode vorliegen,
- b. die Kathode umfasst einen Kathodenstromkollektor und ein positives Elektrodenmaterial,
- c. die Anode umfasst einen Anodenstromkollektor und ein negatives Elektrodenmaterial,
- d. der Kathodenstromkollektor weist
- - einen Hauptbereich, der beidseitig mit einer Schicht aus dem positiven Elektrodenmaterial beladen ist, sowie
- - einen freien Randstreifen, der sich entlang eines Rands des Kathodenstromkollektors erstreckt und der nicht mit dem positiven Elektrodenmaterial beladen ist, auf, und/oder der Anodenstromkollektor weist
- - einen Hauptbereich, der beidseitig mit einer Schicht aus dem negativen Elektrodenmaterial beladen ist, sowie
- - einen freien Randstreifen, der sich entlang eines Rands des Anodenstromkollektors erstreckt und der nicht mit dem negativen Elektrodenmaterial beladen ist, auf,
- e. die Kathode und die Anode sind derart ausgebildet und/oder innerhalb des Verbundkörpers derart zueinander angeordnet, dass der freie Randstreifen des Kathodenstromkollektors aus einer Seite des Verbundkörpers und/oder der freie Randstreifen des Anodenstromkollektors aus einer anderen Seite des Verbundkörpers austritt, und
- f. das Energiespeicherelement umfasst ein erstes Kontaktmetallblech, das mit einem der freien Randstreifen in unmittelbarem Kontakt steht, und/oder ein zweites Kontaktmetallblech, das mit dem anderen der freien Randstreifen in unmittelbarem Kontakt steht, wobei
- g. die Elektroden mindestens einen lonentyp aus der Gruppe mit Natriumionen, Kaliumionen, Calciumionen, Magnesiumionen und Aluminiumionen umfassen, welche beim Laden und Entladen des sekundären Energiespeicherelements zwischen der Kathode und der Anode ausgetauscht werden.
- a. It comprises as electrodes a cathode and an anode, which are parts of a composite body in which they are separated by a separator or solid electrolyte layer in the sequence cathode / separator or solid electrolyte layer / anode,
- b. the cathode comprises a cathode current collector and a positive electrode material,
- c. the anode comprises an anode current collector and a negative electrode material,
- d. the cathode current collector has
- - a main area which is loaded on both sides with a layer of the positive electrode material, and
- - a free edge strip extending along an edge of the cathode current collector and which is not loaded with the positive electrode material, and/or the anode current collector has
- - a main area which is loaded on both sides with a layer of the negative electrode material, and
- - a free edge strip extending along an edge of the anode current collector and which is not loaded with the negative electrode material,
- e. the cathode and the anode are designed and/or arranged relative to one another within the composite body such that the free edge strip of the cathode current collector emerges from one side of the composite body and/or the free edge strip of the anode current collector emerges from another side of the composite body, and
- f. the energy storage element comprises a first contact metal sheet which is in direct contact with one of the free edge strips and/or a second contact metal sheet which is in direct contact with the other of the free edge strips, wherein
- g. the electrodes comprise at least one ion type from the group consisting of sodium ions, potassium ions, calcium ions, magnesium ions and aluminium ions, which are exchanged between the cathode and the anode during charging and discharging of the secondary energy storage element.
Bei dem erfindungsgemäßen Energiespeicherelement handelt es sich also in seiner einfachsten Ausführungsform um eine Natrium-Ionen-Zelle, eine Kalium-Ionen-Zelle, eine Calcium-Ionen-Zelle, eine Magnesium-Ionen-Zelle oder eine Aluminium-Ionen-Zelle. Unter diesen Varianten sind Energiespeicherelemente mit Natrium-Ionen-Zellchemie erfindungsgemäß besonders bevorzugt.In its simplest embodiment, the energy storage element according to the invention is a sodium ion cell, a potassium ion cell, a calcium ion cell, a magnesium ion cell or an aluminum ion cell. Among these variants, energy storage elements with sodium ion cell chemistry are particularly preferred according to the invention.
Beim Auftreten sehr hoher Ströme und/oder tiefen Temperaturen ist es essentiell, jegliche elektrische, thermische und ionische Gradienten in allen elektrochemisch aktiven Komponenten einer Zelle zu minimieren. Die Vermeidung von ohm'schen Verlusten spielt eine entscheidende Rolle. Möglichst niedrige Gradienten über den gesamten Verbundkörper inklusive des Elektrolytraums sind entscheidend für Lebensdauer und Stromtragfähigkeit.When very high currents and/or low temperatures occur, it is essential to minimize any electrical, thermal and ionic gradients in all electrochemically active components of a cell. Avoiding ohmic losses plays a crucial role. Gradients that are as low as possible across the entire composite body, including the electrolyte space, are crucial for service life and current carrying capacity.
Das erste und/oder das zweite Kontaktmetallblech gewährleistet eine homogene elektrische und thermische Anbindung der Elektroden des Verbundkörpers, im Falle eines gewickelten Verbundkörpers über ihre gesamte Länge, und führt damit zu einer Leistungsverbesserung sowie einer Erhöhung der Lebensdauer. Das Kontaktmetallblech ermöglicht den Verzicht auf Tabs zur Elektrodenkontaktierung. Entsprechend treten innerhalb von gewickelten Verbundköpern auch keine mechanischen Störungen auf, die bei thermomechanischer Beanspruchung zu Problemen führen können.The first and/or the second contact metal sheet ensures a homogeneous electrical and thermal connection of the electrodes of the composite body, in the case of a wound composite body over their entire length, and thus leads to an improvement in performance and an increase in service life. The contact metal sheet makes it possible to dispense with tabs for electrode contact. Accordingly, no mechanical disturbances occur within wound composite bodies that could lead to problems under thermomechanical stress.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass die Konstruktion des erfindungsgemäßen Energiespeicherelements insbesondere für das Na-Ionen-System (aber auch für die anderen Post-Lithium-Systeme wie die erwähnten Systeme auf Basis von Natrium-Ionen, Kalium-lonen, Calcium-Ionen, Magnesium-Ionen und Aluminium-Ionen eine besonders effiziente Anbindung der Elektroden ermöglicht. Hochleistungsfähige Na-Ionen Materialien können so mit einer Rate von bis zu 100 C geladen und entladen werden. Darüber hinaus können insbesondere Natrium-Ionen-Systeme auch resistent gegen Tiefentladungen gebaut werden.Surprisingly, it has been found that the design of the energy storage element according to the invention enables a particularly efficient connection of the electrodes, particularly for the Na-ion system (but also for the other post-lithium systems such as the systems mentioned based on sodium ions, potassium ions, calcium ions, magnesium ions and aluminum ions). High-performance Na-ion materials can thus be charged and discharged at a rate of up to 100 C. In addition, sodium-ion systems in particular can also be built to be resistant to deep discharges.
Energiespeicherelement mit gewickeltem VerbundkörperEnergy storage element with wound composite body
Der Verbundkörper des erfindungsgemäßen Energiespeicherelements kann als Wickel ausgebildet sein oder als Stapel aus Elektroden. Bei der gewickelten Variante weist es die unmittelbar folgenden Merkmale a. bis e. auf:
- a. Die Elektroden und die Stromkollektoren sowie die Schichten aus den Elektrodenmaterialien sind bandförmig ausgebildet,
- b. Es umfasst mindestens einen bandförmigen Separator oder mindestens eine bandförmige Festelektrolytschicht,
- c. der Verbundkörper liegt in Form eines Wickels vor, in dem die Elektroden und der mindestens eine Separator um eine Wickelachse herum aufgewickelt vorliegen, wobei der Verbundkörper eine erste und eine zweite endständige Stirnseite und einen Wickelmantel umfasst und der freie Randstreifen des Kathodenstromkollektors aus der ersten Stirnseite und/oder der freie Randstreifen des Anodenstromkollektors aus der zweiten Stirnseite austritt,
- d. Es umfasst ein Gehäuse, insbesondere ein Metallgehäuse, umfassend einen Gehäusemantel oder Seitenwände und an den Stirnseiten einen Boden und einen Deckel, und
- e. In dem Gehäuse ist der als Wickel ausgebildete Verbundkörper derart ausgerichtet, so dass der Wickelmantel an der Innenseite des Gehäusemantels oder den Seitenwänden anliegt.
- a. The electrodes and the current collectors as well as the layers of the electrode materials are band-shaped,
- b. It comprises at least one band-shaped separator or at least one band-shaped solid electrolyte layer,
- c. the composite body is in the form of a coil in which the electrodes and the at least one separator are wound around a winding axis, wherein the composite body comprises a first and a second terminal end face and a winding jacket and the free edge strip of the cathode current collector emerges from the first end face and/or the free edge strip of the anode current collector emerges from the second end face,
- d. It comprises a housing, in particular a metal housing, comprising a housing shell or side walls and a base and a cover on the front sides, and
- e. In the housing, the composite body designed as a winding is aligned such that the winding jacket rests on the inside of the housing jacket or the side walls.
Der bandförmige Separator bildet in dem Verbundkörper die Separatorschicht aus.The band-shaped separator forms the separator layer in the composite body.
Der Verbundkörper umfasst in dieser Ausführungsform bevorzugt einen bandförmigen Separator oder zwei bandförmige Separatoren, der oder die jeweils einen ersten und einen zweiten Längsrand sowie zwei Endstücke aufweisen.In this embodiment, the composite body preferably comprises a band-shaped separator or two band-shaped separators, each having a first and a second longitudinal edge and two end pieces.
Besonders bevorzugt sind der Wickel und das Gehäuse zylindrisch ausgebildet. Das Gehäuse weist dann bevorzugt einen umlaufenden Gehäusemantel sowie einen kreisförmigen Boden und Deckel auf. In dem zylindrischen Gehäuse ist der als zylindrischer Wickel ausgebildete Verbundkörper bevorzugt axial ausgerichtet.The winding and the housing are particularly preferably cylindrical. The housing then preferably has a circumferential housing shell and a circular base and cover. In the cylindrical housing, the composite body designed as a cylindrical winding is preferably axially aligned.
Vorzugsweise liegen die Elektroden und der mindestens eine Separator spiralförmig um die Wickelachse herum aufgewickelt vor.Preferably, the electrodes and the at least one separator are wound spirally around the winding axis.
Symmetrische und asymmetrische WickelkontaktierungSymmetrical and asymmetrical winding contact
Der Verbundkörper in Form des Wickels kann sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch kontaktiert werden.The composite body in the form of the winding can be contacted both symmetrically and asymmetrically.
Unter symmetrischer Kontaktierung ist zu verstehen, dass
- - die Kathode und die Anode des Energiespeicherelement derart ausgebildet und/oder innerhalb des Verbundkörpers derart zueinander angeordnet sind, dass der freie Randstreifen des Kathodenstromkollektors aus einer der Stirnseiten des Verbundkörpers und der freie Randstreifen des Anodenstromkollektors aus der anderen der Stirnseiten des Verbundkörpers austritt, und
- - das Energiespeicherelement ein erstes Kontaktmetallblech, das mit einem der freien Randstreifen in unmittelbarem Kontakt steht, und ein zweites Kontaktmetallblech, das mit dem anderen der freien Randstreifen in unmittelbarem Kontakt steht, umfasst.
- - the cathode and the anode of the energy storage element are designed and/or arranged relative to one another within the composite body in such a way that the free edge strip of the cathode current collector emerges from one of the end faces of the composite body and the free edge strip of the anode current collector emerges from the other of the end faces of the composite body, and
- - the energy storage element comprises a first contact metal sheet which is in direct contact with one of the free edge strips and a second contact metal sheet which is in direct contact with the other of the free edge strips.
Beide Elektroden werden somit an den beiden Stirnseiten des Wickels über Kontaktmetallbleche kontaktiert.Both electrodes are thus contacted via contact metal sheets on the two end faces of the winding.
Unter asymmetrischer Kontaktierung ist zu verstehen, dass
- - die Kathode und die Anode des Energiespeicherelement derart ausgebildet und/oder innerhalb des Verbundkörpers derart zueinander angeordnet sind, dass entweder nur der freie Randstreifen des Kathodenstromkollektors oder nur der freie Randstreifen des Anodenstromkollektors aus einer der Stirnseiten des Verbundkörpers austritt, und
- - das Energiespeicherelement nur ein Kontaktmetallblech umfasst, das mit dem aus dem Verbundkörper austretenden freien Randstreifen des Kathodenstromkollektors oder des Anodenstromkollektors in unmittelbarem Kontakt steht.
- - the cathode and the anode of the energy storage element are designed and/or arranged relative to one another within the composite body in such a way that either only the free edge strip of the cathode current collector or only the free edge strip of the anode current collector emerges from one of the end faces of the composite body, and
- - the energy storage element comprises only one contact metal sheet which is in direct contact with the free edge strip of the cathode current collector or the anode current collector emerging from the composite body.
In dieser Ausführungsform wird somit nur eine der Elektroden an einer der beiden Stirnseiten des Verbundkörpers über ein Kontaktmetallblech kontaktiert. An den Stromkollektor der anderen Elektrode ist bevorzugt mindestens ein metallischer Ableiterstreifen (Tab) fixiert, der aus der anderen der endständigen Stirnseiten des Verbundkörpers austritt.In this embodiment, only one of the electrodes is contacted via a contact metal sheet on one of the two end faces of the composite body. At least one metallic conductor strip (tab) is preferably fixed to the current collector of the other electrode, which emerges from the other of the terminal end faces of the composite body.
Im Falle einer asymmetrischen Kontaktierung zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus:
- a. Der mindestens eine metallische Ableiterstreifen ist durch Verschweißung mit dem Deckel oder einem durch den Deckel geführten metallischen Pol verbunden, während der aus einer der Stirnseiten austretende freie Randstreifen an den Boden oder an ein unmittelbar auf dem Boden des Gehäuses aufsitzendes Metallblech geschweißt ist (Variante A), oder
- b. der mindestens eine metallische Ableiterstreifen ist an den Boden geschweißt, während der aus einer der Stirnseiten austretende freie Randstreifen durch Verschweißung mit dem Deckel oder einem durch den Deckel geführten Pol verbunden ist (Variante B). oder
- c. der mindestens eine metallische Ableiterstreifen ist an den Boden geschweißt, während der aus einer der Stirnseiten austretende freie Randstreifen durch Verschweißung mit einem durch den Deckel geführten Pol oder einem auf dem freien Randstreifen aufsitzenden Metallblech, das elektrisch an den Deckel oder den Pol gekoppelt ist, verbunden ist (Variante C).
- a. The at least one metallic conductor strip is connected by welding to the cover or to a metallic pole passing through the cover, while the free edge strip emerging from one of the end faces is welded to the base or to a metal sheet sitting directly on the base of the housing (variant A), or
- b. the at least one metallic conductor strip is welded to the base, while the free edge strip emerging from one of the end faces is connected by welding to the cover or to a pole passing through the cover (variant B). or
- c. the at least one metallic conductor strip is welded to the base, while the free edge strip emerging from one of the end faces is connected by welding to a pole passed through the cover or to a metal sheet resting on the free edge strip which is electrically coupled to the cover or the pole (variant C).
Bei Variante B fungiert der Boden des Gehäuses als Kontaktmetallblech, was besonders vorteilhaft sein kann, da bei dieser Ausführungsform eine optimale Entwärmung der über den freien Randstreifen angekoppelten Elektrode erfolgen kann.In variant B, the bottom of the housing acts as a contact metal sheet, which can be particularly advantageous since this embodiment allows optimal heat dissipation of the electrode coupled via the free edge strip.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn der Anodenstromkollektor gemäß Variante B unmittelbar mit dem Boden verbunden ist während der Kathodenstromkollektor über den Tab angebunden ist. Der Einsatz des Ableiterstreifens auf der zum Deckel zugewandten Stirnseite des Wickels bei gleichzeitiger Anbindung der Anode über den im Idealfall gesamten Längsrand ihres Stromkollektors kann volumetrische Vorteile bieten, die insbesondere bei energieoptimierten Zellen zum Tragen kommen. Gleichzeitig resultieren positive Effekte aus der hervorragenden Anbindung der Anode und damit eine verbesserte Leistung und Lebensdauer der erfindungsgemäßen Zelle. Insbesondere für eine verbesserte Schnellladefähigkeit ist möglichst homogene elektrische und thermische Anbindung der Anode von Vorteil. Gezielt zu erwähnen ist in diesem Zusammenhang, dass Natrium-Ionen-Elektrolyte im Vergleich zu Lithium-Pendants grundsätzlich höhere Leitfähigkeiten ausweisen und daher Vorteile in Bezug auf dicke bzw. hoch beladene Elektroden, Schnellladen (> 2 C) und Performance bei tiefen Temperaturen (< 0 °C) zum Tragen kommen.It is particularly advantageous if the anode current collector is connected directly to the base according to variant B, while the cathode current collector is connected via the tab. The use of the conductor strip on the front side of the winding facing the cover, while simultaneously connecting the anode over the ideally entire longitudinal edge of its current collector, can offer volumetric advantages that are particularly evident in energy-optimized cells. At the same time, positive effects result from the excellent connection of the anode and thus improved performance and service life of the cell according to the invention. The most homogeneous electrical and thermal connection of the anode is particularly advantageous for improved fast charging capability. It should be specifically mentioned in this context that sodium-ion electrolytes generally have higher conductivities than lithium counterparts and therefore have advantages in terms of thick or highly loaded electrodes, fast charging (> 2 C) and performance at low temperatures (< 0 °C).
Bevorzugte Weiterbildungen des Energiespeicherelements mit gewickeltem VerbundkörperPreferred developments of the energy storage element with wound composite body
Bei Energiespeicherelementen mit gewickeltem Verbundkörper liegen das oder die Kontaktmetallbleche bevorzugt flach auf der oder den beiden Stirnseiten auf, bevorzugt derart, dass der oder die freien Randstreifen über ihre gesamte Länge mit den Kontaktmetallblechen in Kontakt stehen. In der Praxis ist dies allerdings oftmals nicht erreichbar.In the case of energy storage elements with a wound composite body, the contact metal sheet(s) preferably lie flat on the end face(s), preferably in such a way that the free edge(s) strips are in contact with the contact metal sheets over their entire length. In practice, however, this is often not achievable.
Besonders bevorzugt zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement mit gewickeltem Verbundkörper durch das unmittelbar folgende Merkmal a. aus:
- a. Das Metallgehäuse umfasst ein becherförmiges, zylindrisch ausgebildetes Gehäuseteil mit einer endständigen, bevorzugt kreisförmige Öffnung und einen Deckel, der die endständige Öffnung des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils verschließt.
- a. The metal housing comprises a cup-shaped, cylindrical housing part with a terminal, preferably circular opening and a cover which closes the terminal opening of the cup-shaped housing part.
Bei dem Deckel handelt es sich in vielen bevorzugten Ausführungsformen um ein Deckelbauteil aus mehreren Komponenten. Beispielsweise kann der Deckel eine Berstmembran umfassen und/oder mit einer CID-Funktion (CID = Current Interrupt Device) ausgestattet sein.In many preferred embodiments, the lid is a lid component made up of several components. For example, the lid can comprise a bursting membrane and/or be equipped with a CID function (CID = Current Interrupt Device).
Bevorzugt weist der Deckel einen kreisförmigen Umfang auf und ist derart in der kreisförmigen Öffnung des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils angeordnet, dass der Rand entlang einer umlaufenden Kontaktzone an der Innenseite des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils anliegt, wobei der Rand des Deckels mit dem becherförmig ausgebildeten Gehäuseteil über eine umlaufende Schweißnaht verbunden ist. In diesem Fall weisen die beiden Gehäuseteile bevorzugt die gleiche Polarität auf, sind also elektrisch entweder mit einer positiven oder einer negativen Elektrode gekoppelt. Das Gehäuse umfasst in diesem Fall noch eine Poldurchführung, die zur elektrischen Kontaktierung der nicht elektrisch mit dem Gehäuse verbundenen Elektrode dient.The cover preferably has a circular circumference and is arranged in the circular opening of the cup-shaped housing part in such a way that the edge rests against the inside of the cup-shaped housing part along a circumferential contact zone, with the edge of the cover being connected to the cup-shaped housing part via a circumferential weld seam. In this case, the two housing parts preferably have the same polarity, i.e. are electrically coupled to either a positive or a negative electrode. In this case, the housing also comprises a pole feedthrough, which serves to electrically contact the electrode that is not electrically connected to the housing.
In einer alternativen Ausführungsform ist auf den Rand des Deckels eine elektrisch isolierende Dichtung aufgezogen, die den Deckel von dem becherförmigen Gehäuseteil elektrisch trennt. In diesem Fall ist das Gehäuse meist durch einen Crimp-Verschluss abgedichtet.In an alternative embodiment, an electrically insulating seal is applied to the edge of the lid, which electrically separates the lid from the cup-shaped housing part. In this case, the housing is usually sealed by a crimp closure.
Bevorzugt liegt die Höhe als zylindrische Rundzelle ausgebildeter Energiespeicherelemente im Bereich von 50 mm bis 150 mm. Der Durchmesser der zylindrischen Rundzellen liegt bevorzugt im Bereich von 15 mm bis 100 mm.The height of energy storage elements designed as cylindrical round cells is preferably in the range from 50 mm to 150 mm. The diameter of the cylindrical round cells is preferably in the range from 15 mm to 100 mm.
Der Anodenstromkollektor, der Kathodenstromkollektor und der Separator oder die Separatoren bzw. die Festelektrolytschicht weisen in Ausführungsformen, bei denen das erfindungsgemäße Energiespeicherelement eine zylindrische Rundzelle ist, bevorzugt die folgenden Dimensionen auf:
- - Eine Länge im Bereich von 0,3 m bis 25 m
- - Eine Breite im Bereich 30 mm bis 145 mm
- - A length in the range of 0.3 m to 25 m
- - A width in the range 30 mm to 145 mm
Die Kontaktmetallbleche weisen in dieser Ausführungsform bevorzugt eine kreisförmige Grundform auf.In this embodiment, the contact metal sheets preferably have a circular basic shape.
Prismatische AusführungsformPrismatic design
In der prismatischen Ausführungsform zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch die unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c., besonders bevorzugt durch die unmittelbar folgenden Merkmale a. bis d., aus:
- a. Der Verbundkörper liegt in Form eines prismatischen Stapels vor, in dem die Kathode und die Anode gemeinsam mit weiteren Kathoden und Anoden gestapelt vorliegen.
- b. Die Elektroden und die Stromkollektoren sowie die Schichten aus den Elektrodenmaterialien sind polygonal, insbesondere rechteckig, ausgebildet.
- c. Es umfasst mindestens einen bandförmigen oder polygonalen, insbesondere rechteckigen, Separator oder mindestens einen bandförmigen oder polygonalen, insbesondere rechteckigen, Festelektrolyten,
- d. Der Stapel ist von einem prismatischen Gehäuse umschlossen.
- a. The composite body is in the form of a prismatic stack in which the cathode and the anode are stacked together with other cathodes and anodes.
- b. The electrodes and the current collectors as well as the layers of the electrode materials are polygonal, in particular rectangular.
- c. It comprises at least one band-shaped or polygonal, in particular rectangular, separator or at least one band-shaped or polygonal, in particular rectangular, solid electrolyte,
- d. The stack is enclosed in a prismatic housing.
In dem Stapel sind benachbarte entgegengesetzt gepolte Elektroden stets voneinander durch eine Separator- oder Festelektrolytschicht getrennt.In the stack, adjacent oppositely polarized electrodes are always separated from each other by a separator or solid electrolyte layer.
Das prismatische Gehäuse setzt sich bevorzugt aus einem becherförmigen Gehäuseteil mit einer endständigen Öffnung und einem Deckel zusammen. Der Boden des becherförmigen Gehäuseteils und der Deckel weisen in dieser Ausführungsform bevorzugt eine polygonale, besonders bevorzugt eine rechteckige Grundfläche, auf. Die Form der endständigen Öffnung des becherförmigen Gehäuseteils entspricht der Form des Bodens und des Deckels. Darüber hinaus umfasst das Gehäuse mehrere, bevorzugt vier, rechteckige Seitenteile, die den Boden und den Deckel miteinander verbinden.The prismatic housing preferably consists of a cup-shaped housing part with an opening at the end and a cover. The bottom of the cup-shaped housing part and the In this embodiment, lids preferably have a polygonal, particularly preferably a rectangular base. The shape of the terminal opening of the cup-shaped housing part corresponds to the shape of the base and the lid. In addition, the housing comprises several, preferably four, rectangular side parts that connect the base and the lid to one another.
Prismatisch geformte Zellen lassen sich alternativ auch also sogenannte Pouch-Zellen bauen. An Stelle der metallischen Gehäuseteile werden Verbundfolien verwendet, die über einen Tiefziehprozess in die entsprechende Form gebracht werden. Die Stromableiter werden über die Bereiche nach außengeführt, in denen die Verbundfolien thermisch verschweißt/versiegelt werden.Prismatic shaped cells can also be built as so-called pouch cells. Instead of the metal housing parts, composite films are used, which are formed into the appropriate shape using a deep-drawing process. The current conductors are led outwards via the areas in which the composite films are thermally welded/sealed.
Die Separatorschichten können von mehreren Separatoren gebildet werden, die jeweils zwischen benachbarten Elektroden angeordnet sind. Es ist aber auch möglich, dass ein bandförmiger Separator die Elektroden des Stapels voneinander separiert. Im Falle mehrerer Separatoren zwischen den Anoden und Kathoden weisen die Separatoren bevorzugt ebenfalls eine polygonale, insbesondere rechteckige, Grundfläche auf.The separator layers can be formed by several separators, each of which is arranged between adjacent electrodes. However, it is also possible for a band-shaped separator to separate the electrodes of the stack from one another. In the case of several separators between the anodes and cathodes, the separators preferably also have a polygonal, in particular rectangular, base area.
Die Kontaktmetallbleche weisen in dieser Ausführungsform bevorzugt eine rechteckige Grundform auf.In this embodiment, the contact metal sheets preferably have a rectangular basic shape.
In einigen bevorzugten Varianten der prismatischen Ausführungsform zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b. aus:
- a. Die freien Randstreifen der Kathodenstromkollektoren der Kathoden des Stapels treten aus einer Seite des Stapels aus und stehen mit dem ersten Kontaktmetallblech in unmittelbarem Kontakt.
- b. Die freien Randstreifen der Anodenstromkollektoren der Anoden des Stapels treten aus einer anderen Seite des Stapels aus und stehen mit dem zweiten Kontaktmetallblech in unmittelbarem Kontakt.
- a. The free edge strips of the cathode current collectors of the cathodes of the stack emerge from one side of the stack and are in direct contact with the first contact metal sheet.
- b. The free edge strips of the anode current collectors of the anodes of the stack emerge from another side of the stack and are in direct contact with the second contact metal sheet.
Bevorzugt sind die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. in Kombination miteinander realisiert.Preferably, the immediately preceding features a. and b. are implemented in combination with one another.
In weiteren bevorzugten Varianten der prismatischen Ausführungsform zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b. aus:
- a. Die freien Randstreifen der Kathodenstromkollektoren sind parallel zueinander angeordnet.
- b. Die freien Randstreifen der Anodenstromkollektoren sind parallel zueinander angeordnet.
- a. The free edge strips of the cathode current collectors are arranged parallel to each other.
- b. The free edge strips of the anode current collectors are arranged parallel to each other.
Bevorzugt sind die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. in Kombination miteinander realisiert.Preferably, the immediately preceding features a. and b. are implemented in combination with one another.
Bevorzugte elektrochemische Ausführungsform und ElektrolytPreferred electrochemical embodiment and electrolyte
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch eines der folgenden Merkmale aus:
- a. Das Energiespeicherelement ist eine Natrium-Ionen-Zelle.
- b. Das Energiespeicherelement umfasst eine Natrium-Ionen-Zelle.
- c. Das Energiespeicherelement umfasst einen der folgenden Elektrolyten:
- - NaClO4 gelöst in mindestens einem organischen Lösungsmittel, insbesondere in PC oder in einer Carbonatmischung aus der Gruppe mit EC/DEC/FEC und PC/FEC. Die Konzentration des NaClO4 im Elektrolyten beträgt bevorzugt 0,3 - 5 M, besonders bevorzugt 0,7 M - 1,7 M. Bei einer Mischung EC/DEC/FEC sind die drei Komponenten bevorzugt in einem Volumenverhältnis im Bereich von 1:2 bis 2:1, insbesondere von 1 : 1 : 0.5, im Elektrolyten enthalten. Im Falle einer Mischung umfassend EC/DEC sind die Komponenten bevorzugt in einem Volumenverhältnis im Bereich von 1:2 bis 2:1 im Elektrolyten enthalten.
- - NaPF6 und/oder NaTFSI (Natrium-bis(trifluoromethansulfonyl)imid) gelöst in mindestens einem organischen Lösungsmittel, insbesondere in PC oder in einer Carbonatmischung aus der Gruppe mit EC/DEC/FEC, EC/PC, EC/DEC, FEC/EMC und PC/FEC oder in einer Ethermischung wie THF/mTHF. Die Konzentration des NaPF6 und/oder des NaTFSI im Elektrolyten beträgt bevorzugt 0,3 - 5 M, besonders bevorzugt 0,7 M - 1,7 M. Bei einer Mischung EC/PC sind die zwei Komponenten bevorzugt in einem Volumenverhältnis im Bereich von 1:2 bis 2:1 im Elektrolyten enthalten. Bei einer Mischung EC/DEC sind die zwei Komponenten bevorzugt in einem Volumenverhältnis im Bereich von 1:2 bis 2:1 im Elektrolyten enthalten. Bei einer Mischung FEC/EMC sind die zwei Komponenten bevorzugt in einem Volumenverhältnis im Bereich von 1:2 bis 2:1, insbesondere in einem Verhältnis von 3:7, im Elektrolyten enthalten. Gegebenenfalls ist im Elektrolyten ein Zusatz von bis zu 10 % FEC enthalten.
- - NaFSI und/oder NaTFSI und/oder NaTDI gelöst in mindestens einem organischen Lösungsmittel, insbesondere in 1,4-Dioxan (DX) und/
oder 1,3-Dioxolan (DOL) und/oder Dimethylether (DME). Die Konzentration des NaFSI und/oder des NaTFSI und/oder des NaTDI im Elektrolyten beträgt bevorzugt 0,3 - 5 M, besonders bevorzugt 0,7 M - 1,7 M. - - NaFSI und/oder NaTFSI und/oder NaTDI gelöst in mindestens einem organischen Lösungsmittel, insbesondere in Dimethylcarbonat (DX) und/oder Tris(2,2,2-trifluoroethyl)phosphat (TFP). Die Konzentration des des NaFSI und/oder des NaTFSI und/oder des NaTDI im Elektrolyten beträgt bevorzugt 0,5 - 2,5 M, besonders bevorzugt 1 M - 2 M. Bei einer Mischung EC/PC sind die Komponenten bevorzugt in einem Volumenverhältnis im Bereich von 1:2 bis 2:1 im Elektrolyten enthalten. Besonders bevorzugt sind die flüssigen Komponenten bevorzugt in einem Volumenverhältnis im Bereich von 1:2 bis 2:1 im Elektrolyten enthalten.
- - NaN(SO2F)2 gelöst in mindestens einem organischen Lösungsmittel, insbesondere in 1,4-Dioxan (DX) und/
oder 1,3-Dioxolan (DOL) und/oder Dimethylether (DME). Die Konzentration des NaN(SO2F)2 im Elektrolyten beträgt bevorzugt 0,3 - 5 M, besonders bevorzugt 0,7 M - 1,7 M. Bei einer Mischung DX/DOL sind die Komponenten bevorzugt in einem Volumenverhältnis im Bereich von 1:2 bis 2:1 im Elektrolyten enthalten. - - NaBF4 gelöst in mindestens einem organischen Lösungsmittel, insbesondere in Tetraethylenglykoldimethylether (TEGDME) und/oder in ACN und/oder in PC und/oder GBL. Die Konzentration des NaBF4 im Elektrolyten beträgt bevorzugt 0,3 - 5 M, besonders bevorzugt 0,7 M - 1,7 M. Ein Elektrolyt mit NaBF4 in TEGDME eignet sich insbesondere für Zellen mit Na-Metallanode (siehe unten).
- a. The energy storage element is a sodium ion cell.
- b. The energy storage element comprises a sodium ion cell.
- c. The energy storage element comprises one of the following electrolytes:
- - NaClO 4 dissolved in at least one organic solvent, in particular in PC or in a carbonate mixture from the group with EC/DEC/FEC and PC/FEC. The concentration of NaClO 4 in the electrolyte is preferably 0.3 - 5 M, particularly preferably 0.7 M - 1.7 M. In an EC/DEC/FEC mixture, the three components are preferably contained in the electrolyte in a volume ratio in the range from 1:2 to 2:1, in particular 1:1:0.5. In the case of a mixture comprising EC/DEC, the components are preferably contained in the electrolyte in a volume ratio in the range from 1:2 to 2:1.
- - NaPF 6 and/or NaTFSI (sodium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) dissolved in at least one organic solvent, in particular in PC or in a carbonate mixture from the group consisting of EC/DEC/FEC, EC/PC, EC/DEC, FEC/EMC and PC/FEC or in an ether mixture such as THF/mTHF. The concentration of NaPF 6 and/or NaTFSI in the electrolyte is preferably 0.3 - 5 M, particularly preferably 0.7 M - 1.7 M. In an EC/PC mixture, the two components are preferably contained in the electrolyte in a volume ratio in the range of 1:2 to 2:1. In an EC/DEC mixture, the two components are preferably contained in the electrolyte in a volume ratio in the range of 1:2 to 2:1. In an FEC/EMC mixture, the two components are preferably contained in the electrolyte in a volume ratio in the range of 1:2 to 2:1, in particular in a ratio of 3:7. If appropriate, the electrolyte contains an addition of up to 10% FEC.
- - NaFSI and/or NaTFSI and/or NaTDI dissolved in at least one organic solvent, in particular in 1,4-dioxane (DX) and/or 1,3-dioxolane (DOL) and/or dimethyl ether (DME). The concentration of the NaFSI and/or the NaTFSI and/or the NaTDI in the electrolyte is preferably 0.3 - 5 M, particularly preferably 0.7 M - 1.7 M.
- - NaFSI and/or NaTFSI and/or NaTDI dissolved in at least one organic solvent, in particular in dimethyl carbonate (DX) and/or tris(2,2,2-trifluoroethyl)phosphate (TFP). The concentration of the NaFSI and/or the NaTFSI and/or the NaTDI in the electrolyte is preferably 0.5 - 2.5 M, particularly preferably 1 M - 2 M. In an EC/PC mixture, the components are preferably contained in the electrolyte in a volume ratio in the range of 1:2 to 2:1. The liquid components are particularly preferably contained in the electrolyte in a volume ratio in the range of 1:2 to 2:1.
- - NaN(SO 2 F) 2 dissolved in at least one organic solvent, in particular in 1,4-dioxane (DX) and/or 1,3-dioxolane (DOL) and/or dimethyl ether (DME). The concentration of NaN(SO 2 F) 2 in the electrolyte is preferably 0.3 - 5 M, particularly preferably 0.7 M - 1.7 M. In a DX/DOL mixture, the components are preferably contained in the electrolyte in a volume ratio in the range from 1:2 to 2:1.
- - NaBF 4 dissolved in at least one organic solvent, in particular in tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) and/or in ACN and/or in PC and/or GBL. The concentration of NaBF 4 in the electrolyte is preferably 0.3 - 5 M, particularly preferably 0.7 M - 1.7 M. An electrolyte with NaBF 4 in TEGDME is particularly suitable for cells with a Na metal anode (see below).
Besonders bevorzugt sind die Merkmale a. und c. sowie b. und c. in Kombination miteinander verwirklicht.Particularly preferably, features a. and c. as well as b. and c. are implemented in combination with one another.
Merkmal a. bezieht sich insbesondere auf die beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeicherelements als zylindrische Rundzelle. In dieser Ausführungsform umfasst das Energiespeicherelement bevorzugt genau eine elektrochemische Zelle.Feature a. relates in particular to the described embodiment of the energy storage element according to the invention as a cylindrical round cell. In this embodiment, the energy storage element preferably comprises exactly one electrochemical cell.
Merkmal b. bezieht sich insbesondere auf die beschriebene prismatische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeicherelements. In dieser Ausführungsform kann das Energiespeicherelement auch mehr als eine elektrochemische Zelle umfassen.Feature b. relates in particular to the described prismatic embodiment of the energy storage element according to the invention. In this embodiment, the energy storage element can also comprise more than one electrochemical cell.
Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Energiespeicherelement auf Basis von Natrium-Ionen weiterhin einen Elektrolyten, der mindestens eines der folgenden Lösungsmittel und mindestens eines der folgenden Leitsalze umfasst:
- Bevorzugte Lösungsmittel sind:
- - Carbonate: Propylencarbonat (PC), Ethylencarbonat-Propylencarbonat (EC-PC), Propylencarbonat-Dimethylcarbonat-Ethylmethylcarbonat (PC-DMC-EMC), Ethylencarbonat-Diethylcarbonat (EC-DEC), Ethylencarbonat-Dimethylcarbonat (EC-DMC), Ethylencarbonat-Ethylmethylcarbonat (EC-EMC), Ethylencarbonat-Dimethylcarbonat-Ethylmethylcarbonat (EC-DMC-EMC), Ethylencarbonat-Dimethylcarbonat-Diethylcarbonat (EC-DMC-DEC)
- - Ether: Tetrahydrofuran (THE), 2-Methyltetrahydrofuran, Dimethylether (DME), 1,4-dioxane (DX), 1,3-dioxolane (DOL), Diethylenglykoldimethylether (DEGDME), Tetraethylenglykoldimethylether (TEGDME)
- - Nitrile: Acetonitril (ACN), Adiponitril (AON), y-Butyrolactone (GBL)
- Preferred solvents are:
- - Carbonates: Propylene Carbonate (PC), Ethylene Carbonate-Propylene Carbonate (EC-PC), Propylene Carbonate-Dimethyl Carbonate-Ethyl Methyl Carbonate (PC-DMC-EMC), Ethylene Carbonate-Diethyl Carbonate (EC-DEC), Ethylene Carbonate-Dimethyl Carbonate (EC-DMC), Ethylene Carbonate-Ethyl Methyl Carbonate (EC-EMC), Ethylene Carbonate-Dimethyl Carbonate-Ethyl Methyl Carbonate (EC-DMC-EMC), Ethylene Carbonate-Dimethyl Carbonate -Diethyl carbonate (EC-DMC-DEC)
- - Ethers: Tetrahydrofuran (THE), 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl ether (DME), 1,4-dioxane (DX), 1,3-dioxolane (DOL), diethylene glycol dimethyl ether (DEGDME), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME)
- - Nitriles: Acetonitrile (ACN), Adiponitrile (AON), y-Butyrolactone (GBL)
Weiterhin kommen auch Trimethylphosphat (TMP) und Tris(2,2,2-trifluoroethyl)phosphat (TFP) in Frage.Trimethyl phosphate (TMP) and tris(2,2,2-trifluoroethyl) phosphate (TFP) are also possible.
Bevorzugte Leitsalze sind:
- NaPF6, Natrium-difluoro(oxalato)borat (NaBOB), NaBF4, Natriumbis(fluorosulfonyl)imid (NaFSI), Natrium-2-trifluoromethyl-4,5-dicyanoimidazol (NaTDI), Natrium-bis(trifluoromethan-sulfonyl)imid (NaTFSI), NaAsF6, NaBF4, NaClO4, NaB(C2O4)2, NaP(C6H4O2)3; NaCF3SO3, Natriumtriflat (NaTf) und Et4NBF4.
- NaPF 6 , sodium difluoro(oxalato)borate (NaBOB), NaBF 4 , sodium bis(fluorosulfonyl)imide (NaFSI), sodium 2-trifluoromethyl-4,5-dicyanoimidazole (NaTDI), sodium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (NaTFSI), NaAsF 6 , NaBF 4 , NaClO 4 , NaB(C 2 O 4 ) 2 , NaP(C 6 H 4 O 2 ) 3 ; NaCF 3 SO 3 , sodium triflate (NaTf) and Et 4 NBF 4 .
Die Leitsalze können wie die Lösungsmittel auch als Mischung aus zwei oder mehr Leitsalzen eingesetzt werden.Like the solvents, the conductive salts can also be used as a mixture of two or more conductive salts.
Dem Elektrolyten können in bevorzugten Ausführungsformen Additive zugesetzt sein. Beispiele bevorzugter Additive, insbesondere zur Stabilisierung, sind die folgenden:
- Fluoroethylencarbonat (FEC), Transdifluoroethylencarbonat (DFEC), Ethylensulfit (ES), Vinylencarbonat (VC), Bis(2,2,2-trifluoroethyl)ether (BTFE), Natrium-2-trifluoromethyl-4,5-dicya-noimidazol (NaTDI), Natriumbis(fluorosulfonyl)imide (NaFSI), Aluminumchlorid (AlCl3), Ethylensulfat (DTD), Natriumdifluorophosphat (NaPO2F2), Natriumdifluoro(oxalato)borat (NaODFB), Natriumdifluorobisoxalatophosphat (NaDFOP) und Tris(trimethylsilyl)borat (TMSB).
- Fluoroethylene carbonate (FEC), transdifluoroethylene carbonate (DFEC), ethylene sulfite (ES), vinylene carbonate (VC), bis(2,2,2-trifluoroethyl)ether (BTFE), sodium 2-trifluoromethyl-4,5-dicya-noimidazole (NaTDI), sodium bis(fluorosulfonyl)imide (NaFSI), aluminum chloride (AlCl 3 ), ethylene sulfate (DTD), sodium difluorophosphate (NaPO 2 F. 2 ), sodium difluoro(oxalato)borate (NaODFB), sodium difluorobisoxalatophosphate (NaDFOP) and tris(trimethylsilyl)borate (TMSB).
An Stelle von flüssigen Elektrolyten mit besagten Leitsalzen können auch ionische Flüssigkeiten eingesetzt werden, z.B. 0.8 mol/l Natrium-bis(fluorosulfonyl)imid (Na-TFSI) in 1-methyl-1-propylpyrrolidiniumbis(trifluoromethylsulfonyl)imid (PMPyrr-TFSI).Instead of liquid electrolytes with the aforementioned conducting salts, ionic liquids can also be used, e.g. 0.8 mol/l sodium bis(fluorosulfonyl)imide (Na-TFSI) in 1-methyl-1-propylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (PMPyrr-TFSI).
Als weitere Alternative kommen auch Natrium-Polymerelektrolyte in Frage, beispielsweise Polymerelektrolyte auf Basis von Polyethlenoxid (PEO) oder auf Basis von Polyvinylidendifluoridcohexafluoropropylen, wie z.B. P(EO)8NaCF3SO3 oder Hydroxyethylcellulose-polyethylenoxid.Sodium polymer electrolytes are also possible as an alternative, for example polymer electrolytes based on polyethylene oxide (PEO) or on polyvinylidene difluoride-cohexafluoropropylene, such as P(EO) 8 NaCF 3 SO 3 or hydroxyethylcellulose-polyethylene oxide.
An Stelle von Flüssigelektrolyten auf Basis organischer Lösungsmittel können in speziellen Anwendungsfällen auch wässrige Natrium-Elektrolyte mit Anionen aus der Gruppe mit OH-, NO3 -, Cl- und SO4 2- eingesetzt werden, oder aber wässrige Lösungen von NaFSI, NaTDI oder NaTFSI.Instead of liquid electrolytes based on organic solvents, aqueous sodium electrolytes with anions from the group OH - , NO 3 - , Cl - and SO 4 2- can be used in special applications, or aqueous solutions of NaFSI, NaTDI or NaTFSI.
Bevorzugte Ausführungsformen der ElektrodenmaterialienPreferred embodiments of the electrode materials
Bei dem negativen Elektrodenmaterial eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements auf Basis von Natrium-Ionen handelt es sich bevorzugt um mindestens eines der folgenden Materialien:
- - Kohlenstoff, besonders präferiert Hardcarbon (rein oder mit Stickstoff- und/oder Phosphor-Dotierung) oder Softcarbon oder Graphene-basierte Materialien (mit N-dotierung); Kohlenstoffnanotubes, Graphit
- - Phosphor oder Schwefel (Konversionsanode)
- - Polyanionen: Na2Ti3O7, Na3Ti2(PO4)3, TiP2O7, TiNb2O7, Na-Ti-(PO4)3, Na-V-(PO4)3 oder Na-M-PO4-P2O7 mit M= V, Ti, Fe, Co, Ni, Mn, oder Mischungen aus 3d-Übergangsmetallen und zugesetzten Dotierelementen wie z.B. Al, Cu, Zn
- - Na4M3(PO4)2(P2O7) mit M= Na, Zn, Al, Mg, oder Ca
- - Sn- oder Sb-basierte Materialien wie Sn(Na15Sn4), Sb(Na3Sb), SnO2, Sb2O3
- - Preussisch Blau: Na-arme Variante (für Systeme mit wässrigem Elektrolyt)
- - Übergangsmetalloxide: V2O3, MnO2, TiO2, Nb2O3, Fe2O3, Na2Ti3O7, NaCrTiO4, Na4Ti5O12
- - MXene mit M= Ti, V, Cr, Mo oder Nb und A = Al, Si, und Ga sowie X= C und/oder N, z.B. Ti3C2
- - Organisch: z.B. Na-Terephthalate (Na2C8H2O4)
- - Carbon, especially preferred hard carbon (pure or with nitrogen and/or phosphorus doping) or soft carbon or graphene-based materials (with N-doping); carbon nanotubes, graphite
- - Phosphorus or sulfur (conversion anode)
- - Polyanions: Na 2 Ti 3 O 7 , Na 3 Ti 2 (PO 4 ) 3 , TiP 2 O 7 , TiNb 2 O 7 , Na-Ti-(PO 4 ) 3 , Na-V-(PO 4 ) 3 or Na-M-PO 4 -P 2 O 7 with M= V, Ti, Fe, Co, Ni, Mn, or mixtures of 3d transition metals and added doping elements such as Al, Cu, Zn
- - Na 4 M 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) with M = Na, Zn, Al, Mg, or Ca
- - Sn- or Sb-based materials such as Sn(Na 15 Sn 4 ), Sb(Na 3 Sb), SnO 2 , Sb 2 O 3
- - Prussian Blue: Na-poor variant (for systems with aqueous electrolyte)
- - Transition metal oxides: V 2 O 3 , MnO 2 , TiO 2 , Nb 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Na 2 Ti 3 O 7 , NaCrTiO 4 , Na 4 Ti 5 O 12
- - MXene with M= Ti, V, Cr, Mo or Nb and A = Al, Si, and Ga and X= C and/or N, e.g. Ti 3 C 2
- - Organic: e.g. Na terephthalates (Na 2 C 8 H 2 O 4 )
Eine beispielhafte Übersicht geeigneter Anodenmaterialien findet sich auch in der Veröffentlichung von
Alternativ kann anodenseitig grundsätzlich auch eine Na-Metallanode zum Einsatz kommen. Das metallische Natrium ist dabei bevorzugt in eine poröse, elektrisch leitfähige Matrixstruktur mit guter Na-Benetzbarkeit eingebettet. Von großer Bedeutung sind hier minimale elektrische, thermische, mechanische Gradienten, die in der erfindungsgemäßen Zelle durch das Design mit stirnseitiger Kontaktierung des Elektrodenwickels ermöglicht werden.Alternatively, a Na metal anode can also be used on the anode side. The metallic sodium is preferably embedded in a porous, electrically conductive matrix structure with good Na wettability. Of great importance here are minimal electrical, thermal and mechanical gradients, which are made possible in the cell according to the invention by the design with front-side contacting of the electrode winding.
Bei dem positiven Elektrodenmaterial eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements auf Basis von Natrium-Ionen handelt es sich bevorzugt um mindestens eines der folgenden Materialien:
- - Polyanionen: NaFePO4 (Triphylit-Typ), Na2Fe-(P2O7), Na4Fe3(PO4)2(P2O7), Na2FePO4F, Na/Na2[Fe1/2Mn1/2]PO4F, Na3V2(PO4)2F3, Na3V2(PO4)3, Na4(CoM-nNi)3(PO4)2P2O7, NaCoPO4, Na2CoPO4F
- - Silikate: Na2MnSiO4, Na2FeSiO4
- - Preussisch Blau / Weiss: Preussisch Blau (PB) existiert in Form von AxFe[Fe(CN)6]1-y*nH2O mit A = Alkalimetall und 0 < x < 2 und y < 1; Preussisch Weiss (Na ~ 2) in Form von Na2Fe[Fe(CN)6], KFe2(CN)6, MnFe(CN)6 und Fe2(CN)6
- - Schichtoxide: NaCoO2, NaFeO2, NaNiO2, NaCrO2, NaVO2, NaTiO2, Na(FeCo)O2, Na(NiFeCo)3O2, Na(NiFeMn)O2, and Na(NiFeCoMn)O2, Na(NiMnCo)O2
- - Polyanions: NaFePO 4 (triphylite type), Na 2 Fe-(P 2 O 7 ), Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ), Na 2 FePO 4 F, Na/Na 2 [Fe 1/2 Mn 1/2 ]PO 4 F, Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 , Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Na 4 (CoM-nNi) 3 (PO 4 ) 2 P 2 O7, NaCoPO 4 , Na 2 CoPO 4 F
- - Silicates: Na 2 MnSiO 4 , Na 2 FeSiO 4
- - Prussian Blue / White: Prussian Blue (PB) exists in the form of A x Fe[Fe(CN) 6 ] 1-y *nH 2 O with A = alkali metal and 0 < x < 2 and y <1; Prussian White (Na ~ 2) in the form of Na 2 Fe[Fe(CN) 6 ], KFe 2 (CN) 6 , MnFe(CN) 6 and Fe 2 (CN) 6
- - Layered oxides: NaCoO 2 , NaFeO 2 , NaNiO 2 , NaCrO 2 , NaVO 2 , NaTiO 2 , Na(FeCo)O 2 , Na(NiFeCo) 3 O 2 , Na(NiFeMn)O 2 , and Na(NiFeCoMn)O 2 , Na(NiMnCo)O 2
Auch Blends der genannten positiven Elektrodenmaterialien sind einsetzbar.Blends of the above-mentioned positive electrode materials can also be used.
Daneben enthalten die Elektroden eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements bevorzugt einen Elektrodenbinder und/oder ein Additiv zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit. Die Aktivmaterialien sind bevorzugt in eine Matrix aus dem Elektrodenbinder eingebettet, wobei die Aktivmaterialien bevorzugt partikulär eingesetzt werden und benachbarte Partikel in der Matrix bevorzugt in unmittelbarem Kontakt miteinander stehen. Leitmittel dienen dazu, die elektrische Leitfähigkeit der Elektroden zu erhöhen. Übliche Elektrodenbinder basieren beispielsweise auf Polyvinylidenfluorid (PVDF), (Na-)Polyacrylat, Styrol-Butadien-Kautschuk, (Na-)Alginat oder Carboxymethylzellulose oder auch Mischungen unterschiedlicher Binder. Übliche Leitmittel sind Ruß, feine Grafite, Kohlenstofffasern, Carbon-Nanotubes und Metallpulver.In addition, the electrodes of an energy storage element according to the invention preferably contain an electrode binder and/or an additive to improve the electrical conductivity. The active materials are preferably embedded in a matrix made of the electrode binder, with the active materials preferably being used in particulate form and neighboring particles in the matrix preferably being in direct contact with one another. Conductive agents serve to increase the electrical conductivity of the electrodes. Common electrode binders are based, for example, on polyvinylidene fluoride (PVDF), (Na) polyacrylate, styrene-butadiene rubber, (Na) alginate or carboxymethyl cellulose or mixtures of different binders. Common conductive agents are carbon black, fine graphite, carbon fibers, carbon nanotubes and metal powder.
Besonders bevorzugt für Energiespeicherelemente auf Natrium-Ionen-Basis sind die folgenden Materialkombinationen
lonendepotion depot
Die Funktion einer Natrium-, Kalium-, Calcium-, Magnesium- oder Aluminium-Ionen-Zelle basiert darauf, dass ausreichend mobile Ionen (im Falle einer Natrium-Ionen-Zelle etwa mobile Natrium-Ionen) zur Verfügung stehen, um durch Wanderung zwischen der Anode und der Kathode bzw. der negativen Elektrode und der positiven Elektrode den abgegriffenen elektrischen Strom auszugleichen. Unter mobilen Ionen im Rahmen dieser Anmeldung ist zu verstehen, dass die Ionen für Ein- und Auslagerungsvorgänge in den Elektroden im Rahmen der Entlade- und Ladevorgänge des erfindungsgemäßen Energiespeicherelements zur Verfügung steht oder hierfür aktiviert werden können. Im Zuge der ablaufenden Entlade- und Ladeprozesse z.B. einer Natrium-Ionen-Zelle kommt es im Laufe der Zeit zu Verlusten an mobilem Natrium. Diese Verluste treten in Folge von verschiedenen, in der Regel nicht vermeidbaren Nebenreaktionen auf. Bereits im Rahmen des ersten Lade- und Entladezyklus einer Natrium-Ionen-Zelle kommt es zu Verlusten an mobilem Natrium. Bei diesem ersten Lade- und Entladezyklus bildet sich in der Regel eine Deckschicht auf der Oberfläche der elektrochemisch aktiven Komponenten an der negativen Elektrode. Diese Deckschicht wird als Solid Electrolyte Interphase (SEI) bezeichnet und besteht in der Regel vor allem aus Elektrolytzersetzungsprodukten sowie einer gewissen Menge an Natrium, das in dieser Schicht fest gebunden ist.The function of a sodium, potassium, calcium, magnesium or aluminum ion cell is based on there being enough mobile ions (in the case of a sodium ion cell, for example, mobile sodium ions) available to balance out the electrical current drawn by migrating between the anode and the cathode or the negative electrode and the positive electrode. In the context of this application, mobile ions are understood to mean that the ions are available for storage and removal processes in the electrodes during the discharge and charge processes of the energy storage element according to the invention or can be activated for this purpose. In the course of the discharge and charge processes, e.g. of a sodium ion cell, losses of mobile sodium occur over time. These losses occur as a result of various, usually unavoidable side reactions. Losses of mobile sodium occur as early as the first charge and discharge cycle of a sodium ion cell. During this first charge and discharge cycle, a coating layer usually forms on the surface of the electrochemically active components on the negative electrode. This coating layer is called Solid Elect rolyte interphase (SEI) and usually consists mainly of electrolyte decomposition products and a certain amount of sodium that is firmly bound in this layer.
Um diese Verluste auszugleichen, zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement auf Natrium-Ionen-Basis in bevorzugten Ausführungsformen durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b. aus:
- a. Das Energiespeicherelement umfasst ein nicht von der positiven und/oder der negativen Elektrode umfasstes Depot an Natrium oder einem natriumhaltigen Material, mit dem Verluste an mobilem Natrium während des Betriebs ausgeglichen werden können.
- b. Das Depot steht in Kontakt mit dem Elektrolyten des Energiespeicherelements.
- a. The energy storage element comprises a reservoir of sodium or a sodium-containing material not included in the positive and/or negative electrodes, which can compensate for losses of mobile sodium during operation.
- b. The depot is in contact with the electrolyte of the energy storage element.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. in Kombination miteinander verwirklicht sind.It is particularly preferred that the immediately preceding features a. and b. are implemented in combination with one another.
Besonders geeignet als natriumhaltiges Material sind beispielsweise Na3N, Na2C2O4, Na2S, Na2C4O4, Na2C6O6, EDTA-4Na, DPTA-5Na, Na3P oder C12H9Na (Natrium-Biphenyl). Diese Materialien können beispielsweise dem Elektrodenaktivmaterial zugesetzt werden. Eine zusätzliche Na-Quelle führt zu höherer Kapazität bzw. höherer Zyklenlebensdauer.Particularly suitable as sodium-containing materials are, for example, Na 3 N, Na 2 C 2 O 4 , Na 2 S, Na 2 C 4 O 4 , Na 2 C 6 O 6 , EDTA-4Na, DPTA-5Na, Na 3 P or C 12 H 9 Na (sodium biphenyl). These materials can, for example, be added to the electrode active material. An additional Na source leads to higher capacity or longer cycle life.
Es ist auch denkbar, dass die Elektroden durch Vorladung mit einem Überschuss an Natriumionen beladen werden.It is also conceivable that the electrodes are precharged with an excess of sodium ions.
Für Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Energiespeicherelements auf Basis von Kalium-, Calcium-, Magnesium- oder Aluminium-Ionen gilt analoges.The same applies to embodiments of the energy storage element according to the invention based on potassium, calcium, magnesium or aluminum ions.
Bevorzugte Ausführungsform einer Natriummetall-AnodePreferred embodiment of a sodium metal anode
Wie oben erwähnt, kann anodenseitig grundsätzlich auch eine Na-Metallanode zum Einsatz kommen, bei der das metallische Natrium bevorzugt in eine elektrisch leitfähige Matrixstruktur eingebettet ist.As mentioned above, a Na-metal anode can also be used on the anode side, in which the metallic sodium is preferably embedded in an electrically conductive matrix structure.
In Weiterbildung kann es bevorzugt sein, dass sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale auszeichnet:
- a. Die Anode umfasst eine Matrix mit Vertiefungen und/oder Poren, in die metallisches Natrium eingelagert ist.
- b. Die Matrix haftet auf der Oberfläche des Anodenstromkollektors.
- c. Die Matrix umfasst Kohlenstoffpartikel und einen Binder.
- d. Die Matrix umfasst Leitmittel und/oder Füllstoffe.
- e. Bei der Matrix handelt es sich um eine aufgeraute Oberfläche des Anodenstromkollektors.
- a. The anode comprises a matrix with depressions and/or pores in which metallic sodium is embedded.
- b. The matrix adheres to the surface of the anode current collector.
- c. The matrix comprises carbon particles and a binder.
- d. The matrix comprises conductive agents and/or fillers.
- e. The matrix is a roughened surface of the anode current collector.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis d. oder a. und d. in Kombination miteinander verwirklicht sind.It is particularly preferred that the immediately preceding features a. to d. or a. and d. are implemented in combination with one another.
Bei den Kohlenstoffpartikeln, Leitmitteln oder Füllstoffen handelt es beispielsweise um Hard Car-bon, Aktivkohle, Leitgraphit, Russ, Kohlenstoff-Nanotubes, Graphen oder Graphenoxid, oder fein-dispersverteilte Metalle wie Ag, Cu, Al, Ni oder Pt. Beispielsweise können die Kohlenstoffpartikel 20-80 Gew.-% Hard Carbon und 80-20 Gew.-% Russ sowie 0 - 10 Gew.-% Silber umfassen, wobei es bevorzugt ist, dass sich die Gewichtsanteile der Komponenten auf 100 Gew.-% ergänzen.The carbon particles, conductive agents or fillers are, for example, hard carbon, activated carbon, conductive graphite, soot, carbon nanotubes, graphene or graphene oxide, or finely dispersed metals such as Ag, Cu, Al, Ni or Pt. For example, the carbon particles can comprise 20-80 wt.% hard carbon and 80-20 wt.% soot as well as 0-10 wt.% silver, whereby it is preferred that the weight proportions of the components add up to 100 wt.%.
Bei dem Binder kann es sich grundsätzlich um jeden Binder handeln, der auch geeignet für die Herstellung von Kompositelektroden für Lithium-Ionen-Batterien ist. Geeignet sind beispielsweise um Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder ein anderes Polymer, beispielsweise Carboxymethylzellulose oder ein darauf basierendes Derivat.The binder can basically be any binder that is also suitable for the production of composite electrodes for lithium-ion batteries. Examples of suitable binders are polyvinylidene fluoride (PVDF) or another polymer, such as carboxymethyl cellulose or a derivative based on it.
Die kohlenstoffbasierte Matrix kann Dotierelemente umfassen, beispielsweise Bor, Sauerstoff, Fluor oder Stickstoff.The carbon-based matrix may comprise doping elements such as boron, oxygen, fluorine or nitrogen.
Die kohlenstoffbasierte Matrix ist bevorzugt 500 nm bis 250 µm dick.The carbon-based matrix is preferably 500 nm to 250 µm thick.
Die Oberfläche des Anodenstromkollektors kann beispielsweise mittels Laserbehandlung aufgeraut werden.The surface of the anode current collector can be roughened, for example, by laser treatment.
Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale auszeichnet:
- a. Die Anode umfasst an Stelle der Matrix eine Nukleationsschicht, in die metallisches Natrium eingelagert ist und/oder auf der metallisches Natrium abgeschieden ist.
- b. Die Nukleationsschicht besteht im Wesentlichen aus mindestens einem Material aus der Gruppe mit Zinn, Silber, Gold, Germanium, Kohlenstoff, Platin, Zink, Aluminium, Magnesium und Silizium.
- c. Die Nukleationsschicht wurde mittels PVD (physical vapor deposition) oder CVD (chemical vapor deposition) auf der Oberfläche des Anodenstromkollektors abgeschieden.
- a. Instead of the matrix, the anode comprises a nucleation layer in which metallic sodium is embedded and/or on which metallic sodium is deposited.
- b. The nucleation layer consists essentially of at least one material from the group consisting of tin, silver, gold, germanium, carbon, platinum, zinc, aluminium, magnesium and silicon.
- c. The nucleation layer was deposited on the surface of the anode current collector by PVD (physical vapor deposition) or CVD (chemical vapor deposition).
Die Nukleationsschicht aus Zinn, Silber, Gold, Germanium und/oder Kohlenstoff erleichtert die Abscheidung von Natrium. Kohlenstoff, Silber, Gold, Platin, Zink, Aluminium, Magnesium, Zinn und Silizium verringern die Überspannung.The nucleation layer of tin, silver, gold, germanium and/or carbon facilitates the deposition of sodium. Carbon, silver, gold, platinum, zinc, aluminum, magnesium, tin and silicon reduce the overvoltage.
Auch die Nukleationsschicht kann Dotierelemente umfassen, beispielsweise Bor, Sauerstoff, Fluor oder Stickstoff.The nucleation layer can also contain doping elements, such as boron, oxygen, fluorine or nitrogen.
Die Nukleationsschicht ist bevorzugt 100 nm bis 50 µm dick.The nucleation layer is preferably 100 nm to 50 µm thick.
Es ist bevorzugt, dass die Matrix und/oder die Nukleationsschicht einen Anteil von weniger als 30 Gew.-%, bevorzugt von weniger als 5 Gew.-%, am Trockengewicht der negativen Elektrode ausmachen.It is preferred that the matrix and/or the nucleation layer account for less than 30% by weight, preferably less than 5% by weight, of the dry weight of the negative electrode.
Zur Fertigung einer Elektrode mit der Matrix oder der Nukleationsschicht wird bevorzugt ein Anodenstromkollektor mit der Matrix oder der Nukleationsschicht bereitgestellt, allerdings frei von metallischem Natrium. Das Natrium wird bevorzugt bei einem ersten Ladevorgang in und/oder auf der Matrix oder de Nukleationsschicht abgeschieden. Das benötigte Natrium wird dabei bevorzugt über die Kathode zugeführt. Beispielsweise kann hierzu Na3V2(PO4)3 als positives Elektrodenmaterial verwendet werden. Alternativ kann die Natrium-Abscheidung aber auch durch Prä-Sodiierung erfolgen. Durch dieses Vorgehen wird dendritisches Wachstum unterbunden. Weiterhin wird gewährleistet, dass in den Elektroden kein unerwünschter Überschuss an Natrium vorhanden ist.To manufacture an electrode with the matrix or the nucleation layer, an anode current collector with the matrix or the nucleation layer is preferably provided, but free of metallic sodium. The sodium is preferably deposited in and/or on the matrix or the nucleation layer during a first charging process. The required sodium is preferably supplied via the cathode. For example, Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 can be used as the positive electrode material. Alternatively, the sodium deposition can also be carried out by pre-sodium deposition. This procedure prevents dendritic growth. It also ensures that there is no undesirable excess of sodium in the electrodes.
Es kann zweckmäßig sein, bei dem ersten Ladevorgang eine Entgasungsmöglichkeit vorzusehen, so dass sich im Gehäuse des erfindungsgemäßen Energiespeicherelements kein übergroßer Druck bildet.It may be expedient to provide a degassing option during the first charging process so that no excessive pressure builds up in the housing of the energy storage element according to the invention.
Besonders bevorzugt wird ein Verhältnis Anodenkapazität zu Kathodenkapazität im Bereich von 0,7 bis 1,2 eingestellt.Particularly preferably, a ratio of anode capacity to cathode capacity is set in the range of 0.7 to 1.2.
Besonders bevorzugt zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale aus:
- Besonders bevorzugt ist die Nukleationsschicht und/oder die Matrix mit einer Deckschicht abgedeckt. Die negative Elektrode umfasst somit bevorzugt die folgende Schichtsequenz:
- - Metallischer Stromkollektor
- - Matrix oder Nukleationsschicht
- - Deckschicht
- Particularly preferably, the nucleation layer and/or the matrix is covered with a cover layer. The negative electrode thus preferably comprises the following layer sequence:
- - Metallic current collector
- - matrix or nucleation layer
- - top layer
Die Matrix oder die Nukleationsschicht ist somit zwischen der Deckschicht und dem Stromkollektor angeordnet.The matrix or nucleation layer is thus arranged between the cover layer and the current collector.
Die Deckschicht weist bevorzugt eine Dicke im Bereich von 300 nm bis 30 µm auf.The cover layer preferably has a thickness in the range of 300 nm to 30 µm.
Die Deckschicht ist bevorzugt gebildet aus einem keramischen Material oder umfasst ein solches keramisches Material. Bei dem keramischen Material handelt es sich bevorzugt um Aluminiumoxid (Al2O3), um Aluminiumhydroxid oder Aluminiumoxidhydroxid (AIOOH), um Siliziumoxid (SiOx mit x im Bereich von >1 und ≤ 2), um Titanoxid (TiO2), um Titannitrid (TiN), um Titanaluminiumnitrid (TiAIN) oder um Titancarbonitrid (TiCN).The cover layer is preferably formed from a ceramic material or comprises such a ceramic material. The ceramic material is preferably aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum hydroxide or aluminum oxide hydroxide (AIOOH), silicon oxide (SiO x with x in the range of >1 and ≤ 2), titanium oxide (TiO 2 ), titanium nitride (TiN), titanium aluminum nitride (TiAIN) or titanium carbonitride (TiCN).
In weiteren möglichen bevorzugten Ausführungsformen ist die Deckschicht gebildet aus einem Superionenleiter der chemischen Formel Na1+xZr2SixP3-xO12 (wobei 0 < x < 3) oder umfasst einen solchen Ionenleiter.In further possible preferred embodiments, the cover layer is formed from a super ion conductor of the chemical formula Na 1+x Zr 2 Si x P 3-x O 12 (where 0 < x < 3) or comprises such an ion conductor.
In weiteren möglichen bevorzugten Ausführungsformen ist die Deckschicht gebildet aus einem Polymer, insbesondere einem Polysilxan, einem Polyethylenoxid, einem Perfluorpolyether oder einem Polyacrylnitril, oder umfasst ein solches Polymer.In further possible preferred embodiments, the cover layer is formed from a polymer, in particular a polysiloxane, a polyethylene oxide, a perfluoropolyether or a polyacrylonitrile, or comprises such a polymer.
Wenn die Deckschicht das keramische Material umfasst, so umfasst es in bevorzugten Ausführungsformen weiterhin einen Binder. Bei diesem Binder kann es sich grundsätzlich um einen Binder handeln, der auch als Binder für das Aktivmaterial geeignet ist, also beispielsweise um Carboxymethylzellulose.If the cover layer comprises the ceramic material, in preferred embodiments it also comprises a binder. This binder can basically be a binder that is also suitable as a binder for the active material, for example carboxymethyl cellulose.
Bevorzugte Ausführungsformen des Separators und des FestelektrolytenPreferred embodiments of the separator and the solid electrolyte
Bevorzugt werden der Separator oder die Separatoren aus elektrisch isolierenden Kunststofffolien gebildet. Es ist bevorzugt, dass die Separatoren von dem Elektrolyten durchdrungen werden kann. Zu diesem Zweck können die verwendeten Kunststofffolien beispielsweise Mikroporen aufweisen. Die Folie kann beispielsweise aus einem Polyolefin oder aus einem Polyetherketon bestehen. Auch Vliese und Gewebe aus Kunststoffmaterialien oder andere elektrisch isolierende Flächengebilde können als Separator zum Einsatz kommen. Bevorzugt werden Separatoren eingesetzt, die eine Dicke im Bereich von 5 µm bis 50 µm aufweisen.The separator or separators are preferably made of electrically insulating plastic films. It is preferred that the separators can be penetrated by the electrolyte. For this purpose, the plastic films used can have micropores, for example. The film can consist of a polyolefin or a polyether ketone, for example. Nonwovens and fabrics made of plastic materials or other electrically insulating surface structures can also be used as separators. Separators that have a thickness in the range of 5 µm to 50 µm are preferably used.
Weiterhin können auch Separatoren aus Zellulose-basierten Materialien verwendet werden. Diese bieten eine gute Benetzbarkeit sowie eine hohe Temperaturstabilität.Separators made of cellulose-based materials can also be used. These offer good wettability and high temperature stability.
Insbesondere bei den prismatischen Ausführungsformen des Energiespeicherelements kann es sich bei dem Separator oder den Separatoren des Verbundes auch um eine oder mehrere Schichten aus einem Festelektrolyten handeln.In particular in the case of prismatic embodiments of the energy storage element, the separator or separators of the composite may also be one or more layers of a solid electrolyte.
Bei dem Festelektrolyten kann es sich beispielsweise um einen Polymerfestkörperelektrolyten basierend auf einem Polymer-Leitsalzkomplex, der einphasig ohne jegliche Flüssigkomponente vorliegt. Als Polymermatrix kann ein Polymerfestkörperelektrolyt beispielsweise Polyacrylsäure (PAA), Polyethylenglycol (PEG) oder Polymethylmethacrylat (PMMA), insbesondere auch Polyethylenoxid (PEO) aufweisen. In diesen können im Fall einer Natrium-Ionen-Zelle Natrium-Leitsalze wie beispielsweise Natrium-bis-(trifluoromethan)sulfonylimid (NaTFSI), Natriumhexafluorophosphat (NaPF6) und Natriumtetrafluoroborat (NaBF4) gelöst vorliegen.The solid electrolyte can, for example, be a polymer solid electrolyte based on a polymer-conducting salt complex that is present in a single phase without any liquid component. A polymer solid electrolyte can have, for example, polyacrylic acid (PAA), polyethylene glycol (PEG) or polymethyl methacrylate (PMMA), in particular polyethylene oxide (PEO) as a polymer matrix. In the case of a sodium ion cell, sodium conducting salts such as sodium bis(trifluoromethane)sulfonylimide (NaTFSI), sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ) and sodium tetrafluoroborate (NaBF 4 ) can be dissolved in these.
Keramische Verstärkung des SeparatorsCeramic reinforcement of the separator
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des Separators können in Einzelfällen zweckmäßig sein. So zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement bevorzugt weiterhin durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b. aus:
- a. Die Seite des Verbundkörpers, aus der der freie Randstreifen des Kathodenstromkollektors oder der freie Randstreifen des Anodenstromkollektors austritt, wird von einem Rand des Separators, bei einem Energiespeicherelement mit gewickeltem Verbundkörper insbesondere einem Längsrand des Separators, gebildet.
- b. Der Rand oder Längsrand des Separators, der die Seite, insbesondere die Stirnseite, bildet, ist keramisch verstärkt.
- a. The side of the composite body from which the free edge strip of the cathode current collector or the free edge strip of the anode current collector emerges is formed by an edge of the separator, in the case of an energy storage element with a wound composite body, in particular a longitudinal edge of the separator.
- b. The edge or longitudinal edge of the separator forming the side, in particular the front side, is ceramically reinforced.
In einer bevorzugten Weiterbildung zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch das unmittelbar folgende Merkmal a. aus:
- a. Die keramische Verstärkung wird durch mindestens ein partikuläres keramisches Material, insbesondere mindestens ein partikuläres keramisches Füllmaterial in dem Separator, bewirkt.
- a. The ceramic reinforcement is effected by at least one particulate ceramic material, in particular at least one particulate ceramic filler material in the separator.
Bei dem Separator kann es sich also bevorzugt um eine elektrisch isolierende Kunststofffolie handeln, in die das partikuläre Füllmaterial eingelagert ist. Es ist bevorzugt, dass die Kunststofffolie von dem Elektrolyten durchdrungen werden kann, beispielsweise weil sie Mikroporen aufweist. Die Folie kann beispielsweise aus einem Polyolefin oder aus einem Polyetherketon gebildet sein. Wie erwähnt, können auch Vliese und Gewebe aus solchen Kunststoffmaterialien zum Einsatz kommen. Auch diese können in Einzelfällen bevorzugt sein.The separator can therefore preferably be an electrically insulating plastic film in which the particulate filling material is embedded. It is preferred that the plastic film can be penetrated by the electrolyte, for example because it has micropores. The film can be made of a polyolefin or a polyether ketone, for example. As mentioned, fleeces and Fabrics made of such plastic materials can be used. These can also be preferred in individual cases.
Der Anteil an dem partikulären Füllmaterial in dem Separator beträgt bevorzugt mindestens 40 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 60 Gew.-%.The proportion of particulate filler material in the separator is preferably at least 40% by weight, particularly preferably at least 60% by weight.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch das unmittelbar folgende Merkmal a. aus:
- a. Die keramische Verstärkung wird durch mindestens ein partikuläres keramisches Material bewirkt, das als Beschichtung auf einer Oberfläche des oder der Separatoren vorliegt.
- a. The ceramic reinforcement is provided by at least one particulate ceramic material present as a coating on a surface of the separator(s).
Bei dem Separator kann es sich also bevorzugt auch um eine Kunststofffolie oder ein Vlies oder ein Gewebe oder ein sonstiges elektrisch isolierendes Flächengebilde handeln, die oder das mit einem keramischen Material beschichtet ist.The separator can therefore preferably also be a plastic film or a fleece or a fabric or another electrically insulating surface structure which is coated with a ceramic material.
In einigen Ausführungsformen ist nur eine Seite des Flächengebildes, insbesondere der Kunststofffolie, mit dem keramischen Material beschichtet. In weiteren Ausführungsformen ist das Flächengebilde, insbesondere die Kunststofffolie, bevorzugt beidseitig mit dem keramischen Material beschichtet.In some embodiments, only one side of the sheet-like structure, in particular the plastic film, is coated with the ceramic material. In further embodiments, the sheet-like structure, in particular the plastic film, is preferably coated on both sides with the ceramic material.
Gegebenenfalls kann es auch bevorzugt sein, dass die verwendeten Separatoren ein keramisches Material als Füllmaterial und das gleiche oder ein anderes keramisches Material als Beschichtung umfassen.Optionally, it may also be preferred that the separators used comprise a ceramic material as a filler material and the same or a different ceramic material as a coating.
In weiteren möglichen bevorzugten Weiterbildungen zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis e. aus:
- a. Das mindestens eine keramische Material / Füllmaterial ist oder umfasst ein elektrisch isolierendes Material.
- b. Das mindestens eine keramische Material / Füllmaterial ist oder umfasst mindestens ein Material aus der Gruppe mit glaskeramischem Material und Glas.
- c. Das mindestens eine keramische Material / Füllmaterial ist oder umfasst ein Natriumionen leitendes keramisches Material, beispielsweise Na3AlO4*Na4SiO4 oder NaAlSi2O6. oder β-Al2O3 oder ein NASICON-Material wie z.B. Na3Zr2Si2PO12.
- d. Das mindestens eine keramische Material / Füllmaterial ist oder umfasst ein oxidisches Material, insbesondere ein Metalloxid.
- e. Bei dem keramischen oder dem oxidischen Material handelt es sich um Aluminiumoxid (Al2O3), um Siliziumoxid (SiOx), insbesondere um Siliziumdioxid (SiO2), um Titanoxid (TiO2), um Titannitrid (TiN), um Titanaluminiumnitrid (TiAIN), um ein Siliziumoxid, insbesondere Siliziumdioxid (SiO2) oder um Titancarbonitrid (TiCN).
- a. The at least one ceramic material/filler material is or comprises an electrically insulating material.
- b. The at least one ceramic material/filling material is or comprises at least one material from the group consisting of glass-ceramic material and glass.
- c. The at least one ceramic material / filler material is or comprises a sodium ion conductive ceramic material, for example Na 3 AlO 4 *Na 4 SiO 4 or NaAlSi 2 O 6 . or β-Al 2 O 3 or a NASICON material such as Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 .
- d. The at least one ceramic material/filler material is or comprises an oxidic material, in particular a metal oxide.
- e. The ceramic or oxide material is aluminium oxide (Al 2 O 3 ), silicon oxide (SiO x ), in particular silicon dioxide (SiO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), titanium nitride (TiN), titanium aluminium nitride (TiAIN), a silicon oxide, in particular silicon dioxide (SiO 2 ) or titanium carbonitride (TiCN).
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis c. oder die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. und d. oder die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. und e. in Kombination miteinander verwirklicht sind.It is particularly preferred that the immediately preceding features a. to c. or the immediately preceding features a. and b. and d. or the immediately preceding features a. and b. and e. are implemented in combination with one another.
Unter den genannten Materialien sind als Beschichtungsmaterialien Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumhydroxid (Al(OH)3, Aluminiumoxidhydroxid (AIOOH), Titanoxid (TiO2) und Siliziumdioxid (SiO2) besonders bevorzugt.Among the materials mentioned, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum hydroxide (Al(OH) 3 ) , aluminum oxide hydroxide (AIOOH), titanium oxide (TiO 2 ) and silicon dioxide (SiO 2 ) are particularly preferred as coating materials.
In weiteren möglichen bevorzugten Weiterbildungen zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b. aus:
- a. Der Separator oder die Separatoren umfassen das mindestens eine keramische Material lediglich bereichsweise.
- b. Der Separator oder die Separatoren weisen entlang des die erste Seite, insbesondere die erste Stirnseite, bildenden Rands einen Randstreifen auf, in dem sie das mindestens eine keramische Material als Beschichtung und/oder als partikuläres Füllmaterial umfassen.
- a. The separator or separators comprise the at least one ceramic material only in regions.
- b. The separator or separators have an edge strip along the edge forming the first side, in particular the first end face, in which they comprise the at least one ceramic material as a coating and/or as a particulate filler material.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. in Kombination miteinander verwirklicht sind.It is particularly preferred that the immediately preceding features a. and b. are implemented in combination with one another.
Es ist keinesfalls zwingend erforderlich, dass der Separator das keramische Material in homogener Verteilung umfasst oder gleichmäßig und überall mit dem Material beschichtet ist. Vielmehr kann es sogar bevorzugt sein, dass der Separator in bestimmten Bereichen, beispielsweise in dem erwähnten Hauptbereich, frei von dem keramischen Material ist. In diesem Bereich wird eine erhöhte thermische Beständigkeit des Separators nicht so sehr benötigt wie an den Rändern des Separators. Darüber hinaus kann das keramische Material insbesondere in diesem Bereich zu einer ungewollten Erhöhung des Innenwiderstands des erfindungsgemäßen Energiespeicherelements beitragen.It is by no means absolutely necessary for the separator to comprise the ceramic material in a homogeneous distribution or to be evenly and everywhere coated with the material. Rather, it may even be preferred for the separator to be free of the ceramic material in certain areas, for example in the main area mentioned. In this area, increased thermal resistance of the separator is not as necessary as at the edges of the separator. In addition, the ceramic material, particularly in this area, can contribute to an unwanted increase in the internal resistance of the energy storage element according to the invention.
In vielen Ausführungsformen ist der Separator allerdings bevorzugt vollflächig- also auch zwischen Anode und Kathode - mit dem keramischen Material verstärkt bzw. beschichtet.In many embodiments, however, the separator is preferably reinforced or coated with the ceramic material over its entire surface - i.e. also between the anode and cathode.
Die stirnseigen Elektrodenbereiche ohne Aktivmaterialbeschichtung, könnten ganz oder teilweise mit keramischen Materialien beschichtet sein, um dort die Kurzschlussgefahr zu reduzieren.The frontal electrode areas without active material coating could be completely or partially coated with ceramic materials in order to reduce the risk of short circuits.
Weitere Details zu Beschichtungen von Separatoren mit keramischen Materialien sind der
Bevorzugte Ausführungsformen der StromkollektorenPreferred embodiments of the current collectors
Die Stromkollektoren der Elektroden des erfindungsgemäßen Energiespeicherelements dienen dazu, im jeweiligen Elektrodenmaterial enthaltene elektrochemisch aktive Komponenten möglichst großflächig elektrisch zu kontaktieren. Bevorzugt bestehen die Stromkollektoren aus einem Metall oder sind zumindest oberflächlich metallisiert.The current collectors of the electrodes of the energy storage element according to the invention serve to electrically contact electrochemically active components contained in the respective electrode material over as large an area as possible. The current collectors preferably consist of a metal or are at least metallized on the surface.
Insbesondere im Falle eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements auf Basis von Natrium-Ionen eignen sich als metallisches Material sowohl für den Anodenstromkollektor als auch für den Kathodenstromkollektor Aluminium oder und eine Aluminiumlegierung. Natrium-Ionen-Systeme die sowohl anoden- als auch kathodenseitig Stromkollektoren aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung aufweisen, haben sich als besonders resistent gegenüber den Auswirkungen von Tiefentladungen erwiesen.Particularly in the case of an energy storage element according to the invention based on sodium ions, aluminum or an aluminum alloy are suitable as metallic materials for both the anode current collector and the cathode current collector. Sodium ion systems that have current collectors made of aluminum or an aluminum alloy on both the anode and cathode sides have proven to be particularly resistant to the effects of deep discharges.
Geeignete Aluminiumlegierungen für den Kathodenstromkollektor sind beispielsweise Al-Legierungen vom Typ 1235, 1050, 1060, 1070, 3003, 5052, Mg3, Mg212 (Serie 3000) und GM55. Weiterhin geeignet sind AlSi, AlCuTi, AlMgSi, AlSiMg, AlSiCu, Al-CuTiMg und AlMg. Der Aluminiumanteil besagter Legierungen liegt bevorzugt oberhalb von 99,5 %.Suitable aluminum alloys for the cathode current collector are, for example, Al alloys of type 1235, 1050, 1060, 1070, 3003, 5052, Mg3, Mg212 (series 3000) and GM55. Also suitable are AlSi, AlCuTi, AlMgSi, AlSiMg, AlSiCu, Al-CuTiMg and AlMg. The aluminum content of said alloys is preferably above 99.5%.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Anodenstromkollektor und/oder dem Kathodenstromkollektor jeweils um eine bandförmige Metallfolie mit einer Dicke im Bereich von 4 µm bis 30 µm.Preferably, the anode current collector and/or the cathode current collector are each a strip-shaped metal foil with a thickness in the range of 4 µm to 30 µm.
Neben Folien können als Stromkollektoren allerdings auch andere bandförmige Substrate wie metallische oder metallisierte Vliese oder offenporige metallische Schäume oder Streckmetalle verwendet werden.In addition to films, other strip-shaped substrates such as metallic or metallized fleeces or open-pored metallic foams or expanded metals can also be used as current collectors.
Die Stromkollektoren sind bevorzugt beidseitig mit dem jeweiligen Elektrodenmaterial beladen.The current collectors are preferably loaded on both sides with the respective electrode material.
Randverstärkung des oder der StromkollektorenEdge reinforcement of the current collector(s)
Bevorzugt zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement weiterhin durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus:
- a. In dem freien Randstreifen des Kathodenstromkollektors und/oder in dem freien Randstreifen des Anodenstromkollektors ist die Oberfläche des Kathodenstromkollektors und/oder des Anodenstromkollektors mit einem Stützmaterial beschichtet, das thermisch beständiger als die damit beschichtete Oberfläche ist.
- b. Bei dem nichtmetallischen Material handelt es sich um ein keramisches Material, ein glaskeramisches Material oder um ein Glas.
- c. Bei dem keramischen Material handelt es sich um Aluminiumoxid (Al2O3), um Aluminiumhydroxid (Al(OH)3), um Aluminiumoxidhydroxid (AIOOH), um Titanoxid (TiO2), um Titannitrid (TiN), um Titanaluminiumnitrid (TiAIN) oder um Titancarbonitrid (TiCN).
- a. In the free edge strip of the cathode current collector and/or in the free edge strip of the anode current collector, the surface of the cathode current collector and/or the anode current collector is coated with a supporting material which is more thermally stable than the surface coated therewith.
- b. The non-metallic material is a ceramic material, a glass-ceramic material or a glass.
- c. The ceramic material is aluminium oxide (Al 2 O 3 ), aluminium hydroxide (Al(OH) 3 ), aluminium oxide hydroxide (AIOOH), titanium oxide (TiO 2 ), titanium nitride (TiN), titanium aluminium nitride (TiAIN) or titanium carbonitride (TiCN).
„Thermisch beständiger“ soll bedeuten, dass das Stützmaterial bei einer Temperatur, bei der die Oberfläche schmilzt, einen festen Zustand behält. Es weist also entweder einen höheren Schmelz-punkt als die Oberfläche auf oder aber es sublimiert oder zersetzt sich erst bei einer Temperatur, bei der die Oberfläche bereits geschmolzen ist.“Thermally more stable” means that the support material remains solid at a temperature at which the surface melts. It therefore has either a higher melting point than the surface or it sublimates or decomposes only at a temperature at which the surface has already melted.
Bevorzugt sind sowohl der freie Randstreifen des Kathodenstromkollektors als auch der freie Randstreifen des Anodenstromkollektors mit dem Stützmaterial beschichtet. Besonders bevorzugt wird jeweils das gleiche Stützmaterial verwendet.Preferably, both the free edge strip of the cathode current collector and the free edge strip of the anode current collector are coated with the support material. Particularly preferably, the same support material is used in each case.
Die Kontaktmetallbleche, die mit dem oder den freien Randstreifen in unmittelbarem Kontakt stehen, werden bevorzugt durch Verschweißung mit den Randstreifen verbunden. Dabei kann es zu Problemen, nämlich einem unbeabsichtigten Niederdrücken oder Schmelzen der Randstreifen der Stromkollektoren, kommen. Diesen Problemen wirkt das Stützmaterial entgegen. Es stützt die Randstreifen der Stromkollektoren mechanisch und unterbindet ein Aufschmelzen der Ränder, insbesondere wenn die Randstreifen beidseitig mit dem Stützmaterial beschichtet sind. Des Weiteren beugt das Stützmaterial auch Kurzschlüssen vor, die aus dem eingangs erwähnten Schmelzen von Separatoren des Verbundkörpers resultieren. Das Stützmaterial isoliert die damit abgedeckten freien Bereiche elektrisch. Es ist also in bevorzugten Ausführungsformen elektrisch isolierend ausgebildet.The contact metal sheets that are in direct contact with the free edge strip(s) are preferably connected to the edge strips by welding. This can lead to problems, namely accidental pressing down or melting of the edge strips of the current collectors. The support material counteracts these problems. It mechanically supports the edge strips of the current collectors and prevents the edges from melting, especially if the edge strips are coated on both sides with the support material. Furthermore, the support material also prevents short circuits that result from the melting of separators of the composite body mentioned at the beginning. The support material electrically insulates the free areas covered by it. In preferred embodiments, it is therefore designed to be electrically insulating.
Weitere Details zu geeigneten Stützmaterialien sind der
In besonders bevorzugten Ausführungsformen deckt das Stützmaterial nicht nur den Randstreifen oder einen Teil des Randstreifens des Anodenstromkollektors ab, sondern auch das auf dem Anodenstromkollektor angeordnet Elektrodenmaterial in dem Hauptbereich. Die Schicht aus dem Stützmaterial kann somit gleichzeitig auch als Deckschicht fungieren, die beispielsweise die oben beschriebene Matrix oder die oben beschriebene Nukleationsschicht abdeckt. Dies gilt bevorzugt dann, wenn das Stützmaterial eines der genannten keramischen Materialien ist.In particularly preferred embodiments, the support material covers not only the edge strip or part of the edge strip of the anode current collector, but also the electrode material arranged on the anode current collector in the main area. The layer of the support material can thus simultaneously also function as a cover layer, which covers, for example, the matrix described above or the nucleation layer described above. This preferably applies when the support material is one of the ceramic materials mentioned.
Auch die Stützschicht kann im Übrigen einen Binder umfassen, der beispielsweise keramische Partikel der Stützschicht zusammenhält.The support layer can also comprise a binder which, for example, holds ceramic particles of the support layer together.
Bevorzugte Ausführungsformen des VerbundkörpersPreferred embodiments of the composite body
Um einen direkten Kontakt entgegengesetzt gepolter Elektroden an den axialen Enden eines Wickels oder Stapels zu verhindern, verwendet man bevorzugt Separatoren, die etwas breiter sind als die zu separierenden Elektroden. Bei einem Energiespeicherelement mit gewickeltem Verbundkörper schließt der Verbundkörper somit an seinen axialen Enden in bevorzugten Ausführungsformen jeweils mit einem Separatorüberstand ab, der entsprechend die Stirnseiten bildet.In order to prevent direct contact between oppositely polarized electrodes at the axial ends of a coil or stack, separators are preferably used that are somewhat wider than the electrodes to be separated. In an energy storage element with a wound composite body, the composite body thus ends at its axial ends in preferred embodiments with a separator projection, which accordingly forms the end faces.
Im Fall der beschriebenen prismatischen Konfiguration ist es bevorzugt, dass die Ränder des oder der Separatoren die Seiten des Stapels bilden, aus denen die freien Randstreifen der Stromkollektoren hervortreten.In the case of the prismatic configuration described, it is preferred that the edges of the separator(s) form the sides of the stack from which the free edge strips of the current collectors emerge.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die aus den endständigen Stirnseiten des Wickels oder Seiten des Stapels austretenden freien Randstreifen der Stromkollektoren nicht mehr als 5500 µm, bevorzugt nicht mehr als 4000 µm, aus den Stirnseiten oder den Seiten herausragen.It is further preferred that the free edge strips of the current collectors emerging from the terminal end faces of the coil or sides of the stack do not protrude more than 5500 µm, preferably not more than 4000 µm, from the end faces or the sides.
Besonders bevorzugt ragt der freie Randstreifen des Anodenstromkollektors aus der Seite des Stapels oder der Stirnseite des Wickels nicht mehr als 3000 µm, besonders bevorzugt nicht mehr als 2000 µm, heraus. Besonders bevorzugt ragt der freie Randstreifen des Kathodenstromkollektors aus der Seite des Stapels oder der Stirnseite des Wickels nicht mehr als 4000 µm, besonders bevorzugt nicht mehr als 3000 µm, heraus.Particularly preferably, the free edge strip of the anode current collector protrudes from the side of the stack or the front side of the coil by no more than 3000 µm, particularly preferably no more than 2000 µm. Particularly preferably, the free edge strip of the cathode current collector protrudes from the side of the stack or the front side of the coil by no more than 4000 µm, particularly preferably no more than 3000 µm.
In dem als Wickel ausgebildeten Verbundkörper liegen die bandförmige Anode, die bandförmige Kathode und der oder die bandförmigen Separatoren bevorzugt spiralförmig aufgewickelt vor. Zur Herstellung des Verbundkörpers werden vorzugsweise die bandförmigen Elektroden gemeinsam mit dem oder den bandförmigen Separatoren einer Wickelvorrichtung zugeführt und bevorzugt in dieser um eine Wickelachse herum spiralförmig aufgewickelt. In einigen Ausführungsformen werden die Elektroden und der oder die Separatoren hierzu auf einen zylindrischen oder hohlzylindrischen Wickelkern aufgewickelt, der auf einem Wickeldorn sitzt und nach dem Wickeln im Wickel verbleibt.In the composite body designed as a coil, the strip-shaped anode, the strip-shaped cathode and the strip-shaped separator(s) are preferably wound spirally. To produce the composite body, the strip-shaped electrodes are preferably fed together with the strip-shaped separator(s) to a winding device and are preferably wound spirally around a winding axis in this device. In some embodiments, the electrodes and the separator(s) are wound onto a cylindrical or hollow-cylindrical winding core, which sits on a winding mandrel and remains in the coil after winding.
Der Wickelmantel kann beispielsweise durch eine Kunststofffolie oder ein Klebeband gebildet sein. Es ist auch möglich, dass der Wickelmantel durch eine oder mehrere Separatorwindungen gebildet ist.The winding jacket can be formed, for example, by a plastic film or an adhesive tape. It is also possible for the winding jacket to be formed by one or more separator windings.
Bevorzugte Ausführungsformen des ersten und/oder des zweiten KontaktmetallblechsPreferred embodiments of the first and/or second contact metal sheet
Das oder die Kontaktmetallbleche sind bevorzugt mit den jeweiligen Stromkollektoren, mit denen sie in unmittelbarem Kontakt stehen, durch Verschweißung verbunden. Besonders bevorzugt ist es mit dem freien Randstreifen des Anodenstromkollektors unmittelbar durch Verschweißung verbunden.The contact metal sheet or sheets are preferably connected by welding to the respective current collectors with which they are in direct contact. It is particularly preferably connected directly by welding to the free edge strip of the anode current collector.
In bevorzugten Ausführungsformen bestehen die Kontaktmetallbleche aus dem gleichen Material wie die Stromkollektoren, mit denen sie durch Verschweißung verbunden sind.In preferred embodiments, the contact metal sheets are made of the same material as the current collectors to which they are connected by welding.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen bestehen die Kontaktmetallbleche, insbesondere im Fall erfindungsgemäßer Energiespeicherelement auf Natrium-Ionen-Basis, aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung.In particularly preferred embodiments, the contact metal sheets, in particular in the case of sodium ion-based energy storage elements according to the invention, consist of aluminum or an aluminum alloy.
Als Aluminiumlegierung kommen die gleichen Legierungen in Frage, die auch im Zusammenhang mit Stromkollektoren aus einer Aluminiumlegierung erwähnt wurden.The same alloys that were mentioned in connection with current collectors made of an aluminum alloy can be used as aluminum alloy.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen bestehen die Kontaktmetallbleche beispielsweise aus Nickel oder Kupfer oder Titan oder einer Nickel- oder Kupfer- oder Titanlegierung oder aus Edelstahl.In other preferred embodiments, the contact metal sheets consist, for example, of nickel or copper or titanium or a nickel or copper or titanium alloy or of stainless steel.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich das erste Kontaktmetallblech durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis g. aus:
- a. Das Kontaktmetallblech weist eine bevorzugt gleichmäßige Dicke im Bereich von 50 µm bis 600 µm, bevorzugt
im Bereich von 150 µm bis 350 µm, auf. - b. Das Kontaktmetallblech weist zwei sich gegenüberliegenden Flachseiten auf und erstreckt sich im Wesentlichen nur in einer Dimension.
- c. Das Kontaktmetallblech ist eine Scheibe oder eine bevorzugt rechteckige Platte.
- d. Das Kontaktmetallblech ist derart dimensioniert, dass es mindestens 60 %, bevorzugt mindestens 70 %, besonders bevorzugt mindestens 80 %, der Seite oder Stirnseite, aus der der mit ihm verbundene freie Randstreifen des jeweiligen Stromkollektors heraustritt, abdeckt.
- e. Das Kontaktmetallblech weist mindestens eine Durchbrechung, insbesondere mindestens ein Loch und/oder mindestens einen Schlitz, auf.
- f. Das Kontaktmetallblech weist mindestens eine Sicke auf, die auf einer Flachseite des Kontaktmetallblechs als längliche Vertiefung und auf der gegenüberliegenden Flachseite als längliche Erhöhung zu Tage tritt, wobei das Kontaktmetallblech mit der Flachseite, welche die längliche Erhöhung trägt, auf dem freien Randstreifen des jeweiligen Stromkollektors aufsitzt.
- g. Das Kontaktmetallblech ist im Bereich der Sicke mit dem freien Randstreifen des Stromkollektors verschweißt, insbesondere über eine oder mehrere in der Sicke angeordnete Schweißnähte und/oder Schweißpunkte.
- a. The contact metal sheet preferably has a uniform thickness in the range of 50 µm to 600 µm, preferably in the range of 150 µm to 350 µm.
- b. The contact metal sheet has two opposing flat sides and extends essentially only in one dimension.
- c. The contact metal sheet is a disk or a preferably rectangular plate.
- d. The contact metal sheet is dimensioned such that it covers at least 60%, preferably at least 70%, particularly preferably at least 80%, of the side or front side from which the free edge strip of the respective current collector connected to it protrudes.
- e. The contact metal sheet has at least one opening, in particular at least one hole and/or at least one slot.
- f. The contact metal sheet has at least one bead which appears as an elongated depression on one flat side of the contact metal sheet and as an elongated elevation on the opposite flat side, wherein the contact metal sheet sits with the flat side which bears the elongated elevation on the free edge strip of the respective current collector.
- g. The contact metal sheet is welded to the free edge strip of the current collector in the area of the bead, in particular via one or more weld seams and/or weld points arranged in the bead.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. und d. in Kombination miteinander realisiert sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Merkmale a. und b. und d. in Kombination mit einem der Merkmale c. oder e. oder den Merkmalen f. und g realisiert. Besonders bevorzugt sind alle Merkmale a. bis g. in Kombination miteinander realisiert.It is particularly preferred that the immediately above features a. and b. and d. are implemented in combination with one another. In a preferred embodiment, the features a. and b. and d. are implemented in combination with one of the features c. or e. or the features f. and g. It is particularly preferred that all features a. to g. are implemented in combination with one another.
Die möglichst großflächige Abdeckung der Stirnseite ist für das thermische Management des erfindungsgemäßen Energiespeicherelements von Bedeutung. Je größer die Abdeckung ist, desto eher ist es möglich, den ersten Rand des Stromkollektors möglichst über seine gesamte Länge zu kontaktieren. Im Verbundkörper gebildete Wärme kann so gut über das Kontaktmetallblech abgeführt werden.Covering the front side as extensively as possible is important for the thermal management of the energy storage element according to the invention. The larger the cover, the more likely it is to be able to contact the first edge of the current collector over its entire length. Heat generated in the composite body can thus be easily dissipated via the contact metal sheet.
Besonders vorteilhaft ist, wenn das Kontaktmetallblech möglichst mit allen Windungen eines Wickels, also auch mit den innersten und äußersten Windungen des Wickels, in unmittelbarem Kontakt steht.It is particularly advantageous if the contact metal sheet is in direct contact with all turns of a winding, including the innermost and outermost turns of the winding.
Die mindestens eine Durchbrechung in dem Kontaktmetallblech kann beispielsweise zweckmäßig sein, um den Verbundkörper mit einem Elektrolyten tränken zu können.The at least one opening in the contact metal sheet can be useful, for example, to enable the composite body to be impregnated with an electrolyte.
Elektrische Anbindung des oder der KontaktmetallblecheElectrical connection of the contact metal sheet(s)
Das Kontaktmetallblech ist
- - entweder mit dem Gehäuse elektrisch verbunden oder
- - mit einem Kontaktpol, der durch das Gehäuse geführt und gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert ist, verbunden, oder
- - das Kontaktmetallblech ist ein Teil des Gehäuses, beispielsweise der Boden eines becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils oder der Deckel für ein solches becherförmig ausgebildetes Gehäuseteil.
- - either electrically connected to the housing or
- - connected to a contact pole which passes through the housing and is electrically insulated from the housing, or
- - the contact metal sheet is a part of the housing, for example the bottom of a cup-shaped housing part or the cover for such a cup-shaped housing part.
Der elektrische Kontakt zum Gehäuse oder dem Kontaktpol kann insbesondere durch Verschweißung oder eine mechanische Verbindung realisiert sein. Gegebenenfalls kann die elektrische Verbindung auch über einen separaten elektrischen Leiter bestehen.The electrical contact to the housing or the contact pole can be realized in particular by welding or a mechanical connection. If necessary, the electrical connection can also be made via a separate electrical conductor.
Zur optimalen Anbindung des oder der Kontaktmetallbleche an die Stromkollektoren kann es bevorzugt sein, Seiten oder Stirnseiten einer mechanischen Vorbehandlung zu unterziehen. Beispielsweise können die aus den Stirnseiten eines Elektrodenwickels austretenden Stromkollektorränder deformiert werden um eine passende Aufnahme für die Erhöhungen eines Kontaktmetallblechs mit mindestens einer Sicke, wie es oben beschrieben wurde, zu schaffen.For optimal connection of the contact metal sheet(s) to the current collectors, it may be preferable to subject the sides or front sides to a mechanical pre-treatment. For example, the current collector edges emerging from the front sides of an electrode coil can be deformed in order to create a suitable receptacle for the elevations of a contact metal sheet with at least one bead, as described above.
Bevorzugte Ausgestaltung der GehäuseteilePreferred design of the housing parts
Ungeachtet seiner Form (z.B. prismatisch oder zylindrisch) ist das Gehäuse eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements bevorzugt ein Metallgehäuse. Besonders bevorzugt umfasst es ein becherförmig ausgebildetes Gehäuseteil und einen Deckel.Regardless of its shape (e.g. prismatic or cylindrical), the housing of an energy storage element according to the invention is preferably a metal housing. It particularly preferably comprises a cup-shaped housing part and a cover.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b. aus:
- a. Das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil besteht aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Nickel, Kupfer, Edelstahl oder einem vernickelten Stahl.
- b. Der Deckel besteht aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Nickel, Kupfer, Edelstahl oder einem vernickelten Stahl.
- a. The cup-shaped housing part is made of aluminum, an aluminum alloy, nickel, copper, stainless steel or nickel-plated steel.
- b. The lid is made of aluminum, an aluminum alloy, nickel, copper, stainless steel or nickel-plated steel.
Besonders bevorzugt sind die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. in Kombination realisiert.Particularly preferably, the immediately preceding features a. and b. are implemented in combination.
In einigen Ausführungsformen ist eine direkte Anbindung des freien Randstreifens eines der Stromkollektoren an das Gehäuse wünschenswert. Zu diesem Zweck kann der freie Randstreifen dieses Stromkollektors beispielsweise mittels eines Lasers an den Boden eines becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils geschweißt werden. Dieser Boden dient in diesem Fall als Kontaktplatte.In some embodiments, a direct connection of the free edge strip of one of the current collectors to the housing is desirable. For this purpose, the free edge strip of this current collector can be welded, for example by means of a laser, to the bottom of a cup-shaped housing part. In this case, this bottom serves as a contact plate.
Umgekehrt kann es in einigen Ausführungsformen vorgesehen sein, dass eine Kontaktplatte als Deckel, also als Teil des Gehäuses, dient.Conversely, in some embodiments it may be provided that a contact plate serves as a cover, i.e. as part of the housing.
Insbesondere im Fall von Natrium-Ionen-Zellen kann es in besonders bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen sein, dass sowohl das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil als auch der Deckel aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung bestehen.Particularly in the case of sodium-ion cells, it can be provided in particularly preferred embodiments that both the cup-shaped housing part and the lid are made of aluminum or an aluminum alloy.
Geeignete Aluminiumlegierungen für das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil sind beispielsweise Al-Legierungen vom Typ 1235, 1050, 1060, 1070, 3003, 5052, Mg3, Mg212 (Serie 3000) und GM55. Weiterhin geeignet sind AlSi, AlCuTi, AlMgSi, AlSiMg, AlSiCu, AlCuTiMg und AlMg. Der Aluminiumanteil besagter Legierungen liegt bevorzugt oberhalb von 99,5 %.Suitable aluminum alloys for the cup-shaped housing part are, for example, Al alloys of type 1235, 1050, 1060, 1070, 3003, 5052, Mg3, Mg212 (series 3000) and GM55. Also suitable are AlSi, AlCuTi, AlMgSi, AlSiMg, AlSiCu, AlCuTiMg and AlMg. The aluminum content of said alloys is preferably above 99.5%.
In einigen Ausführungsformen ist der Boden des becherförmigen Gehäuseteils eingeschweißt, wurde also separat gefertigt und mit der Seitenwand oder den Seitenwänden durch Verschweißung verbunden. In den meisten Fällen ist das becherförmige Gehäuseteil allerdings durch Tiefziehen gefertigt.In some embodiments, the bottom of the cup-shaped housing part is welded in, i.e. it is manufactured separately and connected to the side wall or walls by welding. In most cases, however, the cup-shaped housing part is manufactured by deep drawing.
Bevorzugte Nennkapazität des EnergiespeicherelementsPreferred nominal capacity of the energy storage element
Die Nennkapazität eines als zylindrische Rundzelle ausgebildeten erfindungsgemäßen Energiespeicherelements auf Natrium-Ionen-Basis beträgt bevorzugt bis zu 10000 mAh. Mit einem Formfaktor von 21 x 70 hat das Energiespeicherelement in einer Ausführungsform als Natrium-Ionen-Zelle bevorzugt eine Nennkapazität im Bereich von 1000 mAh bis 5000 mAh.The nominal capacity of a sodium ion-based energy storage element according to the invention designed as a cylindrical round cell is preferably up to 10,000 mAh. With a form factor of 21 x 70, the energy storage element in one embodiment as a sodium ion cell preferably has a nominal capacity in the range of 1,000 mAh to 5,000 mAh.
Isolation von Innenableiterninsulation of internal arresters
In besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch die unmittelbar folgenden Merkmale a. bis g. aus:
- a. Es umfasst ein luft- und flüssigkeitsdicht verschlossenes Gehäuse, das ein metallisches becherförmig ausgebildetes Gehäuseteil mit dem Boden und einer endständigen kreisförmigen Öffnung sowie einen Deckel mit einem kreisförmigen Rand, welche die endständige kreisförmige Öffnung verschließt, aufweist.
- b. In dem becherförmig ausgebildeten Gehäuseteil ist der Verbundkörper in axialer Ausrichtung angeordnet, wobei die erste Stirnseite in Richtung des Deckels und die zweite Stirnseite in Richtung des Bodens weist, gegebenenfalls unmittelbar mit dem Boden in Kontakt steht.
- c. Es umfasst eine ringförmige Dichtung aus einem elektrisch isolierenden Material, die den kreisförmigen Rand des Deckels umschließt und das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil und den Deckel elektrisch voneinander isoliert.
- d. Das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil umfasst eine Innenseite und eine Außenseite und in axialer Abfolge den Boden, einen Zentralabschnitt und einen Verschlussabschnitt, wobei
- - der Zentralabschnitt zylindrisch ausgebildet ist und in dem Zentralabschnitt der Wickelmantel des als Wickel ausgebildeten Verbundkörpers mit der Innenseite des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils in Kontakt steht, und
- - in dem Verschlussabschnitt die ringförmige Dichtung in einem Presskontakt mit dem Deckel und der Innenseite des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils steht.
- e. Der Zentralabschnitt und der Verschlussabschnitt sind durch eine Einbuchtung, welche die Außenseite des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils ringförmig umläuft, getrennt.
- f. Das Kontaktmetallblech ist mit dem freien Randstreifen des aus der ersten endständigen Stirnseite austretenden Stromkollektors durch Verschweißung und mit dem Deckel elektrisch, bevorzugt ebenfalls durch Verschweißung, verbunden.
- g. Das Energiespeicherelement umfasst mindestens ein Isolierelement aus einem elektrisch isolierenden Material, das das Kontaktmetallblech und/oder den ersten Längsrand des aus der ersten endständigen Stirnseite austretenden Stromkollektors und/oder einen an dem Kontaktmetallblech fixierten separaten elektrischen Leiter vor einem unmittelbaren Kontakt mit der Innenseite des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils schützt, insbesondere im Bereich der Einbuchtung.
- a. It comprises an air- and liquid-tight housing which has a metallic cup-shaped housing part with the base and a terminal circular opening and a lid with a circular edge which closes the terminal circular opening.
- b. In the cup-shaped housing part, the composite body is arranged in an axial orientation, with the first end face pointing towards the lid and the second end face pointing towards the bottom, optionally being in direct contact with the bottom.
- c. It comprises an annular seal made of an electrically insulating material which encloses the circular edge of the lid and electrically insulates the cup-shaped housing part and the lid from each other.
- d. The cup-shaped housing part comprises an inner side and an outer side and in axial sequence the base, a central section and a closure section, wherein
- - the central section is cylindrical and in the central section the winding jacket of the composite body designed as a winding is in contact with the inside of the cup-shaped housing part, and
- - in the closure section, the annular seal is in press contact with the lid and the inside of the cup-shaped housing part.
- e. The central section and the closure section are separated by a recess which runs in a ring around the outside of the cup-shaped housing part.
- f. The contact metal sheet is connected to the free edge strip of the current collector emerging from the first terminal face by welding and is electrically connected to the cover, preferably also by welding.
- g. The energy storage element comprises at least one insulating element made of an electrically insulating material which protects the contact metal sheet and/or the first longitudinal edge of the current collector emerging from the first terminal end face and/or a separate electrical conductor fixed to the contact metal sheet from direct contact with the inside of the cup-shaped housing part, in particular in the region of the indentation.
Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, dass das Risiko eines Kurzschlusses im zellinternen Kontaktbereich reduziert wird. Beispielsweise im Zusammenhang mit einer Höhenkalibrierung auftretende axiale Kräfte führen in der Regel nicht mehr zu unmittelbaren Kontakten entgegengesetzt gepolter Zellkomponenten. Diese werden durch das mindestens eine Isolierelement unterbunden.This measure ensures that the risk of a short circuit in the cell-internal contact area is reduced. Axial forces that occur, for example, in connection with height calibration, generally no longer lead to direct contact between cell components with opposite polarity. This is prevented by at least one insulating element.
In einer ersten bevorzugten Weiterbildung dieser bevorzugten Ausführungsform zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus:
- a. Das mindestens eine Isolierelement ist oder umfasst ein Isolierband, das auf die Kante, welche die Stirnseite begrenzt, aufgebracht ist und diese vor einem unmittelbaren Kontakt mit der Innenseite schützt.
- b. Das mindestens eine Isolierelement ist oder umfasst ringförmiges Formteil aus Kunststoff mit bevorzugt L-förmigem Querschnitt, das auf die Kante, welche die Stirnseite begrenzt, aufgebracht ist und diese vor einem unmittelbaren Kontakt mit der Innenseite schützt.
- c. Das Isolierband oder das ringförmige Formteil aus Kunststoff weist eine Dicke im Bereich von 10 µm bis 200 µm auf.
- a. The at least one insulating element is or comprises an insulating tape which is applied to the edge which delimits the front side and protects it from direct contact with the inner side.
- b. The at least one insulating element is or comprises an annular molded part made of plastic with a preferably L-shaped cross-section, which is applied to the edge which delimits the front side and protects it from direct contact with the inner side.
- c. The insulating tape or the ring-shaped plastic molded part has a thickness in the range of 10 µm to 200 µm.
Es ist bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und c. sowie b. und c. in Kombination realisiert sind.It is preferred that the immediately preceding features a. and c. as well as b. and c. are realized in combination.
Bei dem Isolierband kann es sich beispielsweise um ein Kapton/Polyimid-Klebeband handeln.The insulating tape can, for example, be a Kapton/polyimide adhesive tape.
Das ringförmige Formteil aus Kunststoff mit bevorzugt L-förmigem Querschnitt kann beispielsweise durch Spritzguss gefertigt sein und auf die zu schützende Kante aufgeschoben werden. Es kann beispielsweise aus Teflon oder aus Polyamid bestehen.The ring-shaped plastic part, preferably with an L-shaped cross-section, can be manufactured by injection molding, for example, and pushed onto the edge to be protected. It can be made of Teflon or polyamide, for example.
In einer zweiten bevorzugten Weiterbildung dieser bevorzugten Ausführungsform zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus:
- a. Das mindestens eine Isolierelement ist oder umfasst ein ringförmiges Isolierelement aus Kunststoff, das an der Innenseite des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils im Bereich der Einbuchtung anliegt und diese vor einem unmittelbaren Kontakt mit dem Kontaktmetallblech schützt.
- b. Das ringförmige Isolierelement ist ein Teilabschnitt der ringförmigen Dichtung.
- c. Das ringförmige Isolierelement aus Kunststoff weist eine Dicke im Bereich von 20 µm bis 400 µm auf.
- a. The at least one insulating element is or comprises an annular insulating element made of plastic, which rests on the inside of the cup-shaped housing part in the region of the indentation and protects it from direct contact with the contact metal sheet.
- b. The annular insulating element is a partial section of the annular seal.
- c. The ring-shaped plastic insulating element has a thickness in the range of 20 µm to 400 µm.
Es ist bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. in Kombination realisiert sind. Besonders bevorzugt sind die Merkmale a. bis c. in Kombination realisiert.It is preferred that the immediately above features a. and b. are implemented in combination. Particularly preferably, features a. to c. are implemented in combination.
Auch das ringförmige Isolierelement kann ein Spritzgussteil sein, wie im Übrigen auch die ringförmige Dichtung. Die Dicke des Isolierelements liegt bevorzugt in einem Bereich von 20 µm bis 400 µm.The ring-shaped insulating element can also be an injection-molded part, as can the ring-shaped seal. The thickness of the insulating element is preferably in a range from 20 µm to 400 µm.
Das ringförmige Isolierelement kann beispielsweise aus Teflon, aus Polyamid, aus Polybutylenterephtalat oder aus einem Perfluoralkoxy-Polymer bestehen.The ring-shaped insulating element can, for example, consist of Teflon, polyamide, polybutylene terephthalate or a perfluoroalkoxy polymer.
In einer dritten bevorzugten Weiterbildung dieser bevorzugten Ausführungsform zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis d. aus:
- a. Das mindestens eine Isolierelement ist oder umfasst ein ringförmiges Kunststoffteil, das das Kontaktmetallblech umschließt und dieses vor einem unmittelbaren Kontakt mit der Innenseite des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils im Bereich der Einbuchtung schützt.
- b. Das ringförmige Kunststoffteil ist hohlzylindrisch ausgebildet, umfasst einen Mantel und wird stirnseitig durch je einen umlaufenden Rand begrenzt.
- c. Das ringförmige Kunststoffteil ist hohlzylindrisch ausgebildet, umfasst einen Mantel und wird stirnseitig durch je einen umlaufenden Rand begrenzt, wobei einer der Ränder auf als nach außen gerichteter ringförmiger Kragen ausgebildet ist und auf dem Kontaktmetallblech aufsitzt.
- d. Das ringförmige Kunststoffteil weist eine Dicke im Bereich von 20 µm bis 600 µm auf.
- a. The at least one insulating element is or comprises an annular plastic part which encloses the contact metal sheet and protects it from direct contact with the inside of the cup-shaped housing part in the region of the indentation.
- b. The ring-shaped plastic part is hollow-cylindrical, comprises a casing and is limited on each end by a circumferential edge.
- c. The ring-shaped plastic part is hollow-cylindrical, comprises a casing and is delimited at the front by a circumferential edge, whereby one of the edges is designed as an outward-facing ring-shaped collar and sits on the contact metal sheet.
- d. The ring-shaped plastic part has a thickness in the range of 20 µm to 600 µm.
Es ist bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b., besonders bevorzugt die Merkmale a. und b. und d., in Kombination realisiert sind. Besonders bevorzugt sind die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und c. und d. in Kombination realisiert.It is preferred that the immediately preceding features a. and b., particularly preferably the features a. and b. and d., are implemented in combination. Particularly preferably the immediately preceding features a. and c. and d. are implemented in combination.
Auch das ringförmige Kunststoffteil kann ein Spritzgussteil sein. Die Dicke des Kunststoffteils liegt bevorzugt in einem Bereich von 20 µm bis 600 µm.The ring-shaped plastic part can also be an injection-molded part. The thickness of the plastic part is preferably in a range of 20 µm to 600 µm.
Das Kunststoffteil kann beispielsweise aus kann beispielsweise aus Teflon, aus Polyamid, aus Polybutylenterephtalat oder aus einem Perfluoralkoxy-Polymer gefertigt sein.The plastic part can, for example, be made of Teflon, polyamide, polybutylene terephthalate or a perfluoroalkoxy polymer.
In einer vierten bevorzugten Weiterbildung dieser bevorzugten Ausführungsform zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis d. aus:
- a. Das mindestens eine Isolierelement ist oder umfasst eine elektrisch isolierende Kunststoffbeschichtung, die einen Rand des Kontaktmetallblechs umschließt und diesen vor einem unmittelbaren Kontakt mit der Innenseite des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils, insbesondere im Bereich der Einbuchtung, schützt.
- b. Die elektrisch isolierende Beschichtung ist durch Umspritzen des Randes des Kontaktmetallblechs gebildet.
- a. The at least one insulating element is or comprises an electrically insulating plastic coating which encloses an edge of the contact metal sheet and protects it from direct contact with the inside of the cup-shaped housing part, in particular in the region of the indentation.
- b. The electrically insulating coating is formed by overmolding the edge of the contact metal sheet.
Es ist bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. in Kombination realisiert sind.It is preferred that the immediately preceding features a. and b. are realized in combination.
Zum Umspritzen des Randes des Kontaktmetallblechs eignen sich im Grunde alle thermoplastischen Kunststoffe mit elektrisch isolierenden Eigenschaften. Geeignet ist beispielsweise Polyamid.Basically, all thermoplastics with electrically insulating properties are suitable for overmolding the edge of the contact metal sheet. Polyamide, for example, is suitable.
Erfindungsgemäß sind auch Kombinationen der beschriebenen vier besonders bevorzugten Ausführungsformen. So zeichnet sich das Energiespeicherelement besonders bevorzugt durch eine Kombination von zwei oder mehr der vier unmittelbar folgenden Merkmale a. bis d. aus:
- a. Das mindestens eine Isolierelement umfasst ein Isolierband oder ringförmiges Formteil aus Kunststoff, das auf die Kante, welche die Stirnseite begrenzt, aufgebracht ist und diese vor einem unmittelbaren Kontakt mit der Innenseite schützt, also ein Isolierband oder ein ringförmiges Formteil gemäß der ersten besonders bevorzugten Ausführungsform, und/oder
- b. das mindestens eine Isolierelement umfasst ein ringförmiges Isolierelement, das an der Innenseite des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils im Bereich der Einbuchtung anliegt und diese vor einem unmittelbaren Kontakt mit dem Kontaktmetallblech schützt, also ein ringförmiges Isolierelement gemäß der zweiten besonders bevorzugten Ausführungsform, und/oder
- c. das mindestens eine Isolierelement umfasst ein ringförmiges Kunststoffteil, das das Kontaktmetallblech umschließt und dieses vor einem unmittelbaren Kontakt mit der Innenseite des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils im Bereich der Einbuchtung schützt, also ein ringförmiges Kunststoffteil gemäß der dritten besonders bevorzugten Ausführungsform, und/oder
- d. das mindestens eine Isolierelement ist oder umfasst eine elektrisch isolierende Kunststoffbeschichtung, die einen Rand des Kontaktmetallblechs umschließt und diesen vor einem unmittelbaren Kontakt mit der Innenseite des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils, insbesondere im Bereich der Einbuchtung, schützt, also eine Kunststoffbeschichtung gemäß der vierten besonders bevorzugten Ausführungsform.
- a. The at least one insulating element comprises an insulating tape or annular molded part made of plastic, which is applied to the edge which delimits the front side and protects it from direct contact with the inner side, i.e. an insulating tape or annular molded part according to the first particularly preferred embodiment, and/or
- b. the at least one insulating element comprises an annular insulating element which rests on the inside of the cup-shaped housing part in the region of the indentation and protects it from direct contact with the contact metal sheet, i.e. an annular insulating element according to the second particularly preferred embodiment, and/or
- c. the at least one insulating element comprises an annular plastic part which encloses the contact metal sheet and protects it from direct contact with the inside of the cup-shaped housing part in the region of the indentation, i.e. an annular plastic part according to the third particularly preferred embodiment, and/or
- d. the at least one insulating element is or comprises an electrically insulating plastic coating which encloses an edge of the contact metal sheet and protects it from direct contact with the inside of the cup-shaped housing part, in particular in the region of the indentation, i.e. a plastic coating according to the fourth particularly preferred embodiment.
Es ist bevorzugt, dass sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der folgenden Merkmale a. bis c. auszeichnet:
- a. Das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil weist in dem Zentralabschnitt und dem Verschlussabschnitt einen identischen maximalen Außendurchmesser auf.
- b. Im Bereich der Einbuchtung ist der Außendurchmesser des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils um das 4- bis 20-fache der Wandstärke des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils in diesem Bereich reduziert.
- a. The cup-shaped housing part has an identical maximum outer diameter in the central section and the closure section.
- b. In the area of the indentation, the outer diameter of the cup-shaped housing part is reduced by 4 to 20 times the wall thickness of the cup-shaped housing part in this area.
Es ist bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. in Kombination realisiert sind.It is preferred that the immediately preceding features a. and b. are realized in combination.
Zellverschluss durch Vergussmassecell closure by potting compound
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch die unmittelbar folgenden Merkmale a. bis g. aus:
- a. Es umfasst ein luft- und flüssigkeitsdicht verschlossenes Gehäuse, das ein metallisches, becherförmig ausgebildetes Gehäuseteil mit einem Boden und einer endständigen Öffnung sowie einen Deckel, welche die endständige Öffnung verschließt, aufweist.
- b. Der Deckel umfasst eine metallische Deckelplatte und einen Anschlusspol, der durch eine Durchbrechung in der Deckelplatte geführt und gegenüber der Deckelplatte elektrisch isoliert ist,
- c. In dem becherförmig ausgebildeten Gehäuseteil ist der Verbundkörper angeordnet, wobei dieser mit einer Seite in Richtung des Deckels und mit einer zweiten Seite in Richtung des Bodens weist, gegebenenfalls unmittelbar mit dem Boden in Kontakt steht.
- d. Der die Kathode und die Anode sind derart ausgebildet und/oder innerhalb des Verbundkörpers derart zueinander angeordnet, dass der freie Randstreifen des Kathodenstromkollektors aus der Seite des Verbundkörpers und der freie Randstreifen des Anodenstromkollektors aus einer Seite des Verbundkörpers austritt, und
- e. Das Kontaktmetallblech sitzt unmittelbar auf dem freien Randstreifen eines der aus einer der Seiten des Verbundkörpers austretenden Stromkollektoren auf und ist mit diesem durch Verschweißung verbunden.
- f. Das Kontaktmetallblech ist entweder mit dem durch die Durchbrechung in der Deckelplatte geführten Anschlusspol elektrisch verbunden, vorzugsweise unmittelbar mit dem Anschlusspol unmittelbar verschweißt, oder der Anschlusspol ist ein Teil des Kontaktmetallblechs.
- g. Der Anschlusspol ist durch eine ausgehärtete Vergussmasse aus einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial von der Deckelplatte elektrisch isoliert.
- a. It comprises an air- and liquid-tight housing which has a metallic, cup-shaped housing part with a base and an end opening as well as a lid which closes the end opening.
- b. The cover comprises a metallic cover plate and a connection pole which is guided through an opening in the cover plate and is electrically insulated from the cover plate,
- c. The composite body is arranged in the cup-shaped housing part, with one side pointing towards the lid and a second side pointing towards the bottom, possibly being in direct contact with the bottom.
- d. The cathode and the anode are designed and/or arranged relative to one another within the composite body in such a way that the free edge strip of the cathode current collector emerges from the side of the composite body and the free edge strip of the anode current collector emerges from one side of the composite body, and
- e. The contact metal sheet sits directly on the free edge strip of one of the current collectors emerging from one of the sides of the composite body and is connected to it by welding.
- f. The contact metal sheet is either electrically connected to the connection pole passing through the opening in the cover plate, preferably directly welded to the connection pole, or the connection pole is part of the contact metal sheet.
- g. The connection pole is electrically insulated from the cover plate by a hardened potting compound made of an electrically insulating plastic material.
Ein Deckel dieser Ausgestaltung gewährleistet, dass sich zwischen dem Verbundkörper und der metallischen Deckelplatte im Grunde überhaupt kein Totvolumen findet. Jeglicher Raum zwischen dem Kontaktmetallblech, dem Anschlusspol und der Deckelplatte kann mit der Vergussmasse gefüllt werden. Ein Deckel mit den genannten Merkmalen kann sehr kompakt gebaut werden.A cover of this design ensures that there is essentially no dead volume between the composite body and the metal cover plate. Any space between the contact metal sheet, the connection pole and the cover plate can be filled with the potting compound. A cover with the features mentioned can be built very compactly.
Weiterhin hat ein Energiespeicherelement mit den unmittelbar vorstehenden Merkmalen a. bis g. den Vorteil, dass es möglich ist, über den Deckel sowohl die Anode als auch die Kathode elektrisch zu kontaktieren.Furthermore, an energy storage element with the immediately above features a. to g. has the advantage that it is possible to electrically contact both the anode and the cathode via the cover.
In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch das unmittelbar folgende Merkmal a. aus:
- a. Der nicht mit dem Kontaktmetallblech in unmittelbarem Kontakt stehende Randstreifen des Kathodenstromkollektors oder des Anodenstromkollektors ist elektrisch mit dem Gehäuseboden verbunden, bevorzugt unmittelbar an den Gehäuseboden geschweißt.
- a. The edge strip of the cathode current collector or the anode current collector which is not in direct contact with the contact metal sheet is electrically connected to the housing base, preferably welded directly to the housing base.
In vielen Fällen ist es bei dieser Ausführungsform bevorzugt, dass das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil positiv gepolt ist und der Anschlusspol ein negativer Anschlusspol ist. In diesen Fällen zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch das unmittelbar folgende Merkmal a., gegebenenfalls in Kombination mit mindestens einem weiteren der unmittelbar folgenden Merkmale b. und c., aus:
- a. Das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil ist elektrisch mit der Kathode verbunden.
- b. Das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil besteht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
- c. Die Deckelplatte besteht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
- a. The cup-shaped housing part is electrically connected to the cathode.
- b. The cup-shaped housing part is made of aluminum or an aluminum alloy.
- c. The cover plate is made of aluminum or an aluminum alloy.
Besonders bevorzugt sind die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis c. in Kombination realisiert.Particularly preferably, the immediately preceding features a. to c. are implemented in combination.
In dieser Ausführungsform besteht das Gehäuse des Energiespeicherelements in wesentlichen Teilen aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung. Dies hat diverse Vorteile. Die Ausbildung von Lokalelementen bei einem Kontakt der Außenseite der Zelle mit Feuchtigkeit ist ausgeschlossen. Das Gehäuse selbst kann im Grunde auf allen seinen Seiten als positiver Anschlusspol dienen. Besonders bevorzugt wird die Zelle allerdings ausschließlich über den Deckel kontaktiert, wo sich ja auch der negative Anschlusspol befindet. Hierzu kann ein Stromleiter unmittelbar an die Deckelplatte geschweißt werden oder alternativ an dem separaten Anschlusspol fixiert werden, beispielsweise mittels Verschweißung.In this embodiment, the housing of the energy storage element consists essentially of aluminum or an aluminum alloy. This has various advantages. The formation of local elements when the outside of the cell comes into contact with moisture is excluded. The housing itself can basically serve as a positive connection pole on all of its sides. However, it is particularly preferred that the cell is contacted exclusively via the cover, where the negative connection pole is also located. For this purpose, a current conductor can be welded directly to the cover plate or alternatively fixed to the separate connection pole, for example by welding.
In weiteren Fällen kann es bevorzugt sein, dass das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil negativ gepolt ist und der Anschlusspol ein positiver Anschlusspol ist. In diesen Fällen zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch das unmittelbar folgende Merkmal a., gegebenenfalls in Kombination mit mindestens einem weiteren der unmittelbar folgenden Merkmale b. und c., aus:
- a. Das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil ist elektrisch mit der Anode verbunden.
- b. Das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil besteht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
- c. Die Deckelplatte besteht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
- a. The cup-shaped housing part is electrically connected to the anode.
- b. The cup-shaped housing part is made of aluminum or an aluminum alloy.
- c. The cover plate is made of aluminum or an aluminum alloy.
Besonders bevorzugt sind die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis c. in Kombination realisiert.Particularly preferably, the immediately preceding features a. to c. are implemented in combination.
In bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b. aus:
- a. Zwischen der Deckelplatte und dem Kontaktmetallblech befindet sich ein ringförmiger Spalt, der mit der Vergussmasse befüllt ist.
- b. Der ringförmige Spalt wird radial nach außen durch eine O-Ring-förmige Isolierscheibe aus einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial begrenzt.
- a. Between the cover plate and the contact metal sheet there is an annular gap which is filled with the potting compound.
- b. The annular gap is limited radially outwards by an O-ring-shaped insulating disc made of an electrically insulating plastic material.
In weiteren besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus:
- a. Das Kontaktmetallblech besteht aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung.
- b. Der Anschlusspol besteht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
- c. Das Kontaktmetallblech und der Anschlusspol und Kathodenstromkollektor bestehen aus dem gleichen Material.
- a. The contact metal sheet is made of aluminum or an aluminum alloy.
- b. The connecting pole is made of aluminum or an aluminum alloy.
- c. The contact metal sheet and the terminal pole and cathode current collector are made of the same material.
In Ausführungsformen, bei denen der Anschlusspol ein Teil des Kontaktmetallblechs ist, dient das Kontaktmetallblech gleichzeitig als Ableiter für den Strom aus dem Anoden- oder Kathodenstromkollektor und als Pol. Entsprechend bedarf es keines separaten elektrischen Leiters, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, und dort in der Regel zwischen einem Deckel oder einer Deckelbaugruppe und einer Kontaktplatte, wie sie in der
Das Kontaktmetallblech umfasst in dieser Ausführungsform bevorzugt einen flachen Bereich, der unmittelbar auf dem freien Randstreifen eines der aus einer der Seiten des Verbundkörpers austretenden Stromkollektoren aufsitzt und mit diesem durch Verschweißung verbunden ist, und einen von der dieser Seite weg weisenden Vorsprung. Der Vorsprung dient als der Anschlusspol und ist bevorzugt durch die Durchbrechung in der Deckelplatte geführt.In this embodiment, the contact metal sheet preferably comprises a flat region which sits directly on the free edge strip of one of the current collectors emerging from one of the sides of the composite body and is connected to it by welding, and a projection pointing away from this side. The projection serves as the connection pole and is preferably guided through the opening in the cover plate.
Bevorzugt zeichnet sich das Kontaktmetallblech durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b. aus:
- a. Der von der ersten endständigen Stirnseite weg weisende Vorsprung des Metallteils ist napfförmig ausgebildet.
- b. Das Kontaktmetallblech einschließlich des Vorsprungs ist einstückig ausgebildet.
- a. The projection of the metal part pointing away from the first terminal face is cup-shaped.
- b. The contact metal sheet including the projection is formed in one piece.
Es ist bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. in Kombination realisiert sind.It is preferred that the immediately preceding features a. and b. are realized in combination.
Das Kontaktmetallblech mit dem napfförmigen Vorsprung kann beispielsweise in einem Tiefziehprozess hergestellt werden, es ist dann zugleich bevorzugt einstückig ausgebildet. Es kann aber beispielsweise auch durch einen umformenden oder spanenden Fertigungsschritt aus einem metallischen Werkstück oder mittels 3D-Druck gefertigt werden.The contact metal sheet with the cup-shaped projection can be produced, for example, in a deep-drawing process, and is then preferably formed in one piece. However, it can also be manufactured, for example, by a forming or machining production step from a metallic workpiece or by means of 3D printing.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch die folgenden Merkmale a. und b. aus:
- a. der Gehäuseboden des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils weist eine Primärsicherung gegen internen Überdruck in Form einer Durchbrechung, die mittels einer metallischen Membran verschlossen ist, auf.
- b. der Gehäuseboden des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils weist eine Sekundärsicherung gegen internen Überdruck in Form mindestens einer Nut auf seiner Innenseite oder seiner Außenseite auf.
- a. the housing base of the cup-shaped housing part has a primary protection against internal overpressure in the form of an opening which is closed by means of a metallic membrane.
- b. the housing base of the cup-shaped housing part has a secondary protection against internal overpressure in the form of at least one groove on its inside or outside.
Die Primärsicherung hat die Funktion, beim Auftreten eines unzulässigen Überdrucks oberhalb eines definierten Schwellwerts einen kontrollierten Druckausgleich herbeizuführen. Die Membran wird in diesem Fall durch den Druck aufgesprengt oder abgesprengt, im Gehäuseinneren gebildetes Gas kann durch die Durchbrechung im Gehäuseboden entweichen.The primary safety device has the function of bringing about a controlled pressure equalization when an inadmissible overpressure above a defined threshold occurs. In this case, the membrane is If the case is burst open or blown off by pressure, gas formed inside the case can escape through the hole in the case bottom.
Die Sekundärsicherung ist für Fälle vorgesehen, bei denen ein Druckausgleich über die Primärsicherung nicht schnell genug erfolgt. In diesem Fall kann der Gehäuseboden bedingt durch den Überdruck entlang der Nut, die nichts anderes als eine Schwächung der Struktur des Gehäusebodens darstellt, aufreißen, so dass eine Austrittsöffnung mit vergleichsweise großem Querschnitt entsteht, über den im Gehäuseinneren gebildetes Gas entweichen kann.The secondary fuse is intended for cases where pressure equalization via the primary fuse does not occur quickly enough. In this case, the housing base can rupture due to the excess pressure along the groove, which represents nothing more than a weakening of the structure of the housing base, so that an outlet opening with a comparatively large cross-section is created through which gas formed inside the housing can escape.
Solche Sicherungslösungen sind für sich genommen bereits bekannt. Durch geeignete Ausbildung der Nut und der Membran kann präzise eingestellt werden, bei welchem Druck die Sicherungen auslösen.Such safety solutions are already known. By appropriately designing the groove and the membrane, the pressure at which the safety devices are triggered can be precisely adjusted.
Da die genannten Sicherheitsfunktionen nicht - wie bei vielen klassischen Zellen - im Deckel sondern stattdessen im Gehäuseboden integriert sind, ist es möglich, den Deckel äußerst kompakt zu bauen. Es ist auch nicht zwingend eine Vorassemblierung des Deckels erforderlich. Der Deckel kann vielmehr bei der Gehäusemontage hergestellt werden.Since the safety functions mentioned are not integrated into the lid - as is the case with many classic cells - but instead into the housing base, it is possible to build the lid extremely compactly. Pre-assembly of the lid is also not absolutely necessary. The lid can instead be manufactured during housing assembly.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis e. aus:
- a. Die Deckelplatte ist in die endständige Öffnung des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils eingeschweißt.
- b. Das Kontaktmetallblech ist mit dem Kontaktmetallblech des Anodenstromkollektors oder dem freien Randstreifen des Kathodenstromkollektors durch Verschweißung verbunden.
- c. Der nicht mit dem Kontaktmetallblech in unmittelbarem Kontakt stehende freie Randstreifen sitzt unmittelbar auf dem Gehäuseboden auf.
- d. Der nicht mit dem Kontaktmetallblech in unmittelbarem Kontakt stehende freie Randstreifen ist durch Verschweißung mit dem Gehäuseboden verbunden.
- e. Die mindestens eine Nut findet sich auf der Innenseite des Gehäusebodens.
- a. The cover plate is welded into the terminal opening of the cup-shaped housing part.
- b. The contact metal sheet is connected to the contact metal sheet of the anode current collector or the free edge strip of the cathode current collector by welding.
- c. The free edge strip not in direct contact with the contact metal sheet sits directly on the housing base.
- d. The free edge strip not in direct contact with the contact metal sheet is connected to the housing base by welding.
- e. At least one groove is located on the inside of the housing base.
Bevorzugt sind die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis d. in Kombination realisiert, besonders bevorzugt die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis e..Preferably, the immediately preceding features a. to d. are implemented in combination, particularly preferably the immediately preceding features a. to e.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch das folgende Merkmal a. aus:
- a. Die metallische Membran ist durch Verschweißung am Boden des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils fixiert.
- a. The metallic membrane is fixed by welding to the bottom of the cup-shaped housing part.
Der Boden des becherförmigen Gehäuseteils kann eine flache Vertiefung aufweisen, in die die Membran eingelegt wird, so dass sie nicht aufträgt. Bevorzugt ist sie über eine kreisförmige Schweißnaht, die um die Durchbrechung im Boden herumgeführt ist, mit dem Boden verbunden.The base of the cup-shaped housing part can have a shallow recess into which the membrane is placed so that it does not add bulk. It is preferably connected to the base via a circular weld seam that runs around the opening in the base.
Die Dicke der Membran kann an den Druck, bei dem die Sicherung auslösen soll, angepasst werden.The thickness of the membrane can be adjusted to the pressure at which the fuse should trigger.
In bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis g. aus:
- a. Der Gehäuseboden weist mindestens eine Sicke auf, die auf seiner Außenseite als längliche Vertiefung und auf seiner Innenseite als längliche Erhöhung zu Tage tritt, wobei der nicht mit dem Kontaktmetallblech in unmittelbarem Kontakt stehende Randstreifen des Kathodenstromkollektors oder des Anodenstromkollektors auf der Innenseite aufsitzt.
- b. Der nicht mit dem Kontaktmetallblech in unmittelbarem Kontakt stehende Randstreifen des Kathodenstromkollektors oder des Anodenstromkollektors ist elektrisch mit dem Gehäuseboden verbunden, bevorzugt unmittelbar an den Gehäuseboden geschweißt.
- c. Der Gehäuseboden ist im Bereich der Sicke mit dem freien Randstreifen des Anodenstromkollektors oder dem freien Randstreifen des Kathodenstromkollektors verschweißt.
- d. Die Durchbrechung ist im Zentrum des Gehäusebodens positioniert.
- e. Die mindestens eine Sicke umfasst mehrere lineare Sicken, insbesondere drei Sicken, die in sternförmiger Anordnung um die Durchbrechung herum angeordnet sind.
- f. Die mindestens eine Sicke umfasst mehrere lineare Teilabschnitte, die in sternförmiger Anordnung um die Durchbrechung herum angeordnet sind.
- g. Die mindestens eine Sicke umfasst einen um die Durchbrechung herumlaufenden Teilabschnitt, der die sternförmig angeordneten linearen Teilabschnitte miteinander verbindet.
- a. The housing base has at least one bead which appears on its outer side as an elongated depression and on its inner side as an elongated elevation, with the edge strip of the cathode current collector or the anode current collector which is not in direct contact with the contact metal sheet resting on the inner side.
- b. The edge strip of the cathode current collector or the anode current collector which is not in direct contact with the contact metal sheet is electrically connected to the housing base, preferably welded directly to the housing base.
- c. The housing base is welded in the area of the bead to the free edge strip of the anode current collector or the free edge strip of the cathode current collector.
- d. The opening is positioned in the center of the case back.
- e. The at least one bead comprises a plurality of linear beads, in particular three beads, which are arranged in a star-shaped arrangement around the opening.
- f. The at least one bead comprises a plurality of linear sections arranged in a star-shaped arrangement around the opening.
- g. The at least one bead comprises a section running around the opening, which connects the star-shaped linear sections to one another.
Bevorzugt sind die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b., c. und d. sowie c. und e. und f. in Kombination realisiert. Besonders bevorzugt sind die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis g. in Kombination realisiertPreferably, the immediately preceding features a. and b., c. and d. as well as c. and e. and f. are implemented in combination. Particularly preferably, the immediately preceding features a. to g. are implemented in combination.
In Folge der Verschweißung im Bereich der Sicke finden sich in dieser bevorzugt ein oder mehrere Schweißnähte. Die sternförmig angeordneten Sicken und die sternförmig angeordneten linearen Teilabschnitte der Nut schließen bevorzugt jeweils einen Winkel von 120° ein.As a result of the welding in the area of the bead, one or more weld seams are preferably found in this area. The star-shaped beads and the star-shaped linear sections of the groove preferably each enclose an angle of 120°.
Es hat sich in einigen Ausführungsformen als vorteilhaft erwiesen, den freien Randstreifen des Stromkollektors, der auf der Innenseite des Gehäusebodens aufsitzt, einer Vorbehandlung zu unterziehen, damit der Kontakt zwischen dem Gehäuseboden und dem Stromkollektor verbessert wird. Insbesondere kann in den Rand mindestens eine Vertiefung eingefalzt werden, die zu der mindestens einen Sicke korrespondiert.In some embodiments, it has proven advantageous to subject the free edge strip of the current collector, which sits on the inside of the housing base, to a pretreatment so that the contact between the housing base and the current collector is improved. In particular, at least one recess can be folded into the edge, which corresponds to the at least one bead.
Der Rand des Stromkollektors kann auch durch eine Vorbehandlung einer gerichteten Umformung unterzogen worden sein. Beispielsweise kann er in eine definierte Richtung umgebogen sein.The edge of the current collector can also have been subjected to a directional deformation through pretreatment. For example, it can be bent in a defined direction.
Erfindungsgemäße BatterieBattery according to the invention
Energiespeicherelemente des erfindungsgemäßen Typs, insbesondere basierend auf Natrium-Ionen-Technologie, bieten nicht nur hohe Leistungsdichten, sie sind auch schnellladefähig, performant bei tiefen Temperaturen und bieten eine ausgezeichnete Zyklenstabilität. Darüber hinaus steht beispielsweise Natrium in praktisch unbegrenzten Mengen zur Verfügung.Energy storage elements of the type according to the invention, in particular based on sodium ion technology, not only offer high power densities, they are also capable of rapid charging, perform well at low temperatures and offer excellent cycle stability. In addition, sodium, for example, is available in practically unlimited quantities.
Aus all diesen Gründen eignen sich erfindungsgemäße Energiespeicherelemente, insbesondere solche auf Basis von Natrium-Ionen-Technologie, hervorragend zur Verwendung in Starterbatterien, die als Ersatz von Bleiakkumulatoren beispielsweise in Kraftfahrzeugen dienen können.For all these reasons, energy storage elements according to the invention, in particular those based on sodium ion technology, are excellently suited for use in starter batteries, which can serve as a replacement for lead accumulators, for example in motor vehicles.
Die vorliegend beschriebene Erfindung umfasst entsprechend
- - jede Batterie, die zwei oder mehr in Serie und/oder parallel miteinander verschaltete erfindungsgemäße Energiespeicherelement, insbesondere solche auf Basis von Natrium-lonen-Technologie, aufweist.
- - any battery which has two or more energy storage elements according to the invention connected in series and/or parallel, in particular those based on sodium ion technology.
Besonders bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Batterie eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Energiespeicherelemente, die derart miteinander verschaltet sind, dass die Batterie eine Spannung von 12 Volt oder von 24 Volt liefert.Particularly preferably, the battery according to the invention comprises a plurality of energy storage elements according to the invention, which are interconnected in such a way that the battery supplies a voltage of 12 volts or 24 volts.
Typischerweise liefert ein erfindungsgemäßes Energiespeicherelement auf Basis von Natrium-Ionen-Technologie eine Nennspannung im Bereich von 1,5 Volt bis 4,8 Volt, bevorzugt von 2,4 Volt bis 4 Volt. Entsprechend umfasst eine erfindungsgemäße Batterie mit 12 V Nennspannung bevorzugt 3 bis 5 in Reihe geschaltete erfindungsgemäße Energiespeicherelemente.Typically, an energy storage element according to the invention based on sodium ion technology delivers a nominal voltage in the range from 1.5 volts to 4.8 volts, preferably from 2.4 volts to 4 volts. Accordingly, a battery according to the invention with a nominal voltage of 12 V preferably comprises 3 to 5 energy storage elements according to the invention connected in series.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen. Die einzelnen Merkmale können dabei jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention emerge from the claims and from the following description of preferred embodiments of the invention in conjunction with the drawings. The individual features can be implemented individually or in combination with one another.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
In den Zeichnungen zeigen schematisch
- -
1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements des Natrium-Ionen-Typs (Querschnittsdarstellung), - -
2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeicherelements des Natrium-lonen-Typs, - -
3 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements des Natrium-Ionen-Typs (Querschnittsdarstellung), - -
4 mehrere Ausführungsformen eines Kontaktmetallblechs, das sich zur Kontaktierung des ersten Längsrands des aus der ersten endständigen Stirnseite austretenden Stromkollektors eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements des Natrium-Ionen-Typs eignet (perspektivische Darstellung), - -
5 einen Verbundkörper, der Bestandteil eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements des Natrium-Ionen-Typs ist, sowie dessen Komponenten (Draufsicht bzw. perspektivische Darstellung), - -
6 weitere Ausführungsformen des Kontaktmetallblechs, das sich zur Kontaktierung des ersten Längsrands des aus der ersten endständigen Stirnseite austretenden Stromkollektors eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements des Natrium-Ionen-Typs eignet (perspektivische Darstellung), - -
7 Darstellungen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements von außen und in einem Längsschnitt, - -
8 Detaildarstellungen des oberen und des unteren stirnseitigen Bereichs einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements in einem Längsschnitt, - -
9A , B Detaildarstellungen eines Anschlusspols für eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements in einer Ansicht schräg von oben und in einer Schnittansicht, - -
10A , B Detaildarstellungen einer Isolierscheibe für eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements gemäß einer der7 bis 9 in einer Ansicht schräg von oben und in einer Schnittansicht, - -
11A , B Detaildarstellungen eines Kontaktmetallblechs für die in7 dargestellte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements in einer Ansicht schräg von oben und in einer Schnittansicht schräg von unten, - -
12 Detaildarstellung des Gehäusebodens einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements gemäß7 , - -
13A-C Darstellungen der verschiedenen Komponenten einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements gemäß7 in Explosionsansichten, - -
14A ,B Detaildarstellungen aus dem oberen stirnseitigen Bereich einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements gemäß zur IIlustrierung eines möglichen Verfahrens zur Herstellung des Energiespeicherelements, - -
15 Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements schräg von oben auf den Gehäuseboden zur Illustrierung eines Verfahrens zur Herstellung des Energiespeicherelements, - -
16A ,B Alternative Ausführungsform eines Kontaktmetallblechs mit daran angefügtem Anschlusspol und deren Einbau in eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements in Schnittansichten, und - -
17 Beispiel einer Deckelbaugruppe, die beispielsweise als Deckel bei einem erfindungsgemäßen Energiespeicherelement gemäß1 oder2 oder3 verbaut werden kann.
- -
1 a first embodiment of an energy storage element of the sodium ion type according to the invention (cross-sectional view), - -
2 a second embodiment of an energy storage element of the sodium ion type according to the invention, - -
3 a third embodiment of an energy storage element of the sodium ion type according to the invention (cross-sectional view), - -
4 several embodiments of a contact metal sheet which is suitable for contacting the first longitudinal edge of the current collector emerging from the first terminal end face of an energy storage element of the sodium ion type according to the invention (perspective representation), - -
5 a composite body which is part of an energy storage element of the sodium ion type according to the invention, as well as its components (top view or perspective view), - -
6 further embodiments of the contact metal sheet which is suitable for contacting the first longitudinal edge of the current collector emerging from the first terminal end face of an energy storage element of the sodium ion type according to the invention (perspective representation), - -
7 Representations of an embodiment of an energy storage element according to the invention from the outside and in a longitudinal section, - -
8 Detailed representations of the upper and lower frontal area of an embodiment of an energy storage element according to the invention in a longitudinal section, - -
9A , B Detailed representations of a connection pole for a preferred embodiment of an energy storage element according to the invention in a view obliquely from above and in a sectional view, - -
10A , B Detailed representations of an insulating disk for a preferred embodiment of an energy storage element according to the invention according to one of the7 to 9 in a view obliquely from above and in a sectional view, - -
11A , B Detailed representations of a contact metal sheet for the7 illustrated preferred embodiment of an energy storage element according to the invention in a view obliquely from above and in a sectional view obliquely from below, - -
12 Detailed view of the housing base of a preferred embodiment of an energy storage element according to the invention according to7 , - -
13A-C Representations of the various components of a preferred embodiment of an energy storage element according to the invention according to7 in exploded views, - -
14A ,B Detailed representations from the upper front area of a preferred embodiment of an energy storage element according to the invention according to the illustration of a possible method for producing the energy storage element, - -
15 Representation of a preferred embodiment of an energy storage element according to the invention obliquely from above onto the housing base to illustrate a method for producing the energy storage element, - -
16A ,B Alternative embodiment of a contact metal sheet with a connecting pole attached thereto and its installation in a preferred embodiment of an energy storage element according to the invention in sectional views, and - -
17 Example of a cover assembly which, for example, serves as a cover in an energy storage element according to the invention according to1 or2 or3 can be installed.
Detaillierte Beschreibung der AusführungsbeispieleDetailed description of the embodiments
Der Deckel ist lediglich in Form einer Scheibe dargestellt. Regelmäßig werden als Deckel aber mehrteilige Deckelbaugruppen verwendet, beispielsweise die in
Das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil 101 umfasst in axialer Abfolge einen Boden 101a, einen Zentralabschnitt 101b und einen Verschlussabschnitt 101c, wobei der Zentralabschnitt 101b zylindrisch ausgebildet ist und in dem Zentralabschnitt 101b der Wickelmantel 104c des als Wickel ausgebildeten Verbundkörpers 104 mit der Innenseite 101d des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils 101 in Kontakt steht, und in dem Verschlussabschnitt 101c die ringförmige Dichtung 103 in einem Presskontakt mit dem Deckel 102 und der Innenseite des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils 101 steht. Der Zentralabschnitt 101b und der Verschlussabschnitt 101c sind durch eine Einbuchtung 111, welche die Außenseite 101e des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils 101 ringförmig umläuft, getrennt.The cup-shaped
Der Verbundkörper 104 in Form eines zylindrischen Wickels mit der Sequenz Anode / Separator / Kathode ist hier nicht detailliert dargestellt. Zu erkennen sind lediglich der Längsrand 106a des Anodenstromkollektors 106, der aus der Stirnseite 104a des Verbundkörpers 104 austritt, und der Längsrand 109a des Kathodenstromkollektors 109, der aus der Stirnseite 104b des Verbundkörpers 104 austritt. Der Längsrand 109a ist, bevorzugt über seine gesamte Länge, unmittelbar mit dem Gehäuseboden 101a verschweißt. Der Längsrand 106a ist, bevorzugt über seine gesamte Länge, unmittelbar mit dem Kontaktmetallblech 112 verschweißt. Das Kontaktmetallblech 112 ist wiederum über den elektrischen Leiter 133 mit dem Deckel 102 verbunden.The
Das Energiespeicherelement 100 weist bevorzugt eine Höhe im Bereich von 60 mm bis 100 mm auf, sein Durchmesser liegt bevorzugt im Bereich von 20 mm bis 50 mm. Das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil 101 weist in dem Zentralabschnitt 101b typischerweise eine Wandstärke im Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm auf.The
Das Energiespeicherelement umfasst als Isolierelement eine elektrisch isolierende Kunststoffbeschichtung 180, die den Rand des Kontaktmetallblechs 112 umschließt und diesen vor einem unmittelbaren Kontakt mit der Innenseite 101d des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils 101, insbesondere im Bereich der Einbuchtung 111, schützt. Die elektrisch isolierende Beschichtung 180 ist durch Umspritzen des Randes des Kontaktmetallblechs 112 gebildet. Weiterhin umfasst das Energiespeicherelement 100 als Isolierelement ein ringförmiges Kunststoffteil 170, das den an dem Kontaktmetallblech fixierten separaten elektrischen Leiter 133, umschließt und diesen vor einem unmittelbaren Kontakt mit der Innenseite 101d des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils 101 im Bereich der Einbuchtung 111 schützt.The energy storage element comprises an electrically insulating
In der Folge ist das Energiespeicherelement 100 auch im Fall einer Deformation des Gehäuses in Folge einer von außen wirkenden mechanischen Kraft hervorragend vor Kurzschlüssen geschützt.As a result, the
Der Deckel ist lediglich in Form einer Scheibe dargestellt. Regelmäßig werden als Deckel aber mehrteilige Deckelbaugruppen verwendet, beispielsweise die in
Das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil 101 umfasst in axialer Abfolge einen Boden 101a, einen Zentralabschnitt 101b und einen Verschlussabschnitt 101c, wobei der Zentralabschnitt 101b zylindrisch ausgebildet ist und in dem Zentralabschnitt 101b der Wickelmantel 104c des als Wickel ausgebildeten Verbundkörpers 104 mit der Innenseite 101d des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils 101 in Kontakt steht (Achtung: Ausschließlich aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der Verbundkörper 104 vorliegend beabstandet von der Innenseite 101d gezeichnet, tatsächlich aber presst er gegen sie, wie es beispielsweise in
Der Verbundkörper 104 in Form eines zylindrischen Wickels mit der Sequenz Anode / Separator / Kathode ist hier nicht detailliert dargestellt. Zu erkennen sind lediglich der Längsrand 106a des Anodenstromkollektors 106, der aus der Stirnseite 104a des Verbundkörpers 104 austritt, und der Längsrand 109a des Kathodenstromkollektors 109, der aus der Stirnseite 104b des Verbundkörpers 104 austritt. Der Längsrand 109a ist, bevorzugt über seine gesamte Länge, unmittelbar mit dem Gehäuseboden 101a verschweißt. Der Längsrand 106a ist, bevorzugt über seine gesamte Länge, unmittelbar mit dem Kontaktmetallblech 112 verschweißt. Das Kontaktmetallblech 112 ist wiederum über den elektrischen Leiter 133 mit dem Deckel 102 verbunden.The
Das Energiespeicherelement 100 weist bevorzugt eine Höhe im Bereich von 60 mm bis 100 mm auf, ihr Durchmesser liegt bevorzugt im Bereich von 20 mm bis 50 mm. Das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil 101 weist in dem Zentralabschnitt 101b typischerweise eine Wandstärke im Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm auf.The
Das Energiespeicherelement umfasst als Isolierelement ein ringförmiges Formteil aus Kunststoff 150 mit L-förmigem Querschnitt, das auf die Kante, welche die Stirnseite 104a begrenzt, aufgebracht ist und diese vor einem unmittelbaren Kontakt mit der Innenseite 101d des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils 101 schützt. Weiterhin umfasst das Energiespeicherelement ein ringförmiges Isolierelement 160 aus Kunststoff, das an der Innenseite 101d des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils 101 im Bereich der Einbuchtung 111 anliegt und diese vor einem unmittelbaren Kontakt mit dem elektrischen Leiter 133 schützt. Hierbei kann es sich auch um einen Teilabschnitt der ringförmigen Dichtung 103 handeln, die ausreichend hoch ausgebildet sein kann, um auch die Einbuchtung 111 von innen abzudecken.The energy storage element comprises an insulating element, an annular molded part made of
In der Folge ist das Energiespeicherelement 100 auch im Fall einer Deformation des Gehäuses in Folge einer von außen wirkenden mechanischen Kraft hervorragend vor Kurzschlüssen geschützt.As a result, the
An Stelle des ringförmigen Formteils aus Kunststoff 150 mit L-förmigem Querschnitt kann die Kante, welche die Stirnseite 104a begrenzt, auch mit einem Isolierband, beispielsweise einem Kaptonband 150, abgedeckt werden. Dieses kann im Idealfall bereits bei der Bildung des Wickels auf die Kante aufgebracht werden und schützt die Kante ebenso effizient vor einem unmittelbaren Kontakt mit der Innenseite 101d.Instead of the ring-shaped molded part made of
Der Deckel ist lediglich in Form einer Scheibe dargestellt. Regelmäßig werden als Deckel aber mehrteilige Deckelbaugruppen verwendet, beispielsweise die in
Das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil 101 umfasst in axialer Abfolge einen Boden 101a, einen Zentralabschnitt 101b und einen Verschlussabschnitt 101c, wobei der Zentralabschnitt 101b zylindrisch ausgebildet ist und in dem Zentralabschnitt 101b der Wickelmantel 104c des als Wickel ausgebildeten Verbundkörpers 104 mit der Innenseite 101d des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils 101 in Kontakt steht und in dem Verschlussabschnitt 101c die ringförmige Dichtung 103 in einem Presskontakt mit dem Deckel 102 und der Innenseite des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils 101 steht. Der Zentralabschnitt 101b und der Verschlussabschnitt 101c sind durch eine Einbuchtung 111, welche die Außenseite 101e des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils 101 ringförmig umläuft, getrennt.The cup-shaped
Der Verbundkörper 104 in Form eines zylindrischen Wickels mit der Sequenz Anode / Separator / Kathode ist hier nicht detailliert dargestellt. Zu erkennen sind lediglich der Längsrand 106a des Anodenstromkollektors 106, der aus der Stirnseite 104a des Verbundkörpers 104 austritt, und der Längsrand 109a des Kathodenstromkollektors 109, der aus der Stirnseite 104b des Verbundkörpers 104 austritt. Der Längsrand 109a ist, bevorzugt über seine gesamte Länge, unmittelbar mit dem Kontaktmetallblech 134 verschweißt. Das Kontaktmetallblech 134 ist wiederum mit dem Boden 101a durch Verschweißung verbunden. Der Längsrand 106a ist, bevorzugt über seine gesamte Länge, unmittelbar mit dem Kontaktmetallblech 112 verschweißt. Das Kontaktmetallblech 112 ist wiederum über den elektrischen Leiter 133 mit dem Deckel 102 verbunden.The
Das Energiespeicherelement 100 weist bevorzugt eine Höhe im Bereich von 60 mm bis 100 mm auf, ihr Durchmesser liegt bevorzugt im Bereich von 20 mm bis 50 mm. Der becherförmig ausgebildete Gehäuseteil 101 weist in dem Zentralabschnitt 101b typischerweise eine Wandstärke im Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm auf.The
Das Energiespeicherelement umfasst als Isolierelement ein ringförmiges Kunststoffteil 170, das den elektrischen Leiter 133 seitlich umschließt und diesen vor einem unmittelbaren Kontakt mit der Innenseite 101d des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils 101 im Bereich der Einbuchtung 111 schützt. Das ringförmige Kunststoffteil 170 ist hohlzylindrisch ausgebildet, umfasst einen senkrecht zum Kontaktmetallblech 112 stehenden Mantel 171. Einer seiner Ränder ist als nach außen gerichteter ringförmiger Kragen 171 ausgebildet und sitzt auf dem Kontaktmetallblech 112 auf.The energy storage element comprises an annular
In der Folge ist das Energiespeicherelement 100 auch im Fall einer Deformation des Gehäuses in Folge einer von außen wirkenden mechanischen Kraft hervorragend vor Kurzschlüssen geschützt.As a result, the
Ausführungsform A zeigt als Kontaktmetallblech 112 eine kreisrunde und im Wesentlichen flache Metallscheibe mit einem umlaufenden Rand 102a. Diese zeichnet sich durch ein zentrales Loch 142 und drei versetzt angeordnete Sicken 141 aus. Ein solches Bauteil kann in den Energiespeicherelementen gemäß den
Anders bei Ausführungsform B. Hier umfasst das Kontaktmetallblech 112 einen ersten Abschnitt 112a, der flach auf dem ersten Längsrand des aus der ersten endständigen Stirnseite 104a austretenden Stromkollektors aufsitzen kann und der sich dann parallel zur Stirnseite 104a erstreckt. Daneben umfasst es aber zusätzlich einen zweiten Abschnitt 112b, der sich abgewinkelt an den ersten Abschnitt 112a anschließt und über den der erste Abschnitt 112a elektrisch mit dem Deckel 102 verbunden ist. Bei Verwendung eines solchen Kontaktmetallblechs ist kein separater Leiter 133 erforderlich. Das Kontaktmetallblech 112 zeichnet sich weiterhin durch ein Loch 142 und zwei Sicken 141 aus. In diesen Sicken erfolgt bevorzugt die Verschweißung des Kontaktmetallblechs mit dem Längsrand des jeweiligen Stromkollektors.This is different in embodiment B. Here, the
Die Ausführungsformen C und D unterscheiden sich von Ausführungsform B darin, dass der Abschnitt 112a drei bzw. vier Streifen umfasst, die sich in unterschiedliche Richtungen erstrecken. Jeder der Streifen verfügt über eine Sicke 141. Daneben weisen die Blechteile jeweils zwei Löcher 142 auf.Embodiments C and D differ from embodiment B in that
Der Aufbau des Verbundkörpers 104 wird anhand von
Die Anode 105 und die Kathode 108 sind innerhalb des Verbundkörpers 104 versetzt zueinander angeordnet, so dass der erste Längsrand 106a des Anodenstromkollektors 106 aus der ersten endständigen Stirnseite 104a und der erste Längsrand 109a des Kathodenstromkollektors 109 aus der zweiten endständigen Stirnseite 104b des Verbundkörpers 104 austritt. Die versetzte Anordnung geht aus der Darstellung links unten hervor. Dort sind auch die zwei bandförmigen Separatoren 116 und 117 dargestellt, die im Wickel die Elektroden 105 und 108 voneinander trennen.The
In der Darstellung rechts unten ist der Verbundkörper 104 in gewickelter Form dargestellt, wie er in einem Energiespeicherelement gemäß einer der
Von den in den Ausführungsformen B-D der
Wie in der Schnittdarstellung in
In
Als Material für den Gehäuseboden 101a und das gesamte becherförmige Gehäuseteil 101 dient in bevorzugter Weise Aluminium.The preferred material for the
Im vorliegenden Beispiel sind in den Gehäuseboden 101a zwei Sicherungsfunktionen integriert. Zum einen befindet sich im Zentrum des Gehäusebodens 101a eine Durchbrechung, die mit einer metallischen Membran 114 verschlossen ist. Im Fall eines auftretenden Überdrucks durch eine Fehlfunktion der Zelle wird mittels dieser Membran 114 ein Druckausgleich herbeigeführt, indem die Membran in diesem Fall durch den Druck entweder aufgesprengt oder abgesprengt wird. Auf diese Weise kann ein im Inneren der Zelle sich gegebenenfalls gebildetes Gas durch die Durchbrechung im Gehäuseboden 101a entweichen (Primärsicherung).In the present example, two safety functions are integrated into the
Darüber hinaus ist im Gehäuseboden 101a eine weitere Sicherungsfunktion vorgesehen, die durch drei sternförmig angeordnete Nuten 166 realisiert ist. Diese Nuten 166 stellen Schwächungen der Struktur des Gehäusebodens 101a dar und bilden damit Sollbruchstellen im Fall eines auftretenden Überdrucks im Inneren der Zelle (Sekundärsicherung). In diesem Ausführungsbeispiel befinden sich die Nuten 166 auf der inneren Seite des Gehäusebodens 101a und sind daher in
Unterhalb des Anschlusspols 102b befindet sich das Kontaktmetallblech 112, das auf dem freien Randstreifen 106b des spiralförmig angeordneten Anodenstromkollektors der negativen Elektrode aufsitzt und hieran angeschweißt ist. Das Kontaktmetallblech 112 ist mit dem aus zwei metallischen Komponenten gebildeten Anschlusspol 102b elektrisch verbunden, insbesondere auch durch Verschweißung. Gegenüber dem Kontaktmetallblech 112 ist die Deckelplatte 102a durch eine O-Ring-förmige Isolierscheibe 177 elektrisch isoliert. Weiterhin befindet sich in einem Spalt zwischen dem Anschlusspol 102b und der Deckelplatte 102a eine elektrische isolierende Vergussmasse 113.Below the
An der in
Das anhand der
Auch die direkte Kontaktierung des Längsrands eines der Elektrodenbänder auf der Seite des Gehäusebodens (
Durch die direkte Kontaktierung der Längsränder der Elektrodenbänder werden darüber hinaus eine verbesserte Wärmeabfuhr und eine Reduzierung des Innenwiderstands erreicht.Furthermore, the direct contact between the longitudinal edges of the electrode strips results in improved heat dissipation and a reduction in internal resistance.
Zudem erlaubt das Design dieser Zelle im Allgemeinen auch eine Ausbildung von längeren Wickeln und damit eine größere Energiedichte der resultierenden Energiespeicherzelle.In addition, the design of this cell generally allows for the formation of longer coils and thus a greater energy density of the resulting energy storage cell.
Die obere Stirnseite der Energiespeicherzelle 100 ist in dieser Ausgestaltung maximal kompakt ausgebildet. Bei im Inneren der Zelle gegebenenfalls entstehenden Gasen, die zu einem Druckanstieg führen, werden diese Gase zwangsläufig in den unteren Bereich der Zelle geleitet, in welchem die Sicherungsfunktionen für einen Druckausgleich angeordnet sind. Insgesamt weist eine solche Zelle daher ein sehr gutes Sicherheitsniveau auf.In this embodiment, the upper front side of the
In dem hier gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Isolierscheibe 177 ist die Isolierscheibe aus zwei unterschiedlichen Materialien gefertigt. Der äußere Bereich 177a der Isolierscheibe 177 ist vorzugsweise aus einem besonders festen Kunststoffmaterial, beispielsweise aus PBT (Polybutylenterephthalat) gebildet. Der innere Bereich 177b ist vorzugsweise aus einem etwas flexibleren und vor allem aus einem besonders wärmebeständigen Kunststoff gebildet, beispielsweise aus PET (Polyethylenterephthalat). Der äußere Bereich 177a sorgt damit für eine besondere mechanische Stabilität. Der Innere Bereich 177b sorgt für Flexibilität und ist dabei besonders beständig gegenüber der heiß einzubringenden Vergussmasse 13 bei der Montage der Energiespeicherzelle.In the preferred embodiment of the insulating
Mit besonderem Vorteil weist der Innenumfang der O-Ring-förmigen Isolierscheibe 177 eine umlaufende Verdickung auf, wodurch die Stabilität der Komponenten in dem stirnseitigen Bereich der montierten Energiespeicherzelle weiter unterstützt wird.It is particularly advantageous if the inner circumference of the O-ring-shaped insulating
Bei der Montage der Energiespeicherzelle wird durch das Einsetzen der Isolierscheibe 177 im Deckelbereich der Zelle zunächst ein temporäres Abdichten der Zelle erreicht, bis die anschließend eingebrachte Vergussmasse 113 zum vollständigen Verschluss der Zelle ausgehärtet ist. Weiterhin erlaubt die Isolierscheibe 177 durch ihre spezielle Form ein axiales Stützen des wickelförmigen Verbundkörpers 104, beispielsweise bei einem Testen der Zelle. Falls die Zelle seitlich deformiert wird, bietet die Form der Isolierscheibe 177 darüber hinaus Raum für eine gegebenenfalls eintretende Verformung des Kontaktmetallblechs 112. Schließlich ist es durch die Form der Isolierscheibe 177 möglich, das Volumen der Vergussmasse 113 und die Menge an gegebenenfalls eingeschlossenen Luftblasen während des Vergusses bei der Montage der Energiespeicherzelle zu reduzieren.When assembling the energy storage cell, the cell is initially temporarily sealed by inserting the insulating
Als mögliche Alternative zu einer solchen Isolierscheibe kann beispielsweise ein isolierender Dichtwulst, vergleichbar mit einer Silikonraupe, aufdosiert werden. Auch hierdurch kann ein dichter Abschluss gewährleistet werden. Die Isolierscheibe 177, insbesondere in der hier illustrierten Ausführungsform, bietet demgegenüber jedoch die verschiedenen genannten Vorteile.As a possible alternative to such an insulating disk, an insulating sealing bead, comparable to a silicone bead, can be added. This can also ensure a tight seal. The insulating
Vergleichbar mit den Sicken 161 des Gehäusebodens 101a weist auch das Kontaktmetallblech 112 drei sternförmig angeordnete Sicken 112d auf, die nach außen (
In Zentrum des Kontaktmetallblechs 112 befindet sich eine Vertiefung 112e. Die Vertiefung 112e dient zur Aufnahme des Anschlusspols 102b, indem der zentrale Stift 1021b des Anschlusspols 102b in die Vertiefung 112e eingreift. Auf diese Weise kann der Anschlusspol 102b in einfacher Weise auf dem Kontaktmetallblech 112 positioniert und fixiert werden, so dass ein Anschweißen des Anschlusspols 102b ohne Probleme möglich ist.In the center of the
Weiterhin sind in der hier gezeigten besonders bevorzugten Ausführungsform des Kontaktmetallblechs 112 weitere sternförmige schmale Vertiefungen 112f vorgesehen, die sich auf der nach innen gerichteten Seite des Kontaktmetallblechs 112 befinden. In diesem Ausführungsbeispiel sind insgesamt neun dieser Vertiefungen 112f als sternförmig angeordnete schmale Rinnen vorgesehen. Die Rinnen können beispielsweise eine Tiefe von 0,1 mm aufweisen. Die Vertiefungen 112f dienen einer besseren Verteilung des Elektrolyten innerhalb der Zelle. Furthermore, in the particularly preferred embodiment of the
Weiterhin weist das Kontaktmetallblech 112 in dieser bevorzugten Ausführungsform eine geprägte umlaufende Kante 112g auf, die als Soll-Knickstelle insbesondere mit dem Grat nach unten angeordnet ist. Diese Soll-Knickstelle erleichtert die Montage des Gehäuses der Energiespeicherzelle.Furthermore, in this preferred embodiment, the
In bevorzugten Ausgestaltungen ist das Kontaktmetallblech 112 aus Aluminium gefertigt, beispielsweise aus einem Aluminiumblech mit einer Materialstärke von 0,3 mm.In preferred embodiments, the
Die zentrale Durchbrechung 155 im Gehäuseboden 101a ist von einer metallischen Membran 114 abgedeckt und dient als Primärsicherung für die Zelle bei einem auftretenden Überdruck. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Durchbrechung 155 bei der Fertigung der Zelle zunächst für die Befüllung der Zelle mit Elektrolyt genutzt wird, bevor die Durchbrechung 155 mit der metallischen Membran 114 verschlossen wird.The
Für eine passgenaue Aufnahme der metallischen Membran 114 zum Verschluss der zentralen Durchbrechung 155 ist vorzugsweise eine umlaufende Vertiefung 1010b vorgesehen, die die zentrale Durchbrechung 155 umgibt.For a precise fit of the
Weiterhin sind in dieser Ausführungsform drei sternförmig angeordnete Schwächungsstrukturen in Form der nach innen offenen Nuten 166 vorgesehen, die durch eine teilkreisförmige Verbindungslinie 1010c miteinander verbunden sind. Diese Schwächungsstrukturen 166 und 1010c dienen als Sekundärsicherung gegen einen internen Überdruck. Alternativ zu der Anbringung der Schwächungsstrukturen von innen am Gehäuseboden können solche Schwächungsstrukturen, beispielsweise Ritzlinien, auch von außen angebracht sein.Furthermore, in this embodiment, three weakening structures arranged in a star shape are provided in the form of the inwardly
Außen auf dem Gehäuseboden 101a können weiterhin ein oder mehrere Beschriftungsfelder 1010a vorgesehen sein, die für die Anbringung von verschiedenen schriftlichen Informationen genutzt werden können.On the outside of the
Anschließend kann der Verbundkörper 104 mit dem angebrachten Kontaktmetallblech 112 in das becherförmige Gehäuseteil 101 eingesetzt. Nach einer gegebenenfalls kameragestützten Ausrichtung der Sicken im Gehäuseboden und in dem Kontaktmetallblech kann mit Hilfe geeigneter Presswerkzeuge die Anordnung verpresst werden und von oben und unten zur Kontaktierung der Längsränder der Elektrodenbänder mit den jeweiligen Sicken simultan oder sequenziell laserverschweißt werden. Anschließend kann der Anschlusspol 102b auf das Kontaktmetallblech 112 aufgesetzt und aufgeschweißt werden.The
Anschließend kann die Energiespeicherzelle in einen Ofen überführt werden, um die Vergussmasse 113 abzubinden und die Restfeuchte des wickelförmigen Verbundkörpers auszuheizen.The energy storage cell can then be transferred to an oven to set the
Bei diesem alternativen Fertigungsverfahren wird der Anschlusspol 102b vorab auf das Kontaktmetallblech 112 geschweißt. Hierfür kann eine Reibschweißung oder eine Rührreibschweißung eingesetzt werden.In this alternative manufacturing process, the
Bei der Ausgestaltung des Kontaktmetallblechs 112 in dieser Ausführungsform können die sternförmig angeordneten Sicken 112d des Kontaktmetallblechs 112 gegebenenfalls verkürzt werden, da sie bei der nachfolgenden Anschweißung des Elektroden-Separator-Verbundkörpers von dem Anschlusspol 102b abgedeckt werden. Insgesamt steht daher etwas weniger Schweißfläche für die Kontaktierung des Längsrands des jeweiligen Elektrodenbands mit dem Kontaktmetallblech 112 zur Verfügung. Allerdings kann diese Ausgestaltung für die Montage Vorteile bieten.When designing the
Da die Anbringung des Anschlusspols 102b direkt auf dem Kontaktmetallblech 112 außerhalb der Gehäusebecherbaugruppe unter Umständen einfacher durchführbar ist, kann gegebenenfalls auf eine zentrale Vertiefung in dem Kontaktmetallblech und auf einen korrespondierenden Stift bei dem Anschlusspol 102b verzichtet werden.Since it may be easier to attach the
Die weitere Montage der Energiespeicherzelle mit dem Anschlusspol 102b, der bereits direkt auf das Kontaktmetallblech 112 aufgeschweißt ist, unterscheidet sich im Prinzip nicht von dem vorab beschriebenen Herstellungsverfahren für die Energiespeicherzelle 100.The further assembly of the energy storage cell with the
Diese umfasst die Metallscheibe 213 mit der metallischen Membran 214, die sich bei einem Überdruck innerhalb des Gehäuses nach außen wölbt oder birst. Die Metallscheibe 213 mit der Membran 214 steht in elektrischem und in unmittelbarem Kontakt mit der metallischen Polkappe 217, die die Deckelbaugruppe 202 nach außen abschließt. Weiterhin steht sie in elektrischem Kontakt mit einer inneren metallischen Kontaktscheibe 215, allerdings ausschließlich über die metallische Membran 214. Ansonsten sind die Metallscheibe 213 und die Kontaktscheibe 215 durch den ringförmigen Isolator 216 elektrisch voneinander isoliert. Wölbt sich die Membran 214 in Folge eines Überdrucks, der über die Durchbrechung 215a unmittelbar auf die Membran wirken kann, nach außen, bricht der elektrische Kontakt zwischen der Metallscheibe 213 und der Kontaktscheibe 215 ab. Bei hohen Drücken kann die Membran auch bersten. Die Ableiter 113 der in den
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