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WO2015036297A1 - Separator of a lithium battery cell and lithium battery - Google Patents

Separator of a lithium battery cell and lithium battery Download PDF

Info

Publication number
WO2015036297A1
WO2015036297A1 PCT/EP2014/068696 EP2014068696W WO2015036297A1 WO 2015036297 A1 WO2015036297 A1 WO 2015036297A1 EP 2014068696 W EP2014068696 W EP 2014068696W WO 2015036297 A1 WO2015036297 A1 WO 2015036297A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
separator
lithium
voltage
dependent
functional membrane
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/068696
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Joachim Fetzer
Alexander Reitzle
Marc Heydemann
Ralf Angerbauer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2015036297A1 publication Critical patent/WO2015036297A1/en

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    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a separator of a lithium battery cell and a
  • Lithium battery cell and a lithium battery Lithium battery cell and a lithium battery.
  • the cathode and the anode, d. H. the positive and negative electrodes of lithium battery cells are separated spatially and electrically by means of separators.
  • the separators for lithium ions are permeable.
  • an internal short circuit between the electrodes of different polarity can be avoided and, on the other hand, an unhindered ion flux can take place within the cell, which allows the conversion of the stored chemical energy into electrical energy, the so-called electrochemical reaction.
  • thin separators are used so that the internal resistance of the lithium battery cell is as low as possible and a high packing density can be achieved.
  • materials for separators are very fine-pored plastic films or nonwoven fabrics made of glass fibers.
  • Ceramic films are also used because they have the advantage of being temperature resistant up to 450 ° C. Moreover, since separators in lithium-ion batteries are said to be stable over many charging and discharging cycles and over several years, they are often fabricated from high-quality materials. In this case, microporous carrier membranes made of plastic are used, which may be partially multilayered. From US 5,691,077 a battery separator with three juxtaposed
  • Membranes for use in lithium batteries which have the ability to disrupt ion flow through the separator in response to rapid heat buildup in the cell.
  • the first and the third microporous membrane consist of polypropylene and the second microporous membrane of polyethylene.
  • the second membrane has a lower melting temperature than the first and third membranes. From WO 2007/120763 A2 separators for electrochemical cells, z. B.
  • Lithium batteries wherein the separators have a security layer that quickly shuts off the cell at a temperature limit.
  • thin, microporous polymer latex is used on a surface of a solgel or xerogel as a separator.
  • a lithium cell with a separator which has an overcharge additive.
  • the overcharge additive is degraded and the decomposition product slows the current flow in the cell within a short time.
  • a separator according to the invention of a lithium battery cell comprises at least one functional membrane, the functional membrane having a voltage-dependent or temperature-dependent conduction capability of lithium ions, and a lithium ion flux through the separator being determined by the voltage-dependent or temperature-dependent conduction capability of lithium ions of the functional membrane. It is provided that the change in state of the conduction capability of lithium ions of the functional membrane in a certain voltage range to at least a certain threshold voltage of the lithium battery cell and / or in a specific
  • the separator comprises a porous support membrane coated with the functional membrane.
  • the device could be realized as a diblock copolymer.
  • a diblock copolymer includes a first portion having a monomer of the porous support membrane and a second portion having a monomer of the functional membrane.
  • the separator comprises at least two porous support membranes and at least one functional membrane, wherein at least one functional membrane is arranged between two porous support membranes.
  • the assembly could be realized as a triblock copolymer formed from a monomer of the porous support membrane in a first section, a functional membrane monomer in a second section, and a monomer of the porous support membrane in a third section.
  • the separator has a plurality of porous
  • the functional membrane has a temperature dependent one
  • the particular temperature range in which the change in state of the conduction capability of lithium ion of the functional membrane is reversible preferably comprises a temperature range in which the battery is usually used and a range by a certain
  • Limit temperature is about 80 to 100 ° C. At least up to a defined value above the limit temperature, for example up to 2 ° C, 5 ° C or 10 ° C above the limit temperature, the change in state of the conductivity of lithium-ion is reversible, the value is material-dependent.
  • the particular value above the limit temperature for example up to 2 ° C, 5 ° C or 10 ° C above the limit temperature, the change in state of the conductivity of lithium-ion is reversible, the value is material-dependent.
  • the particular value above the limit temperature for example up to 2 ° C, 5 ° C or 10 ° C above the limit temperature, the change in state of the conductivity of lithium-ion is reversible, the value is material-dependent.
  • the particular value above the limit temperature for example up to 2 ° C, 5 ° C or 10 ° C above the limit temperature
  • Temperature range is a range of 10 ° C around a limit temperature of 90 ° C.
  • Limit temperature is greater than that above the limit temperature. Below the threshold temperature, the temperature-dependent conduction capability of lithium ions is preferably substantially constant. Also above the limit temperature is the
  • Temperature-dependent conduction capability of lithium ions preferably substantially constant.
  • the functional membrane with temperature-dependent conductivity capability of lithium ions has a hydrogel or
  • the functional membrane has a
  • Voltage range in which the state change of the conduction capability of lithium ion of the functional membrane is reversible thereby comprises at least an operative range, which is a range of 2.5 to 4.5 V.
  • At least up to a defined upper limit above 4.5 V for example up to 0.1 V, 0.5 V or 1 V above 4.5 V, the state change of the conduction capability of lithium ions is reversible.
  • at least up to a defined lower limit below 2.5 V for example up to 0.1 V, 0.5 V or 1 V below 2.5 V, the change in state of the conductivity of lithium-ion reversible, the Value is material-dependent.
  • the determined voltage range comprises a range of 500mV around a cutoff voltage of 4.5V and / or a range of 500mV around a cutoff voltage of 2.5V.
  • the voltage dependent conduction capability of lithium ions within the operational range is preferably greater than outside the operational area.
  • the voltage-dependent conduction capability of lithium ions is essentially constant within the operative range.
  • the voltage-dependent conduction capability of lithium ions below the operative range is also preferably constant.
  • the voltage-dependent conduction capability of lithium ions above the operative range is also preferably constant.
  • the functional membrane preferably has a conductive polymer, in particular polypyrrole (PPy), nanocomposites or nanoporous nuclear track membranes.
  • a conductive polymer in particular polypyrrole (PPy), nanocomposites or nanoporous nuclear track membranes.
  • a lithium battery cell is also provided with such a separator.
  • the invention is preferably used in lithium-ion battery cells. However, it is not limited to lithium-ion battery cells, but can also be used with
  • Lithium sulfur cells as well as lithium air cells are used.
  • a lithium battery is also provided with at least one such lithium battery cell, which is provided with a drive system of a
  • the terms “battery cell” and “battery” are used in the present description adapted to the usual language for accumulator or Akkumulatorü.
  • the battery preferably comprises one or more battery units, which may designate a battery cell, a battery module, a module string or a battery pack.
  • the battery cells are preferably spatially combined and interconnected circuitry, for example, connected in series or parallel to modules. Each battery module are thus assigned a plurality of battery cells, which are connected in series and partially in addition to parallel to the required performance and
  • the individual battery cells are preferably lithium battery cells with a voltage range of 2.5 to 4.2 volts.
  • BDC Battery Direct Converter
  • Battery direct converter a battery direct inverter (BDI, Battery Direct Inverter).
  • BDI Battery Direct Inverter
  • a motor vehicle is also provided with such a battery, wherein the battery is connected to a drive system of the motor vehicle.
  • the method is used in electrically powered vehicles, in which an interconnection of a plurality of battery cells to provide the necessary drive voltage.
  • overheat protection within the lithium battery cell provides an effective preventive measure against excessive temperatures.
  • the auto-triggering change in state of the lithium ion conductivity of the separator beyond a defined threshold temperature provides immediate protection that enhances the safety of lithium batteries.
  • the lithium ion flow is interrupted at a defined limit temperature.
  • the functional membrane has a temperature-sensitive controllable permeability or conduction capability of lithium ions.
  • the defined limit temperature is exceeded, the functional membrane is structurally changed in such a way that it is impermeable to lithium ions becomes. This physical or chemical process takes place in a very short time and brings the lithium-ion flow to a standstill, so that no overheating can take place.
  • Charging voltage of 4.2 V is expected to be prevented, at which deposits metallic lithium at the anode.
  • a deep discharge protection can be achieved, with an allowable lower discharge voltage of lithium battery cells is about 2.5 V to avoid irreversible damage.
  • the functional membrane has an electrosensitive controllable transmission capability or permeability to lithium ions.
  • the functional membrane is structurally changed when the upper limit voltage is exceeded or when the lower limit voltage is exceeded
  • FIG. 1 shows a lithium battery cell according to the invention according to a first
  • Fig. 2 shows the lithium battery cell of Fig. 1 in an operation below critical
  • Conditions, 3 shows a lithium battery cell according to a second embodiment of the
  • FIG. 4 shows the lithium battery cell of FIG. 3 operating under critical conditions.
  • FIG. 5 shows a lithium battery cell according to a third embodiment of the
  • FIG. 6 shows the lithium battery cell of FIG. 5 operating under critical conditions.
  • the lithium battery cell 2 is arranged in a housing 3 and has a negative electrode 4, a positive electrode 6 and a separator 8 arranged between the electrodes 4, 6.
  • the negative electrode 4 has a negative current collector 7 and a first active material 17 on at least one surface of the negative current collector 7.
  • the positive electrode 6 has a positive current collector 5 and a second active material 15 on at least one surface of the positive current collector 5.
  • the first active material 17 and the second active material 15 may each consist of a single component or of several components.
  • the two electrodes 4, 6 are electrically connected via an external circuit 20 to a voltage measuring device 28 measuring the voltage between the electrodes 4, 6.
  • the negative electrode 4 has graphite 18 as first active material 17 and a negative current collector 7 made of copper.
  • the negative electrode 4 may be formed of any material known for the production of lithium-ion anodes.
  • silicon (Si), germanium (Ge), lithium, a carbonaceous material such as graphite or amorphous carbons, or a metallic alloy are advantageous.
  • Hybrid electrodes with lithium alloy components are also common.
  • the positive electrode 6 comprises lithium cobalt dioxide (LiCoO 2 ) as the second active material 15 and a positive current collector 5 made of aluminum. Depicted are the cobalt atoms 14, lithium atoms 16 and the oxygen atoms 12 of the lithium cobalt dioxide.
  • the positive electrode 6 may be formed of a conventional material known for the production of lithium-ion cathodes.
  • Suitable cathode storage materials are, for example, oxidic materials, in particular lithium cobalt dioxide (LiCoO 2 ), lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), lithium manganese oxide spinel (LiMn 2 O 4 ) or nickel-comprising mixed oxides.
  • nickel / manganese / cobalt / aluminum mixed oxides, lithium metal phosphates or lithium manganese spinels are in use. Any mixtures thereof are possible and in use.
  • the electrode layer acting as a cathode can be deposited directly on a substrate or on the positive current collector 5, for example by means of a
  • Sputtering or it may be a composite of such materials with
  • Carrier substances, circuit mediators or binders are used.
  • the current collectors 5, 7 are expediently each formed from a highly electrically conductive material, such as a metal, an alloy or a highly conductive polymer.
  • the current collectors 5, 7 are used in particular to improve the electrical conductivity of the active materials 15, 17 and to form electrical contacts from the layer system at a suitable location.
  • the current collectors 5, 7 are connected via the poles 24, 26 to the connection for the external circuit 20.
  • the separator 8 is arranged, which the
  • Cathode 6 and the anode 4 spatially separated from each other.
  • the cathode 6, the separator 8 and the anode 4 can in the housing 3, optionally with other, not shown
  • the separator 8 has a porous support membrane 22, which is for example a fine-pored plastic film, a nonwoven fabric made of glass fibers or films made of ceramic and a functional membrane 23, which is present in the illustrated embodiment as a one-sided coating of the porous support membrane 22.
  • the functional membrane 23 has a voltage-dependent or temperature-dependent für effetsever of lithium ions 10, so that the lithium-ion flux 1 1 through the separator 8 of the voltage-dependent or temperature-dependent
  • the functional membrane 23 comprises, for example, a hydrogel, nanocomposites for forming a temperature-dependent conduction capability of lithium ions 10, or a conductive polymer or nanoporous nuclear tracking membranes to form a voltage-dependent conduction capability of lithium ions 10.
  • the mode of operation of the secondary lithium battery cell 2 is based on a source voltage arising as a result of the different electrochemical potentials of the lithium in the two electrodes 4, 6.
  • lithium ions 10 are shifted from one electrode to the other electrode.
  • positively charged lithium ions (Li + ions) 10 migrate through the electrolyte from the positive electrode 6 between the planes of the graphite 18 of the second active material 17 of the negative electrode 4, while charging current transfers the electrons the external circuitry 20 provides.
  • the lithium ion flux from the positive electrode 6 is provided with the reference numeral 11.
  • the lithium ions 10 form an intercalation compound (LixnC) with the graphite 18.
  • the lithium ions 10 travel back into the first active material 15 formed as lithium cobalt dioxide, and the electrons can flow to the positive electrode 4 via the external wiring 20.
  • the lithium ion flux from the negative electrode 4 is provided with the reference numeral 13 and shown for example in Figure 2.
  • Fig. 2 shows the lithium battery cell 2 under critical conditions.
  • critical conditions may be above a threshold temperature or outside a defined one
  • the functional membrane 23 and the porous support membrane 22 are arranged so that both the lithium-ion flux 1 1 from the cathode to the anode, and the lithium-ion flow 13 from the anode to the cathode through the porous
  • Carrier membrane 22 can be prevented.
  • Fig. 3 shows a lithium battery cell 2 according to another embodiment of the invention.
  • the lithium battery cell 2 is constructed analogously to the anode 4 and the cathode 6 as the embodiment described with reference to Figures 1 and 2, with the difference that the separator 8 consists of three layers.
  • the functional membrane 23 is arranged between two porous support membranes 22.
  • Fig. 4 shows the lithium battery cell 2 according to the embodiment of Fig. 3 when operating under critical conditions.
  • the functional membrane 23 in turn has a reduced passage capability of lithium ions, so that ideally no lithium ion flow 11, 13 can take place through the separator 8.
  • Fig. 5 shows another embodiment of the lithium battery cell 2, which differs from the previous embodiments also by the structure of the used
  • the separator 8 differentiates.
  • the separator 8 comprises a multicomponent system which comprises a multiplicity of polymer strands of porous, arranged alternately
  • the lithium ion flux 1 1, 13 is determined by the separator 8 by the properties of the functional membranes.
  • Fig. 7a shows schematically a two-layer structure of a separator 8 with a porous support membrane 22 of thickness D- ⁇ and a functional membrane 23 of thickness D 2 , which are arranged side by side.
  • the porous support membrane 22 is through
  • Membrane monomer building blocks 32 and the functional membrane 23 by functional membrane monomer building blocks 34 can be used in particular as known molecules having a reactive double bond or with functional groups and / or annular structures (eg
  • FIG. 7b shows schematically a three-layered structure of a separator 8 with a first porous support membrane 22 of a thickness D- ⁇ , which is constructed by Membraneonomerbausteine 32, a functional membrane 23 of thickness D 2 , which is constructed by functional membrane monomer building blocks 34, and a second porous support membrane 22 of thickness D 3 , which is constructed by membrane monomer building blocks 32, wherein the membranes 22, 23 are arranged side by side.
  • FIG. 7 c shows a further possible embodiment of a separator 8 with a multiplicity of porous membranes 22 and functional membranes 23 arranged next to one another, which is formed by an alternating sequence of membrane monomer building blocks 32 and functional membrane monomer building blocks 34.
  • the thicknesses D 1 , D 2 and D 3 of the membranes 22, 23 shown in FIGS. 7 a and 7 b may be identical or different from each other.
  • the invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

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Abstract

The invention relates to a separator (8) of a lithium battery cell (2), comprising at least one functional membrane (23), wherein the functional membrane (23) has a voltage-dependent or temperature-dependent capacity to allow lithium ions (10) to pass through, and a lithium ion flow through the separator (8) is defined by the voltage-dependent or temperature-dependent capacity of the functional membrane (23) to allow lithium ions (10) to pass through. In this case, provision is made for the change in state of the capacity of the functional membrane (23) to allow lithium ions (10) to pass through to be reversible within a defined voltage range about a limit voltage of the lithium battery cell (2) and/or within a temperature range about a defined limit temperature of the lithium battery cell (2). The invention also relates to a lithium battery cell (2) and to a lithium battery comprising such a separator (8).

Description

Beschreibung Separator einer Lithiumbatteriezelle und Lithiumbatterie Stand der Technik  Description Separator of a Lithium Battery Cell and Lithium Battery Prior Art
Die Erfindung betrifft einen Separator einer Lithiumbatteriezelle sowie eine The invention relates to a separator of a lithium battery cell and a
Lithiumbatteriezelle und eine Lithiumbatterie. Lithium battery cell and a lithium battery.
Die Kathode und die Anode, d. h. die positiven und negativen Elektroden, von Lithium- Batteriezellen werden mithilfe von Separatoren räumlich und elektrisch voneinander getrennt. Gleichzeitig sind die Separatoren für Lithium-Ionen jedoch durchlässig. So kann einerseits ein interner Kurzschluss zwischen den Elektroden unterschiedlicher Polarität vermieden werden und andererseits ein ungehinderter lonenfluss innerhalb der Zelle stattfinden, der die Umwandlung der gespeicherten chemischen Energie in elektrische Energie erlaubt, die sogenannte elektrochemische Reaktion. In vielen Anwendungen werden dünne Separatoren verwendet, damit der Innenwiderstand der Lithium-Batteriezelle möglichst gering ist und eine hohe Packungsdichte erreicht werden kann. Als Materialien für Separatoren eignen sich sehr feinporige Folien aus Kunststoff oder Vliesstoffe aus Glasfasern. Auch Folien aus Keramik werden eingesetzt, da sie den Vorteil aufweisen, bis zu 450 °C temperaturbeständig zu sein. Da Separatoren in Lithium- lonenakkumulatoren außerdem über viele Lade- und Entladezyklen hinweg und über mehrere Jahre stabil sein sollen, werden sie oft aus hochwertigen Materialien gefertigt. Hierbei werden mikroporöse Trägermembranen aus Kunststoff eingesetzt, welche teilweise mehrlagig sein können. Aus der US 5,691 ,077 ist ein Batterieseparator mit drei nebeneinander angeordnetenThe cathode and the anode, d. H. the positive and negative electrodes of lithium battery cells are separated spatially and electrically by means of separators. At the same time, however, the separators for lithium ions are permeable. Thus, on the one hand, an internal short circuit between the electrodes of different polarity can be avoided and, on the other hand, an unhindered ion flux can take place within the cell, which allows the conversion of the stored chemical energy into electrical energy, the so-called electrochemical reaction. In many applications, thin separators are used so that the internal resistance of the lithium battery cell is as low as possible and a high packing density can be achieved. As materials for separators are very fine-pored plastic films or nonwoven fabrics made of glass fibers. Ceramic films are also used because they have the advantage of being temperature resistant up to 450 ° C. Moreover, since separators in lithium-ion batteries are said to be stable over many charging and discharging cycles and over several years, they are often fabricated from high-quality materials. In this case, microporous carrier membranes made of plastic are used, which may be partially multilayered. From US 5,691,077 a battery separator with three juxtaposed
Membranen für den Einsatz in Lithiumbatterien bekannt, welcher die Fähigkeit hat, einen lonenfluss durch den Separator in Reaktion auf eine schnelle Wärmeentwicklung in der Zelle zu unterbrechen. Die erste und die dritte mikroporöse Membran bestehen hierbei aus Polypropylen und die zweite mikroporöse Membran aus Polyethylen. Die zweite Membran hat eine niedrigere Schmelztemperatur als die erste und dritte Membran. Aus der WO 2007/120763 A2 sind Separatoren für elektrochemische Zellen, z. B. Membranes for use in lithium batteries are known which have the ability to disrupt ion flow through the separator in response to rapid heat buildup in the cell. The first and the third microporous membrane consist of polypropylene and the second microporous membrane of polyethylene. The second membrane has a lower melting temperature than the first and third membranes. From WO 2007/120763 A2 separators for electrochemical cells, z. B.
Lithiumbatterien, bekannt, wobei die Separatoren eine Sicherheitsschicht aufweisen, die die Zelle bei einer Grenztemperatur schnell abschaltet. Hierbei wird dünnes, mikroporöses Polymer-Latex auf einer Oberfläche eines Solgels oder Xerogels als Separator eingesetzt. Lithium batteries, known, wherein the separators have a security layer that quickly shuts off the cell at a temperature limit. Here, thin, microporous polymer latex is used on a surface of a solgel or xerogel as a separator.
Aus der DE 102 19 423 A1 ist eine Lithiumzelle mit einem Separator bekannt, welcher ein Überladungsadditiv aufweist. Wenn die Zelle überladen wird und die Zelltemperatur kritisch wird, wird das Überladungsadditiv abgebaut und das Zersetzungsprodukt verlangsamt den Stromfluss in der Zelle innerhalb kurzer Zeit. From DE 102 19 423 A1 a lithium cell with a separator is known, which has an overcharge additive. As the cell becomes overloaded and the cell temperature becomes critical, the overcharge additive is degraded and the decomposition product slows the current flow in the cell within a short time.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Ein erfindungsgemäßer Separator einer Lithiumbatteriezelle umfasst zumindest eine funktionelle Membran, wobei die funktionelle Membran eine spannungsabhängige oder temperaturabhängige Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen aufweist, und ein Lithium- lonenfluss durch den Separator von der spannungsabhängigen oder temperaturabhängigen Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen der funktionellen Membran bestimmt ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Zustandsänderung der Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen der funktionellen Membran in einem bestimmten Spannungsbereich um zumindest eine bestimmte Grenzspannung der Lithiumbatteriezelle und/oder in einem bestimmten A separator according to the invention of a lithium battery cell comprises at least one functional membrane, the functional membrane having a voltage-dependent or temperature-dependent conduction capability of lithium ions, and a lithium ion flux through the separator being determined by the voltage-dependent or temperature-dependent conduction capability of lithium ions of the functional membrane. It is provided that the change in state of the conduction capability of lithium ions of the functional membrane in a certain voltage range to at least a certain threshold voltage of the lithium battery cell and / or in a specific
Temperaturbereich um eine bestimmte Grenztemperatur der Lithiumbatteriezelle reversibel ist. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Separators sind durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen möglich. Temperature range is reversible by a certain limit temperature of the lithium battery cell. Advantageous developments and improvements of the independent claim specified separator are possible by the measures listed in the dependent claims.
Nach einer Ausführungsform weist der Separator eine poröse Trägermembran auf, die mit der funktionellen Membran beschichtet ist. Beispielsweise könnte die Anordnung als ein Diblock-Copolymer realisiert sein. Ein Diblock-Copolymer umfasst beispielsweise einen ersten Abschnitt mit einem Monomer der porösen Trägermembran und einen zweiten Abschnitt mit einem Monomer der funktionellen Membran. Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst der Separator zumindest zwei poröse Trägermembranen und zumindest eine funktionelle Membran, wobei zumindest eine funktionelle Membran zwischen zwei porösen Trägermembranen angeordnet ist. In one embodiment, the separator comprises a porous support membrane coated with the functional membrane. For example, the device could be realized as a diblock copolymer. For example, a diblock copolymer includes a first portion having a monomer of the porous support membrane and a second portion having a monomer of the functional membrane. According to a further embodiment, the separator comprises at least two porous support membranes and at least one functional membrane, wherein at least one functional membrane is arranged between two porous support membranes.
Beispielsweise könnte die Anordnung als Triblock-Copolymer realisiert sein, welches aus einem Monomer der porösen Trägermembran in einem ersten Abschnitt, einem Monomer der funktionellen Membran in einem zweiten Abschnitt und einem Monomer der porösen Trägermembran in einem dritten Abschnitt gebildet ist. For example, the assembly could be realized as a triblock copolymer formed from a monomer of the porous support membrane in a first section, a functional membrane monomer in a second section, and a monomer of the porous support membrane in a third section.
Gemäß weiteren Ausführungsformen weist der Separator mehrere poröse According to further embodiments, the separator has a plurality of porous
Trägermembranen und mehrere funktionelle Membranen auf, wobei die porösen und die funktionellen Membranen alternierend angeordnet sind. Dadurch dass sehr viele Carrier membranes and a plurality of functional membranes, wherein the porous and the functional membranes are arranged alternately. Because of that many
Polymerstränge innerhalb des Separators existieren und dabei ungeordnet miteinander verknäult sind, kann eine entsprechende funktionelle Schutzschicht aufgebaut werden. Nach einer Ausführungsform weist die funktionelle Membran eine temperaturabhängigePolymer strands exist within the separator and thereby are disorderly entangled with each other, a corresponding functional protective layer can be constructed. In one embodiment, the functional membrane has a temperature dependent one
Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen auf. Der bestimmte Temperaturbereich, in welchem die Zustandsänderung der Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen der funktionellen Membran reversibel ist, umfasst dabei bevorzugt einen Temperaturbereich, in dem die Batterie üblicherweise eingesetzt wird und einen Bereich um eine bestimmte Transmittance of lithium ions on. The particular temperature range in which the change in state of the conduction capability of lithium ion of the functional membrane is reversible preferably comprises a temperature range in which the battery is usually used and a range by a certain
Grenztemperatur, oberhalb derer eine Überhitzung der Zelle zu erwarten ist. Die Limit temperature above which an overheating of the cell is expected. The
Grenztemperatur liegt bei etwa 80 bis 100 °C. Zumindest bis zu einem definierten Wert oberhalb der Grenztemperatur, beispielsweise bis zu 2 °C, 5°C oder 10°C oberhalb der Grenztemperatur, ist die Zustandsänderung der Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen reversibel, wobei der Wert materialabhängig ist. Bevorzugt umfasst der bestimmte  Limit temperature is about 80 to 100 ° C. At least up to a defined value above the limit temperature, for example up to 2 ° C, 5 ° C or 10 ° C above the limit temperature, the change in state of the conductivity of lithium-ion is reversible, the value is material-dependent. Preferably, the particular
Temperaturbereich einen Bereich von 10 °C um eine Grenztemperatur von 90 °C. Temperature range is a range of 10 ° C around a limit temperature of 90 ° C.
Die temperaturabhängige Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen unterhalb der The temperature-dependent conductivity of lithium ions below the
Grenztemperatur ist dabei größer als diejenige oberhalb der Grenztemperatur. Unterhalb der Grenztemperatur ist die temperaturabhängige Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen bevorzugt im Wesentlichen konstant. Auch oberhalb der Grenztemperatur ist die Limit temperature is greater than that above the limit temperature. Below the threshold temperature, the temperature-dependent conduction capability of lithium ions is preferably substantially constant. Also above the limit temperature is the
temperaturabhängige Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen bevorzugt im Wesentlichen konstant. Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die funktionelle Membran mit temperaturabhängiger Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen ein Hydrogel oder Temperature-dependent conduction capability of lithium ions preferably substantially constant. According to a preferred embodiment, the functional membrane with temperature-dependent conductivity capability of lithium ions has a hydrogel or
Nanokomposites auf. Nach einer weiteren Ausführungsform weist die funktionelle Membran eine Nanocomposites on. According to another embodiment, the functional membrane has a
spannungsabhängige Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen auf. Der bestimmte voltage-dependent conduction capability of lithium ions. The certain one
Spannungsbereich, in welchem die Zustandsänderung der Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen der funktionellen Membran reversibel ist, umfasst dabei zumindest einen operativen Bereich, welcher ein Bereich von 2,5 bis 4,5 V ist. Zumindest bis zu einem definierten oberen Grenzwerte oberhalb der 4,5 V, beispielsweise bis zu 0,1 V, 0,5 V oder 1 V oberhalb der 4,5 V, ist die Zustandsänderung der Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen reversibel. Analog ist zumindest bis zu einem definierten unteren Grenzwert unterhalb der 2,5 V, beispielsweise bis zu 0,1 V, 0,5 V oder 1 V unterhalb der 2,5 V, die Zustandsänderung der Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen reversibel, wobei der Wert materialabhängig ist. Voltage range in which the state change of the conduction capability of lithium ion of the functional membrane is reversible, thereby comprises at least an operative range, which is a range of 2.5 to 4.5 V. At least up to a defined upper limit above 4.5 V, for example up to 0.1 V, 0.5 V or 1 V above 4.5 V, the state change of the conduction capability of lithium ions is reversible. Analogously, at least up to a defined lower limit below 2.5 V, for example up to 0.1 V, 0.5 V or 1 V below 2.5 V, the change in state of the conductivity of lithium-ion reversible, the Value is material-dependent.
Bevorzugt umfasst der bestimmte Spannungsbereich einen Bereich von 500 mV um eine Grenzspannung von 4,5 V und/oder einen Bereich von 500 mV um eine Grenzspannung von 2,5 V. Die spannungsabhängige Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen innerhalb des operativen Bereichs ist bevorzugt größer als außerhalb des operativen Bereichs. Bevorzugt ist die spannungsabhängige Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen innerhalb des operativen Bereichs im Wesentlichen konstant. Die spannungsabhängige Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen unterhalb des operativen Bereichs ist ebenfalls bevorzugt konstant. Die spannungsabhängige Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen oberhalb des operativen Bereichs ist ebenfalls bevorzugt konstant. Preferably, the determined voltage range comprises a range of 500mV around a cutoff voltage of 4.5V and / or a range of 500mV around a cutoff voltage of 2.5V. The voltage dependent conduction capability of lithium ions within the operational range is preferably greater than outside the operational area. Preferably, the voltage-dependent conduction capability of lithium ions is essentially constant within the operative range. The voltage-dependent conduction capability of lithium ions below the operative range is also preferably constant. The voltage-dependent conduction capability of lithium ions above the operative range is also preferably constant.
Bevorzugt weist die funktionelle Membran ein leitfähiges Polymer, insbesondere Polypyrrol (PPy), Nanokomposites oder nanoporöse Kernspurmembranen auf. The functional membrane preferably has a conductive polymer, in particular polypyrrole (PPy), nanocomposites or nanoporous nuclear track membranes.
Erfindungsgemäß wird außerdem eine Lithiumbatteriezelle mit einem derartigen Separator bereitgestellt. Die Erfindung wird bevorzugt bei Lithium-Ionenbatteriezellen eingesetzt. Sie ist jedoch nicht auf Lithium-Ionenbatteriezellen beschränkt, sondern kann ebenso bei According to the invention, a lithium battery cell is also provided with such a separator. The invention is preferably used in lithium-ion battery cells. However, it is not limited to lithium-ion battery cells, but can also be used with
Lithiumschwefelzellen als auch bei Lithiumluftzellen eingesetzt werden. Erfindungsgemäß wird außerdem eine Lithiumbatterie mit zumindest einer derartigen Lithiumbatteriezelle zur Verfügung gestellt, die mit einem Antriebssystem eines Lithium sulfur cells as well as lithium air cells are used. According to the invention, a lithium battery is also provided with at least one such lithium battery cell, which is provided with a drive system of a
Kraftfahrzeugs verbindbar ist. Die Begriffe "Batteriezelle" und "Batterie" werden in der vorliegenden Beschreibung dem üblichen Sprachgebrauch angepasst für Akkumulator bzw. Akkumulatoreinheit verwendet. Die Batterie umfasst bevorzugt eine oder mehrere Batterieeinheiten, die eine Batteriezelle, ein Batteriemodul, einen Modulstrang oder ein Batteriepack bezeichnen können. Die Batteriezellen sind dabei vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden, beispielsweise seriell oder parallel zu Modulen verschaltet. Jedem Batteriemodul sind somit mehrere Batteriezellen zugeordnet, wobei diese in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet werden, um die geforderten Leistungs- und Motor vehicle is connectable. The terms "battery cell" and "battery" are used in the present description adapted to the usual language for accumulator or Akkumulatoreinheit. The battery preferably comprises one or more battery units, which may designate a battery cell, a battery module, a module string or a battery pack. The battery cells are preferably spatially combined and interconnected circuitry, for example, connected in series or parallel to modules. Each battery module are thus assigned a plurality of battery cells, which are connected in series and partially in addition to parallel to the required performance and
Energiedaten zu erzielen. Die einzelnen Batteriezellen sind bevorzugt Lithiumbatteriezellen mit einem Spannungsbereich von 2,5 bis 4,2 Volt. Mehrere Module können sogenannte Batteriedirektkonverter (BDC, Battery Direct Converter) bilden, und mehrere Achieve energy data. The individual battery cells are preferably lithium battery cells with a voltage range of 2.5 to 4.2 volts. Several modules can form so-called Battery Direct Converter (BDC), and several
Batteriedirektkonverter einen Batteriedirektinverter (BDI, Battery Direct Inverter).  Battery direct converter a battery direct inverter (BDI, Battery Direct Inverter).
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Batterie zur Verfügung gestellt, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Bevorzugt wird das Verfahren bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen angewendet, bei welchen eine Zusammenschaltung einer Vielzahl von Batteriezellen zur Bereitstellung der nötigen Antriebsspannung erfolgt. According to the invention, a motor vehicle is also provided with such a battery, wherein the battery is connected to a drive system of the motor vehicle. Preferably, the method is used in electrically powered vehicles, in which an interconnection of a plurality of battery cells to provide the necessary drive voltage.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Die Integration eines Überhitzungsschutzes innerhalb der Lithiumbatteriezelle bietet eine effektive Präventionsmaßnahme gegenüber zu hohen Temperaturen. Die automatisch auslösende Zustandsänderung der Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen des Separators ab einer definierten Grenztemperatur bietet einen sofortigen Schutz, der die Sicherheit von Lithiumbatterien steigert. Um die Überhitzung der Lithiumbatteriezelle zu vermeiden, d. h. das Überschreiten einer kritischen Temperatur zu vermeiden, wird dabei der Lithium- lonenfluss ab einer definierten Grenztemperatur unterbrochen. Die funktionelle Membran weist hierzu eine temperatursensitiv-steuerbare Durchlässigkeit bzw. Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen auf. Bei einem Überschreiten der definierten Grenztemperatur wird die funktionelle Membran derart strukturell verändert, dass sie undurchlässig für Lithium-Ionen wird. Dieser physikalische oder chemische Prozess erfolgt dabei in sehr kurzer Zeit und bringt den Lithium-Ionenfluss zum Stillstand, so dass keine Überhitzung stattfinden kann. The integration of overheat protection within the lithium battery cell provides an effective preventive measure against excessive temperatures. The auto-triggering change in state of the lithium ion conductivity of the separator beyond a defined threshold temperature provides immediate protection that enhances the safety of lithium batteries. In order to avoid overheating of the lithium battery cell, ie to avoid exceeding a critical temperature, the lithium ion flow is interrupted at a defined limit temperature. For this purpose, the functional membrane has a temperature-sensitive controllable permeability or conduction capability of lithium ions. When the defined limit temperature is exceeded, the functional membrane is structurally changed in such a way that it is impermeable to lithium ions becomes. This physical or chemical process takes place in a very short time and brings the lithium-ion flow to a standstill, so that no overheating can take place.
Die Integration eines Überladungsschutzes innerhalb jeder Lithiumbatteriezelle bietet eine effektive Präventionsmaßnahme gegenüber zu hohen Spannungen. Die automatisch auslösende Funktion des Separators ab einer definierten Grenzspannung bietet einen sofortigen Schutz, der die Sicherheit von Lithiumbatteriezellen steigert. Hierdurch kann sowohl eine Überladung der Zelle, welche im Allgemeinen beim Überschreiten einer The integration of overcharge protection within each lithium battery cell provides an effective preventive measure against excessive voltages. The automatic triggering function of the separator above a defined threshold voltage provides immediate protection that enhances the safety of lithium battery cells. As a result, both an overload of the cell, which generally when exceeding a
Ladespannung von 4,2 V zu erwarten ist, verhindert werden, bei welcher sich metallisches Lithium an der Anode ablagert. Ebenso kann ein Tiefentladungsschutz erreicht werden, wobei eine zulässige untere Entladespannung von Lithiumbatteriezellen bei ca. 2,5 V liegt, um irreversible Schäden zu vermeiden. Um die Überladung der Zelle, d. h. das Charging voltage of 4.2 V is expected to be prevented, at which deposits metallic lithium at the anode. Likewise, a deep discharge protection can be achieved, with an allowable lower discharge voltage of lithium battery cells is about 2.5 V to avoid irreversible damage. To overload the cell, d. H. the
Überschreiten der maximalen Ladespannung, zu vermeiden, wird der Lithium-Ionenfluss ab einer definierten Grenzspannung unterbrochen. Die funktionelle Membran weist hierzu eine elektrosensitiv-steuerbare Durchleitungsfähigkeit bzw. Durchlässigkeit gegenüber Lithium- Ionen auf. Die funktionelle Membran wird bei Überschreiten der oberen Grenzspannung oder bei Unterschreiten der unteren Grenzspannung strukturell so verändert, dass sie Exceeding the maximum charging voltage, to avoid the lithium-ion flow is interrupted from a defined limit voltage. For this purpose, the functional membrane has an electrosensitive controllable transmission capability or permeability to lithium ions. The functional membrane is structurally changed when the upper limit voltage is exceeded or when the lower limit voltage is exceeded
undurchlässig für Lithium-Ionen wird und eine Trenneigenschaft ausbildet. Dieser physikalische oder chemische Prozess erfolgt dabei in sehr kurzer Zeit und bringt den Lithium-Ionenfluss zum Stillstand, so dass keine Überladung oder Tiefentladung stattfinden kann. becomes impermeable to lithium ions and forms a separation property. This physical or chemical process takes place in a very short time and brings the lithium ion flow to a standstill, so that no overcharge or deep discharge can take place.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Exemplary embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.
Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemäße Lithiumbatteriezelle gemäß einer ersten 1 shows a lithium battery cell according to the invention according to a first
Ausführungsform,  embodiment,
Fig. 2 die Lithiumbatteriezelle aus Fig. 1 bei einem Betrieb unter kritischen Fig. 2 shows the lithium battery cell of Fig. 1 in an operation below critical
Bedingungen, Fig. 3 eine Lithiumbatteriezelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Conditions, 3 shows a lithium battery cell according to a second embodiment of the
Erfindung,  Invention,
Fig. 4 die Lithiumbatteriezelle aus Fig. 3 bei einem Betrieb unter kritischen FIG. 4 shows the lithium battery cell of FIG. 3 operating under critical conditions. FIG
Bedingungen,  Conditions,
Fig. 5 eine Lithiumbatteriezelle gemäß einer dritten Ausführungsform der 5 shows a lithium battery cell according to a third embodiment of the
Erfindung  invention
Fig. 6 die Lithiumbatteriezelle aus Fig. 5 bei einem Betrieb unter kritischen FIG. 6 shows the lithium battery cell of FIG. 5 operating under critical conditions. FIG
Bedingungen,  Conditions,
Fig. 7a bis 7c schematische Aufbauten von Separatoren gemäß verschiedenen 7a to 7c are schematic constructions of separators according to various
Ausführungsformen der Erfindung.  Embodiments of the invention.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Lithiumbatteriezelle 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Lithiumbatteriezelle 2 ist in einem Gehäuse 3 angeordnet und weist eine negative Elektrode 4, eine positive Elektrode 6 und einen zwischen den Elektroden 4, 6 angeordneten Separator 8 auf. Die negative Elektrode 4 weist einen negativen Stromkollektor 7 und ein erstes aktives Material 17 an zumindest einer Oberfläche des negativen Stromkollektors 7 auf. Die positive Elektrode 6 weist einen positiven Stromkollektor 5 und ein zweites aktives Material 15 an zumindest einer Oberfläche des positiven Stromkollektors 5 auf. Das erste aktive Material 17 und das zweite aktive Material 15 können dabei jeweils aus einer einzigen Komponente oder aus mehreren Komponenten bestehen. Die beiden Elektroden 4, 6 sind im dargestellten Beispiel über eine äußere Beschaltung 20 mit einem die Spannung zwischen den Elektroden 4, 6 messenden Spannungsmessgerät 28 elektrisch verbunden. 1 shows a schematic structure of a lithium battery cell 2 according to a first embodiment of the invention. The lithium battery cell 2 is arranged in a housing 3 and has a negative electrode 4, a positive electrode 6 and a separator 8 arranged between the electrodes 4, 6. The negative electrode 4 has a negative current collector 7 and a first active material 17 on at least one surface of the negative current collector 7. The positive electrode 6 has a positive current collector 5 and a second active material 15 on at least one surface of the positive current collector 5. The first active material 17 and the second active material 15 may each consist of a single component or of several components. In the illustrated example, the two electrodes 4, 6 are electrically connected via an external circuit 20 to a voltage measuring device 28 measuring the voltage between the electrodes 4, 6.
Die negative Elektrode 4 weist im dargestellten Beispiel Graphit 18 als erstes aktives Material 17 und einen negativen Stromkollektor 7 aus Kupfer auf. Die negative Elektrode 4 kann aus einem beliebigen, für die Herstellung von Lithium-Ionen-Anoden bekannten Material ausgebildet werden. Als Anodenspeichermaterialien sind etwa Silicium (Si), Germanium (Ge), Lithium, ein kohlenstoffhaltiges Material, wie Graphit oder amorphe Kohlenstoffe, oder eine metallische Legierung von Vorteil. Auch Hybridelektroden mit Lithium-Legierungsanteilen sind gebräuchlich. Die positive Elektrode 6 weist Lithium-Cobaltdioxid (LiCo02) als zweites aktives Material 15 und einen positiven Stromkollektor 5 aus Aluminium auf. Dargestellt sind die Cobaltatome 14, Lithiumatome 16 und die Sauerstoffatome 12 des Lithium-Cobaltdioxids. Die positive Elektrode 6 kann aus einem herkömmlichen, für die Herstellung von Lithium-Ionen-Kathoden bekannten Material ausgebildet werden. Als Kathodenspeichermaterialien sind etwa oxidische Materialien, insbesondere Lithium-Cobaltdioxid (LiCo02), Lithium-Eisenphosphat (LiFeP04), Lithium-Manganoxid Spinell (LiMn204) oder Nickel umfassende Mischoxide geeignet. Auch Nickel/Mangan/Cobalt-/Aluminium-Mischoxide, Lithium-Metall-Phosphate oder auch Lithiummanganspinelle sind im Einsatz. Auch beliebige Mischungen daraus sind möglich und im Einsatz. In the example shown, the negative electrode 4 has graphite 18 as first active material 17 and a negative current collector 7 made of copper. The negative electrode 4 may be formed of any material known for the production of lithium-ion anodes. As anode storage materials, silicon (Si), germanium (Ge), lithium, a carbonaceous material such as graphite or amorphous carbons, or a metallic alloy are advantageous. Hybrid electrodes with lithium alloy components are also common. The positive electrode 6 comprises lithium cobalt dioxide (LiCoO 2 ) as the second active material 15 and a positive current collector 5 made of aluminum. Depicted are the cobalt atoms 14, lithium atoms 16 and the oxygen atoms 12 of the lithium cobalt dioxide. The positive electrode 6 may be formed of a conventional material known for the production of lithium-ion cathodes. Suitable cathode storage materials are, for example, oxidic materials, in particular lithium cobalt dioxide (LiCoO 2 ), lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), lithium manganese oxide spinel (LiMn 2 O 4 ) or nickel-comprising mixed oxides. Also nickel / manganese / cobalt / aluminum mixed oxides, lithium metal phosphates or lithium manganese spinels are in use. Any mixtures thereof are possible and in use.
Die als Kathode fungierende Elektrodenschicht kann beispielsweise auf ein Substrat oder auf den positiven Stromkollektor 5 direkt abgeschieden werden, etwa durch ein The electrode layer acting as a cathode can be deposited directly on a substrate or on the positive current collector 5, for example by means of a
Sputterverfahren, oder aber es kann ein Verbund derartiger Materialien mit Sputtering, or it may be a composite of such materials with
Trägersubstanzen, Leitungsvermittlern oder Bindern verwendet werden. Carrier substances, circuit mediators or binders are used.
Die Stromkollektoren 5, 7 sind zweckmäßigerweise jeweils aus einem gut elektrisch leitenden Material ausgebildet, wie etwa einem Metall, einer Legierung oder auch einem gut leitfähigen Polymer. Die Stromkollektoren 5, 7 dienen insbesondere dazu, die elektrische Leitfähigkeit der aktiven Materialien 15, 17 zu verbessern und elektrische Kontakte aus dem Schichtensystem an geeigneter Stelle auszubilden. Die Stromkollektoren 5, 7 werden über die Pole 24, 26 zum Anschluss für die äußere Beschaltung 20. Zwischen der Kathode 6 und der Anode 4 ist der Separator 8 angeordnet, welcher dieThe current collectors 5, 7 are expediently each formed from a highly electrically conductive material, such as a metal, an alloy or a highly conductive polymer. The current collectors 5, 7 are used in particular to improve the electrical conductivity of the active materials 15, 17 and to form electrical contacts from the layer system at a suitable location. The current collectors 5, 7 are connected via the poles 24, 26 to the connection for the external circuit 20. Between the cathode 6 and the anode 4, the separator 8 is arranged, which the
Kathode 6 und die Anode 4 räumlich voneinander trennt. Die Kathode 6, der Separator 8 und die Anode 4 können im Gehäuse 3, gegebenenfalls mit weiteren, nicht dargestellten Cathode 6 and the anode 4 spatially separated from each other. The cathode 6, the separator 8 and the anode 4 can in the housing 3, optionally with other, not shown
Separatoren aufeinander gestapelt, Z-förmig gefaltet oder aufgewickelt sein, um die geforderten Volumina und Energiedichten zu erreichen. Separators stacked on each other, Z-folded or wound to achieve the required volumes and energy densities.
Der Separator 8 weist eine poröse Trägermembran 22 auf, welche beispielsweise eine feinporige Folie aus Kunststoff, ein Vliesstoff aus Glasfasern oder Folien aus Keramik gefertigt ist und eine funktionelle Membran 23, die in der dargestellten Ausführungsform als eine einseitige Beschichtung der porösen Trägermembran 22 vorliegt. Die funktionelle Membran 23 weist eine spannungsabhängige oder temperaturabhängige Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen 10 auf, so dass der Lithium-Ionenfluss 1 1 durch den Separator 8 von der spannungsabhängigen oder temperaturabhängigen The separator 8 has a porous support membrane 22, which is for example a fine-pored plastic film, a nonwoven fabric made of glass fibers or films made of ceramic and a functional membrane 23, which is present in the illustrated embodiment as a one-sided coating of the porous support membrane 22. The functional membrane 23 has a voltage-dependent or temperature-dependent Durchleitungsfähigkeit of lithium ions 10, so that the lithium-ion flux 1 1 through the separator 8 of the voltage-dependent or temperature-dependent
Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen 10 der funktionellen Membran 23 bestimmt ist. Die funktionelle Membran 23 umfasst hierzu beispielsweise ein Hydrogel, Nanokomposites, um eine temperaturabhängige Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen 10 auszubilden oder ein leitfähiges Polymer oder nanoporöse Kernspurmembranen, um eine spannungsabhängige Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen 10 auszubilden. Transmittance of lithium ions 10 of the functional membrane 23 is determined. The functional membrane 23 comprises, for example, a hydrogel, nanocomposites for forming a temperature-dependent conduction capability of lithium ions 10, or a conductive polymer or nanoporous nuclear tracking membranes to form a voltage-dependent conduction capability of lithium ions 10.
Die Funktionsweise der sekundären Lithium-Batteriezelle 2 beruht auf einer in Folge der unterschiedlichen elektrochemischen Potentiale des Lithiums in den beiden Elektroden 4, 6 entstehenden Quellenspannung. Beim Ablauf der Zellreaktion werden Lithium-Ionen 10 von der einen Elektrode in die andere Elektrode verschoben. Beim in Figur 1 dargestellten Ladevorgang wandern positiv geladene Lithium-Ionen (Li+-lonen) 10 durch den Elektrolyt hindurch von der positiven Elektrode 6 zwischen die Ebenen des Graphits 18 des zweiten aktiven Materials 17 der negativen Elektrode 4, während ein Ladestrom die Elektronen über die äußere Beschaltung 20 liefert. Der Lithium-Ionenfluss aus der positiven Elektrode 6 ist mit dem Bezugszeichen 1 1 versehen. Die Lithium-Ionen 10 bilden mit dem Graphit 18 eine Interkalationsverbindung (LixnC). Beim Entladen (nicht dargestellt) wandern die Lithium- Ionen 10 zurück in das als Lithiumkobaltdioxid ausgebildete erste aktive Material 15 und die Elektronen können über die äußere Beschaltung 20 zu der positiven Elektrode 4 fließen. Der Lithium-Ionenfluss aus der negativen Elektrode 4 ist mit dem Bezugszeichen 13 versehen und beispielsweise in Figur 2 dargestellt. The mode of operation of the secondary lithium battery cell 2 is based on a source voltage arising as a result of the different electrochemical potentials of the lithium in the two electrodes 4, 6. As the cell reaction progresses, lithium ions 10 are shifted from one electrode to the other electrode. In the charging process shown in FIG. 1, positively charged lithium ions (Li + ions) 10 migrate through the electrolyte from the positive electrode 6 between the planes of the graphite 18 of the second active material 17 of the negative electrode 4, while charging current transfers the electrons the external circuitry 20 provides. The lithium ion flux from the positive electrode 6 is provided with the reference numeral 11. The lithium ions 10 form an intercalation compound (LixnC) with the graphite 18. When discharging (not shown), the lithium ions 10 travel back into the first active material 15 formed as lithium cobalt dioxide, and the electrons can flow to the positive electrode 4 via the external wiring 20. The lithium ion flux from the negative electrode 4 is provided with the reference numeral 13 and shown for example in Figure 2.
Fig. 2 zeigt die Lithiumbatteriezelle 2 unter kritischen Bedingungen. Kritische Bedingungen können beispielsweise oberhalb einer Grenztemperatur oder außerhalb eines definiertenFig. 2 shows the lithium battery cell 2 under critical conditions. For example, critical conditions may be above a threshold temperature or outside a defined one
Spannungsbereichs sein. Oberhalb der Grenztemperatur oder außerhalb eines definierten Spannungsbereichs ist die Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen der funktionellen Membran 23 derart herabgesetzt, dass idealerweise keine Lithium-Ionen 10 den Separator 8 passieren können. Die funktionelle Membran 23 und die poröse Trägermembran 22 sind dabei so angeordnet, dass sowohl der Lithium-Ionenfluss 1 1 von der Kathode zur Anode, als auch der Lithium-Ionenfluss 13 von der Anode zur Kathode durch die poröse Voltage range be. Above the threshold temperature or outside a defined voltage range, the conduction capability of lithium ions of the functional membrane 23 is reduced such that ideally no lithium ions 10 can pass through the separator 8. The functional membrane 23 and the porous support membrane 22 are arranged so that both the lithium-ion flux 1 1 from the cathode to the anode, and the lithium-ion flow 13 from the anode to the cathode through the porous
Trägermembran 22 verhindert werden. Carrier membrane 22 can be prevented.
Fig. 3 zeigt eine Lithiumbatteriezelle 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Lithiumbatteriezelle 2 ist bezüglich der Anode 4 und der Kathode 6 analog aufgebaut wie die mit Bezug zu Figuren 1 und 2 beschriebene Ausführungsform, mit dem Unterschied, dass der Separator 8 aus drei Schichten besteht. Die funktionelle Membran 23 ist zwischen zwei porösen Trägermembranen 22 angeordnet. Fig. 4 zeigt die Lithiumbatteriezelle 2 gemäß der Ausführungsform aus Fig. 3 bei Betrieb unter kritischen Bedingungen. Die funktionelle Membran 23 weist wiederum eine verringerte Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen auf, so dass idealerweise kein Lithium-Ionenfluss 1 1 , 13 durch den Separator 8 erfolgen kann. Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Lithiumbatteriezelle 2, welche sich von den vorhergehenden Ausführungsformen ebenfalls durch den Aufbau des eingesetzten Fig. 3 shows a lithium battery cell 2 according to another embodiment of the invention. The lithium battery cell 2 is constructed analogously to the anode 4 and the cathode 6 as the embodiment described with reference to Figures 1 and 2, with the difference that the separator 8 consists of three layers. The functional membrane 23 is arranged between two porous support membranes 22. Fig. 4 shows the lithium battery cell 2 according to the embodiment of Fig. 3 when operating under critical conditions. The functional membrane 23 in turn has a reduced passage capability of lithium ions, so that ideally no lithium ion flow 11, 13 can take place through the separator 8. Fig. 5 shows another embodiment of the lithium battery cell 2, which differs from the previous embodiments also by the structure of the used
Separators 8 unterscheidet. Der Separator 8 umfasst hierbei ein Vielkomponentensystem, welches eine Vielzahl alternierend angeordneter Polymerstränge von porösen Separators 8 differentiates. In this case, the separator 8 comprises a multicomponent system which comprises a multiplicity of polymer strands of porous, arranged alternately
Trägermembranen und funktionellen Membranen aufweist. Having carrier membranes and functional membranes.
Wie in Fig. 6 dargestellt, ist bei dieser Ausführungsform ebenfalls der Lithium-Ionenfluss 1 1 , 13 durch den Separator 8 durch die Eigenschaften der funktionellen Membranen bestimmt. As shown in Fig. 6, in this embodiment as well, the lithium ion flux 1 1, 13 is determined by the separator 8 by the properties of the functional membranes.
Fig. 7a zeigt schematisch einen zweischichtigen Aufbau eines Separators 8 mit einer porösen Trägermembran 22 der Dicke D-ι und eine funktionelle Membran 23 der Dicke D2, welche nebeneinander angeordnet sind. Die poröse Trägermembran 22 ist durch Fig. 7a shows schematically a two-layer structure of a separator 8 with a porous support membrane 22 of thickness D-ι and a functional membrane 23 of thickness D 2 , which are arranged side by side. The porous support membrane 22 is through
Membranmonomerbausteine 32 aufgebaut und die funktionelle Membran 23 durch funktionelle Membranmonomerbausteine 34. Die Membranmonomerbausteine 34 können insbesondere als bekannte Moleküle mit einer reaktionsfähigen Doppelbindung oder mit funktionellen Gruppen und/oder ringförmigen Strukturen (z. B. Ethylenoxid oder Membrane monomer building blocks 32 and the functional membrane 23 by functional membrane monomer building blocks 34. The membrane monomer building blocks 34 can be used in particular as known molecules having a reactive double bond or with functional groups and / or annular structures (eg
Tetrahydrofuran) oder als anorganische Monomere (z. B. die Orthokieselsäure H4Si04) ausgebildet sein, die durch Kettenpolymerisation, Polykondensation oder Polyaddition zu Polymeren gebildet werden. Fig. 7b zeigt schematisch einen dreischichtigen Aufbau eines Separators 8 mit einer ersten porösen Trägermembran 22 einer Dicke D-ι, welche durch Membranmonomerbausteine 32 aufgebaut ist, einer funktionelle Membran 23 der Dicke D2, welche durch funktionelle Membranmonomerbausteine 34 aufgebaut ist, und einer zweiten poröse Trägermembran 22 der Dicke D3, welche durch Membranmonomerbausteine 32 aufgebaut ist, wobei die Membranen 22, 23 nebeneinander angeordnet sind. Fig. 7c zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung eines Separators 8 mit einer Vielzahl nebeneinander angeordneter poröser Membranen 22 und funktioneller Membranen 23, welche durch eine alternierende Abfolge von Membranmonomerbausteinen 32 und funktionellen Membranmonomerbausteinen 34 gebildet ist. Tetrahydrofuran) or as inorganic monomers (for example, the orthosilicic acid H 4 Si0 4 ), which are formed by chain polymerization, polycondensation or polyaddition to form polymers. Fig. 7b shows schematically a three-layered structure of a separator 8 with a first porous support membrane 22 of a thickness D-ι, which is constructed by Membraneonomerbausteine 32, a functional membrane 23 of thickness D 2 , which is constructed by functional membrane monomer building blocks 34, and a second porous support membrane 22 of thickness D 3 , which is constructed by membrane monomer building blocks 32, wherein the membranes 22, 23 are arranged side by side. FIG. 7 c shows a further possible embodiment of a separator 8 with a multiplicity of porous membranes 22 and functional membranes 23 arranged next to one another, which is formed by an alternating sequence of membrane monomer building blocks 32 and functional membrane monomer building blocks 34.
Die in Fig. 7a und Fig. 7b dargestellten Dicken D-ι, D2 und D3 der Membranen 22, 23 können gleich oder verschieden voneinander ausgebildet sein. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen. The thicknesses D 1 , D 2 and D 3 of the membranes 22, 23 shown in FIGS. 7 a and 7 b may be identical or different from each other. The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

Claims

Ansprüche 1 . Separator (8) einer Lithiumbatteriezelle (2), umfassend zumindest eine funktionelle Membran (23), wobei die funktionelle Membran (23) eine spannungsabhängige oder temperaturabhängige Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen (10) aufweist, und ein Lithium-Ionenfluss (1 1 , 13) durch den Separator (8) von der spannungsabhängigen oder temperaturabhängigen Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen (10) der funktionellen Membran (23) bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsänderung der Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen (10) der funktionellen Membran (23) in einem bestimmten Spannungsbereich um zumindest eine bestimmte Grenzspannung der Claims 1. Separator (8) of a lithium battery cell (2), comprising at least one functional membrane (23), wherein the functional membrane (23) has a voltage-dependent or temperature-dependent conduction capability of lithium ions (10), and a lithium-ion flux (1 1, 13 ) is determined by the separator (8) from the voltage-dependent or temperature-dependent conduction capability of lithium ions (10) of the functional membrane (23), characterized in that the state change of the conduction capability of lithium ions (10) of the functional membrane (23) in a certain voltage range around at least a certain limit voltage of the
Lithiumbatteriezelle (2) und/oder in einem bestimmten Temperaturbereich um eine bestimmte Grenztemperatur der Lithiumbatteriezelle (2) reversibel ist. Lithium battery cell (2) and / or in a certain temperature range by a certain limit temperature of the lithium battery cell (2) is reversible.
2. Separator (8) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (8) zumindest eine poröse Trägermembran (22) aufweist, die mit der funktionellen Membran (23) beschichtet ist, oder dass der Separator (8) zumindest zwei poröse Trägermembranen (22) aufweist, wobei zumindest eine funktionelle Membran (23) zwischen den zwei porösen Trägermembranen (22) angeordnet ist, oder dass der Separator (8) mehrere poröse Second separator (8) according to claim 1, characterized in that the separator (8) has at least one porous support membrane (22) which is coated with the functional membrane (23), or that the separator (8) at least two porous support membranes (22), wherein at least one functional membrane (23) is arranged between the two porous support membranes (22), or that the separator (8) is more porous
Trägermembranen (22) und mehrere funktionelle Membranen (23) aufweist und die porösen Trägermembranen (22) und die funktionellen Membranen (22, 23) alternierend angeordnet sind.  Carrier membranes (22) and a plurality of functional membranes (23) and the porous support membranes (22) and the functional membranes (22, 23) are arranged alternately.
3. Separator (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine funktionelle Membran (23) eine temperaturabhängige 3. Separator (8) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one functional membrane (23) has a temperature-dependent
Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen (10) aufweist und der bestimmte Durchleitungsfähigkeit of lithium ions (10) and the certain
Temperaturbereich einen Bereich von 10 °C um eine Grenztemperatur von 90 °C umfasst. Temperature range includes a range of 10 ° C to a limit temperature of 90 ° C.
4. Separator (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturabhängige Durchleitungsfähigkeit von Lithium-Ionen (10) unterhalb der Grenztemperatur größer ist als oberhalb der Grenztemperatur. 4. separator (8) according to any one of the preceding claims, characterized in that the temperature-dependent conduction capability of lithium ions (10) below the limit temperature is greater than above the limit temperature.
5. Separator (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine funktionelle Membran (23) mit temperaturabhängiger 5. Separator (8) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one functional membrane (23) with temperature-dependent
Durchleitungsfähigkeit von Lithium-lonen (10) ein Hydrogel oder Nanokomposites aufweist. Durchleitungsfähigkeit of lithium ions (10) has a hydrogel or nanocomposites.
6. Separator (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine funktionelle Membran (23) eine spannungsabhängige 6. Separator (8) according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one functional membrane (23) is a voltage-dependent
Durchleitungsfähigkeit von Lithium-lonen (10) aufweist und der bestimmte Transmittance of lithium ions (10) and the particular
Spannungsbereich einen Bereich von 500 mV um eine Grenzspannung von 4,5 V umfasst. Voltage range includes a range of 500 mV to a threshold voltage of 4.5V.
7. Separator (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine funktionelle Membran (23) eine spannungsabhängige 7. Separator (8) according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one functional membrane (23) is a voltage-dependent
Durchleitungsfähigkeit von Lithium-lonen (10) aufweist und der bestimmte Transmittance of lithium ions (10) and the particular
Spannungsbereich einen Bereich von 500 mV um eine Grenzspannung von 2,5 V umfasst. Voltage range includes a range of 500 mV to a threshold voltage of 2.5V.
8. Separator (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsabhängige Durchleitungsfähigkeit von Lithium-lonen (10) innerhalb eines operativen Bereichs zwischen 2,5 V und 4,5 V größer ist als außerhalb des Bereichs. A separator (8) according to any one of the preceding claims, characterized in that the voltage-dependent conduction capability of lithium ions (10) is greater within an operational range between 2.5V and 4.5V than outside the range.
9. Separator (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine funktionelle Membran (23) mit spannungsabhängiger 9. Separator (8) according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one functional membrane (23) with voltage-dependent
Durchleitungsfähigkeit von Lithium-lonen (10) ein leitfähiges Polymer, insbesondere  Conduction capability of lithium ions (10) a conductive polymer, in particular
Polypyrrol, oder eine nanoporöse Kernspurmembran aufweist. Polypyrrole, or has a nanoporous Kernspurmembran.
10. Lithiumbatteriezelle (2) mit einem Separator (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 9. 10. lithium battery cell (2) with a separator (8) according to any one of claims 1 to 9.
1 1 . Lithiumbatterie mit zumindest einer Lithiumbatteriezelle (2) nach Anspruch 10. 1 1. Lithium battery with at least one lithium battery cell (2) according to claim 10.
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