电池单体、车辆电池、机动车和电池单体电极的载体元件的制造方法与流程

1.本发明涉及一种具有至少一个电极的电池单体，其中具有用于交替接收和释放离子的电极材料的活性层位于载体元件上。这种载体元件还被称为“载体”。电极材料还被称为活性材料。本发明还包括具有至少一个所述类型的电池单体的车辆电池和具有这种车辆电池的机动车。最后，本发明还包括一种用于制造所述载体元件的方法。


背景技术：

2.在车辆电池中，可以借助于串联连接和/或并联连接的方式连接多个电池单体，使得车辆电池可以提供规定的额定电压和规定的额定电流。这种车辆电池例如可以设计为高压电池，其提供大于60伏、特别是大于100伏的额定电压。每个电池单体构成一个伽凡尼电池，也就是说，它包括经由电解质耦合用于离子交换的电极。电极通常由所谓的隔板隔开，以防止电子穿越。
3.每个电极分别与电池单体的电连接极之一(正极或负极)电连接。为此，电极可以具有载体元件或接触元件，其例如可以由金属，例如铜或铝构成。由所述电极材料或活性材料制成的活性层可以布置在载体元件上，该材料被设计用于实际接收和释放离子。这种活性材料的一个例子是石墨或碳。
4.在电动车辆的高压电池中，锂离子电池单体目前主要采用不同封装形式，例如圆形电池单体、棱柱形电池单体或软包电池单体。电池单体的重要基本参数是单体容量、能量密度和效率。除了所使用的电池化学组分和涂覆工艺之外，阳极、阴极和隔膜的要安置的层数目是影响单体容量、能量密度和功率密度的直接因素。其他单体类型，例如在低压应用情况中和在消费产品中，也适用此规则。
5.电池单体的电极箔的活性表面积由长度
×
宽度
×
2(上侧和下侧)得出。因此，在给定体积或安装空间下，可以通过更薄的箔和然后可能更大的层数/卷绕数来增大活性面积。然而，箔厚度的最小化受到对机械强度的需求的限制，否则会因此限制生产速度；受到对载流能力的需求的限制，否则会导致更高自热和加速老化；受到对散热的需求的限制，否则也会导致加速老化。目前工业上使用的箔强度在6μm到20μm之间。由于上述因素，对箔厚度的进一步降低遇到其技术极限。就箔技术而言，这意味着在单体容量、能量密度和功率密度方面的技术限制。
6.de 10 2010 011 413 a1描述了电池单体的相应电极的载体优选设计为薄片、薄板或集电箔。
7.从de 10 2009 035 490 a1已知，为锂离子单体使用基于无纺布的分隔件。从ep 2 830 125 b1中还已知具有基于无纺布的分隔件的电池单体。
8.载体元件用于将电子从活性层输送到电池单体的端子极，或者反之从电池单体的端子极输送到活性层。活性层和载体元件之间的分界面，即在载体元件的表面上，得到电流密度，该电流密度还取决于活性层的厚度和/或容量，因为这决定了每平方毫米可交换的离
子数。因此，使用性能更好的活性层，载体元件表面上的电流密度会变高，以至于在活性层和载体元件之间的接触电阻损害电池单体的性能。


技术实现要素：

9.因此本发明的目的是，在电池单体中提供至少一个电极的活性层到电池单体的相应端子极的有效电连接。
10.该目的通过独立权利要求的主题实现。本发明的有利实施方式由从属权利要求、以下说明书和附图得出。
11.本发明提供一种具有至少一个电极的电池单体，该电极具有载体元件和位于载体元件上的、带有电极材料或活性材料的活性层，其中该电极材料被设置用于交替接收和释放离子，载体元件将活性层与电池单体的电连接极/电端子极电连接，载体元件具有导电表面以用于与活性层的电极材料进行电子交换。载体元件在此是指在常规电池单体中可以通过箔、例如铜箔实现的面式布置。因此它尤其是金属载体层或金属化载体层。具有电极材料或活性材料、例如用于负极的石墨的活性层可以以已知方式设置在载体元件上。可以通过隔板或隔层以已知方式将属于一起的两个电极的电极材料隔开。
12.以所描述的方式会在载体元件的导电表面上得到高的电流密度，使得例如由于边界层电阻而存在损害电池单体的性能的风险。然而在活性层和载体元件之间的电子穿越的表面积越大，则总体起作用的电阻就越低。
13.为了提供大的用于电子交换的表面，使得活性层和载体元件之间的电阻可以小于预定最大值，在相应载体元件中由大量导电元件提供导电表面，导电元件由纤维和/或颗粒和/或开槽箔和/或穿孔箔和/或箔条和/或絮料形成。换句话说，不设置光滑或平坦的箔作为载体元件，而是载体元件的表面被三维结构化，即尤其具有凹部，例如槽或孔或纤维之间的自由空间。因此在箔和/或箔条和/或絮料中设置纤维和/或颗粒和/或槽/孔，由此在载体元件中得到所述空间或空腔，即在每两个导电元件之间存在间隙或空腔，其中可以放置另外的电极材料和/或另外的导电的连接材料，例如导电膏和/或粉末。空腔的直径可以小于3毫米，尤其是小于1毫米。例如，可以设置平面的或卷绕的板或层作为载体元件，该板或层的表面被三维结构化，从而在单个纤维或通常的导电元件之间产生凹部或空腔。特别地，三维结构化可以被理解为在从3平方毫米到1平方毫米的微观尺寸中提供一个或多个、特别是超过100个至少10微米深(特别是超过20微米深)的凹部。载体元件的导电表面由此增大，因为空腔由导电元件限制，例如由导电纤维的表面限制。
14.本发明的优点在于，载体元件的外部尺寸(长度乘以宽度)并不规定有效的电表面，而是通过其由于使用单独的导电元件、例如纤维而得到的三维结构化，使导电表面积比载体元件的外部尺寸(长度乘以宽度)大许多倍。
15.本发明还包括产生额外优点的实施方式。
16.在一个实施方式中，将纤维和/或箔条提供为毛毡或无纺布或织物。导电元件因此相互缠绕或交织或交叠。尽管使用单独的导电元件，例如单独的纤维，载体元件仍具有机械强度，尤其是抗拉强度。
17.在一个实施方式中，至少一些或大部分纤维或箔条被朝向电极端子定向。将导电元件朝向电极端子定向得出的优点是，在载体元件内电子并不在两个导电元件之间穿越，
即不克服界面电阻或边界，而是总能够在载体元件的导电元件内被引导。这避免了不必要的额外欧姆电阻。如果导电元件太短，至少可以通过定向来使欧姆电阻最小化。
18.在一个实施方式中，一些或全部导电元件本身由导电材料形成。适于提供整个导电元件的导电材料的示例是铜和铝。因为导电元件本身是导电的，所以载体元件中的导电横截面特别大。
19.在一个实施方式中，一些或所有导电元件分别由具有导电层和/或导电护套的基础元件形成。通过提供基础元件，例如由物料或玻璃纤维制成的毛毡或无纺布，以及通过提供附加的导电层或导电护套，得到的优点是，通过使用基础元件(由电绝缘纤维制成的无纺布)，可以与载体元件的导电材料无关地确定至少一个载体元件的特性，例如纤维密度和/或织物形状，然后通过添加或提供导电层和/或导电护套，可以单独调节或提供导电能力。
20.本发明还提出一种用于机动车的车辆电池。车辆电池具有至少一个根据本发明的电池单体。它优选是锂离子技术中的电池单体。这种车辆电池例如可以设计为具有大于60伏、尤其是大于100伏的额定电压(直流电压)的高压电池。但也可以提供基于根据本发明的至少一个电池单体的用于低压车载电网(电压小于60伏)的车辆电池。车辆电池的多个电池单体或所有电池单体优选具有根据本发明的所述特征。
21.本发明还提出一种具有根据本发明的车辆电池的机动车。根据本发明的机动车优选设计为汽车，特别是乘用车或载重汽车，或者是乘用巴士或摩托车。
22.本发明还提出一种用于制造用于电池单体的电极的载体元件的方法，其中载体元件由导电元件形成的毛毡或无纺布或织物或颗粒构成，并且在导电元件之间分别留有用于电极材料和/或导电的连接材料的空腔，其中空腔由导电元件的导电表面限制。活性层的电极材料或另一种导电材料也可以被置入到空腔中，以实现活性层和空腔之间的电子流动。因此，通过该方法可以提供一种载体元件，该载体元件可以涂覆具有电极材料或活性材料的活性层，以便形成用于电池单体的电极。载体元件不像箔那样光滑，而是在表面上具有所描述的空腔，从而产生三维结构化的表面。这种空腔的直径优选小于3毫米，特别是小于1毫米，特别是小于100微米。设计为槽的空腔的长度可以大于这些值，但空腔的槽宽度优选为所述值。作为用于形成毛毡或无纺布或织物的导电元件可以例如使用所谓的纳米纤维，即直径小于100微米、特别是小于10微米的纤维。例如，可以使用球作为颗粒，当球被连接形成载体元件时，在球之间也形成空腔。为了改善载体元件内的导电性，可以设置各个导电元件通过材料配合连接彼此电连接。为此，例如可以将导电元件彼此钎焊或焊接在一起。因此，单个纤维优选以材料配合的方式彼此连接。为此，载体元件可以例如在制造期间被施加电流，通过该电流加热各个导电元件，使得它们彼此熔化或熔合。载体元件还可以附加地或替代地通过外部热源、例如火焰加热，使得导电元件在其表面上软化或液化并且彼此形成材料配合的连接。导电元件也可以浸入导电的液体材料中，从而形成材料配合的连接。这与浸焊或波峰焊工艺类似。可以用导电材料在导电元件上进行气相喷镀。可以使用铜或铝或锡作为材料。
23.在一个实施方式中，导电元件分别由基础元件通过用导电层涂覆基础元件制成。因此，可以首先通过使用由织物或玻璃纤维或塑料制成基础元件、例如纤维来借助于基础元件规定载体元件中空腔的形状和/或密度和/或尺寸，然后通过涂覆提供导电能力。也可以设置首先涂覆基础元件，然后例如通过毡制或编织基础元件制造载体元件。
24.在一个实施方式中，通过基础元件的金属化来产生导电层。金属化的优点是可以利用金属的导电能力。为进行金属化可以采用本身已知的方法，例如通过金属的电镀或气相沉积或通过溅射或pvd。
25.本发明还包括根据本发明的方法的改进方案，其具有已经结合根据本发明的电池单体的改进方案所描述的特征。为此，这里不再描述根据本发明的方法的相应改进方案。相应地，本发明还包括根据本发明的电池单体的改进方案，其具有已经结合根据本发明的方法的改进方案所描述的特征。
26.本发明还包括所述实施方式的特征的组合。因此，本发明还包括分别具有多个所述实施方式的特征组合的实现方案，只要这些实施方式本身没有被描述为相互排斥的。
附图说明
27.接下来描述本发明实施例。这里示出：
28.图1示出根据现有技术的电池单体的电极和根据本发明的电池单体的电极的横截面示意图；以及
29.图2示出具有根据本发明的车辆电池的根据本发明的机动车的实施方式的示意图，其中提供有根据本发明的电池单体。
具体实施方式
30.下面解释的实施例是本发明的优选实施方式。在实施例中，实施方式的所描述的组件分别代表本发明的各单独的、可彼此独立看待的特征，这些特征分别彼此独立地改进本发明。因此，本公开还包括除了所示出的实施方式的特征的组合之外的特征组合。此外，所描述的实施方式还可以由本发明的其他已经描述的特征来补充。
31.在附图中，相同的附图标记分别表示具有相同功能的元件。
32.图1示出了图a和图b两幅图，其中，对电池单体10的示图b示出了电极11，与之相比，图a示出如从现有技术已知的电池单体12之一以及与电极11功能相同的电极13。
33.在电池单体10中，电极11可具有载体或载体元件14，在载体或载体元件的一侧上或相对置的两侧上(如图2所示)分别布置有活性层15，该活性层具有活性材料或电极材料16，例如石墨。借助于载体元件14，相应的活性层15可以与电池单体10的端子极17(正极或负极)电连接。
34.在图a中，功能相同的元件用相同的附图标记表示，但带有撇号。此外，对于两个图a、b示出了刻度18，其在此例如可以处于从5微米到20微米的范围内，例如为10微米。
35.在电池单体12的情况下，其电极13的载体元件14'可以是箔或金属片。据此得到载体元件的光滑或平坦表面19，其面积值相当于载体元件14'的尺寸，即长度乘以宽度。
36.在电池单体10的情况下，与载体元件14'不同地，载体元件14具有导电元件，即能导电的元件(导电元件20)，在图1中为了清楚起见仅对少数导电元件附有附图标记。导电元件20例如可以是金属涂覆的纤维或线材。导电元件20可以以毛毡、无纺布或织物的形式相互缠绕。由此在导电元件20之间产生了空腔21，为了清楚起见，在此又只有少数空腔设有附图标记。这导致在导电元件的表面上的导电表面22总体上大于载体元件14的尺寸，即长度l和宽度b，该宽度垂直于长度l并且垂直于图1中的图示平面延伸。电子可以穿过该导电表面
22在载体元件14与至少一个活性层15之间交换或穿越。这导致与载体元件14'的表面19相比更低的电阻。
37.图2示出了电极11或多个这种电极11如何布置在电池单体10中。通过省略点23表明在电池单体10中可以存在电极11的多个所示的层布置结构。省略点24示出可以设置多个电池单体10。电池单体10可以提供在车辆电池25中，并且以已知方式(未示出)连接到电池端子26，以便运行车载电网28。车辆电池25可以设置在机动车29中，该机动车例如是电动车辆或混合动力车辆。车辆电池25可以设计为高压电池。电池单体10可以基于锂离子技术。
38.因此建议用金属化的无纺布或织物取代目前例如由铝或铜制成的金属箔。在容量相当的情况下的优点在于：
[0039]-由于电化学活性表面积增大效率/有效功率更高，
[0040]-机械强度提高，从而可能的制造速度会提高，
[0041]-活性材料的附着力提高(3d无纺布与2d箔相比)。
[0042]
相反，在效率/有效功率相当的情况下，通过更厚的电极可以获得更高的能量密度。
[0043]
无纺布或织物可以具有多层纳米纤维(类似于粉尘空气过滤器)，并且表面可以金属化。合适的金属化工艺例如包括电镀或蒸发工艺，如溅射或pvd(物理气相沉积)。
[0044]
在进一步的加工步骤中，可以在压延机(kalander)中将无纺布以限定的强度压缩以获得厚度均匀的无纺布。后续的涂覆和干燥的加工工序与之前的工序相对应。
[0045]
其他可能的变体由以下特征产生：无纺布或织物可以由导电的、不导电的基材或它们的混合物制成。无纺布或织物可以包括金属纤维，由此不需要涂覆过程。根据应用，金属化可以在无纺布上整面地或部分地进行。可以使用金属化纤维，或者可以事后对无纺布进行金属化。根据应用，无纺布可包含定向纤维或非定向纤维。无纺布可以由基本结构或织物(可提高加工速度)和载体结构(形成电镀表面的基本构架)组成。
[0046]
总体而言，这些示例示出了如何通过增大载体元件的材料的电表面来提供电池单体的效率。