DE102009027397A1 - Battery cell of a rechargeable battery, battery and method for enabling a deep discharge of the battery cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (2) einer wiederaufladbaren Batterie (1) mit einer ein erstes aktives Material (8) aufweisenden positiven Elektrode (4) und einer ein zweites aktives Material (10) aufweisenden negativen Elektrode (5), wobei jeder der Elektroden (4, 5) ein jeweiliger Potentialbereich (17, 18) ihres elektrischen Potentials zugeordnet ist, der eine dauerhaft reversible Redoxreaktion der aktiven Materialien (8, 10) ermöglicht. Es ist vorgesehen, dass die Batteriezelle (2) mindestens ein weiteres Material (13, 14) zur Ausbildung eines zusätzlichen Redoxsystems, das mindestens eines der Potentiale der Elektroden (4, 5) mittels einer weiteren Redoxreaktion in seinem zugeordneten Potentialbereich (17, 18) stabil hält, aufweist.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende wiederaufladbare Batterie (1) und ein entsprechendes Verfahren zum Ermöglichen einer Tiefentladung einer Batteriezelle (2).The invention relates to a battery cell (2) of a rechargeable battery (1) having a positive electrode (4) having a first active material (8) and a negative electrode (5) having a second active material (10), each of the electrodes ( 4, 5) is assigned a respective potential range (17, 18) of its electrical potential, which enables a permanently reversible redox reaction of the active materials (8, 10). It is provided that the battery cell (2) at least one further material (13, 14) for forming an additional redox system, the at least one of the potentials of the electrodes (4, 5) by means of a further redox reaction in its associated potential region (17, 18). stable holds.
The invention further relates to a corresponding rechargeable battery (1) and a corresponding method for enabling a deep discharge of a battery cell (2).
Description
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle einer wiederaufladbaren Batterie mit einer ein erstes aktives Material aufweisenden positiven Elektrode und einer ein zweites aktives Material aufweisenden negativen Elektrode, wobei jeder der Elektroden ein jeweiliger Potentialbereich ihres elektrischen Potentials zugeordnet ist, der eine dauerhaft reversible Redoxreaktion der aktiven Materialien ermöglicht.The The invention relates to a battery cell of a rechargeable battery with a positive electrode having a first active material and a negative electrode having a second active material, wherein each of the electrodes is a respective potential region of its associated with electrical potential, which is a permanently reversible Redox reaction of the active materials allows.
Stand der TechnikState of the art
Eine derartige Batteriezelle ist zum Beispiel als Batteriezelle einer sekundären Lithium-Ionen Batterie bekannt. Die positive Elektrode einer solchen Batteriezelle weist zum Beispiel Lithiumcobaltdioxid als erstes aktives Material und einen positiven Stromkollektor aus Aluminium auf und die negative Elektrode weist zum Beispiel Graphit als zweites aktives Material und einen negativen Stromkollektor aus Kupfer auf, wobei zwischen den Elektroden ein Separator angeordnet ist. Das erste aktive Material und das zweite aktive Material können dabei aus einer einzigen Komponente oder aus mehreren Komponenten bestehen.A Such a battery cell is a battery cell, for example secondary Lithium-ion battery known. The positive electrode of such a battery cell For example, lithium cobalt dioxide is the first active material and a positive current collector made of aluminum and the negative For example, electrode includes graphite as the second active material and a negative current collector of copper, wherein between the electrodes a separator is arranged. The first active material and the second active material consist of a single component or of several components.
Batteriezellen sekundärer Lithium-Ionen Batterien (sekundäre Lithiumzellen, die kein Lithium-Metall enthalten) sind aktuell verwendete elektrische Energiespeicher und kommen derzeit zum Beispiel in tragbaren elektrischen Geräten wie Mobiltelefonen, Laptops, Camcordern, MP3-Spielern und Elektrohandwerkzeugen (Powertools) zum Einsatz. Der Einsatz dieser Batterien zum Speisen von elektrischen Antriebsmaschinen im Fahrzeugbereich ist ebenfalls schon realisiert. Unter dem Begriff der sekundären Lithiumzellen fallen alle wiederaufladbaren Lithiumzellen unterschiedlichster Geometrie und Zellchemie.battery cells secondary Lithium-ion batteries (secondary Lithium cells that do not contain lithium metal) are currently in use electrical energy storage and currently come, for example, in portable electrical appliances such as cell phones, laptops, camcorders, MP3 players and electric hand tools (Powertools) are used. The use of these batteries for food of electric drive machines in the vehicle sector is also already realized. The term secondary lithium cells covers all Rechargeable lithium cells of different geometry and Cell chemistry.
Die sekundäre Lithium-Ionen Batterie zeichnet sich gegenüber anderen Batterie-Technologien durch eine vergleichsweise hohe Energiedichte aus. Sie ist thermisch stabil, liefert über den Entladezeitraum eine im Wesentlichen konstante Spannung.The secondary Lithium-ion battery is superior to other battery technologies a comparatively high energy density. It is thermally stable, delivers over the discharge period is a substantially constant voltage.
Das Aufladen dieses als wiederaufladbare Batterien ausgebildeten elektrischen Speichers geschieht mittels eines Ladegeräts oder im Speicher integrierter Ladeeinheiten. Beim Laden müssen unter anderem dem jeweiligen Zelltyp entsprechend spezifische maximale Ladestromwerte, Temperaturen und Ladeschlussspannungen zum Erhalt der Funktionsfähigkeit und für die Gewährleistung des sicheren Betriebs der Batteriezelle eingehalten werden. Beim Entladen müssen Zellparameter wie beispielsweise Stromlimits, Temperaturlimits und Entladeschlussspannungen der einzelnen Batteriezellen überwacht und eingehalten werden. Wesentlich für das Entladen ist insbesondere das Einhalten der vom Hersteller vorgegebenen Entladeschlussspannung.The Charging this designed as rechargeable batteries electrical Memory is done by means of a charger or integrated in memory Loading units. When loading need among other things, according to the respective cell type specific maximum Charging current values, temperatures and end-of-charge voltages to obtain the functionality and for the warranty the safe operation of the battery cell are maintained. When discharging have to Cell parameters such as current limits, temperature limits and End-of-discharge voltages of the individual battery cells monitored and be respected. Essential for the unloading is in particular the compliance with the manufacturer Discharge voltage.
Das Einhalten der Zellparameter erfordert elektronische Kontroll- und Schutzeinrichtungen, welche mit Kosten aber auch einem zusätzlichen Raumbedarf einhergehen.The Adhering to the cell parameters requires electronic control and Protective devices, which with costs but also an additional space requirement accompanied.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Batteriezelle mindestens ein weiteres Material zur Ausbildung eines zusätzlichen Redoxsystems aufweist, das mindestens eines der Potentiale der Elektroden mittels einer weiteren Redoxreaktion in seinem zugeordneten Potentialbereich stabil hält. Ein derartiges zusätzliches Redoxsystem ermöglicht somit eine Tiefentladung der Batteriezelle bis zu einer Spannung deutlich unterhalb einer vom Hersteller der Batterie vorgegebenen Entladeschlussspannung. Unter Tiefentladung wird hier die Entladung bis herunter zu einer Zellspannung von 0 V verstanden. Das zusätzliche Redoxsystem hält das Potential der mindestens einen Elektrode zumindest bei Unterschreiten der Entladeschlussspannung mittels der weiteren Redoxreaktion in ihren zugeordneten Potentialbereichen stabil. Vorzugsweise hält das zusätzliche Redoxsystem beide Potentiale der Elektroden in ihren zugeordneten Potentialbereichen stabil.According to the invention, it is provided that the battery cell at least one further material for training an additional one Redox system having at least one of the potentials of the electrodes by means of a further redox reaction in its associated potential range stable. Such an extra Redox system allows thus a deep discharge of the battery cell up to a voltage well below a given by the manufacturer of the battery Discharge voltage. Under deep discharge here is the discharge down to a cell voltage of 0 V understood. The extra Redox system stops the potential of the at least one electrode at least when falling below the final discharge voltage by means of the further redox reaction in their associated potential areas stable. Preferably, the extra holds Redox system both potentials of the electrodes in their associated Potential areas stable.
Durch das mindestens eine weitere Material der Batteriezellen, also eine oder mehrere additive Zellkomponente(n), wird garantiert, dass die Potentiale der positiven und negativen Elektroden bei der Entladung innerhalb ihrer jeweiligen Potentialbereiche zum ordnungsgemäßen Betrieb der Batteriezelle (elektrochemische Stabilitätsfenster) bleiben.By the at least one further material of the battery cells, so a or more additive cell component (s), it is guaranteed that the Potentials of the positive and negative electrodes during discharge within their respective potential ranges for proper operation the battery cell (electrochemical stability window) remain.
Herkömmliche Batteriezellen mit vorgegebener Entladeschlussspannung – wie sie zum Beispiel in Laptops oder in Elektrohandwerkzeugen (Powertools) verwendet werden – können durch eine Tiefentladung dagegen irreversibel geschädigt werden, wenn die vom Hersteller spezifizierten jeweiligen Potentialbereiche zum ordnungsgemäßen Betrieb beziehungsweise ein sich daraus ergebendes Spannungsfenster verlassen wird. Die damit verbundene „Sicherheitsreserve” dient unter anderem dazu, um asymmetrische Alterungsvorgänge der Elektroden abzupuffern. Besonders wichtig ist der Erfindungsinhalt auch für seriell verschaltete Batteriezellen bei denen nicht jede einzelne Batteriezelle hinsichtlich ihrer Spannungslage überwacht wird.conventional Battery cells with preset discharge voltage - like them for example in laptops or electric hand tools (Powertools) can be used - can through a deep discharge, however, be irreversibly damaged if the manufacturer specified respective potential ranges for proper operation or leave a resulting voltage window becomes. The associated "safety reserve" is used Among other things, to asymmetric aging of the To buffer electrodes. Particularly important is the content of the invention also for serially connected battery cells where not every single one Battery cell is monitored for their voltage level.
Bei einer erfindungsgemäßen Batteriezelle kann der Überwachungsaufwand durch die hier beschriebene weitere Redoxreaktion hingegen stark reduziert oder eine Überwachung vollständig weggelassen werden.at a battery cell according to the invention can the monitoring effort by the further redox reaction described here, however, strong reduced or a surveillance Completely be omitted.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass jedes der elektrischen Potentiale im Verlauf einer Entladung der Batteriezelle in ein gemeinsames Potentialfenster gelangt und beide Potentiale durch die weitere Redoxreaktion in diesem gemeinsamen Potentialfenster stabil gehalten werden. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die elektrischen Potentiale Φ durch die weitere Redoxreaktion auf Niveaus stabil gehalten werden, die um weniger als 0.3 V, bevorzugt um weniger als 0.2 V und besonders bevorzugt um weniger als 0.1 V, von einander abweichen. Das Potential Φp der positiven Elektrode ist dabei bevorzugt auf gleich hohem oder nur geringfügig höherem Niveau als das Potential Φn der negativen Elektrode. Dieser Fall hat den Vorteil, dass die Batteriezelle bei etwa 0–0.3 V stabil und lagerfähig ist (Φp – Φn = 0 V ... 0.3 V) und weiterhin ein Kurzschluss keine wesentlichen Energiemengen gibt. Generell sind aber auch andere Potentiallagen von positiver und negativer Elektrode denkbar, so lange wie das Potentialfenster der Elektroden nicht verlassen wird. Theoretisch darf die Redoxreaktion an der positiven Elektrode auch auf tieferem Potential stattfinden als die der negativen Elektrode, so lange das gemeinsame Potentialfenster nicht verlassen wird.According to a preferred embodiment The invention provides that each of the electrical potentials in the course of a discharge of the battery cell enters a common potential window and both potentials are kept stable by the further redox reaction in this common potential window. In this case, provision is made in particular for the electrical potentials Φ to be kept stable by the further redox reaction at levels which deviate from one another by less than 0.3 V, preferably by less than 0.2 V and particularly preferably by less than 0.1 V. The potential Φp of the positive electrode is preferably at the same level or only slightly higher than the potential Φn of the negative electrode. This case has the advantage that the battery cell is stable and storable at about 0-0.3 V (Φp - Φn = 0 V ... 0.3 V) and furthermore a short circuit does not give any significant amounts of energy. In general, however, other potential layers of positive and negative electrodes are conceivable as long as the potential window of the electrodes is not left. Theoretically, the redox reaction at the positive electrode may also take place at a lower potential than that of the negative electrode, as long as the common potential window is not left.
Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die positive Elektrode und/oder die negative Elektrode und/oder ein Elektrolyt der Batteriezelle das weitere Material aufweist. Die Stabilisierung kann durch die weitere Redoxreaktion innerhalb der positiven und/oder negativen Elektrode aber auch innerhalb des Elektrolyten geschehen.With Advantage is provided that the positive electrode and / or the negative electrode and / or an electrolyte of the battery cell the has further material. The stabilization can be achieved by the further redox reaction within the positive and / or negative electrode but also within of the electrolyte happen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die positive Elektrode weiterhin einen positiven Stromkollektor aus einem ersten Ableitermaterial und die negative Elektrode weiterhin einen negativen Stromkollektor aus einem zweiten Ableitermaterial aufweist. Insbesondere ist vorgesehen, dass der positive Stromkollektor und/oder das erste aktive Material und/oder der negative Stromkollektor und/oder das zweite aktive Material und/oder das Elektrolyt der Batteriezelle das weitere Material aufweist.Especially is provided that the positive electrode continues to be a positive Current collector of a first arrester material and the negative Electrode continues to have a negative current collector from a second Ableitermaterial has. In particular, it is provided that the positive current collector and / or the first active material and / or the negative current collector and / or the second active material and / or the electrolyte of the battery cell has the further material.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die wiederaufladbare Batterie eine sekundäre Lithium-Ionen Batterie ist. Aufgrund ihrer hohen spezifischen Energie- und Leistungsdichten sind Batteriezellen einer sekundären Lithium-Ionen Batterie (Lithium-Sekundärzellen) derzeit dabei alle möglichen Einsatzfelder für netzunabhängige elektrische Maschinen und Geräte zu erobern. Das Spektrum der eingesetzten Technologien ist dabei sehr groß. So kommen die unterschiedlichsten Materialien in den Batteriezellen zum Einsatz. Dies bezieht sich auf alle Komponenten der Zelle, so zum Beispiel die aktiven und passiven Materialien der positiven und negativen Elektroden, die Bestandteile des Elektrolyts beziehungsweise der Elektrolytlösung, Separatoren, die Stromkollektoren und Gehäusematerialien eines Gehäuses der Batteriezelle.According to one preferred embodiment of Invention is provided that the rechargeable battery a secondary Lithium-ion battery is. Due to their high specific energy and power densities are battery cells of a secondary lithium ion Battery (lithium secondary cells) currently all possible Fields of application for grid electrical machinery and equipment to conquer. The spectrum of technologies used is included very large. So come the most diverse materials in the battery cells for use. This refers to all components of the cell, such as Example active and passive materials of positive and passive negative electrodes, the components of the electrolyte respectively the electrolyte solution, Separators, the current collectors and housing materials of a housing of the Battery cell.
Die positive Elektrode der Batteriezelle einer sekundären Lithium-Ionen Batterie weist zum Beispiel Lithiumcobaltdioxid als erstes aktives Material und einen positiven Stromkollektor aus Aluminium auf und die negative Elektrode weist zum Beispiel Graphit als zweites aktives Material und einen negativen Stromkollektor aus Kupfer auf. Der Elektrolyt ermöglicht die Bewegung von positiv geladenen Lithium-Ionen. Zwischen den Elektroden ist der Separator angeordnet.The positive electrode of the battery cell of a secondary lithium ion For example, battery comprises lithium cobalt dioxide as the first active one Material and a positive current collector of aluminum on and For example, the negative electrode has graphite as the second active one Material and a negative current collector made of copper. Of the Electrolyte allows the movement of positively charged lithium ions. Between the electrodes the separator is arranged.
Darüber hinaus gibt es unterschiedlichste Bauformen von Batteriezellen, die nicht nur die äußere Geometrie sondern auch den inneren mechanischen Aufbau der Zellen betreffen. Die eingesetzten positiven und negativen Elektroden können dabei zum Beispiel gewickelt, gestapelt oder sich auch generell in beliebiger Geometrie, getrennt durch einen Separator gegenüberstehen. Die Zelltypen sind zumeist auf spezifische Einsatzfelder optimiert, so zum Beispiel hohe Energieinhalte, wie unter andere bei Laptop-Zellen, oder hohe Leistungsabgaben, wie unter anderem bei Elektrohandwerkzeugen oder HEV Anwendungen (HEV: hybrid electric vehicle).Furthermore There are many different types of battery cells that are not only the outer geometry but also affect the internal mechanical structure of the cells. The used positive and negative electrodes can be used for Example wrapped, stacked or generally in any Geometry, separated by a separator face. The cell types are mostly optimized for specific applications, such as high energy content, as with other laptop cells, or high Power deliveries, such as electric hand tools or HEV applications (HEV: hybrid electric vehicle).
Als Bauformen der Batteriezellen kommen insbesondere folgende Formen in Frage: 18650, 26650, Sub-C oder andere zylindrische Gehäuse, Pouchzellen, prismatische Geometrie. Als Zelltypen kommen sowohl Li-Ionen, Li-Polymer und auch Zellen mit Lithiummetall und anorganische Elektrolytlösungen zum Einsatz.When Designs of the battery cells come in particular the following forms in question: 18650, 26650, sub-C or other cylindrical housing, pouch cells, prismatic geometry. As cell types are both Li-ion, Li-polymer and cells with lithium metal and inorganic electrolyte solutions for Commitment.
Elektrochemisch aktive Substanzen sind insbesondere Graphite, amorpher Kohlenstoff, Metalle, Legierungen, lithierbare Metalloxide, Phosphate, Sulfide, organische Speichersubstanzen, Schwefelverbindungen und Mischungen daraus.electrochemical active substances are in particular graphites, amorphous carbon, Metals, alloys, lithable metal oxides, phosphates, sulfides, organic storage substances, sulfur compounds and mixtures it.
Von besonderem Interesse sind Kombinationen von Aktivkomponenten welche große Lithium-Speicherkapazitäten und dabei eine große Zellspannung besitzen. Dies ermöglicht in der Folge große Energieinhalte für die Batteriezellen. Beispielhaft sei hier die wohlbekannte Materialkombination Graphit/Lithiumcobaltdioxid genannt, welche eine mittlere Zellspannung von etwa 3,6–3,8 V ermöglicht.From Of particular interest are combinations of active components which size Lithium storage and a big one Possess cell voltage. this makes possible in the episode big Energy content for the battery cells. As an example, here is the well-known material combination Called graphite / lithium cobalt dioxide, which has an average cell voltage from about 3.6-3.8 V allows.
Aufgrund von Sicherheits- und Stabilitätsfragen sind derzeit positive Elektrodenmaterialien wie Nickel/Mangan/Cobalt-/Aluminium-Mischoxide, Lithium-Metall-Phosphate oder auch Lithiummanganspinelle im Einsatz. Auch beliebige Mischungen daraus sind möglich und auch schon im realen Einsatz zu finden. Bei den negativen Elektroden kommen Graphite und amorphe Kohlenstoffe zum Einsatz, auch Hybridelektroden mit Lithium-Legierungsanteilen sind gebräuchlich. Lithium-Legierungselektroden sind für die Zukunft geplant, dabei werden derzeit hauptsächlich Zinn, Silizium und deren Oxide als vielversprechende Legierungskomponenten diskutiert. Für die Zukunft sind beispielsweise auch anorganische Elektrolytlösungen, ionische Flüssigkeiten und Legierungselektroden in der Entwicklung.Due to safety and stability issues, positive electrode materials such as nickel / manganese / cobalt / aluminum mixed oxides, lithium metal phosphates or lithium manganese spinels are currently being used. Any mixtures of these are possible and can already be found in real use. The negative electrodes graphite and amorphous carbons are used, and hybrid electrodes with lithium alloy portions are ge bräuchlich. Lithium alloy electrodes are planned for the future, with tin, silicon, and their oxides as promising alloying components currently being discussed. For example, inorganic electrolyte solutions, ionic liquids and alloy electrodes are also under development in the future.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das weitere Material der Batteriezelle eine Lithiumverbindung ist. Das Beimengen von einer Lithiumverbindung (anorganisch oder auch organisch), welche nicht oder nur wenig zum Energieinhalt der Zelle beiträgt, aber das Potential der positiven und/oder negativen Elektrode im elektrochemisch stabilen Bereich hält, ist besonders vorteilhaft.According to one further advantageous embodiment of the invention is provided that the further material of the battery cell is a lithium compound is. The admixture of a lithium compound (inorganic or also organic), which does not or only little to the energy content of the Cell contributes, but the potential of the positive and / or negative electrode in the holding electrochemically stable area is particularly advantageous.
Mit besonderem Vorteil ist die Lithiumverbindung ein Lithium-Metalloxid, insbesondere Lithiumtitanat (Li4Ti5O12). Insbesondere wird das Lithium-Metalloxid, bevorzugt das Lithiumtitanat zur positiven und/oder negativen Elektrode beigegeben. Bei Tiefentladung wird dann auf der Seite der positiven Elektrode Lithium aus dem Lithiumtitanat ausgelagert und auf der Seite der negativen Elektrode Lithium in das Lithiumtitanat eingelagert. Im geladenen Zustand der Batteriezelle wäre das Titanat auf der negativen Elektrode lithiert und auf der positiven Elektrode delithiert. Die Kinetik der Titanatladung beziehungsweise Titanatentladung ist dabei nicht ratenbestimmend, um zu gewährleisten dass beim Aus-/Einlagerungspotentials dieses Additivs ein stabilisiertes Niveau (Haltepunkt) im Verlauf der Entladekurve auftritt. Wäre dies nicht der Fall, so würden die bekannten Schädigungen auf den Elektroden stattfinden.With particular advantage, the lithium compound is a lithium metal oxide, in particular lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ). In particular, the lithium metal oxide, preferably the lithium titanate, is added to the positive and / or negative electrode. During deep discharge, lithium is then removed from the lithium titanate on the side of the positive electrode and lithium is incorporated into the lithium titanate on the side of the negative electrode. In the charged state of the battery cell, the titanate on the negative electrode would be lithiated and delithiated on the positive electrode. The kinetics of the titanate charge or titanate discharge is not rate-determining, in order to ensure that during the dumping / storage potential of this additive, a stabilized level (holding point) occurs in the course of the discharge curve. If this were not the case, then the known damage would take place on the electrodes.
Für die hier beschriebene Funktionsweise kommen des weiteren sämtliche Lithiumverbindungen (wie zum Beispiel auch Metalloxide) als weiteres Material in Frage, welche im entladenen und/oder geladenen Zustand eine hinreichende chemische und elektrochemische Stabilität gewährleisten und mechanisch stabil sind und welche sich innerhalb des schädigungsfreien Potentialfensters der verwendeten aktiven Materialien auf der negativen und positiven Elektrode befindet. Denkbare Alternativmaterialien des weiteren Materials sind zum Beispiel auch alle anderen lithierbaren Übergangsmetalloxide, -Phosphate, u. s. w., wie zum Beispiel Verbindungen aus Vanadium, Molybdän, Titan, Chrom, Niob, Rubidium, Mangan und Wolfram. Auch Mischoxide, Mischphosphate, Oxidgemische, Phosphatgemische, organische Lithiumverbindungen und Kombinationen daraus sind als weitere Materialien einsetzbar.For the here described functionality come further all Lithium compounds (such as metal oxides) as another material in question, which in the discharged and / or charged state a sufficient ensure chemical and electrochemical stability and mechanically stable are and which are within the harmless potential window the used active materials on the negative and positive Electrode is located. Conceivable alternative materials further Materials are, for example, all other lithable transition metal oxides, Phosphates, u. s. w., such as vanadium compounds, Molybdenum, Titanium, chromium, niobium, rubidium, manganese and tungsten. Also mixed oxides, Mixed phosphates, oxide mixtures, phosphate mixtures, organic lithium compounds and combinations thereof can be used as other materials.
Es kommen in der positiven und negativen Elektrode insbesondere lokalisierte Redoxpartner zum Einsatz, die aus dem gleichen Basismaterial bestehen, aber auch verschiedene Redoxsysteme sind denkbar, Die Redoxsysteme sind entsprechend ihrer wirksamen Potentiallagen und Stabilitätsbereiche auszuwählen.It in particular, localized in the positive and negative electrode Redox partners are used, which consist of the same base material, but also various redox systems are conceivable, the redox systems are to be selected according to their effective potential positions and stability ranges.
Alternativ ist vorgesehen, dass die Batteriezelle mindestens zwei weitere Materialien zur Ausbildung des Redoxsystems aufweist. Ein solches Redoxsystem wird zu dem Elektrolyt nahe oder innerhalb der positiven beziehungsweise der negativen Elektrode gegeben. Auch lithiumhaltige Verbindungen sind als weitere Materialien verwendbar. Dies kann zum Beispiel durch die Aufnahme dieser Materialien in gelifizierten Elektrolyten auf der positiven bzw. negativen Seite des zwischen den Elektroden angeordneten Separators geschehen oder auch als Beigabe zu den festen Elektrodenkomponenten wie Binder, Aktivkomponenten oder Leitfähigkeitskomponenten. Beispielsweise können auch Redoxsysteme eingesetzt werden ähnlich der derzeit diskutierten Substanzen zum Überladeschutz. Beim Überladeschutz ist allerdings ein diffundieren dieser Substanzen zwischen positiver und negativer Elektrode erforderlich um einen fortlaufenden Shuttlemechanismus zu ermöglichen. Die potentialstabilisierenden Reaktionen müssen schnell genug ablaufen können, um ein Driften der Elektrodenpotentiale in Bereiche außerhalb des erlaubten Potentialfensters zu vermeiden.alternative it is envisaged that the battery cell at least two other materials to form the redox system. Such a redox system becomes close to or within the positive or the electrolyte given the negative electrode. Also lithium compounds are usable as further materials. This can be done, for example the uptake of these materials in gelified electrolytes the positive or negative side of the arranged between the electrodes Separators happen or as an addition to the solid electrode components such as binders, active components or conductivity components. For example can also redox systems are used similar to the currently discussed Substances for overcharge protection. When overload protection is however, diffusing these substances between positive and negative electrode required by a continuous shuttle mechanism to enable. The potential-stabilizing reactions must be fast enough can, to drift the electrode potentials into areas outside of the allowed potential window to avoid.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das Redoxsystem ein anorganisches Redoxsystem oder ein organisches Redoxsystem ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Redoxsystem ein mobiles Redoxsystem oder ein immobiles Redoxsystem ist.Especially it is envisaged that the redox system will be an inorganic redox system or an organic redox system. It is preferably provided that the redox system is a mobile redox system or an immobile Redox system is.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine wiederaufladbare Batterie mit mindestens einer vorstehend genannten Batteriezelle. Die Batterie weist bevorzugt mehrere elektrisch in Serie geschaltete Batteriezellen auf.The The invention further relates to a rechargeable battery with at least one aforementioned battery cell. The battery preferably has a plurality of battery cells connected in series electrically on.
Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zum Ermöglichen einer Tiefentladung von mindestens einer Batteriezelle einer wiederaufladbaren Batterie. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Batteriezelle eine ein erstes aktives Material aufweisende positive Elektrode und eine ein zweites aktives Material aufweisende negative Elektrode aufweist, wobei jeder der Elektroden ein jeweiliger Potentialbereich ihres elektrischen Potentials zugeordnet ist, der eine dauerhaft reversible Redoxreaktion der aktiven Materialien ermöglicht und wobei die Batteriezelle mindestens ein weiteres Material zur Ausbildung eines zusätzlichen Redoxsystems aufweist, das mindestens eines der Potentiale der Elektroden mittels einer weiteren Redoxreaktion in seinem zugeordneten Potentialbereich stabil hält.The Invention finally relates a method of enabling a deep discharge of at least one battery cell of a rechargeable battery. According to the invention, it is provided the battery cell has a first active material positive electrode and a second active material having having negative electrode, each of the electrodes being a respective one Potential range of their electrical potential is assigned, the one permitting a permanently reversible redox reaction of the active materials and wherein the battery cell at least one further material for training an additional one Redox system having at least one of the potentials of the electrodes by means of a further redox reaction in its associated potential range stable.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Überwachungsaufwand durch die hier beschriebene weitere Redoxreaktion stark reduziert oder eine Überwachung vollständig weggelassen werden.By the method according to the invention, the monitoring effort can be greatly reduced by the further redox reaction described here or a monitoring completely omitted.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass jedes der elektrischen Potentiale im Verlauf einer Entladung der Batteriezelle in ein gemeinsames Potentialfenster gelangt und beide Potentiale durch die weitere Redoxreaktion in diesem gemeinsamen Potentialfenster stabil gehalten werden.According to one preferred embodiment of Invention is provided that each of the electrical potentials in the course of a discharge of the battery cell into a common Potential window passes and both potentials through the other Redox reaction kept stable in this common potential window become.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die wiederaufladbare Batterie eine sekundäre Lithium-Ionen Batterie ist.Especially It is intended that the rechargeable battery be a secondary lithium-ion battery is.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. It demonstrate:
Die
Der
positive Stromkollektor
Das
Potential des Stromkollektors
Die sekundäre Lithium-Ionen Batterie zeichnet sich durch hohe Energiedichte (gravimetrisch und volumetrisch) aus.The secondary Lithium-ion battery is characterized by high energy density (gravimetric and volumetric).
Die
Funktionsweise der sekundären
Lithium-Ionen Batterie beruht auf einer in Folge der unterschiedlichen
elektrochemischen Potentiale des Lithiums in den beiden Elektroden
Beim
Ladevorgang wandern positiv geladene Lithium-Ionen (Li+-Ionen)
durch ein Elektrolyt hindurch von der positiven Elektrode
Bei
Anoden (negative Elektroden
Reale
Elektroden
Batteriezellen
- a) die elektrochemische
Auflösung
des negativen Stromkollektors
9 (Beispiel: Kupfer-Ableiter, dadurch u. a. Kontaktverlust des zweiten aktiven Materials10 ), - b) die Auflösung
der Deckschicht
12 auf der negativen Elektrode5 mit Graphit als zweitem aktivem Material10 (dadurch u. a. irreversibler Lithiumverlust während der Zyklisierung), - c) die irreversible elektrochemische Reduktion des ersten aktiven
Materials
8 (Beispiel: Lithium-Metall-Oxid, oder Lithium-Metall-Phosphat), - d) die Lithierung des positiven Stromkollektors
7 (Beispiel Aluminium-Ableitermaterial, dadurch unter anderem starke Volumenarbeit und Strukturinstabilität), - e) irreversible oder passivierende Phasenumwandlungen in den aktiven Materialien (Beispiel: Manganspinell) und
- f) die Lithierung von Leitfähigkeitszusätzen in
der positiven Elektrode
4 , dadurch unter anderem strukturelle Schädigungen und mechanischer Stress.
- a) the electrochemical dissolution of the negative current collector
9 (Example: copper arrester, thereby, inter alia contact loss of the second active material10 ) - b) the resolution of the
topcoat 12 on thenegative electrode 5 with graphite as the second active material10 (thereby irreversible lithium loss during cyclization) - c) the irreversible electrochemical reduction of the first active material
8th (Example: lithium metal oxide, or lithium metal phosphate), - d) the lithiation of the positive current collector
7 (Example aluminum arrester material, thereby among other things strong volume work and structural instability), - e) irreversible or passivating phase transformations in the active materials (example: manganese spinel) and
- f) the lithiation of conductivity additives in the
positive electrode 4 , among other things, structural damage and mechanical stress.
Alle
genannten Effekte sind in ihrem Auftreten (Potentiallage, Schädigungsrate
u. s. w.) zudem abhängig
von dem Milieu in dem sie betrieben werden. Dies betrifft insbesondere
die Art des Lösungsmittels
und der darin enthaltenen Leitsalze (Elektrolytlösung) und sämtliche anderen Additive im
Elektrolyten sowie in den Elektrodenmassen (hier z. B. Binder und
Leitfähigkeitszusätze). Weiterhin
können Restfeuchtigkeiten
in der Batteriezelle
Um
eine diese Effekte vermeidende Tiefentladefähigkeit der erfindungsgemäßen Batteriezelle
Die
In
Daneben
ist das erfindungsgemäße Verzögern des
schädlichen
Verlassens des Potentialfensters
Durch
das weitere Material
Jeder der Elektroden
Each of the
Jedes
der elektrischen Potentiale Φ gelangt im
Verlauf einer Entladung der Batteriezelle
Will
man auch das Auflösen
der Deckschicht
Durch
die angeführte
Erfindung verringert sich möglicherweise
die Energiedichte der Batteriezelle
Die
Erfindung ist insbesondere bei serienverschalteten Batteriezellen
Claims (13)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20120201 |