DE102009038921A1

DE102009038921A1 - Energiespeicherzelle und Energiespeichersystem

Info

Publication number: DE102009038921A1
Application number: DE102009038921A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Birke; Nevzat Guener; Michael Keller; Michael Schiemann; Hans-Georg Schweiger
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2011-04-21
Also published as: WO2011023654A1

Abstract

Es wird eine Energiespeicherzelle (3) vorgeschlagen mit einem Gehäuse (2), einem im Gehäuse (2) befindlichen Elektrolyt (9) und zwei Elektroden (4, 5), welche jeweils zumindest teilweise in dem Gehäuse (2) angeordnet sind und zumindest teilweise mit dem Elektrolyt (9) in Kontakt stehen. Die Energiespeicherzelle (3) zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest eine der Elektroden (5) einen ersten Abschnitt (5A), welcher mit dem Elektrolyt (9) nicht in Kontakt steht, und einen zweiten Abschnitt (5B), welcher mit dem Elektrolyt (9) in Kontakt steht, aufweist, wobei der erste Abschnitt (5A) zumindest teilweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und der zweite Abschnitt (5B) aus einem von Aluminium unterschiedlichen Material besteht. Dadurch können das Gewicht und die Kosten verringert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle und ein Energiespeichersystem, insbesondere für ein Hybridfahrzeug.
Aus dem Stand der Technik sind Energiespeicherzellen gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 bekannt. Derartige Energiespeicherzellen finden beispielsweise bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen Anwendung. Gerade im Bereich der Elektrotraktion spielen das Gewicht und der Bauraum der Energiespeicher eine bedeutende Rolle. Durch geeignete konstruktive Maßnahmen kann die Energiedichte, dass heißt das Verhältnis zwischen der gespeicherten Energie, dem Gewicht und dem Bauraum, immer weiter gesteigert werden. Die Energiezufuhr beim Laden des Energiespeichers und die Energieabfuhr beim Entladen des Energiespeichers erfolgt über im Energiespeicher integrierte Elektroden. Da die Strombelastung der Energiespeicher gerade im Bereich der Elektro- oder Hybridfahrzeuge inzwischen hohe Werte annehmen kann, müssen die Elektroden entsprechend große Querschnitte von bis zu 30 mm² aufweisen. Bei einer entsprechend großen Anzahl derartiger Energiespeicher stellt das Gewicht der Elektroden deshalb einen nicht zu vernachlässigenden Anteil am Gesamtgewicht eines Energiespeichers dar. Bei bestimmten Ausführungen der Energiespeicher, beispielsweise bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Zellen, kommen aus Gründen der chemischen Beständigkeit gegenüber dem Elektrolyt häufig Kupfer als Elektrodenmaterial zur Anwendung. Kupfer zeichnet sich zwar durch eine gute chemische Beständigkeit und eine gute elektrische Leitfähigkeit aus, jedoch ergeben sich aufgrund des hohen spezifischen Gewichts und der hohen Rohstoffkosten ein Gewichtnachteil und ein Kostennachteil.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Energiespeicher und ein Energiespeichersystem bereit zu stellen, welche sich durch ein vergleichsweise geringes Gewicht und geringere Kosten auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch die Energiespeicherzelle und das Energiespeichersystem gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Eine Energiespeicherzelle gemäß dem Anspruch 1 weist ein Gehäuse, einen im Gehäuse befindlichen Elektrolyt und zwei Elektroden auf, welche jeweils zumindest teilweise in dem Gehäuse angeordnet sind und zumindest teilweise mit dem Elektrolyt im Kontakt stehen. Zumindest eine der Elektroden weist einen ersten Abschnitt, welcher mit dem Elektrolyt nicht in Kontakt steht, sowie einen zweiten Abschnitt, welcher mit dem Elektrolyt in Kontakt steht, auf. Der erste Abschnitt besteht zumindest teilweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, während der zweite Abschnitt aus einem von Aluminium unterschiedlichen Material besteht.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Idee ist darin zu sehen, zumindest eine der Elektroden in zumindest zwei Abschnitte zu unterteilen, wobei ein Abschnitt mit dem Elektrolyt nicht in Kontakt und zumindest teilweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zu fertigen, wogegen der andere Abschnitt mit dem Elektrolyt in Kontakt steht und aus einem anderen Material als Aluminium zu fertigen. Auf diese Weise kann der Abschnitt der Elektrode, welcher mit dem Elektrolyt in Kontakt steht, aus einem Material mit bezüglich des Elektrolyts hoher chemischen Beständigkeit und einer hohen elektrischen Leitfähigkeit ausgebildet werden. Der Abschnitt der Elektrode, welcher mit dem Elektrolyt nicht im Kontakt steht, wird hingegen aus sehr leichtem und bezüglich des Rohstoffpreises eher günstigem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt. Durch die Aufteilung der Elektrode in zwei Abschnitte aus unterschiedlichen Materialien entsteht eine hohe Flexibilität hinsichtlich des Materials des Abschnitts, welcher mit dem Elektrolyt in Kontakt steht, so dass hier bezüglich der chemischen Stabilität und der elektrischen Leitfähigkeit eine optimale Materialauswahl gewährleistet ist. Beispielsweise kann hier Kupfer oder eine Kupferlegierung zum Einsatz kommen. Gegenüber einer Elektrode, welche vollständig aus Kupfer besteht, ergibt sich jedoch durch die Verwendung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung für den Abschnitt der Elektrode, welcher mit dem Elektrolyt nicht in Kontakt steht, ein spürbarer Gewichts- und Kostenvorteil. Ferner weist Aluminium eine einfache Verformbarkeit auf, was beim elektrischen Verbinden der Elektroden von unterschiedlichen Energiespeicherzellen von Vorteil sein kann.
In einer Ausgestaltung der Energiespeicherzelle nach Anspruch 2 ist diese als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet, wobei eine der Elektroden als negative Elektrode ausgebildet ist und den ersten Abschnitt, welcher mit dem Elektrolyt nicht in Kontakt steht und den zweiten Abschnitt, welcher mit dem Elektrolyt in Kontakt steht, aufweist. Der erste Abschnitt besteht zumindest teilweise aus Aluminium, wogegen der zweite Abschnitt zumindest teilweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Die andere Elektrode ist als positive Elektrode ausgebildet und besteht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
Bei dieser speziellen Ausgestaltung der Energiespeicherzelle handelt es sich um eine Lithium-Ionen-Zelle. Aus Gründen der chemischen Beständigkeit gegenüber dem Elektrolyt ist die negative Elektrode in dem Abschnitt, welcher mit dem Elektrolyt in Kontakt steht, zumindest teilweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet. Aus den oben genannten Gewichts- und Kostengründen ist der andere Abschnitt, welcher mit dem Elektrolyt nicht in Kontakt steht, aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet. Die andere Elektrode, welche als positive Elektrode ausgebildet ist, besteht vorzugsweise vollständig aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Diese Ausgestaltung des Energiespeichers weist sich aufgrund der Materialwahl und der Ausgestaltung der Elektroden durch einen erheblichen Kosten- und Gewichtsvorteil aus.
Bei einer Ausgestaltung der Energiespeicherzelle nach Anspruch 3 ist die Energiespeicherzelle als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet, welche sich von dem Ausführungsbeispiel des Anspruchs 2 darin unterscheidet, dass der zweite Abschnitt der einen Elektrode, welcher mit dem Elektrolyt in Kontakt steht zumindest teilweise aus Nickel besteht. Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft bei geringen Strombelastungen der Energiespeicherzelle, denn Nickel zeichnet sich auch bei hohen Lithiumaktivitäten durch eine hohe chemische Beständigkeit aus.
In einer Ausgestaltung der Energiespeicherzelle nach Anspruch 4 sind der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt der einen Elektrode miteinander vernietet, verschraubt, verschweißt (beispielsweise Ultraschallschweißen), vertrimmt oder verlötet.
Diese Verbindungsverfahren des ersten und des zweiten Abschnitts der Elektrode gewährleisten eine einfache, sichere und kostengünstige Verbindung der beiden Abschnitte.
Ein Energiespeichersystem gemäß dem Anspruch 5 umfasst ein Systemgehäuse und eine Vielzahl von Energiespeicherzellen gemäß einem der vorherigen Ansprüche, welche in dem Gehäuse angeordnet sind.
Durch die Anordnung mehrerer erfindungsgemäßer Energiespeicherzellen in dem Gehäuse addieren sich die Kosten- und Gewichtsvorteile. Das Energiespeichersystem weist sich demnach durch ein spürbar verringertes Gewicht und geringere Kosten aus.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Energiespeichersystems;
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Energiespeicherzelle.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Energiespeichersystems 1 dargestellt. Das Energiespeichersystem 1 umfasst ein Systemgehäuse 2 und eine Vielzahl von Energiespeicherzellen 3, welche in dem Gehäuse angeordnet sind. Jede der Energiespeicherzellen weist eine positive Elektrode 4 und eine negative Elektrode 5 auf. Die Elektroden benachbarter Energiespeicherzellen 3 sind derart miteinander verbunden, dass die Energiespeicherzellen insgesamt in Reihe geschaltet sind.
Der Aufbau der Energiespeicherzellen 3 wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf 2 näher erläutert.
Die Energiespeicherzelle 3 weist ein Gehäuse 6 auf, welches beispielsweise aus zwei im Randbereich 7 miteinander gasdicht verschweißten Aluminiumverbundfolien bestehen kann (sogenannter „Softpack”). Durch die Verschweißung der Verbundfolien im Randbereich 7 (in 2 durch den schraffierten Bereich gekennzeichnet) entsteht ein gasdichter Hohlraum 8, welcher mit einem Elektrolyt 9 (in 2 gepunktet dargestellt) gefüllt ist.
Die Energiespeicherzelle 3 umfasst ferner zwei Elektroden 4, 5, welche jeweils zumindest teilweise in dem Gehäuse 6 angeordnet sind und zumindest teilweise mit dem Elektrolyt 9 in Kontakt stehen, d. h. von diesem benetzt werden. Im Ausführungsbeispiel ist die Energiespeicherzelle 3 als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet, wobei eine der Elektroden als positive Elektrode 4 ausgebildet ist und vollständig aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. Die zweite Elektrode hier als negative Elektrode 5 ausgebildet. Diese negative Elektrode 5 ist in einen ersten Abschnitt 5A, welcher mit dem Elektrolyt nicht in Kontakt steht (d. h. der erste Abschnitt wird vom Elektrolyt nicht benetzt) und einen zweiten Abschnitt 5B, welcher mit dem Elektrolyt in Kontakt steht, unterteilt. Der erste Abschnitt 5A besteht zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Der zweite Abschnitt 5B besteht aus einem von Aluminium unterschiedlichen Material, vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
Die Elektroden 4, 5 sind in den Bereichen, welche mit dem Elektrolyt in Kontakt stehen, mit aktiven Material beschichtet, an welcher die elektrochemischen Vorgänge zur Ladung und zur Endladung der Batterie statt finden.
Als Beispiel für den Elektrolyt sei Lithiumhexafluorphosphat gelöst in einem wasserfreien Lösungsmittel, wie Diethylencarbonat, genannt. Für das aktive Material der negativen Elektrode findet beispielsweise Grafit Verwendung. Als Beispiel für das aktive Material der positiven Elektrode ist ein Lithium-Metalloxid in Schichtstruktur (Lithiumkobaltdioxid) genannt.
Die Energiespeicherzelle weist ferner einen Separator 10 auf, welcher die positive Elektrode 4 und die negative Elektrode 5 räumlich und elektrisch trennt. Der Separator 10 ist jedoch derart ausgebildet, dass die im Elektrolyt gelösten Ionen durch den Separator 10 diffundieren und so zwischen den Elektroden 4, 5 ausgetauscht werden können. Als Separatoren 10 kommen Fliessstoffe und Polyolephine zum Einsatz.
Bei geringen Strombelastungen kann der zweite Abschnitt 5B der negativen Elektrode 5 zumindest teilweise, vorteilhafterweise aber vollständig, aus Nickel bestehen. Die beiden Abschnitte 5A, 5B der negativen Elektrode 5 können miteinander vernietet, verschraubt, verschweißt, vercrimpt oder verlötet werden.
Die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle 3 zeichnet sich durch ein spürbar geringeres Gewicht und reduzierte Herstellungskosten aus.

Claims

Energiespeicherzelle (3) mit – einem Gehäuse (2), – einem im Gehäuse (2) befindlichen Elektrolyt (9), – zwei Elektroden (4, 5), welche jeweils zumindest teilweise in dem Gehäuse (2) angeordnet sind und zumindest teilweise mit dem Elektrolyt (9) in Kontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Elektroden (5) einen ersten Abschnitt (5A), welcher mit dem Elektrolyt (9) nicht in Kontakt steht, und einen zweiten Abschnitt (5B), welcher mit dem Elektrolyt (9) in Kontakt steht, aufweist, wobei der erste Abschnitt (5A) zumindest teilweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und der zweite Abschnitt (5B) aus einem von Aluminium unterschiedlichen Material besteht.
Energiespeicherzelle (3) gemäß Anspruch 1, wobei – die Energiespeicherzelle (3) als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet ist, – eine der Elektroden (5) als negative Elektrode ausgebildet ist und den ersten Abschnitt (5A), welcher mit dem Elektrolyt (9) nicht in Kontakt steht, und den zweiten Abschnitt (5B), welcher mit dem Elektrolyt (9) in Kontakt steht, aufweist, wobei der erste Abschnitt (5A) zumindest teilweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und der zweite Abschnitt (5B) zumindest teilweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht, – die andere Elektrode (4) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und als positive Elektrode ausgebildet ist.
Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 1, wobei – die Energiespeicherzelle (3) als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet ist, – eine der Elektroden (5) als negative Elektrode ausgebildet ist und den ersten Abschnitt (5A), welcher mit dem Elektrolyt (9) nicht in Kontakt steht, und den zweiten Abschnitt (5B), welcher mit dem Elektrolyt (9) in Kontakt steht, aufweist, wobei der erste Abschnitt (5A) zumindest teilweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und der zweite Abschnitt (55) zumindest teilweise aus Nickel besteht. – die andere Elektrode (4) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und als positive Elektrode ausgebildet ist.
Energiespeicherzelle (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Abschnitt (5A) und der zweite Abschnitt (5B) der zumindest einen Elektrode (5) miteinander vernietet, verschraubt, verschweißt, vercrimpt oder verlötet sind.
Energiespeichersystem (1) mit – einem Systemgehäuse (2), und – einer Vielzahl von Energiespeicherzellen (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, welche in dem Gehäuse angeordnet sind.