DE102018120876A1

DE102018120876A1 - Lithium-Ionen-elektrochemische Vorrichtungen mit überschüssiger Elektrolytkapazität zur Verbesserung der Lebensdauer

Info

Publication number: DE102018120876A1
Application number: DE102018120876.6A
Authority: DE
Inventors: Zhiqiang Yu; Meiyuan Wu; Xiaochao Que; Fei Pan; Sherman H. Zeng
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-08-29
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2019-02-28
Also published as: CN109428125A; US20190067729A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt eine elektrochemische Vorrichtung dar, die einen Stapel mit mindestens einer elektrochemischen Zelle mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode, einem porösen Separator und einer Elektrolytflüssigkeit, die in dem porösen Separator und gegebenenfalls in der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode oder sowohl der ersten Elektrode als auch der zweiten Elektrode angeordnet ist, umfassen kann. Der Stapel weist ein erstes Volumen an Elektrolytflüssigkeit auf. Die elektrochemische Vorrichtung weist auch einen integrierten Speicherbereich auf, der ein zweites Volumen an Elektrolytflüssigkeit speichert und mit der Vielzahl von elektrochemischen Zellen in Fluidverbindung steht und konfiguriert ist, um die Elektrolytflüssigkeit in die Vielzahl von elektrochemischen Zellen zu übertragen, worin das zweite Volumen an Elektrolytflüssigkeit mindestens etwa 3% des ersten Volumens beträgt. Es sind auch Verfahren zum Erhöhen der Lebensdauer der elektrochemischen Vorrichtung vorgesehen.

Description

EINLEITUNG
Der folgende Abschnitt bietet Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, wobei es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen und einen integrierten Speicherbereich beinhaltet, der überschüssige Elektrolytflüssigkeit speichert und an die Vielzahl von elektrochemischen Zellen liefert. Es sind auch Verfahren zum Erhöhen der Lebensdauer einer elektrochemischen Vorrichtung vorgesehen.
Vor diesem Hintergrund können elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte, wie Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Schwefel-Batterien, können in einer Vielzahl von Verbraucherprodukten und Fahrzeugen, wie Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEV) und Elektrofahrzeugen (EV), verwendet werden. Typische Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel- und Lithium-Lithium-Symmetrische Batterien beinhalten eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, ein Elektrolytmaterial und einen Separator. Eine Elektrode dient als positive Elektrode oder Kathode und eine andere dient als negative Elektrode oder Anode. Ein Stapel von Batteriezellen kann elektrisch verbunden sein, um die Gesamtleistung zu erhöhen.
Konventionelle wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien arbeiten durch umkehrbares Hin- und Herleiten von Lithium-Ionen zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode und wieder zurück. Ein Separator und ein Elektrolyt sind zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithium-Ionen geeignet und kann in fester (z. B. Festkörperdiffusion) oder flüssiger Form vorliegen. Beim Laden der Batterie bewegen sich Lithium-Ionen aus einer Kathode (positive Elektrode) zu einer Anode (negative Elektrode) und beim Entladen der Batterie in der entgegengesetzten Richtung. Bestimmte Lithium-Ionen-Batterien und andere Batterien, die mit Lithium betrieben werden, weisen jedoch nach tausenden von Zyklen eine geringere Kapazität und einen höheren Widerstand auf, was die Lebensdauer der Batterie verringert. Dementsprechend wäre es wünschenswert, zuverlässige, leistungsstarke elektrochemische Zellen zu entwickeln, die über längere Zeiträume eine bessere Leistung, einschließlich höherer Kapazität und verminderter Beständigkeit, bieten.
KURZDARSTELLUNG
Dieser Teil stellt eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung bereit und ist keine vollständige Offenbarung des vollen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
Die vorliegende Offenbarung sieht in bestimmten Variationen eine elektrochemische Vorrichtung vor. Die elektrochemische Vorrichtung kann einen Stapel mit mindestens einer elektrochemischen Zelle beinhalten. Die mindestens eine elektrochemische Zelle beinhaltet eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode mit entgegengesetzter Polarität zur ersten Elektrode, einen porösen Separator, eine Elektrolytflüssigkeit, die in dem porösen Separator angeordnet ist und wahlweise in der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode oder sowohl der ersten als auch der zweiten Elektrode angeordnet ist. Der Stapel beinhaltet ein erstes Volumen an Elektrolytflüssigkeit. Die elektrochemische Vorrichtung beinhaltet auch einen integrierten Speicherbereich mit einem zweiten Volumen an Elektrolytflüssigkeit, der mit der mindestens einen elektrochemischen Zelle im Stapel in Fluidverbindung steht und konfiguriert ist, um die Elektrolytflüssigkeit in die mindestens eine elektrochemische Zelle im Stapel zu übertragen. Das zweite Volumen beträgt mindestens 3 % des ersten Volumens.
In einem Aspekt definiert der Stapel eine Seitenkante und der integrierte Lagerbereich ist angrenzend und in Kontakt mit der Seitenkante angeordnet. Der integrierte Lagerbereich kann eine Rahmenkonstruktion und ein Gehäuse beinhalten. Die Rahmenkonstruktion beinhaltet ein polymeres Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Polyolefinen, Fluorpolymeren und Kombinationen derselben.
In einem Aspekt beinhaltet die mindestens eine elektrochemische Zelle eine erste Lasche, die mit der ersten Elektrode und eine zweite Lasche, die mit der zweiten Elektrode verbunden ist. Die erste Lasche und die zweite Lasche reichen über den seitlichen Rand hinaus. Der integrierte Speicherbereich definiert eine erste Seite angrenzend an die Seitenkante und eine zweite Seite gegenüber der ersten Seite. Die erste Lasche und die zweite Lasche verlaufen von und durch die erste Seite zur und durch die zweite Seite, sodass sie von der zweiten Seite vorstehen.
In einem Aspekt beinhaltet die mindestens eine elektrochemische Zelle eine erste Lasche, die mit der ersten Elektrode und eine zweite Lasche, die mit der zweiten Elektrode verbunden ist. Die Seitenkante ist auf einer Seite der elektrochemischen Zelle gegenüber der ersten Lasche und die zweite Lasche und der integrierte Speicherbereich ist angrenzend und in Kontakt mit der Seitenkante angeordnet.
In einem Aspekt definiert der Stapel eine Stapelhöhe und eine Stapelbreite. Der integrierte Speicherbereich definiert eine erste Höhe, die kleiner oder gleich der Stapelhöhe und eine erste Breite, die kleiner oder gleich der Stapelbreite ist.
In einem Aspekt weist der integrierte Speicherbereich eine Länge von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite auf, die größer oder gleich etwa 1 mm bis kleiner oder gleich etwa 40 mm ist.
In einem Aspekt beinhaltet die erste Elektrode eine erste Öffnung und die zweite Elektrode eine zweite Öffnung. Die ersten und zweiten Öffnungen sind so ausgerichtet, dass sie den integrierten Speicherbereich definieren.
In einem Aspekt umgibt der integrierte Speicherbereich mindestens einen Teil der Außenseite des Stapels. Der integrierte Speicherbereich beinhaltet ein Adsorptionsmaterial, das den flüssigen Elektrolyten enthält.
In weiteren Variationen sieht die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Vorrichtung mit einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen vor. Jede der Vielzahl von elektrochemischen Zellen beinhaltet jeweils eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode mit entgegengesetzter Polarität zur ersten Elektrode, einen porösen Separator, eine Elektrolytflüssigkeit, die in dem porösen Separator angeordnet ist und wahlweise in der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode oder sowohl der ersten als auch der zweiten Elektrode angeordnet ist. Die Vielzahl der elektrochemischen Zellen beinhaltet ein erstes Volumen an Elektrolytflüssigkeit. Ein integrierter Speicherbereich speichert ein zweites Volumen an Elektrolytflüssigkeit, das in Fluidverbindung mit der Vielzahl von elektrochemischen Zellen steht und konfiguriert ist, um die Elektrolytflüssigkeit in die Vielzahl von elektrochemischen Zellen zu übertragen. Das zweite Volumen der Elektrolytflüssigkeit beträgt mindestens 3 % des ersten Volumens.
In einem Aspekt definiert die Vielzahl der elektrochemischen Zellen eine Seitenkante und der integrierte Lagerbereich ist angrenzend und in Kontakt mit der Seitenkante angeordnet.
In einem Aspekt beinhaltet die Vielzahl der elektrochemischen Zellen jeweils eine erste Lasche, die mit der ersten Elektrode verbunden ist, und eine zweite Lasche, die mit der zweiten Elektrode verbunden ist. Die erste Lasche und die zweite Lasche reichen über die Seitenkante hinaus und der Speicherbereich definiert eine erste Seite angrenzend an die Seitenkante und eine zweite Seite gegenüber der ersten Seite. Die erste Lasche und die zweite Lasche verlaufen von und durch die erste Seite zur und durch die zweite Seite, sodass sie von der zweiten Seite vorstehen.
In einem Aspekt beinhaltet die Vielzahl der elektrochemischen Zellen jeweils eine erste Lasche, die mit der ersten Elektrode verbunden ist, und eine zweite Lasche, die mit der zweiten Elektrode verbunden ist. Die Seitenkante ist auf einer Seite gegenüber der ersten Lasche angeordnet und die zweite Lasche und der integrierte Speicherbereich ist angrenzend und in Kontakt mit der Seitenkante angeordnet.
In einem Aspekt definiert die Vielzahl der elektrochemischen Zellen üblicherweise eine Stapelhöhe und eine Stapelbreite. Der integrierte Speicherbereich definiert eine erste Höhe, die kleiner oder gleich der Stapelhöhe und eine erste Breite, die kleiner oder gleich der Stapelbreite ist.
In einem Aspekt beinhalten die erste Elektrode und die zweite Elektrode jeweils eine Öffnung, worin sie beim Ausrichten der Öffnungen gemeinsam den integrierten Speicherbereich definieren.
In einem Aspekt ist die Vielzahl der elektrochemischen Zellen in einer Stapelkonfiguration verbunden.
In einem Aspekt ist die Vielzahl der elektrochemischen Zellen in einer Wundkonfiguration verbunden.
In einem Aspekt umgibt der integrierte Speicherbereich mindestens einen Teil eines Äußeren der Vielzahl von elektrochemischen Zellen. Der integrierte Speicherbereich beinhaltet ein Adsorptionsmaterial, das den flüssigen Elektrolyten enthält.
In noch weiteren Variationen sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer einer elektrochemischen Vorrichtung vor, einschließlich der Einführung eines flüssigen Elektrolyten in die elektrochemische Vorrichtung, der eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen und einen integrierten Speicherbereich beinhaltet. Der integrierte Speicherbereich steht in Fluidverbindung mit der Vielzahl der elektrochemischen Zellen. Jede entsprechende elektrochemische Zelle beinhaltet eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode mit einer entgegengesetzten Polarität zur ersten Elektrode und einen porösen Separator. Die Vielzahl der elektrochemischen Zellen definiert ein erstes Volumen zur Aufnahme von flüssigem Elektrolyt und der integrierte Speicherbereich definiert ein zweites Volumen zur Aufnahme eines flüssigen Elektrolyten. Das zweite Volumen beträgt mindestens 3 % des ersten Volumens. Während des Zyklus der elektrochemischen Vorrichtung wird die Lebensdauer der elektrochemischen Vorrichtung um mindestens 500 Tiefentladezyklen im Vergleich zu einer vergleichenden elektrochemischen Vorrichtung ohne integrierten Speicherbereich erhöht.
In einem Aspekt ist das zweite Volumen größer oder gleich etwa 3 % des ersten Volumens bis kleiner oder gleich etwa 10 % des ersten Volumens.
In einem Aspekt wird die Lebensdauer der elektrochemischen Vorrichtung um mindestens 2.000 Tiefentladezyklen erhöht.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und speziellen Beispiele in dieser Kurzdarstellung dienen ausschließlich zum Veranschaulichen und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich dem Veranschaulichen ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1A stellt einen elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellenstapel mit einem Rahmendesign dar, das eine überschüssige Elektrolytkapazität bei einer Vielzahl von Laschen gemäß einer Variation der vorliegenden Offenbarung bereitstellt;
1B ist eine Detailansicht eines in 1A dargestellten Bereichs, die einen Seitenschnitt einer einzelnen elektrochemischen Zelle innerhalb des elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellenstapels darstellt;
2 stellt einen weiteren elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellenstapel mit einem Rahmendesign dar, das eine überschüssige Elektrolytkapazität auf einer Seite gegenüber einer Vielzahl von Laschen gemäß einer weiteren Variation der vorliegenden Offenbarung bereitstellt;
3 stellt noch einen weiteren elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellenstapel mit einem zentralen Bereich des Zellenstapels dar, der einen Hohlraumbereich für überschüssige Elektrolytkapazität gemäß einer weiteren Variation der vorliegenden Offenbarung definiert;
4 stellt einen gewickelten elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellenstapel mit einer Vielzahl von Öffnungen dar, die einen zentralen Hohlraumbereich für überschüssige Elektrolytkapazität definieren, nachdem die jeweiligen Schichten gemäß einer weiteren Variation der vorliegenden Offenbarung gewickelt wurden;
5 stellt einen weiteren elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellenstapel dar, der einen Stapel verschiedener Zellen aufweist, die mit einem Adsorptionsmaterial verkapselt sind, das gemäß einer weiteren Variation der vorliegenden Offenbarung überschüssige Elektrolytkapazität bereitstellt;
6 stellt den elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellenstapel von 5 während der Montage mit einer äußeren Schicht aus Adsorptionsmaterial vor der Verkapselung des Stapels dar; und
7 stellt noch einen weiteren elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellenstapel mit einem zylindrischen Zellkern dar, der mit einem Adsorptionsmaterial eingekapselt ist, das gemäß einer weiteren Variation der vorliegenden Offenbarung überschüssige Elektrolytkapazität liefert.

Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen beziehen sich auf die gleichen Teile.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie beispielsweise Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, beschrieben, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin verwendet, schließen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ gegebenenfalls auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhalteten“ und „aufweisen“ sind einschließend und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Elemente, Zusammensetzungen, Schritte, ganzen Zahlen, Vorgänge, und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon aus. Obwohl der offen ausgelegte Begriff „umfasst“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der zum Beschreiben und Beanspruchen verschiedener, hier dargelegter Ausführungsformen verwendet wird, kann der Begriff unter bestimmten Gesichtspunkten alternativ verstanden werden, etwa stattdessen ein mehr begrenzender und einschränkender Begriff zu sein, wie „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Somit beinhaltet jegliche Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aufführt, der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich auch Ausführungsformen bestehend aus, oder bestehend im Wesentlichen aus, so aufgeführte Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte. Bei „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform jegliche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aus, während bei „bestehend im Wesentlichen aus“ jegliche zusätzliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die stoffschlüssig die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, jedoch jegliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die materialmäßig nicht die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, können in der Ausführungsform beinhaltet sein.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht dahingehend auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern dies nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „an/auf“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einer anderen Komponente bzw. einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, kann es/sie sich entweder direkt an/auf der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden, damit in Eingriff stehen, damit verbunden oder damit gekoppelt sein oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als „direkt an/auf“, „direkt im Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, können keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. („zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke einschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hier verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, dies wird eindeutig durch den Kontext angegeben. Somit könnte ein nachstehend erläuterter erster Schritt, diskutiertes erstes Element, diskutierte Komponente, diskutierter Bereich, diskutierte Schicht oder diskutierter Abschnitt als ein zweiter Schritt, ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe, wie „davor“, „danach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Eigenschaft zu anderen Element(en) oder Eigenschaft(en), wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe können dazu bestimmt sein, verschiedene in Anwendung oder Betrieb befindliche Anordnungen der Vorrichtung oder des Systems zu umschreiben, zusätzlich zu der auf den Figuren dargestellten Ausrichtung.
Im Verlauf dieser Offenbarung repräsentieren die numerischen Werte grundsätzlich ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, etwa kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche mit genau dem genannten Wert zu umfassen. Im Gegensatz zu den am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen sollen alle numerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation einschließlich der beigefügten Ansprüche in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr“ weist daraufhin, dass der offenbarte numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ bereitgestellt ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hierin verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben. So kann beispielsweise „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 4 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 3 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 2 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 1 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,5 % und unter bestimmten Gesichtspunkten gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus beinhaltet die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich den für die Bereiche angegebenen Endpunkten und Unterbereichen.
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Die vorliegende Technologie betrifft verbesserte elektrochemische Zellen, insbesondere Lithium-Ionen- oder insbesondere Lithium-Metall-Batterien oder Lithium-Metall-Batterien, die in Fahrzeuganwendungen verwendet werden können. Die gegenwärtige Technologie kann jedoch auch in anderen elektrochemischen Vorrichtungen eingesetzt werden, insbesondere in denjenigen, die Lithium, Natrium oder Schwefel umfassen, wie Lithium-Schwefel-Batterien, Kondensatoren, Lithium-Ionen-Kondensatoren, Natrium-Batterien, sodass die Behandlung einer Lithium-Ionen-Batterie hierin nicht beschränkt ist.
Es wurde festgestellt, dass bei bestimmten elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellen oder Batteriedesigns die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie durch das Austrocknen des Elektrolyten nach längerem Betrieb verkürzt werden kann. So wurde beispielsweise die Lithium-Beschichtung in den äußeren Schichten beobachtet, wobei der flüssige Elektrolyt ausgetrocknet ist, was zum Ausfall der elektrochemischen Zelle führte. Es wurde auch beobachtet, dass die Elektrolyttrocknung zu einem erhöhten Widerstand und einer verminderten Entladungskapazität führt, zum Beispiel durch eine Verkürzung der Lebensdauer einer vergleichbaren elektrochemischen Zelle um gelegentlich mehrere tausend Lade-/Entladezyklen (z. B., Verkürzung der Lebensdauer um mehr als 2.000 Zyklen).
Unter Bezugnahme auf die 1A-1B ist ein elektrochemischer Lithium-Ionen-Zellenstapel 18 vorgesehen, der eine Vielzahl von einzelnen elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellen beinhaltet. 1B stellt eine einzelne elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle oder Batterie 20 aus dem Stapel 18 dar. Die Lithium-Ionen-Batterie 20 beinhaltet eine negative Elektrode 22, eine positive Elektrode 24 und einen porösen Separator 26 (z. B. einen mikroporösen oder nanoporösen polymeren Separator), der zwischen den beiden Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 beinhaltet einen Elektrolyt 30, der auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 vorliegen kann. Ein negativer Elektroden-Stromabnehmer 32 kann an oder nahe der negativen Elektrode 22 angeordnet sein und ein positiver Elektroden-Stromabnehmer 34 kann an oder nahe der positiven Elektrode 24 positioniert sein. Im Allgemeinen weisen die negative Elektrode 22 und der negative Elektrodenstromabnehmer 32 eine etwas größere Fläche auf als die positive Elektrode 24 und der positive Elektrodenstromabnehmer 34, sodass die Anode im montierten Zustand die Kathode bedeckt. Der negative Elektrodenstromabnehmer 32 und der positive Elektrodenstromabnehmer 34 werden an einen Minuspol bzw. eine Lasche 36 und einen Pluspol bzw. Lasche 38 angeschlossen. Die negative Lasche 36 und die positive Lasche 38 können dann an eine externe Schaltung angeschlossen werden, in der sich freie Elektronen hin- und herbewegen. Wie in 1A dargestellt, können mehrere negative Laschen 50 aus der Vielzahl der einzelnen elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellen wie 20 elektrisch miteinander verbunden sein, während mehrere positive Laschen 52 ebenfalls elektrisch miteinander verbunden sein können. Eine unterbrechbare externe Schaltung ist elektrisch mit einem Verbraucher verbunden, der die negative Elektrode 22 (über ihren Stromabnehmer 32 und die negative Lasche 36) und die positive Elektrode 24 (über ihren Stromabnehmer 34 und die positive Lasche 38) verbindet.
Der poröse Separator 26, die sowohl als elektrischer Isolator als auch zur mechanischen Unterstützung dient, ist zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 eingeschoben, um den physischen Kontakt zu verhindern und dadurch das Auftreten eines Kurzschlusses zu vermeiden. Zusätzlich zum Bereitstellen einer physikalischen Barriere zwischen den beiden Elektroden 22, 24 kann der poröse Separator 26 einen minimalen Widerstandsweg für die interne Passage der Lithium-Ionen (und der zugehörigen Anionen) während des Zyklus der Lithium-Ionen, zur Erleichternden Funktion der Lithium-Ionen-Batterie 20 bereitstellen.
Die Lithium-Ionen-Batterie 20 kann während des Entladens einen elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, die eintreten, wenn die externe Schaltung geschlossen wird (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 34 miteinander zu verbinden), wenn die negative Elektrode 22 eine relativ größere Menge an Lithium enthält. Die chemische Potenzialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt die Elektronen, die durch die Oxidation des interkalierten Lithiums an der negativen Elektrode 22 entstehen, durch die externe Schaltung zur positiven Elektrode 24. Lithium-Ionen, die auch an der negativen Elektrode gebildet werden, werden gleichzeitig durch das Elektrolyt 30 und den porösen Separator 26 zur positiven Elektrode 24 überführt. Die Elektronen fließen durch die externe Schaltung und die Lithium-Ionen wandern über den porösen Separator 26 im Elektrolyt 30, um an der positiven Elektrode 24 eingeschobenes oder legiertes Lithium zu bilden. Der elektrische Strom, der durch den externen Stromkreis fließt, kann genutzt und durch die Ladevorrichtung geleitet werden, bis das eingeschobene Lithium in der negativen Elektrode 22 aufgebraucht ist und die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie 20 sinkt.
Die Lithium-Ionen-Batteriezelle 20 (und andere Zellen im Stapel 18) können jederzeit durch Anschluss einer externen Stromquelle an die Lithium-Ionen-Batterie 20 geladen oder wieder eingeschaltet werden, um die elektrochemischen Reaktionen, die während der Batterieentladung auftreten, umzukehren. Der Anschluss einer externen Stromquelle an die Lithium-Ionen-Batterie 20 erzwingt die ansonsten nicht spontane Oxidation von interkaliertem Lithium an der positiven Elektrode 24, um Elektronen und Lithium-Ionen zu erzeugen. Die Elektronen, die durch die externe Schaltung zurück zur negativen Elektrode 22 fließen und die Lithium-Ionen, die durch den Elektrolyt 30 durch den Separator 26 zurück zur negativen Elektrode 22 transportiert werden, verbinden sich wieder an der negativen Elektrode 22 und füllen diese wieder mit eingelagertem Lithium für den Verbrauch im nächsten Batterie-Entladezyklus auf. Somit wird jedes Entladungs- und Ladungsereignis als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithium-Ionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 geschaltet werden.
Die externe Stromquelle, die verwendet werden kann, um die Lithium-Ionen-Batterie 20 aufzuladen, kann in Größe, Konstruktion und spezieller Endanwendung der Lithium-Ionen-Batterie 20 variieren. Einige nennenswerte und exemplarische externe Quellen umfassen, sind jedoch nicht einschränkt auf eine Wechselstrom-Wandsteckdose und eine Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs. In vielen Lithium-Ionen-Batterie-Konfigurationen werden der negative Stromabnehmer 32, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der positive Stromabnehmer 34 jeweils als relativ dünne Schichten hergestellt (beispielsweise aus einigen Mikrometern bis einem Millimeter oder weniger in der Dicke) und in Schichten zusammengebaut, die zum Bilden des Stapels 18 in einer elektrischen Parallelschaltung miteinander verbunden werden, um ein geeignetes elektrisches Energie- und Leistungspaket bereitzustellen.
Des Weiteren kann der elektrochemische Lithium-Ionen-Zellenstapel 18 eine Vielzahl anderer Komponenten beinhalten, die, obwohl sie hier nicht dargestellt sind, Experten wohl bekannt sind. So kann beispielsweise der Stapel 18 oder jede einzelne Batterie innerhalb des Stapels 18 ein Gehäuse, Dichtungen, Endkappen und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien beinhalten, die sich innerhalb der Batterie 20 oder dem Stapel 18, einschließlich zwischen der oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 24 und/oder den Separator 26 als nicht einschränkendes Beispiel befinden können. Wie vorstehend erwähnt können die Größe und Form der Lithium-Ionen-Batterie 20 variieren, je nach der besonderen Anwendung, für die sie ausgelegt ist. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Unterhaltungselektronikgeräte sind beispielsweise zwei Beispiele, bei denen die Lithium-Ionen-Batterie 20 wahrscheinlich eine andere Größe, Kapazität und Leistungsabgabe hätte. Wenn die Lithium-Ionen-Batterie 20 mit anderen, ähnlichen Lithium-Ionen-Zellen oder -Batterien in Serie oder parallel geschaltet sind, wird eine größere Spannungsabgabe, Energie und Leistung erzeugt, wenn dies für den Verbraucher erforderlich ist.
Dementsprechend kann der elektrochemische Lithium-Ionen-Zellenstapel 18 elektrischen Strom für einen Verbraucher erzeugen, der funktionsfähig mit der externen Schaltung verbunden sein kann. Während der Verbraucher eine beliebige Anzahl elektrisch angetriebener Vorrichtungen sein kann, beinhalten einige spezifische Beispiele stromverbrauchender Verbrauchervorrichtungen einen Elektromotor für ein Hybridfahrzeug oder für ein vollelektrisches Fahrzeug, einen Laptop-Computer, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon, eine mobile Vorrichtung und ein schnurloses Elektrowerkzeug oder Haushaltsgeräte als nicht einschränkende Beispiele. Der Verbraucher kann auch eine stromerzeugende Vorrichtung sein, die den elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellenstapel 18 zum Zwecke der Energiespeicherung auflädt. In einigen anderen Variationen kann die elektrochemische Zelle ein Superkondensator sein, wie beispielsweise ein Superkondensator auf Lithium-Ionen-Basis.
Unter erneuter Bezugnahme auf die 1A-1B kann jeder geeignete Elektrolyt 30, der Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 leiten kann, in der Lithium-Ionen-Batterie 20 verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann die Elektrolytlösung eine wasserfreie, flüssige Elektrolytlösung sein, die ein Lithiumsalz beinhaltet, gelöst in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln. Zahlreiche konventionelle, nichtwässrige, flüssige Elektrolytlösungen 30 können in der Lithium-Ionen-Batterie 20 verwendet werden. Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein können, um die nichtwässrige, flüssige Elektrolytlösung zu bilden, LiPF₆, LiClO₄, LiAlCl₄, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF₄, LiB(C₆H₅)₄, LiB(C₂O₄)₂, LiBF₂(C₂O₄), LiAsF₆, LiCF₃SO₃, LiN(CF₃SO₂)₂, LiN(FSO₂)₂ und Kombinationen derselben beinhalten. Wie nachstehend erörtert, ist die gegenwärtige Technologie besonders geeignet für den Einsatz mit einem Elektrolyten, der LiPF₆ Salz beinhaltet. Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von organischen Lösungsmitteln, einschließlich, aber nicht einschränkt auf verschiedene Alkylcarbonate, wie zyklische Carbonate (Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC)), acyclische Carbonate (Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Ether mit Kettenstruktur (1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), cyclische Ether (Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran) und Kombinationen derselben, gelöst werden.
Der poröse Separator 26 kann in bestimmten Fällen einen mikroporösen polymeren Separator einschließlich eines Polyolefins als nicht einschränkendes Beispiel beinhalten. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzelnen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Wenn ein Heteropolymer von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin eine beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen einschließlich solcher eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers. Desgleichen kann ein Polyolefin, das ein Heteropolymer ist, welches aus mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, ebenfalls ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer sein. In bestimmten Aspekten kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus PE und PP sein oder ein mehrschichtiger strukturierter poröser Film aus PE und/oder PP. Handelsübliche mikroporöse Polymermembranen 26 aus Polyolefin schließen CELGARD^® 2500 (ein einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD^® 2320 (ein dreischichtiger Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Separator) von Celgard LLC ein.
Wenn der poröse Separator 26 ein mikroporöser, polymerer Separator ist, kann er eine einzelne Schicht oder ein vielschichtiges Laminat sein, das entweder über einen trockenen oder nassen Prozess hergestellt wird. So kann beispielsweise in einer Ausführungsform eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten mikroporösen polymeren Separator 26 bilden. In weiteren Aspekten kann der Separator 26 eine faserförmige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen einander gegenüberliegenden Flächen erstrecken und kann beispielsweise eine Dicke von weniger als einem Millimeter und in bestimmten Variationen weniger als etwa 0,1 mm aufweisen. Als weiteres Beispiel kann der mikroporöse polymere Separator 26 jedoch auch aus mehreren getrennten Schichten des gleichen oder eines nicht ähnlichen Polyolefins zusammengesetzt sein. Des Weiteren kann der poröse Separator 26 mit einem keramischen Material gemischt oder dessen Oberfläche mit einem keramischen Material beschichtet werden. Eine keramische Beschichtung kann beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂) oder Kombinationen derselben beinhalten. Verschiedene konventionelle Polymere und kommerzielle Produkte zur Bildung des Separators 26 werden betrachtet sowie die vielen Herstellungsverfahren, die verwendet werden können, um einen solchen mikroporösen polymeren Separator 26 herzustellen.
In verschiedenen Aspekten beinhaltet die negative Elektrode 22 ein elektroaktives Material als ein Lithium-Wirtsmaterial, das als negativer Anschluss einer Lithium-Ionen-Batterie dienen kann. Die negative Elektrode 22 kann somit das elektroaktive Lithium-Wirtsmaterial und gegebenenfalls ein anderes elektrisch leitendes Material sowie eine oder mehrere polymere Bindematerialien zum konstruktiven Zusammenhalten des Lithium-Wirtsmaterials beinhalten. So kann beispielsweise die negative Elektrode 22 in einer Ausführungsform ein aktives Material beinhalten, das Graphit, Silizium, Zinn oder andere negative Elektrodenpartikel beinhaltet, die mit einem Bindemittelmaterial vermischt sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) oder Carboxymethoxylcellulose (CMC), ein Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natrium-Alginat, Lithium-Alginat und Kombinationen derselben, als nicht einschränkendes Beispiel. Geeignete zusätzliche elektrisch leitfähige Materialien können kohlenstoffhaltige Materialien oder ein leitendes Polymer beinhalten. Kohlenstoffhaltige Materialien können durch ein nicht einschränkendes Beispiel KETCHEN™ Ruß, DENKA™ Ruß, Acetylenruß, Ruß und dergleichen beinhalten. Beispiele eines leitenden Polymers beinhalten Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können Mischungen aus leitfähigen Materialien verwendet werden.
Graphit wird zum Bilden der negativen Elektrode 22 häufig verwendet, da er wünschenswerte Eigenschaften bei der Interkalation und Desinterkalation von Lithium aufweist, relativ nicht-reaktiv in der Umgebung elektrochemischer Zellen ist und Lithium in Mengen speichern kann, die eine relativ hohe Energiedichte ergeben. Kommerzielle Formen von Graphit und anderen Graphenmaterialien, die zur Herstellung der negativen Elektrode 22 verwendet werden können, sind erhältlich von Timcal Graphit und Kohlenstoff von Bodio, Schweiz, Lonza Group, Basel, Schweiz, oder Superior Graphit, Chicago, USA, Hitachi Chemicals (z. B., oberflächenmodifizierter Graphit), BTR China (z. B., Graphitmaterial) oder Shanshan China (z. B., Graphit) erhältlich. Andere Materialien können auch zum Bilden der negativen Elektrode 22 verwendet werden, unter anderem zum Beispiel Lithium-Silizium- und siliziumhaltige binäre und ternäre Legierungen und/oder zinnhaltige Legierungen, wie Si-Sn, SiSnFe, SiSnAl, SiFeCo, SnO₂ und dergleichen. In bestimmten alternativen Ausführungsformen sind Lithium-Titan-Anoden-Materialien denkbar, wie Li_4+xTi₅O₁₂, wobei 0 ≤ x ≤ 3, Lithium-Titanat (Li₄Ti₅O₁₂) (LTO) beinhaltet.
Der Negativ-Elektroden-Stromabnehmer 32 und die negative Lasche 36 können Kupfer, Aluminium oder jedem beliebigen anderen geeigneten elektrisch leitenden Material bestehen, wie Fachleuten bekannt ist.
Die positive Elektrode 24 kann aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet werden, bei dem eine Interkalation und Desinterkalation oder Legierung und Delegierung von Lithium in ausreichendem Maße möglich ist, wenn sie als Pluspol der Lithium-Ionen Batterie 20 dient. Die positive Elektrode 24 kann ein Polymerbindemittel beinhalten, um das Lithiumbasierte aktive Material strukturell zusammenzuhalten. Die elektroaktiven Materialien der positiven Elektrode 24 können ein oder mehrere Übergangsmetalle, wie beispielsweise Mangan (Mn), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Vanadium (V) und Kombinationen derselben beinhalten. In bestimmten Aspekten kann die positive Elektrode 24 ein elektroaktives Material beinhalten, das Mangan (Mn) beinhaltet. Zwei exemplarisch gängige Klassen bekannter elektroaktiver Materialien, die zum Bilden der positiven Elektrode 24 verwendet werden können, sind Lithiumübergangsmetalloxide mit Schichtaufbau und Lithiumübergangsmetalloxide mit Spinellphase. So kann beispielsweise die positive Elektrode 24 in bestimmten Ausführungsformen ein Übergangsmetalloxid vom Spinelltyp beinhalten, wie beispielsweise Lithiummanganoxid (Li_(1+x)Mn_(2-x)O₄), wobei x typischerweise kleiner als 0,15 ist, einschließlich LiMn₂O₄ (LMO) und Lithiummangan-Nickeloxid LiMn_1.5Ni_0,5O₄(LMNO). In bestimmten Ausführungsformen kann die positive Elektrode 24 Schichtmaterialien wie Lithium-Kobaltoxid (LiCoO₂), Lithium-Nickel-Oxid (LiNiO₂), ein Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (Li(NixMn_yCo_z)O₂) beinhalten, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, and x + y + z = 1, einschließlich LiMn_0,33Ni_0,33Co_0,33O₂, ein Lithium-Nickel-Kobalt-Metalloxid (_(1-x-y)Co_xM_yO₂), wobei 0<x<1, 0<y<1 und M Al, Mn oder dergleichen sein können. Andere bekannte Lithium-Übergangsmetallverbindungen wie Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄) oder Lithiumeisenfluorphosphat (Li₂FePO₄F) können ebenfalls verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann die positive Elektrode 24 ein elektroaktives Material beinhalten, das Mangan, wie beispielsweise Lithiummanganoxid (Li_(1+x)Mn_(2-x)O₄), ein gemischtes Lithiummangan-Nickeloxid (LiMn_(2-x)Ni_xO₄), wobei 0 ≤ x ≤ 1, und/oder ein Lithiummangan-Nickel-Kobaltoxid (z. B., LiMn_1/3Ni_1/3Co_1/3O₂) beinhaltet.
Derartige aktive Materialien und optional elektrisch leitfähige Materialien können mit mindestens einem polymeren Bindemittel vermischt werden, beispielsweise durch Schlickergießen aktiver Materialien mit diesen Bindemitteln, wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-(EPDM)-Kautschuk, ein Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natrium-Alginat, Lithium-Alginat. Elektrisch leitfähig Materialien können Graphit, kohlenstoffhaltige Materialien oder ein leitendes Polymer beinhalten. Kohlenstoffhaltige Materialien können durch ein nicht einschränkendes Beispiel KETCHEN™ Ruß, DENKA™ Ruß, Acetylenruß, Ruß und dergleichen beinhalten. Beispiele eines leitenden Polymers beinhalten Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können Mischungen aus leitfähigen Materialien verwendet werden.
Der positive Stromabnehmer 34 und die positive Lasche 38 können aus Aluminium oder jedem beliebigen anderen geeigneten elektrisch leitenden Material bestehen.
In verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung somit eine elektrochemische Vorrichtung mit einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen vor. Jede entsprechende Zelle umfasst eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode mit einer entgegengesetzten Polarität zur ersten Elektrode. Jede entsprechende Zelle beinhaltet auch einen porösen Separator und eine im porösen Separator angeordnete Elektrolytflüssigkeit. Der flüssige Elektrolyt ist wahlweise in der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode oder sowohl der ersten als auch der zweiten Elektrode angeordnet. Die Vielzahl der elektrochemischen Zellen weist zusammen ein erstes Volumen an Elektrolytflüssigkeit auf. Die elektrochemische Vorrichtung beinhaltet auch einen integrierten Speicherbereich, der ein zweites Volumen an Elektrolytflüssigkeit speichert. Unter integriert ist zu verstehen, dass der Speicherbereich innerhalb des Gehäuses der elektrochemischen Vorrichtung enthalten ist und somit einen internen integralen Bestandteil der elektrochemischen Vorrichtung bildet. Der integrierte Speicherbereich steht in Fluidverbindung mit der Vielzahl der elektrochemischen Zellen und ist konfiguriert, um die Elektrolytflüssigkeit in die Vielzahl der elektrochemischen Zellen zu übertragen, zum Beispiel, wenn der Elektrolyt in den elektrochemischen Zellen erschöpft ist. In bestimmten Variationen beträgt das zweite Volumen der Elektrolytflüssigkeit mindestens 3 % des ersten Volumens. In bestimmten Variationen ist das zweite Volumen optional größer oder gleich etwa 3% bis kleiner oder gleich etwa 10% des ersten Volumens. In bestimmten Variationen beträgt das zweite Volumen etwa 5% des ersten Volumens.
Auf diese Weise bieten elektrochemische Gerätekonzepte, wie die von Lithium-Ionen-Batterien, einen integrierten Elektrolytbehälter, der im integrierten Speicherbereich innerhalb des elektrochemischen Zellengehäuses enthalten ist, um das Austrocknen des Elektrolyten zu minimieren oder zu verhindern und somit eine maximale Lebensdauer der Batterie zu erreichen.
In bestimmten Variationen, wie in den 1A und 2 dargestellt, umfasst und wird ein integrierter Speicherbereich durch eine Rahmenstruktur definiert, die auch ein über dem Rahmen angeordnetes Gehäuse zur Aufnahme des flüssigen Elektrolyten aufweisen kann. Die Rahmenstruktur ist angrenzend an und in Kontakt mit mindestens einer Seitenkante der Vielzahl von elektrochemischen Zellen angeordnet.
In 1A ist die Vielzahl der elektrochemischen Zellen als elektrochemischer Lithium-Ionen-Zellenstapel 18 vorgesehen. Die ausgerichteten Zellen oder Einzelbatterien 20 werden innerhalb des Stapels 18 ausgerichtet, der eine erste Seitenkante 60 definiert. Die Vielzahl von negativen Laschen 50 und die Vielzahl von positiven Laschen 52 erstrecken sich über die erste Seitenkante 60 hinaus. Ein integrierter Speicherbereich 70 definiert eine erste Seite 72 angrenzend an die Seitenkante 60 und eine zweite Seite 74 gegenüber der ersten Seite 72, worin die negativen Laschen 50 und die positiven Laschen 52 durch die erste Seite 72 und durch die zweite Seite 74 verlaufen. Die negativen und positiven Laschen 50, 52 ragen somit von der zweiten Seite 74 heraus.
Der integrierte Speicherbereich 70 kann als Rahmenstruktur 80 und als Gehäuse 82 ausgebildet werden. Das Gehäuse 82 kann somit an mehreren Seiten einen geschlossenen Behälter bilden, der flüssigen Elektrolyten 84 enthält. Der integrierte Speicherbereich 70 ist entlang der ersten Seite 72 mit der Vielzahl der elektrochemischen Zellen 20 des elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellenstapels 18 in Fluidverbindung. Der integrierte Speicherbereich 70 ist somit konfiguriert, um die Elektrolytflüssigkeit 84 in die Vielzahl der elektrochemischen Zellen 20 zu überführen, wenn der Elektrolyt im Stapel 18 verbraucht ist.
Die Rahmenstruktur 80 kann ein polymeres Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Polyolefinen, Fluorpolymeren und Kombinationen derselben. In bestimmten Variationen ist das Polymermaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Polytetrafluorethylen (PTFE) (z. B., TEFLON® PTFE), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyvinylidendifluorid (PVdF) (z. B., KYNAR® PVdF) und Kombinationen derselben. Das um die Rahmenstruktur 80 angeordnete Gehäuse 82 kann aus dem gleichen Polymermaterial bestehen wie die Rahmenstruktur 80. Hervorzuheben ist, dass die Rahmenstruktur 80 und das Gehäuse 82 als eine in sich geschlossene Struktur, zum Beispiel durch Formgebung, miteinander verbunden und aus dem gleichen Material gebildet werden können.
Die Vielzahl der elektrochemischen Zellen 20 im elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellenstapel 18 definiert gemeinsam eine Stapelhöhe 62 und eine Stapelbreite 64. In einem typischen Beutel oder einer prismatischen Zelle kann eine nicht einschränkende Musterhöhe des Stapels größer oder gleich etwa 5 mm bis kleiner oder gleich etwa 40 mm, optional größer oder gleich etwa 6 mm bis kleiner oder gleich etwa 13 mm sein. Eine nicht einschränkende Musterbreite kann größer oder gleich etwa 60 mm bis kleiner oder gleich etwa 300 mm, wahlweise größer oder gleich etwa 90 mm bis kleiner oder gleich etwa 200 mm sein. Eine nicht einschränkende und exemplarische Länge einer typischen prismatischen Zelle kann größer oder gleich etwa 100 mm bis kleiner oder gleich etwa 600 mm, optional größer oder gleich etwa 100 mm bis kleiner oder gleich etwa 300 mm sein. Der integrierte Speicherbereich 70 definiert eine erste Höhe 66, die kleiner oder gleich der Stapelhöhe 62 und eine erste Breite 68, die kleiner oder gleich der Stapelbreite 64 ist. In bestimmten Variationen ist eine Länge 69 von der ersten Seite 72 bis zur zweiten Seite 74 größer oder gleich etwa 1 mm bis kleiner oder gleich etwa 40 mm.
Es ist zu beachten, dass die Rahmenstruktur 80 innerhalb eines Bereichs des elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellenstapels 18 gebildet werden kann, der in herkömmlichen Konstruktionen nur von negativen Laschen 50 und positiven Laschen 52 belegt war. Die Größe des Designs/Fußabdrucks des elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellenstapels 18 müsste folglich nicht gegenüber einem herkömmlichen Design in der Ausführungsform der 1A-1B geändert werden.
2 stellt eine alternative Variation ähnlich der in den 1A-1B dar. Der Kürze halber wird die gleiche Nummerierung für Elemente verwendet, die mit dem Design in den 1A-1B geteilt werden. Bei dieser Konstruktion ist eine zweite Seitenkante 90 auf einer Seite gegenüber der ersten Seitenkante 60 des elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellenstapels 18 angeordnet. Ein integrierter Speicherbereich 92 definiert eine erste Seite 94 angrenzend an die zweite Seitenkante 90. Der integrierte Speicherbereich 92 kann als Rahmenstruktur 96 und als Gehäuse 98 ausgebildet sein. Das Gehäuse 98 kann somit an mehreren Seiten einen geschlossenen Behälter bilden, der flüssigen Elektrolyten 100 enthält. Der integrierte Speicherbereich 92 ist entlang der ersten Seite 94 mit dem elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellenstapel 18 in flüssiger Verbindung. Der integrierte Speicherbereich 92 ist somit konfiguriert, um die Elektrolytflüssigkeit 100 in die Vielzahl der elektrochemischen Zellen 20 zu überführen, wenn der Elektrolyt im Stapel 18 verbraucht ist. Integrierte Elektrolytspeicherbereiche können alternativ oder zusätzlich zum integrierten Speicherbereich 92 (oder zum integrierten Speicherbereich 70 aus 1A) auch auf anderen Seiten 102 des Lithium-Ionen-Elektrochemiezellenstapels 18 angeordnet werden. Insbesondere bei der Konstruktion von 2 wäre das Design/Fußabdruck des elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellenstapels 18 größer als ein herkömmlicher Stapel und könnte Änderungen an den zugehörigen Vorrichtungen und Systemen erfordern, wie sie von den Fachleuten in der Technik anerkannt werden.
In einer weiteren in 3 dargestellten Variation sind eine erste Elektrode 110 und eine zweite Elektrode 112 dargestellt. Insbesondere kann die hierin behandelte Elektrode eine Elektrodenanordnung sein, einschließlich des aktiven Elektrodenmaterials, des Stromabnehmers und der Anschlussklemmen. Eine erste Öffnung oder Öffnung 114 weist eine symmetrische Form auf und wird in einem zentralen Bereich 116 der ersten Elektrode 110 gebildet. Die symmetrische Form wird als Quadrat dargestellt, kann jedoch rund oder andere Formen annehmen. Eine symmetrische Form hilft bei der Gleichmäßigkeit des Zelldrucks und des elektrischen Feldes innerhalb der Zelle. Die symmetrische Form kann beispielsweise durch Laserschneiden in die erste Elektrode 110 gestanzt oder geschnitten werden. Insbesondere können in der ersten Elektrode 110 mehr als eine erste Öffnung 114 ausgebildet sein und in verschiedenen Bereichen der ersten Elektrode 110 positioniert werden.
Die zweite Elektrode 112 weist ebenfalls eine zweite Öffnung 118 auf, die ebenfalls symmetrisch ist und die gleiche Form aufweist wie die erste Öffnung 114 und auf die gleiche Weise gebildet werden kann. Die zweite Öffnung 118 ist in einem zentralen Bereich 120 der zweiten Elektrode 112 ausgebildet. Wie bei der ersten Öffnung 114 können in der zweiten Elektrode 112 mehr als eine zweite Öffnung 118 gebildet und in verschiedenen Bereichen der zweiten Elektrode 112 positioniert werden. Die erste Öffnung 114 in der ersten Elektrode 110 und die zweite Öffnung 118 in der zweiten Elektrode 112 können in den gleichen Positionen gebildet werden. Somit können die erste Öffnung 114 und die zweite Öffnung 118 ausgerichtet werden, wenn die erste und die zweite Elektrode 110, 112 zu einem Stapel 122 zusammengefügt werden.
Zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 112 kann vor dem Ausrichten ein poröser Separator 124 angeordnet werden. Wenn eine Vielzahl von ersten Elektroden 110, porösen Separatoren 124 und zweiten Elektroden 112 ausgerichtet und zusammengesetzt werden, wird ein integrierter Speicherbereich 128 durch die jeweils ausgerichteten Öffnungen 114 und 118 definiert. Wenn die Batterie mit flüssigem Elektrolyt geladen wird, dient der integrierte Speicherbereich 128 als Vorratsbehälter für überschüssigen Elektrolyt. Weiterhin steht der integrierte Speicherbereich 128 in Fluidverbindung mit der Vielzahl der elektrochemischen Zellen im Stapel, wodurch der Elektrolyt durch den porösen Separator 124 fließen kann und im gesamten Stapel verteilt und übertragen werden kann.
In bestimmten Aspekten ist eine Fläche, die zum Beispiel im integrierten Speicherbereich 128 mit Elektrolyt durchsickert, kleiner oder gleich etwa 20 % der gesamten Elektrodenfläche, optional größer oder gleich etwa 0,5 % bis kleiner oder gleich etwa 5 %. Der in 3 dargestellte integrierte Speicherbereich 128 ist somit innerhalb eines Bereichs des elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellenstapels 122 gebildet, sodass die Größe des Designs/Fußabdrucks des elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellenstapels 122 gegenüber einem herkömmlichen Design nicht verändert werden müsste.
Eine weitere Variation einer elektrochemischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist in 4 dargestellt. In diesem Design ist eine Vielzahl der elektrochemischen Zellen in einer Wundkonfiguration verbunden. Ein erstes Blech 150 eines ersten Elektrodenmaterials ist dargestellt. Ein zweites Blech 152 eines zweiten Elektrodenmaterials ist ebenfalls dargestellt. Insbesondere weist das zweite Blech 152 größere Abmessungen auf als das erste Blech 150, sodass es das erste Blech 150 abdeckt. Zwischen dem ersten Blech 150 des ersten Elektrodenmaterials und dem zweiten Blech 152 des zweiten Elektrodenmaterials ist ein drittes Blech 154 aus einem porösen Trennmaterial angeordnet. Im ersten Blech 150 des ersten Elektrodenmaterials sind mehrere erste Öffnungen 160 ausgebildet. Die ersten Öffnungen 160 weisen eine symmetrische Form auf, ähnlich wie in 3 und sind im Allgemeinen in einem zentralen Bereich 162 des ersten Blechs 150 ausgebildet. Die symmetrische Form der ersten Öffnungen 160 wird als quadratisch dargestellt, kann jedoch, wie bereits beschrieben, auch andere Formen annehmen.
Im zweiten Blech 152 des zweiten Elektrodenmaterials sind mehrere zweite Öffnungen 170 ausgebildet. Die zweiten Öffnungen 170 weisen die gleiche symmetrische Form auf wie die ersten Öffnungen 160 und sind im Allgemeinen in einem zentralen Bereich 172 des zweiten Blechs 152 ausgebildet. Die ersten und zweiten Öffnungen 160 und 170 können, wie vorstehend beschrieben, durch Stanzen oder Schneiden, zum Beispiel Laserschneiden, gebildet werden. Nach dem Anordnen des dritten Blechs 154 des porösen Trennmaterials zwischen dem ersten Blech 150 und dem zweiten Blech 152 sind diese so angeordnet, dass jede der mehreren ersten Öffnungen 160 mit den mehreren zweiten Öffnungen 170 ausgerichtet ist. Anschließend werden das erste Blech 150, das zweite Blech 152 und der poröse Separator 154 zu einem gewickelten Stapel 180 der elektrochemischen Zellen zusammengefügt. Nach dem Wickeln bildet sich in einem zentralen Bereich 184 des Wickelstapels 180 ein integrierter Elektrolytspeicherbereich 182. Wenn die Batterie mit flüssigem Elektrolyt geladen wird, dient der integrierte Elektrolytspeicherbereich 182 als Vorratsbehälter für überschüssigen Elektrolyt. Weiterhin steht der integrierte Elektrolytspeicherbereich 182 in Fluidverbindung mit der Vielzahl der elektrochemischen Zellen im Wickelstapel 180 und kann, da der Elektrolyt durch den porösen Separator (drittes Blech 154) fließen kann, über den Stapel 180 verteilt und übertragen werden. Der in 4 dargestellte integrierte Elektrolytspeicherbereich 182 wird somit innerhalb eines Bereichs des Wickelstapels 180 gebildet, sodass die Größe des Designs/Fußabdrucks des Stapels 180 gegenüber einem herkömmlichen Design nicht verändert werden muss.
In einer weiteren Variation der in den 5-6 dargestellten Offenbarung beinhaltet ein elektrochemischer Lithium-Ionen-Zellenstapel 200 eine Vielzahl von miteinander verbundenen elektrochemischen Zellen 202. Jede Zelle 202 beinhaltet eine negative Elektrode 210, eine positive Elektrode 212 und einen porösen Separator 214 (z. B., einen mikroporösen oder nanoporösen polymeren Separator), der zwischen den beiden Elektroden 210 und 212 angeordnet ist. Der Separator 214 beinhaltet einen Elektrolyt, der auch in der negativen Elektrode 210 und der positiven Elektrode 212 vorliegen kann. Wie vorstehend beschrieben, können die negative Elektrode 210 und die positive Elektrode 212 eine Elektrodenanordnung sein, die eine aktive Materialschicht, einen Stromabnehmer, eine Klemme/Lasche und dergleichen beinhaltet.
In dieser Variation umschließt ein externes Gehäuse oder Mantel 218 die Vielzahl der elektrochemischen Zellen 202. Die Verkleidung 218 beinhaltet optional ein Außengehäuse 220, das für Flüssigkeiten und Fremdkörper undurchlässig ist. Die Ummantelung 218 beinhaltet eine adsorbierende oder saugfähige Materialschicht 222, die einen flüssigen Elektrolyten adsorbieren kann. Die absorbierende Materialschicht 222 dient somit als integrierter Elektrolytspeicherbereich des Stapels 200. In bestimmten Variationen kann eine durchschnittliche Porosität der absorbierenden Materialschicht 222 größer oder gleich etwa 30% bis kleiner oder gleich etwa 80% sein. Die absorbierende Materialschicht 222 ist vorteilhaft elektrisch isolierend und bei Vorhandensein des Elektrolyten stabil. Die absorbierende Materialschicht 222 bedeckt symmetrisch die Vielzahl der elektrochemischen Zellen 202 und ist in bestimmten Variationen mit der Innenfläche der Ummantelung 218.
In bestimmten Fällen kann die absorbierende Materialschicht 222 ein Material beinhalten, das ein poröser Separator für Batterien oder Kondensatoren, eine Zellulosefolie, ein Glasfaserpapier, ein Kohlefaserpapier und beliebige Kombinationen derselben ist. Eine Dicke der absorbierenden Materialschicht 222 kann größer oder gleich etwa 6 µm bis kleiner oder gleich etwa 500 µm sein. In bestimmten Aspekten ist eine adsorbierende Materialschicht 222 die erste Dimension 224, wie beispielsweise die Länge, größer oder gleich einer zweiten Dimension 225 der negativen Elektrode 210, wie etwa deren Länge. Weiterhin kann eine Adsorptionsmaterialschicht 222 dritte Dimension 226, z. B. Breite, größer oder gleich einer vierten Dimension 227 des porösen Separators 214, z.B. Breite, sein.
Nach dem Umhüllen der mehreren elektrochemischen Zellen 202 kann die Ummantelung 218 auf jede in der Technik bekannte Weise versiegelt werden. Wenn die Batterie mit flüssigem Elektrolyt geladen wird, dient die absorbierende Materialschicht 222 als Vorratsbehälter für überschüssigen Elektrolyt. Die absorbierende Materialschicht 222 steht in Fluidverbindung mit der Vielzahl der elektrochemischen Zellen 202 im Stapel 200, sodass überschüssiger Elektrolyt in die elektrochemischen Zellen fließen und bei Bedarf über den Stapel 200 verteilt und übertragen werden kann.
In 7 ist ein ähnlicher Aufbau wie in den 5 und 6 dargestellt. Die elektrochemische Vorrichtung 230 beinhaltet jedoch eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen 232 in einer gewickelten Konfiguration, die einen zylindrischen Zellkern mit einer ersten Klemme 234 und einer zweiten Klemme 236 mit einer entgegengesetzten Polarität bilden. Ein externes Gehäuse oder eine Ummantelung 240 umschließt die Vielzahl der elektrochemischen Zellen 232. Die Ummantelung 240 beinhaltet eine äußere Gehäuseschicht 242, die für Flüssigkeiten und Fremdkörper undurchlässig ist. Die Ummantelung 240 beinhaltet auch eine adsorbierende oder saugfähige Materialschicht 246, die einen flüssigen Elektrolyten adsorbieren kann. Somit dient die absorbierende Materialschicht 246 als integrierter Elektrolytspeicherbereich der elektrochemischen Vorrichtung 230, die mit der Vielzahl der elektrochemischen Zellen 232 in Fluidverbindung steht. Auf diese Weise kann der Elektrolyt nach Bedarf in die elektrochemischen Zellen 232 überführt werden, um die Lebensdauer der elektrochemischen Vorrichtung 230 zu verlängern. Die absorbierende Materialschicht 246 kann die gleiche Zusammensetzung mit den gleichen Eigenschaften aufweisen, wie vorstehend im Zusammenhang mit der absorbierenden Materialschicht 222 in den 5 und 6 beschrieben. In bestimmten Aspekten ist eine Adsorptionsmaterialschicht 246 erste Dimension 248, wie z. B. Länge, größer oder gleich einem Umfang von 250 des zylindrischen Zellkerns. In einer typischen Metall-Dosenzelle mit zylindrischer Form kann ein nicht begrenzender exemplarischer Durchmesser des Zylinders größer oder gleich etwa 18 mm bis kleiner oder gleich etwa 100 mm, optional größer oder gleich etwa 18 mm bis kleiner oder gleich etwa 40 mm sein. Eine nicht einschränkende und exemplarische Länge einer typischen Metall-Dosenzelle kann größer oder gleich etwa 60 mm bis kleiner oder gleich etwa 600 mm, optional größer oder gleich etwa 60 mm bis kleiner oder gleich etwa 200 mm sein. Weiterhin kann eine adsorbierende Materialschicht 246 zweite Dimension 252, wie beispielsweise Breite, größer oder gleich einer dritten Dimension 254 des porösen Separators 214, wie beispielsweise seiner Breite, sein. Nach dem Umhüllen der mehreren elektrochemischen Zellen 232 kann die Ummantelung 240 auf jede in der Technik bekannte Weise versiegelt werden.
In verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung Verfahren zum Erhöhen der Lebensdauer einer elektrochemischen Vorrichtung vor. Das Verfahren beinhaltet die Einführung eines flüssigen Elektrolyten in die elektrochemische Vorrichtung, die eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen und einen integrierten Speicherbereich beinhaltet. Der integrierte Speicherbereich steht in Fluidverbindung mit der Vielzahl von elektrochemischen Zellen und jede einzelne elektrochemische Zelle besteht aus einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode mit entgegengesetzter Polarität zur ersten Elektrode und einem porösen Separator. Jede der zuvor erwähnten Variationen der elektrochemischen Vorrichtung mit einem integrierten Speicherbereich ist für den Einsatz in derartigen Verfahren vorgesehen. Die Vielzahl der elektrochemischen Zellen definiert ein erstes Volumen zur Aufnahme von flüssigem Elektrolyt und der integrierte Speicherbereich definiert ein zweites Volumen zur Aufnahme eines flüssigen Elektrolyten. Das zweite Volumen beträgt mindestens etwa 3% des ersten Volumens und das zweite Volumen ist größer oder gleich etwa 3% des ersten Volumens bis kleiner oder gleich etwa 10% des ersten Volumens. Während des Zyklus der elektrochemischen Vorrichtung wird durch Einbringen des überschüssigen Elektrolyten in den integrierten Speicherbereich eine Lebensdauer der elektrochemischen Vorrichtung um mindestens 500 tiefe Lade-/Entladezyklen im Vergleich zu einer vergleichenden elektrochemischen Vorrichtung mit der gleichen Vielzahl von internen Zellen, jedoch ohne den internen Elektrolytspeicherbereich, erhöht. Das integrierte Speichersystem in der elektrochemischen Vorrichtung stellt zusätzliche Elektrolytkapazität zur Verfügung, die hilft, das Austrocknen des Elektrolyten zu minimieren oder zu verhindern, was zu einer längeren Batterielebensdauer führt.
In bestimmten Variationen kann die elektrochemische Vorrichtung, die einen integrierten Elektrolytspeicherbereich integriert, eine Lebensdauer der elektrochemischen Zelle um mindestens etwa 500 Tiefentladezyklen, optional mindestens etwa 1.000 Tiefentladezyklen, optional mindestens etwa 1.500 Tiefentladezyklen, optional größer oder gleich etwa 2.000 Tiefentladezyklen, und in bestimmten Variationen, optional größer oder gleich etwa 2.500 Tiefentladezyklen, im Vergleich zu einer vergleichenden elektrochemischen Vorrichtung mit mehreren internen Zellen, aber ohne den internen Elektrolytspeicherbereich erhöhen.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht erschöpfend und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.

Claims

Elektrochemische Vorrichtung, umfassend: einen Stapel, der mindestens eine elektrochemische Zelle umfasst, die Folgendes umfasst: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode mit einer entgegengesetzten Polarität zu der ersten Elektrode; einen porösen Separator; eine Elektrolytflüssigkeit, die in dem porösen Separator und gegebenenfalls in der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode oder sowohl der ersten als auch der zweiten Elektrode angeordnet ist, worin der Stapel ein erstes Volumen an Elektrolytflüssigkeit umfasst; und einen integrierten Speicherbereich mit einem zweiten Volumen an Elektrolytflüssigkeit, das mit der mindestens einen elektrochemischen Zelle im Stapel in Fluidverbindung steht und konfiguriert ist, um die Elektrolytflüssigkeit in die mindestens eine elektrochemische Zelle im Stapel zu übertragen, worin das zweite Volumen mindestens etwa 3% des ersten Volumens beträgt.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Stapel eine Seitenkante definiert und der integrierte Speicherbereich eine Rahmenstruktur und ein Gehäuse umfasst und der integrierte Speicherbereich angrenzend an und in Kontakt mit der Seitenkante angeordnet ist, worin die Rahmenstruktur ein polymeres Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Polyolefinen, Fluorpolymeren und Kombinationen derselben.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 2, worin die mindestens eine elektrochemische Zelle eine mit der ersten Elektrode verbundene erste Lasche und eine mit der zweiten Elektrode verbundene zweite Lasche aufweist, worin sich die erste Lasche und die zweite Lasche über den seitlichen Rand hinaus erstrecken und der integrierte Speicherbereich eine erste Seite angrenzend an den seitlichen Rand und eine zweite Seite gegenüber der ersten Seite definiert, worin die erste Lasche und die zweite Lasche jeweils von und durch die erste Seite zur und durch die zweite Seite verlaufen, sodass sie von der zweiten Seite hervortreten.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 2, worin die mindestens eine elektrochemische Zelle eine mit der ersten Elektrode verbundene erste Lasche und eine mit der zweiten Elektrode verbundene zweite Lasche aufweist, worin sich der seitliche Rand auf einer der ersten Lasche gegenüberliegenden Seite der elektrochemischen Zelle befindet und die zweite Lasche und der integrierte Speicherbereich benachbart zu und in Kontakt mit der seitlichen Kante angeordnet ist.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Stapel eine Stapelhöhe und eine Stapelbreite definiert und der integrierte Speicherbereich eine erste Höhe definiert, die kleiner oder gleich der Stapelhöhe ist und eine erste Breite, die kleiner oder gleich der Stapelbreite ist.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der integrierte Speicherbereich eine Länge von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite aufweist, die größer oder gleich etwa 1 mm bis kleiner oder gleich etwa 40 mm ist.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die erste Elektrode eine erste Öffnung und die zweite Elektrode eine zweite Öffnung umfasst, worin, wenn die erste und die zweite Öffnung so ausgerichtet sind, den integrierten Speicherbereich definieren.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der integrierte Speicherbereich mindestens einen Teil einer Außenseite des Stapels umgibt, worin der integrierte Speicherbereich ein adsorbierendes Material umfasst, das die Elektrolytflüssigkeit enthält.
Elektrochemische Vorrichtung, umfassend: eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen, jeweils umfassend: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode mit einer entgegengesetzten Polarität von der ersten Elektrode; einen porösen Separator; eine Elektrolytflüssigkeit, die in dem porösen Separator und gegebenenfalls in der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode oder sowohl der ersten als auch der zweiten Elektrode angeordnet ist, worin die Vielzahl von elektrochemischen Zellen ein erstes Volumen an Elektrolytflüssigkeit umfasst; und einen integrierten Speicherbereich, der ein zweites Volumen an Elektrolytflüssigkeit speichert, das in Fluidverbindung mit der Vielzahl von elektrochemischen Zellen steht und konfiguriert ist, um die Elektrolytflüssigkeit in die Vielzahl von elektrochemischen Zellen zu übertragen, worin das zweite Volumen an Elektrolytflüssigkeit mindestens etwa 3% des ersten Volumens beträgt.