鋰離子電池芯的制作方法

本發明涉及一種具有陽極、陰極以及固體隔膜的鋰離子電池芯。

背景技術：

1、鋰離子電池芯具有陽極和陰極。在傳統的鋰離子電池芯中在陽極和陰極之間還布置有隔膜。在此，在電池芯中容納用于在陽極和陰極之間電荷運輸的液體電解質(液態電解質)，其中，陽極、陰極以及隔膜被電解質浸潤。

2、相對于這種傳統鋰離子電池芯的替代是也被稱為固態電池芯的固體電池芯。這種電池芯包括布置在陽極和陰極之間的在工作溫度下為固態的電解質(固體電解質)。在此，固體電解質也起隔膜的作用。

3、在具有固體電解質的電池芯中，由于固體電解質和/或相應的電極、尤其陰極的相對粗糙的表面，在電芯組裝過程中和在電池芯運行中相互相對移動的情況下存在其損壞的風險。此外，固體電解質和電極的不同迂曲度會不利地導致傳導能力的局部波動，并因此導致較高的電芯內阻和/或較低的使用壽命。

4、由文獻us2009/0155677?a1已知一種包括隔膜的非水的可充電鋰電池。其具有隔膜體和含有有機化合物和無機化合物的復合材料。此外，鋰電池包括電解質，該電解質例如是鋰鹽溶解在有機溶劑中的非水電解質、聚合物電解質、無機固體電解質、帶有無機固體電解質的聚合物電解質或復合材料。

技術實現思路

1、本發明要解決的技術問題在于，提供一種特別合適的鋰離子電池芯。在所述鋰離子電池芯中尤其實現在固體電解質和其中一個電極的涂層之間盡可能好的機械和/或電連接。此外應給出一種具有這種鋰離子電池芯的牽引電池和具有該牽引電池的電驅動機動車。

2、上述技術問題在鋰離子電池芯方面根據本發明通過一種鋰離子電池芯解決。根據本發明上述技術問題在牽引電池方面通過一種用于電驅動機動車的牽引電池解決，在電驅動機動車方面通過一種電驅動機動車解決。本發明的有利設計方案和改進設計是本技術的內容。在此結合鋰離子電池芯的設計適宜地也適用于牽引電池和機動車，反之亦然。

3、下文簡稱為電池芯或電芯的鋰離子電池芯包括陽極以及陰極。

4、所述陰極適當地具有電流放電器，所述電流放電器上施加帶有活性材料的涂層。例如電流放電器是金屬箔、尤其鋁箔。例如作為用于陰極的活性材料使用鎳鈷鋁酸鋰(nca)、磷酸鐵鋰(lfp)、鎳鈷錳酸鋰(nmc)、鈦酸鋰(lto)、錳酸鋰(lmo)、鎳錳酸鋰(lmno)、鈷酸鋰(lco)、lifeso4或litis2。適當地，陰極的涂層除了包括活性材料之外還包括粘合劑以及導電劑、例如石墨或導電炭黑。

5、例如陽極具有尤其形成為銅箔的電流放電器，其中，所述電流放電器有涂層。例如陽極的該涂層包括活性材料，如石墨、石墨烯、所謂的硬或軟碳納米管。此外，該涂層適宜地包括粘合劑以及導電劑，例如石墨或導電炭黑。對此替選地，電流放電器具有由硅構成的涂層或由鋰、尤其金屬鋰構成的涂層。陽極的電流放電器優選是銅箔。替選地，陽極由鋰構成。

6、尤其對用于陽極和/或陰極的活性材料，由現有技術已知的活性材料僅適用于帶有液態電解質的鋰離子電池芯的陽極和/或陰極。

7、鋰離子電池芯還包括布置在陽極和陰極之間的固體電解質(固態電解質)，即固態的電解質。固體電解質例如是無機固體電解質，尤其硫化或氧化的固體電解質。此外例如固體電解質是固體聚合物電解質或所謂的準固體電解質、尤其凝膠聚合物電解質。

8、例如在電池芯中也可以使用多種這類固體電解質。因此電極中的一個可以設置有凝膠聚合物電解質，尤其被其浸潤，其中，另外的固體電解質、例如固體的聚合物電解質布置在電極之間。

9、陽極和/或陰極被液體電解質(液態電解質)浸潤，即用液體的電解質浸透。尤其液體電解質包括非水的溶劑、如碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯，并包括溶解在其中的導電鹽、如六氟磷酸鋰。

10、在固體電池芯中固體電解質可以例如通過熔體滲透被容納在陽極和/或陰極中，尤其容納在其基材的涂層中，與固體電池芯相比，被液體電解質浸潤的陰極或被液體電解質浸潤的陽極、尤其其相應的涂層則應沒有設置固體電解質。換句話說，被液體電解質浸潤的陰極和/或陽極應不含固體電解質。如果其中一個電極沒有被液體電解質浸潤，則該電極例如設置帶有固體電解質。

11、也即鋰離子電池芯包括固體電解質和液體電解質。因此鋰離子電池芯也稱為混合電解質電芯。適宜地，固體電解質和液體電解質相互協調。尤其應避免液體電解質的成分與固體電解質反應。換句話說，選擇與液體電解質相容的固體電解質。

12、此外在被液體電解質浸潤的陽極和固體電解質之間和/或被液體電解質浸潤的陰極和固體電解質之間布置有相應的隔膜。優選地，隔膜是相對于固體電解質和/或電極單獨的部件。例如在被液體電解質浸潤的陽極和固體電解質之間和/或在被液體電解質浸潤的陰極和固體電解質之間分別布置一個以上的隔膜，即在被液體電解質浸潤的陽極和固體電解質之間和/或在被液體電解質浸潤的陰極和固體電解質之間分別布置有至少一個隔膜。

13、尤其隔膜貼靠在固體電解質以及相應的電極上。尤其相應的隔膜與固體電解質和陽極和/或陰極(機械)接觸。

14、適當地形成由陽極、陰極、固體電解質和一個隔膜或多個隔膜構成的層結構。該層機構適宜地相疊堆垛地布置。

15、隔膜滿足的目的是，補償固體電解質和/或電極的面向該固體電解質的表面的粗糙度。由于隔膜相對高的彈性，導致在相應的電極和固體電解質之間形成可相對容易變形的中間層和/或緩沖層。特別有利的是，與之相隨地避免了在組裝電芯的過程中和在電芯運行中電解質相對于電極移動的情況下固體電解質和/或相應電極的損壞，或至少減少了其風險。

16、根據適當的設計，隔膜具有的厚度、換句話說在從陽極到陰極的方向上的空間延伸量小于或等于10μm。優選在此厚度大于2μm。尤其厚度在2μm至6μm之間，尤其在3μm至5μm之間。陽極和陰極的空間上和電的分離已經根據固體電解質實現了。因此與僅具有液體電解質的電池芯中的同類隔膜相比，該隔膜可以選擇得更薄。然而不應低于最小厚度，例如根據設計至少2μm的厚度，以實現足夠的緩沖效果。

17、例如隔膜的孔隙率至少為10％、尤其至少25％、優選至少40％和/或最大90％、尤其最大80％。以此即使在電池芯的運行中壓力施加到隔膜上時，離子導電能力也不會或僅相對較少地受阻礙。

18、為實現特別合適的緩沖效果，隔膜比固體電解質和/或電極更軟，尤其更柔性和/或更容易變形。因此在安裝和/或運行時損壞固體電解質和/或電極的風險減小。

19、在僅具有液體電解質的傳統電池芯中，隔膜可以設有涂層、例如設有由陶瓷構成的涂層。例如該涂層用于防止鋰枝晶或其中一個電極的涂層的鋒利邊緣式的毛刺穿過隔膜，并由此避免電池芯內的短路。適宜地根據本發明的鋰離子電池芯(電池芯)的隔膜相反是未涂層的。有利的是，由于沒有涂層，其硬度不增加，由此隔膜的緩沖效果相對較高，其中，枝晶導致的短路已經由于固體電解質而被避免，或者其風險至少被減小。

20、與僅具有液體電解質的傳統電池芯中的隔膜相比，按照本發明的電池芯的隔膜還可以具有在強烈加熱下收縮的材料或由該材料構成。這在傳統的電池芯中必須避免，以防止熱失控。在按照本發明的電池芯中該功能已經由固體電解質實現。

21、根據合適的設計方式，隔膜應是多孔的塑料隔膜。例如隔膜是多孔聚烯烴隔膜，適宜地是聚烯烴膜、例如聚乙烯膜或聚丙烯膜。這種膜尤其用作用于傳統的僅具有液體電解質的鋰離子電池芯的隔膜。這種隔膜節省成本并易于制造。

22、對此替選地，隔膜是泡沫，尤其固體泡沫。例如在制造過程中，泡沫直接在固體電解質和/或電極上、尤其在其涂層上發泡。

23、適宜地，對于液體電解質和/或鋰離子，隔膜是可滲透的、即可透過的。

24、根據特別優選的設計，隔膜通過所述液體電解質浸潤或通過液體電解質浸潤。隔膜的浸潤一方面具有的優點是，在電芯中存在液體電解質儲備。因此避免了在電芯老化時電芯干涸或者至少減少了其風險。另一方面，通過該方式有效地防止了這種效果，即隔膜中以及貼靠在該隔膜上的電極的涂層中的單個優勢鋰離子傳導路徑導致電池芯在局部(動態)電化學更活躍，從而使電池芯更快地老化。緩沖層因離子傳導路徑較長而略微增加了電芯的內阻。然而電化學活性的局部波動被補償。例如如果較多的鋰離子在電極的涂層的孔隙通道處逸出，則鋰離子在進入固體電解質之前，可以在緩沖層中橫向分布，尤其至少部分地在相對于從陽極到陰極的方向的垂直方向上分布。局部過飽和/或排空由此變得明顯不可能和/或減少。

25、例如用于提供液體電解質儲備的隔膜在制造中已經浸潤并安裝在電池芯中。替選和優選地，隔膜與相應的電極一起被液體電解質浸潤。

26、根據優選設計，陽極、尤其該陽極的具有活性材料的涂層，和/或陰極、尤其該陰極的具有活性材料的涂層，例如與被液體電解質浸潤的隔膜一起緊密地相對于液體電解質包圍。尤其為此使用的密封裝置沒有離子電導能力，即不允許帶電離子通過，和/或是流體密封的。優選地，密封裝置至少具有略微的柔性，使得即使在涂層的體積由于存儲或由于鋰離子從該涂層中排出而變化時，密封裝置也保持密封。

27、例如密封裝置是電絕緣的。替選地，密封裝置是能導電的。

28、例如密封裝置包圍相應的電極和/或其涂層。替選地，密封裝置設計為框架狀。在此密封裝置密封地包圍在固體電解質和相應電極的電流放電器之間形成的、用于該電極的涂層的空間。此外替選地，固體電解質與電池芯的殼體密封或者說緊密地接合，或者與袋狀絕緣體膜密封或者說緊密地接合，袋狀絕緣體膜中容納電極、隔膜以及電解質。

29、以此方式避免在被液體電解質浸潤的陽極或陰極與相應的其他電極、必要時同樣被液體電解質浸潤的電極之間的直接離子交換。事實上，在陽極和陰極之間的離子傳導通過固體電解質進行。

30、本發明的另一方面涉及一種用于電驅動機動車的牽引電池，其中，該牽引電池具有上述方案之一的鋰離子電池芯。優選地所述牽引電池包括相互串聯和/或并聯的多個這種鋰離子電池芯。

31、本發明的另一方面涉及一種電驅動的機動車。其具有上述方案之一的牽引電池。牽引電池在此尤其給機動車的牽引驅動裝置的電機提供電能。