原电池的制作方法

本发明涉及根据独立权利要求的前述部分的一种原电池(galvanisches Element)、一种包括原电池的电池和一种用于制造原电池的方法。

背景技术：

锂离子电池的特征尤其是非常高的比能量和极其小的自放电。这样的电池的锂离子电池单元具有至少一个正电极和至少一个负电极(阴极或者阳极)，锂离子能够可逆地插入(嵌入)或者又脱出(脱嵌)。此外，锂离子电池单元包括至少一个隔离物，其使得所述正电极和负电极不仅在空间上、而且在电气上彼此分隔。为了锂离子在所述电极内的嵌入或者脱嵌，需要锂离子导体。该锂离子导体以液体电解质的形式提供。在此，在所使用的隔离物内的孔隙容许电解质渗入所述隔离物中，使得离子能够穿过所述隔离物。

为了制造锂离子电池单元，构造一种原电池，该原电池具有一种包括负电极、正电极以及所述两个电极之间的隔离物的层结构。所述负电极、所述隔离物和所述正电极能够相互卷绕或者以相互堆叠的形式存在。所述正电极和所述负电极与向外建立电气连接的导电体接触。由此构成的原电池用电解质灌注并且被封装入包封内。例如采用铝复合薄膜作为包封。被包封的电池单元由于其柔软的包封因此也被称作软包或者软包装。坚硬的金属壳体也被用作为壳体，例如以被深冲的或者流动旋压的壳体件的形式。在这种情况下，谈及硬壳体或者硬壳。

由DE 102 55 121 A1已知一种用于电池单元的隔离物。所述隔离物包括柔性的、穿孔的载体和填充所述载体的穿孔的多孔陶瓷材料。陶瓷材料适用于容纳离子传导的电解质，并且为了避免产生枝晶，包括第一平均孔径尺寸的第一个多孔层，该层接触所述电池单元的第一电极，以及包括第二平均孔径尺寸的第二多孔层，该层接触所述电池单元的另外的电极。所述第二多孔层的第二平均孔径尺寸小于所述第一多孔层的第一平均孔径尺寸。

在由现有技术已知的电池单元中，如图1中所示，正电极、隔离物和负电极相互堆叠放置。所述隔离物用电解质灌注，并且容许离子在所述两个电极之间流动。在此，所述隔离物具有突出的区域，所述区域从所述电极上突出。这一突出的区域是必要的，以便确保所述两个电极的可靠分隔。在此，离子可借助所述电解质在整个被所述隔离物填满的区域内流动。因此，在所述电极的边缘区域中，为离子传导提供了比在所述层结构的内部区域内更大的区域，使得边缘区域内的离子流提高。离子沿着其流动的电流路径在图1中通过连续的线条来标示。不均匀的离子流是不利的，因为在提高的离子流密度的区域内出现所述电极的局部过载。在锂离子电池单元的情况下，这是尤其有问题的，因为这在提高的离子流密度的区域内可能导致锂的沉积，这影响电池的安全性。

这样的枝晶化的、例如锂的沉积或者沉淀例如在电池单元充电时或者由于例如在制造过程中进入所述电池单元内的金属的污染产生。这种沉积垂直于阳极作为枝晶在所述阳极上生长，并且可在空间上穿透后面的元件、例如被布置在所述阳极与所述阴极之间的隔离物或者从其中生长出来。这大多导致具有相应安全风险的内部短路。尤其是在原电池的边缘区域内、即在所述隔离物的多孔区域以外的区域内或者在并非直接位于所述电极之间的区域内，例如可接触到例如导电体、如铝或铜的游离金属，使得存在以下风险，即：少量污染就已经触发低阻抗的短路。这些污染在上述边缘区域内特别关键，因为在此所述导电体例如有些位置并未涂覆活性材料涂层并且由此出现与所述导电体的涂有活性材料的区域相比更高的电流，这些更高的电流可能导致短路。例如可通过禁止这些杂质金属、例如铜离子的离子流的方式，来避免枝晶的生长。

因此期望的是，实现遍布所述电极的尤其是整个活性面的均匀离子流并且在位于两个电极之间的区域以外的区域内禁止离子流。

技术实现要素：

提出了一种原电池，包括正电极、负电极以及被灌注有电解质且被布置在所述正电极与所述负电极之间的多孔隔离物，其中所述隔离物具有多孔的区域，该多孔的区域与所述正电极和所述负电极的活性面基本一致，并且其中所述隔离物在所述多孔区域以外具有以下区域，在该区域内，该区域的孔隙通过所述隔离物基于热效应的熔融而被封闭，使得所述正电极与所述负电极之间的通过电解质的电流路径仅在该一致的区域内延伸。

这要这样来理解，即所述隔离物仅在所述多孔区域以外的区域内被加温、变暖或者被加热并且熔融，但并不是在所述多孔区域内。热效应也应该被理解为一种加温或者一种加热。因此，概念“热”是指以下温度，在该温度下，所述隔离物变软，开始熔融或者熔融。

在此，所述原电池的正电极位于所述隔离物的一侧和/或与其连接，并且所述负电极在此位于所述隔离物的另一侧和/或与其连接。在此，选择所述隔离物的几何尺寸，使得所述隔离物从所述电极上突出。所述两个电极尤其是被布置在所述隔离物的相反的侧上，使得两个电极尽可能精确地彼此相对。

所述隔离物在一个区域内被实施为多孔的，其中所述多孔的区域基本一致与所述正电极和负电极的活性面重叠。所述电极的活性面指的是所述电极的电活性区域，即涂覆有活性材料的区域。所述隔离物的多孔区域灌注有电解质，使得可离子传导。在此在所述两个电极之间产生离子沿其流动的电流路径。

所述正电极(阴极)例如包括载体、尤其是由铝构成的薄膜，将活性材料、例如不同锂金属氧化物的组合施加到该薄膜上。

所述负电极(阳极)例如包括载体、尤其是由铜构成的薄膜，将例如基于天然石墨和/或人造石墨的活性材料施加到该薄膜上。

电解质例如是溶于无环碳酸盐(例如乙基甲基碳酸盐、碳酸二甲酯或碳酸二乙酯)或者环状碳酸盐(例如碳酸乙酯或碳酸丙酯)的六氟磷酸锂(LiPF₆)、高氯酸锂(LiClO₄)、六氟砷酸锂(LiAsF₆)或四氟硼酸锂(LiBF₄)。

在所述原电池充电或放电时，锂离子经过所述电解质从一个电极向另一个电极流动，其中所述电解质穿透所述隔离物的多孔区域。因为只有与所述电极的活性面基本一致的区域是多孔的，所以不存在以下边缘区域，在所述边缘区域中提供了比层结构中心区域中更多的电解质以用于离子传导。离子沿其流动的电流路径现在均匀地分布。

为了所述两个电极与所述隔离物的多孔区域一致，优选的是，所述隔离物的多孔区域与所述正电极和所述负电极的活性面一致地重叠直至误差小于0.1mm。

偏差越大，对边缘区域内的附加电流路径的抑制就越小。在此，抑制仍足够好的最大容许偏差取决于所述原电池的化学系统和运行条件，尤其是取决于电流强度。

在此，热或者说能量通过激光、尤其是红外激光(IR激光)产生。替代地，热通过加温的环境产生，例如加温的表面、尤其是加温的金属表面。另外替代地，所述加温的表面例如可包括陶瓷、塑料、玻璃和/或其他材料。

所述隔离物的材料例如包括聚烯烃、尤其是聚丙烯和/或聚乙烯、氟化聚烯烃、聚酰亚胺、聚酰胺、烷烃、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯和/或聚对苯二甲酸乙二醇酯。尤其优选聚烯烃。

为了降低离子流的局部峰值，也可设想，所述正电极或负电极的几何尺寸实施得比分别另外的电极的几何尺寸更小。在此，阳极例如比阴极每边宽直至3mm。

此外，提出了一种电池，所述电池包括至少一个如上所述的原电池。这种电池可根据实施变型被实施为汽车电池、设备电池或者被实施为固定工业电池。

此外，提出了一种用于制造原电池的方法，包括以下步骤：

a)提供隔离物，其中该隔离物是多孔的，使得电解质能够渗入，并且隔离物的尺寸大于第一电极和第二电极的活性面的尺寸；

b)通过封闭所述隔离物的在多孔区域以外的孔隙来产生多孔区域，其中所述隔离物在所述多孔区域以外被加热，使得该隔离物在所述多孔区域以外熔融，由此所述隔离物在所述多孔区域以外的孔隙被封闭，

其中所述多孔区域被布置成，使得该多孔的区域与所述正电极和负电极的活性面基本一致，使得所述正电极与所述负电极之间的经过电解质的电流路径仅能够在一致的区域内延伸。

在方法的第一步骤a)中，提供所述隔离物。在此，选择所述隔离物的尺寸，使得其大于所述电极的活性面。所述隔离物的材料是多孔的，使得电解质能够渗入。所述电解质在完成的原电池中是离子导体，离子能够通过该离子导体从一个电极转移到另一个电极。所述隔离物本身是电绝缘的，使得所述隔离物在空间上和电气上彼此隔离所述两个电极。

在方法的第二步骤b)中，在所述隔离物内产生多孔区域。为此，所述隔离物在所述多孔区域以外的孔隙被加热或加温，使得该隔离物在所述多孔区域以外熔融并且由此在所述多孔区域以外的区域内的孔隙被封闭。熔融在这里例如被理解为，所述隔离物在所述多孔区域以外的区域内变软，并且孔隙被填满并且由此被封闭。

在另一步骤c)中，所述第一电极、所述隔离物和所述第二电极相互堆叠和/或相互卷绕，后者得出例如所谓的果冻卷。这一步骤例如跟随着步骤b)。替代地，步骤c)例如在步骤a)和步骤b)之间进行。

所述第一电极在此例如为正电极(阴极)。这一电极在一种实施方式中可包括铝膜作为载体材料，该载体材料已经涂覆有基于不同锂金属氧化物的组合的活性材料。所述第二电极例如为负电极(阳极)。锂电池单元的阳极例如可以通过给铜载体薄膜涂覆基于天然和/或人造石墨的活性材料来获得。

在一种实施方式中，所述隔离物与所述电极相连接，使得所述隔离物位于所述电极之间。这例如可以通过压紧来实现。替代地，这些组件仅被相互堆叠并且必要时相互卷绕。所述第二电极的活性面的几何尺寸基本相应于所述多孔区域的尺寸。

在另外的制造步骤中，所述第一和第二电极电气接触，并且通过步骤a)、b)或者a)、c)、b)或者a)、b)、c)产生的层结构利用包封封闭。最晚在封闭包封前不久填充电解质，使得所述隔离物被灌注该电解质。例如使用锂导电盐、溶于有机溶剂的六氟磷酸锂(LiPF₆)作为电解质。

优选地选择所述隔离物的多孔区域的位置和大小，使得所述电极的活性面与所述隔离物的多孔区域一致地重叠直至误差小于0.1mm。同样，所述两个电极在隔离物内的连接优选实施成，使得所述隔离物的多孔区域与所述正电极和所述负电极的活性面一致地重叠直至误差小于0.1mm。

所述隔离物的材料例如包括聚烯烃、尤其是聚丙烯和/或聚乙烯、氟化聚烯烃、聚酰亚胺、聚酰胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。尤其优选聚烯烃。

所述隔离物在所述多孔区域以外例如借助激光、尤其是红外激光来加热。

替代地，借助加温的环境、例如加温的表面，尤其是加温的金属、陶瓷、塑料或者玻璃表面来产生所述多孔区域以外的隔离物。在此，所述隔离物在所述多孔区域以外的区域例如被引导到升温的表面上，使得所述隔离物在所述多孔区域以外的区域被加温或加热并且其孔隙封闭。所述加温的表面例如是滚筒，尤其是金属滚筒。

替代地，加温的表面一侧或两侧地被短时地靠置到或者按压到所述隔离物上。

在另一种特别有利的实施方式中，所述加温的环境、例如加温的表面具有至少一个升温的区域，所述隔离物在所述多孔区域以外的区域经由该区域来加热，并且所述加温的环境、例如加温的表面附加地具有至少一个冷却的区域，所述隔离物的多孔区域经由该冷却区域来冷却。为此，所述隔离物例如被引导到所述加温的表面上。所述加温的表面例如是滚筒，尤其是金属滚筒，其表面局部被加热和冷却。替代地，所述隔离物被引导到至少两个滚筒、尤其是三个滚筒上，其中所述隔离物的多孔区域被引导到其上的滚筒被冷却并且所述隔离物在所述多孔区域以外的一个或多个区域被引导到其上的一个或多个滚筒被加温或被加热。在此，例如可以在所述冷却滚筒的两侧布置加温的滚筒。

替代地，所述加温的表面一侧或两侧地被短时地靠置到或者按压到所述隔离物上。

另一种实施方式规定，例如在所述隔离物在所述多孔区域以外的区域借助激光加温或加热以便这一区域内的孔隙被封闭的同时，所述隔离物的多孔区域被冷却。

本发明的优点

在所提出的原电池中，使用了一种多孔的隔离物，其仅仅在所述正电极和所述负电极尤其是一致重叠的区域内可由离子传导的电解质通过。由于所述隔离物在所述多孔区域以外的区域内的孔隙被封闭，避免了在所述电极的边缘区域内可为离子产生比该结构中心区域内更多的电流路径。所述离子流由此均匀地在所述两个电极之间延伸，避免了局部地在边缘处出现的峰值。另外，在此有利的是，阻止了污物、例如在所述阴极的正电位上溶解的铜颗粒在所述原电池的边缘区域内、即在所述隔离物的多孔区域以外的区域内或者说在并非直接位于电极之间的区域内作为离子流向阳极转移并且在那里被还原。这样的还原例如可能导致低阻抗枝晶，其例如可生长至阴极并且由此导致内部短路。借助本发明，所述原电池或者所述电池的安全性由此明显得以提高。

通过均匀的离子流阻止了，在具有高离子流的区域内发生电极的局部过载，由此锂可能沉积，尤其是以枝晶的形式，并且电池的安全性将受到影响。

在本发明的一种实施方式中有利的是，所述两个电极之一的几何尺寸被选择为小于另一个电极的几何尺寸，因为由此不必放弃所述电极的活性面，使得所提出的解决方案不影响所述原电池的能量密度。

在另一种实施方式中有利的是，热效应借助激光来进行，因为所述隔离物的相应区域的受热时间很短，并且该工作步骤由此能够非常快速地进行。此外，借助激光能够非常精确地来调节，所述隔离物的哪个区域被加热。

此外特别有利的是，热效应借助IR激光来进行，因为借助这种激光实现高精度的聚焦并且另外IR激光易维护且近似无磨损地工作。

在另一种特别优选的实施方式中有利的是，所述加温的环境、例如加温的表面具有至少一个升温的区域，所述隔离物在所述多孔区域以外的区域经由该升温的区域来加热，并且附加地具有冷却区域，所述隔离物的多孔区域经由该冷却区域来冷却。在此有利的是，通过这种方式实现了所述隔离物的多孔区域与所述隔离物在多孔区域以外的区域之间非常准确的分隔。

附图说明

其中：

图1示出根据现有技术的原电池；以及

图2示出根据本发明的原电池的第一种实施方式；

图3示出根据本发明的原电池的第二种实施方式；

图4示出根据本发明的原电池的第二种实施方式的一种变型。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的原电池1。所述原电池1包括具有正电极8、隔离物2和负电极10的层序列。所述正电极8以其活性面9与所述隔离物2相连接或者紧贴在该隔离物上，所述负电极10又以其活性面11与所述隔离物2相连接或者紧贴在该隔离物上。

所述正电极8包括例如铝膜作为载体，基于不同锂金属氧化物的组合的活性材料被施加到该铝膜上。所述负电极10例如是铜膜，基于天然石墨和/或人造石墨的活性材料被施加到该铜膜上。

所述隔离物2的材料例如是聚烯烃，并且具有大量孔隙，电解质能够通过这些孔隙渗入所述隔离物2中。所述电解质例如是溶于有机溶剂的锂导电盐，例如六氟磷酸锂(LiPF₆)。所述隔离物2本身是电绝缘体，使得所述隔离物不仅在电气上、而且在空间上将所述正电极电极8与所述负电极10隔离。

因为所述隔离物2被灌注电解质，所以该隔离物对于离子而言是可传导的，使得在锂离子电池的情况下，锂离子能够从一个电极(8，10)流至另一个电极。在此产生离子流，该离子流在图1中以电流路径12来标示。在此，边缘区域16内的离子流比所述正电极8和所述负电极10在其中一致重叠的一致区域14内的更大。边缘区域16内的提高的离子流是由于，在边缘区域16内与一致区域14内不同地提供了附加的用于离子传输的电解质，并且阻碍离子流的电阻由此更小。在所述边缘区域16内更高的离子流在图1中通过更密的电流路径12来标示。

由于在所述边缘区域16内提高的离子流，在所述电极8、10的边缘处能够发生局部的过载，在过载时锂沉积。这是所不期望的，因为负面地影响电池的安全性。

图2示出了根据本发明的原电池1的第一种实施方式。所述原电池1如参考图1描述的那样包括具有正电极8、隔离物2和负电极10的层序列。

所述隔离物2是多孔材料，其将所述正电极8在电气上和空间上与所述负电极10隔离。通过所述孔隙，电解质能够渗入所述隔离物2中，以便能够实现所述两个电极8、10之间的离子传导。

在图2中所示的实施方式中，在所述边缘区域16内，所述隔离物2的孔隙由于热效应被封闭，使得形成不可渗透的区域6，电解质不能渗入该区域6中。在此，所述隔离物例如变软，使得在所述多孔区域以外的区域内的孔隙被填满。这种热效应例如借助激光、尤其是借助红外激光和/或借助加温的环境、例如加温的表面、尤其是加温的金属、陶瓷、塑料或者玻璃表面来实现。

所述不可渗透的区域6在此被布置成，使得形成与所述两个电极8、10的活性面9、11一致重叠的多孔区域4。离子流因此仅能够在一致的区域14内产生。离子沿其流动的电流路径12现均匀地分布在一致的区域14上，在所述电极8和10的边缘区域内没有出现离子流的峰值。因为通过这种方式没有出现局部的过载，所以改进了如此构成的原电池1的循环稳定性。

图3示出了根据本发明的原电池1的第二种实施方式。所述原电池1包括根据图2的组件，所述组件已经在对于图1和2的阐述中加以描述。所述正电极8包括例如铝膜作为载体8d，例如基于不同锂金属氧化物的组合的活性材料8b被施加到该铝膜上。在另一个区域8c内，所述载体8d并没有涂覆活性材料8b。在该位置，也被称作导电体的载体8d例如被构造得略长并且用于电气接触。

所述负电极10例如包括铜膜作为载体10d，基于天然石墨和/或人造石墨的活性材料10b被施加到该铜膜上。在另一个区域10c内，所述载体10d并没有涂覆活性材料8b。在该位置，也被称作导电体的载体8d例如被构造得略长并且用于电气接触。

与图2中所示的第一种实施方式不同，所述电极8、10并不具有相同的几何尺寸。

在图3中，所述正电极8具有比所述负电极10更小的几何尺寸。所述隔离物2的不可渗透区域6由此也局部紧贴在所述负电极10的活性材料10b上。替代地，所述负电极10也可具有比所述正电极8更小的几何尺寸。

在图4中示出了根据图3的原电池的一种变型，其中所述正电极的载体8d或导电体例如由于制造公差也在没有电气接触的侧上被构造得更长，使得所述载体8d具有未被涂覆活性材料8b的区域100。替代地或附加地，所述负电极的载体10d也可具有这样的附加的未被涂层的区域。

正是在所述载体8d或10d的这样未被涂层的区域100内，所述隔离物2的在所述隔离物2的多孔区域4以外的不可渗透的区域6负责：在这里不能形成更高的必要时可能导致短路的电流。由此也确保了，污物、例如铜颗粒或铝颗粒不能在所述边缘区域16内向所述负电极10转移。

本发明并不受限于这里所述的实施方式以及其中强调的方面。更确切地说，在由本权利要求说明的范围内，多种变型是可以的，这些变型属于专业人员的处理范畴。