本发明涉及一种锂离子电池，所述锂离子电池包括两个相互对置的极性不同的工作电极并且包括包含锂的储存电极，在所述工作电极之间在电解质腔中设置有将各工作电极彼此电子隔离的并且对于锂离子可渗透的隔离器，所述储存电极与电解质腔电子隔离地交换锂离子地接触，其中，借助将储存电极与所述工作电极中的至少一个工作电极连接的测量和控制电路可测量在储存电极与该工作电极之间的电压并且在储存电极与该工作电极之间可施加电压。
背景技术：
这样的锂离子电池由us7,726,975b2已知。
锂离子电池已知作为用于电子装置以及用于具有纯电气或混合驱动装置的机动车的现代的大功率蓄能器。锂离子电池的优点主要在于高能量密度和克服非常大数量的充电和放电周期的能力，锂离子电池的作用原理基于锂离子在两个工作电极之间在电解质中的移动，所述电解质自身不参与在工作电极上的电化学反应。锂离子电池的典型结构包括两个适合用于化合或插入锂离子的工作电极。为了防止在所述工作电极之间的电子短路，在位于工作电极之间的被电解质填充的电解质腔中设置有所谓的隔离器，该隔离器一方面实现工作电极之间的电子隔离，但另一方面可以允许锂离子通过。这样的高密度的离子流的通过是必需的，以便允许相应高的电池电流。典型地，隔离器一层或多层地由多孔的电气绝缘的聚合物材料构成、例如由聚乙烯或聚丙烯或其混合物构成，其中，如此设计多孔性，使得锂离子的移动尽可能仅受到小的限制。
已经被证实的是，锂离子电池在其寿命进程中经受显著的容量减小，其中，该效应在锂离子电池的早期寿命阶段比在更晚期的阶段中更强烈地出现。该容量减小的主要原因是在负电极与电解质之间构成有包含锂的中间层，该中间层对于本领域内技术人员来说也作为sei(＝固体电解质界面膜)已知。该中间层存储锂离子，这些锂离子于是不再用于电化学过程。此外已知不同的“消耗”锂的寄生反应，该锂于是不再用于电池运行。
由上述类型的文献已知的是，垂直于所述两个工作电极和隔离器将储存电极通过自身的隔离器耦合到电解质腔上。该储存电极完成两个任务。一方面可以将该储存电极用作参考电极，借助测量和控制电路可以测量参考电极与工作电极的电压差。由此，本领域内技术人员能够推导出关于电池的充电状态、特别是关于锂离子在工作电极上的当前的和可能的化合能力或插入能力的结论。由此特别是能够进一步确定最初在电池中存在的锂是否并且以何种规模从电化学过程中被分离出，这特别是可归因于上述效应。通过在储存电极与工作电极之间施加适合的电压，作为对应措施能够产生从储存电极经由测量和控制电路到工作电极的电子流，该电子流导致从储存电极经由其隔离器到工作电极的离子流。换言之，从储存电极将锂离子引入电解质腔中，于是该锂离子可以用于另外的电化学反应并且可以弥补在sei中被化合的或被寄生反应消耗的锂。以这种方式显著地延长了锂离子电池的寿命。
在该已知方案中不利的是，从储存电极到工作电极的不利的空间状况，该空间状况使得锂离子电池在常见规格中的紧凑结构变得困难。特别是锂离子电池以常见的堆叠或螺旋式布置方案的设计将会导致垂直于工作电极设置的储存电极必须非常小地设计，这与储存锂的相应小的容纳能力有联系。
任务提出
本发明的任务是改进这种类型的锂离子电池，使得即使在常见的电池布置方案中也有大的用于储存锂的储存能力可供使用。
技术实现要素：
该任务结合权利要求1的前序部分的特征通过如下方式解决，即，储存电极构成为多孔的并且设置在隔离器的两个电子隔离的并且对于锂离子可渗透的隔离层之间。
本发明的优选的实施方式是从属权利要求的技术方案。
按照本发明，储存电极集成在工作电极之间的隔离器中。换言之，在工作电极之间的隔离器一方面用作储存电极并且另一方面用作参考电极。
如上所述，对于锂离子电池的工作效率来说决定性的是，离子流在工作电极之间能够尽可能无障碍地流动。该目的利用常见的包括多孔隔离层的隔离器无问题地实现。本发明现在规定，隔离器由多个这样的隔离层构成，在各隔离层之间嵌入同样不阻止离子流的多孔的储存层。该储存层对隔离器的首要作用、即工作电极的离子可渗透的并且电子隔离的分离没有贡献。这也是不需要的，因为该任务以被证明的方式由隔离层实现。储存层仅提供锂并且不允许附加地阻止离子流，这能够通过储存层的(足够大的)多孔性实现。因此，对于储存电极来说，存在与对于每个工作电极来说大约相同的面积可供使用，从而在此能够存储巨大量的储存锂，在电池的寿命上能够以原则上已知的方式补充提供该储存锂以便弥补失去的锂。相应地，按照本发明的锂离子电池的总寿命也相对于现有技术延长。
当然需要的是，储存电极整体上是能导电的，因此能够实现到测量和控制电路上的功能连接。为此已经被证实为特别有利的是，储存电极包括能导电的聚合物材料，包含锂的涂覆材料被涂覆到该聚合物材料上。作为适合的能导电的聚合物材料例如已知聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩，它们在此单个地使用或优选混合地使用。作为包含锂的涂覆材料例如可以采用磷酸铁锂(lifepo4)。该材料特别是可以以纳米微粒的形式提供，能导电的聚合物层能用这些纳米微粒涂覆或者这些纳米微粒可以嵌入能导电的聚合物层中。lifepo4由于其在宽的工作范围(锂聚集范围)上提供恒定的电压的特性而对于在本发明的范畴内的应用是特别有利的。不过lifepo4的缺点是其较小的能量密度。对此，基于其较高的能量密度优选经典的锂金属氧化物、例如nmc(锂镍锰钴氧化物)。锂金属具有最高的能量密度，但锂金属不可在氧气处处理；然而只要在保护气体环境下处理锂金属，则锂金属在本发明的范畴内是绝对可用的。将包含锂的涂覆材料涂覆到能导电的聚合物层上的具体涂覆方法对于本发明是次要的。对于本领域内技术人员而言，在此除了已经提及的嵌入纳米微粒之外例如还已知汽化渗镀、喷涂、熔化和其他方法。
除了所述涂覆材料之外，原则上全部以如下方式包含锂的材料是适合的，即，通过在储存电极与所述工作电极中的一个工作电极之间施加电压可以将锂离子输出到电解质腔中。这些材料特别是也包括金属锂。
储存电极的聚合物材料和/或隔离层优选以多孔膜形式使用。这样的多孔膜例如可以构成为拉伸的薄膜。通过在拉伸薄膜时施加机械应力能在薄膜中产生大小可容易地调节的孔。
本发明另外的特征和优点从以下专门的说明和附图得出。
附图的简要说明
图1示出按照本发明的锂离子电池的示意图。
优选实施方式的详细说明
图1示出按照本发明的锂离子电池10的示意图。电池10包括负的第一工作电极12和正的第二工作电极14。在工作电极12、14之间存在被电解质填充的电解质腔16，该电解质特别是也吸收
如开头所阐述的那样，在电池10运行时、特别是在其第一充电和放电周期中可能在第一电极12与电解质腔之间产生中间层20的积聚，其中，锂离子在层20中嵌入并且被从电化学过程中带走。
为了弥补这样或者以其他方式失去的锂离子，隔离器18以特别的方式构造。因此，隔离器在示出的实施方式中包括两个外部的隔离层181，所述隔离层优选包括电子隔离的对于锂离子可渗透的聚合物、特别是聚乙烯或聚丙烯。隔离层在此优选构成为拉伸的薄膜。隔离层181导致工作电极12、14的电子分离。
在隔离层181之间设置有储存电极182，该储存电极在示出的实施方式中构成为能导电的聚合物层183，包含锂的涂覆材料184嵌入到该聚合物层中。例如，包含锂的涂覆材料184例如包括以嵌入的纳米微粒形式的磷酸铁锂。
储存电极182通过测量和控制电路22与工作电极12、14连接。测量和控制电路22构成使得利用该测量和控制电路可测量在储存电极182与工作电极12、14中的一个工作电极之间的电压(通过伏特表符号“v”表示)。此外可能的是，借助测量和控制电路22在储存电极18与工作电极12、14中的一个工作电极之间施加电压u。由此，经过测量和控制电路22的电子流能够从储存电极18被激发到工作电极12、14中的一个工作电极，这导致相应的从储存电极18到电解质腔16中的锂离子流。以这种方式能够弥补存储在中间层20中的锂。为此所需的电压可以根据水平和持续时间基于在储存电极18与工作电极12、14之间的先前的电压测量来确定，其中，储存电极18在此用作参考电极。
当然，在所述专门的说明中讨论的并且在图中所示的实施方式仅仅是本发明的解释性的实施例。对于本领域技术人员来说，基于本公开内容知晓宽泛的多种变型可能性。特别是本领域内技术人员可以完全改变储存电极的特定的构造方案。因此，例如也可想到如下实施方式，在这些实施方式中，导电的载体材料仅仅在单侧用包含锂的涂覆材料涂覆。
附图标记列表：
10锂离子电池
12第一工作电极
14第二工作电极
16电解质腔
18隔离器
181隔离层
182储存电极
183能导电的聚合物层
184包含锂的涂覆材料
20中间层
22测量和控制电路