用于填充电化学电池的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于为形状和尺寸灵活的电化学蓄能器，如蓄电池(所谓的“袋装电池(Pouch-Zellen)”)受控地填充可能腐蚀性的电解质液体(下面也简单地称为“电解液”)的方法，该电解质液体以有机溶剂为基础，该方法没有电解质液体污染膜袋或者工作环境的风险并且没有在膜袋的内部残留气泡的风险。相对于现有技术的方法，该方法提供了重要的优点。特别是可以设定受控的压力条件并且使用密闭地分离的隔间，以便实现对袋装电池的电池体的不用强制性输送装置的填充。在本发明的特殊的实施方式中，蓄能器设计用于在此利用穿孔的电极薄膜来改善电解质容纳。
[0002]因此，本发明涉及在生产如蓄电池的电化学蓄能器的方法链中的工艺步骤。这涉及以下方法步骤，其中，在已经完全构造好的电池中填充电解质液体，以便电化学地激活电池并进而在阳极和阴极之间实现离子传输。
【背景技术】
[0003]以锂子技术为基础的如锂蓄电池、锂电池或者锂超级电容(后者是所谓的超级电容器的常用称谓，多数为具有高功率的双层电容器)的电化学蓄能器从九十年代开始逐渐成为了市场主流的电化学存储技术、特别是在耗电器应用中。高寿命下的高能量密度以及良好的负载能力都是其重要的优点。在耗电器应用中需要具有在几瓦时直至几十瓦时范围内的较小的蓄能量的电池。然而，对具有直至若干100瓦时的蓄能量的电池的需求强烈上升，这由于对例如用于电池驱动的电动汽车的大型蓄能系统的强烈上升的兴趣或者在中间存储由可再生能源产生的电能时而导致。大型电池的生产提出了对制造技术的新要求。锂蓄能电池的构造能够以不同的技术变体来实现。
[0004]最畅销的锂电池分为锂离子蓄电池和锂(离子)聚合物蓄电池。
[0005]锂离子电池由阳极和阴极的电极薄膜构成，二者通过分离器分开并且安装在刚性的金属壳体中。具有阳极或者阴极特性的活性层作为薄层沉积在通常闭合的金属薄膜上并且对于电池构建而言作为半成品存在。电极本身由活性颗粒的联合体构成，为了改善导电能力，该活性颗粒通常添加有导电炭黑。颗粒通过基于合成材料的粘合剂保持在一起。在此，其例如能够是具有或者不具有共聚物的不同链长的聚偏氟乙烯。水溶性粘合剂也越来越多地应用于例如由苯乙烯丁二烯橡胶和羧甲基纤维素的混合物中。已知的阳极材料例如是石墨、非晶形碳材料、硅、钛酸锂或者锌化合物。作为阴极材料特别地使用锂钴氧化物、锂镍钴铝氧化物、锂镍钴锰氧化物、磷酸锂锰、磷酸锂铁、磷酸锂钴、磷酸锂锰或者锂钒五氧化物(Lithiumvanadiumpentoxid)。其他的阳极和阴极材料对于本领域技术人员来说是已知的。分离器是电绝缘的薄层，例如聚合物膜，其特征在于高度的多微孔性并且可以具有陶瓷组分，该组分改善了利用电解质的润湿和分离器中的离子导电能力。电池中的必要的离子导电能力通过将精确计量的液态电解质数量添加到电池堆叠或者由阳极薄膜、阴极薄膜和分离器构成的卷中实现。电解质典型地涉及锂盐(所谓的导电盐)，其溶解在有机溶剂中或者两种或多种溶剂的混合物中。有机溶剂优选地涉及例如碳酸乙烯酯、碳酸丙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯或者碳酸甲乙酯的碳酸酯或者丁内酯。众多其他溶剂对于本领域技术人员来说是已知的。作为导电盐使用六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂或者双草酸硼酸锂。在此，其他的锂盐对于本领域技术人员来说也是已知的。电解质必须穿透过整个电池体。这通过在生产电极薄膜时通过工艺导引实现的多微孔性来实现，分离器同样必须具有多微孔性。液态电解质通过毛细力吸入到如此获得的微孔中。电解质在整个薄膜组合体中的良好且均匀的分布对于锂电池的功能必然是必需的。
[0006]锂离子聚合物电池根据相同的基本原理制造。然而，壳体不是刚性的金属壳体，而是通常涂覆有合成材料的金属薄膜，例如铝化合物薄膜，其经常也以概念“袋薄膜”来描述。因此，对于该技术变体而言也使用袋装技术或者咖啡包技术的概念。
[0007]为了在应用薄膜壳体时将液态电解质固定在聚合物电池中，在电极制造时经常使用粘合剂，其与液态电解质的溶剂完全地或者直至一定程度地胶结并进而粘合电解质。对于该技术变体而言，液态电解质的均匀分布对于电池的功能也是重要的。
[0008]电池或者构造为棱形电池或者圆柱电池。棱形电池具有矩形的外形。特殊的袋装电池通常具有棱形的轮廓。棱形电池的优点在于，能够改善导热，因为电池体积与电池表面积的比例有利于散热。因此，具有高蓄能量的特别大型的电池通常设计成棱形袋装电池。在圆柱形电池中，电极薄膜和分离器薄膜以卷绕的轮廓存在。
[0009]以袋装技术制造电池能够以堆叠或卷绕技术来实现。在卷绕技术中，三个薄膜(阳极薄膜、分离器薄膜、阴极薄膜)以这样的长度来缠绕，即达到电池的目标容量。当然，在此必须考虑，即内绕组的外电极薄膜和外绕组的内电极薄膜通过不导电的材料彼此分离。
[0010]在堆叠技术中，以必要的顺序上下重叠地放置如此多的薄膜片，直至达到该目标容量为止。当然，在此也适用对通过不导电材料分离阳极薄膜和阴极薄膜的要求。通过一个或者多个分离器分离的阳极薄膜和阴极薄膜与放电片或者另外的放电件焊接或者以特定的方式连接，以便能够由此实现将电流从待密闭地闭合的电池中导出。这种配置有放电片或者类似物的堆叠在后续的制造方法中利用袋装膜包(也被形容为袋)来封闭并且装填电解质。通常，电解质的良好情况是令人怀疑的并且对于微弱的潮湿迹象就已经很敏感了。通常，典型所应用的溶剂具有高的蒸汽压力。袋薄膜的特征在于，其必须一方面对于腐蚀性的盐是惰性的并且另一方面相对于侵蚀性的有机溶剂是惰性的并且能够借助热压粘合法来焊接。在制造蓄电池时，密闭地闭合袋装袋代表了对工艺技术的高要求，因为典型所应用的袋薄膜是弯折敏感的、易受到防腐蚀的合成材料层的损伤并且在薄膜的切断边缘处是没有腐蚀保护的。然而，满足这些要求的商业产品是能够购买到的。
[0011]在常见的制造方法中，电池体典型地利用放电片定向在袋薄膜封装之间并且通过三侧的封印来准备用于电解质填充。最后的一侧在电解质填充之后通过后续的封印步骤来闭合。
[0012]该方法具有一系列未充分解决的问题，尤其是在为袋装袋填充电解质的步骤期间，由此能够持续地消极影响蓄电池的工作能力、长寿命性和安全性。
[0013]在引入电解质液体时的问题例如在DE 102009057155A1中进行了描述。S卩，在此能够产生遗撒(Verschl印pung)或者液滴，其引起了电解质液体对电池表面的不期望的污染。例如与空气或者湿气结合时能够在电池的金属表面的一部分上产生腐蚀性的化合物。由此损害了电池的耐久性，而且既损害了周期强度(zykelfestigkeit)和也损害了按日历的使用寿命。因此应当抑制这类污染。此外，在袋装电池中，应当避免电解质液体与在外套体中的、通常在如上所述的膜袋中的随后的封印接缝的区域相接触，因为否则不能确保可靠且持久的密封。对电解质液体的简单的擦除和清洗是不够的，因为电解质液体通常由于毛细作用而已经能够渗入到所污染的组件的不能触及的区域中了。
[0014]WO 03/005464 A2描述了一种技术装置，其开启了通过填充接头来填充已经三侧闭合的电池。在此描述了通过强制引导电解质定量给料的降低了污染的填充，该定量给料借助输送泵来进行。该填充装置具有用于回收电解质和抽吸溢出的液滴量的装置。
[0015]DE 10 2009 057 155 Al实现了该技术的进一步发展。在该申请中重要的是，用于电解质定量给料的填充管轴向地由能调节的空心管围绕。由此应当进一步降低了在电解质定量给料时对电池周围环境的污染。
[0016]现代蓄电池通常利用闭合的金属薄膜作为电池薄膜基底来制造并且设计成大型的(这导致了大容量电池)，因为如此则在构造和将电池集成到相应的应用中时产生了优点。尽管如此也必须确保，电解质在填充电池时顺畅且可靠地渗入到电解质薄膜堆叠中并且完全地穿透和润湿该堆叠。电解质在此必须渗入到层的毛细孔中，对此，在出于成本原因而通常优选地应用闭合的放电薄膜时仅仅能够使用小的渗入横截面和待克服的长的扩散路径，见图3。此外，存在于毛细孔中的气体(通常是保护气体)必须挤出。尽管通过毛细作用力有利于使电解质渗入到层中，但是当电解质仅仅能够通过小的渗入横截面扩散到电池体中且此外分离器紧密与电极薄膜相连(例如通过层的有机组件的层压)时，这种挤压作用很小。
[0017]此时出现的困难导致了对所谓的真空电解质填充方法的研发，该方法在技术上全部基本上类似地构造。为此，在隔离的大气环境(例如手套式操作箱环境(Glovebox-Umgebung))中在保护气体环境下在能抽真空的腔室中提供一个或者多个部分闭合的、例如三侧闭合的预制的电池，并且电解质液体利用如WO 03/005464 A2或者DE 102009 057155 Al中示出的填充装置在电池的上边缘(顶端侧)处灌入到电池中。在此