專(zhuān)利名稱(chēng)：電池中經(jīng)改進(jìn)的放電結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于導(dǎo)出電池、例如鋰離子電池中的電能的經(jīng)改進(jìn)的放電結(jié)構(gòu) (Ableitestruktur)。尤其是，本發(fā)明涉及一種電極，該電極具有導(dǎo)電的載體箔，該載體箔具有用于連接到電路的連接區(qū)域，并且在所述電極中載體箔為了改進(jìn)經(jīng)由連接區(qū)域的放電而具有至少一個(gè)導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)元件，通過(guò)該結(jié)構(gòu)元件減小載體箔上的點(diǎn)與連接區(qū)域之間的電阻。
背景技術(shù)：
為了制造電池、例如鋰離子電池，在導(dǎo)電放電器上施加活性層。作為活性層例如可以在充當(dāng)放電器的載體箔上施加含石墨膏或者嵌入鋰的納米結(jié)晶非晶硅或者鋰混氧化物——如 Li4Ti5012、LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4、磷酸鐵鋰(LiFePO4)或二氧化錫(Sn02)。作為載體箔例如可以使用銅箔或者鋁箔。使用由例如鎳構(gòu)成的網(wǎng)或泡沫作為載體箔也是已知的。這樣涂層的載體箔被作為陽(yáng)極和/或陰極組裝成電池并且裝入到封裝中，其中在陽(yáng)極與陰極之間設(shè)置分隔件。在此，封裝可以實(shí)施為袋(Pouch，袋)，其中夾層狀地逐層(例如，陽(yáng)極-分隔件-陰極)放置并且一般構(gòu)造方形的包裝。替代地，可以卷起陽(yáng)極-分隔件-陰極單元，由此例如得到膝上型計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中已知的電池單元。用電解質(zhì)填充如此獲得的封裝。適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)例如是無(wú)水的、對(duì)質(zhì)子惰性的溶劑 (例如，碳酸亞乙酯、碳酸二乙酯等等)中的鹽(如同樣適合的有由聚偏二氟乙稀(PVDF)或者聚偏二氟乙稀-六氟丙烯(PVDF-HFP)以及Li3PO4N氮磷酸鋰構(gòu)成的聚合物。這些既可以以液態(tài)形式也可以作為膠狀物或固態(tài)存在和引入。可以通過(guò)必須具有對(duì)于待處理電流強(qiáng)度而言足夠的橫截面的導(dǎo)電放電器來(lái)接觸這樣的電池單元。對(duì)于高效的總系統(tǒng)而言，通常以高的布線開(kāi)銷(xiāo)將多個(gè)小電池單元連接在一起。替代地存在如下可能性為了避免這樣的布線開(kāi)銷(xiāo)，制造相應(yīng)大面積的電極。現(xiàn)在，在這樣的電池的充電和放電時(shí)存在以下困難在電極的面中累加產(chǎn)生的電流從電極的所有區(qū)域在放電器的方向上流動(dòng)。由此，在放電器的方向上電極中的電流密度連續(xù)升高。電流傳導(dǎo)往往導(dǎo)致?lián)p耗，所述損耗體現(xiàn)為電池的局部發(fā)熱。尤其是在理想裝置中的缺陷位置——例如不均勻的涂層、層中的過(guò)大顆粒、電極的不均勻壓緊等等——還引起電極中的不均勻電流。因此可能出現(xiàn)電池的局部過(guò)熱或區(qū)域狀過(guò)熱，所述過(guò)熱可以導(dǎo)致電池的提前老化、容量損失或者熱損壞。

發(fā)明內(nèi)容
利用當(dāng)前的發(fā)明提出一種電極——尤其是用在電池中，所述電極具有導(dǎo)電的載體箔，該載體箔具有用于連接到電路上的連接區(qū)域，其特征在于，所述載體箔為了改善經(jīng)由連接區(qū)域的放電而具有至少一個(gè)結(jié)構(gòu)元件，該結(jié)構(gòu)元件具有比導(dǎo)體箔提高了的導(dǎo)電能力，通過(guò)該結(jié)構(gòu)元件減小載體箔上的點(diǎn)與連接區(qū)域之間的電阻。令人驚訝地已經(jīng)證實(shí)通過(guò)設(shè)置這樣的結(jié)構(gòu)元件可以顯著地減小或者甚至避免電池的局部過(guò)熱或區(qū)域狀過(guò)熱的危險(xiǎn)。導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)在可自由選擇的優(yōu)選方向上提高電極的導(dǎo)電能力，從而可以在尤其大的電極面上將電壓降保持得小。局部缺陷的影響也大大減小，因?yàn)橥ㄟ^(guò)所述結(jié)構(gòu)元件充分確定規(guī)格的電流路徑可以截獲電流尖峰。在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的適當(dāng)構(gòu)造中，同樣可以影響電極中的溫度場(chǎng)。載體箔中的溫度傳導(dǎo)能力通常較小。通過(guò)載體箔上的根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)可以使電極中的溫度分布開(kāi)，只要所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為具有高導(dǎo)熱能力的結(jié)構(gòu)。另一優(yōu)點(diǎn)在于，可以使用具有更小導(dǎo)電能力或厚度的箔。在傳統(tǒng)的箔中，必須如此選擇箔的厚度，即使得在連接放電器以前箔的厚度已經(jīng)足夠限制電流。在電極的任意表面區(qū)域中積累等量的電流。但放電器僅僅設(shè)置在電極的確定區(qū)域中，從而箔在放電器附近也必須傳輸在遠(yuǎn)離放電器的表面區(qū)域中積累的電流量。在電極表面的理論平分(Halbierimg) 的情況下，承載放電器的那一半表面的厚度必須是另一半表面的厚度的兩倍，以便可以確保充分的電流傳輸。因此在實(shí)踐中整個(gè)平面地使用相應(yīng)地規(guī)格確定為更大的箔厚度，以便避免連接區(qū)域中的電流限制。這可能對(duì)于例如用于計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域中的較小電池單元而言不是很重要，但對(duì)于例如用作汽車(chē)領(lǐng)域中的驅(qū)動(dòng)電池的大電池單元而言不可忽略，因?yàn)橛纱颂岣吡酥亓浚惶峁└蟮拇鎯?chǔ)器容量。在本發(fā)明的一個(gè)擴(kuò)展方案中，導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)元件通過(guò)柵格狀或脈狀的線路元件和/ 或?qū)щ姷妮d體箔的厚度的漸變過(guò)程形成。在本發(fā)明的另一擴(kuò)展方案中，結(jié)構(gòu)元件借助于印刷技術(shù)和/或借助于接合技術(shù)電鍍地施加到載體箔上。電鍍施加意味著在載體箔的表面上沉積金屬層。這既可以自催化地實(shí)現(xiàn)也可以在施加作為直流電流或脈沖電流的適當(dāng)?shù)某练e電流的情況下實(shí)現(xiàn)。原理上，在此可以使用印刷電路板制造領(lǐng)域中已知的所有電鍍方法來(lái)施加所述結(jié)構(gòu)。在此，可以以任意厚度來(lái)沉積所述結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，以5 μπι至500 μ m之間的厚度沉積所述結(jié)構(gòu)。具有這樣厚度的沉積層一方面保證了所述結(jié)構(gòu)的足夠的導(dǎo)電能力，另一方面可以將由于結(jié)構(gòu)而施加的重量保持得小。在這樣的情形中可以形成所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的合適材料例如是銅、鈀、銀、金、錫或者這些金屬與其他金屬的合金。除純粹施加方法以外，也可以使用蝕刻方法，其中首先將金屬層施加到載體箔上， 隨后在必要時(shí)借助于光阻和掩膜對(duì)該金屬層進(jìn)行結(jié)構(gòu)化、重新蝕刻。同樣可以規(guī)定，例如借助于光阻和掩膜在例如銅箔上施加合適的結(jié)構(gòu)并且在去除步驟(蝕刻步驟)中從載體箔蝕刻掉多余的材料。由此減小了載體箔的重量并且同時(shí)構(gòu)造出導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)元件。但也可以利用現(xiàn)今在印刷電路板制造領(lǐng)域中同樣已知的印刷技術(shù)在載體箔上施加所述結(jié)構(gòu)。在此，尤其是如絲網(wǎng)印刷、移印、刮印、膠印、噴鍍、旋涂或蓋印的方法是合適的。作為材料在此可以使用導(dǎo)電墨或者導(dǎo)電聚合物。在本發(fā)明的另一擴(kuò)展方案中可以規(guī)定，使用印刷技術(shù)和電鍍沉積的組合來(lái)構(gòu)造導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)元件。在此，在第一步驟中借助于印刷技術(shù)將結(jié)構(gòu)施加到箔上，在另一方法步驟中借助于沉積電流電鍍地在所述結(jié)構(gòu)上鍍上金屬。由此在載體箔上相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)足夠?qū)щ姷慕Y(jié)構(gòu)元件。此外，也可以借助于接合技術(shù)將導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)施加到載體箔上。在此單獨(dú)地預(yù)制導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)并且隨后將其接合到載體箔上。在這里，例如如在使用導(dǎo)電粘合劑情況下的粘接、 熔焊、釬焊、壓緊或壓入的技術(shù)是適合的。在本發(fā)明的另一擴(kuò)展方案中，載體箔是由銅、鋁、鎳或這些金屬中的至少一種的合金構(gòu)成的箔、網(wǎng)或泡沫。在本發(fā)明的另一擴(kuò)展方案中，通過(guò)接合到載體箔上的另外的箔形成導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)元件，該另外的箔至少在載體箔的部分區(qū)域上延展，尤其是在放電器周?chē)膮^(qū)域中延展。尤其是可以根據(jù)本發(fā)明規(guī)定，通過(guò)以下方式將多個(gè)箔接合在一起來(lái)構(gòu)成載體箔，即得出從載體箔的遠(yuǎn)離放電器的端部至放電器的載體箔的整個(gè)厚度的漸變過(guò)程。在此，電阻從遠(yuǎn)離的端部至放電器逐漸減小。在本發(fā)明的另一擴(kuò)展方案中規(guī)定，將導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)元件施加到第一載體箔上并且將另一載波箔施加到設(shè)有導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)元件的第一載體箔上，從而形成夾層結(jié)構(gòu)。在此，將載體箔和導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)元件導(dǎo)電地接合在一起，例如通過(guò)利用導(dǎo)電的粘合劑的粘接或通過(guò)焊接。 例如在此可以在兩個(gè)銅載體箔之間嵌入作為導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)元件的金線。此外，利用本發(fā)明提出一種電池，該電池具有如以上所述構(gòu)造的電極作為陽(yáng)極和/ 或陰極。尤其是提出鋰離子電池，其至少作為陽(yáng)極具有如以上所述的根據(jù)本發(fā)明的電極。此外，利用本發(fā)明提出一種用于制造電池的方法，至少具有以下步驟 -提供具有連接區(qū)域的導(dǎo)電的載體箔；
-在所述載體箔上施加具有提高的導(dǎo)電能力的至少一個(gè)結(jié)構(gòu)元件(4)； -在設(shè)有結(jié)構(gòu)元件的載體箔上施加活性層，其中結(jié)構(gòu)元件與連接區(qū)域?qū)щ姷剡B接以構(gòu)成電極；
-將至少兩個(gè)電極接合在一起以構(gòu)成電池堆(Batteriestapel)，其中電極分別交替地實(shí)施為陽(yáng)極和陰極并且在各個(gè)電極之間設(shè)有分隔件；
-將相應(yīng)的陽(yáng)極和陰極彼此電連接，以構(gòu)成電池的負(fù)極和正極。具有根據(jù)本發(fā)明的電極或根據(jù)本發(fā)明的方法制造的電池可以尤其有利地用作汽車(chē)領(lǐng)域中的驅(qū)動(dòng)電池。


以下根據(jù)附圖和示例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。圖1示出電池組的一般結(jié)構(gòu)；
圖2示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電池電極中的電流； 圖3示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電池電極中的溫度分布； 圖4示出在存在缺陷位置時(shí)根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電池電極中的溫度分布； 圖5示出根據(jù)本發(fā)明的具有導(dǎo)電結(jié)構(gòu)元件的電池電極； 圖6示出根據(jù)本發(fā)明的具有載體箔的電池電極，該載體箔具有漸變過(guò)程。
具體實(shí)施例方式圖1示出電池組的一般結(jié)構(gòu)。該電池組由通過(guò)分隔件7彼此分開(kāi)的陽(yáng)極IA和陰極 IK組成。分隔件7的作用是電絕緣，但對(duì)于離子而言是可穿過(guò)的。用作分隔件7的適當(dāng)材料例如是微孔的塑料、玻璃纖維網(wǎng)或者聚乙烯網(wǎng)。陰極IK和陽(yáng)極IA由載體箔2和所施加的陰極材料或陽(yáng)極材料構(gòu)成。作為載體箔2例如可以使用銅箔、鎳箔或鋁箔。作為陰極材料例如可以使用鋰混氧化物(如Li4Ti5012、LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4)或者磷酸鐵鋰(LiFePO4)15 作為陽(yáng)極材料例如可以使用含石墨膏、納米結(jié)晶非晶硅或者二氧化錫(Sn02)。電極1具有充當(dāng)放電器的連接區(qū)域3，通過(guò)該連接區(qū)域?qū)崿F(xiàn)電極1與電路的電接觸。陽(yáng)極1A、陰極IK 和分隔件的所示順序可以?shī)A層狀地重復(fù)，以便實(shí)現(xiàn)更大功率的電池單元。電池單元借助于電池封裝與環(huán)境隔離。圖2概略地示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電池的電極1內(nèi)的電流，在這里針對(duì)陽(yáng)極示出。在電極面中產(chǎn)生或者積累的電子流由箭頭9表示。在陽(yáng)極的情形中，電流從該面朝著連接區(qū)域3的方向流動(dòng)，在陰極的情形中相應(yīng)相反地從連接區(qū)域3朝著電極面的方向流動(dòng)。在放電器3附近具有提高的電流密度，因?yàn)楸仨毻ㄟ^(guò)該區(qū)域——類(lèi)似于瓶頸——引導(dǎo)電極1的全部電功率。圖3示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電池電極中的溫度分布。隨著距連接區(qū)域3越來(lái)越近， 等溫線10的密度提高。在連接區(qū)域3附近提高的電流密度由于電極1的電阻而導(dǎo)致該區(qū)域中增強(qiáng)的熱輻射，該熱輻射在極端情形中可以導(dǎo)致電池的熱過(guò)載。在這樣的熱過(guò)載的情況下，可能出現(xiàn)電解質(zhì)的熱損壞、電極材料的熱損壞或者載體箔的熱損壞，這可能導(dǎo)致電池單元的功能的全部喪失。如在圖4中所示，尤其是在電極1中存在缺陷位置11時(shí)，可能也出現(xiàn)電極面內(nèi)的熱效應(yīng)。這樣的缺陷位置11例如可以由于以活性材料不均勻地對(duì)載體箔2涂層、活性材料中過(guò)大的顆?；蛘唠姌O1不均勻地壓緊分隔件7而出現(xiàn)。這樣的缺陷位置11也形成具有提高的電阻或提高的電流密度的區(qū)域，由此在那里可能出現(xiàn)熱效應(yīng)。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的具有導(dǎo)電結(jié)構(gòu)元件5、6的電池電極。在載體箔2上施加有柵格狀和/或脈狀導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)元件5、6。結(jié)構(gòu)元件5、6可以借助于印刷技術(shù)和/或借助于接合技術(shù)電鍍地施加到載體箔2上。通過(guò)脈狀和/或柵格狀地施加到載體箔2上的導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)元件5、6得出從電極面朝著連接區(qū)域3 (在陽(yáng)極的情形中)或者從連接區(qū)域3出發(fā)朝著電極面進(jìn)陰極的情形中)的高導(dǎo)電能力的路徑。由此避免在連接區(qū)域3附近的電流密度尖峰，由此又可以避免該區(qū)域中的熱負(fù)荷。因?yàn)閷?dǎo)電的結(jié)構(gòu)元件3除良好的導(dǎo)電能力以外通常也具有良好的導(dǎo)熱能力，所以結(jié)構(gòu)元件3也可以實(shí)現(xiàn)局部出現(xiàn)的熱尖峰的排出或分布， 從而一方面可以通過(guò)減小的電阻、另一方面通過(guò)局部出現(xiàn)的熱能分布到其他區(qū)域中來(lái)避免熱過(guò)載。因此，根據(jù)本發(fā)明既將電負(fù)荷也將熱負(fù)荷更均與地分布到電極1的整個(gè)面上。由此，不僅降低連接區(qū)域附近的負(fù)荷，而且也降低電極1中由于可能產(chǎn)生的缺陷位置而出現(xiàn)的點(diǎn)狀負(fù)荷。圖6示出根據(jù)本發(fā)明的具有載體箔2的電池電極1，該載體箔具有漸變過(guò)程12。載體箔2的漸變過(guò)程12在此根據(jù)本發(fā)明應(yīng)當(dāng)如下理解載體箔2的電阻和/或熱阻在朝著連接區(qū)域3的方向上減小。這例如可以通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)隨著距連接區(qū)域3越來(lái)越近，在載體箔2上施加具有低電阻的層。這可以如以上所述那樣借助于電鍍技術(shù)、印刷技術(shù)或接合技術(shù)實(shí)現(xiàn)。就此而言，在這樣的根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)中，導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)元件被構(gòu)造成面狀。在此尤其是可以規(guī)定，在載體箔2上隨著朝向連接區(qū)域3的距離減小相疊地接合更多箔層，其方式例如是，彼此粘接或焊接這些箔層。由此得出從電極1的邊緣區(qū)域直至連接區(qū)域3的電阻的逐漸減小的過(guò)程。根據(jù)本發(fā)明，此外還可以規(guī)定，為了產(chǎn)生導(dǎo)電能力的這種漸變過(guò)程， 將具有不同導(dǎo)電能力的箔接合成載體箔2，從而在電極1的邊緣區(qū)域中使用比連接區(qū)域3的周?chē)h(huán)境中具有更高電阻的載體箔。為此例如可以借助于粘接或焊接由相同材料——但是所述材料具有不同厚度——接合成箔。
權(quán)利要求
1.一種電極(1)，尤其是用在電池中，其中所述電極(1)具有導(dǎo)電的載體箔(2)，該載體箔具有用于連接到電路上的連接區(qū)域(3)，其特征在于，所述載體箔(2)為了改進(jìn)經(jīng)由所述連接區(qū)域(3)的放電而具有至少一個(gè)導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)元件(4)，通過(guò)所述結(jié)構(gòu)元件減小所述載體箔(2 )上的點(diǎn)與所述連接區(qū)域(3 )之間的電阻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述結(jié)構(gòu)元件(4)通過(guò)柵格狀或脈狀的線路元件 (5，6)和/或所述導(dǎo)電載體箔(2)的厚度的漸變過(guò)程形成。
3.根據(jù)以上權(quán)利要求之一所述的電極，其中結(jié)構(gòu)元件借助于印刷技術(shù)和/或借助于接合技術(shù)電鍍地施加到所述載體箔上。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求之一所述的電極，其中所述載體箔(2)是由銅、鋁、鎳或這些金屬中的至少一種的合金制成的箔、網(wǎng)或泡沫。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求之一所述的電極，其中所述結(jié)構(gòu)元件(4)通過(guò)接合到所述載體箔 (2)上的另外的箔形成。
6.一種電池，具有根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的電極(1)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池(5)，其中所述電池是鋰離子電池。
8.一種用于制造電池(5)的方法，至少具有以下步驟-提供具有連接區(qū)域(3)的導(dǎo)電的載體箔(2)；-在所述載體箔(2)上施加至少一個(gè)導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)元件(4)；-在設(shè)有所述結(jié)構(gòu)元件(4)的載體箔(2)上施加活性層(6)，其中所述結(jié)構(gòu)元件(4)與所述連接區(qū)域(3 )導(dǎo)電地連接以構(gòu)成電極(1)；-將至少兩個(gè)電極(1)接合在一起以構(gòu)成電池堆，其中所述電極分別交替地實(shí)施為陽(yáng)極和陰極并且在各個(gè)電極(1)之間設(shè)有分隔件(7 )；-將相應(yīng)的陽(yáng)極和陰極彼此電連接，以構(gòu)成所述電池的負(fù)極和正極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中借助于印刷技術(shù)和/或借助于接合技術(shù)將所述結(jié)構(gòu)元件(4)電鍍地施加到所述載體箔(2)上。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的電極在機(jī)動(dòng)車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)電池中的應(yīng)用。
全文摘要
電池中經(jīng)改進(jìn)的放電結(jié)構(gòu)。本發(fā)明涉及用于導(dǎo)出電池、例如鋰離子電池中的電能的經(jīng)改進(jìn)的放電結(jié)構(gòu)。尤其是，本發(fā)明涉及一種電極，該電極具有導(dǎo)電的載體箔，該載體箔具有用于連接到電路上的連接區(qū)域，并且其中所述載體箔為了改進(jìn)經(jīng)由所述連接區(qū)域的放電而具有至少一個(gè)導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)元件，通過(guò)該結(jié)構(gòu)元件減小所述載體箔上的點(diǎn)與所述連接區(qū)域之間的電阻。
文檔編號(hào)H01M4/70GK102403514SQ201110267249
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
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