本發(fā)明涉及一種原電池，其包括陽極、陰極和分離器。此外，本發(fā)明涉及一種包括這樣的原電池的電池組電池以及一種包括多個(gè)這樣的電池組電池的電池組。

背景技術(shù)：

鋰離子電池組尤其以非常高的比能量(spezifischeenergie)和極其少的自放電而出眾。鋰離子電池?fù)碛兄辽僖粋€(gè)正電極和至少一個(gè)負(fù)電極(陰極或陽極)，其中，在電池組的充電和放電期間，鋰離子從一個(gè)電極向另一個(gè)電極遷移。對(duì)于鋰離子的傳輸來說需要所謂的鋰離子導(dǎo)體。在目前使用的鋰離子電池(其例如在消費(fèi)者(consumer)領(lǐng)域(移動(dòng)電話、mp3播放器等)中或作為儲(chǔ)能器在電動(dòng)車輛或混合動(dòng)力車輛中被使用)中，鋰離子導(dǎo)體是液態(tài)電解質(zhì)，其經(jīng)常包含溶解在有機(jī)溶劑中的鋰導(dǎo)電鹽六氟磷酸鋰(lipf6)。鋰離子電池包括電極、鋰離子導(dǎo)體、將兩個(gè)電極彼此電分離和機(jī)械分離的分離器以及建立電端子(anschlüsse)的集流體(stromableiter)。

鋰離子電池可以被包圍在封裝(verpackung)中。例如使用鋁復(fù)合薄膜作為封裝。如此封裝的電池由于其軟的封裝也被稱為袋裝(pouch)或軟包(softpack)。除了軟包封裝設(shè)計(jì)之外，也使用堅(jiān)硬金屬殼體、例如以深沖或擠壓的殼體部分形式的堅(jiān)硬金屬殼體作為封裝。在這種情況下，談及堅(jiān)硬殼體或硬盒(hardcase)。

對(duì)于鋰離子電池的安全性來說決定性的是，排除在不同極性的電極之間的內(nèi)部短路，其中，同時(shí)暢通無阻的離子流動(dòng)必須是可能的。為此使用分離器，所述分離器使陽極以及陰極不僅在機(jī)械方面而且在電氣方面彼此絕緣，其中，穿過分離器的離子傳導(dǎo)是可能的。由塑料組成的有細(xì)孔的薄膜(folien)以及由玻璃纖維組成的無紡布材料主要地適合作為材料。同時(shí)，也使用由陶瓷組成的薄膜作為分離器，其中，所述薄膜是特別耐溫度變化的。

此外重要的是，鋰離子電池始終在允許的電壓范圍中被運(yùn)行。4.2伏特的最大充電電壓和2.5伏特的最小放電電壓分別不應(yīng)被超過和低于。如果發(fā)生鋰離子電池的過充電，也即超過4.2伏特的最大充電電壓，那么金屬鋰可能在陽極處堆積。于是，陰極材料變成氧化元素并且喪失其穩(wěn)定性。此外，在陽極處堆積的金屬鋰可能以樹枝狀結(jié)晶體(dendrit)形式在陽極處生長(zhǎng)，所述樹枝狀結(jié)晶體可能損壞分離器。因此發(fā)生鋰離子電池中的內(nèi)部短路。由于流動(dòng)的短路電流和鋰離子電池中的內(nèi)阻，鋰離子電池始終繼續(xù)生熱，由此可能發(fā)生火災(zāi)并且最壞情況下可能發(fā)生爆炸。這被稱為電池的熱失控(thermischesdurchgehen)。

由us2013/0017431a1已知用于鋰離子電池組的分離器。分離器包括膜，所述膜由帶有孔的精細(xì)編織物組成，所述孔具有0.1至5μm之間的大小。分離器此外包括具有熱塑性顆粒的覆層。經(jīng)由分離器中的孔可以進(jìn)行離子傳導(dǎo)。如果分離器被加熱超過預(yù)先給定的極限溫度，那么顆粒熔化并且至少部分地阻斷孔，使得對(duì)于離子流通過分離器的阻力(widerstand)升高至少50％。

由de10238945b4已知一種用于鋰電池組的具有關(guān)斷功能的分離器。分離器包括多孔的載體和由顆粒組成的關(guān)斷層(abschaltschicht)，所述顆粒在預(yù)先給定的溫度時(shí)熔化并且封閉分離器的孔。

在現(xiàn)有技術(shù)處不利的是，即使在使溫度情況正常化之后，分離器的離子傳導(dǎo)性也保持為減少的。因此，電池組(batterie)變得不能使用并且無論如何必須被替換。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

建議一種原電池，其包括陽極、陰極和分離器，該分離器將陽極和陰極彼此機(jī)械分離和電分離，其中，分離器被設(shè)立用于，在超過原電池的臨界溫度時(shí)，阻斷(blockieren)陽極與陰極之間的離子流，并且其中分離器被設(shè)立用于，當(dāng)溫度再次下降到臨界溫度以下時(shí)，再次釋放離子流。

這樣的原電池包括層堆疊，所述層堆疊以所述順序包括分配給陽極的集流體、陽極、分離器、陰極和分配給陰極的集流體。

集流體典型地被實(shí)施為金屬薄膜，其中對(duì)于分配給陽極的集流體，例如使用具有6μm和12μm之間的厚度的銅薄膜。對(duì)于分配給陰極的集流體，通常同樣使用金屬薄膜，其中例如使用具有13μm和15μm之間的厚度的鋁薄膜作為陰極?？商娲匾部稍O(shè)想的是，代替金屬薄膜，也給載體材料(例如塑料薄膜)配備金屬覆層。

電極包括活性材料混合物，其例如除了活性材料以外也包括另外的附加物，尤其是用以改善傳導(dǎo)性。

在陰極的情況下，陰極活性材料例如從鋰化(lithiiert)過渡金屬氧化物、例如li(nicomn)o2、limn2o4(或更高的鋰含量)、li2mo3-limo2(其中，m例如是ni、co、mn、mo、cr、fe、ro或v)、limpo4(其中，m例如是fe、ni、co、mn)、li(ni0.5mn1.5)o4(或更高的鋰含量)、lixv2o5、lixv3o8或者對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說已知的另外的陰極材料、例如硼酸鹽、磷酸鹽、氟磷酸鹽、硅酸鹽或復(fù)合材料中來選出。

合適的復(fù)合材料例如包括混合物，所述混合物由作為活性材料的硫顆粒、用以提高導(dǎo)電性的導(dǎo)電炭黑和石墨以及必要時(shí)粘結(jié)劑、諸如pvdf(聚偏氟乙烯)組成。在另一實(shí)施方式中，復(fù)合材料包括必要時(shí)碳以及l(fā)if的納米顆粒和金屬(諸如fe、cu、ni)的混合物。在另一實(shí)施方式中，復(fù)合材料包括必要時(shí)碳以及l(fā)i2s的納米顆粒和金屬(諸如fe、cu、ni)的混合物。在其他實(shí)施方式中，已經(jīng)進(jìn)行了金屬的預(yù)鋰化并且復(fù)合材料由碳和含li的金屬氫化物、金屬硫化物、金屬氟化物或金屬氮化物組成。

在陽極的情況下，活性材料例如從石墨、硅或轉(zhuǎn)換材料中選出。

作為添加物，可以向活性材料添加例如導(dǎo)電的或傳導(dǎo)離子的材料。例如，導(dǎo)電材料可以從碳納米管、導(dǎo)電炭黑、石墨烯(graphen)、石墨或這些材料中至少兩種的組合中選出。

分離器優(yōu)選以由電絕緣且傳導(dǎo)離子的材料組成的膜的形式實(shí)施，其中為了減少在傳導(dǎo)離子時(shí)的阻力，分離器盡可能薄地被實(shí)施。分離器的典型厚度為1μm至10μm。由塑料、例如聚乙烯、聚丙烯組成的有細(xì)孔的薄膜或者由玻璃纖維組成的無紡布材料尤其適合作為用于分離器的材料。

在另外的實(shí)施方式中，分離器也可以包括陶瓷膜，在此情況下例如鋰石榴石(lithiumgranat)適合作為材料。另外的可能的材料例如是聚合物、例如聚偏氟乙烯(pvdf)。為了在穿過分離器傳導(dǎo)離子時(shí)實(shí)現(xiàn)與溫度有關(guān)的阻力，分離器此外包括功能材料，所述功能材料的離子傳導(dǎo)性、尤其針對(duì)鋰離子的傳導(dǎo)性與溫度有關(guān)。在此，功能材料被選出，使得所述功能材料的離子傳導(dǎo)性在臨界溫度以下是良好的并且在臨界溫度以上是差的。附加地或可替代地，功能材料可以被選出，使得相反地離子傳導(dǎo)在另外的臨界溫度以上是良好的并且在該另外的臨界溫度以下是差的。在此情況下，大于10^-3s/cm^-1的離子傳導(dǎo)性被視為良好的傳導(dǎo)性，而小于10^-3s/cm^-1、尤其是小于10^-5s/cm^-1的離子傳導(dǎo)性被視為差的傳導(dǎo)性。在此優(yōu)選以下功能材料，所述功能材料的離子傳導(dǎo)性在臨界溫度以上甚至完全消失，這意味著處于10^-6s/cm^-1以下的傳導(dǎo)性。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，臨界溫度被選擇，使得所述臨界溫度處于45℃和80℃之間。如果臨界溫度處于50℃和80℃之間，則是特別優(yōu)選的。但是有意義地選擇臨界溫度，使得所述臨界溫度小于分離器的熔點(diǎn)或分離器的一部分的熔點(diǎn)。由此保證，在溫度上升到如此程度，使得原電池不能修復(fù)地被損壞之前，中斷離子流和因此關(guān)斷原電池。尤其地，在此避免分離器的損壞，使得分離器在任何時(shí)候都可以履行其功能。

附加地或可替代地，在另外的實(shí)施方式中可設(shè)想的是，選擇功能材料，使得離子傳導(dǎo)性不是在臨界溫度以上、而是在另外的臨界溫度以下消失。因此，可以防止在允許的溫度范圍以下使用電池組，并且隨之出現(xiàn)地避免電池組的損壞。在這種情況下，另外的臨界溫度被選擇，使得所述另外的臨界溫度處于-40℃和0℃之間、優(yōu)選地在-20℃和-5℃之間。

在原電池的一種實(shí)施方式中，分離器包括第一載體層和可切換的阻擋層(schaltbaresperrschicht)，所述可切換的阻擋層在臨界溫度以下是傳導(dǎo)離子的，而在臨界溫度以上對(duì)于離子來說是不可穿過的。在此，可切換的阻擋層由功能材料組成。載體層由電絕緣且傳導(dǎo)離子的材料制成。

在原電池的另一實(shí)施方式中，分離器附加地包括第二載體層，其中，可切換的阻擋層被布置在第一載體層與第二載體層之間。因此，可切換的阻擋層受保護(hù)地被容納在分離器的內(nèi)部中。

可切換的阻擋層的材料、也即功能材料從水凝膠、納米復(fù)合材料、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸酯或交聯(lián)聚合物中選出。

為了使得能夠在陰極與陽極之間進(jìn)行離子傳導(dǎo)，使用電解質(zhì)。在此，分離器尤其可以用電解質(zhì)浸漬。電解質(zhì)尤其可以是液態(tài)電解質(zhì)、例如溶解在有機(jī)溶媒中的六氟磷酸鋰(lipf6)。

如果對(duì)原電池充電，那么由帶正電荷的(positivgeladenen)鋰離子構(gòu)成的離子流從陰極出發(fā)穿過分離器向陽極流動(dòng)。在此，鋰離子從陰極的陰極活性材料中被析出并且在陽極的陽極活性材料中再次積聚。鋰離子的流動(dòng)通過相對(duì)應(yīng)的電流被驅(qū)動(dòng)，其中電子從陰極朝著陽極方向流動(dòng)。在對(duì)原電池充電時(shí)，電流借助于電流源來驅(qū)動(dòng)。

在對(duì)原電池進(jìn)行放電時(shí)，鋰離子相反地從陽極穿過分離器向陰極流動(dòng)。在此，相對(duì)應(yīng)的電流使電子從陽極朝著陰極方向流動(dòng)，其中通過電流(stromfluss)經(jīng)由外部回路被引導(dǎo)，并且可以被使用用于驅(qū)動(dòng)耗電器。

此外，建議一種電池組電池，所述電池組電池包括電池封裝和至少一個(gè)在這里描述的原電池。電池封裝可以是軟包封裝設(shè)計(jì)或是堅(jiān)硬的殼體。

此外，建議一種電池組，所述電池組包括一個(gè)或多個(gè)這樣的電池組電池。

在本說明書的范圍內(nèi)，術(shù)語電池組或電池組電池如在口語中常見的那樣被使用，也即由術(shù)語電池組不僅包括一次電池組而且包括二次電池組(蓄電池)。同樣地，術(shù)語電池組電池不僅包括一次電池而且包括二次電池。

發(fā)明優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)本發(fā)明的原電池包括分離器，所述分離器的離子傳導(dǎo)性與原電池的溫度有關(guān)。在此規(guī)定，當(dāng)原電池的溫度超過臨界溫度時(shí)，穿過分離器的離子傳導(dǎo)被抑制?？商娲鼗蚋郊拥兀谂R界溫度以下也可以抑制離子傳導(dǎo)。如果離子流被抑制，那么相對(duì)應(yīng)的電流同時(shí)也被中斷。因?yàn)橛捎跉W姆電阻，加熱也始終與流動(dòng)的電流相關(guān)聯(lián)，因此通過中斷離子流和與之關(guān)聯(lián)地中斷電流來阻止原電池的繼續(xù)加熱。在允許的溫度的情況下，可以正常地使用原電池。

對(duì)于離子流的所述中斷絲毫不需要外部保險(xiǎn)裝置或監(jiān)控設(shè)備，使得可以在不修改其他組件、諸如電池組殼體或電池組控制設(shè)備的情況下，簡(jiǎn)單地實(shí)施該保險(xiǎn)功能。此外，與外部組件的這種不相關(guān)性同樣有助于安全性，因?yàn)橛纱瞬荒芡ㄟ^操縱例如外部控制設(shè)備而規(guī)避安全機(jī)制。

此外，離子流的阻斷是可逆的，使得在使溫度正?；罂梢栽俅问褂迷姵?。

附圖說明

圖1a和1b示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式對(duì)原電池的充電；和

圖2a和2b示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式對(duì)原電池的充電。

在本發(fā)明實(shí)施例的隨后描述中，相同或相似的組件或元件用相同的附圖標(biāo)記表示，其中放棄在個(gè)別情況下對(duì)這些組件或元件的重復(fù)描述。所述圖僅示意性地示出本發(fā)明的主題。

具體實(shí)施方式

在圖1a和1b中示出了對(duì)原電池10的充電。

原電池10以所述順序包括分配給陰極14的集流體12、陰極14、分離器16、陽極18和分配給陽極18的集流體20，它們構(gòu)成堆疊。

原電池10的分離器16被實(shí)施，使得鋰離子26可以穿過分離器16從陰極14向陽極18遷移并且反之亦然。為此，分離器16以多孔的方式被實(shí)施并且用電解質(zhì)浸漬。

在圖1a和1b中示出的實(shí)施方式中，原電池10被實(shí)施為鋰離子電池組電池。在此，陰極14包括licoo2作為陰極活性材料，其中在圖中鈷原子配備有附圖標(biāo)記40，氧原子配備有附圖標(biāo)記42并且鋰原子配備有附圖標(biāo)記27。陽極18包括石墨作為陽極活性材料，其配備有附圖標(biāo)記44。

在充電過程中，陰極14的陰極活性材料被脫鋰(delithiiert)，也即鋰離子26從陰極14逸出(austreten)，朝著用附圖標(biāo)記24標(biāo)記的箭頭方向遷移穿過分離器16，并且在陽極18的石墨44中作為鋰原子27襯入(einlagern)。通過用作充電電流的電流來驅(qū)動(dòng)離子流。在此，電子從陰極14經(jīng)由外部回路50向陽極18流動(dòng)。在此，電子的流動(dòng)方向利用具有附圖標(biāo)記22的箭頭來標(biāo)記。

圖1a示出如下情形，其中原電池10的溫度t小于臨界溫度tk。如果原電池10的溫度t處于該臨界溫度tk以下，那么分離器16對(duì)于鋰離子26是可穿過的。

在圖1a和1b中示出的實(shí)施方式中，分離器16包括第一載體層30以及可切換的阻擋層32。在此，第一載體層30像通常的分離器膜那樣被構(gòu)建，并且由電絕緣的但允許傳導(dǎo)離子的材料組成。例如多孔的材料適合于此，其中為了改善離子傳導(dǎo)，分離器16用電解質(zhì)浸透。例如可以考慮由塑料、例如由聚乙烯或聚丙烯組成的有細(xì)孔的薄膜作為用于第一載體層30的材料。由玻璃纖維組成的無紡布材料以及例如由鋰石榴石組成的陶瓷膜也適用于第一載體層30。

可切換的阻擋層32被實(shí)施，使得所述可切換的阻擋層32在臨界溫度tk以下對(duì)于鋰離子26是可穿過的，并且在溫度t≥tk時(shí)對(duì)于鋰離子26是不可穿過的。為此，可切換的阻擋層32包括功能性材料，所述功能性材料例如從水凝膠、納米復(fù)合材料、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸酯或交聯(lián)聚合物中選出。附加或可替代地，功能性材料可以被選出，使得所述功能性材料具有另外的臨界溫度，并且功能性材料在該第二臨界溫度以上對(duì)于離子是可穿過的，并且在溫度處于第二臨界溫度以下時(shí)對(duì)于離子是不可穿過的。如果功能性材料具有兩個(gè)臨界溫度，那么離子傳導(dǎo)僅在兩個(gè)臨界溫度之間的區(qū)間中是可能的。

在圖1a中示出的情形中，原電池10的溫度t小于臨界溫度tk。因此，可切換的阻擋層32對(duì)于鋰離子26是可穿過的，使得鋰離子26可以沿著配備有附圖標(biāo)記24的箭頭遷移穿過分離器16。因此，可以對(duì)原電池10的充電是可能的。

在圖1b中，溫度t大于或等于臨界溫度tk。在超過或達(dá)到臨界溫度tk時(shí)，可切換的阻擋層32改變其特性，其中所述阻擋層32由此對(duì)于鋰離子26變得不可穿過的。穿過分離器16的離子傳導(dǎo)現(xiàn)在不再是可能的。沿著可切換的阻擋層32發(fā)生阻斷(blockade)33，其中鋰離子26不能越過該阻斷33。由鋰離子26所承載的離子流停頓。同時(shí)，與離子流相對(duì)應(yīng)的、迄今經(jīng)由外部回路50流動(dòng)的電流同樣也停頓，使得電流也不再能夠從陰極14向陽極18流動(dòng)。原電池10的繼續(xù)充電不再是可能的。

通過冷卻原電池10可以再次建立在圖1a中所示的情形，其中可切換的阻擋層32再次對(duì)于鋰離子26是可穿過的，使得如在圖1a中所示的那樣，對(duì)原電池10的充電再次是可能的。

即使這在圖1a中和在圖1b中未明確地示出，不言而喻的是，僅在原電池10的溫度t處于臨界溫度tk以下時(shí)(nursolange...wie)，原電池10的放電也才是可能的。在對(duì)原電池10進(jìn)行放電時(shí)，箭頭方向24和22反轉(zhuǎn)，使得鋰離子26從陽極18穿過分離器16向陰極14流動(dòng)，并且同時(shí)相對(duì)應(yīng)的電流從陽極18經(jīng)由分配給陽極18的集流體20通過外部回路50向分配給陰極14的集流體12流動(dòng)，并且最終流入陰極14中。如果現(xiàn)在在對(duì)原電池10進(jìn)行放電時(shí)，原電池10的溫度t超過臨界溫度tk，那么分離器16的可切換的阻擋層32又改變其特性，使得所述阻擋層32對(duì)于鋰離子26變得不可穿過的。由此，鋰離子26從陽極18朝著陰極14的方向的流停頓，由此通過外部回路50的相對(duì)應(yīng)的電流也停頓。

因此在兩種情況下、即不僅對(duì)于原電池10的充電而且對(duì)于原電池10的放電，離子流的停頓意味著：相對(duì)應(yīng)的電流也停頓。因?yàn)殡娏饔捎跉W姆電阻導(dǎo)致加熱，因此在臨界溫度tk以上阻止由于流動(dòng)的電流引起的原電池10的繼續(xù)加熱。

圖2a和2b示出根據(jù)本發(fā)明的原電池10的另一實(shí)施方式。

在圖2a和2b中示出的原電池10再次如之先對(duì)于圖1a和2b描述的那樣包括層結(jié)構(gòu)，該層結(jié)構(gòu)以所述順序具有分配給陰極14的集流體12、陰極14、分離器16、陽極18和分配給陽極18的集流體20。不同于關(guān)于圖1a和1b所描述的實(shí)施方式，分離器16現(xiàn)在包括三個(gè)層。分離器16包括第一載體層30、可切換的阻擋層32以及第二載體層34，其中第一載體層30和第二載體層34在其之間包圍可切換的阻擋層32。以這種方式，可切換的阻擋層通過兩個(gè)載體層30、34被保護(hù)免受機(jī)械作用。

圖2a和2b的原電池10如對(duì)于圖1a和1b所描述的那樣表現(xiàn)，也即只要(solange)原電池10的溫度t小于臨界溫度tk，那么可切換的阻擋層32是傳導(dǎo)離子的，使得鋰離子26可以穿過分離器16移動(dòng)。如果溫度t大于或等于臨界溫度tk，那么可切換的阻擋層32的特性以如下方式改變，即所述阻擋層32對(duì)于鋰離子26變得不可穿過的。于是對(duì)原電池10的充電不再是可能的，其中鋰離子26朝著配備有附圖標(biāo)記24的箭頭的方向從陰極14向陽極18遷移，因?yàn)樵诜蛛x器16的兩側(cè)上構(gòu)造阻斷33。在此，通過外部回路50的相對(duì)應(yīng)的電流同樣停頓。

本發(fā)明并不局限于這里所描述的實(shí)施例和其中強(qiáng)調(diào)的方面。相反地，在由權(quán)利要求說明的范圍之內(nèi)，處于本領(lǐng)域技術(shù)人員的處理(handeln)范圍內(nèi)的大量修改是可能。