自限制的電解質(zhì)填充方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于制造電化學(xué)電池，尤其是二次電池組或雙層電容器的方法，在該方法中用可流動(dòng)的電解質(zhì)來(lái)填充包含至少一個(gè)多孔電池構(gòu)件的電池容器。此外，由US6387561B1可知這種方法。
[0002]此外，本發(fā)明還涉及用于制造電化學(xué)電池的設(shè)備和使用該設(shè)備來(lái)執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0003]對(duì)于本發(fā)明來(lái)說(shuō)電化學(xué)電池是用于存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)換利用電化學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生的電能的存儲(chǔ)器。對(duì)于電化學(xué)效應(yīng)例如可以理解為離子迀移現(xiàn)象，例如在二次電池組(蓄電池)或雙層電容器(超級(jí)電容器)或電解質(zhì)電容器(縮寫(xiě)ElKos)中所發(fā)生的情況。對(duì)于電化學(xué)效應(yīng)還可以理解為如下的電化學(xué)反應(yīng)，例如在燃料電池中電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能時(shí)或相反情況下所發(fā)生的情況。基于哪種效應(yīng)使能量在電化學(xué)電池中存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)化，對(duì)于本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)并不重要。重要的是，電化學(xué)電池具有至少一個(gè)多孔電池構(gòu)件。每個(gè)電化學(xué)電池通常具有至少三個(gè)多孔電池構(gòu)件，也就是用于建立極性的兩個(gè)電極(陽(yáng)極、陰極)和至少一個(gè)用于分隔電極的隔板。在現(xiàn)有的電化學(xué)電池中，這些元件由主要是液態(tài)的電解質(zhì)包圍。電極、隔板和電解質(zhì)保持在電池容器中。
[0004]如果對(duì)于本發(fā)明來(lái)說(shuō)提到電極，該電極的極性并不重要。對(duì)于本發(fā)明來(lái)說(shuō)，陽(yáng)極和陰極是同樣的電極。在電化學(xué)電池的技術(shù)實(shí)施方案中，電極通常多件式地實(shí)施，也就是說(shuō)，多個(gè)電池構(gòu)件組合成從電化學(xué)角度來(lái)看的連續(xù)的電極。
[0005]用于阻隔的隔板的數(shù)量依賴(lài)于電極在電池容器中的布置。設(shè)置有至少一個(gè)隔板，該隔板將兩個(gè)電極彼此分隔。如果電極交錯(cuò)地堆疊或盤(pán)繞，就可能需要將多個(gè)隔板布置在電極之間。隔板是電化學(xué)上非活性的構(gòu)件，該構(gòu)件將電極彼此電絕緣地分隔，然而對(duì)于能在電解質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的離子來(lái)說(shuō)是可通過(guò)的。由于這種原因，隔板是高孔隙度的，以便可以實(shí)現(xiàn)很高的離子通過(guò)性，并且由此獲得很高的電池性能。
[0006]不僅電化學(xué)電池的隔板是多孔的，而且電極也是多孔的。其原因是，由于電化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)迀移發(fā)生在活性材料的表面，因此在著眼于高功率密度時(shí)需要特別大的電極表面。為了在結(jié)構(gòu)尺寸很小的電極上實(shí)現(xiàn)很大的表面，活性材料是多孔的，這意味著，以很大的內(nèi)表面涂敷到電極的集流器上?；钚圆牧系暮艽蟮膬?nèi)表面最終導(dǎo)致整個(gè)電極的多孔性。
[0007]因此，如果在這里提到多孔的電池構(gòu)件，對(duì)此尤其可以理解為用于電極或隔板的通稱(chēng)。
[0008]對(duì)于本發(fā)明并不重要的是，電極是否平鋪、堆疊或盤(pán)繞。在現(xiàn)有技術(shù)中公知了這兩種電池結(jié)構(gòu)方式。對(duì)于本發(fā)明來(lái)說(shuō)與結(jié)構(gòu)方式無(wú)關(guān)。
[0009]然而重要的是，其中至少一個(gè)電池構(gòu)件在一定程度上是多孔的并且多孔性在制造過(guò)程中發(fā)生變化。實(shí)踐中，兩個(gè)電極和隔板是多孔的并且經(jīng)受由生產(chǎn)引起的變化。
[0010]對(duì)于多孔性可以理解為，由構(gòu)件的幾何結(jié)構(gòu)的外尺寸而計(jì)算出的體積(外體積)與實(shí)際的由材料圍成的空間不一致。更確切地說(shuō)，電極中或隔板中的固體材料圍成呈孔隙形式的空區(qū)域，該空區(qū)域在下文中被稱(chēng)為“自由體積”。電池內(nèi)部的自由體積以電解質(zhì)來(lái)填充，以便可以實(shí)現(xiàn)離子在電極的整個(gè)表面上無(wú)阻礙地交換。隔板的所有孔隙也被填充，以便允許離子無(wú)阻礙地穿過(guò)隔板。
[0011]為了實(shí)現(xiàn)電池的最優(yōu)化的功能和很好的性能，電池內(nèi)部的自由體積盡可能全部以電解質(zhì)來(lái)填充。另一方面，考慮到安全性，要避免電解質(zhì)過(guò)度盈余。由于組件的多孔性，并且電池內(nèi)部的自由體積發(fā)生由制造引起的變化，因此這意味著，要最優(yōu)化地填入的電解質(zhì)的量也是變化的。
[0012]根據(jù)電池組制造的現(xiàn)有技術(shù)，幾乎不考慮自由體積的波動(dòng)。更確切地說(shuō)，對(duì)于公知的現(xiàn)有技術(shù)來(lái)說(shuō)，在電解質(zhì)填充方法領(lǐng)域中的公知的現(xiàn)有技術(shù)力求的是在每個(gè)電池中貯存確定容量的電解質(zhì)，而不依賴(lài)于實(shí)際上損失了多少自由體積。
[0013]因此，US8047241B2描述了一種填充過(guò)程，在該過(guò)程中在電化學(xué)電池中應(yīng)當(dāng)抽出特別高的真空。但是，電解質(zhì)的填充量(US8047241B2中的步驟d)是明確的。
[0014]US2011/0171503A1也描述了一種將預(yù)先限定容量的電解質(zhì)填充入電化學(xué)電池中的方案。
[0015]US6387561B1致力于用于盤(pán)繞電池的填充方法，在該方法中，通過(guò)線圈的空心實(shí)現(xiàn)的芯來(lái)填充電解質(zhì)，直到電極浸入在電解質(zhì)中。由于這種原因，US6387561B1的發(fā)明被作為最接近的現(xiàn)有技術(shù)。然而，其中所填充的電解質(zhì)的量是恒定的。
[0016]由JP05190168已知的是，將明確容量的電解質(zhì)填充到電池容器中并且以振動(dòng)來(lái)對(duì)電池容器提供壓力，以便由此將盈余的氣體從電池容器中排出。
[0017]在DE2729034A1中，一次電池組通過(guò)如下方式來(lái)填充電解質(zhì)，即電池容器(在這里是紐扣電池)引入到真空腔中并且通過(guò)施加外力對(duì)腔進(jìn)行抽真空，從而將電解質(zhì)吸入到電池容器中。在此，并不考慮多孔性發(fā)生波動(dòng)。
[0018]由JP2011-134631A已知的是，在填充薄膜袋中的電池時(shí)進(jìn)行抽真空，并且在通過(guò)借助位于電池袋外側(cè)的平行的板對(duì)其提供壓力的方式使得在填充電解質(zhì)時(shí)可控地使電池容器膨脹。在此時(shí)也填充入明確容量的電解質(zhì)。
[0019]現(xiàn)有技術(shù)的共同點(diǎn)是，明確容量的電解質(zhì)分別填充到電池中，而不依賴(lài)于實(shí)際上損失了多少電池內(nèi)部的自由體積。這必然導(dǎo)致的是，在多孔性發(fā)生波動(dòng)的情況下電池中的填充液面高度發(fā)生波動(dòng)。在相對(duì)剛性的電池容器(例如DE2729034A1的紐扣電池)的情況下，這幾乎不會(huì)引起技術(shù)故障。然而，電解質(zhì)的量發(fā)生波動(dòng)會(huì)對(duì)其電池容器是由薄的、柔性的殼形成的電化學(xué)電池的機(jī)械特性產(chǎn)生影響。高性能或儲(chǔ)能高的鋰離子二次電池組如今優(yōu)選實(shí)施為已知的“袋式電池”。在此，涉及的是電池組電池，其電池容器由鋁薄膜和/或塑料薄膜制成。外殼薄的袋式電池對(duì)于電解質(zhì)的量發(fā)生的波動(dòng)會(huì)反應(yīng)出結(jié)構(gòu)空間的變化，這在高度集中裝配電池模塊時(shí)是不利的。然而，更大的問(wèn)題在于，因?yàn)橛呻娊赓|(zhì)引起的阻尼發(fā)生變化，動(dòng)態(tài)振蕩的固有頻率會(huì)由于不同的電解質(zhì)填充量而顯著改變。在將這類(lèi)電化學(xué)電池用于移動(dòng)應(yīng)用方案中，例如尤其在由鋰離子電池組驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛中，在持續(xù)的運(yùn)行中改變的振蕩特性導(dǎo)致電池與電池組的另外的組件之間的電氣和機(jī)械連接元件的不可預(yù)知的老化。在此，尤其指的是電池的密封接縫，該密封接縫夾在電池組框架中。該連接通過(guò)電池振動(dòng)而承受負(fù)荷并且在最懷的情況下甚至松動(dòng)。此外，電池導(dǎo)電器電池連接器之間的連接會(huì)由于所述振動(dòng)而受到影響。
[0020]電解質(zhì)量除了對(duì)電池的機(jī)械特性產(chǎn)生影響之外，在電解質(zhì)量與電池性能之間還存在重要的相互聯(lián)系。電解質(zhì)量過(guò)少會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)早老化，電解質(zhì)量過(guò)多可能表現(xiàn)出潛在的安全性風(fēng)險(xiǎn)。
[0021]由于這種原因存在如下的要求，在電化學(xué)電池中的電解質(zhì)量盡可能準(zhǔn)確地匹配于實(shí)際存在的自由體積。該任務(wù)已經(jīng)通過(guò)在迄今為止未公開(kāi)的德國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)DE102012208222A1中寫(xiě)下的發(fā)明來(lái)解決。在該方法中，可變量的電解質(zhì)填充入電池容器中，以補(bǔ)償自由體積的波動(dòng)。然而，最優(yōu)化的填充量通過(guò)控制技術(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中，借助統(tǒng)計(jì)方法學(xué)來(lái)預(yù)測(cè)自由體積，并且要填充的電解質(zhì)的量匹配于該自由體積。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，即使在多孔性發(fā)生強(qiáng)烈波動(dòng)時(shí)也有很小的填充誤差。該方法的缺點(diǎn)是由所需的控制技術(shù)而引起的$父尚的設(shè)備成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]鑒于上述的解決方法，本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種設(shè)備上簡(jiǎn)單的方法，該方法著眼于最優(yōu)的填充，以相匹配的電解質(zhì)的填充量來(lái)適應(yīng)自由體積的變化。
[0023]該任務(wù)通過(guò)如下方式來(lái)解決，S卩，在第一填充步驟中，填入電解質(zhì)的盈余量，多孔的電池構(gòu)件完全浸沒(méi)在該盈余量中，填入的電解質(zhì)承受至少一個(gè)力，該力將沒(méi)有位于多孔構(gòu)件的孔隙中的電解質(zhì)從電池容器中排出，并且在第二填充步驟中，填入電解質(zhì)的補(bǔ)充量。
[0024]因此，本發(fā)明的目標(biāo)是一種用于制造電化學(xué)電池，尤其是二次電池或雙層電容器的方法，其中，用可流動(dòng)的電解質(zhì)來(lái)填充包含至少一個(gè)多孔電池構(gòu)件的電池容器，并且具有以下的步驟:
[0025]a)在第一步驟中，填充入電解質(zhì)的盈余量，多孔電池構(gòu)件完全浸沒(méi)在該盈余量中，
[0026]b)隨后，填充入的電解質(zhì)承受至少一個(gè)力，該力將電解質(zhì)的沒(méi)有位于多孔構(gòu)件的孔隙中的部分從電池容器中排出，
[0027]c)隨后，在