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CN115428187A - 二次的电化学的锂离子单池 - Google Patents

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CN115428187A
CN115428187A CN202180031825.8A CN202180031825A CN115428187A CN 115428187 A CN115428187 A CN 115428187A CN 202180031825 A CN202180031825 A CN 202180031825A CN 115428187 A CN115428187 A CN 115428187A
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E·皮特里克
D·恩斯林
I·楚马克
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VARTA Microbattery GmbH
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Abstract

一种二次的电化学的锂离子单池包括至少一个作为负电极（10）的复合电极，其中所述复合电极包括至少一个阳极集电器（12）和至少一种在电化学上活性的能够将锂离子转入和转出的组分。此外，所述锂离子单池包括至少一个作为正电极（20）的复合电极，其中所述复合电极包括至少一个阴极集电器（22）和至少一种在电化学上活性的能够将锂离子转入和转出的组分。此外，所述负电极（10）和/或所述正电极（20）具有至少一个区域（11），在所述区域中所述阳极集电器（12）和/或阴极集电器（22）至少部分地不含所述在电化学上活性的组分，并且其中这个区域（11）构造为锂‑储备部。

Description

二次的电化学的锂离子单池
技术领域
本发明涉及一种二次的电化学的锂离子单池、以及一种由负电极和正电极形成的用于二次的电化学的锂离子单池的绕组或堆、以及一种用来制造这样的绕组或堆的方法和一种用来制造二次的电化学的锂离子单池的方法。
背景技术
电化学的单池为此能够通过氧化还原反应将所储存的化学能转化为电能。所述电化学的单池通常包括正电极和负电极。在放电时，在所述负电极上通过氧化过程来释放电子。由此产生电子流，所述电子流能够被外部的负载分接，使得所述电化学的单池作为能量提供方起作用。同时，在所述单池的内部出现与电极反应相对应的离子流。这种离子流能够通过引导离子的电解质来实现。
如果所述放电是可逆的，则谈及二次单池，其中也就是说存在着在放电时将化学能重又转换为电能并且由此给单池充电的可行方案。对于负电极的在二次单池中作为阳极的普遍常用的表述以及正电极的作为阴极的表述涉及电化学的单池的放电功能。
广泛推广的锂离子单池基于对锂的使用，所述锂能够以离子形式在单池的电极之间来回移动。在此，所述锂离子单池突出之处在于较高的能量密度。锂离子单池的负电极和正电极通常由所谓的复合电极形成，所述复合电极除了在电化学上活性的组分之外还包括在电化学上惰性的组分。
作为在电化学上活性的组分（活性材料）原则上考虑所有能够容纳和重又释放锂离子的材料。对于负电极来说，为此经常使用碳基颗粒、如例如石墨碳。也能够使用其它适合于锂的嵌入的非石墨的碳材料。此外，也能够使用能够与锂制成合金的金属及半金属的材料。因此，例如元素锡、锑和硅能够与锂形成金属间相。作为用于正电极的活性材料例如能够使用氧化锂钴（LiCoO2）、氧化锂锰（LiMn2O4）或者磷酸锂铁（LiFePO4）或其衍生物。所述在电化学上活性的材料通常以颗粒的形式包含在电极中。
作为在电化学上惰性的组分，所述复合电极通常包括面状的和/或带状的集电器、例如金属箔，其涂有活性材料。所述用于负电极的集电器（阳极集电器）例如能够由铜或镍形成，并且所述用于正电极的集电器（阴极集电器）例如能够由铝形成。此外，所述电极能够包括电极粘结剂（例如聚偏氟乙烯（PVDF）或者其它聚合物）。这种电极粘结剂确保了电极的机械稳定性并且经常也确保了活性材料附着在集电器上。此外，所述电极能够包含改进导电性的添加剂和其他添加物。
作为用于锂离子单池的通行的电解质溶液，例如使用锂盐、如六氟磷酸锂（LiPF6）的在有机溶剂（例如碳酸的醚和酯）中的溶液。
所述复合电极在制造锂离子单池时经常被加工成堆或绕组，其中在所述堆或绕组的内部借助于分隔件来将一个或多个负电极与一个或多个正电极彼此分开。
为了使负电极和正电极进行电接触能够设置导电体，所述导电体例如通过焊接与集电器连接。必要时也能够进行集电器与锂离子单池的壳体部件的直接接触。
锂离子单池的功能基于以下方面：足够的可移动的锂离子（可移动的锂）可供使用，以便通过在阳极与阴极之间或者负电极与正电极之间的移动来对被分接的电流进行补偿。本申请的范围内的可移动的锂应该理解为，所述锂在锂离子单池的放电及充电过程范围内可供电极中的转入及转出过程使用或者为此能够被激活。在锂离子单池的所进行的放电及充电过程中，随着时间的推移而出现可移动的锂的损耗。这些损耗由于不同的、通常不可避免的副反应而出现。在锂离子单池的第一次充电及放电循环的范围内就已经出现可移动的锂的损耗。在这第一次充电及放电循环中，通常在负电极上的在电化学上活性的组分的表面上形成覆盖层。这种覆盖层被称为固体电解质中间相（Solid ElectrolyteInterphase，SEI）并且通常首先由电解质分解产物以及一定量的在这个层中固定地结合的锂所构成。可移动的锂的与这个过程相关联的损耗可能在10 %到35 %之间。在接下来的充电及放电循环中的损耗则明显更小。但是尽管如此，随着时间的推移由于可移动的锂的持续损耗而出现传统的锂离子单池的容量及功率的不断减小。
已知不同的方案以对可移动的锂的所出现的损耗进行补偿。因此，例如EP 2 486620 B1说明了一种具有得到改进的老化特性的锂离子单池，其中与正电极相比并且同时与全部可移动的锂相比过量地设计所述用于容纳锂的负电极的容量。同时，在所述单池中包含一定量的可移动的锂，其超过用于容纳锂的正电极的容量。
EP 3 255 714 A1公开了一种具有锂-库区的电化学的单池，其中所述锂-库区以锂合金的形式在所述单池中予以提供。所述锂-库区例如能够布置在单池的电极与壳体之间。
EP 2 372 732 A1说明了一种螺旋状卷绕的绕组，其具有用于电化学的锂离子单池的负电极和正电极，其中在所述绕组的内部设置锂离子源，该锂离子源借助于分隔件如此与正电极和负电极分开，使得其不与所述电极接触。
发明内容
相对于此，本发明提出的任务是，提供一种得到改进的锂离子单池，其中能够以特别有利的方式对可移动的锂的损耗进行补偿。利用这种得到改进的锂离子单池应该防止或者减慢单池的老化过程，以便于是实现单池的特别长的使用寿命。
该任务通过如由独立权利要求可知的一种二次的电化学的锂离子单池和一种用于二次的电化学的锂离子单池的绕组或堆来解决。此外，该任务通过根据另外的独立权利要求的一种用来制造这样的绕组或堆的方法以及一种用来制造电化学的锂离子单池的方法来解决。这种锂离子单池或者所述绕组或堆以及所述制造方法的优选的设计方案由从属权利要求得出。
按照本发明的锂离子单池突出之处始终在于以下特征：
a. 该锂离子单池包括至少一个作为负电极的复合电极，其中所述复合电极包括至少一个阳极集电器和至少一种在电化学上活性的能够将锂离子转入和转出的组分，
b. 该锂离子单池包括至少一个作为正电极的复合电极，其中所述复合电极包括至少一个阴极集电器和至少一种在电化学上活性的能够将锂离子转入和转出的组分，
该锂离子单池突出之处特别在于以下特征：
c. 所述负电极和/或正电极具有至少一个区域，在所述区域中所述阳极集电器和/或阴极集电器至少部分地不含在电化学上活性的组分，其中这个区域构造为锂-储备部。
因此，所述负电极和/或正电极包括集电器，所述集电器具有被在电化学上活性的组分所覆盖至少一个区域以及不含这种组分且构造为锂-储备部的至少一个另外的区域。
优选所述构造为锂-储备部的区域完全不含在电化学上活性的组分。
优选所述区域也不含所提到的电极粘结剂和/或所提到的改进导电性的添加剂。
在这方面锂-储备部是指，所述负电极的和/或正电极的这个区域加载有金属锂和/或含锂的材料。储备在这个区域中的锂在按照本发明的锂离子单池的运行持续时间的过程中用作用于锂的库区，所述锂作为可移动的锂能够以离子形式被释放并且在其释放之后可供锂离子单池的充电及放电循环使用。由此，能够明显地改进所述锂离子单池的使用寿命，因为基于可移动的锂的损耗的老化过程能够通过锂-储备部来得到补偿。
无论如何，所述锂-储备部的金属锂或含锂的材料在材料方面不同于所述在电化学上活性的组分，所述在电化学上活性的组分因而通常同样包含可能呈离子形式的锂（参见下文）。所述锂-库区因此优选不包括含锂的合金或者化合物，所述含锂的合金或化合物是所述在电化学上活性的组分的组成部分。
所述锂-储备部直接布置在集电器上、因此在一定程度上布置在负电极和/或正电极的内部，这首先在所述锂离子单池的几何形状的最佳利用方面具有特殊的优点。通过将所述锂-储备部直接布置在集电器的不含在电化学上活性的组分的区域上，能够最佳地利用在所述锂离子单池的内部的位置空间，而所述锂-储备部不会占用在锂离子单池内部的额外的空间。在此能够如此选择所述用于锂-储备部的区域，从而不会出现与所述锂离子单池的其它元件的几何碰撞。因此，例如，所述锂-库区的在EP 2 372 732 A1中所描述的布置由于锂-库区与反极化的电极的边缘的接触而可能提高电短路的危险。按照本发明的锂-库区的构造在制造电极时就已经能够进行。由此，在稍后的时刻不再需要用于构造和放置库区的单独步骤。
所述一个或多个负电极或正电极的阳极集电器和阴极集电器优选是面状的金属基片，其例如由金属箔或者由金属泡沫或者由金属网或金属格栅或者金属化的无纺物构成。例如铜或镍或其它可导电的材料也适合用作用于阳极集电器的金属。例如铝或其它可导电的材料也适合用作用于阴极集电器的金属。
作为用于负电极和正电极的在电化学上活性的组分能够使用为本领域技术人员熟知的材料。对于负电极来说尤其能够使用碳基颗粒（如石墨碳）或者能进行锂的嵌入的、非石墨的碳材料，其优选同样呈颗粒形式。作为替代方案或补充方案，也能够使用能够例如在使用元素锡、锑和硅的情况下与锂制成合金的金属的及半金属的材料，所述金属的或半金属的材料能够与锂形成金属间相。这些材料也优选以颗粒形式来使用。对于正电极来说，作为在电化学上活性的组分例如能够考虑锂-金属氧化物-化合物和锂-金属磷酸盐-化合物（如LiCoO2和LiFePO4）。此外，较好合适的尤其是：具有总分子式LiNixMnyCozO2（其中x+y+z典型地为1）的氧化锂镍锰钴（NMC）、具有总分子式LiMn2O4的锂锰尖晶石（LMO）、或具有总分子式LiNixCoyAlzO2（其中x+y+z典型地为1）的氧化锂镍钴铝（NCA）。也能够使用其衍生物，例如具有总分子式Li1.11(Ni0.40Mn0.39Co0.16Al0.05)0.89O2的氧化锂镍锰钴铝（NMCA）或Li1+xM-O化合物和/或所提到的材料的混合物。
所述颗粒状的在电化学上活性的组分优选被嵌入到由所提到的电极粘结剂构成的基质中，其中所述基质中的相邻颗粒优选彼此处于直接的接触之中。
以特别优选的方式，使用结构化为阳极集电器和/或阴极集电器的集电器、例如被冲孔的或者以其它方式设有穿孔的金属箔或者金属网或金属格栅或金属的或金属化的无纺物或开孔的金属泡沫。这具有以下特殊的优点，即：稍后从所述锂-储备部中释放的锂离子特别好地在整个锂离子单池中移动并且能够以均匀的方式在整个锂离子单池的范围内分布。
特别优选的是，按照本发明的单池为了使锂离子在单池中优化分布的目的而
- 作为阳极集电器包括带状的金属箔，其具有处于4 µm到30 µm的范围内的厚度并且具有第一及第二纵向边缘以及两个端件，并且
- 作为阴极集电器包括带状的金属箔，其具有处于4 µm到30 µm的范围内的厚度并且具有第一及第二纵向边缘以及两个端件，
其中
- 所述阳极集电器具有带状的主区域以及自由的边缘带，所述主区域用由负的电极材料构成的层来装载，所述自由的边缘带沿着第一纵向边缘延伸并且所述自由的边缘带没有用电极材料来装载，
并且/或者
- 所述阴极集电器具有带状的主区域以及自由的边缘带，所述主区域用由正的电极材料构成的层来装载，所述自由的边缘带沿着第一纵向边缘延伸并且所述自由的边缘带没有用电极材料来装载。
优选不仅所述阳极集电器而且所述阴极集电器也分别具有带状的主区域以及自由的边缘带。
优选的是，所述阳极集电器的带状的主区域和/或所述阴极集电器的带状的主区域、特别优选所述阳极集电器的带状的主区域和所述阴极集电器的带状的主区域具有多个穿孔。
所述多个穿孔引起了一个或多个集电器的减小的体积以及也减小的重量。这能够将更多的活性材料加入到所述单池中并且以这种方式急剧地提高所述单池的能量密度。于是能够实现高达两位数的百分比范围的能量密度提高。
在特别优选的设计方案中，按照本发明的单池特征在于直接紧随的特征a.和b.中的至少一个特征：
a. 所述主区域中的穿孔是圆形的或有角的孔、尤其冲孔或钻孔，
b. 所述阳极集电器的和/或阴极集电器的主区域尤其通过圆孔或长孔穿孔来进行穿孔。
在一些优选的实施方式中，所述穿孔借助于激光来掏制到所述带状的主区域中。
原则上，所述穿孔的几何形状对本发明来说不是重要的。重要的是，由于穿孔的掏制而减小了所述集电器的质量并且在那里存在用于活性材料的更多的位置空间，因为所述穿孔能够用活性材料来填充。
与此相反能够非常有利的是，在掏制穿孔时要注意所述穿孔的最大直径不要过大。优选所述穿孔应该不大于相应的集电器上的电极材料的层的厚度的两倍。
在特别优选的设计方案中，按照本发明的单池特征在于直接紧随的特征a.:
a. 所述集电器中、尤其主区域中的穿孔具有处于1 µm到3000 µm的范围内的直径。
在这个优选的范围内，处于10 µm到2000 µm、优选10 µm到1000 µm、尤其50 µm到250 µm的范围内的直径是进一步优选的。
特别优选的是，按照本发明的单池突出之处此外在于直接紧随的特征a.和b.中的至少一个特征：
a. 所述阳极集电器和/或阴极集电器至少在主区域的部分区段中具有比在所属的自由的边缘带中要小的单位面积重量，
b. 所述阳极集电器和/或阴极集电器在自由的边缘带中没有穿孔或者每面积单位具有比在主区域中要少的穿孔。
特别优选的是，前述紧接的特征a.和b.以彼此的组合方式来实现。
阳极集电器的和阴极集电器的自由的边缘带朝第一纵向边缘限定主区域。优选所述阳极集电器和阴极集电器分别沿着其两个纵向边缘包括自由的边缘带。
所述穿孔表征主区域。换句话说，所述主区域与一个或多个自由的边缘带之间的界限相应于带有或不带穿孔的区域之间的过渡区。
所述穿孔优选基本上在一个或多个主区域的范围内均匀地分布。
在进一步特别优选的实施方式中，按照本发明的单池突出之处在于直接紧随的特征a.至c.中的至少一个特征：
a. 所述阳极集电器和/或阴极集电器的单位面积重量在主区域中相对于相应的集电器在自由的边缘带中的单位面积重量降低了5 %到80 %，
b. 所述集电器在主区域中具有处于5 %到80 %的范围内的孔面，
c. 所述集电器在主区域中具有20 N/mm2到250 N/mm2的抗拉强度。
对经常也被称为自由横截面的孔面的确定能够按照ISO 7806-1983来进行。所述一个或多个集电器的在主区域中的抗拉强度相对于没有穿孔的集电器而减小。对所述抗拉强度的确定能够按照DIN EN ISO 527第3部分来进行。
优选的是，所述阳极集电器和阴极集电器关于穿孔相同地或类似地构成。将分别可获得的能量密度改进进行相加。
除了已经提到的组分之外，按照本发明的二次的电化学的锂离子单池也适宜地包括壳体，该壳体优选气体密封地和/或液体密封地包围电极。
在一些优选的设计方案中，所述单池包括用于与负电极进行电接触的电导体和/或用于与正电极进行电接触的电导体，以便能够实现对所述电极的电接触。这些电导体的一个端部能够与阳极集电器或阴极集电器焊接在一起。另一个端部能够与壳体部件焊接在一起或者通过极贯通引导部从壳体中引出。
在其它实施方式中，也能够设置所述电极与壳体或者与壳体的部件的直接接触。这是特别优选的并且还要单独地探讨。
此外，所述锂离子单池适宜地包括至少一个分隔件，以便以本身已知的方式将正电极和负电极隔开。
此外，所述单池包括至少一个本身常见的、尤其基于至少一种锂盐（如例如六氟磷酸锂）的电解质，所述锂盐以溶解的方式处于有机溶剂中（例如处于有机碳酸盐的混合物中）。对于按照本发明的锂离子单池的设计方案来说特别有利的是，具有锂-储备部的所述区域与电解质处于离子接触之中，以便从所述锂-储备部中释放的锂离子直接可供单池中的电化学的过程使用。
随着将锂-储备部集成到电极绕组或电极堆中，所述锂离子单池的循环使用寿命能够得到延长并且也能够以特别优选的方式提高能量密度。其基础是，锂离子单池的限制使用寿命的老化过程通常由可移动的锂的损耗所引起。通过将锂-储备部引入到负电极的和/或正电极的、优选仅负电极的未经涂覆的区域（关于具有在电化学上活性的组分的涂层）上，这个锂-储备部或者这些区域的相应的预锂化能够在所述锂离子单池的循环使用寿命的范围内用作用于可移动的锂的贮存部。
此外，刚好在含硅的负电极的情况下也能够提高能量密度并且由此降低成本，因为对于按照本发明的锂离子单池来说一般需要较少的通常用作锂源的阴极材料。因此，所述负电极以特别优选的方式是含硅的电极或者是涂有含硅的在电化学上活性的材料的复合电极。
在一种优选的改进方案中，按照本发明的锂离子单池突出之处在于直接紧随的特征a.至c.中的至少一个特征：
a. 所述构造为复合电极的负电极和所述构造为复合电极的正电极分别是带状的，
b. 所述负电极和正电极通过分隔件来彼此分开，
c. 所述负电极和正电极是绕组的组成部分。
特别优选的是，前述紧接的特征a.至c.以彼此的组合的方式来实现。
在这种特别优选的设计方案中，所述负电极和正电极与分隔件一起形成复合结构，该复合结构被加工成绕组、尤其螺旋形的绕组。这样的绕组优选筒形地构成并且具有两个位于端部的、优选平坦地构造的端侧。以这样的绕组的形式来提供电极允许将所述电极特别有利地布置在筒形的壳体中。
在一种优选的改进方案中，按照本发明的锂离子单池突出之处在于直接紧随的特征a.和b.中的至少一个特征：
a. 所述区域处于带状的负电极和/或带状的正电极的纵向端部上，
b. 所述具有锂-储备部的区域形成绕组的外侧并且/或者限定绕组的中心中的空腔。
特别优选的是，前述紧接的特征a.和b.以彼此的组合的方式来实现。
所述绕组的外侧例如能够由负电极形成。所述具有锂-储备部的区域能够占据绕组的这个外侧的一部分或者该绕组的完整的外侧。优选在此所述锂-储备部的区域仅施加在阳极集电器的外侧上并且并不施加在阳极集电器的内侧上，从而所述外部线圈的电极的内侧以常见的方式涂有在电化学上活性的组分。
作为替代方案或补充方案，所述具有锂-储备部的区域能够处于绕组的芯部中。特别地，所述用于锂-储备部的区域的这个位置是特别有利的，因为这些区域通常未被利用并且就此而言这些区域用于锂-储备部是特别有利和经济的。
在一种作为替代方案的优选的改进方案中，按照本发明的锂离子单池突出之处在于直接紧随的特征a.至c.中的至少一个特征：
a. 所述构造为复合电极的负电极和所述构造为复合电极的正电极是堆的组成部分，在所述堆中所述负电极和正电极上下叠置地布置，
b. 所述负电极和正电极通过分隔件来彼此分开，
c. 所述构造为锂-储备部的区域处于带状的负电极的和/或带状的正电极的边缘上。
特别优选的是，前述紧接的特征a.至c.以彼此的组合的方式来实现。
一个或多个负电极以及一个或多个正电极的这种布置形式也能够有利地用于锂离子单池的不同的几何形状，其中利用电极的这种布置尤其能够制造具有棱柱形的壳体的锂离子单池。
在一种优选的改进方案中，按照本发明的锂离子单池突出之处在于直接紧随的特征a.或b.中的至少一个特征：
a. 所述阳极集电器和阴极集电器分别具有两个与环绕的边缘分开的平坦侧部并且在两侧涂有在电化学上活性的组分，
b. 所述构造为锂-储备部的区域处于阳极集电器的和/或阴极集电器的仅一个平坦侧部上。
特别优选的是，前述紧接的特征a.和b.以彼此的组合的方式来实现。
在按照本发明的锂离子单池的特别优选的设计方案中，不仅所述阳极集电器而且所述阴极集电器也具有两个平坦侧部，所述平坦侧部分别涂有相应的在电化学上活性的组分。在此，所述具有锂-储备部的区域优选处于阳极集电器的和/或阴极集电器的平坦侧部中的仅一个平坦侧部上。
在一种优选的改进方案中，按照本发明的锂离子单池突出之处在于直接紧随的特征a.或b.中的至少一个特征：
a. 所述锂离子单池包括壳体，该壳体包围着负电极和正电极，
b. 所述负电极的或正电极的构造为锂-储备部的区域面向锂离子单池的壳体。
特别优选的是，前述紧接的特征a.和b.以彼此的组合的方式来实现。
这种设计方案是特别有利的，因为通常所述电极的这些区域并不有助于锂离子单池中的电化学过程并且因此能够以特别的优点用于锂-储备部。因此，在这种实施方式中尤其利用所述电极装置的边缘区域，以便在这里取代用在电化学上活性的组分进行的涂覆而用含锂的材料进行涂覆。
在一种特别优选的设计方案中，仅将所述负电极用于构造锂-储备部。在这种实施方式中，仅所述负电极具有至少一个区域，在所述区域中所述阳极集电器至少部分地不含在电化学上活性的组分，并且其中这个区域构造为锂-储备部。
在一种优选的改进方案中，按照本发明的锂离子单池突出之处在于直接紧随的特征a.至h.中的至少一个特征：
a. 所述锂-储备部包括在电化学上活性的锂，所述锂布置在阳极集电器和/或阴极集电器上的构造为锂-储备部的区域中，
b. 所述锂-储备部包括能活化的锂，所述锂布置在阳极集电器和/或阴极集电器上的构造为锂-储备部的区域中，
c. 所述锂-储备部包括至少一种含锂的化合物、尤其含锂的合金，其布置在阳极集电器和/或阴极集电器上的构造为锂-储备部的区域中，
d. 所述锂-储备部由锂箔形成，所述锂箔布置在阳极集电器和/或阴极集电器上的构造为锂-储备部的区域中，
e. 所述锂-储备部由锂带形成，所述锂带布置在阳极集电器和/或阴极集电器上的构造为锂-储备部的区域中，
f. 所述锂-储备部由经气相沉积的锂或含锂的材料形成，所述锂或含锂的材料布置在阳极集电器和/或阴极集电器上的构造为锂-储备部的区域中，
g. 所述锂-储备部由被封装的锂颗粒形成，所述锂颗粒布置在阳极集电器和/或阴极集电器上的构造为锂-储备部的区域中，
h. 所述锂-储备部由涂层形成，所述涂层布置在阳极集电器和/或阴极集电器上的构造为锂-储备部的区域中。
所述锂或含锂的材料例如能够以膏体或者其他涂层的形式被施加到正电极和/或尤其负电极的相应的区域上。例如，为此能够使用被封装的锂颗粒、如SLMP（StabilizedLithium Metal Powder（稳定的锂金属粉末），FMC集团，美国）。
所述锂能够以金属的形式例如以电化学的方式来沉淀、气相沉积或者压印。
所述锂-储备部能够以特别优选的方式通过循环作用来活化。
按照本发明的蓄能元件能够是纽扣单池。纽扣单池筒形地构成并且具有比其直径要小的高度。该纽扣单池适合用于为小型电子器件（如钟表、助听器和无线耳机）供给电能。
优选按照本发明的蓄能元件是筒形的纽扣单池，该纽扣单池具有圆形的上侧和圆形的下侧以及处于它们之间环形的周侧，所述上侧至少在中心的部分区域中平坦地构成，所述下侧至少在中心的部分区域中平坦地构成。所述上侧的平坦的区域或部分区域上的一个点与所述下侧的区域或部分区域上的一个点之间的最短间距优选处于4 mm到15 mm的范围内。所述纽扣单池的周侧上的两个点之间的最大间距优选处于5 mm到25 mm的范围内。在此，适用的规定是，所述周侧上的两个点之间的最大间距大于所述上侧与下侧上的两个点之间的间距。
所述构造为纽扣单池的按照本发明的蓄能元件的额定电容在一种作为锂离子单池的实施方式中通常为1500 mAh以下。优选所述额定电容处于100 mAh到1000 mAh的范围内、特别优选处于100到800 mAh的范围内。
按照本发明的蓄能元件也能够是筒形的圆形单池。筒形的圆形单池具有比其直径大的高度。它们适合于向现代的计量应用、安全应用和汽车应用（如例如电表、水表、燃气表、供热成本消耗测量仪表、医疗吸量管、传感器和报警系统、家用报警系统、传感器和传感器网络、用于汽车制造中的防盗系统的备用电池）供给电能。
优选所述圆形单池的高度处于15 mm到150 mm的范围内。所述筒形的圆形单池的直径优选处于10 mm到50 mm的范围内。在这个范围之内，例如18×65（以mm计的直径乘以高度）或者21×70（以mm计的直径乘以高度）的形状因数是特别优选的。具有这些形状因数的筒形的圆形单池尤其适合用于对机动车和模具的电驱动装置进行供电。
所述构造为筒形的圆形单池的按照本发明的蓄能元件的额定电容在一种作为锂离子单池的实施方式中通常为6000 mAh以下。就21×70的形状因数而言，所述单池在一种作为锂离子单池的实施方式中优选具有处于2000 mAh到5000 mAh的范围内、特别优选处于3000到4500 mAh的范围内的额定电容。
在欧盟，关于与二次电池的额定电容相关的数据的制造说明受到严格监管。因此，比如关于二次的镍钙电池的额定电容的数据基于按照标准IEC/EN 61951-1和IEC/EN60622的测量、关于二次的镍金属氧化物电池的额定电容的数据基于按照标准IEC/EN61951-2的测量、关于二次的锂电池的额定电容的数据基于按照标准IEC/EN 61960的测量并且关于二次的铅酸电池的额定电容的数据基于按照标准IEC/EN 61056-1的测量。在本申请中，每种关于额定电容的数据优选同样基于这些标准。在一种特别优选的设计方案中，按照本发明的锂离子单池如此构造，使得所述电极以按照所谓的接触板设计的绕组的形式来构成，如尤其在WO 2017/215900 A1中所描述的那样。对此要全面地参照WO 2017/215900A1。
在特别优选的实施方式中，按照本发明的锂离子单池突出之处在于，
- 在所述作为绕组存在的由电极和分隔件构成的复合结构的内部，所述正电极和负电极彼此错开地布置，从而所述阳极集电器的纵向边缘从位于端部的端侧中的一个端侧伸出，并且所述阴极集电器的纵向边缘从位于端部的端侧中的另一个端侧伸出，
- 按照本发明的锂离子单池具有金属的接触板，该金属的接触板平放在所述纵向边缘中的一个纵向边缘上，从而产生线状的接触区，并且
- 所述接触板沿着这个线状的接触区通过焊接与纵向边缘相连接。
在制造由电极和分隔件构成的复合结构时通常要注意，不要出现相反极化的集电器的单侧的突出，因为这可能提高短路危险。但是，在所描述的错开的布置的情况下最小化了短路危险，因为相反极化的集电器从所述绕组或堆的彼此对置的端侧伸出。
所述集电器的由错开的布置引起的突出情况能够加以利用，其方式为：借助于相应的电流分导件（Stromableiter）优选在其整个长度范围内对该集电器进行接触。作为电流分导件在此使用所提到的接触板。这能够非常明显地降低按照本发明的单池内部的内阻。所描述的布置方式由此能够很好地捕集（abfangen）大电流的出现。随着内阻的最小化，在强电流的情况下降低了热损耗。此外，通过极有助于热能的导散。
所述接触板又能够与按照本发明的单池的极、例如壳体极相连接。
存在多种如何能够将所述接触板与纵向边缘连接起来的可行方案。
所述接触板能够沿着线状的接触区通过至少一个焊缝与纵向边缘相连接。所述纵向边缘按照本发明能够包括一个或多个区段，所述区段分别在其整个长度范围内通过焊缝来连贯地与接触板相连接。
在一种可能的改进方案中，所述在其整个长度范围内与接触板连贯地连接的一个或多个区段能够在纵向边缘的总长度的至少25%、优选至少50%、特别优选至少75%的范围内延伸。
特别优选的是，所述纵向边缘能够在其整个长度范围内连贯地与接触板焊接在一起。
在一些优选的实施方式中，按照本发明的单池具有以下特征中的至少一个特征：
- 所述接触板是具有处于200 µm到1000 µm、优选400-500 µm的范围内的厚度的金属板，
- 所述接触板由铝、钛、镍、优质钢或镀镍钢制成。
所述接触板能够具有至少一个缝隙和/或至少一个穿孔。它们用于在建立焊接连接时抑制板的变形。
在优选的实施方式中，所述接触板具有盘片的形状、尤其圆形的或至少近似圆形的盘片的形状。所述接触板而后因此具有外部的圆形的或至少近似圆形的盘片边缘。“近似圆形的盘片”在此尤其应该是指一种盘片，其具有圆圈的形状，该圆圈具有至少一个被分开的圆弧段、优选具有两个到四个被分开的圆弧段。
特别优选，按照本发明的单池具有第一接触板和第二接触板，所述第一接触板平放在阳极集电器的纵向边缘上，从而产生具有螺旋形的几何形状的线状的第一接触区，所述第二接触板平放在阴极集电器的纵向边缘上，从而产生具有螺旋形的几何形状的线状的第二接触区。优选所述两块接触板与按照本发明的单池的极、例如壳体极相连接。
在特别优选的实施方式中，所述第一接触板和阳极集电器都由相同的材料制成。所述材料特别优选从具有铜、镍、钛、镀镍钢和优质钢的组类中选择。
所述第二接触板和阴极集电器特别优选都由相同的材料制成，所述材料来自具有铝、钛和优质钢（例如类型1.4404）的组类。
此外，本发明包括一种用于二次的电化学的锂离子单池的绕组或堆。所述绕组或堆具有以下特征：
a. 所述绕组或堆包括至少一个作为负电极的复合电极，其中所述复合电极包括至少一个阳极集电器和至少一种在电化学上活性的能够将锂离子转入和转出的组分，
b. 所述绕组或堆包括至少一个作为正电极的复合电极，其中所述复合电极包括至少一个阴极集电器和至少一种在电化学上活性的能够将锂离子转入和转出的组分，
c. 所述负电极和正电极通过分隔件来彼此分开，
d. 所述负电极和/或正电极具有至少一个区域，在所述区域中所述阳极集电器和/或阴极集电器至少部分地不含在电化学上活性的组分，并且其中这个区域构造为锂-储备部。
关于这种绕组或这种堆的另外的特征并且尤其在锂-储备部的构造方面要参照以上描述。
此外，本发明包括一种用于制造所描述的绕组或所描述的堆的方法，所述绕组或堆设置用于二次的电化学的锂离子单池。这种方法包括以下步骤：
a. 提供作为负电极的复合电极，其方式为：用至少一种在电化学上活性的能够将锂离子转入和转出的组分在两侧对带状的和/或面状的阳极集电器进行涂覆，
b. 提供作为正电极的复合电极，其方式为：用至少一种在电化学上活性的能够将锂离子转入和转出的组分在两侧对带状的和/或面状的阴极集电器进行涂覆，
c. 在用在电化学上活性的组分对所述阳极集电器和/或阴极集电器进行涂覆时，空出至少一个不用相应的电化学的组分来涂覆的区域，
d. 向所述至少一个所空出的区域加载用于构造锂-储备部的含锂的材料，
e. 将所述负电极和正电极与至少一个分隔件一起加工成绕组或堆。
关于这种制造方法的另外的优点尤其在电极和用于锂-储备部的区域方面要参照以上描述。
最后，本发明包括一种用于以上面所描述的方式来制造电化学的锂离子单池的方法。这种方法包括以下步骤：
a. 提供如上所述的绕组或堆，
b. 将所述绕组或堆放在壳体中，
c. 给所述绕组或堆配备至少一个电解质，
d. 使所述负电极和正电极与所述壳体或者与能够引导通过所述壳体的电导体电接触，
e. 将所述壳体闭合。
所述壳体尤其是对这样的单池来说常见的壳体，例如是用于筒形的圆形单池或纽扣单池的壳体。此外，所述方法优选包括对所述负电极和正电极的电接触。在一些优选的实施方式中，所述电接触借助于单独的电导体来进行。但是，尤其在上面所描述的接触板设计的情况下也能够规定，通过所述接触板来进行与所述壳体的直接接触。
本发明的另外的特征和优点从以下结合附图对实施例所作的描述中得出。在此各个特征能够分别本身或者在彼此的组合中实现。
附图说明
在附图中：
图1以平面图按照本发明的一种优选的实施方式示出了正电极和负电极的示意图；并且
图2以横截面按照本发明的在图1中示出的优选的实施方式示出了负电极和正电极的示意图；并且
图3按照本发明的一种优选的实施方式示出了呈绕组的形式的布置在壳体中的电极装置的示意图（横截面）；
图4示出了在一种具有穿孔的设计方案中的集电器的俯视图；
图5示出了图4中所示出的集电器的剖切的视图；
图6示出了负电极的俯视图，该负电极能够被加工成按照本发明的锂离子单池；
图7示出了图6中所示出的负电极的剖切的视图；
图8示出了在使用图7中所示出的负电极以及正电极和两个分隔件的情况下所制造的复合结构的俯视图；并且
图9示出了图8中所示出的由电极和分隔件构成的复合结构的剖切的视图。
具体实施方式
图1和图2以示意性的方式以平面图（图1）并且以横截面（图2）示出了负电极10和正电极20。在该实施例中，所述带状地构造的负电极10在端部上具有区域11，该区域构造为锂-储备部。不仅所述负电极10而且所述正电极20都构造为复合电极，其中在负电极10的情况下的阳极集电器12以及在正电极20的情况下的阴极集电器22在两侧涂有在电化学上活性的组分13或者23。所述负电极10的在电化学上活性的组分13例如能够是由硅和石墨和电极粘结剂构成的混合物。所述正电极20的在电化学上活性的组分23例如能够是粘结剂基质中的颗粒状的锂-金属氧化物-化合物。
对于所述负电极10来说，在所述带状的电极的端部上在所述阳极集电器12的侧部上存在区域11，该区域构造为锂-储备部。在所述区域11中所包含的含锂的材料例如能够是锂箔或锂带。在其它实施例中，在这里能够涉及气相沉积的锂或者膏体中或其它涂层中的锂物质。例如，所述含锂的材料能够由被封装的锂颗粒形成，所述锂颗粒以涂层的形式被施加到阳极集电器12上。
所述阳极集电器12和阴极集电器22能够是通常的可导电的箔、尤其是金属箔或箔带。对于负电极来说，尤其铜或镍适合于此。对于正电极来说，尤其铝适合于此。优选所述阳极集电器和阴极集电器以结构化的形式存在、例如以被冲孔的形式或者作为开孔的泡沫而存在。
图3以示意性的方式示出了由电极10和20形成的绕组100的结构。所述绕组100螺旋状地构建，其中由通过分隔件40来彼此分开的负电极10和正电极20构成的复合结构通过围绕着绕组轴线的绕组来构建。为更好的简明起见，所述电极10和20以及分隔件40彼此隔开地绘出。在实际上，它们紧挨着上下放置并且例如通过层压来彼此连接。外部的线匝向外由负电极10形成，其中所述负电极10的外侧部分地包括区域11，该区域构造为锂-储备部。在这个区域中，所述负电极10不是用在电化学上活性的组分来涂覆，而是取而代之用锂材料来加载。所述负电极10的外部区域不是朝向正电极20，而是与壳体30的内侧对置。
图4和图5示出了被穿孔的集电器110的设计，该集电器能够被用在按照本发明的单池中。图4是沿着S1的剖面。所述集电器110包括多个穿孔111，所述穿孔是直角的孔。所述区域110a通过穿孔111来表示，而在所述区域110b中沿着纵向边缘110e则没有发现穿孔。因此，所述集电器110在区域110a中具有比在区域110b中明显更小的单位面积重量。
图6和图7示出了负电极120，该负电极在将负的电极材料123在两侧涂覆到图4和图5中所示出的集电器110上的情况下制成。图7是沿着S2的剖面。所述集电器110现在具有带状的主区域122以及自由的边缘带121，所述主区域用由负的电极材料123构成的层来装载，所述自由的边缘带沿着纵向边缘110e延伸并且所述自由的边缘带没有用电极材料123来装载。所述电极材料123此外也填充了穿孔111。
图8和图9示出了电极-分隔件-复合结构104，该电极-分隔件-复合结构在使用图6和图7中所示出的负电极120的情况下制成。此外，该电极-分隔件-复合结构包括正电极130和分隔件118和119。图9是沿着S3的剖面。所述正电极130在与负电极120相同的集电器设计方面进行构造。优选所述负电极120和正电极130的集电器110和115的区别仅在于各自的材料选择。因此，所述正电极130的集电器115包括带状的主区域116和自由的边缘带117，所述主区域用由正的电极材料125构成的层来装载，所述自由的边缘带沿着纵向边缘115e延伸并且所述自由的边缘带没有用电极材料125来装载。通过螺旋形的卷绕，所述复合结构104能够被转化成如能够被包含在按照本发明的单池中的那样的绕组。

Claims (15)

1.二次的电化学的锂离子单池，具有以下特征：
a. 所述锂离子单池包括至少一个作为负电极（10）的复合电极，其中所述复合电极包括至少一个阳极集电器（12）和至少一种在电化学上活性的能够将锂离子转入和转出的组分（13），
b. 所述锂离子单池包括至少一个作为正电极（20）的复合电极，其中所述复合电极包括至少一个阴极集电器（22）和至少一种在电化学上活性的能够将锂离子转入和转出的组分（23），
其特征在于以下特征：
c. 所述负电极（10）和/或正电极（20）具有至少一个区域（11），在所述区域中所述阳极集电器（12）和/或阴极集电器（22）至少部分地不含在电化学上活性的组分，并且其中这个区域（11）构造为锂-储备部。
2.根据权利要求1所述的电化学的锂离子单池，具有以下额外的特征：
a. 构造为复合电极的所述负电极（10）和构造为复合电极的所述正电极（20）分别为带状，
b. 所述负电极（10）和正电极（20）通过分隔件（40）来彼此分开，
c. 所述负电极（10）和正电极（20）是绕组（100）的组成部分。
3.根据权利要求2所述的电化学的锂离子单池，具有以下额外的特征：
a. 所述区域（11）处于所述带状的负电极（10）和/或所述带状的正电极（20）的纵向端部上，
b.具有所述锂-储备部的所述区域（11）形成所述绕组（100）的外侧并且/或者限定了所述绕组（100）的中心中的空腔。
4.根据权利要求1所述的电化学的锂离子单池，具有以下额外的特征：
a.构造为复合电极的所述负电极（10）和构造为复合电极的所述正电极（20）是下述堆的组成部分，在所述堆中所述负电极和所述正电极上下叠置地布置，
b. 所述负电极（10）和正电极（20）通过分隔件来彼此分开，
c. 所述区域（11）处于所述带状的负电极（10）和/或所述带状的正电极（20）的边缘上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电化学的锂离子单池，具有以下额外的特征：
a. 所述阳极集电器（12）和所述阴极集电器（22）分别具有两个与环绕的边缘分开的平坦侧部并且在两侧涂有在电化学上活性的组分（13、23），
b.构造为锂-储备部的所述区域（11）处于所述阳极集电器（12）和/或所述阴极集电器（22）的仅一个平坦侧部上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电化学的锂离子单池，具有以下额外的特征：
a. 所述锂离子单池包括壳体（30），所述壳体包围着所述负电极（10）和所述正电极（20），
b. 所述负电极（10）的或所述正电极（20）的区域（11）面向所述锂离子单池的壳体（30）。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电化学的锂离子单池，具有以下特征：
a. 仅所述负电极（10）具有所述构造为锂-储备部的至少一个区域（11）。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电化学的锂离子单池，具有以下额外的特征中的至少一个特征：
a. 所述锂-储备部包括在电化学上活性的锂，所述锂布置在所述阳极集电器（12）和/或所述阴极集电器（22）上的区域（11）中，
b. 所述锂-储备部包括能活化的锂，所述锂布置在所述阳极集电器（12）和/或所述阴极集电器（22）上的区域（11）中，
c. 所述锂-储备部包括至少一种含锂的化合物、尤其含锂的合金，其布置在所述阳极集电器（12）和/或所述阴极集电器（22）上的区域（11）中，
d. 所述锂-储备部由锂箔形成，所述锂箔布置在所述阳极集电器（12）和/或所述阴极集电器（22）上的区域（11）中，
e. 所述锂-储备部由锂带形成，所述锂带布置在所述阳极集电器（12）和/或所述阴极集电器（22）上的区域（11）中，
f. 所述锂-储备部由经气相沉积的锂或含锂的材料形成，所述锂或含锂的材料布置在所述阳极集电器（12）和/或所述阴极集电器（22）上的区域（11）中，
g. 所述锂-储备部由经封装的锂颗粒形成，所述锂颗粒布置在所述阳极集电器（12）和/或所述阴极集电器（22）上的区域（11）中，
h. 所述锂-储备部由涂层形成，所述涂层布置在所述阳极集电器（12）和/或所述阴极集电器（22）上的区域（11）中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电化学的锂离子单池，具有以下额外的特征：
a. 所述锂-储备部能够通过循环作用来活化。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电化学的锂离子单池，具有以下特征之一：
a. 所述锂离子单池是筒形的圆形单池，
b. 所述锂离子单池是纽扣单池。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电化学的锂离子单池，具有以下额外的特征：
a. 所述负电极（10）和所述正电极（20）是根据权利要求2或权利要求3所述的绕组（100）的组成部分或者根据权利要求4所述的堆的组成部分，
b. 所述负电极（10）和所述正电极（20）在所述绕组（100）的内部或者在所述堆的内部错开地布置，使得所述阳极集电器（12）的纵向边缘从所述绕组或所述堆的一个位于端部的端侧伸出，并且所述阴极集电器（22）的纵向边缘从所述绕组或所述堆的另一个位于端部的端侧伸出，
c. 所述阳极集电器（12）的纵向边缘和/或所述阴极集电器（22）的纵向边缘设置用于与所述锂离子单池的壳体的一部分接触。
12.用于二次的电化学的锂离子单池的绕组（100）或堆，其中所述绕组（100）或堆具有以下特征：
a. 所述绕组（100）或堆包括至少一个作为负电极（10）的复合电极，其中所述复合电极包括至少一个阳极集电器和至少一种在电化学上活性的能够将锂离子转入和转出的组分，
b. 所述绕组（100）或堆包括至少一个作为正电极（20）的复合电极，其中所述复合电极包括至少一个阴极集电器和至少一种在电化学上活性的能够将锂离子转入和转出的组分，
c. 所述负电极（10）和所述正电极（20）通过分隔件来彼此分开，
其特征在于以下特征：
d. 所述负电极（10）和/或所述正电极具有至少一个区域（11），在所述区域中所述阳极集电器和/或所述阴极集电器至少部分地不含所述在电化学上活性的组分，并且其中这个区域（11）构造为锂-储备部。
13.根据权利要求12所述的绕组或堆，其中所述绕组（100）或所述堆的特征此外在于根据权利要求2至11所述的特征中的至少一个特征。
14.用来制造根据权利要求12或权利要求13所述的用于二次的电化学的锂离子单池的绕组（100）或堆的方法，所述方法具有以下步骤：
a. 提供作为负电极（10）的复合电极，其方式为：在两侧用至少一种在电化学上活性的能够将锂离子转入和转出的组分（13）对带状的和/或面状的阳极集电器（12）进行涂覆，
b. 提供作为正电极（20）的复合电极，其方式为：在两侧用至少一种在电化学上活性的能够将锂离子转入和转出的组分（23）对带状的和/或面状的阴极集电器（22）进行涂覆，
c. 在用所述在电化学上活性的组分对所述阳极集电器（12）和/或所述阴极集电器（22）进行涂覆时，空出至少一个不用相应的电化学的组分来涂覆的区域（11），
d. 向所述至少一个所空出的区域（11）加载用于构造锂-储备部的含锂的材料，
e. 将所述负电极（10）和所述正电极（20）与至少一个分隔件一起加工成绕组（100）或堆。
15.用来制造根据权利要求1到11中任一项所述的电化学的锂离子单池的方法，具有以下步骤：
a. 提供能够根据权利要求14制造的绕组（100）或堆，
b. 将所述绕组（100）或堆放在壳体（30）中，
c. 给所述绕组（100）或堆配备至少一个电解质，
d. 使所述负电极（10）和所述正电极（20）与所述壳体（30）或者与能够引导通过所述壳体（30）的电导体电接触，
e. 将所述壳体（30）闭合。
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