[发明专利]具有结构化活性材料的电池单元

说明书

本发明涉及一种电池单元，特别是锂离子电池单元，具有包含正极活性材料(333)的正极(3)并且具有包含负极活性材料(111)的负极(1)，其中正极活性材料(333)和/或负极活性材料(111)结构化为使得空腔(4)位于相邻的正极活性材料区域(333a)之间和/或相邻的负极活性材料区域(111a)之间，该空腔(4)在空间上将相邻的正极活性材料区域(333a)和/或相邻的负极活性材料区域(111a)彼此分开，并且其中该空腔(4)至少部分地填充有电绝缘材料(5)。

技术领域

本发明涉及一种电池单元，一种包括该电池单元的电池，以及根据独立权利要求的前序部分所述的电池的应用。

背景技术

电池单元是电化学能量存储器，其在放电时通过电化学反应将存储的化学能转换成电能。很明显，在可靠性、安全性、性能和寿命方面必须满足非常苛刻要求的新电池单元系统将来将用于固定应用(如风力发电厂)、机动车辆(被设计成混动或电动的机动车辆)和电子设备。锂离子电池由于其高能量密度而被特别用作电动机动车辆的能量存储器。

US 8920522 B2公开了一种负极活性材料，其中活性材料的表面具有不平坦的图案，使得活性材料层的表面变大。

US 8685560 B2公开了一种子单元，其中每个子单元具有多个电解质层以及一个或多个导电结构，该导电结构至少部分地被活性材料覆盖并具有引线。

发明内容

本发明提供一种电池单元，特别是锂离子电池单元，其具有包含正极活性材料的正极并且具有包含负极活性材料的负极；并且还提供一种具有独立权利要求的特征的电池及其应用。

锂离子电池单元包括至少一个负极和至少一个正极，其可以可逆地结合并释放锂离子。此外，锂离子电池单元包括至少一个隔膜，该隔膜在空间和电气上将负极和正极彼此分离。负极、隔膜和正极可彼此卷起或彼此堆叠。

正极包括例如正极载体箔(support foil)，其是导电的并且包括例如铝。将正极活性材料例如各种锂-金属氧化物的组合涂覆到正极载体箔的至少一部分上。

负极包括例如负极载体箔，其是导电的并且包括例如铜。将负极活性材料(例如基于天然和/或合成的石墨)涂覆到负极载体箔的至少一部分上。

隔膜的材料包括例如聚烯烃，特别是聚丙烯和/或聚乙烯、氟化聚烯烃、聚酰亚胺、聚酰胺、烷烃、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯和/或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

为了能够在电极(即负极和正极)中发生锂离子的结合和释放过程，需要锂离子导体。它以电解质的形式呈现。

电解质包括例如非环状碳酸酯(例如碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯或碳酸二乙酯)或环状碳酸酯(例如碳酸亚乙酯或碳酸亚丙酯)的混合物，其中导电盐例如六氟磷酸锂(LiPF₆)、高氯酸锂(LiClO₄)、六氟砷酸锂(LiAsF₆)或四氟硼酸锂(LiBF₄)已溶解。

在锂离子电池充电期间，锂离子通过电解质从正极迁移到负极并结合到后者中。同时，电子同样通过外部电路从正极迁移到负极。在锂离子电池放电期间，这些过程以相反的方向发生，使得锂离子从负极迁移到正极并结合到后者中。

由于意外，例如由极高或极低的温度或在过度充电或深度放电的情况下或在电池单元中污染(例如，在生产过程中无意地进入电池单元的金属颗粒)的情况下造成对电池的影响，电池单元内部的温度会大大升高。一旦这样的升温开始，就很难停止。电池单元中的高温导致例如电解质分解或隔膜收缩。这种安全风险例如导致气体形成和该气体的爆炸性释放，以及短路。为了防止这种反应，有必要在早期关键时刻识别这种情况并迅速中断离子流或电流的流动。