WO2015114074A1 - Electric battery cell, especially rechargeable lithium-sulfur battery cell, comprising a volume compensating element - Google Patents

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WO2015114074A1
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volume
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volume compensation
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Thomas Wöhrle
Thomas Kretschmar
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Galvanic battery cell in particular rechargeable lithium-sulfur battery cell, with volume compensation element
  • the present invention relates to a galvanic battery cell having at least one volume compensation element, wherein the galvanic battery cell is in particular a rechargeable lithium-sulfur battery cell. Furthermore, the present invention relates to a rechargeable lithium-sulfur battery having at least two of the lithium-sulfur battery cells according to the invention. By the term battery is meant here that at least two battery cells are interconnected.
  • lithium-ion battery technology which stands out for its high energy density and extremely low self-discharge.
  • Known rechargeable lithium-ion batteries consist of at least one, usually two and more lithium-ion battery cells, which have at least one positive and one negative electrode, which lithium ions can reversibly on or off again.
  • lithium-ion battery cell An example of such a known lithium-ion battery cell can be found in DE 10 201 1015 830 A1, which contains an electrode stack which has a plurality of electrode sheets and separator sheets arranged therebetween. Furthermore, the lithium-ion battery cell described therein comprises one or more
  • Volume compensation devices which serve to compensate for changes in the volume of the electrochemical cell, which are caused in particular by charging and discharging of the cell, in relation to a cell holding device, so that the cell is uniformly frictionally or frictionally operatively connected to the cell holding device.
  • lithium-ion battery cells have the disadvantage that their energy density in relation to their weight is not high enough, for example, to provide sufficient electric vehicles, in particular to achieve, for example, a satisfactory range of the electric vehicle. Consequently, the research is on
  • Desired values may be in the range of 100 N / cm 2 . If this pressure is not guaranteed, the return of lithium tends to be undesirable in one
  • bag battery cells also known as pouch cells or soft packs, which have a soft outer packaging, for example based on aluminum composite foil. Consequently, it seems questionable whether such a volume change in lithium-sulfur battery cells can ever be completely prevented or in principle must be tolerated. It can therefore be assumed that a uniform pressure load on the battery cell or its electrodes is required, which can be achieved, for example, by a constant force introduction or pressurization independent of the volume of the battery cell or of its cell dimension.
  • the present invention provides a galvanic battery cell, in particular a lithium-sulfur battery cell.
  • Battery cell has a housing and electrodes, that is at least one
  • Anode which is preferably a lithium metal anode or an anode made of a lithium alloy, a carbon or a silicon-carbon composite material, and at least one sulfur cathode.
  • the battery cell according to the invention on a Separatorelement, between the electrodes, ie between the anode, that is, the negative
  • Electrode, and the cathode, that is, the positive electrode is arranged to separate them from each other, as well as at least one elastic reversible volume compensation element, which compensates for a potential
  • volume change or the volume thrusts of the anode and / or the cathode is used. Accordingly, according to the invention is such
  • Volume compensating element preferably in the form of a volume-compressible layer, between the known necessary
  • Battery elements such as the electrodes, in particular between the anode or cathode and separator elements introduced, or the
  • Volume compensation element is provided as part of the separator or as a current collector or part of a current collector of one of the electrodes of the battery cell.
  • the volume compensation element can therefore be considered more elastic
  • the battery cell according to the invention may be provided as Abieiter at the cathode and anode or as an additional element outside of the anode, separator or cathode.
  • the battery cell according to the invention a hard shell battery cell, ie a so-called hardcase cell with a hard shell housing, for example made of deep-drawn aluminum, or a bag battery cell with a bag-like housing or a soft packaging, for example
  • Aluminum composite foil also known as a pouch cell or soft pack.
  • a plurality of volume compensation elements may be provided in the battery cell according to the invention, at least one of which as part of the
  • Separator element at least one as a collector or part of the collector of one of the electrodes and at least one is formed as a separate component.
  • At least one or even each volume compensation element comprises an elastic, network-like or porous structure, which the
  • Volume compensation element in addition to its elasticity preferably has a porosity of 5 to 95% by volume, more preferably from 20 to 80% by volume, most preferably from 30 to 70% by volume.
  • the porous according to the invention preferably has a porosity of 5 to 95% by volume, more preferably from 20 to 80% by volume, most preferably from 30 to 70% by volume.
  • Volume compensation element may also receive, store and / or release a liquid electrolyte or a gel electrolyte of the battery cell.
  • the volume compensation element can be used to dissipate heat through the housing to the outside, so perceive additional cooling functions in the form of a derivative of heat over existing metals.
  • Volume compensation element may be a nonwoven, a volume nonwoven a porous membrane or a foam element.
  • polyimide on polyester aramid but also on cellulose based nonwoven separators.
  • One example is a polyimide-based separator sold under the trade name Energain® by DuPont (USA).
  • the volume compensation element comprises a metal-based material, in particular aluminum, nickel, copper or stainless steel, a carbon-based material or a cellulosic, plastic or glass based material, wherein the
  • volume compensation element can also consist entirely of this material.
  • the volume compensation element may also comprise a composite of two or more of these materials or even consist entirely of this. In the event that the volume compensation element as
  • Collector or part of a collector of an electrode is provided, the glass or plastic-based materials are preferably coated over the entire surface with metal or carbon to ensure their conductivity.
  • the volume compensation element of the battery cell according to the invention has on at least one side surface on a conductive layer, which preferably comprises aluminum, copper, nickel, stainless steel, carbon black, graphite or graphene, or may consist entirely of this material.
  • a conductive layer which preferably comprises aluminum, copper, nickel, stainless steel, carbon black, graphite or graphene, or may consist entirely of this material.
  • Volume compensating element formed volume compensating layer may further be provided on both sides with a thin, electrically conductive layer. With “side” is thereby one of the two sides of the
  • Volume compensation element meant, the surface of which is large compared to the surface of the remaining side surfaces of the volume compensation element.
  • This layer is applied to the back of an electrode and could additionally serve as a current collector (synonym for collector), referred to in English in this form as "current collector foil”.
  • the battery cell according to the invention is preferably in the form of a
  • Stack assembly formed, which is composed of at least the sulfur cathode, the separator element, the anode and the volume compensation element in this order.
  • the housing preferably surrounds the
  • the volume change therefore runs in a direction substantially perpendicular to the main surface of the individual
  • Battery cell elements that is, in a so-called thickness direction of the battery cell, wherein the volume compensation element can at least partially compensate for the change in volume, preferably completely compensate.
  • the volume change can in such an arrangement as Thickness change of the cell will be described.
  • the necessary thickness of all volume compensation elements is in particular by the
  • the total compressible length of all volume compensation elements must be at least on the order of the total transferred lithium anode layer thickness.
  • the battery cell according to the invention may comprise a stacked arrangement, which is constructed at least from the sulfur cathode, the separator element and the anode in this order, wherein the compensation element is formed as part of the separator and at least partially compensates for the change in volume.
  • the housing preferably surrounds the
  • separators for which in particular separators based on polyester or preferably polyimide are suitable. Both mentioned separators are preferably nonwovens, which consist of a phase-shaped network.
  • volume compensation element also outside the battery cell, ie outside the arrangement of anode, sulfur cathode, separator and
  • Volume compensation element may be arranged, preferably wherein the additional volume compensation element acts as electrical insulation.
  • the additional volume compensation element acts as electrical insulation.
  • a corresponding additional or additional volume compensation element can also be arranged between the individual cells. In such a case, an additional function of the electrical insulation could be integrated by the volume compensation element.
  • the battery cell according to the invention in particular the volume compensation element of the battery cell according to the invention achieves a volume balance within each battery cell when charging and / or discharging the respective cell, while constant force application or pressurization in particular to the individual lithium-sulfur battery cell elements, without a significant increase in weight with it bring. It represents a significant improvement to a complex battery cell design with necessary
  • the total specific energy ie the quotient of stored energy and mass of the total module is not significantly reduced.
  • the battery cell according to the invention achieved by means of the volume compensation element can in principle be used both in hardcase cells and in pouch cells, wherein in both cases the desired volume compensation is made possible inside the cell. Due to the full-surface conditioning of the volume compensation element a very constant and homogeneous distribution of force is achieved. This in turn is very advantageous for the life and cycle stability of the respective battery cell.
  • Figure 1 of the present invention shows a schematic layer structure of a lithium-sulfur battery cell according to a preferred embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows a preferred embodiment of the battery cell according to the invention, and more precisely the layer structure of a battery cell according to the preferred embodiment in partial cross-section.
  • the layer structure shown extends from the center starting on both sides in a similar structure, which is arranged overall in a housing 1, of which in the figure in the sectional view, only the two outer walls are shown, which limit the layer structure from the outside.
  • the illustrated battery cell Outwardly from the middle of the layer structure, the illustrated battery cell has a current collector 6, which discharges the current from a cathode 3, then the cathode 3 itself, a separator 4, an anode protection layer 7, an anode 2, and a volume compensation element 5 with respective ones optional current arrester coatings 51. All components of the layer structure are present in layer form, which are stacked accordingly.
  • the cathode 3 has sulfur, which is preferably present in an electrically conductive mixture, for example in a carbon structure.
  • the separator 4 is used in the layer structure as insulation and separation between the sulfur cathode 3 and the anode 2, which includes lithium here.
  • the anode protective layer 7 is arranged, which inter alia serves to protect the lithium anode 2 from the usually aggressive electrolyte and the dissolved lithium sulfides, which are further contained in the battery cell.
  • the anode protective layer 7 can be constructed of a solid organic, inorganic or ceramic lithium-ion conductor.
  • the volume compensation element 5 is in the present
  • Embodiment as a separate component and includes a cross-linked flexible aluminum structure with high porosity, for example, 80% by volume.
  • the compensation element 5 also from a Carbon web be constructed, or alternatively, from polymeric materials.
  • the porosity of the volume compensation element 5 gives it, inter alia, its desired flexibility, by which a potential
  • volume change of the electrodes 2, 3 can be compensated. Further, electrolyte (not shown) contained in the battery cell can thereby be contained in the battery cell
  • volume compensation element 5 is added or stored, which can be dispensed again as needed.
  • the current conductor coatings 51 of the volume compensation element 5, which are provided as an optional component of the volume compensation element 5, in the present embodiment comprise copper or nickel layers, which conduct the current of the lithium anode 2.
  • the housing 1 of the battery cell shown in Figure 1 is in the preferred embodiment, a part of a hard shell housing 1, in which the described layer structure is completely absorbed.
  • volume changes of the electrodes 2, 3 may occur during their charging or discharging, as already described above.
  • the metallic lithium of the anode 2 is gradually reduced and combines with the sulfur of the cathode 3 to polysulfides dissolved in the electrolyte.
  • the polysulfides finally precipitate as LiS 2 and Li 2 S in or on the porous cathode 3, resulting in a change in the volume of the electrodes 2, 3 and thus of the total cell volume.
  • the volume compensation element 5 can damage the
  • Housing 1 by occurring during charging or discharging of the battery cell expansion forces of the expanding electrodes 2, 3 prevent and thereby provide a significant safety factor for the use of lithium-sulfur battery cells.

Abstract

The invention relates to an electric battery cell, in particular a lithium-sulfur battery cell, comprising a housing (1), at least one anode (2), at least one sulfur cathode (3), a separator element (4) between the anode (2) and the cathode (3), and at least one elastic volume-compensating element (5) for compensating variations in the volume of the anode (2) and/or the cathode (3). The invention further relates to a rechargeable lithium-sulfur battery comprising at least two lithium-sulfur battery cells of said type.

Description

Beschreibung Titel  Description title
Galvanische Batteriezelle, insbesondere wiederaufladbare Lithium-Schwefel- Batteriezelle, mit Volumenausgleichselement  Galvanic battery cell, in particular rechargeable lithium-sulfur battery cell, with volume compensation element
Stand der Technik State of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft eine galvanische Batteriezelle mit zumindest einem Volumenausgleichselement, wobei die galvanische Batteriezelle insbesondere eine wiederaufladbare Lithium-Schwefel-Batteriezelle ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine wiederaufladbare Lithium-Schwefel-Batterie mit zumindest zwei der erfindungsgemäßen Lithium-Schwefel-Batteriezellen. Mit dem Begriff Batterie ist hier gemeint, dass mindestens zwei Batteriezellen verschaltet sind. Die Begriffe The present invention relates to a galvanic battery cell having at least one volume compensation element, wherein the galvanic battery cell is in particular a rechargeable lithium-sulfur battery cell. Furthermore, the present invention relates to a rechargeable lithium-sulfur battery having at least two of the lithium-sulfur battery cells according to the invention. By the term battery is meant here that at least two battery cells are interconnected. The terms
Batteriezelle und Zelle werden in der vorliegenden Schrift synonym verwendet. Battery cell and cell are used synonymously in the present specification.
In verschiedenen Technologie-Bereichen kommen in letzter Zeit vermehrt hochentwickelte wiederaufladbare Batterien, auch als Sekundärbatterie oder Akkumulatoren bezeichnet, zum Einsatz, das heißt ein paralleler oder serieller Zusammenschluss mehrerer einzelner elektrisch verschalteter wiederaufladbarer Batteriezellen zu einem Batteriepack oder einem sogenannten Batteriemodul. Recently, highly sophisticated rechargeable batteries, also referred to as secondary batteries or accumulators, are being used in various technology fields, ie a parallel or serial combination of a plurality of individual electrically connected rechargeable battery cells to form a battery pack or a so-called battery module.
Anwendungsmöglichkeiten für derartige Batterien sind zum Beispiel im Applications for such batteries are for example in
Kraftfahrzeugbereich zum Antrieb eines Elektromotors oder eines Elektro- Zusatzmotors zu finden, der zusätzlich zu einem herkömmlichen Verbrennungsmotor vorgesehen sein kann, beispielsweise in einem Hybridfahrzeug oder dergleichen, sowie in anderen technischen Bereichen, wie zum Beispiel bei stationären Anlagen, Mobilfunktelefonen, Smartphones, tragbaren Computer, Videokameras oder MP3- Playern. Bereits für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen bekannt ist dabei die Lithium-Ionen-Batterietechnologie, die sich durch eine hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung hervorhebt. Bekannte wiederaufladbare Lithium- Ionen-Batterien bestehen dabei aus mindestens einer, üblicherweise aus zwei und mehr Lithium-Ionen-Batteriezellen, die mindestens eine positive und eine negative Elektrode besitzen, welche Lithium-Ionen reversibel ein- oder wieder auslagern können. Ein Beispiel für eine derartige bekannte Lithium-Ionen-Batteriezelle ist in DE 10 201 1 015 830 A1 zu finden, die einen Elektrodenstapel enthält, welcher mehrere Elektrodenblätter und dazwischen angeordnete Separatorblätter aufweist. Ferner umfasst die darin beschriebene Lithium-Ionen-Batteriezelle ein oder mehrere To find motor vehicle area for driving an electric motor or an additional electric motor, which may be provided in addition to a conventional internal combustion engine, for example in a hybrid vehicle or the like, as well as in other technical areas, such as stationary equipment, mobile phones, smartphones, portable computers, Video cameras or MP3 players. Already known for a wide range of applications is the lithium-ion battery technology, which stands out for its high energy density and extremely low self-discharge. Known rechargeable lithium-ion batteries consist of at least one, usually two and more lithium-ion battery cells, which have at least one positive and one negative electrode, which lithium ions can reversibly on or off again. An example of such a known lithium-ion battery cell can be found in DE 10 201 1015 830 A1, which contains an electrode stack which has a plurality of electrode sheets and separator sheets arranged therebetween. Furthermore, the lithium-ion battery cell described therein comprises one or more
Volumenkompensationseinrichtungen, die dazu dienen, Volumenänderungen der elektrochemischen Zelle, die insbesondere durch Lade- und Entladevorgänge der Zelle bedingt sind, im Verhältnis zu einer Zellhalteeinrichtung auszugleichen, damit die Zelle gleichmäßig kraft- oder reibschlüssig mit der Zellhalteeinrichtung wirkverbunden ist. Volume compensation devices which serve to compensate for changes in the volume of the electrochemical cell, which are caused in particular by charging and discharging of the cell, in relation to a cell holding device, so that the cell is uniformly frictionally or frictionally operatively connected to the cell holding device.
Lithium-Ionen-Batteriezellen haben jedoch den Nachteil, dass deren Energiedichte im Verhältnis zu deren Gewicht nicht hoch genug ist, um beispielsweise Elektrofahrzeuge ausreichend zu versorgen, insbesondere um zum Beispiel eine zufriedenstellende Reichweite des Elektrofahrzeugs zu erzielen. Folglich ist die Forschung auf However, lithium-ion battery cells have the disadvantage that their energy density in relation to their weight is not high enough, for example, to provide sufficient electric vehicles, in particular to achieve, for example, a satisfactory range of the electric vehicle. Consequently, the research is on
Kraftfahrzeugtechnikgebiet bestrebt, neue Konzepte für Sekundärbatteriezellen zu entwickeln. Das gegenwärtig vielversprechendste Zukunftskonzept für Automotive Engineering seeks to develop new concepts for secondary battery cells. The currently most promising future concept for
Sekundärbatterien beruht dabei auf einer Lithium-Schwefel-Basis, die die bekannten Einschränkungen hinsichtlich Energiedichte und damit auch hinsichtlich der stark beschränkten Reichweite von Elektrofahrzeugen überwinden soll. Mit umfassenden Forschungsaktivitäten wird aktuell versucht, die technischen Herausforderungen der Lithium-Schwefel-Batterien zu lösen. Ein wichtiger Aspekt sind dabei die starken Volumenänderungen beziehungsweise die signifikanten Elektroden-Volumenschübe, die bei einem Lade- oder Entladevorgang der jeweiligen Batteriezelle auftreten. So wird beim Entladevorgang der Batteriezelle das metallische Lithium der Zellanode sukzessive abgebaut. Es verbindet sich in einem ersten großen Entladungsabschnitt mit Schwefel zu sogenannten Polysulfiden (Li2Sx mit x>4), die im Elektrolyt löslich sind. Bei der maximal erreichbaren Konzentration an gelösten Polysulfiden im Elektrolyt wird dabei das Innenvolumen der Batteriezelle am wenigsten eingenommen. Bei fortschreitender Entladung werden die Polysulfide jedoch weiter reduziert und scheiden sich schließlich als LiS2 und Li2S in beziehungsweise an der porösen Kathode ab. Hierbei ändern sich erneut das Volumen der Elektroden und damit das gesamte Zellvolumen. Diese Vorgänge finden bei einem Aufladen der Batteriezelle in entsprechend umgekehrter Reihenfolge erneut statt. Abhängig vom genauen Aufbau der jeweiligen Batteriezelle, insbesondere in Abhängigkeit von den dabei zur Secondary batteries based on a lithium-sulfur base, which should overcome the known limitations in terms of energy density and thus also in terms of the highly limited range of electric vehicles. Extensive research activities are currently attempting to solve the technical challenges of lithium-sulfur batteries. An important aspect in this case are the strong volume changes or the significant volume increases in volume that occur during a charging or discharging process of the respective battery cell. Thus, during the discharging process of the battery cell, the metallic lithium of the cell anode is successively reduced. It combines in a first large discharge section with sulfur to form so-called polysulfides (Li 2 S x with x> 4), which are soluble in the electrolyte. At the maximum achievable concentration of dissolved polysulfides in the electrolyte while the inner volume of the battery cell is taken the least. As the discharge progresses, however, the polysulfides are further reduced and finally deposit as LiS 2 and Li 2 S in or at the porous cathode. Here, the volume of the electrodes and thus the total cell volume change again. These processes take place when charging the battery cell in accordance with the reverse order again. Depending on the exact construction the respective battery cell, in particular depending on the case
Anwendung kommenden Schichtdicken, kann von einer relativen Volumenänderung des Gesamtzellvolumens im Bereich von >12% ausgegangen werden, wobei dieser Wert proportional zur praktisch erreichten spezifischen Energiedichte weiter ansteigen könnte. Applying layer thicknesses, it can be assumed that a relative volume change of the total cell volume in the range of> 12%, this value could increase further in proportion to the specific energy density actually achieved.
Um insbesondere beim Laden der Zelle das Lithium dicht, gleichförmig und homogen auf der Anode abzuscheiden ist ein entsprechender Druck auf die Zelle In order to deposit the lithium in a dense, uniform and homogeneous manner on the anode, in particular when the cell is being charged, there is a corresponding pressure on the cell
beziehungsweise auf die jeweilige Elektrode von außen notwendig. Gewünschte Werte können im Bereich von 100 N/cm2 liegen. Wird dieser Druck nicht gewährleistet, findet die Rücklagerung des Lithiums tendenziell unerwünschterweise in einer or on the respective electrode from the outside necessary. Desired values may be in the range of 100 N / cm 2 . If this pressure is not guaranteed, the return of lithium tends to be undesirable in one
schwammartigen, unregelmäßigen und inhomogenen Ablagerung statt. Dies führt zu stark reduzierten Lebensdauern und Zyklenfestigkeiten und zum stetigen Anschwellen der Zellen, insbesondere bei sogenannten Beutel-Batteriezellen, auch als Pouch-Zellen oder Softpacks bekannt, die eine weiche, beispielsweise auf Aluminiumverbundfolie basierende Außenverpackung besitzen. Folglich scheint es fraglich, ob eine derartige Volumenänderung bei Lithium-Schwefel-Batteriezellen überhaupt komplett verhindert werden kann oder aber prinzipiell toleriert werden muss. Es kann daher von der Notwendigkeit einer gleichmäßigen Druckbelastung der Batteriezelle beziehungsweise deren Elektroden ausgegangen werden, die beispielsweise durch eine konstante, vom Volumen der Batteriezelle beziehungsweise von deren Zelldimension unabhängige Krafteinleitung oder Druckbeaufschlagung erzielt werden kann. spongy, irregular and inhomogeneous deposit instead. This leads to greatly reduced lifetimes and cycle strengths and to the constant swelling of the cells, in particular in so-called bag battery cells, also known as pouch cells or soft packs, which have a soft outer packaging, for example based on aluminum composite foil. Consequently, it seems questionable whether such a volume change in lithium-sulfur battery cells can ever be completely prevented or in principle must be tolerated. It can therefore be assumed that a uniform pressure load on the battery cell or its electrodes is required, which can be achieved, for example, by a constant force introduction or pressurization independent of the volume of the battery cell or of its cell dimension.
Als Lösung zu dem vorhergehend beschriebenen Problem wurde bislang zum As a solution to the previously described problem has been to
Zyklieren entsprechender Prototypen neuartiger Lithium-Schwefel-Batteriezellen unter anderem eine überfederte Spannvorrichtung aus Metall eingesetzt. Ein Übertrag einer derartigen experimentellen Spannvorrichtung auf ein reales Endprodukt, insbesondere ein für den Einsatz im Fahrzeug ausgelegtes Batteriemodul oder Batteriepackdesign erscheint bislang insbesondere aus Gewichtsgründen nicht sinnvoll oder würde zumindest die technologischen Vorteile der Lithium-Schwefel-Technik, wie zum Beispiel das Verhältnis der hohen Energiedichte zum geringen Gewicht der Cyclizing appropriate prototypes of novel lithium-sulfur battery cells used inter alia, a spring-loaded metal jig. A carryover of such an experimental tensioning device to a real end product, in particular a battery module or battery pack design designed for use in the vehicle does not appear to make sense, especially for weight reasons, or would at least be the technological advantages of the lithium-sulfur technique, such as the high energy density ratio for the low weight of
Batteriezelle, wieder durch das Zusatzgewicht für die Spannvorrichtung, Battery cell, again by the additional weight for the clamping device,
Federmechanismus und Krafteinleitung relativieren. Ein brauchbares realistisches und insbesondere gewichtssparendes Konzept zur Lösung des vorhergehend beschriebenen Problems ist bislang nicht vorhanden. Eine direkte Übertragung des aus dem oben genannten Stand der Technik, das heißt des beispielsweise aus der DE 10 201 1 015 830 A1 bekannten Lösungsansatzes ist diesbezüglich nicht möglich, da sich der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise einer Lithium-Ionen-Batteriezelle grundlegend von dem Aufbau und der Funktionsweise einer Lithium-Schwefel- Batteriezelle unterscheiden, insbesondere in Bezug auf die durch die Entladung entstehenden potentiell giftigen Lithiumsulfide, die unter allen Umständen unter Verschluss zu halten sind. Relating the spring mechanism and the introduction of force. A useful realistic and particularly weight-saving concept for the solution of the previous one described problem is not present so far. A direct transfer of the known from the above prior art, that is, for example, from DE 10 201 1 015 830 A1 known approach is not possible in this respect, since the basic structure and operation of a lithium-ion battery cell fundamentally different from the structure and the operation of a lithium-sulfur battery cell, in particular with respect to the potentially toxic lithium sulfides produced by the discharge, which are to be kept under any circumstances under lock and key.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Um die vorhergehend beschriebenen Probleme des Stands der Technik zu lösen wird mit der vorliegenden Erfindung eine galvanische Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Schwefel- Batteriezelle bereitgestellt. Die erfindungsgemäße In order to solve the problems of the prior art described above, the present invention provides a galvanic battery cell, in particular a lithium-sulfur battery cell. The inventive
Batteriezelle hat dabei ein Gehäuse und Elektroden, das heißt zumindest eine Battery cell has a housing and electrodes, that is at least one
Anode, die vorzugsweise eine metallische Lithium-Anode oder eine Anode aus einer Lithium-Legierung, aus einem Kohlenstoff oder aus einem Silizium- Kohlenstoff- Verbundwerkstoff ist, sowie zumindest eine Schwefel- Kathode. Anode, which is preferably a lithium metal anode or an anode made of a lithium alloy, a carbon or a silicon-carbon composite material, and at least one sulfur cathode.
Ferner weist die erfindungsgemäße Batteriezelle ein Separatorelement auf, das zwischen den Elektroden, also zwischen der Anode, das heißt der negativen Furthermore, the battery cell according to the invention on a Separatorelement, between the electrodes, ie between the anode, that is, the negative
Elektrode, und der Kathode, das heißt der positiven Elektrode, angeordnet ist, um diese voneinander zu trennen, sowie zumindest ein elastisches reversibles Volumenausgleichselement, das zum Ausgleich einer potentiellen Electrode, and the cathode, that is, the positive electrode is arranged to separate them from each other, as well as at least one elastic reversible volume compensation element, which compensates for a potential
Volumenänderung beziehungsweise der Volumenschübe der Anode und/oder der Kathode dient. Erfindungsgemäß ist folglich ein derartiges Volume change or the volume thrusts of the anode and / or the cathode is used. Accordingly, according to the invention is such
volumenausgleichendes Element, vorzugsweise in Form einer Volumina- komprimierbaren Schicht, zwischen den bekannten notwendigen Volume compensating element, preferably in the form of a volume-compressible layer, between the known necessary
Batterieelementen wie zum Beispiel den Elektroden, insbesondere zwischen der Anode oder Kathode sowie Separatorelementen eingebracht, oder aber das Battery elements such as the electrodes, in particular between the anode or cathode and separator elements introduced, or the
Volumenausgleichselement ist als Teil des Separatorelements oder als Strom- Kollektor oder Teil eines Strom-Kollektors einer der Elektroden der Batteriezelle vorgesehen. Das Volumenausgleichselement kann demnach als elastischer Volume compensation element is provided as part of the separator or as a current collector or part of a current collector of one of the electrodes of the battery cell. The volume compensation element can therefore be considered more elastic
Separator, als Abieiter an Kathode und Anode oder als zusätzliches Element außerhalb von Anode, Separator oder Kathode vorgesehen sein. Abhängig von der Gestaltung des Gehäuses der erfindungsgemäßen Batteriezelle kann die erfindungsgemäße Batteriezelle eine Hartschalen- Batteriezelle, also eine sogenannte Hardcase-Zelle mit einem Hartschalengehäuse, zum Beispiel aus tiefgezogenem Aluminium, oder eine Beutel- Batteriezelle mit einem beutelartigen Gehäuse beziehungsweise einer weichen Verpackung beispielsweise ausSeparator may be provided as Abieiter at the cathode and anode or as an additional element outside of the anode, separator or cathode. Depending on The design of the housing of the battery cell according to the invention, the battery cell according to the invention a hard shell battery cell, ie a so-called hardcase cell with a hard shell housing, for example made of deep-drawn aluminum, or a bag battery cell with a bag-like housing or a soft packaging, for example
Aluminiumverbundfolie sein, auch als Pouch-Zelle oder Softpack bekannt. Aluminum composite foil, also known as a pouch cell or soft pack.
Alternativ oder zusätzlich zu der vorhergehend beschriebenen Ausführung können mehrere Volumenausgleichselemente in der erfindungsgemäßen Batteriezelle vorgesehen sein, von denen zumindest eines als Teil des Alternatively or in addition to the previously described embodiment, a plurality of volume compensation elements may be provided in the battery cell according to the invention, at least one of which as part of the
Separatorelements, zumindest eines als Kollektor oder Teil des Kollektors einer der Elektroden und zumindest eines als separates Bauteil ausgebildet ist.  Separator element, at least one as a collector or part of the collector of one of the electrodes and at least one is formed as a separate component.
Zumindest eines oder auch jedes Volumenausgleichselement umfasst ein elastisches, netzwerkartiges beziehungsweise poröses Gebilde, das die At least one or even each volume compensation element comprises an elastic, network-like or porous structure, which the
Volumenschübe der Elektroden beim Laden oder Entladen der Volume thrusts of the electrodes when charging or discharging the
wiederaufladbaren Batteriezelle aufnimmt und damit eine unerwünschte rechargeable battery cell absorbs and thus an undesirable
Volumenänderung der Zelle in Summe ausgleichen kann. Das Total volume change of the cell can balance. The
Volumenausgleichselement besitzt neben seiner Elastizität vorzugsweise eine Porosität von 5 bis 95 Volumen-%, weiter vorzugsweise von 20 bis 80 Volumen- %, ganz bevorzugt von 30 bis 70 Volumen-%. Das erfindungsgemäße poröseVolume compensation element in addition to its elasticity preferably has a porosity of 5 to 95% by volume, more preferably from 20 to 80% by volume, most preferably from 30 to 70% by volume. The porous according to the invention
Volumenausgleichselement kann ferner ein Flüssig- Elektrolyt oder ein Gel- Elektrolyt der Batteriezelle aufnehmen, speichern und/oder abgeben. Zudem kann das Volumenausgleichselement zur Ableitung von Wärme über das Gehäuse nach außen dienen, also zusätzliche Kühlungsfunktionen in Form einer Ableitung der Wärme über vorhandene Metalle wahrnehmen. Das Volume compensation element may also receive, store and / or release a liquid electrolyte or a gel electrolyte of the battery cell. In addition, the volume compensation element can be used to dissipate heat through the housing to the outside, so perceive additional cooling functions in the form of a derivative of heat over existing metals. The
Volumenausgleichselement kann dabei ein Vlies, ein Volumenvlies eine poröse Membran oder ein Schaumelement sein. Es gibt dabei unter anderem auf Polyimid, auf Polyester-Aramid aber auch auf Cellulose basierte Vlies- Separatoren. Ein Beispiel ist ein auf Polyimid basierter Separator, der unter dem Tradenamen Energain® von DuPont (USA) vertrieben wird.  Volume compensation element may be a nonwoven, a volume nonwoven a porous membrane or a foam element. There are, inter alia, on polyimide, on polyester aramid but also on cellulose based nonwoven separators. One example is a polyimide-based separator sold under the trade name Energain® by DuPont (USA).
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batteriezelle weist das Volumenausgleichselement ein Material auf Metallbasis, insbesondere Aluminium, Nickel, Kupfer oder Edelstahl, ein Material auf Kohlenstoffbasis oder ein Material auf Cellulose-, Kunststoff- oder Glasbasis auf, wobei das In a preferred embodiment of the battery cell according to the invention, the volume compensation element comprises a metal-based material, in particular aluminum, nickel, copper or stainless steel, a carbon-based material or a cellulosic, plastic or glass based material, wherein the
Volumenausgleichselement auch vollständig aus diesem Material bestehen kann. Alternativ dazu kann das Volumenausgleichselement auch einen Verbund aus zwei oder mehreren dieser Materialien aufweisen oder auch vollständig aus diesem bestehen. Für den Fall, dass das Volumenausgleichselement als Volume compensation element can also consist entirely of this material. Alternatively, the volume compensation element may also comprise a composite of two or more of these materials or even consist entirely of this. In the event that the volume compensation element as
Kollektor oder Teil eines Kollektors einer Elektrode vorgesehen ist, sind die auf Glas beziehungsweise auf Kunststoff basierten Materialien vorzugsweise vollflächig mit Metall oder Kohlenstoff beschichtet, um deren Leitfähigkeit zu gewährleisten. Collector or part of a collector of an electrode is provided, the glass or plastic-based materials are preferably coated over the entire surface with metal or carbon to ensure their conductivity.
Das Volumenausgleichselement der erfindungsgemäßen Batteriezelle weist auf zumindest einer Seitenfläche eine leitfähige Schicht auf, die vorzugsweise Aluminium, Kupfer, Nickel, Edelstahl, Ruß, Graphit oder Graphen aufweist, oder auch vollständig aus diesem Material bestehen kann. Die durch das The volume compensation element of the battery cell according to the invention has on at least one side surface on a conductive layer, which preferably comprises aluminum, copper, nickel, stainless steel, carbon black, graphite or graphene, or may consist entirely of this material. The by the
Volumenausgleichselement ausgebildete volumenausgleichende Schicht kann ferner auf beiden Seiten mit einer dünnen, elektrisch leitfähigen Schicht versehen sein. Mit„Seite" ist dabei eine der beiden Seitenflächen des Volume compensating element formed volume compensating layer may further be provided on both sides with a thin, electrically conductive layer. With "side" is thereby one of the two sides of the
Volumenausgleichselements gemeint, deren Oberfläche groß im Vergleich zu der Oberfläche der verbleibenden Seitenflächen des Volumenausgleichselements ist. Diese Schicht liegt dabei an der Rückseite einer Elektrode an und könnte zusätzlich als Stromableiter (Synonym für Kollektor) dienen, im Englischen in dieser Form als„current collector foil" bezeichnet. Volume compensation element meant, the surface of which is large compared to the surface of the remaining side surfaces of the volume compensation element. This layer is applied to the back of an electrode and could additionally serve as a current collector (synonym for collector), referred to in English in this form as "current collector foil".
Die erfindungsgemäße Batteriezelle ist vorzugsweise in Form einer The battery cell according to the invention is preferably in the form of a
Stapelanordnung ausgebildet, die zumindest aus der Schwefel- Kathode, dem Separatorelement, der Anode und dem Volumenausgleichselement in dieser Reihenfolge aufgebaut ist. Das Gehäuse umgibt dabei vorzugsweise die Stack assembly formed, which is composed of at least the sulfur cathode, the separator element, the anode and the volume compensation element in this order. The housing preferably surrounds the
Stapelanordnung. Eine Richtung der Volumenänderung liegt bei dieser Stack assembly. One direction of the volume change is this
Anordnung in Stapelrichtung. Die Volumenänderung verläuft also in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptfläche der einzelnen Arrangement in the stacking direction. The volume change therefore runs in a direction substantially perpendicular to the main surface of the individual
Batteriezellenelemente, das heißt in einer sogenannten Dickenrichtung der Batteriezelle, wobei das Volumenausgleichselement die Volumenänderung zumindest teilweise ausgleichen kann, vorzugsweise vollständig ausgleichen kann. Die Volumenänderung kann bei einer derartigen Anordnung als Dickenänderung der Zelle beschrieben werden. Die notwendige Dicke aller Volumenausgleichselemente wird insbesondere durch das Battery cell elements, that is, in a so-called thickness direction of the battery cell, wherein the volume compensation element can at least partially compensate for the change in volume, preferably completely compensate. The volume change can in such an arrangement as Thickness change of the cell will be described. The necessary thickness of all volume compensation elements is in particular by the
Kompressionsvermögen bestimmt. Die gesamte komprimierbare Länge aller Volumenausgleichselemente muss mindestens in der Größenordnung der gesamten transferierten Lithium-Anoden-Schichtdicke liegen. Compressibility determined. The total compressible length of all volume compensation elements must be at least on the order of the total transferred lithium anode layer thickness.
Alternativ dazu kann die erfindungsgemäße Batteriezelle eine Stapelanordnung aufweisen, die zumindest aus der Schwefel- Kathode, dem Separatorelement und der Anode in dieser Reihenfolge aufgebaut ist, wobei das Ausgleichselement als Teil des Separatorelements ausgebildet ist und die Volumenänderung zumindest teilweise ausgleicht. Das Gehäuse umgibt dabei vorzugsweise die Alternatively, the battery cell according to the invention may comprise a stacked arrangement, which is constructed at least from the sulfur cathode, the separator element and the anode in this order, wherein the compensation element is formed as part of the separator and at least partially compensates for the change in volume. The housing preferably surrounds the
Stapelanordnung. Dadurch wird eine funktionale Integration des Stack assembly. This will provide a functional integration of the
Volumenausgleichs direkt in das Separatorelement erzielt, wofür insbesondere Separatoren basierend auf Polyesterbasis oder vorzugsweise Polyimid geeignet sind. Beide erwähnten Separatoren sind dabei vorzugsweise Vliese, die aus einem phasenförmigen Netz bestehen. Volume equalization achieved directly in the separator, for which in particular separators based on polyester or preferably polyimide are suitable. Both mentioned separators are preferably nonwovens, which consist of a phase-shaped network.
Zusätzlich könnte bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle ein weiteres In addition, could in the battery cell according to the invention another
Volumenausgleichselement auch außerhalb der Batteriezelle, also außerhalb der Anordnung aus Anode, Schwefel- Kathode, Separatorelement und Volume compensation element also outside the battery cell, ie outside the arrangement of anode, sulfur cathode, separator and
Volumenausgleichselement angeordnet sein, vorzugsweise wobei das zusätzliche Volumenausgleichselement als elektrische Isolierung wirkt. Bei einem Verbund aus mehreren derartigen Batteriezellen, also einer Batterie mit mehreren derartigen Batteriezellen kann ein entsprechendes weiteres oder zusätzliches Volumenausgleichselement auch zwischen den einzelnen Zellen angeordnet sein. In einem derartigen Fall wäre eine zusätzliche Funktion der elektrischen Isolierung durch das Volumenausgleichselement integrierbar. Volume compensation element may be arranged, preferably wherein the additional volume compensation element acts as electrical insulation. In a composite of a plurality of such battery cells, that is, a battery having a plurality of such battery cells, a corresponding additional or additional volume compensation element can also be arranged between the individual cells. In such a case, an additional function of the electrical insulation could be integrated by the volume compensation element.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ferner eine According to another aspect of the invention is further a
wiederaufladbare Lithium-Schwefel-Batterie mit zumindest zwei der Rechargeable lithium-sulfur battery with at least two of the
vorhergehend beschriebenen Lithium-Schwefel-Batteriezellen bereitgestellt, wobei vorzugsweise ein zusätzliches Volumenausgleichselement zwischen den einzelnen Batteriezellen angeordnet ist, das hier weiter vorzugsweise als elektrische Isolierung wirkt. Vorteile der Erfindung Provided previously described lithium-sulfur battery cells, wherein preferably an additional volume compensation element between the individual battery cells is arranged, which here further preferably acts as electrical insulation. Advantages of the invention
Die erfindungsgemäße Batteriezelle, insbesondere das Volumenausgleichselement der erfindungsgemäßen Batteriezelle erzielt einen Volumenausgleich innerhalb jeder Batteriezelle bei einem Aufladen und/oder Entladen der jeweiligen Zelle, bei gleichzeitiger konstanter Krafteinleitung beziehungsweise Druckbeaufschlagung insbesondere auf die einzelnen Lithium-Schwefel-Batteriezellenelemente, ohne eine wesentliche Gewichtszunahme mit sich zu bringen. Sie stellt damit eine deutliche Verbesserung zu einem komplexen Batteriezellendesign mit notwendiger The battery cell according to the invention, in particular the volume compensation element of the battery cell according to the invention achieves a volume balance within each battery cell when charging and / or discharging the respective cell, while constant force application or pressurization in particular to the individual lithium-sulfur battery cell elements, without a significant increase in weight with it bring. It represents a significant improvement to a complex battery cell design with necessary
mechanischer Federfunktion durch eine entsprechende Metallkonstruktion oder anderer mechanisch belastbarer Strukturen dar, die entgegenwirkende Kräfte beziehungsweise Druck von außen in eine Zelle oder einen Zellverbund einleitet. mechanical spring function by a corresponding metal structure or other mechanically resilient structures that initiates counteracting forces or pressure from the outside into a cell or a cell network.
Durch die geringe Dichte der Volumenausgleichselemente sowie die relativ geringe notwendige Materialdicke ist nur eine geringe, zu vernachlässigende Due to the low density of the volume compensation elements and the relatively low material thickness required is only a small, negligible
Gewichtszunahme im Gesamtbatteriemodul zu erwarten. Die gesamte spezifische Energie, also der Quotient aus gespeicherter Energie und Masse des Gesamtmoduls wird nicht wesentlich herabgesetzt. To expect weight gain in the total battery module. The total specific energy, ie the quotient of stored energy and mass of the total module is not significantly reduced.
Die mittels des Volumenausgleichselements erzielte erfindungsgemäße Batteriezelle kann grundsätzlich sowohl bei Hardcase-Zellen als auch bei Pouch-Zellen eingesetzt werden, wobei in beiden Fällen der gewünschte Volumenausgleich im Inneren der Zelle ermöglicht wird. Durch die vollflächige Anlage des Volumenausgleichselementes wird eine sehr konstante und homogene Kraftverteilung erreicht. Dies ist wiederum sehr vorteilhaft für die Lebensdauer und Zyklenstabilität der jeweiligen Batteriezelle. The battery cell according to the invention achieved by means of the volume compensation element can in principle be used both in hardcase cells and in pouch cells, wherein in both cases the desired volume compensation is made possible inside the cell. Due to the full-surface conditioning of the volume compensation element a very constant and homogeneous distribution of force is achieved. This in turn is very advantageous for the life and cycle stability of the respective battery cell.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Short description of the drawing
Figur 1 der vorliegenden Erfindung zeigt einen schematischen Schichtaufbau einer Lithium-Schwefel- Batteriezelle gemäß eine bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Figure 1 of the present invention shows a schematic layer structure of a lithium-sulfur battery cell according to a preferred embodiment of the invention. Preferred embodiment of the invention
Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Batteriezelle, und genauer gesagt den Schichtaufbau einer Batteriezelle gemäß der bevorzugten Ausführung im Teil-Querschnitt. Figure 1 shows a preferred embodiment of the battery cell according to the invention, and more precisely the layer structure of a battery cell according to the preferred embodiment in partial cross-section.
Der gezeigte Schichtaufbau erstreckt sich von der Mitte ausgehend auf beide Seiten in einem gleichartigen Aufbau, der insgesamt in einem Gehäuse 1 angeordnet ist, von dem in der Figur in der Schnittdarstellung nur die beiden äußeren Wände dargestellt sind, die dem Schichtaufbau von außen begrenzen. Von der Mitte des Schichtaufbaus nach außen gehend weist die dargestellte Batteriezelle einen Stromableiter 6 auf, der den Strom aus einer Kathode 3 ableitet, anschließend die Kathode 3 selbst, ein Separatorelement 4, eine Anodenschutzschicht 7, eine Anode 2, sowie ein Volumenausgleichselement 5 mit jeweiligen optionalen Stromableiterbeschichtungen 51. Alle Komponenten des Schichtaufbaus liegen dabei in Schichtform vor, die entsprechend aneinander geschichtet sind. Bei der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle weist die Kathode 3 Schwefel auf, der vorzugsweise in einem elektrisch leitfähigen Gemisch vorliegt, beispielsweise in einem Kohlenstoffgefüge. Das Separatorelement 4 dient bei dem Schichtaufbau als Isolierung und Trennung zwischen der Schwefel-Kathode 3 und der Anode 2, die hier Lithium umfasst. Zwischen dem Separatorelement 4 und der Lithium- Anode 2 ist die Anodenschutzschicht 7 angeordnet, die unter anderem dazu dient, die Lithium-Anode 2 vor dem üblicherweise aggressiven Elektrolyt und den gelösten Lithium-Sulfiden zu schützen, welche des Weiteren in der Batteriezelle enthalten sind. Die Anodenschutzschicht 7 kann dabei aus einem festen organischen, anorganischen oder keramischen Lithium-Ionen-Leiter aufgebaut sein. Das Volumenausgleichselement 5 liegt bei der vorliegenden The layer structure shown extends from the center starting on both sides in a similar structure, which is arranged overall in a housing 1, of which in the figure in the sectional view, only the two outer walls are shown, which limit the layer structure from the outside. Outwardly from the middle of the layer structure, the illustrated battery cell has a current collector 6, which discharges the current from a cathode 3, then the cathode 3 itself, a separator 4, an anode protection layer 7, an anode 2, and a volume compensation element 5 with respective ones optional current arrester coatings 51. All components of the layer structure are present in layer form, which are stacked accordingly. In the present preferred embodiment of the battery cell according to the invention, the cathode 3 has sulfur, which is preferably present in an electrically conductive mixture, for example in a carbon structure. The separator 4 is used in the layer structure as insulation and separation between the sulfur cathode 3 and the anode 2, which includes lithium here. Between the separator element 4 and the lithium anode 2, the anode protective layer 7 is arranged, which inter alia serves to protect the lithium anode 2 from the usually aggressive electrolyte and the dissolved lithium sulfides, which are further contained in the battery cell. The anode protective layer 7 can be constructed of a solid organic, inorganic or ceramic lithium-ion conductor. The volume compensation element 5 is in the present
Ausführungsform als separates Bauteil vor und umfasst ein vernetztes flexibles Aluminiumgebilde mit hoher Porosität, beispielsweise 80 Volumen-%. Alternativ zu dem Aluminiumgebilde kann das Ausgleichselement 5 auch aus einem Kohlenstoffvlies aufgebaut sein, oder weiter alternativ aus Polymere-Materialien. Durch die Porosität des Volumenausgleichselements 5 erhält dieses unter anderem seine gewünschte Flexibilität, durch die eine potentielle Embodiment as a separate component and includes a cross-linked flexible aluminum structure with high porosity, for example, 80% by volume. As an alternative to the aluminum structure, the compensation element 5 also from a Carbon web be constructed, or alternatively, from polymeric materials. The porosity of the volume compensation element 5 gives it, inter alia, its desired flexibility, by which a potential
Volumenveränderung der Elektroden 2, 3 kompensiert werden kann. Ferner kann dadurch in der Batteriezelle enthaltenes Elektrolyt (nicht gezeigt) in dem Volume change of the electrodes 2, 3 can be compensated. Further, electrolyte (not shown) contained in the battery cell can thereby be contained in the battery cell
Volumenausgleichselement 5 aufgenommen beziehungsweise gespeichert werden, das bei Bedarf entsprechend wieder abgegeben werden kann. Die Stromableiterbeschichtungen 51 des Volumenausgleichselements 5, die als optionale Komponente des Volumenausgleichselements 5 vorgesehen sind, umfassen bei der vorliegenden Ausführungsform Kupfer- oder Nickelschichten, die den Strom der Lithium-Anode 2 leiten. Das Gehäuse 1 der in Figur 1 gezeigten Batteriezelle stellt bei der bevorzugten Ausführungsform einen Teil eines Hartschalengehäuses 1 dar, in dem der beschriebene Schichtaufbau vollständig aufgenommen ist. Volume compensation element 5 is added or stored, which can be dispensed again as needed. The current conductor coatings 51 of the volume compensation element 5, which are provided as an optional component of the volume compensation element 5, in the present embodiment comprise copper or nickel layers, which conduct the current of the lithium anode 2. The housing 1 of the battery cell shown in Figure 1 is in the preferred embodiment, a part of a hard shell housing 1, in which the described layer structure is completely absorbed.
Im Betrieb der erfindungsgemäßen Batteriezelle können bei deren Laden oder Entladen, wie bereits vorhergehend beschrieben, Volumenänderungen der Elektroden 2, 3 auftreten. Beispielsweise wird beim Entladevorgang das metallische Lithium der Anode 2 sukzessive abgebaut und verbindet sich mit dem Schwefel der Kathode 3 zu im Elektrolyt gelösten Polysulfiden. Bei fortschreitender Entladung scheiden sich die Polysulfide schließlich als LiS2 und Li2S in oder an der porösen Kathode 3 ab, wodurch sich eine Volumenänderung der Elektroden 2, 3 und damit des gesamten Zellvolumens ergibt. Diese During operation of the battery cell according to the invention, volume changes of the electrodes 2, 3 may occur during their charging or discharging, as already described above. For example, during the discharge process, the metallic lithium of the anode 2 is gradually reduced and combines with the sulfur of the cathode 3 to polysulfides dissolved in the electrolyte. As the discharge progresses, the polysulfides finally precipitate as LiS 2 and Li 2 S in or on the porous cathode 3, resulting in a change in the volume of the electrodes 2, 3 and thus of the total cell volume. These
Vorgänge finden bei einem Aufladen der Batteriezelle in entsprechend umgekehrter Reihenfolge erneut statt. Um insbesondere beim Laden der Zelle das Lithium dicht, gleichförmig und homogen auf der Anode 2 abzuscheiden ist ein entsprechender Druck auf die Zelle beziehungsweise die jeweilige Elektrode 2, 3 von außen notwendig, der durch das Gehäuse 1 ausgeübt werden kann. Diese Volumenänderungen der Elektroden 2, 3, die in Figur 1 im Bereich 91 mit Pfeilen dargestellt sind, welche von der Kathode 3 nach außen in Dickenrichtung der Batteriezelle verlaufen, können bei einer regulären Batteriezelle zu unerwünschten Schädigungen unter anderem des Gehäuses 1 führen, beispielsweise zu einem Beschädigen oder Aufplatzen des Gehäuses 1 und damit zu einer Druckerhöhung bis hin zu einem unerwünschten Austritt von gefährlichen Inhaltstoffen der Batteriezelle. Um nun die auftretenden Operations take place when charging the battery cell in accordance with the reverse order again. In order to deposit the lithium in a dense, uniform and homogeneous manner on the anode 2, in particular when the cell is charged, a corresponding pressure on the cell or the respective electrode 2, 3 from the outside is necessary, which can be exerted by the housing 1. These volume changes of the electrodes 2, 3, which are shown in FIG. 1 in the region 91 with arrows which extend from the cathode 3 outward in the thickness direction of the battery cell, can lead to unwanted damage, inter alia, of the housing 1, for example to a regular battery cell Damage or bursting of the housing 1 and thus to an increase in pressure up to an unwanted escape of dangerous ingredients of the battery cell. Order now the occurring
Volumenänderungen im Bereich 91 ausgleichen zu können, die im Regelfall auf die vom Gehäuse 1 von außen nach innen wirkenden Einschlusskräfte treffen, welche im Bereich 93 durch nach innen gerichtete Pfeile dargestellt sind, sind bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle die Volumenausgleichselemente 5 imTo be able to compensate volume changes in the region 91, which usually meet the inclusion forces acting from the housing 1 from the outside to inside, which are represented in the region 93 by inwardly directed arrows are the volume compensation elements 5 in the battery cell according to the invention
Bereich 92 der Batteriezelle außen an der jeweiligen Anode 2 vorgesehen, die die von außen wirkenden Druckkräfte im Bereich 93 und die von innen heraus wirkenden Expansionskräfte der Elektroden 2, 3 im Bereich 91 aufnehmen und dadurch ausgleichen können, wie es im Bereich 92 durch Pfeile dargestellt ist. Demzufolge kann das Volumenausgleichselement 5 eine Beschädigung desRegion 92 of the battery cell provided on the outside of the respective anode 2, which absorb the externally acting pressure forces in the range 93 and acting from the inside out expansion forces of the electrodes 2, 3 in the region 91 and thereby compensate, as shown in the region 92 by arrows is. As a result, the volume compensation element 5 can damage the
Gehäuses 1 durch die beim Laden oder Entladen der Batteriezelle auftretenden Expansionskräfte der sich ausdehnenden Elektroden 2, 3 verhindern und dadurch einen wesentlichen Sicherheitsfaktor für die Verwendung von Lithium- Schwefel-Batteriezellen bereitstellen. Housing 1 by occurring during charging or discharging of the battery cell expansion forces of the expanding electrodes 2, 3 prevent and thereby provide a significant safety factor for the use of lithium-sulfur battery cells.

Claims

Ansprüche claims
1. Galvanische Batteriezelle, insbesondere Lithium-Schwefel-Batteriezelle, mit 1. Galvanic battery cell, in particular lithium-sulfur battery cell, with
einem Gehäuse (1),  a housing (1),
zumindest einer Anode (2),  at least one anode (2),
zumindest einer Schwefel- Kathode (3),  at least one sulfur cathode (3),
einem zwischen der Anode (2) und der Kathode (3) angeordneten Separatorelement (4), und  a separator element (4) arranged between the anode (2) and the cathode (3), and
zumindest einem elastischen Volumenausgleichselement (5) zum Ausgleich einer Volumenänderung der Anode (2) und/oder der Kathode (3).  at least one elastic volume compensation element (5) to compensate for a change in volume of the anode (2) and / or the cathode (3).
2. Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei das Volumenausgleichselement (5) eine Porosität von 5 bis 95 Volumen-% aufweist. 2. Battery cell according to claim 1, wherein the volume compensation element (5) has a porosity of 5 to 95% by volume.
3. Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei das 3. Battery cell according to claim 1 or 2, wherein the
Volumenausgleichselement (5) ein Vlies, ein Volumenvlies eine poröse Membran oder ein Schaumelement ist.  Volume compensation element (5) is a nonwoven, a volume fleece is a porous membrane or a foam element.
4. Batteriezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Volumenausgleichselement (5) ein Material auf Metallbasis, 4. Battery cell according to one of the preceding claims, wherein the volume compensation element (5) is a metal-based material,
insbesondere Aluminium, Kupfer, Nickel oder Edelstahl, ein Material auf Kohlenstoffbasis oder ein Material auf Kunststoffbasis oder Glasbasis aufweist, oder einen Verbund aus zwei oder mehreren dieser  in particular aluminum, copper, nickel or stainless steel, a carbon-based material or a plastic-based or glass-based material, or a composite of two or more of these
Materialien.  Materials.
5. Batteriezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Volumenausgleichselement (5) auf zumindest einer Seitenfläche eine leitfähige Schicht (51) aufweist, die vorzugsweise Kupfer, Nickel, Edelstahl, Aluminium, Ruß, Graphit oder Graphen aufweist. Batteriezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anode (2) eine Lithium-Anode ist, oder eine Lithium-Legierung, 5. Battery cell according to one of the preceding claims, wherein the volume compensation element (5) on at least one side surface has a conductive layer (51), which preferably comprises copper, nickel, stainless steel, aluminum, carbon black, graphite or graphene. Battery cell according to one of the preceding claims, wherein the anode (2) is a lithium anode, or a lithium alloy,
Kohlenstoff oder einen Silizium- Kohlenstoff- Verbundwerkstoff aufweist. Having carbon or a silicon-carbon composite material.
Batteriezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, Battery cell according to one of the preceding claims,
wobei die Batteriezelle eine Stapelanordnung aufweist, die zumindest aus der Schwefel- Kathode (3), dem Separatorelement (4), der Anode (2) und dem Volumenausgleichselement (5) in dieser Reihenfolge aufgebaut ist, wobei eine Volumenänderung in Stapelrichtung auftritt und das Volumenausgleichselement (5) die Volumenänderung zumindest teilweise ausgleicht, oder wherein the battery cell has a stacked configuration composed of at least the sulfur cathode (3), the separator element (4), the anode (2) and the volume balance element (5) in this order, wherein a volume change occurs in the stacking direction and the volume compensation element (5) at least partially compensates for the volume change, or
wobei die Batteriezelle eine Stapelanordnung aufweist, die zumindest aus der Schwefel- Kathode (3), dem Separatorelement (4) und der Anode (2) in dieser Reihenfolge aufgebaut ist, wobei eine wherein the battery cell has a stacked arrangement composed of at least the sulfur cathode (3), the separator element (4) and the anode (2) in this order, wherein a
Volumenänderung in Stapelrichtung auftritt, das Volume change occurs in the stacking direction, the
Volumenausgleichselement (5) als Teil des Separatorelements (4) ausgebildet ist und die Volumenänderung zumindest teilweise ausgleicht. Volume compensation element (5) is formed as part of the separator element (4) and at least partially compensates the change in volume.
Batteriezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Batteriezelle ein zusätzliches Volumenausgleichselement aufweist, das außerhalb der Anordnung aus Anode (2), Schwefel- Kathode (3), Separatorelement (4) und Volumenausgleichselement (5) angeordnet ist, vorzugsweise wobei das zusätzliche Volumenausgleichselement als elektrische Isolierung wirkt. Battery cell according to one of the preceding claims, wherein the battery cell has an additional volume compensation element which is arranged outside the arrangement of anode (2), sulfur cathode (3), separator element (4) and volume compensation element (5), preferably wherein the additional volume compensation element as electrical insulation works.
Batteriezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Volumenausgleichselement (5) Elektrolyt aufnehmen, speichern und/oder abgeben kann, und/oder wobei zumindest ein Volumenausgleichselement (5) zur Ableitung von Wärme über das Gehäuse (1) nach außen dient. Battery cell according to one of the preceding claims, wherein at least one volume compensation element (5) receive, store and / or can discharge electrolyte, and / or at least one volume compensation element (5) for dissipating heat via the housing (1) to the outside.
Batteriezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Batteriezelle eine Hartschalen- Batteriezelle oder eine Beutel- Batteriezelle ist. Wiederaufladbare Lithium-Schwefel-Batterie mit zumindest zwei der Lithium-Schwefel-Batteriezellen nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei vorzugsweise ein zusätzliches Battery cell according to one of the preceding claims, wherein the battery cell is a hard-shell battery cell or a bag battery cell. Rechargeable lithium-sulfur battery with at least two of the lithium-sulfur battery cells according to any one of the preceding claims, wherein preferably an additional
Volumenausgleichselement zwischen den einzelnen Batteriezellen angeordnet ist, wobei das zusätzliche Volumenausgleichselement weiter vorzugsweise als elektrische Isolierung wirkt. Volume compensation element is disposed between the individual battery cells, wherein the additional volume compensation element further preferably acts as electrical insulation.
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