用于制造电蓄能器的方法以及电蓄能器与流程

1.本发明涉及一种用于制造电蓄能器的方法以及一种电蓄能器。


背景技术：

2.电蓄能器是基于电化学的蓄能器，该基于电化学的蓄能器可再充电并且适配用于储存电能并且将电能提供给消耗器、特别是车辆中的消耗器。
3.在电蓄能器运行期间，可能由于电蓄能器的部件的副反应形成气体，例如由于在电蓄能器中使用的电解质基于出现放热而部分分解。因此，在电蓄能器的使用寿命期间可能在电蓄能器的壳体内形成过压，所述过压会降低电蓄能器的有效功率以及最大使用寿命。
4.为了防止在电蓄能器内形成过高的过压，可以设置在特定过压下触发的安全机构。例如已知所谓的爆破膜，该爆破膜在特定的过压下至少部分地打开电蓄能器的壳体并且以这种方式能够实现气体的逸出。然而，这使得电蓄能器变得不可用。此外，在触发安全机构之前可能已经出现功率损失。


技术实现要素：

5.因此，本发明的任务是，给出一种用于制造电蓄能器的方法，该方法避免了已知蓄能器的缺点并且特别是具有长的使用寿命。此外，本发明的任务是提供这样的蓄能器。
6.本发明的任务通过一种用于制造电蓄能器的方法来解决，该方法包括以下步骤：首先提供壳体，并且将包括第一活性材料的至少一个正电极和包括第二活性材料的至少一个负电极引入到壳体中。随后将气体混合物计量到壳体的空容积中，并且将壳体气密地封闭。该气体混合物包括至少一种气体成分，所述至少一种气体成分在封闭壳体之后与第一活性材料和/或第二活性材料至少部分地反应。
7.本发明的基本思想是，通过所述至少一种气体成分的针对性反应，在壳体的空容积内产生预先确定的负压，从而能够防止或者至少延迟在电蓄能器的运行期间产生的气体在壳体内引起不期望的过压。换句话说，针对电蓄能器的运行产生压力缓冲。
8.特别是，待调节的负压力选择成，使得由于电蓄能器的老化过程在其寿命期间在壳体内不产生超过规定极限值的压力。
9.所述极限值可以是电蓄能器的安全机构、例如爆破膜的的触发压力。
10.所述触发压力也可以根据电蓄能器的功率参数来确定。这在如下情况下是特别有利的，即，当从壳体内的特定压力起在电蓄能器的运行中可预期不利的效果时，例如容量损失(特别是由于锂在负电极上的剥离(所谓的“锂电镀”))和/或电蓄能器的内阻提高。
11.所述空容积是壳体内的如下容积，在该容积中不存在电蓄能器的另外的、非气态的成分。这种空容积在电蓄能器的常见结构形式中已经存在，从而仅须适配在该空容积中存在的气体混合物。相应地可能的是，不需要耗费地适配电蓄能器的形状。
12.已知的是，通过使用至少一种气体成分(所述气体成分在封闭壳体之后自主地与
第一活性材料和/或第二活性材料在形成固体材料的情况下反应)能够以特别简单的方式有针对性地调节在壳体内的期望负压。术语“自主”在上下文中表示，不需要例如通过人员或制造装置在单体壳体内部处理成分。
13.换句话说，经由被引入到电蓄能器的空容积中的所述至少一种气体成分的份额确定在封闭的电蓄能器中出现的负压。
14.此外，不需要在真空下封闭壳体或不必在壳体内产生真空。由此能够降低根据本发明的方法的耗费和/或成本。
15.表达“与活性材料反应”在此并且在下文中如下地理解，即，所述至少一种气体成分与相应活性材料的组成部分和在该活性材料中所包含的成分的组成部分反应并且从蓄能器中的气体体积中被除去。例如，在锂离子电池的情况下，术语“与活性材料反应”也包括所述至少一种气体成分与在相应活性材料中存在的、特别是嵌入的锂离子或存在的、特别是嵌入的锂反应。
16.优选地，所述空容积具有在电蓄能器壳体的总容积的5％至35％的范围内、优选在5％至20％的范围内的大小。
17.例如，所述空容积处于30ml至100ml的范围内，而壳体的总体积处于300ml至500ml的范围内。以这种方式继续保持电蓄能器的紧凑结构形式。
18.通过所述至少一种气体成分与第一活性材料和/或第二活性材料的至少部分反应，第一活性材料和/或第二活性材料至少部分地被消耗并且不再可供用于电蓄能器的循环、即充电和放电过程。因此，特别是正电极或负电极中第一活性材料和/或第二活性材料的量匹配于所述至少一种气体成分在气体混合物中的份额，使得电蓄能器即使在所述至少一种气体成分反应之后也具有期望的容量。
19.所述电蓄能器可以与其它电蓄能器一起安装成一个储存器系统，在该储存器系统中每个电蓄能器都承担一个储存器单元的功能。
20.所述电蓄能器特别是锂离子单体。在这种情况下，所述储存器系统是锂离子电池。
21.所述壳体特别是棱柱形的或圆柱形的壳体。
22.在一个变型方案中，在所述壳体的空容积内，通过气体成分的反应产生750mbar或更小的压力、优选700mbar或更小的压力、进一步优选500mbar或更小的压力、还进一步优选300mbar或更小的压力。
23.在所述壳体内出现临界过压、例如超过规定极限值的过压之前，在所述电蓄能器的壳体内的这种负压为在电蓄能器的运行期间产生的气体提供了足够的缓冲。
24.优选地，所述至少一种气体成分至少部分地反应成在第一活性材料和/或第二活性材料上的钝化层。以这种方式能够避免或者至少减少不期望的副反应，特别是在电解质与第一活性材料和/或第二活性材料之间的副反应。特别是，所述钝化层可以是负电极上的所谓的“sei”(sei：solid electrolyte interface，固体电解质界面)的一部分。
25.所述至少一种气体成分可以在电蓄能器的一个充电循环或多个充电循环期间与第一活性材料和/或第二活性材料反应。特别是，至少90摩尔百分比的所述至少一种气体成分在前四个充电循环内与第一活性材料和/或第二活性材料反应。
26.优选地，至少90摩尔百分比的所述至少一种气体成分在前两个充电循环内、特别优选在第一个充电循环内反应。
27.如果进行所述至少一种气体成分与第二活性材料的转化，则该反应特别是在电蓄能器的相应充电循环内的充电过程期间发生。如果进行所述至少一种气体成分与第一活性材料的反应，则该反应特别是在电蓄能器的相应充电循环内的放电过程期间发生。然而，在这两种情况下，也还可以并行地进行与相应其它活性材料的反应。
28.以这种方式，在电蓄能器的使用寿命开始时在壳体内的压力已经达到所期望的值，从而尽可能快地提供所期望的保护作用。同时，不必进行用于使所述至少一种气体成分与第一活性材料和/或第二活性材料反应的附加制造步骤，由此能够降低该方法的耗费和/或成本。
29.在电蓄能器的第一个充电循环期间出现多个反应，这些反应特别是导致在负电极上构成sei。因此，所述至少一种气体成分反应成钝化层可以与sei的构成一起进行。
30.已知的是，所述至少一种气体成分在空容积中的含量特别是渐近地减少。这意味着，在电蓄能器的使用寿命期间也不会预期所述至少一种气体成分的完全反应。然而，通过使至少90摩尔百分比的所述至少一种气体成分在电蓄能器的前几个充电循环内或第一个充电循环内反应，尽管存在这种渐近变化，仍能够可靠地产生和提供在壳体内的期望压力。
31.所述至少一种气体成分优选是氧气。
32.氧气可以通过与第一活性材料和/或第二活性材料的反应形成惰性氧化物，并且以这种方式在相应的活性材料上产生钝化层。
33.例如，在锂离子单体的情况下，氧气可以与第二活性材料中存在的锂反应成氧化锂。
34.在此意义上，在所述至少一种气体成分与活性材料之间的反应在这里同样包括气体成分与在活性材料中包含的或存在的锂的反应。
35.除了与第一活性材料和/或第二活性材料反应的所述至少一种气体成分之外，所述气体混合物还可以具有其它组成部分。
36.所述其它组成部分特别是惰性气体，例如氮气和/或稀有气体，如氩气、氪气和氙气，优选所述其它组成部分是氮气或氮气与稀有气体的混合物。
37.特别是，所述气体混合物具有尽可能低的剩余湿气，以便不产生与第一活性材料和/或第二活性材料和/或电解质的不希望的反应。
38.所述至少一种气体成分特别是以至少25体积百分比的份额、优选以至少30或35体积百分比的份额、进一步优选以至少50或55体积百分比的份额、还进一步优选以至少70或75体积百分比的份额存在于所述气体混合物中。
39.所述至少一种气体成分在所述气体混合物中的份额与壳体内要调节的负压和/或与所述至少一种气体成分在第一和/或第二活性材料反应期间的期望反应特性、特别是反应动力学和所产生的反应产物相协调。
40.第一活性材料原则上可以是任意对于正电极在现有技术中已知的活性材料。
41.在锂离子单体的情况下例如包括licoo2、锂镍钴锰化合物(以缩写ncm或nmc已知)、锂镍钴铝氧化物(nca)、磷酸铁锂和其它橄榄石型化合物以及锂锰氧化物尖晶石(lmo)。也可以使用所谓的过锂化层状氧化物(olo)。
42.第一活性材料也可以包含由两种或更多种所提及的化合物组成的混合物。
43.所述气体成分优选与第二活性材料反应。
44.第二活性材料可以选自由含碳材料、硅、低氧化硅、硅合金及其混合物组成的组。
45.优选地，第二活性材料选自由合成石墨、天然石墨、石墨烯、中间碳、掺杂碳、硬碳、软碳、富勒烯、硅碳复合材料、硅、表面涂层硅、低氧化硅、铝合金及其混合物组成的组。
46.第一活性材料和/或第二活性材料可以包含其它添加剂，如其在现有技术中已知的那样，例如用于提高导电能力的导电能力调节剂。
47.此外，本发明的任务通过一种按照前述方法制造的电蓄能器来解决。
48.特别是，电蓄能器具有在电蓄能器的壳体内的空容积，该空容积具有在壳体的总容积的5％至35％的范围内、优选在5％至20％的范围内的大小。
49.例如，空容积处于30ml至100ml的范围内，而壳体的总容积处于300ml至500ml的范围内。
50.在电蓄能器的壳体的空容积内特别是存在750mbar或更小、优选700mbar或更小、进一步优选500mbar或更小、还进一步优选300mbar或更小的压力。
51.优选地，电蓄能器的壳体是棱柱形壳体或圆形壳体。
52.电蓄能器的壳体特别是由不锈钢或铝制成。壳体可以涂覆有镍。
53.如果壳体是棱柱形壳体，则该壳体优选由铝制成。如果壳体是圆形壳体，则该壳体优选由涂覆有镍的不锈钢制成。
附图说明
54.本发明的其它优点和特征由以下对示例性实施方式的描述以及由附图得出，这些实施方式不应以限制性的意义理解。其中：
55.图1示出根据本发明的电蓄能器的示意性横截面视图，以及
56.图2示出根据本发明的用于制造根据图1的电蓄能器的方法的方框图。
具体实施方式
57.在图1中示出根据本发明的电蓄能器10，其具有壳体12。
58.壳体12是棱柱形壳体并且由铝制成。
59.原则上，壳体12也可以是圆柱形壳体(也称为圆形壳体)和/或由其它材料构成，如其在现有技术中已知的那样。
60.在壳体内布置有正电极14(也称为阴极)和负电极16(也称为阳极)，它们借助分离器18彼此间隔开并且彼此电绝缘。
61.原则上也可以设置多个正电极14和多个负电极16，它们分别借助分离器18彼此间隔开并且彼此电绝缘。
62.正电极14具有第一活性材料并且负电极16具有第二活性材料。
63.第一活性材料例如是nmc811(lini
0.8
mn
0.1
co
0.1
o2)，并且第二活性材料例如是天然石墨。在电蓄能器10的所示实施方式中，相应地涉及锂离子单体。
64.然而，原则上可以使用所有由现有技术已知的活性材料。
65.正电极14、负电极16和分离器18被电解质浸透，该电解质是离子导电的、特别是对于锂离子导电的并且包括溶剂以及导电盐、特别是锂导电盐，例如六氟磷酸锂(lipf6)。
66.正电极14和负电极16分别与电蓄能器10的所配属的电触点20电连接，其中，触点
20布置在壳体12的外侧上。经由电触头20，消耗器可被连接到电蓄能器10上。
67.在壳体12内设置有空容积22，在该空容积中不布置电蓄能器10的固态或液态成分，而是仅存在气态成分。
68.空容积22处于30ml至100ml的范围内，例如为80ml，而壳体12的总容积处于300ml至500ml的范围内。
69.在壳体12内存在750mbar或更小的、优选700mbar或更小的、进一步优选500mbar或更小的、还进一步优选300mbar或更小的压力。
70.因此，在电蓄能器10运行期间，在壳体12内形成过压、即大于1bar的压力之前，例如通过电解质的部分分解能够产生气体，所述气体能够进入到空容积22中。
71.在图2中示出根据本发明的用于制造电蓄能器10的方法的方框图。
72.根据本发明的方法包括以下步骤。
73.首先提供壳体12(步骤s1)。随后将包括第一活性材料的正电极14和包括第二活性材料的负电极16引入到壳体12中(步骤s2)。
74.此外，将分离器18布置在正电极14与负电极16之间。
75.替代地，也可以首先制造由正电极14、分离器18和负电极16组成的堆叠并且将该堆叠作为整体引入到壳体12中。
76.随后将用于润湿正电极14、负电极16和分离器18的电解质填充到壳体12中。
77.接着将气体混合物填充到壳体12的空容积22中(步骤s3)，并且以气密方式封闭、例如焊接壳体12(步骤s4)。
78.在将气体混合物填充到空容积22中(步骤s3)之前，可以进行电蓄能器10的前置的充电循环。在此产生的气体随后可以由气体混合物置换，并且随后可以将壳体12封闭(步骤s4)。以这种方式，能够防止在电蓄能器10的前置的充电循环期间产生的气体(否则这些气体将在封闭壳体12之后的第一个充电循环期间产生)使壳体12内的期望负压的至少一部分消除。
79.气体混合物包括至少一种气体成分，所述至少一种气体成分与第一活性材料和/或第二活性材料至少部分地反应并且以这种方式在壳体12内产生预定的负压。
80.所述至少一种气体成分以气体混合物的至少25体积百分比的份额、优选以至少30或35体积百分比的份额、进一步优选以至少50或55体积百分比的份额、还进一步优选以至少70或75体积百分比的份额存在。
81.例如，当在气体混合物中具有25体积百分比份额的所述至少一种气体成分几乎完全反应时，在壳体12内可以产生大约750mbar的压力。
82.在所示的实施方式中，所述气体成分是氧气。作为气体混合物的其它组成部分，使用作为惰性气体的氮气。
83.一旦借助根据本发明的方法制造的电蓄能器10进行一个或多个充电循环、即充电和再放电，气体混合物的氧气与在负电极16的第二活性材料中包含的或存在的锂反应成氧化锂并且以这种方式被消耗并且从气体体积中被除去。
84.第二活性材料的量如此匹配于在气体混合物中所使用的氧气量，使得电蓄能器10在氧气反应之后还具有所期望的容量。
85.为此，在空容积中每毫升的氧气使用附加量的第二活性材料，该附加量对应于所
产生的4mah容量。
86.特别是，至少90摩尔百分比的在空容积22内存在的氧气在电蓄能器10的前四个充电循环内、优选在前两个充电循环内、特别优选在第一个充电循环内反应。
87.由此，在电蓄能器10的使用寿命开始时壳体12内的压力已经下降到期望值，从而能够有效地抑制壳体12内的过压，即使在电蓄能器10的使用寿命期间应当产生电蓄能器10的组成部分的气态分解产物的情况下。

技术特征：
1.一种用于制造电蓄能器的方法，所述方法包括以下步骤：提供壳体(12)，将包括第一活性材料的至少一个正电极(14)和包括第二活性材料的至少一个负电极(16)引入到所述壳体(12)中，将气体混合物计量到所述壳体(12)的空容积(22)中，并且将壳体(12)气密地封闭，其中，所述气体混合物包括至少一种气体成分，所述至少一种气体成分在封闭所述壳体(12)之后与所述第一活性材料和/或所述第二活性材料至少部分地反应。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述壳体(12)的空容积(22)内，通过气体成分的反应产生750mbar或更小的压力、优选700mbar或更小的压力、进一步优选500mbar或更小的压力、还进一步优选300mbar或更小的压力。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一种气体成分至少部分地反应成在所述第一活性材料和/或所述第二活性材料上的钝化层。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体成分在所述电蓄能器(10)的一个充电循环或多个充电循环期间与所述第一活性材料和/或所述第二活性材料反应，特别是，至少90摩尔百分比的所述至少一种气体成分在前四个充电循环内与所述第一活性材料和/或所述第二活性材料反应。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一种气体成分是氧气。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一种气体成分以至少25体积百分比的份额、优选以至少30或35体积百分比的份额、进一步优选以至少50或55体积百分比的份额、还进一步优选以至少70或75体积百分比的份额存在于所述气体混合物中。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体成分与所述第二活性材料反应。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二活性材料选自由含碳材料、硅、低氧化硅、硅合金及其混合物组成的组。9.一种电蓄能器，所述电蓄能器按照根据前述权利要求中任一项所述的方法制造。10.根据权利要求9所述的电蓄能器，其特征在于，所述壳体(12)是棱柱形壳体或圆形壳体。

技术总结
一种用于制造电蓄能器(10)的方法包括以下步骤：首先提供壳体(12)，并且将包括第一活性材料的至少一个正电极(14)和包括第二活性材料的至少一个负电极(16)引入到所述壳体(12)中。随后将气体混合物计量到所述壳体(12)的空容积(22)中，并且将所述壳体(12)气密地封闭。所述气体混合物包括至少一种气体成分，所述至少一种气体成分在封闭所述壳体(12)之后与所述第一活性材料和/或所述第二活性材料至少部分地反应。此外给出一种电蓄能器(10)。此外给出一种电蓄能器(10)。此外给出一种电蓄能器(10)。


技术研发人员：M
受保护的技术使用者：宝马股份公司
技术研发日：2021.12.21
技术公布日：2023/9/7