电极以及带有这样的电极的二次电池单体的制作方法

1.本发明涉及一种用于二次电池单体的电极，其中，该电极具有电极基体，该电极基体带有收集器区段且带有接触区段。此外，本发明涉及一种带有这样的电极的二次电池单体以及一种电驱动式机动车,其牵引电池具有这样的二次电池单体。


背景技术：

2.电驱动式机动车典型地具有如下牵引电池(高压电池，hv电池)，其为用于驱动机动车的电动马达供应以能量。在此，电驱动式机动车尤其理解为将对于驱动必要的能量仅存储在牵引电池中的电动车辆(bev，battery electric vehicle)、带有增程器的电动车辆(reev，range extended electric vehicle)、混合动力车辆(hev，hybrid electric vehicle)、插电式混合动力车辆(phev，plug-in hybrid electric vehicle)和/或将借助于燃料电池单体产生的电能临时存储在牵引电池中的燃料电池车辆(fcev，fuel cell electric vehicle)。
3.这样的牵引电池包括一定数量的简称为电池单体的二次电池单体，其例如联合成电池模块(电池单体模块)。电池单体和必要时电池模块在此彼此串联和/或并联，使得牵引电池可以为设置用于驱动机动车的电动马达提供足够高的电流强度和足够高的电压。典型地，牵引电池构造为锂离子电池并且其二次电池单体构造为锂离子电池单体。
4.电池单体中的每个包括至少一个阳极和至少一个阴极。这些电极分别借助于载体薄膜形成，该载体薄膜典型地是金属薄膜，其中，载体薄膜在所谓的收集器区段中覆层有活性材料。此外，载体薄膜包括未覆层的且称为放电器接片(ableiterf
ä
hnchen)的接触区段，电极可以借助于该接触区段与电池单体放电器(突片(tab))电连接。
5.为了用户的尽可能大的舒适性，值得希望的是，牵引电池或其电池单体的相应充电过程可以尽可能快地进行。在充电时，电流经由放电器接片流到收集器区段中。充电过程的最大可实现的充电速度(充电速率)在此可由于热产生和/或由于电池单体、尤其放电器接片和收集器区段的欧姆电阻而受限，以便避免损坏牵引电池及其电池单体。


技术实现要素：

6.本发明目的在于说明一种特别适合的用于二次电池单体、例如用于锂离子电池单体的电极。尤其地，应借助于该电极实现尽可能快的充电过程。此外，应说明一种这样的二次电池单体以及一种电驱动式机动车，其牵引电池包括至少一个这样的二次电池单体。
7.在电极方面，该目的根据本发明通过根据本发明的用于二次电池单体的电极的特征来实现。在二次电池单体方面，该目的根据本发明利用根据本发明的二次电池单体的特征来实现，并且在电驱动式机动车方面利用根据本发明的电驱动式机动车的特征来实现。在此，与电极相关的实施方案适宜地也适用于二次电池单体以及电驱动式机动车，并且反之亦然。
8.对此，电极具有电极基体，该电极基体又具有收集器区段和接触区段。在此，收集
器区段用作电流收集器。接触区段设置和设立用于与具有电极的电池单体的也称为突片的电池单体放电器电接触，其中，借助于该电池单体放电器可将电流传导至电极或从电极传导。在电池单体的一些设计方案中，例如在圆柱形电池单体或棱柱形电池单体的情况下设置成，接触区段与具有电极的电池单体的壳体部件电接触。在该情况中，接触区段设置和设立成与壳体部件电接触。
9.电极基体优选地薄膜式地且尤其片状地或带状地构造。例如，电极基体借助于一个薄膜或借助于多个薄膜形成。在该情况中，电极基体也称为(多个)载体薄膜。备选地或附加地，接触区段和/或收集器区段分别借助于优选地编织或纺织的网，借助于多孔结构形成。附加地或备选地，接触区段和/或收集器区段设有凹部或例如冲压的孔。
10.收集器区段在此与接触区段一件式地(整体式地)、即连续地构造，或者备选于此，收集器区段和接触区段是电极基体的彼此分离的组成部分，其相互接合并且适宜地彼此电连接。适宜地，接触区段布置在收集器区段的边缘侧并且/或者在由收集器区段撑开的面中侧向地伸出超过收集器区段。
11.收集器区段和接触区段具有不同的电导率和/或不同的热导率。 换言之，收集器区段的热导率不同于接触区段的热导率，并且/或者收集器区段的电导率不同于接触区段的热导率。尤其地，接触区段的电导率的量和/或热导率的量不等于收集器区段的电导率或热导率的量。
12.尤其地，与其电极基体由唯一的连续的薄膜形成的电极相比，借助于根据本发明的电极特别有利地，接触区段和收集器区段的电导率和/或热导率相应于对这些区段的电导率和/或热导率的不同要求是可选的并且适宜地也如此选择和实施。因此，可以更好地满足局部不同的要求。例如，接触区段的电导率和热导率大于收集器区段的电导率和热导率，从而改善在接触区段上的热的散出并且/或者可以实现更高的充电电流或放电电流。
13.电极适合地设置用于二次电池单体、例如锂离子电池单体。
14.出于收集器区段和接触区段在其电导率和/或热导率方面不同地设计的目的，根据一适合的设计方案，收集器区段和接触区段具有不同的厚度。换言之，接触区段垂直于由电极基体撑开的平面的空间延展不同于(即大于或小于)收集器区段在该方向上的空间延展。例如，电极基体形成为唯一的金属薄膜，其中，在其制造的过程中接触区段比收集器区段在更小的压力下被辗压。
15.附加或备选于此，根据一适宜的设计方案，为了收集器区段和接触区段在其电导率和/或热导率方面不同地设计，收集器区段和接触区段由不同的材料形成。尤其地，即接触区段由第一材料形成并且收集器区段由第二材料形成，其中，第一材料和第二材料是不同的，并且其中，第一材料的电导率和/或热导率不同于第二材料的电导率和/或热导率。
16.根据一适宜的设计方案，收集器区段由覆层有金属的聚合物薄膜形成。备选于此，收集器区段由覆层有金属的碳薄膜形成。接触区段在此例如借助于金属薄膜形成。有利地，覆层有金属的聚合物薄膜或碳薄膜的重量小于一样大的金属薄膜的重量。因此，也减少了整个电极的重量并且增加了包括该电极的电池单体的重量能量密度。
17.附加或备选于此，收集器区段和接触区段在其它物理特性(例如其表面结构、其粗糙度和/或其多孔性)方面不同。有利地，借助于不同的表面结构实现收集器区段的表面结构设置和设立用于由活性材料构成的覆层的比较可靠的附着，其中，接触区段的表面结构
设置和设立用于与突片或与壳体比较可靠的电接触和/或机械接触。
18.根据一适宜的设计方案，收集器区段覆层有活性材料。优选地，收集器区段在两侧覆层有活性材料。倘若电极设置为阳极，则例如铜薄膜形成收集器区段，其中，应用石墨、石墨烯、钛酸锂(lto)或所谓的硬碳、软碳和/或碳纳米管作为(阳极)活性材料。备选地，收集器区段设有硅、硅基阳极材料、锂作为活性材料。备选地或附加地，阳极设有其它从现有技术中作为用于阳极的活性材料已知的材料。倘若电极设置为阴极，则例如铝薄膜形成收集器区段，其中，可应用镍钴铝酸锂(nca)、磷酸铁锂(lfp)、镍钴锰酸锂(nmc)、硫、硫化合物、锰酸锂 (lmo)、镍锰酸锂(lmno)、钴酸锂(lco)、lifeso4f、litis2或其它从现有技术中作为用于阴极的活性材料已知的材料作为活性材料。适宜地，带有活性材料的层此外包括粘合剂以及导电剂和/或另外的导电添加剂，例如导电碳黑、石墨烯、碳纳米管或碳纳米纤维。
19.尤其地，倘若电极设置用于应用在固体材料电池单体(固体电池单体)中，则电极区段备选于此不覆层有活性材料。在固体材料电池单体的运行中，锂那么直接沉积在收集器区段上。例如，收集器区段在此具有有利于这样的沉积的表面结构。例如，表面结构用于增加收集器区段的表面。
20.根据一有利的改进方案，收集器区段具有第一区域和第二区域，其中，第一区域和第二区域在其电导率和/或热导率方面是不同的。这两个区域在此适宜地在由收集器区段撑开的平面中并排地布置。这两个区域例如彼此具有不同的厚度(即在垂直于由收集器区段撑开的平面的方向上的空间延展)和/或不同的材料。例如，第一区域框架式地包围第二区域或者在周缘侧布置在第二区域处。以该方式实现进一步调整或适配收集器区段的热传导性能和电传导性能。例如，第一区域具有比第二区域更高的热导率和电导率，其中，第一区域邻接到接触区段处，从而实现电极的比较良好的热散出。例如，第一区域对此借助于覆层有活性材料的金属薄膜构造，其中，金属薄膜在第二区域中更薄地设计。
21.根据一有利的设计方案，电极基体具有多个接触区段，即多于一个接触区段。换言之，电极基体具有该接触区段和另外的接触区段。尤其地，接触区段在此布置在收集器区段的共同的棱边或侧面处。接触区段例如在此彼此相同地构造。然而备选地，接触区段可以在电导率和/或热导率方面彼此不同。对此，这些接触区段例如具有不同的厚度并且/或者由不同的材料形成。
22.尤其地，倘若电极设置用于形成电极卷(elektrodenwickel)，则该电级具有带形状、即长型的形状。优选地，接触区段那么彼此均匀地或不均匀地间隔开地布置在收集器区段的(比较长的)纵侧处。由于在收集器区段的棱边处应用多个接触区段，有利地减少了电极的总电阻。
23.备选于此，根据一有利的设计方案，接触区段沿着收集器区段的整个宽度或整个长度延伸。与在其中接触区段仅沿着长度或宽度的比较小的部分延伸的电极相比，电子从收集器区段至接触区段的平均行程减少并且伴随于此电极的电阻也减少。
24.本发明的另一方面涉及一种(二次)电池单体，其具有在上面示出的变体之一中的电极。电池单体例如构造为锂离子电池单体并且在此不仅可以构造为软包电池单体(pouchzelle)，而且可以构造为圆形电池单体或棱柱形电池单体。
25.优选地，电池单体的电极中的每个、即其阳极中的所有和其阴极中的所有构造成上面示出的变体之一。尤其地，电池单体的电极中的每个具有收集器区段和接触区段，其
中，收集器区段和接触区段具有不同的电导率和/或不同的热导率。
26.此外，阴极的电极基体可以是彼此不同的。附加地或备选地，阳极的电极基体可以是彼此不同的。例如，除了在上述变体之一中的一个电极或多个电极之外，电池单体还具有常规电极。
27.本发明的另一方面涉及一种带有牵引电池的电驱动式机动车。该牵引电池具有在上面示出的变体之一中的至少一个(二次)电池单体。
附图说明
28.接下来借助于附图更详细地阐述本发明的实施例。其中：图1示意性地示出了电驱动式机动车，其牵引电池(电池系统)具有一定数量的电池模块，其中，电池模块又包括一定数量的构造为锂离子电池单体的二次电池单体，图2a示意性地以俯视图示出了电池单体中的一个的电极的第一变体，其中，电极具有电极基体，该电极基体带有接触区段以及带有覆层有活性材料的收集器区段，图2b示意性地以侧视图示出了根据图2a的电极，其中，接触区段具有比收集器区段更大的厚度，图2c示意性地以侧视图示出了根据第一变体的一备选的设计方案的电极，其中，接触区段具有比收集器区段更小的厚度，图3a示意性地以侧视图示出了电极的第二变体，其中，其收集器区段借助于设有金属层的聚合物薄膜或碳薄膜形成，图3b示意性地以俯视图示出了电极的第二变体的一备选的设计方案，其中，收集器区段具有借助于金属薄膜形成的第一区域和借助于设有金属层的聚合物薄膜或碳薄膜形成的第二区域，图3c示意性地以图3b中示出的剖切平面iiic示出了第二变体的备选的设计方案的电极的横截面，图4示意性地以俯视图示出了电极的第三变体，其中，接触区段沿着收集器区段的整个宽度延伸，以及图5示意性地以俯视图示出了电极的第四变体，其中，电极带状地构造，并且其中，电极在其纵侧处具有多个接触区段。
29.在所有图中，彼此相应的部件和大小始终设有相同的附图标记。
具体实施方式
30.图1中示出了带有牵引电池4的机动车2。 牵引电池4具有一定数量的也称为电池单体模块的电池模块6，其中，为了更清楚起见，仅示出了电池模块6中的两个。
31.电池模块6中的每个又具有一定数量的构造为锂离子电池单体的二次电池单体8，对于各电池模块6分别示出了其中的五个。在图1中，电池单体8例如构造为软包电池单体，其中，电池单体8借助于其电池单体放电器10彼此电联结。尤其地，每个电池模块6的电池单体8以未详细示出的方式借助于其电池单体放电器10彼此串联和/或并联。此外，电池模块6以未详细示出的方式彼此串联和/或并联以及与用于消耗器的电池联接部12电连接。
32.在牵引电池4的电池联接部12处联接有消耗器，其在这里构造为机动车2的驱动系
的逆变器14和联接到该逆变器处的电动马达16。逆变器14将由牵引电池4提供的直流电流或由该牵引电池提供的直流电压转换成适合用于运行电动马达16的交流电流或交流电压。总之，牵引电池提供用于驱动机动车2的电能。
33.在未进一步示出的备选方案中，电池单体8构造为圆形电池单体或棱柱形电池单体。
34.图2a中示出了电池单体8中的一个的电极18的第一变体。电极18包括薄膜式的电极基体20，该电极基体借助于作为电流收集器的收集器区段22和借助于接触区段24形成。接触区段24在此用于电极18在电池单体8内部与电池单体放电器10电接触，其中，电池单体放电器10朝向电池单体外部引导以便在那里联结。
35.在该第一变体中，电极基体20构造为(唯一的)金属薄膜。因此，接触区段24和收集器区段22整体式地、即连续地构造。电极18此外具有活性材料，收集器区段22在两侧覆层有该活性材料。该由活性材料构成的覆层设有附图标记26。
36.电极基体20撑开平面，其中，在旁边的方向图中，主延伸方向以b(针对宽度方向)和h(针对高度方向)表示。垂直于该平面的方向设有附图标记d(针对厚度方向)。这些方向说明类似地适用于图 2b至图4的实施方案。
37.如图2b中可识别的那样，收集器区段22具有厚度d
kol
，且接触区段具有厚度d
kon
，其中，接触区段24的厚度d
kon
大于收集器区段22的厚度d
kol
。换言之，接触区段24在方向d上的空间延展大于收集器区段22在该方向上的空间延展。
38.图2c中示出了第一变体的电极的一备选的设计方案。该备选的设计方案与第一变体区别仅在于收集器区段22的厚度d
kol
大于接触区段24的厚度d
kon
。
39.在根据图2a至图2c的电极18的未进一步示出的变体中，收集器区段22不设有活性材料。当电池单体运行时，锂那么沉积在收集器区段22的表面处。
40.总之，根据第一变体和根据第一变体的备选的设计方案的接触区段24和收集器区段22具有不同的厚度，且因此具有不同的热导率和电导率。
41.图3a中示出电极18的第二变体。在第二变体中，收集器区段22和接触区段24相互接合。即它们未整体式地相互连接。在此，接触区段24布置在边缘侧，这里布置在收集器区段22的在方向b上延伸的棱边处。接触区段24在此优选地作为金属薄膜构造为第一材料m1。收集器区段借助于聚合物薄膜或碳薄膜28形成为第二材料m2。该收集器区段设有金属层30。在此，金属层30与接触区段24电连接。总之，接触区段24的材料m1不同于收集器区段22的材料m2。
42.根据一未进一步示出的备选方案，收集器区段24和接触区段24由不同材料的薄膜、尤其借助于不同的金属薄膜形成，其中，收集器区段24和接触区段24相互接合。例如，收集器区段24在此覆层有活性材料。
43.图3b和3c中示出了电极18的第二变体的一备选的设计方案。在此，收集器区段22具有两个区域32和34。第一区域32在此借助于金属薄膜形成并且与接触区段24电连接。例如，第一区域32和接触区段一件式地(换言之整体式地)构造。收集器区段22的第二区域34借助于在两侧设有金属层30的聚合物薄膜或碳薄膜28形成。例如，第一区域32框架式地包围第二区域34。备选地，第一区域32带状地设计，其沿着收集器区段22的面向接触区段24的棱边在第二区域34与接触区段24之间延伸。
44.总之，第一区域32和第二区域34因此在其电导率和/或热导率方面是不同的。
45.图4中示出了电极18的第三变体。在该变体中，接触区段24沿着收集器区段22的整个宽度延伸，即沿着收集器区段22在方向b上的完全的延展延伸。在此，收集器区段22类似于图2a至图2c的图示具有与接触区段24不同的厚度d
kol
，并且/或者接触区段24类似于图3a至图3c的图示由与收集器区段22不同的材料形成。
46.图5中示出了电极18的另外的第四变体。该电极18带状地构造。电极即撑开平面，其中，电极18的主延伸方向形成纵向方向l和高度方向h。此外，电极18在纵向方向l上的延展相对于在高度方向h上的延展是比较大的。这样的带状电极18例如设置用于形成电极卷(蛋糕卷)或扁平卷(flachwickel)，其被典型地应用在圆形电池单体或棱柱形电池单体中。
47.电极基体20具有收集器区段22以及多个接触区段24。这些接触区段在这里例如布置在收集器区段22的共同的、在纵向方向l上延伸的纵侧36处。例如，接触区段彼此相同地设计。然而，还可能的是，接触区段具有彼此不同的厚度和/或在纵向方向上彼此不同的延展，并且/或者由不同的材料形成。收集器区段例如由设有活性材料的金属薄膜或由设有金属层的聚合物薄膜或碳薄膜形成。
48.在任何情况下，接触区段24中的至少一个具有与收集器区段22不同的厚度d
kon
并且/或者由与收集器区段22不同的材料形成。
49.总之，在上面示出的所有变体和设计方案中，收集器区段22的电导率σ
kol
和/或收集器区段22的热导率λ
kol
不同于接触区段24的电导率σ
kon
或接触区段的热导率λ
kon
。换言之适用：，和/或。
50.以该方式，有利地实现收集器区段22和接触区段24的电导率和/或热导率彼此独立地适配于对电池单体或其电极的相应要求，尤其适配于对收集器区段22和接触区段24在其热导率和/或其电导率方面的不同要求。
51.本发明不限于上述实施例。而是，本发明的其它变体也可以由本领域技术人员由此推导出，而不离开本发明的内容。此外尤其地，结合实施例描述的所有单个特征也能够以其它方式相互组合，而不离开本发明的内容。
52.附图标记列表2电驱动式机动车4牵引电池6电池模块8锂离子电池单体10电池单体放电器12电池联接部14逆变器16电动马达18电极20电极基体
22收集器区段24接触区段26由活性材料构成的覆层28聚合物薄膜或碳薄膜30金属层32收集器区段的第一区域34收集器区段的第二区域36纵侧b宽度方向d厚度方向h高度方向l纵向方向d
kol
收集器区段的厚度d
kon
接触区段的厚度。