本發(fā)明涉及一種鋰離子電池，所述鋰離子電池包括兩個相互對置的極性不同的工作電極并且包括包含鋰的儲存電極，在所述工作電極之間在電解質(zhì)腔中設(shè)置有將各工作電極彼此電子隔離的并且對于鋰離子可滲透的隔離器，所述儲存電極與電解質(zhì)腔電子隔離地交換鋰離子地接觸，其中，借助將儲存電極與所述工作電極中的至少一個工作電極連接的測量和控制電路可測量在儲存電極與該工作電極之間的電壓并且在儲存電極與該工作電極之間可施加電壓。
背景技術(shù)：
這樣的鋰離子電池由us7,726,975b2已知。
鋰離子電池已知作為用于電子裝置以及用于具有純電氣或混合驅(qū)動裝置的機(jī)動車的現(xiàn)代的大功率蓄能器。鋰離子電池的優(yōu)點主要在于高能量密度和克服非常大數(shù)量的充電和放電周期的能力，鋰離子電池的作用原理基于鋰離子在兩個工作電極之間在電解質(zhì)中的移動，所述電解質(zhì)自身不參與在工作電極上的電化學(xué)反應(yīng)。鋰離子電池的典型結(jié)構(gòu)包括兩個適合用于化合或插入鋰離子的工作電極。為了防止在所述工作電極之間的電子短路，在位于工作電極之間的被電解質(zhì)填充的電解質(zhì)腔中設(shè)置有所謂的隔離器，該隔離器一方面實現(xiàn)工作電極之間的電子隔離，但另一方面可以允許鋰離子通過。這樣的高密度的離子流的通過是必需的，以便允許相應(yīng)高的電池電流。典型地，隔離器一層或多層地由多孔的電氣絕緣的聚合物材料構(gòu)成、例如由聚乙烯或聚丙烯或其混合物構(gòu)成，其中，如此設(shè)計多孔性，使得鋰離子的移動盡可能僅受到小的限制。
已經(jīng)被證實的是，鋰離子電池在其壽命進(jìn)程中經(jīng)受顯著的容量減小，其中，該效應(yīng)在鋰離子電池的早期壽命階段比在更晚期的階段中更強(qiáng)烈地出現(xiàn)。該容量減小的主要原因是在負(fù)電極與電解質(zhì)之間構(gòu)成有包含鋰的中間層，該中間層對于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員來說也作為sei(＝固體電解質(zhì)界面膜)已知。該中間層存儲鋰離子，這些鋰離子于是不再用于電化學(xué)過程。此外已知不同的“消耗”鋰的寄生反應(yīng)，該鋰于是不再用于電池運行。
由上述類型的文獻(xiàn)已知的是，垂直于所述兩個工作電極和隔離器將儲存電極通過自身的隔離器耦合到電解質(zhì)腔上。該儲存電極完成兩個任務(wù)。一方面可以將該儲存電極用作參考電極，借助測量和控制電路可以測量參考電極與工作電極的電壓差。由此，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員能夠推導(dǎo)出關(guān)于電池的充電狀態(tài)、特別是關(guān)于鋰離子在工作電極上的當(dāng)前的和可能的化合能力或插入能力的結(jié)論。由此特別是能夠進(jìn)一步確定最初在電池中存在的鋰是否并且以何種規(guī)模從電化學(xué)過程中被分離出，這特別是可歸因于上述效應(yīng)。通過在儲存電極與工作電極之間施加適合的電壓，作為對應(yīng)措施能夠產(chǎn)生從儲存電極經(jīng)由測量和控制電路到工作電極的電子流，該電子流導(dǎo)致從儲存電極經(jīng)由其隔離器到工作電極的離子流。換言之，從儲存電極將鋰離子引入電解質(zhì)腔中，于是該鋰離子可以用于另外的電化學(xué)反應(yīng)并且可以彌補(bǔ)在sei中被化合的或被寄生反應(yīng)消耗的鋰。以這種方式顯著地延長了鋰離子電池的壽命。
在該已知方案中不利的是，從儲存電極到工作電極的不利的空間狀況，該空間狀況使得鋰離子電池在常見規(guī)格中的緊湊結(jié)構(gòu)變得困難。特別是鋰離子電池以常見的堆疊或螺旋式布置方案的設(shè)計將會導(dǎo)致垂直于工作電極設(shè)置的儲存電極必須非常小地設(shè)計，這與儲存鋰的相應(yīng)小的容納能力有聯(lián)系。
任務(wù)提出
本發(fā)明的任務(wù)是改進(jìn)這種類型的鋰離子電池，使得即使在常見的電池布置方案中也有大的用于儲存鋰的儲存能力可供使用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
該任務(wù)結(jié)合權(quán)利要求1的前序部分的特征通過如下方式解決，即，儲存電極構(gòu)成為多孔的并且設(shè)置在隔離器的兩個電子隔離的并且對于鋰離子可滲透的隔離層之間。
本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式是從屬權(quán)利要求的技術(shù)方案。
按照本發(fā)明，儲存電極集成在工作電極之間的隔離器中。換言之，在工作電極之間的隔離器一方面用作儲存電極并且另一方面用作參考電極。
如上所述，對于鋰離子電池的工作效率來說決定性的是，離子流在工作電極之間能夠盡可能無障礙地流動。該目的利用常見的包括多孔隔離層的隔離器無問題地實現(xiàn)。本發(fā)明現(xiàn)在規(guī)定，隔離器由多個這樣的隔離層構(gòu)成，在各隔離層之間嵌入同樣不阻止離子流的多孔的儲存層。該儲存層對隔離器的首要作用、即工作電極的離子可滲透的并且電子隔離的分離沒有貢獻(xiàn)。這也是不需要的，因為該任務(wù)以被證明的方式由隔離層實現(xiàn)。儲存層僅提供鋰并且不允許附加地阻止離子流，這能夠通過儲存層的(足夠大的)多孔性實現(xiàn)。因此，對于儲存電極來說，存在與對于每個工作電極來說大約相同的面積可供使用，從而在此能夠存儲巨大量的儲存鋰，在電池的壽命上能夠以原則上已知的方式補(bǔ)充提供該儲存鋰以便彌補(bǔ)失去的鋰。相應(yīng)地，按照本發(fā)明的鋰離子電池的總壽命也相對于現(xiàn)有技術(shù)延長。
當(dāng)然需要的是，儲存電極整體上是能導(dǎo)電的，因此能夠?qū)崿F(xiàn)到測量和控制電路上的功能連接。為此已經(jīng)被證實為特別有利的是，儲存電極包括能導(dǎo)電的聚合物材料，包含鋰的涂覆材料被涂覆到該聚合物材料上。作為適合的能導(dǎo)電的聚合物材料例如已知聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩，它們在此單個地使用或優(yōu)選混合地使用。作為包含鋰的涂覆材料例如可以采用磷酸鐵鋰(lifepo4)。該材料特別是可以以納米微粒的形式提供，能導(dǎo)電的聚合物層能用這些納米微粒涂覆或者這些納米微?？梢郧度肽軐?dǎo)電的聚合物層中。lifepo4由于其在寬的工作范圍(鋰聚集范圍)上提供恒定的電壓的特性而對于在本發(fā)明的范疇內(nèi)的應(yīng)用是特別有利的。不過lifepo4的缺點是其較小的能量密度。對此，基于其較高的能量密度優(yōu)選經(jīng)典的鋰金屬氧化物、例如nmc(鋰鎳錳鈷氧化物)。鋰金屬具有最高的能量密度，但鋰金屬不可在氧氣處處理；然而只要在保護(hù)氣體環(huán)境下處理鋰金屬，則鋰金屬在本發(fā)明的范疇內(nèi)是絕對可用的。將包含鋰的涂覆材料涂覆到能導(dǎo)電的聚合物層上的具體涂覆方法對于本發(fā)明是次要的。對于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員而言，在此除了已經(jīng)提及的嵌入納米微粒之外例如還已知汽化滲鍍、噴涂、熔化和其他方法。
除了所述涂覆材料之外，原則上全部以如下方式包含鋰的材料是適合的，即，通過在儲存電極與所述工作電極中的一個工作電極之間施加電壓可以將鋰離子輸出到電解質(zhì)腔中。這些材料特別是也包括金屬鋰。
儲存電極的聚合物材料和/或隔離層優(yōu)選以多孔膜形式使用。這樣的多孔膜例如可以構(gòu)成為拉伸的薄膜。通過在拉伸薄膜時施加機(jī)械應(yīng)力能在薄膜中產(chǎn)生大小可容易地調(diào)節(jié)的孔。
本發(fā)明另外的特征和優(yōu)點從以下專門的說明和附圖得出。
附圖的簡要說明
圖1示出按照本發(fā)明的鋰離子電池的示意圖。
優(yōu)選實施方式的詳細(xì)說明
圖1示出按照本發(fā)明的鋰離子電池10的示意圖。電池10包括負(fù)的第一工作電極12和正的第二工作電極14。在工作電極12、14之間存在被電解質(zhì)填充的電解質(zhì)腔16，該電解質(zhì)特別是也吸收
如開頭所闡述的那樣，在電池10運行時、特別是在其第一充電和放電周期中可能在第一電極12與電解質(zhì)腔之間產(chǎn)生中間層20的積聚，其中，鋰離子在層20中嵌入并且被從電化學(xué)過程中帶走。
為了彌補(bǔ)這樣或者以其他方式失去的鋰離子，隔離器18以特別的方式構(gòu)造。因此，隔離器在示出的實施方式中包括兩個外部的隔離層181，所述隔離層優(yōu)選包括電子隔離的對于鋰離子可滲透的聚合物、特別是聚乙烯或聚丙烯。隔離層在此優(yōu)選構(gòu)成為拉伸的薄膜。隔離層181導(dǎo)致工作電極12、14的電子分離。
在隔離層181之間設(shè)置有儲存電極182，該儲存電極在示出的實施方式中構(gòu)成為能導(dǎo)電的聚合物層183，包含鋰的涂覆材料184嵌入到該聚合物層中。例如，包含鋰的涂覆材料184例如包括以嵌入的納米微粒形式的磷酸鐵鋰。
儲存電極182通過測量和控制電路22與工作電極12、14連接。測量和控制電路22構(gòu)成使得利用該測量和控制電路可測量在儲存電極182與工作電極12、14中的一個工作電極之間的電壓(通過伏特表符號“v”表示)。此外可能的是，借助測量和控制電路22在儲存電極18與工作電極12、14中的一個工作電極之間施加電壓u。由此，經(jīng)過測量和控制電路22的電子流能夠從儲存電極18被激發(fā)到工作電極12、14中的一個工作電極，這導(dǎo)致相應(yīng)的從儲存電極18到電解質(zhì)腔16中的鋰離子流。以這種方式能夠彌補(bǔ)存儲在中間層20中的鋰。為此所需的電壓可以根據(jù)水平和持續(xù)時間基于在儲存電極18與工作電極12、14之間的先前的電壓測量來確定，其中，儲存電極18在此用作參考電極。
當(dāng)然，在所述專門的說明中討論的并且在圖中所示的實施方式僅僅是本發(fā)明的解釋性的實施例。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，基于本公開內(nèi)容知曉寬泛的多種變型可能性。特別是本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員可以完全改變儲存電極的特定的構(gòu)造方案。因此，例如也可想到如下實施方式，在這些實施方式中，導(dǎo)電的載體材料僅僅在單側(cè)用包含鋰的涂覆材料涂覆。
附圖標(biāo)記列表：
10鋰離子電池
12第一工作電極
14第二工作電極
16電解質(zhì)腔
18隔離器
181隔離層
182儲存電極
183能導(dǎo)電的聚合物層
184包含鋰的涂覆材料
20中間層
22測量和控制電路