WO2025180564A1 - Current storage cell with electrolyte volume adapted to pore volume at high states of charge - Google Patents
Current storage cell with electrolyte volume adapted to pore volume at high states of chargeInfo
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Definitions
- the present invention relates to a power storage cell with an electrolyte volume adapted to the pore volume at high charge levels.
- the present invention further relates to a use of the power storage cell and a method for determining the pore volume of the electrodes of a power storage cell at high charge levels.
- a power storage cell designed as a lithium-ion storage cell or a sodium-ion storage cell
- ion transport between the anode and the cathode is enabled by an electrolyte solution comprising a lithium conducting salt or a sodium conducting salt and at least one solvent.
- This electrolyte solution is present in the pores of the anode and cathode, as well as in the pores of the separator located between the anode and the cathode.
- the electrolyte solution is added in excess of the pore volume available in the power storage cell in order to obtain a power storage cell with high capacity and a long service life.
- a known mechanism for the aging of power storage cells is the deposition of lithium at the anode, known as “lithium plating” in lithium-ion storage cells, or the deposition of sodium at the anode, known as “sodium plating” in sodium-ion storage cells.
- This deposition of metal at the anode leads to a rapid loss of capacity of the power storage cell.
- the object of the present invention is to provide a power storage cell, designed as a lithium-ion storage cell or sodium-ion storage cell, which is improved with respect to the above-mentioned disadvantages.
- a further object of the present invention is to specify a use of the power storage cell according to the invention for a rapid charging method.
- the present invention also provides a method for determining the pore volume of a power storage cell at high charge states of 75% to 100%.
- the power storage cell designed as a lithium-ion storage cell or as a sodium-ion storage cell.
- the power storage cell comprises an anode, a cathode, a separator located between the anode and the cathode, and an electrolyte solution present in the pores of the anode, the cathode, and the separator.
- the electrolyte solution comprises a conductive salt and at least one organic solvent.
- the storage cell has a volume factor f v between 0.9 and 1.05, preferably between 0.95 and 1.00. Most preferably, the volume factor f v is 1.
- the volume factor f v is the ratio of the volume of the electrolyte solution to the total sum of the Pore volumes in the anode, cathode and separator at a state of charge of 75% to 100% of the storage cell according to the formula: where electrolyte volume is the total volume of the electrolyte solution in the storage cell, anode pore volume is the pore volume of the anode, cathode pore volume is the pore volume of the cathode and separator pore volume is the pore volume of the separator.
- the pore volumes of the anode, cathode, and separator can be determined using helium pycnometry, for example.
- Helium pycnometry determines the skeletal density of the respective materials without taking the pores into account. This skeletal density can be compared with the bulk density, the quotient of the sample mass and the sample volume, and thus the empty volume, the respective pore volume of the anode, cathode, and separator, can be determined.
- the volumes of the various materials can be determined, for example, by measuring with a thickness gauge, and the mass using a precision balance. To determine both the skeletal density and the bulk density and volume of the sample, three independent measurements can be carried out at 10 different points on the electrode. The skeletal density, bulk density, and volume of the sample can then be determined as the average of the measurement results.
- pore volumes, in particular of the anode and the cathode are determined at a high charge state of 75% to 100%.
- the state of charge of a storage cell indicates the capacity available in a storage cell in relation to a fully charged state with a charge level of 100% and an uncharged state with a charge level of 0%.
- a charge level of 0% occurs at a defined lower cut-off voltage and a charge level of 100% occurs at a defined upper cut-off voltage.
- the lower cut-off voltage can be 2.8 V and the upper cut-off voltage 4.2 V.
- the lower cut-off voltage and the upper cut-off voltage of a storage cell can be specified in particular by a battery management system.
- the pore volumes in the anode, the cathode, and the separator can refer in particular to a formed storage cell in which, after the storage cell has been manufactured, it has already been charged and discharged, so that boundary layers form, particularly on the anode and the cathode.
- this boundary layer is referred to in particular as SEI (“solid electrolyte interphase”) and on the cathode as CEI (“cathode electrolyte During formation, an irreversible volume expansion of the electrodes also occurs, in particular through the formation of the SEI or CEI and through a partial rearrangement of the particles, particularly in highly compressed electrodes.
- the pore volume of the electrodes can change during the charging process.
- the inventors have discovered that, due to the change in the pore volume of the electrodes, electrolyte solution with a lower conducting salt concentration than the originally used conducting salt concentration can be displaced from the electrodes.
- the pore volume of the anode can decrease during charging of the storage cell depending on the state of charge. This can be attributed in particular to an increase in the volume of the electrochemically active anode materials during charging of the storage cell.
- different concentrations of the conducting salt can develop in the electrolyte solution in different areas of an electrode during extended operation of the storage cell after several charging and discharging processes.
- the volume factor f v is therefore set according to the invention such that, with a lower pore volume, in particular of the anode, it lies within a range of 0.9 to 1.05, preferably 0.95 to 1.00, at high charge states of 75% to 100%.
- the sum of the pore volumes of the anode, the pore volumes of the cathode, and the pore volumes of the separator are determined at high charge levels of 75% to 100%.
- the pore volume of the anode is significantly reduced compared to a charge level of 0%, since at these high
- the electrochemically active material of the anode such as graphite, silicon oxide, or silicon, expands particularly strongly at these charge states, and therefore the porosity of the anode at these charge states differs significantly from the porosity of the anode at a charge state of 0%.
- the high charge state is particularly preferably between 80% and 100%, and more preferably between 90% and 100%.
- the volume factor f v is set to 1. This means that the power storage cell has exactly as much volume of electrolyte solution as the sum of the pore volumes of the anode, the cathode, and the separator at high charge states of 75% to 100%. This makes it particularly effective to reduce or prevent the displacement of electrolyte solution depleted of conducting salt during charging of the power storage cell. Furthermore, it is preferably possible to determine experimentally, for example by means of helium pycnometry, at which charge state the smallest sum of the pore volumes of the anode, the cathode, and the separator is achieved within the range of high charge states of 75% to 100%. The volume factor can then be set to this minimum sum of the pore volumes of the anode, the cathode, and the separator.
- the power storage cell can comprise an electrode coil or an electrode stack.
- the electrode coil or the electrode stack can be accommodated in a housing, wherein the electrode coil and the electrode stack comprise the above-described anode, cathode and separator.
- the electrode coil or the electrode stack can extend in the housing along a longitudinal axis of the power storage cell.
- an electrode coil in particular a strip-shaped anode, a strip-shaped cathode and a first strip-shaped separator located between the strip-shaped anode and the strip-shaped cathode can be wound in layers around a winding core together with a second further strip-shaped separator.
- Electrode stacks can consist of individual anodes, cathodes and separators in between, which can be stacked on top of each other as plate-shaped elements.
- Such power storage cells can achieve particularly high capacities.
- the electrode coil or the electrode stack preferably has an extension of at least 3 cm along the longitudinal axis of the power storage cell.
- Power storage cells with such extensions along their longitudinal axis have particularly high capacities due to their size. Due to the volume factor f v set according to the invention, the formation of different regions in the electrode, in particular the anode, with different concentrations of conductive salt along the longitudinal axis of the power storage cell occurs only to a minor extent or not at all. Due to the large extension of at least 3 cm along the main axis of the power storage cell, different concentrations of conductive salt along this main axis cannot normally be compensated by diffusion within a very short time during operation of the power storage cell and therefore lead to premature aging of the power storage cell.
- Examples of energy storage cells with a length of at least 3 cm along the longitudinal axis include round cells of the 18650 type with a length of 6.5 cm along the longitudinal axis.
- Other examples of energy storage cells with such a length are cells of the 4680 type with a length of 8 cm, cells of the 4695 type with a length of 9.5 cm along the longitudinal axis, and cells of the 46120 type with a length of 12 cm along the longitudinal axis.
- Such energy storage cells can be used particularly in battery-electric vehicles.
- the housing of the energy storage cell can be arranged circumferentially along the longitudinal axis around the circumference of the electrode coil or electrode stack.
- the housing can contact the main surfaces of the anode and cathode all the way around.
- the housing can circumferentially delimit the electrode stack or electrode coil.
- the housing can span the electrode stack or electrode coil.
- a separator layer can be present between the housing and the respective electrodes for electrical insulation.
- the housing may, in particular, comprise a metallic outer shell or a plastic outer shell.
- the housing may, in particular, be cylindrical, with poles for electrically contacting the power storage cell being provided at the opposite ends of the cylinder.
- the housing may also comprise a flexible, For example, they can comprise a foil made of aluminum, in which the electrode stack is firmly clamped. Such housings are used, for example, in pouch cells.
- a power storage cell In a power storage cell according to the invention, at a state of charge of 75% to 100%, at most 4%, preferably at most 3%, more preferably at most 1% of the total volume of the electrolyte solution in the housing can be located outside the electrode coil or the electrode stack. With such a small amount of free electrolyte solution outside the electrode coil or the electrode stack, the formation of regions with different conducting salt concentrations in the electrodes, in particular the anode, occurs only to a minor extent. Particularly preferably, no electrolyte solution is located outside the electrode coil or the electrode stack. This can particularly reliably prevent the formation of different regions in the electrodes with different conducting salt concentrations.
- CT computed tomography
- the anode, the separator, and the cathode can have a first and a second edge region extending along the longitudinal axis, and a central region extending between the first and the second edge region along the longitudinal axis.
- the first edge region, the second edge region, and the central region located therebetween can each have the same extent along the longitudinal axis. Furthermore, the first edge region, the second edge region, and the central region located therebetween each have equal areas.
- the inventors have found that in conventional power storage cells, after several charging and discharging processes, the electrolyte solution in the pores of the first edge region, in the pores of the second edge region, and in the pores
- the central region for example, the anode, may have different concentrations of conductive salt. This can be reduced or prevented by adjusting the volume factor f v according to the invention.
- An embodiment of a power storage cell according to the invention can, after at least 50 charging and discharging processes (average C-rate during charging and discharging at least 1C, SOC range 0-100% each, temperature 25°C), after discharging to the cut-off voltage and resting for at least 1 hour and at most one day, have a Li + concentration in the first edge region and in the second edge region that differs by at most 30%, preferably by at most 20%, more preferably by at most 10%, relative to the original Li + concentration in the electrolyte solution.
- the average C-rate can be determined in particular by the mean values of the C-rates occurring during charging over a period of 1 hour.
- the cell after at least 50 charging and discharging processes (average C-rate during charging and discharging at least 1C, SOC range 0-100% in each case, temperature 25°C), after discharging to the cut-off voltage and resting for at least 1 hour and at most one day, the cell can have a Li + concentration in the first and second edge regions that differs by at most 50%, preferably by at most 40%, more preferably by at most 20%, from the Li + concentration in the central region.
- the power storage cell can preferably have the above-mentioned Li + concentrations after at least 130 charging and discharging processes.
- the pore volume of the anode of the power storage cell can decrease, particularly during the charging process, depending on the state of charge.
- the anode can, in particular, comprise an electrochemically active anode material.
- An electrochemically active anode material is understood, in particular, to be a material capable of absorbing and releasing lithium ions if the power storage device is a lithium-ion power storage device.
- the pore volume of the anode of the power storage cell can decrease, particularly during the charging process, depending on the state of charge.
- the electrochemically active anode material can be selected from a group consisting of: synthetic graphite, natural graphite, graphene, mesocarbon, doped carbon, hard carbon, soft carbon, fullerene, silicon-carbon composites, silicon, surface-coated silicon, silicon suboxide, silicon alloys, aluminum alloys, indium, tin alloys, cobalt alloys, and mixtures thereof.
- the electrochemically active anode material can be selected from a group consisting of graphite, silicon oxides, and silicon, or mixtures thereof.
- Such electrochemically active anode materials are particularly suitable for providing lithium-ion storage cells with high capacity.
- the anode can comprise an electrochemically active anode material.
- the electrochemically active anode material in a sodium-ion storage cell can be designed to absorb and release sodium ions during charging and discharging.
- the electrochemically active anode material in a sodium-ion storage cell can, in particular, comprise hard carbon, carbon, for example in the form of graphite, which, similar to a lithium-ion storage cell, can absorb and release sodium ions through intercalation. Similar to the lithium-ion storage cell, this can lead to a change in the pore volume of the anode in the sodium-ion storage cell.
- the pore volume of the cathode can increase during the charging process depending on the state of charge.
- the cathode can, in particular, comprise an electrochemically active cathode material.
- an electrochemically active cathode material is understood to mean, in particular, a cathode material capable of releasing and reabsorbing lithium ions during charging and discharging.
- the electrochemically active cathode material can be selected from a group consisting of: lithium transition metal oxides such as lithium cobalt oxide (UCOO2), lithium nickel cobalt manganese compounds (known by the abbreviation NCM or NMC), for example UCOO2, LiNiO33Coo33Mno33O2, lithium nickel cobalt aluminum oxides (NCA), lithium olivines such as lithium iron phosphate (LFP), lithium spinels such as lithium manganese oxide spinel (LMO), lithium manganese nickel spinel (LNMO), or combinations thereof, more preferably wherein the electrochemically active cathode material is selected from a group consisting of: lithium nickel cobalt manganese compounds.
- lithium transition metal oxides such as lithium cobalt oxide (UCOO2), lithium nickel cobalt manganese compounds (known by the abbreviation NCM or NMC), for example UCOO2, LiNiO33Coo33Mno33O2, lithium nickel cobalt aluminum oxides (NCA), lithium olivine
- cathode material for example, materials containing sodium ions such as phosphates and diphosphates, for example sodium iron phosphates or compounds such as Na2/3Fei/2Mni/2O2 can be used in a sodium ion power storage cell.
- the materials for the anode and cathode can also contain other materials, such as binders and conductive additives. Binders can include, for example, carboxymethylcellulose and/or polyvinylidene fluoride.
- the electrolyte solution for a lithium-ion power storage cell may comprise a lithium salt as a conductive salt and at least one organic solvent.
- the electrolyte solution for a sodium-ion power storage cell may comprise a sodium salt as a conductive salt and at least one organic solvent.
- the lithium salt can preferably be selected from a group consisting of: LiPFe, LiAsFe, LiCl, ÜCF3SO3, lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide or combinations thereof.
- the sodium salt may preferably be selected from a group consisting of: NaPFe, NaCIO4, Na-bis(trifluoromethane)sulfonimide, Na-bis(fluorosulfonyl)imide, Na-difluoro(oxalato)borate, Na-bis(oxalato)borate or combinations thereof.
- the organic solvent may, in particular, comprise an organic polar solvent.
- the organic solvent may, in particular, be selected from a group consisting of: C2 to C4 cyclic esters of carbonic acid, for example propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, lactones, for example ⁇ -, ⁇ -, and ⁇ -lactone, or combinations thereof.
- the porosity the ratio of pore volume to total volume of the electrode material, can range from 20% to 30% for the anode and from 20% to 26% for the cathode.
- the separator typically has a higher porosity of 30% to 60%.
- the present invention also relates to the use of a power storage cell according to the invention, as described above, for rapid charging.
- Rapid charging is defined as charging at an average C-rate of at least 1C.
- the C-rate is the ratio of the charging current of a power storage cell in amperes (A) to the capacity of the power storage cell (Ah). Due to the volume factor set according to the invention, power storage cells according to the invention can be charged particularly quickly using rapid charging methods without causing excessive aging of the power storage cells.
- the present invention further relates to a method for determining the pore volume of a power storage cell at charge levels of 75% to 100%.
- the power storage cell comprises an anode, a cathode and a and the cathode, with electrolyte solution located in the pores of the anode, cathode, and separator.
- the electrolyte solution comprises a conductive salt and at least one organic solvent.
- the multitude of energy storage cells have the same design and are identical, in particular, in terms of the properties and chemical compositions of the anode, cathode, and separator.
- all energy storage cells used as test cells have the same current collector materials for the electrodes and the same loading of the current collector foils with electrode material.
- the pore volume of a wide variety of power storage cells with different electrochemically active materials can be determined particularly easily by means of the method according to the invention.
- the values for the state of charge within the range of 75% to 100% can be staggered more closely.
- the pore volumes of the anode, separator, and cathode can be determined, for example, using helium pycnometry.
- the pore volumes can be determined as described in the publication by Beuse et al., "Comprehensive Insights into the Porosity of Lithium-Ion Battery Electrodes: A Comparative Study on Positive Electrodes Based on LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 (NMC622)," Batteries 2021, 7(4), 70, which is hereby incorporated by reference.
- the power storage cells can be filled as test cells, in particular, with a volume of electrolyte solution that is always greater than the sum of the pore volumes of the anode, cathode, and separator at charge levels of 75% to 100%. This can be achieved, for example, by adding approximately 2 g of electrolyte solution per 1 Ah of cell capacity to the power storage cell.
- a defined volume of electrolyte solution can be added to a test cell.
- the cell can be opened and the solvent can be evaporated and extracted over a longer period of time, for example one month, in a sealed box, for example at 45 °C and under a pressure reduced compared to normal conditions, for example 1 mbar.
- the extracted electrolyte solution can be collected in a cold trap and its volume determined directly.
- the filled and subsequently emptied test cell can be weighed and, from the difference and with knowledge of the density of the electrolyte solution (typically approx. 1.25 g/ cm3 ), the volume of the electrolyte solution originally present in the formed test cell can be determined. From the difference between the volume originally used and the volume of electrolyte solution present in the test cell after forming, the volume of electrolyte solution that is consumed during cell formation for a specific test cell type can be determined.
- the present invention also relates to a power storage cell, designed as a lithium-ion storage cell or sodium-ion storage cell, comprising an anode, a cathode, a separator located between the anode and the cathode, and an electrolyte solution arranged in pores of the anode, cathode, and separator, wherein the electrolyte solution comprises a conductive salt and at least one organic solvent, wherein at a charge state of 75% to 100% of the power storage cell, at most 4 percent, preferably at most 3 percent of the total volume of the electrolyte solution in the housing is located outside the electrode coil or the electrode stack.
- a power storage cell designed as a lithium-ion storage cell or sodium-ion storage cell, comprising an anode, a cathode, a separator located between the anode and the cathode, and an electrolyte solution arranged in pores of the anode, cathode, and separator, wherein the electrolyte solution comprises
- the anode, the cathode, and the separator located between the anode and the cathode are components of an electrode coil or electrode stack.
- the A power storage cell is a housing in which the electrode coil or electrode stack is located. Particularly preferably, when the power storage cell is at a charge level of 75% to 100%, no electrolyte solution is present outside the electrode coil or electrode stack.
- the high state of charge is particularly preferably between 80% and 100%, and more preferably between 90% and 100%.
- the amount of electrolyte solution or the presence of electrolyte solution outside the electrode coil or the electrode stack can be particularly easily detected using a CT scan.
- Figures 1a) to 1e) are schematic cross-sectional drawings of an anode and a cathode of a conventional power storage cell with exemplary conductive salt concentrations in the electrolyte solution during a charging process and a discharging process with the formation of regions of different conductive salt concentrations in the electrodes as determined by the inventors,
- Figure 2 shows a graph with the different conducting salt concentrations in the edge regions and in a central region of the anode flanked by the edge regions
- Figure 3 shows a graph with a course of the conducting salt concentration in an edge region of the anode with a time course over a large number of charging and discharging cycles
- Figures 4a) and 4b) are photographs of an anode from a conventional power storage cell and an anode from a power storage cell according to the invention after 130 cycles, 50% of which were fast charge cycles, after opening the cells,
- Figure 5 is a schematic cross-sectional drawing of a power storage cell with an electrode coil and electrolyte solution pressed out of the electrode coil
- Figure 6 shows a schematic plan view of an unrolled anode after opening a current storage cell with the positioning of the samples in the first edge area, second edge area and in the middle area of the anode for determining a spatially resolved conducting salt concentration within the anode
- Figure 7 shows a CT image of a conventional power storage cell with a volume factor above 1.05 at a high state of charge with electrolyte solution pressed out of the winding
- Figure 8 shows a CT image of a power storage cell according to the invention with a volume factor of maximum 1 at a high state of charge, wherein no electrolyte solution can be seen being squeezed out of the winding.
- Figures 1a) to 1e) show schematic cross-sectional drawings of exemplary concentrations of the conducting salt in the electrolyte solution in the pore volumes of the anode 2 and the pore volumes of the cathode 3 of an electrode coil of a conventional lithium-ion power storage cell prior to charging at a state of charge of 0%.
- Anode 2 and the cathode 3 are separated from each other by a separator layer 4.
- An excess of electrolyte solution with a conducting salt was introduced into the lithium-ion power storage cell compared to the available pore volume of the anode, the cathode, and the separator layer, so that the volume factor f v is above the volume factor set according to the invention at a value of 1.08.
- the concentration of the conducting salt is 1 mol/l.
- the anode 2 has a first edge region 2A and a second edge region 2C at the respective poles of the lithium-ion storage cell, which flank a central region of the anode 2B located in the middle (poles not shown in Figures 1a) to 1e)).
- the cathode 3 has a first edge region of the cathode 3A and a second edge region of the cathode 3C, which flank a central region of the cathode 3B.
- the respective edge regions and the central regions extend along a longitudinal axis 7 of the power storage cell 1.
- the concentration of the lithium conducting salt is 1 mol/l in all regions of the electrodes of the electrode coil and in the part 27 of the electrolyte solution located outside the electrode coil.
- a distance 26 perpendicular to the longitudinal axis 7 between the anode 2 and the cathode 3 across the separator layer 4 is normally a few hundred pm, for example 200 pm.
- the anode 2, the cathode 3 and the separator 4 extend along the longitudinal axis 7 over a greater distance 25, which is usually at least a few centimeters, for example at least 3 cm.
- the volume of the electrochemically active anode material expands, as lithium is intercalated into the anode during the charging process.
- This expansion of the volume of the electrochemically active anode material leads to a Reduction of the pore volume in the anode, so that electrolyte solution located in the pores of the anode is displaced from the anode 2, as indicated by the arrows 5. Since Li + is absorbed from the electrolyte solution into the anode at the anode, the electrolyte solution located there is depleted in lithium conducting salt, with the concentration being, for example, 0.5 mol/l, as shown in Figure 1b).
- the electrolyte solution 6 displaced from the anode is therefore also depleted in lithium conducting salt and has a concentration of, for example, 0.5 mol/l.
- the electrolyte solution depleted in lithium conducting salt can be displaced from the anode 2 at both ends of the electrode coil, so that electrolyte solution 6 displaced at both ends of the electrode coil collects outside the electrode coil.
- the cathode 3 lithium ions are released from the electrochemically active cathode material, resulting in an increased concentration of lithium conducting salt in the electrolyte solution adjacent to the cathode.
- the concentration of lithium conducting salt there is, for example, 1.5 mol/l.
- electrolyte solution 6 depleted of lithium conducting salt is predominantly displaced from the anode.
- Figure 1c shows the electrode coil with the anode 2 and the cathode 3 after completion of the charging process shown in Figure 1b) and after a rest period of at least one hour at a charge state of 100%.
- the concentration of lithium conducting salt in the anode 2 and in the cathode 3 has equalized again over the short distance 26 between the anode and cathode through diffusion and is slightly higher than the original lithium conducting salt concentration and is, for example, 1.1 mol/l.
- the concentration of lithium conducting salt in the electrolyte solution 6 displaced from the electrode coil, as described in Figure 1b) is lower than the original conducting salt concentration and is, for example, approximately 0.5 mol/l.
- Figure 1d shows the discharge process of the lithium-ion power storage cell after the rest period shown in Figure 1c).
- the reverse processes occur compared to the charge process.
- the anode 2 releases Li + , so that the concentration of lithium conducting salt adjacent to the anode 2 increases, while Li + is absorbed from the electrolyte solution at the cathode 3 into the cathode, so that the lithium conducting salt concentration adjacent to the cathode 3 decreases.
- electrolyte 6 located outside the electrode coil can be drawn into the anode 2 during the discharge process. as indicated by the arrows 8.
- this electrolyte 6, located outside the electrode coil, has only a low lithium conducting salt concentration, regions with different lithium conducting salt concentrations form along the longitudinal axis 7 over the distance 25.
- the lithium conducting salt concentration in the first edge region 2A and in the second edge region 2B of the anode can be 1.2 mol/l, while in the central region 2C of the anode 2 it is 1.5 mol/l.
- Figure 1e shows the discharged lithium-ion power storage cell after at least 1 hour of rest at a state of charge of 0%. Due to the short distance 26 between the anode and cathode, the different lithium conducting salt concentrations horizontally to the longitudinal axis 7 have equalized by diffusion. However, due to the significantly greater distance 25, a conducting salt gradient exists along the longitudinal axis 7, with the first and second edge regions of the anode 2 and the cathode 3 each having lower conducting salt concentrations of, for example, 0.85 mol/l, while the central regions of the anode and cathode have increased conducting salt concentrations of, for example, 1.15 mol/l.
- the conducting salt concentration gradient built up along the longitudinal axis 7 may only equalize by diffusion after many days or, at greater distances of 6 or 9 cm, as is the case with larger round cells, only within months.
- the uncharged lithium-ion power storage cell shown in Figure 1e) is then subjected to a charging process during normal operation, for example, a rapid charging process as shown in Figure 1b).
- a charging process during normal operation, for example, a rapid charging process as shown in Figure 1b).
- an increasing gradient of conducting salt concentration builds up along the longitudinal axis 7 in the conventional power storage cell.
- This increasing gradient of conducting salt concentration leads to accelerated aging of the power storage cell and can, in particular, also lead to lithium plating.
- the volume factor f v is calculated using the sum of the volumes of the pores in the anode, the volumes of the pores in the cathode, and the volumes of the pores in the separator at a state of charge of 75% to 100%. In such a state of charge range, the pore volume in the anode available for the electrolyte solution is significantly smaller than the pore volume available in the anode in the uncharged state at a state of charge of 0%.
- FIG 2 shows a graph with the experimentally determined lithium conducting salt concentrations along the longitudinal axis of a lithium-ion power storage cell in the anode of conventional power storage cells with an unadjusted volume factor f v and power storage cells according to the invention with a correspondingly adjusted volume factor f v after approximately 130 charge and discharge cycles.
- the two graphs 10 and 11 show the only slightly differing concentrations of the conducting salt in the electrolyte solution of a power storage cell according to the invention, in which the volume factor f v was correspondingly adjusted to a value between 0.9 and 1.05.
- the two graphs 12 and 13 show greatly different electrolyte concentrations in conventional power storage cells, in which the respective volume factor f v lies above the range adjusted according to the invention.
- the values for graphs 10, 11, 12 and 13 marked with 14 and with reference number 16 respectively show the conductive salt concentrations in the first and second edge region of the anode, while the values marked with reference number 15 show the lithium conductive salt concentrations in the middle region of the respective anodes.
- Figure 3 shows, in graph 17, the modeled course of the lithium-ion conducting salt concentration in an edge region of an anode of a conventional power storage cell over a period of 60 hours with a large number of charge and discharge cycles.
- the area of graph 17A shows an initial decrease in the lithium conducting salt concentration during charging of the power storage cell and a subsequent rapid increase in the lithium conducting salt concentration in the anode during discharging of the power storage cell. It can be observed that with each charge and discharge cycle, the concentration of the lithium conducting salt in the edge region of the anode gradually decreases from a concentration of over 1000 mol/ m3 to below 200 mol/ m3 . Such a decrease in the lithium conducting salt concentration over a sequence of many charging and discharging cycles can be reduced or prevented by adjusting the volume factor f v according to the invention.
- Figures 4a) and 4b) show photographs of anodes 2 of a conventional lithium-ion power storage cell ( Figure 4a) and a lithium-ion power storage cell according to the invention ( Figure 4b), in which the volume factor f v was adjusted according to the invention.
- Figure 4a a dark layer can be seen in the edge regions 2A, 2C, which is attributable to lithium plating.
- Figure 4b shows no lithium plating.
- FIG. 5 shows schematically in cross section a conventional lithium-ion storage cell 1 with a housing 20 which contains the anodes 2 and the cathodes 3 of the electrode winding contacted all the way around the circumference.
- a mandrel 24 In the center of the electrode coil is a mandrel 24.
- the separator layer 4 is arranged between the anodes 2 and the cathodes 3. Due to the mechanically rigid housing 20, the electrode coil cannot expand perpendicular to the longitudinal axis 7 during charging of the storage cell 1. Due to this tension of the electrode coil in the housing, electrolyte solution 23 with a depleted concentration of lithium conducting salt is displaced from the electrode stack, in particular from the edge regions of the anodes, and collects above and below the electrode stack.
- the lithium-ion storage cell 1 also has poles 21 and 22, which are each electrically contacted by the current collector foils 18 of the anodes 2 or the current collector foils 19 of the cathodes 3.
- Figure 6 shows a schematic plan view of an unrolled anode 2 or cathode 3 after opening a power storage cell.
- the unrolled anode 2 can have a length of up to 2.5 m in the electrode coil of the power storage cell.
- Figure 6 also shows the distance 25 over which the first edge region 2A, the second edge region 2C, and the central region 2B of the anode 2 located therebetween extend.
- the width of the anode 2, the distance 25, can in particular be approximately 8 cm.
- round samples 30A can be punched out from the first edge region 2A, as well as round samples 30B from the central region 2B, and round samples 30C of the anode from the second edge region 2C.
- the samples 30A, 30B, and 30C each have the same area.
- the solvent in the electrolyte solution for example, ethylene carbonate, can be determined from these samples using liquid chromatography/mass spectrometry (LC-MS).
- the amounts of conductive salt can also be determined from the samples using ion chromatography.
- the cell For the spatially resolved determination of the amount of conducting salt in the electrode coil, the cell is discharged to its lower cutoff voltage after cycling and left to rest for one day. The cell is then opened in an argon-filled glove box, the electrode coil is removed, and unrolled approximately halfway. Round electrode samples (called “coins”) are then taken using a hole punch (e.g., 12 mm in diameter). Coins are taken from the outer areas in the first and second edge regions, at a distance of approximately 1 to 2 mm from the edge of the electrode coating, and from the center of the electrode coating in the central region. 15 coins are taken per region and each of these is placed together in previously dried glass containers.
- a hole punch e.g. 12 mm in diameter
- sampling can be performed in both the anode and the cathode, but sampling in the cathode is preferable as it avoids falsifying the results.
- SEI formation 5 mL of dried dimethyl carbonate (DMC) or acetonitrile (ACN) is then added to each coin as the extraction agent, and the glass vials are tightly closed.
- the coins are left in the extraction agent for at least 16 hours, ideally on a shaker plate, to ensure complete extraction of the conducting salt.
- the conducting salt concentration in the extraction agent is then determined.
- the mean value of the conducting salt concentrations determined for the 15 individual coins is taken. For a relative comparison of the conducting salt amounts in the various positions, the ion chromatography results can be directly compared.
- Figure 7 shows a CT image of an area within the housing of a conventional energy storage cell with a volume factor of 1.08 outside the electrode coil at a state of charge of 100%.
- the CT images were acquired using a laboratory CT system from General Electric.
- a horizontal section is taken through the area directly beneath the electrodes, in which the protruding separator and protruding copper foil serving as the current collector foil are still located.
- the horizontal sections through the cell can be placed, in particular, along lines 31A and 31B, as shown in Figure 5.
- the electrolyte solution is optically highlighted using grayscale modification; materials with higher X-ray absorption capacity (e.g., steel or active material) are shown darker in Figures 7 and 8, while materials with lower X-ray absorption capacity (e.g., gas) are shown lighter.
- CT scans can thus easily detect the presence of electrolyte solution.
- the volume of electrolyte solution outside the electrode coil can also be determined.
- the CT image in Figure 8 shows a horizontal section through a power storage cell according to the invention with a volume factor of 0.93 at a state of charge of 100%.
- no electrolyte solution outside the electrode coil can be detected.
- the electrochemically active anode material consisted of a mixture of graphite and silicon, with the weight fraction of silicon in the The active anode material was less than 10 weight percent.
- the electrochemically active cathode material consisted of a typical nickel-cobalt-manganese layered oxide with a nickel content of greater than 85 atomic percent.
- a copper foil was used as the current collector foil for the anode, with the thickness of the coating with the electrochemically active anode material being 70 ⁇ m.
- An aluminum foil was used as the current collector foil for the cathode, with the thickness of the coating for the cathode being 50 ⁇ m. Both the current collector foil of the anode and the current collector foil of the cathode were coated on one side.
- the separator is made of a polymer and contains a ceramic coating.
- the porosity of the anode at a state of charge of 0% was 25%, and the porosity for the cathode was 23% at a state of charge of 0% for the already formed power storage cell.
- the electrolyte solution consisted of ethylene carbonate with a lithium conducting salt, LiPFe, at a concentration of 1.2 mol/l. Both energy storage cells have lower cutoff voltages of 2.8 V (0% charge level) and upper cutoff voltages of 4.2 V (100% charge level).
- One of the cells was filled with a volume factor f v of 0.93 and the other cell with a volume factor f v of 1.08.
- the sum of the pore volumes of the anode, cathode, and separator at a 100% state of charge was 34.9 ml for both cells.
- the volume of electrolyte solution used up during formation was 2.1 ml.
- both energy storage cells were subjected to a fast-charge test.
- the fast-charge test took place at a test chamber temperature of 35°C.
- a typical step-charge profile was used to charge the cells from a state of charge of 10% to 80% (Adam et al., “Application of the differential charging voltage analysis to determine the onset of lithium-plating during fast charging of lithium-ion cells,” Journal of Power Sources, Volume 495, 31 May 2021, 229794).
- the charging time was between 17 and 21 minutes. 50% of the cycles were fast-charge cycles, the other 50% were normal charge cycles with a C-rate of C/2 and an SOC range of 10 to 100%. All discharge steps were performed at a C-rate of C/2. A total of 130 cycles were performed, of which 50% were fast charging cycles and 50% were normal charging cycles.
- the power storage cells were opened in an argon-filled glove box, and their anodes were visually examined for lithium plating.
- the power storage cell with a volume factor f v of 1.08 showed significant lithium plating at both edges (see Figure 4a), while the power storage cell with a volume factor of 1 showed no lithium plating at all (see Figure 4b).
- the electrode coils of both storage cells were half unwound and the corresponding cathodes of both current storage cells were analyzed by ion chromatography and liquid chromatography-MS by taking and punching out samples as shown in Figure 6, with the results shown in Figure 2.
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Abstract
Description
Stromspeicherzelle mit an Porenvolumen angepassten Elektrolytvolumen bei hohen Ladezuständen Power storage cell with electrolyte volume adapted to pore volume at high charge states
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromspeicherzelle mit an das Porenvolumen angepassten Elektrolytvolumen bei hohen Ladezuständen. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung der Stromspeicherzelle und ein Verfahren zur Bestimmung des Porenvolumens der Elektroden einer Stromspeicherzelle bei hohen Ladungen. The present invention relates to a power storage cell with an electrolyte volume adapted to the pore volume at high charge levels. The present invention further relates to a use of the power storage cell and a method for determining the pore volume of the electrodes of a power storage cell at high charge levels.
In einer Stromspeicherzelle, die als Lithium-Ionen-Speicherzelle oder Natrium-Ionen- Speicherzelle ausgebildet ist, wird der lonentransport zwischen der Anode und der Kathode durch eine Elektrolytlösung ermöglicht, die ein Lithium-Leitsalz oder ein Natrium-Leitsalz und zumindest ein Lösungsmittel aufweist. Diese Elektrolytlösung ist in den Poren der Anode und Kathode, sowie in den Poren des zwischen der Anode und der Kathode befindlichen Separators vorhanden. Beim Befüllen einer Stromspeicherzelle mit einer Elektrolytlösung wird die Elektrolytlösung in einem Überschuss an Volumen in Bezug auf das in der Stromspeicherzelle zur Verfügung stehende Porenvolumen hinzugegeben, um eine Stromspeicherzelle mit hoher Kapazität und hoher Lebensdauer zu erhalten. Als bekannter Mechanismus für die Alterung von Stromspeicherzellen ist das Abscheiden von Lithium an der Anode, das sogenannte „lithium-plating“ bei Lithium-Ionen Speicherzellen oder das Abscheiden von Natrium an der Anode, das sogenannte „sodium-plating“ bei Natrium-Ionen Speicherzellen bekannt. Dieses Abscheiden von Metall an der Anode führt zu einem schnellen Verlust der Kapazität der Stromspeicherzelle. In a power storage cell designed as a lithium-ion storage cell or a sodium-ion storage cell, ion transport between the anode and the cathode is enabled by an electrolyte solution comprising a lithium conducting salt or a sodium conducting salt and at least one solvent. This electrolyte solution is present in the pores of the anode and cathode, as well as in the pores of the separator located between the anode and the cathode. When filling a power storage cell with an electrolyte solution, the electrolyte solution is added in excess of the pore volume available in the power storage cell in order to obtain a power storage cell with high capacity and a long service life. A known mechanism for the aging of power storage cells is the deposition of lithium at the anode, known as "lithium plating" in lithium-ion storage cells, or the deposition of sodium at the anode, known as "sodium plating" in sodium-ion storage cells. This deposition of metal at the anode leads to a rapid loss of capacity of the power storage cell.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Stromspeicherzelle, ausgebildet als Lithium- Ionen-Speicherzelle oder Natrium-Ionen-Speicherzelle, zur Verfügung zu stellen, die bezüglich der oben genannten Nachteile verbessert ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verwendung der erfindungsgemäßen Stromspeicherzelle für ein Schnellladeverfahren anzugeben. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Bestimmung des Porenvolumens einer Stromspeicherzelle bei hohen Ladezuständen von 75 % bis 100 %. The object of the present invention is to provide a power storage cell, designed as a lithium-ion storage cell or sodium-ion storage cell, which is improved with respect to the above-mentioned disadvantages. A further object of the present invention is to specify a use of the power storage cell according to the invention for a rapid charging method. The present invention also provides a method for determining the pore volume of a power storage cell at high charge states of 75% to 100%.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Stromspeicherzelle, ausgebildet als Lithium-Ionen Speicherzelle oder als Natrium-Ionen Speicherzelle, zur Verfügung. Die Stromspeicherzelle umfasst eine Anode, eine Kathode, einen zwischen der Anode und der Kathoden befindlichen Separator und eine Elektrolytlösung, die in den Poren der Anode, der Kathode und des Separators vorhanden ist. Die Elektrolytlösung umfasst ein Leitsalz und zumindest ein organisches Lösungsmittel. Bei einem Ladezustand von 75 % bis 100 % weist die Speicherzelle einen Volumenfaktor fv zwischen 0,9 und 1,05, bevorzugt zwischen 0,95 bis 1 ,00 auf. Am bevorzugtesten ist der Volumenfaktor fv 1. Der Volumenfaktor fv ist das Verhältnis aus dem Volumen der Elektrolytlösung und der Gesamtsumme der Porenvolumina in der Anode, in der Kathode und im Separator bei einem Ladezustand von 75 % bis 100 % der Speicherzelle gemäß der Formel: wobei VolumenEiektroiytiösung das Gesamtvolumen der Elektrolytlösung in der Speicherzelle, PorenvolumenAnode das Porenvolumen der Anode, PorenvolumenKathode das Porenvolumen der Kathode und Porenvolumenseparator das Porenvolumen des Separators sind. One aspect of the present invention provides a power storage cell designed as a lithium-ion storage cell or as a sodium-ion storage cell. The power storage cell comprises an anode, a cathode, a separator located between the anode and the cathode, and an electrolyte solution present in the pores of the anode, the cathode, and the separator. The electrolyte solution comprises a conductive salt and at least one organic solvent. At a state of charge of 75% to 100%, the storage cell has a volume factor f v between 0.9 and 1.05, preferably between 0.95 and 1.00. Most preferably, the volume factor f v is 1. The volume factor f v is the ratio of the volume of the electrolyte solution to the total sum of the Pore volumes in the anode, cathode and separator at a state of charge of 75% to 100% of the storage cell according to the formula: where electrolyte volume is the total volume of the electrolyte solution in the storage cell, anode pore volume is the pore volume of the anode, cathode pore volume is the pore volume of the cathode and separator pore volume is the pore volume of the separator.
Die Porenvolumina der Anode, der Kathode und des Separators können beispielsweise mittels Helium-Pyknometrie bestimmt werden. Helium-Pyknometrie ergibt die Skelettdichte der jeweiligen Materialien, ohne Berücksichtigung der Poren. Dieses Skelettdichte kann mit der Schüttdichte (englisch: bulk density) dem Quotienten aus der Masse der Probe und dem Volumen der Probe verglichen werden und so das Leervolumen, das jeweilige Porenvolumen der Anode, der Kathode und des Separators ermittelt werden. Die Volumina der verschiedenen Materialien können beispielsweise über eine Messung mit einer Dickenmessuhr und die Masse über eine Feinwaage bestimmt werden. Zur Bestimmung sowohl der Skelettdichte als auch der Schüttdichte und des Volumens der Probe können jeweils 3 voneinander unabhängige Messungen zur Bestimmung der Skelettdichte, der Schüttdichte und des Volumens der Probe an 10 verschiedenen Stellen der Elektrode durchgeführt werden. Anschließend können die Skelettdichte, die Schüttdichte und das Volumen der Probe als Mittelwert der Messergebnisse ermittelt werden. Erfindungsgemäß werden dabei Porenvolumina insbesondere der Anode der Kathode bei einem hohen Ladezustand von 75 % bis 100 % bestimmt. The pore volumes of the anode, cathode, and separator can be determined using helium pycnometry, for example. Helium pycnometry determines the skeletal density of the respective materials without taking the pores into account. This skeletal density can be compared with the bulk density, the quotient of the sample mass and the sample volume, and thus the empty volume, the respective pore volume of the anode, cathode, and separator, can be determined. The volumes of the various materials can be determined, for example, by measuring with a thickness gauge, and the mass using a precision balance. To determine both the skeletal density and the bulk density and volume of the sample, three independent measurements can be carried out at 10 different points on the electrode. The skeletal density, bulk density, and volume of the sample can then be determined as the average of the measurement results. According to the invention, pore volumes, in particular of the anode and the cathode, are determined at a high charge state of 75% to 100%.
Der Ladezustand einer Speicherzelle (engl.: state of charge SOC“) gibt dabei die in einer Speicherzelle vorhandene Kapazität in Bezug auf einen vollgeladenen Zustand bei einem Ladezustand von 100 % und einem nicht geladenen Zustand bei einem Ladezustand von 0 % an. Insbesondere liegt ein Ladezustand von 0 % bei einer definierten unteren Abschaltspannung und ein Ladezustand von 100 % bei einer definierten oberen Abschaltspannung vor. Bei einer Lithium-Ionen Speicherzelle kann beispielsweise die untere Abschaltspannung bei 2,8 V und die obere Abschaltspannung bei 4,2 V liegen. Die untere Abschaltspannung und die obere Abschaltspannung einer Speicherzelle können insbesondere durch ein Batteriemanagementsystem vorgegeben sein. The state of charge of a storage cell (SOC) indicates the capacity available in a storage cell in relation to a fully charged state with a charge level of 100% and an uncharged state with a charge level of 0%. In particular, a charge level of 0% occurs at a defined lower cut-off voltage and a charge level of 100% occurs at a defined upper cut-off voltage. In the case of a lithium-ion storage cell, for example, the lower cut-off voltage can be 2.8 V and the upper cut-off voltage 4.2 V. The lower cut-off voltage and the upper cut-off voltage of a storage cell can be specified in particular by a battery management system.
Die Porenvolumina in der Anode, der Kathode und dem Separator können sich insbesondere auf eine formierte Speicherzelle beziehen, bei der nach der Herstellung der Speicherzelle diese bereits geladen und entladen wurde, so dass sich insbesondere auf der Anode und der Kathode Grenzschichten ausbilden. Auf der Anode wird diese Grenzschicht insbesondere als SEI („solid electrolyte interphase“) und auf der Kathode als CEI („cathode electrolyte interphase“) bezeichnet. Bei der Formierung kommt es auch zu einer irreversiblen Volumenausdehnung der Elektroden, insbesondere durch Ausbildung der SEI bzw. CEI und durch eine teilweise Neuanordnung der Partikel insbesondere in hoch verpressten Elektroden. The pore volumes in the anode, the cathode, and the separator can refer in particular to a formed storage cell in which, after the storage cell has been manufactured, it has already been charged and discharged, so that boundary layers form, particularly on the anode and the cathode. On the anode, this boundary layer is referred to in particular as SEI (“solid electrolyte interphase”) and on the cathode as CEI (“cathode electrolyte During formation, an irreversible volume expansion of the electrodes also occurs, in particular through the formation of the SEI or CEI and through a partial rearrangement of the particles, particularly in highly compressed electrodes.
Aufgrund von Volumenänderungen der elektrochemisch aktiven Materialien in der Anode und gegebenenfalls in der Kathode kann sich das Porenvolumen der Elektroden während des Ladevorgangs verändern. Die Erfinder haben dabei festgestellt, dass aufgrund der Veränderung der Porenvolumina der Elektroden Elektrolytlösung mit gegenüber der ursprünglich eingesetzten Leitsalz-Konzentration verringerter Leitsalzkonzentration aus den Elektroden verdrängt werden kann. Insbesondere kann sich während des Ladens der Speicherzelle in Abhängigkeit vom Ladezustand das Porenvolumen der Anode verringern. Dies kann insbesondere auf eine Vergrößerung des Volumens der elektrochemisch aktiven Anodenmaterialien während des Ladens der Speicherzelle zurückgeführt werden. Dadurch können sich in unterschiedlichen Bereichen einer Elektrode unterschiedliche Konzentrationen des Leitsalzes in der Elektrolytlösung während eines längeren Betriebs der Speicherzelle nach mehreren Lade- und Entlade-Vorgängen ausbilden. Diese unterschiedlichen Konzentrationen an Leitsalz in den Elektroden können zu einer vorzeitigen Alterung der Speicherzelle führen und insbesondere im Fall einer Lithium-Ionen Speicherzelle zur Abscheidung von Lithium und im Fall einer Natrium-Ionen Speicherzelle zur erhöhten Abscheidung von Natrium auf den Anoden führen. Due to volume changes of the electrochemically active materials in the anode and, if applicable, the cathode, the pore volume of the electrodes can change during the charging process. The inventors have discovered that, due to the change in the pore volume of the electrodes, electrolyte solution with a lower conducting salt concentration than the originally used conducting salt concentration can be displaced from the electrodes. In particular, the pore volume of the anode can decrease during charging of the storage cell depending on the state of charge. This can be attributed in particular to an increase in the volume of the electrochemically active anode materials during charging of the storage cell. As a result, different concentrations of the conducting salt can develop in the electrolyte solution in different areas of an electrode during extended operation of the storage cell after several charging and discharging processes. These different concentrations of conducting salt in the electrodes can lead to premature aging of the storage cell and, in particular, to the deposition of lithium in the case of a lithium-ion storage cell and, in the case of a sodium-ion storage cell, to increased deposition of sodium on the anodes.
Diese unterschiedlichen Konzentrationen an Leitsalz können sich insbesondere dann ausbilden, wenn Elektrolytlösung im Überschuss im Vergleich zum dem zur Verfügung stehenden Porenvolumen der Elektroden und des Separators hinzugegeben wird, wie dies normalerweise der Fall ist. Das Porenvolumen der Elektroden und des Separators wird dabei herkömmlicherweise im ungeladenen Zustand bestimmt. Bei einem großen Überschuss an Elektrolytlösung können besonders große Mengen an Elektrolytlösung mit gegenüber der ursprünglichen Konzentration verringerter Leitsalz-Konzentration beim Laden der Speicherzelle aus den Elektroden, insbesondere aus der Anode verdrängt werden, wie die Erfinder festgestellt haben. Um dies zu verringern, bzw. zu verhindern wird daher erfindungsgemäß der Volumenfaktor fv so eingestellt, dass er sich bei einem geringeren Porenvolumen insbesondere der Anode bei hohen Ladezuständen von 75 % bis 100 % innerhalb eines Bereichs von 0,9 bis 1,05, bevorzugt 0,95 bis 1,00 bewegt. These different concentrations of conducting salt can develop in particular when an excess of electrolyte solution is added compared to the available pore volume of the electrodes and the separator, as is normally the case. The pore volume of the electrodes and the separator is conventionally determined in the uncharged state. In the case of a large excess of electrolyte solution, particularly large quantities of electrolyte solution with a conducting salt concentration reduced compared to the original concentration can be displaced from the electrodes, in particular from the anode, when the storage cell is charged, as the inventors have discovered. In order to reduce or prevent this, the volume factor f v is therefore set according to the invention such that, with a lower pore volume, in particular of the anode, it lies within a range of 0.9 to 1.05, preferably 0.95 to 1.00, at high charge states of 75% to 100%.
Erfindungsgemäß wird dabei die Summe der Porenvolumina der Anode, der Porenvolumina der Kathode und der Porenvolumina des Separators bei hohen Ladezuständen von 75 % bis 100 % bestimmt. Bei diesen hohen Ladezuständen ist vor allen Dingen das Porenvolumen der Anode gegenüber einem Ladezustand von 0 % stark reduziert, da sich bei diesen hohen Ladezuständen das elektrochemisch aktive Material der Anode, beispielsweise Graphit, Siliziumoxid oder Silizium besonders stark ausdehnt und sich deshalb die Porosität der Anode bei diesen Ladezuständen besonders stark von der Porosität der Anode bei einem Ladezustand von 0 % unterscheidet. Besonders bevorzugt liegt der hohe Ladezustand bei 80% bis 100%, weiter bevorzugt bei 90% bis 100%. According to the invention, the sum of the pore volumes of the anode, the pore volumes of the cathode, and the pore volumes of the separator are determined at high charge levels of 75% to 100%. At these high charge levels, the pore volume of the anode is significantly reduced compared to a charge level of 0%, since at these high The electrochemically active material of the anode, such as graphite, silicon oxide, or silicon, expands particularly strongly at these charge states, and therefore the porosity of the anode at these charge states differs significantly from the porosity of the anode at a charge state of 0%. The high charge state is particularly preferably between 80% and 100%, and more preferably between 90% and 100%.
Bei einem derartigen kleinen Volumenfaktor fv kann während des Ladens der Speicherzelle weniger, bzw. keine Elektrolytlösung mit verringerten Leitsalz-Konzentrationen aus den Elektroden, insbesondere aus der Anode verdrängt werden. Daher wird die Ausbildung von unterschiedlichen Leitsalz-Konzentrationen in unterschiedlichen Bereichen der Elektrode, insbesondere der Anode während des Betriebs der Speicherzelle vermindert, bzw. verhindert. Insbesondere kann bei einem derartig kleinen Volumenfaktor fv ein Großteil der Elektrolytlösung bzw. die gesamte Elektrolytlösung auch bei hohen Ladezuständen von 75 % bis 100 % der Speicherzelle in den Elektroden verbleiben, obwohl sich die Porenvolumina der Elektroden, insbesondere der Anode beim Laden verringern und daher weniger Porenvolumen für die Aufnahme der Elektrolytlösung zur Verfügung steht. With such a small volume factor f v , less or no electrolyte solution with reduced conducting salt concentrations can be displaced from the electrodes, in particular from the anode, during charging of the storage cell. Therefore, the formation of different conducting salt concentrations in different areas of the electrode, in particular the anode, during operation of the storage cell is reduced or prevented. In particular, with such a small volume factor f v , a large part of the electrolyte solution or the entire electrolyte solution can remain in the electrodes even at high charge states of 75% to 100% of the storage cell, although the pore volumes of the electrodes, in particular the anode, decrease during charging and therefore less pore volume is available to absorb the electrolyte solution.
Besonders bevorzugt wird der Volumenfaktor fv auf 1 eingestellt. Dies bedeutet, dass die Stromspeicherzelle gerade so viel Volumen an Elektrolytlösung aufweist, wie als Summe der Porenvolumina der Anode, der Kathode und des Separators bei hohen Ladezuständen von 75 % bis 100 % vorhanden ist. Damit kann besonders effektiv eine Verdrängung von an Leitsalz abgereicherter Elektrolytlösung während des Ladens der Stromspeicherzelle verringert bzw. vermieden werden. Weiterhin bevorzugt kann innerhalb des Bereichs der hohen Ladezuständen von 75 % bis 100 % durch Experiment beispielsweise mittels Helium- Pyknometrie ermittelt werden, bei welchem Ladezustand die kleinste Summe der Porenvolumina der Anode, der Kathode und des Separators erreicht wird. Der Volumenfaktor kann dann anschließend auf diese minimale Summe der Porenvolumina der Anode, der Kathode und des Separators eingestellt werden. Particularly preferably, the volume factor f v is set to 1. This means that the power storage cell has exactly as much volume of electrolyte solution as the sum of the pore volumes of the anode, the cathode, and the separator at high charge states of 75% to 100%. This makes it particularly effective to reduce or prevent the displacement of electrolyte solution depleted of conducting salt during charging of the power storage cell. Furthermore, it is preferably possible to determine experimentally, for example by means of helium pycnometry, at which charge state the smallest sum of the pore volumes of the anode, the cathode, and the separator is achieved within the range of high charge states of 75% to 100%. The volume factor can then be set to this minimum sum of the pore volumes of the anode, the cathode, and the separator.
Die Stromspeicherzelle kann einen Elektrodenwickel oder einen Elektrodenstapel umfassen. Der Elektrodenwickel oder der Elektrodenstapel können in einem Gehäuse untergebracht sein, wobei der Elektrodenwickel und der Elektrodenstapel die oben beschriebene Anode, Kathode und den Separator umfassen. Der Elektrodenwickel oder der Elektrodenstapel kann sich im Gehäuse entlang einer Längsachse der Stromspeicherzelle erstrecken. Bei einem Elektrodenwickel kann insbesondere eine bandförmige Anode, eine bandförmige Kathode und ein zwischen der bandförmigen Anode und der bandförmigen Kathode befindlicher erster bandförmiger Separator zusammen mit einem zweiten weiteren bandförmigen Separator um einen Wickelkern herum schichtförmig aufgewickelt werden. Bei einem Elektrodenstapel können vereinzelte Anoden, Kathoden und dazwischen befindliche Separatoren als plattenförmige Elemente übereinandergeschichtet werden. The power storage cell can comprise an electrode coil or an electrode stack. The electrode coil or the electrode stack can be accommodated in a housing, wherein the electrode coil and the electrode stack comprise the above-described anode, cathode and separator. The electrode coil or the electrode stack can extend in the housing along a longitudinal axis of the power storage cell. In an electrode coil, in particular a strip-shaped anode, a strip-shaped cathode and a first strip-shaped separator located between the strip-shaped anode and the strip-shaped cathode can be wound in layers around a winding core together with a second further strip-shaped separator. In a Electrode stacks can consist of individual anodes, cathodes and separators in between, which can be stacked on top of each other as plate-shaped elements.
Derartige Stromspeicherzellen können besonders hohe Kapazitäten erreichen. Such power storage cells can achieve particularly high capacities.
Bevorzugt weist der Elektrodenwickel oder der Elektrodenstapel eine Ausdehnung von wenigstens 3 cm entlang der Längsachse der Stromspeicherzelle auf. Stromspeicherzellen mit derartigen Ausdehnungen entlang deren Längsachse weisen besonders hohe Kapazitäten aufgrund ihrer Größe auf. Aufgrund des erfindungsgemäß eingestellten Volumenfaktors fv kommt es nur im untergeordneten Maße oder überhaupt nicht zu der Ausbildung von unterschiedlichen Bereichen in der Elektrode, insbesondere der Anode mit unterschiedlichen Konzentrationen an Leitsalz entlang der Längsachse der Stromspeicherzelle. Aufgrund der großen Ausdehnung von wenigstens 3 cm entlang der Hauptachse der Stromspeicherzelle können unterschiedliche Konzentrationen an Leitsalz entlang dieser Hauptachse normalerweise nicht innerhalb kürzester Zeit während des Betriebs der Stromspeicherzelle durch Diffusion ausgeglichen werden und führen daher zu einer vorzeitigen Alterung der Stromspeicherzelle. The electrode coil or the electrode stack preferably has an extension of at least 3 cm along the longitudinal axis of the power storage cell. Power storage cells with such extensions along their longitudinal axis have particularly high capacities due to their size. Due to the volume factor f v set according to the invention, the formation of different regions in the electrode, in particular the anode, with different concentrations of conductive salt along the longitudinal axis of the power storage cell occurs only to a minor extent or not at all. Due to the large extension of at least 3 cm along the main axis of the power storage cell, different concentrations of conductive salt along this main axis cannot normally be compensated by diffusion within a very short time during operation of the power storage cell and therefore lead to premature aging of the power storage cell.
Stromspeicherzellen mit einer Ausdehnung von wenigstens 3 cm entlang der Längsachse sind beispielsweise Rundzellen des Typs 18650 mit einer Ausdehnung von 6,5 cm entlang der Längsachse. Weitere Beispiele von Stromspeicherzellen mit einer derartigen Ausdehnung sind Zellen des Typs 4680 mit einer Ausdehnung von 8 cm, Zellen des Typs 4695 mit einer Ausdehnung von 9,5 cm entlang der Längsachse und Zellen des Typs 46120 mit einer Ausdehnung von 12 cm entlang der Längsachse. Derartige Stromspeicherzellen können insbesondere in batterieelektrischen Fahrzeugen zum Einsatz kommen. Examples of energy storage cells with a length of at least 3 cm along the longitudinal axis include round cells of the 18650 type with a length of 6.5 cm along the longitudinal axis. Other examples of energy storage cells with such a length are cells of the 4680 type with a length of 8 cm, cells of the 4695 type with a length of 9.5 cm along the longitudinal axis, and cells of the 46120 type with a length of 12 cm along the longitudinal axis. Such energy storage cells can be used particularly in battery-electric vehicles.
Das Gehäuse der Stromspeicherzelle kann entlang der Längsachse um den Umfang des Elektrodenwickels oder des Elektrodenstapel umlaufend angeordnet sein. Das Gehäuse kann dabei umlaufend die Hauptoberflächen der Anode und Kathode kontaktieren. Das Gehäuse kann umlaufend den Elektrodenstapel oder den Elektrodenwickel begrenzen. Das Gehäuse kann den Elektrodenstapel oder den Elektrodenwickel umspannen. Insbesondere kann zur elektrischen Isolierung noch eine Separatorschicht zwischen dem Gehäuse und den jeweiligen Elektroden vorhanden sein. Ein derartiges Gehäuse, bei dem die Elektroden bzw. Separatoren des Elektrodenwickels oder des Elektrodenstapel von dem Gehäuse kontaktiert werden, erlaubt eine besonders kompakte Bauweise der Stromspeicherzellen.The housing of the energy storage cell can be arranged circumferentially along the longitudinal axis around the circumference of the electrode coil or electrode stack. The housing can contact the main surfaces of the anode and cathode all the way around. The housing can circumferentially delimit the electrode stack or electrode coil. The housing can span the electrode stack or electrode coil. In particular, a separator layer can be present between the housing and the respective electrodes for electrical insulation. Such a housing, in which the electrodes or separators of the electrode coil or electrode stack are contacted by the housing, allows for a particularly compact design of the energy storage cells.
Das Gehäuse kann insbesondere eine metallische Außenhülle oder eine Außenhülle aus Kunststoff umfassen. Das Gehäuse kann insbesondere zylinderförmig ausgebildet sein, wobei an den gegenüberliegenden Enden des Zylinders Pole zur elektrischen Kontaktierung der Stromspeicherzelle vorhanden sind. Das Gehäuse kann weiterhin auch eine flexible, beispielsweise aus Aluminium gefertigte Folie umfassen, in dem der Elektrodenstapel fest eingespannt ist. Derartige Gehäuse kommen beispielsweise bei Pouch-Zellen zum Einsatz.The housing may, in particular, comprise a metallic outer shell or a plastic outer shell. The housing may, in particular, be cylindrical, with poles for electrically contacting the power storage cell being provided at the opposite ends of the cylinder. The housing may also comprise a flexible, For example, they can comprise a foil made of aluminum, in which the electrode stack is firmly clamped. Such housings are used, for example, in pouch cells.
Da der Elektrodenstapel oder der Elektrodenwickel in dem Gehäuse verspannt, sind gibt es für Elektroden senkrecht zur Längsachse der Stromspeicherzellen keinen Raum, sich während des Ladens der Stromspeicherzelle auszudehnen. Bei derartigen Stromspeicherzellen kommt es daher bei herkömmlichen Beladungen der Stromspeicherzelle mit einem Überschuss an Elektrolytlösungen besonders leicht zu einer Verdrängung der Elektrolytlösung aus dem Elektrodenstapel bzw. Elektrodenwickel und damit zu einer Ausbildung von Bereichen mit unterschiedlicher Leitsalz- Konzentration während des Betriebs der Stromspeicherzelle. Dieses Problem kann aufgrund des erfindungsgemäß eingestellten Volumenfaktors fv vermindert, bzw. verhindert werden. Because the electrode stack or electrode coil is clamped within the housing, there is no room for the electrodes perpendicular to the longitudinal axis of the power storage cells to expand during charging. In such power storage cells, conventional charging of the power storage cell with an excess of electrolyte solution therefore particularly easily leads to the displacement of the electrolyte solution from the electrode stack or electrode coil, thus leading to the formation of regions with different conducting salt concentrations during operation of the power storage cell. This problem can be reduced or prevented by the volume factor f v adjusted according to the invention.
Bei einer erfindungsgemäßen Stromspeicherzelle kann bei einem Ladezustand von 75 % bis 100 % sich höchstens 4 %, bevorzugt höchstens 3 %, weiter bevorzugt höchstens 1 % des Gesamtvolumens der Elektrolytlösung im Gehäuse außerhalb des Elektrodenwickels oder des Elektrodenstapel befinden. Bei einer derartigen geringen Menge an freier Elektrolytlösung außerhalb des Elektrodenwickels oder des Elektrodenstapels kommt es nur im untergeordneten Maße zu einer Ausbildung von Bereichen unterschiedlicher Leitsalz- Konzentration in den Elektroden, insbesondere der Anode. Besonders bevorzugt befindet sich keine Elektrolytlösung außerhalb des Elektrodenwickels oder des Elektrodenstapels. Dies kann besonders zuverlässig die Ausbildung von unterschiedlichen Bereichen in den Elektroden verhindern, die unterschiedliche Leitsalzkonzentration aufweisen. Insbesondere wird dann keine Elektrolytlösung bei hohen Ladezuständen aus dem Elektrodenstapel bzw. Elektrodenwickel gedrückt werden, wenn der Volumenfaktor maximal 1 beträgt. Das Vorhandensein, sowie die Menge der Elektrolytlösung im Gehäuse außerhalb des Elektrodenwickels oder des Elektrodenstapels kann beispielsweise mittels Computertomografie (CT) ermittelt werden. In a power storage cell according to the invention, at a state of charge of 75% to 100%, at most 4%, preferably at most 3%, more preferably at most 1% of the total volume of the electrolyte solution in the housing can be located outside the electrode coil or the electrode stack. With such a small amount of free electrolyte solution outside the electrode coil or the electrode stack, the formation of regions with different conducting salt concentrations in the electrodes, in particular the anode, occurs only to a minor extent. Particularly preferably, no electrolyte solution is located outside the electrode coil or the electrode stack. This can particularly reliably prevent the formation of different regions in the electrodes with different conducting salt concentrations. In particular, no electrolyte solution will be forced out of the electrode stack or the electrode coil at high states of charge if the volume factor is a maximum of 1. The presence and quantity of electrolyte solution in the housing outside the electrode coil or the electrode stack can be determined, for example, using computed tomography (CT).
Bei der Stromspeicherzelle können die Anode, der Separator und die Kathode einen sich entlang der Längsachse erstreckenden ersten und einen zweiten Randbereich und einen sich zwischen den ersten und den zweiten Randbereich entlang der Längsachse erstreckenden mittleren Bereich aufweisen. Dabei können der erste Randbereich, der zweite Randbereich und der dazwischen befindliche mittlere Bereich jeweils entlang der Längsachse die gleiche Ausdehnung aufweisen. Weiterhin weisen der erste Randbereich, der zweite Randbereich und der dazwischen befindliche mittlere Bereich der Elektroden jeweils gleich große Flächen auf. Die Erfinder haben festgestellt, dass in herkömmlichen Stromspeicherzellen nach einigen Lade- und Entlade-Vorgängen die Elektrolytlösung in den Poren des ersten Randbereichs, in den Poren des zweiten Randbereichs und in den Poren des mittleren Bereichs, beispielsweise der Anode, unterschiedliche Konzentrationen an Leitsalz aufweisen. Dies kann durch eine erfindungsgemäße Einstellung des Volumenfaktors fv vermindert, bzw. verhindert werden. In the power storage cell, the anode, the separator, and the cathode can have a first and a second edge region extending along the longitudinal axis, and a central region extending between the first and the second edge region along the longitudinal axis. The first edge region, the second edge region, and the central region located therebetween can each have the same extent along the longitudinal axis. Furthermore, the first edge region, the second edge region, and the central region located therebetween each have equal areas. The inventors have found that in conventional power storage cells, after several charging and discharging processes, the electrolyte solution in the pores of the first edge region, in the pores of the second edge region, and in the pores The central region, for example, the anode, may have different concentrations of conductive salt. This can be reduced or prevented by adjusting the volume factor f v according to the invention.
Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromspeicherzelle kann nach wenigstens 50 Lade- und Entlade-Vorgängen (mittlere C-Rate bei Laden und Entladen mindestens 1C, SOC-Hub jeweils 0-100%, Temperatur 25 °C) nach einem Entladen auf die Abschaltspannung und Ruhen für wenigstens 1 Stunde und höchstens einen Tag eine Konzentration an Li+ im ersten Randbereich und im zweiten Randbereich aufweisen, die sich um höchstens 30 %, bevorzugt höchstens um 20 %, weiter bevorzugt höchstens um 10 % in Bezug auf die ursprüngliche Konzentration an Li+ im der Elektrolytlösung unterscheidet. Die mittlere C-Rate kann insbesondere durch die Mittelwerte der während der Ladung über einen Zeitraum von 1 Stunde auftretenden C-Raten ermittelt werden. An embodiment of a power storage cell according to the invention can, after at least 50 charging and discharging processes (average C-rate during charging and discharging at least 1C, SOC range 0-100% each, temperature 25°C), after discharging to the cut-off voltage and resting for at least 1 hour and at most one day, have a Li + concentration in the first edge region and in the second edge region that differs by at most 30%, preferably by at most 20%, more preferably by at most 10%, relative to the original Li + concentration in the electrolyte solution. The average C-rate can be determined in particular by the mean values of the C-rates occurring during charging over a period of 1 hour.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromspeicherzelle kann diese nach wenigstens 50 Lade- und Entlade-Vorgängen (mittlere C-Rate bei Laden und Entladen mindestens 1C, SOC-Hub jeweils 0-100%, Temperatur 25 °C) nach einem Entladen auf die Abschaltspannung und Ruhen für wenigstens 1 Stunde und höchstens einen Tag eine Konzentration an Li+ im ersten und im zweiten Randbereich aufweisen, die sich um höchstens 50 %, bevorzugt höchstens um 40 %, weiter bevorzugt höchstens um 20 % von der Konzentration an Li+ im mittleren Bereich unterscheidet. Bevorzugt kann die Stromspeicherzelle oben genannten Konzentrationen an Li+ nach wenigstens 130 Lade- und Entlade-Vorgängen aufweisen. According to a further embodiment of a power storage cell according to the invention, after at least 50 charging and discharging processes (average C-rate during charging and discharging at least 1C, SOC range 0-100% in each case, temperature 25°C), after discharging to the cut-off voltage and resting for at least 1 hour and at most one day, the cell can have a Li + concentration in the first and second edge regions that differs by at most 50%, preferably by at most 40%, more preferably by at most 20%, from the Li + concentration in the central region. The power storage cell can preferably have the above-mentioned Li + concentrations after at least 130 charging and discharging processes.
Das Porenvolumen der Anode der Stromspeicherzelle kann sich insbesondere während des Ladevorgangs in Abhängigkeit vom Ladezustand verringern. Die Anode kann insbesondere ein elektrochemisch aktives Anodenmaterial umfassen. Unter einem elektrochemisch aktiven Anodenmaterial wird insbesondere ein Material verstanden, das in der Lage ist Lithium-Ionen aufzunehmen und wieder abzugeben, falls der Stromspeicher ein Lithium-Ionen Stromspeicher ist. Das Porenvolumen der Anode der Stromspeicherzelle kann sich insbesondere während des Ladevorgangs in Abhängigkeit vom Ladezustand verringern. Dies kann insbesondere darauf zurückgeführt werden, dass während des Ladevorgangs durch Interkalation/Legierungsbildung von Lithium in das elektrochemisch aktive Anodenmaterial, beispielsweise Graphit oder Siliziumoxide, Silizium oder Mischungen davon, das Volumen des elektrochemisch aktiven Anodenmaterials zunimmt. Insbesondere kann das elektrochemisch aktive Anodenmaterial ausgewählt sein aus einer Gruppe bestehend aus: synthetischem Graphit, Naturgraphit, Graphen, Mesokohlenstoff, dotiertem Kohlenstoff, Hardcarbon, Softcarbon, Fulleren, Silizium-Kohlenstoff-Kompositen, Silizium, oberflächenbeschichtetem Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Aluminium- legierungen, Indium, Zinnlegierungen, Kobaltlegierungen und Mischungen davon. Bevorzugt kann das elektrochemisch aktive Anodenmaterial ausgewählt sein aus einer Gruppe bestehend aus: Graphit, Siliziumoxide und Silizium oder Mischungen davon. Derartige elektrochemisch aktive Anodenmaterialien sind besonders dazu geeignet Lithium-Ionen Speicherzellen zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Kapazität aufweisen. The pore volume of the anode of the power storage cell can decrease, particularly during the charging process, depending on the state of charge. The anode can, in particular, comprise an electrochemically active anode material. An electrochemically active anode material is understood, in particular, to be a material capable of absorbing and releasing lithium ions if the power storage device is a lithium-ion power storage device. The pore volume of the anode of the power storage cell can decrease, particularly during the charging process, depending on the state of charge. This can be attributed, in particular, to the fact that the volume of the electrochemically active anode material increases during the charging process due to intercalation/alloy formation of lithium into the electrochemically active anode material, for example, graphite or silicon oxides, silicon, or mixtures thereof. In particular, the electrochemically active anode material can be selected from a group consisting of: synthetic graphite, natural graphite, graphene, mesocarbon, doped carbon, hard carbon, soft carbon, fullerene, silicon-carbon composites, silicon, surface-coated silicon, silicon suboxide, silicon alloys, aluminum alloys, indium, tin alloys, cobalt alloys, and mixtures thereof. Preferably, the electrochemically active anode material can be selected from a group consisting of graphite, silicon oxides, and silicon, or mixtures thereof. Such electrochemically active anode materials are particularly suitable for providing lithium-ion storage cells with high capacity.
Bei einer Natrium-Ionen Stromspeicherzelle kann die Anode ein elektrochemisch aktives Anodenmaterial umfassen. Das elektrochemisch aktive Anodenmaterial bei einer Natrium- Ionen Speicherzelle kann dazu ausgelegt sein, Natrium-Ionen während des Ladens und Entladens aufzunehmen und wieder abzugeben. Das elektrochemisch aktive Anodenmaterial bei einer Natrium-Ionen Stromspeicherzelle kann insbesondere harten Kohlenstoff, Kohlenstoff, beispielsweise in der Form von Graphit umfassen, das ähnlich zu einer Lithium- Ionen Stromspeicherzelle durch Interkalation Natrium-Ionen aufzunehmen und wieder abgeben kann. Dabei kann es ähnlich zur Lithium-Ionen Stromspeicherzelle zu einer Veränderung des Porenvolumens der Anode in der Natrium-Ionen Stromspeicherzelle kommen. In a sodium-ion storage cell, the anode can comprise an electrochemically active anode material. The electrochemically active anode material in a sodium-ion storage cell can be designed to absorb and release sodium ions during charging and discharging. The electrochemically active anode material in a sodium-ion storage cell can, in particular, comprise hard carbon, carbon, for example in the form of graphite, which, similar to a lithium-ion storage cell, can absorb and release sodium ions through intercalation. Similar to the lithium-ion storage cell, this can lead to a change in the pore volume of the anode in the sodium-ion storage cell.
Bei der Stromspeicherzelle kann sich das Porenvolumen der Kathode während des Ladevorgangs in Abhängigkeit vom Ladezustand erhöhen. Die Kathode kann insbesondere ein elektrochemisch aktives Kathodenmaterial umfassen. Unter einem elektrochemisch aktiven Kathodenmaterial wird bei einer Lithium-Ionen Stromspeicherzelle insbesondere ein Kathodenmaterial verstanden, das in der Lage ist, Lithium-Ionen beim Laden bzw. Entladen abzugeben und wieder aufzunehmen. Bei einer Lithium-Ionen Stromspeicherzelle kann das elektrochemisch aktive Kathodenmaterial ausgewählt sein aus einer Gruppe bestehend aus: Lithiumübergangsmetalloxiden wie Lithium-Kobalt-Oxid (UCOO2), Lithium-Nickel-Kobalt- Mangan-Verbindungen (unter der Abkürzung NCM bzw. NMC bekannt), beispielsweise UCOO2, LiNio,33Coo,33Mno,3302, Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxiden (NCA), Lithiumolivinen wie Lithium-Eisenphosphat (LFP), Lithiumspinellen wie Lithium-Mangan- Oxid-Spinell (LMO). Lithium-Mangan-Nickel-Spinell (LNMO) oder Kombinationen davon, weiter bevorzugt wobei das elektrochemisch aktive Kathodenmaterial ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus: Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Verbindungen. In the power storage cell, the pore volume of the cathode can increase during the charging process depending on the state of charge. The cathode can, in particular, comprise an electrochemically active cathode material. In a lithium-ion power storage cell, an electrochemically active cathode material is understood to mean, in particular, a cathode material capable of releasing and reabsorbing lithium ions during charging and discharging. In a lithium-ion power storage cell, the electrochemically active cathode material can be selected from a group consisting of: lithium transition metal oxides such as lithium cobalt oxide (UCOO2), lithium nickel cobalt manganese compounds (known by the abbreviation NCM or NMC), for example UCOO2, LiNiO33Coo33Mno33O2, lithium nickel cobalt aluminum oxides (NCA), lithium olivines such as lithium iron phosphate (LFP), lithium spinels such as lithium manganese oxide spinel (LMO), lithium manganese nickel spinel (LNMO), or combinations thereof, more preferably wherein the electrochemically active cathode material is selected from a group consisting of: lithium nickel cobalt manganese compounds.
Als Kathodenmaterial können beispielsweise Natriumionen enthaltende Materialien wie Phosphate und Diphosphate, beispielsweise Natriumeisenphosphate oder Verbindungen wie Na2/3Fei/2Mni/2O2 bei einer Natrium-Ionen Stromspeicherzelle eingesetzt werden. As cathode material, for example, materials containing sodium ions such as phosphates and diphosphates, for example sodium iron phosphates or compounds such as Na2/3Fei/2Mni/2O2 can be used in a sodium ion power storage cell.
Die Materialien für die Anode und Kathode können neben dem elektrochemisch aktiven Anodenmaterial und Kathodenmaterial noch weitere Materialien, beispielsweise Binder und leitfähige Additive enthalten. Als Binder können beispielsweise Carboxymethylcellulose und/oder Polyvinylidenfluorid eingesetzt werden. Die Elektrolytlösung für eine Lithium-Ionen Stromspeicherzelle kann ein Lithiumsalz als Leitsalz und zumindest ein organisches Lösungsmittel umfassen. In addition to the electrochemically active anode and cathode materials, the materials for the anode and cathode can also contain other materials, such as binders and conductive additives. Binders can include, for example, carboxymethylcellulose and/or polyvinylidene fluoride. The electrolyte solution for a lithium-ion power storage cell may comprise a lithium salt as a conductive salt and at least one organic solvent.
Die Elektrolytlösung für eine Natrium-Ionen Stromspeicherzelle kann ein Natriumsalz als Leitsalz und zumindest ein organisches Lösungsmittel umfassen. The electrolyte solution for a sodium-ion power storage cell may comprise a sodium salt as a conductive salt and at least one organic solvent.
Bei einer Lithium-Ionen Stromspeicherzelle kann das Lithiumsalz vorzugsweise ausgewählt sein aus einer Gruppe bestehend aus: LiPFe, LiAsFe, LiCIC , ÜCF3SO3, Lithium- bis(trifluoromethylsulfonyl)amid oder Kombinationen davon. In a lithium-ion power storage cell, the lithium salt can preferably be selected from a group consisting of: LiPFe, LiAsFe, LiCl, ÜCF3SO3, lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide or combinations thereof.
Bei einer Natrium-Ionen Stromspeicherzelle kann das Natriumsalz vorzugsweise ausgewählt sein aus einer Gruppe bestehend aus: NaPFe, NaCIO4, Na-bis(trifluormethan)sulfonimid), Na-bis(fluorsulfonyl)imid, Na-difluor(oxalato)borat), Na-bis(oxalato)borat oder Kombinationen davon. In a sodium ion power storage cell, the sodium salt may preferably be selected from a group consisting of: NaPFe, NaCIO4, Na-bis(trifluoromethane)sulfonimide, Na-bis(fluorosulfonyl)imide, Na-difluoro(oxalato)borate, Na-bis(oxalato)borate or combinations thereof.
Das organische Lösungsmittel kann insbesondere ein organisches polares Lösungsmittel umfassen. Das organische Lösungsmittel kann insbesondere ausgewählt sein aus einer Gruppe bestehend aus: C2 bis C4 cyclische Ester der Kohlensäure, beispielsweise Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethyl- Methyl- Carbonat, Lactone, beispielsweise y-, ö- und e-Lacton oder Kombinationen davon. The organic solvent may, in particular, comprise an organic polar solvent. The organic solvent may, in particular, be selected from a group consisting of: C2 to C4 cyclic esters of carbonic acid, for example propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, lactones, for example γ-, δ-, and ε-lactone, or combinations thereof.
Bei einem Ladezustand von 0 % kann die Porosität, das Verhältnis von Porenvolumen zu Gesamtvolumen des Elektrodenmaterials, bei der Anode von 20 % bis 30 % reichen und bei der Kathode von 20 % bis 26 %. Der Separator weist in der Regel eine größere Porosität von 30 % bis 60 % auf. At a 0% state of charge, the porosity, the ratio of pore volume to total volume of the electrode material, can range from 20% to 30% for the anode and from 20% to 26% for the cathode. The separator typically has a higher porosity of 30% to 60%.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Stromspeicherzelle, wie oben beschrieben, zum Schnellladen. Schnellladen wird dabei definiert als Laden bei einer mittleren C-Rate von zumindest 1C. Die C-Rate ist das Verhältnis aus dem Ladestrom einer Stromspeicherzelle in Ampere (A) zur Kapazität der Stromspeicherzelle (Ah). Aufgrund des erfindungsgemäß eingestellten Volumenfaktors können erfindungsgemäße Stromspeicherzellen mittels Schnelllade-Verfahren besonders schnell geladen werden, ohne dass es zu einer übermäßigen Alterung der Stromspeicherzellen kommt. The present invention also relates to the use of a power storage cell according to the invention, as described above, for rapid charging. Rapid charging is defined as charging at an average C-rate of at least 1C. The C-rate is the ratio of the charging current of a power storage cell in amperes (A) to the capacity of the power storage cell (Ah). Due to the volume factor set according to the invention, power storage cells according to the invention can be charged particularly quickly using rapid charging methods without causing excessive aging of the power storage cells.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung des Porenvolumens einer Stromspeicherzelle bei Ladezuständen von 75 % bis 100 %. Die Stromspeicherzelle umfasst dabei eine Anode, eine Kathode und einen zwischen der Anode und der Kathode befindlichen Separator, wobei sich Elektrolytlösung in den Poren der Anode, Kathode und des Separators befindet. Die Elektrolytlösung umfasst ein Leitsalz und zumindest ein organisches Lösungsmittel. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:The present invention further relates to a method for determining the pore volume of a power storage cell at charge levels of 75% to 100%. The power storage cell comprises an anode, a cathode and a and the cathode, with electrolyte solution located in the pores of the anode, cathode, and separator. The electrolyte solution comprises a conductive salt and at least one organic solvent. The process comprises the following steps:
A) Befüllen einer Vielzahl von Stromspeicherzellen jeweils mit einem Volumen an Elektrolytlösung, das größer ist als das Porenvolumen der Stromspeicherzelle bei Ladezuständen von 75 % bis 100%, A) Filling a plurality of power storage cells each with a volume of electrolyte solution that is greater than the pore volume of the power storage cell at charge states of 75% to 100%,
B) Laden und Entladen der Vielzahl von Stromspeicherzellen zur Formierung der Elektroden, und anschließend, B) charging and discharging the plurality of power storage cells to form the electrodes, and then,
C) Laden der Vielzahl von Stromspeicherzellen auf jeweils unterschiedliche Ladezustände auf Ladezustände im Bereich von 75 % bis 100%, und C) charging the plurality of power storage cells to different charge levels in the range of 75% to 100%, and
D) Öffnen der Vielzahl von geladenen Stromspeicherzellen und Bestimmung der Porenvolumina der Anode und der Kathode bei den unterschiedlichen Ladezuständen. D) Opening the plurality of charged power storage cells and determining the pore volumes of the anode and cathode at different charge states.
Die Vielzahl von Stromspeicherzellen weisen dabei die gleiche Bauart auf und sind insbesondere von der Beschaffenheit und chemischen Zusammensetzungen der Anode, der Kathode und des Separators gleich. Insbesondere weisen alle Stromspeicherzellen, die als Testzellen eingesetzt werden bezüglich der Elektroden die gleichen Stromkollektormaterialien und die gleiche Beladung der Stromkollektorfolien mit Elektrodenmaterial auf.The multitude of energy storage cells have the same design and are identical, in particular, in terms of the properties and chemical compositions of the anode, cathode, and separator. In particular, all energy storage cells used as test cells have the same current collector materials for the electrodes and the same loading of the current collector foils with electrode material.
Dies erlaubt es eine Reihe von Porenvolumina für verschiedene Ladezustände der Stromspeicherzellen gleicher Bauart besonders einfach zu ermitteln. This makes it particularly easy to determine a range of pore volumes for different charge states of the power storage cells of the same design.
Insbesondere kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens das Porenvolumen von verschiedensten Stromspeicherzellen mit unterschiedlich elektrochemisch aktiven Materialien besonders einfach ermittelt werden. In particular, the pore volume of a wide variety of power storage cells with different electrochemically active materials can be determined particularly easily by means of the method according to the invention.
Um möglichst genau den Ladezustand innerhalb des Bereichs von 75 % bis 100 % zu bestimmen, bei dem die Summe aus Porenvolumina der Anode, der Kathode und des Separators einen minimalen Wert annehmen, können die Werte für den Ladezustand innerhalb des Bereichs 75 % bis 100 % dichter gestaffelt werden. In order to determine the state of charge as accurately as possible within the range of 75% to 100%, at which the sum of the pore volumes of the anode, the cathode and the separator assume a minimum value, the values for the state of charge within the range of 75% to 100% can be staggered more closely.
Im Verfahrensschritt D) können die Porenvolumina der Anode, des Separators und der Kathode beispielsweise mittels Helium-Pyknometrie ermittelt werden. Insbesondere können die Porenvolumina ermittelt werden, wie in der Veröffentlichung Beuse et al. „Comprehensive Insights into the Porosity of Lithium-Ion Battery Electrodes: A Comparative Study on Positive Electrodes Based on LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 (NMC622)’’, Batteries 2021 , 7(4), 70, angegeben, auf die hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird. Im Verfahrensschritt A) können die Stromspeicherzellen als Testzellen insbesondere mit einem Volumen an Elektrolytlösung befüllt werden, dass auf jeden Fall über der Summe der Porenvolumina der Anode, der Kathode und des Separators bei Ladezuständen von 75 % bis 100 % liegt. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem etwa 2 g Elektrolytlösung je 1Ah Kapazität der Zelle zu der Stromspeicherzelle hinzugegeben werden. In process step D), the pore volumes of the anode, separator, and cathode can be determined, for example, using helium pycnometry. In particular, the pore volumes can be determined as described in the publication by Beuse et al., "Comprehensive Insights into the Porosity of Lithium-Ion Battery Electrodes: A Comparative Study on Positive Electrodes Based on LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 (NMC622)," Batteries 2021, 7(4), 70, which is hereby incorporated by reference. In process step A), the power storage cells can be filled as test cells, in particular, with a volume of electrolyte solution that is always greater than the sum of the pore volumes of the anode, cathode, and separator at charge levels of 75% to 100%. This can be achieved, for example, by adding approximately 2 g of electrolyte solution per 1 Ah of cell capacity to the power storage cell.
Insbesondere kann im Verfahrensschritt B) ein definiertes Volumen an Elektrolytlösung in eine Testzelle gegeben werden. Nach der Formierung im Verfahrensschritt B) kann die Zelle geöffnet werden und in einer abgeschlossenen Box beispielsweise bei 45 °C und unter gegenüber Normalbedingungen reduziertem Druck, zum Beispiel 1 mbar das Lösungsmittel über einen längeren Zeitraum, beispielsweise einen Monat verdampft und abgesaugt werden. Die abgesaugte Elektrolytlösung kann in einer Kühlfalle aufgefangen und direkt deren Volumen bestimmt werden. Alternativ kann auch die gefüllte und anschließend entleerte Testzelle gewogen und aus der Differenz bei Kenntnis der Dichte der Elektrolytlösung (typischerweise ca. 1 ,25 g/cm3) das Volumen der ursprünglich in der formierten Testzelle vorhandenen Elektrolytlösung bestimmt werden. Aus der Differenz zwischen dem ursprünglich eingesetzten Volumen und dem nach der Formierung in der Testzelle vorhandenen Volumen an Elektrolytlösung kann das Volumen an Elektrolytlösung für einen bestimmten Bautyp einer Testzelle ermittelt werden, dass bei der Formierung der Zelle verbraucht wird. In particular, in process step B) a defined volume of electrolyte solution can be added to a test cell. After forming in process step B), the cell can be opened and the solvent can be evaporated and extracted over a longer period of time, for example one month, in a sealed box, for example at 45 °C and under a pressure reduced compared to normal conditions, for example 1 mbar. The extracted electrolyte solution can be collected in a cold trap and its volume determined directly. Alternatively, the filled and subsequently emptied test cell can be weighed and, from the difference and with knowledge of the density of the electrolyte solution (typically approx. 1.25 g/ cm3 ), the volume of the electrolyte solution originally present in the formed test cell can be determined. From the difference between the volume originally used and the volume of electrolyte solution present in the test cell after forming, the volume of electrolyte solution that is consumed during cell formation for a specific test cell type can be determined.
Nachdem das durch Formierung verlorene Volumen an Elektrolytlösung und nachdem die Summe der Porenvolumina der Anode, der Kathode und des Separators bei einem Ladezustand von 75 % bis 100 % bekannt ist, können weitere Stromspeicherzellen des gleichen Bautyps vor der Formierung besonders einfach mit einem Volumen an Elektrolytlösung befüllt werden, dass eine Summe des durch die Formierung verloren gegangenen Elektrolytvolumens mit der Summe der ermittelten Porenvolumina bei der Elektroden und des Separators bei den hohen Ladezuständen ist. Once the volume of electrolyte solution lost during formation and the sum of the pore volumes of the anode, the cathode and the separator at a state of charge of 75% to 100% is known, further power storage cells of the same type can be particularly easily filled before formation with a volume of electrolyte solution that is a sum of the electrolyte volume lost during formation with the sum of the determined pore volumes of the electrodes and the separator at the high states of charge.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Stromspeicherzelle, ausgebildet als Lithium-Ionen-Speicherzelle oder Natrium-Ionen-Speicherzelle umfassend eine Anode, eine Kathode, einen zwischen der Anode und der Kathode befindlichen Separator und eine Elektrolytlösung, die in Poren der Anode, Kathode und des Separators angeordnet ist, wobei die Elektrolytlösung ein Leitsalz und zumindest ein organisches Lösungsmittel umfasst, wobei bei einem Ladezustand von 75 % bis 100% der Stromspeicherzelle sich höchstens 4 Prozent, bevorzugt höchstens 3 Prozent des Gesamtvolumens der Elektrolytlösung im Gehäuse außerhalb des Elektrodenwickels oder des Elektrodenstapels befinden. Die Anode, die Kathode, und der zwischen der Anode und der Kathode befindliche Separator sind Bestandteil eines Elektrodenwickels oder Elektrodenstapels. Weiterhin umfasst die Stromspeicherzelle ein Gehäuse in dem sich der Elektrodenwickel oder Elektrodenstapel befindet. Besonders bevorzugt befindet sich bei einem Ladezustand von 75 % bis 100% der Stromspeicherzelle keine Elektrolytlösung außerhalb des Elektrodenwickels oder des Elektrodenstapels. The present invention also relates to a power storage cell, designed as a lithium-ion storage cell or sodium-ion storage cell, comprising an anode, a cathode, a separator located between the anode and the cathode, and an electrolyte solution arranged in pores of the anode, cathode, and separator, wherein the electrolyte solution comprises a conductive salt and at least one organic solvent, wherein at a charge state of 75% to 100% of the power storage cell, at most 4 percent, preferably at most 3 percent of the total volume of the electrolyte solution in the housing is located outside the electrode coil or the electrode stack. The anode, the cathode, and the separator located between the anode and the cathode are components of an electrode coil or electrode stack. Furthermore, the A power storage cell is a housing in which the electrode coil or electrode stack is located. Particularly preferably, when the power storage cell is at a charge level of 75% to 100%, no electrolyte solution is present outside the electrode coil or electrode stack.
Bei einer derartigen Stromspeicherzelle kann besonders gut die Ausbildung von Bereichen unterschiedlicher Leitsalzkonzentration während des Betriebs der Zelle vermindert bzw. verhindert werden, da nur geringe Mengen an Elektrolytlösung oder gar keine Elektrolytlösung während des Betriebs der Zelle aus dem Elektrodenwickel oder dem Elektrodenstapel gedrückt wird. Besonders bevorzugt liegt der hohe Ladezustand bei 80% bis 100%, weiter bevorzugt bei 90% bis 100%. With such a power storage cell, the formation of areas of varying conducting salt concentrations during cell operation can be particularly effectively reduced or prevented, since only small amounts of electrolyte solution, or no electrolyte solution at all, are forced out of the electrode coil or electrode stack during cell operation. The high state of charge is particularly preferably between 80% and 100%, and more preferably between 90% and 100%.
Die Menge an Elektrolytlösung oder das Vorhandensein von Elektrolytlösung außerhalb des Elektrodenwickels oder des Elektrodenstapels lässt sich besonders einfach mittels einer CT- Aufnahme nachweisen. The amount of electrolyte solution or the presence of electrolyte solution outside the electrode coil or the electrode stack can be particularly easily detected using a CT scan.
Im Folgenden sollen Aspekte der vorliegenden Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen: In the following, aspects of the present invention will be explained in more detail with reference to figures and exemplary embodiments. They show:
Figuren 1a) bis 1e) schematische Querschnittszeichnungen einer Anode und einer Kathode eine herkömmlichen Stromspeicherzelle mit beispielhaften Leitsalz-Konzentrationen in der Elektrolytlösung während eines Lade-Vorgangs und eines Entladevorgangs mit der von den Erfindern ermittelten Ausbildung von Bereichen unterschiedlicher Leitsalz-Konzentration in den Elektroden, Figures 1a) to 1e) are schematic cross-sectional drawings of an anode and a cathode of a conventional power storage cell with exemplary conductive salt concentrations in the electrolyte solution during a charging process and a discharging process with the formation of regions of different conductive salt concentrations in the electrodes as determined by the inventors,
Figur 2 einen Graphen mit den unterschiedlichen Leitsalz-Konzentrationen in den Randbereichen und in einem von den Randbereichen flankierten mittleren Bereich der Anode,Figure 2 shows a graph with the different conducting salt concentrations in the edge regions and in a central region of the anode flanked by the edge regions,
Figur 3 einen Graphen mit einem Verlauf der Leitsalz- Konzentration in einem Randbereich der Anode mit einem zeitlichen Verlauf über eine Vielzahl von Lade- und Entlade-Zyklen,Figure 3 shows a graph with a course of the conducting salt concentration in an edge region of the anode with a time course over a large number of charging and discharging cycles,
Figuren 4a) und 4b) Photographien einer Anode aus einer herkömmlichen Stromspeicherzelle und einer Anode aus einer erfindungsgemäßen Stromspeicherzelle nach 130 Zyklen, wobei 50 % der Zyklen Schnellladezyklen waren, nach dem Öffnen der Zellen,Figures 4a) and 4b) are photographs of an anode from a conventional power storage cell and an anode from a power storage cell according to the invention after 130 cycles, 50% of which were fast charge cycles, after opening the cells,
Figur 5 eine schematische Querschnittszeichnung einer Stromspeicherzelle mit einem Elektrodenwickel und aus dem Elektrodenwickel herausgepresster Elektrolytlösung,Figure 5 is a schematic cross-sectional drawing of a power storage cell with an electrode coil and electrolyte solution pressed out of the electrode coil,
Figur 6 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine abgerollte Anode nach Öffnen einer Stromspeicherzelle mit der Positionierung der Proben im ersten Randbereich, zweiten Randbereich und im mittleren Bereich der Anode zur Ermittlung einer ortsaufgelösten Leitsalz Konzentration innerhalb der Anode, und Figur 7 eine CT-Aufnahme von einer herkömmlichen Stromspeicherzelle mit einem Volumenfaktor oberhalb von 1 ,05 bei einem hohen Ladezustand mit aus dem Wickel herausgedrückter Elektrolytlösung, und Figure 6 shows a schematic plan view of an unrolled anode after opening a current storage cell with the positioning of the samples in the first edge area, second edge area and in the middle area of the anode for determining a spatially resolved conducting salt concentration within the anode, and Figure 7 shows a CT image of a conventional power storage cell with a volume factor above 1.05 at a high state of charge with electrolyte solution pressed out of the winding, and
Figur 8 eine CT-Aufnahme von einer erfindungsgemäßen Stromspeicherzelle mit einem Volumenfaktor von maximal 1 bei einem hohen Ladezustand, wobei keine aus dem Wickel herausgedrückte Elektrolytlösung zu erkennen ist. Figure 8 shows a CT image of a power storage cell according to the invention with a volume factor of maximum 1 at a high state of charge, wherein no electrolyte solution can be seen being squeezed out of the winding.
Im Folgenden werden Elemente mit gleicher Funktion mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the following, elements with the same function are given the same reference symbols.
Die Figuren 1a) bis 1e) zeigen schematische Querschnittszeichnungen von beispielhaften Konzentrationen des Leitsalzes in der Elektrolytlösung in den Porenvolumina der Anode 2 und den Porenvolumina der Kathode 3 eines Elektrodenwickels einer herkömmlichen Lithium-Ionen Stromspeicherzelle vor dem Laden bei einem Ladezustand von 0 %. Anode 2 und die Kathode 3 sind durch eine Separatorschicht 4 voneinander getrennt. In die Lithium- Ionen Stromspeicherzelle wurde ein Überschuss an Elektrolytlösung mit einem Leitsalz im Vergleich zum zur Verfügung stehenden Porenvolumen der Anode, der Kathode der Separatorschicht eingebracht, sodass der Volumenfaktor fv oberhalb des erfindungsgemäß eingestellten Volumenfaktors liegt bei einem Wert von 1,08. Aufgrund des Überschusses an Elektrolytlösung befindet sich bereits ein geringer Teil 27 der Elektrolytlösung außerhalb des Elektrodenwickels. Wie in Figur 1a) gezeigt, beträgt die Konzentration des Leitsalzes 1 mol/l. Die Anode 2 weist dabei einen ersten Randbereich 2A und einen zweiten Randbereich 2C an den jeweiligen Polen der Lithium-Ionen Speicherzelle auf, die einen in der Mitte befindlichen mittleren Bereich der Anode 2B flankieren (Pole nicht in den Figuren 1a) bis 1 e) gezeigt). Analog dazu weist die Kathode 3 einen ersten Randbereich der Kathode 3A und einen zweiten Randbereich der Kathode 3C auf, die einen mittleren Bereich der Kathode 3B flankieren. Die jeweiligen Randbereiche und die mittleren Bereiche erstrecken sich dabei entlang einer Längsachse 7 der Stromspeicherzelle 1. Vor Beginn des Ladevorgangs beträgt die Konzentration des Lithium-Leitsalzes 1 mol/l in allen Bereichen der Elektroden des Elektrodenwickels und in dem Teil 27 der Elektrolytlösung, der sich außerhalb des Elektrodenwickels befindet. Eine Distanz 26 senkrecht zur Längsachse 7 zwischen der Anode 2 und der Kathode 3 über Separatorschicht 4 hinweg, beträgt normalerweise wenige 100 pm, beispielsweise 200 pm. Im Gegensatz dazu erstrecken sich Anode 2, die Kathode 3 und der Separator 4 entlang der Längsachse 7 über eine größere Strecke 25, die in der Regel zumindest einige Zentimeter beträgt, beispielsweise mindestens 3 cm. Figures 1a) to 1e) show schematic cross-sectional drawings of exemplary concentrations of the conducting salt in the electrolyte solution in the pore volumes of the anode 2 and the pore volumes of the cathode 3 of an electrode coil of a conventional lithium-ion power storage cell prior to charging at a state of charge of 0%. Anode 2 and the cathode 3 are separated from each other by a separator layer 4. An excess of electrolyte solution with a conducting salt was introduced into the lithium-ion power storage cell compared to the available pore volume of the anode, the cathode, and the separator layer, so that the volume factor f v is above the volume factor set according to the invention at a value of 1.08. Due to the excess of electrolyte solution, a small portion 27 of the electrolyte solution is already located outside the electrode coil. As shown in Figure 1a), the concentration of the conducting salt is 1 mol/l. The anode 2 has a first edge region 2A and a second edge region 2C at the respective poles of the lithium-ion storage cell, which flank a central region of the anode 2B located in the middle (poles not shown in Figures 1a) to 1e)). Analogously, the cathode 3 has a first edge region of the cathode 3A and a second edge region of the cathode 3C, which flank a central region of the cathode 3B. The respective edge regions and the central regions extend along a longitudinal axis 7 of the power storage cell 1. Before the start of the charging process, the concentration of the lithium conducting salt is 1 mol/l in all regions of the electrodes of the electrode coil and in the part 27 of the electrolyte solution located outside the electrode coil. A distance 26 perpendicular to the longitudinal axis 7 between the anode 2 and the cathode 3 across the separator layer 4 is normally a few hundred pm, for example 200 pm. In contrast, the anode 2, the cathode 3 and the separator 4 extend along the longitudinal axis 7 over a greater distance 25, which is usually at least a few centimeters, for example at least 3 cm.
Während des Schnelllade-Vorgangs, der in Figur 1b) gezeigt ist, kommt es zu einer Ausdehnung des Volumens des elektrochemisch aktiven Anodenmaterials, beispielsweise Graphit, da während des Lade-Vorgangs Lithium in die Anode interkaliert wird. Diese Ausdehnung des Volumens des elektrochemisch aktiven Anodenmaterials führt zu einer Verringerung des Porenvolumens in der Anode, so dass in den Poren der Anode befindliche Elektrolytlösung aus der Anode 2 verdrängt wird, wie durch die Pfeile 5 angedeutet. Da an der Anode Li+ aus der Elektrolytlösung in die Anode aufgenommen wird, ist die dort befindliche Elektrolytlösung an Lithium-Leitsalz abgereichert, wobei die Konzentration beispielsweise 0,5 mol/l beträgt, wie in Figur 1b) gezeigt. Wie die Erfinder der vorliegenden Erfindung zeigen konnten, ist daher die aus der Anode verdrängte Elektrolytlösung 6 ebenfalls an Lithium-Leitsalz abgereichert und weist eine Konzentration von beispielsweise 0,5 mol/l auf. Insbesondere kann die an Lithium-Leitsalz abgereicherte Elektrolytlösung an beiden Enden aus dem Elektrodenwickel aus der Anode 2 verdrängt werden, so dass sich an beiden Enden des Elektrodenwickels verdrängte Elektrolytlösung 6 außerhalb des Elektrodenwickels sammelt. Im Gegensatz dazu werden an der Kathode 3 Lithium-Ionen aus dem elektrochemisch aktiven Kathodenmaterial freigesetzt, sodass es zu einer erhöhten Konzentration von Lithium-Leitsalz in der Elektrolytlösung benachbart zur Kathode kommt. Die Konzentration an Lithium-Leitsalz dort beträgt beispielsweise 1 ,5 mol/l. Da die Permeabilität für die Elektrolytlösung entlang der Längsachse 7 für die Anode größer ist als für die Kathode und da sich in erster Linie die Porenvolumina der Poren in der Anode verringern, wird an Lithium-Leitsalz abgereicherte Elektrolytlösung 6 überwiegend aus der Anode verdrängt. During the fast charging process, which is shown in Figure 1b), the volume of the electrochemically active anode material, such as graphite, expands, as lithium is intercalated into the anode during the charging process. This expansion of the volume of the electrochemically active anode material leads to a Reduction of the pore volume in the anode, so that electrolyte solution located in the pores of the anode is displaced from the anode 2, as indicated by the arrows 5. Since Li + is absorbed from the electrolyte solution into the anode at the anode, the electrolyte solution located there is depleted in lithium conducting salt, with the concentration being, for example, 0.5 mol/l, as shown in Figure 1b). As the inventors of the present invention were able to show, the electrolyte solution 6 displaced from the anode is therefore also depleted in lithium conducting salt and has a concentration of, for example, 0.5 mol/l. In particular, the electrolyte solution depleted in lithium conducting salt can be displaced from the anode 2 at both ends of the electrode coil, so that electrolyte solution 6 displaced at both ends of the electrode coil collects outside the electrode coil. In contrast, at the cathode 3, lithium ions are released from the electrochemically active cathode material, resulting in an increased concentration of lithium conducting salt in the electrolyte solution adjacent to the cathode. The concentration of lithium conducting salt there is, for example, 1.5 mol/l. Since the permeability of the electrolyte solution along the longitudinal axis 7 is greater for the anode than for the cathode, and since the pore volumes of the pores in the anode primarily decrease, electrolyte solution 6 depleted of lithium conducting salt is predominantly displaced from the anode.
Figur 1c) zeigt den Elektrodenwickel mit der Anode 2 und der Kathode 3 nach Beendigung des in Figur 1b) gezeigten Ladevorgangs und nach mindestens einstündiger Rast bei einem Ladezustand von 100 %. Die Konzentration an Lithium-Leitsalz in der Anode 2 und in der Kathode 3 hat sich über die geringe Distanz 26 zwischen der Anode und Kathode durch Diffusion wieder angeglichen und ist gegenüber der ursprünglichen Lithium-Leitsalz Konzentration leicht erhöht und liegt beispielsweise bei 1 ,1 mol/l. Im Gegensatz dazu ist die Konzentration an Lithium-Leitsalz in der aus dem Elektrodenwickel verdrängten Elektrolytlösung 6, wie in Figur 1b) beschrieben, gegenüber der ursprünglichen Leitsalz- Konzentration erniedrigt und beträgt beispielsweise ungefähr 0,5 mol/l. Figure 1c) shows the electrode coil with the anode 2 and the cathode 3 after completion of the charging process shown in Figure 1b) and after a rest period of at least one hour at a charge state of 100%. The concentration of lithium conducting salt in the anode 2 and in the cathode 3 has equalized again over the short distance 26 between the anode and cathode through diffusion and is slightly higher than the original lithium conducting salt concentration and is, for example, 1.1 mol/l. In contrast, the concentration of lithium conducting salt in the electrolyte solution 6 displaced from the electrode coil, as described in Figure 1b), is lower than the original conducting salt concentration and is, for example, approximately 0.5 mol/l.
Figur 1d) zeigt den Entladevorgang der Lithium-Ionen Stromspeicherzelle nach der in Figur 1c) gezeigten Rast. Während des Entladevorgangs laufen im Vergleich zum Ladevorgang umgekehrte Prozesse ab. Insbesondere gibt die Anode 2 Li+ ab, so dass sich die Konzentration an Lithium-Leitsalz benachbart zur Anode 2 erhöht, während Li+ aus der Elektrolytlösung an der Kathode 3 in die Kathode übernommen wird, so dass sich benachbart zur Kathode 3 die Lithium-Leitsalz Konzentration erniedrigt. Da sich während des Entlade-Vorgangs das Volumen des elektrochemisch aktiven Anodenmaterials verringert und sich somit das Porenvolumen der Anode erhöht, kann während des Entladens gleichzeitig außerhalb des Elektrodenwickels befindlicher Elektrolyt 6 in die Anode 2 gezogen werden, wie durch die Pfeile 8 angedeutet. Da dieser, sich außerhalb des Elektrodenwickels befindliche Elektrolyt 6 nur eine geringe Lithium-Leitsalz Konzentration aufweist, kommt es zur Ausbildung von Bereichen mit unterschiedlicher Lithium-Leitsalz Konzentration entlang der Längsachse 7 über die Distanz 25 hinweg. Beispielsweise kann die Lithium-Leitsalz Konzentration im ersten Randbereich 2A und im zweiten Randbereich 2B der Anode 1,2 mol/l betragen, während sie im mittleren Bereich 2C der Anode 2 bei 1,5 mol/l liegt. Figure 1d) shows the discharge process of the lithium-ion power storage cell after the rest period shown in Figure 1c). During the discharge process, the reverse processes occur compared to the charge process. In particular, the anode 2 releases Li + , so that the concentration of lithium conducting salt adjacent to the anode 2 increases, while Li + is absorbed from the electrolyte solution at the cathode 3 into the cathode, so that the lithium conducting salt concentration adjacent to the cathode 3 decreases. Since the volume of the electrochemically active anode material decreases during the discharge process and thus the pore volume of the anode increases, electrolyte 6 located outside the electrode coil can be drawn into the anode 2 during the discharge process. as indicated by the arrows 8. Since this electrolyte 6, located outside the electrode coil, has only a low lithium conducting salt concentration, regions with different lithium conducting salt concentrations form along the longitudinal axis 7 over the distance 25. For example, the lithium conducting salt concentration in the first edge region 2A and in the second edge region 2B of the anode can be 1.2 mol/l, while in the central region 2C of the anode 2 it is 1.5 mol/l.
Abbildung 1e) zeigt die entladene Lithium-Ionen Stromspeicherzelle nach mindestens 1 Stunde Rast bei einem Ladezustand von 0 %. Aufgrund der geringen Distanz 26 zwischen Anode und Kathode hat sich die unterschiedliche Lithium-Leitsalz Konzentration horizontal zur Längsachse 7 durch Diffusion angeglichen. Aufgrund der wesentlich größeren Distanz 25 besteht aber ein Leitsalz Gradient entlang der Längsachse 7, wobei die ersten und zweiten Randbereiche der Anode 2 und der Kathode 3 jeweils geringere Leitsalz Konzentrationen von beispielsweise 0,85 mol/l aufweisen, während die mittleren Bereiche der Anode und der Kathode erhöhte Leitsalz-Konzentrationen von beispielsweise 1,15 mol/l aufweisen. Abhängig von der Größe der Distanz 25 kann sich der entlang der Längsachse 7 aufgebaute Konzentrations-Gradient an Leitsalz erst nach vielen Tagen oder bei größeren Distanzen von 6 oder 9 cm, wie sie bei größeren Rundzellen vorhanden sind, erst innerhalb von Monaten durch Diffusion angleichen. Die ungeladene Lithium-Ionen Stromspeicherzelle der Figur 1e) wird danach im normalen Betrieb wieder einem Ladevorgang, beispielsweise einem Schnelllade-Vorgang, wie in Figur 1b) gezeigt, unterzogen. Dadurch baut sich mit zunehmender Anzahl von Lade- und Entlade-Zyklen ein zunehmender Gradient an Leitsalz- Konzentration entlang der Längsachse 7 in der herkömmlichen Stromspeicherzelle auf. Dieser zunehmende Gradient an Leitsalz- Konzentration führt zu einer beschleunigten Alterung der Stromspeicherzelle und kann insbesondere auch zum Lithium-plating führen.Figure 1e) shows the discharged lithium-ion power storage cell after at least 1 hour of rest at a state of charge of 0%. Due to the short distance 26 between the anode and cathode, the different lithium conducting salt concentrations horizontally to the longitudinal axis 7 have equalized by diffusion. However, due to the significantly greater distance 25, a conducting salt gradient exists along the longitudinal axis 7, with the first and second edge regions of the anode 2 and the cathode 3 each having lower conducting salt concentrations of, for example, 0.85 mol/l, while the central regions of the anode and cathode have increased conducting salt concentrations of, for example, 1.15 mol/l. Depending on the size of the distance 25, the conducting salt concentration gradient built up along the longitudinal axis 7 may only equalize by diffusion after many days or, at greater distances of 6 or 9 cm, as is the case with larger round cells, only within months. The uncharged lithium-ion power storage cell shown in Figure 1e) is then subjected to a charging process during normal operation, for example, a rapid charging process as shown in Figure 1b). As a result, with the increasing number of charge and discharge cycles, an increasing gradient of conducting salt concentration builds up along the longitudinal axis 7 in the conventional power storage cell. This increasing gradient of conducting salt concentration leads to accelerated aging of the power storage cell and can, in particular, also lead to lithium plating.
Erfindungsgemäß kann durch gezielte Einstellung des Volumenfaktors fv die Menge an aus dem Elektrodenwickel verdrängten Elektrolyt 6 gegenüber der herkömmlichen Stromspeicherzelle reduziert bzw. eine Verdrängung der Elektrolytlösung aus dem Elektrodenwickel vollständig verhindert werden. Erfindungsgemäß wird dabei zur Berechnung des Volumenfaktors von der Summe der Volumina der Poren in der Anode, der Volumina der Poren in der Kathode und der Volumina der Poren im Separator bei einem Ladezustand von 75 % bis 100 % ausgegangen. Bei einem derartigen Bereich des Ladezustandes ist das für die Elektrolytlösung zur Verfügung stehende Porenvolumen in der Anode wesentlich kleiner als das zur Verfügung stehende Porenvolumen in der Anode im ungeladenen Zustand im Ladezustand 0 %. Aufgrund dieser Berechnung kann daher besonders zuverlässig eine Verdrängung der Elektrolytlösung aus dem Elektrodenwickel bei hohen Ladezuständen der Stromspeicherzelle vermindert, bzw. verhindert werden. Figur 2 zeigt einen Graphen mit den experimentell ermittelten Lithium-Leitsalz Konzentrationen entlang der Längsachse einer Lithium-Ionen Stromspeicherzelle in der Anode von herkömmlichen Stromspeicherzellen mit einem nicht eingestellten Volumenfaktor fv und erfindungsgemäßen Stromspeicherzellen mit einem entsprechend eingestellten Volumenfaktor fv nach etwa 130 Lade- und Entlade-Zyklen. Die beiden Graphen 10 und 11 zeigen die sich nur wenig unterscheidenden Konzentrationen des Leitsalzes in der Elektrolytlösung einer erfindungsgemäßen Stromspeicherzelle, bei der der Volumenfaktor fv entsprechend auf einen Wert zwischen 0,9 und 1,05 eingestellt wurde. Im Gegensatz dazu zeigen die beiden Graphen 12 und 13 stark unterschiedliche Elektrolytkonzentrationen in herkömmlichen Stromspeicherzellen, bei denen der jeweilige Volumenfaktor fv oberhalb des erfindungsgemäß eingestellten Bereiches liegt. Die mit 14, bzw. mit dem Bezugszeichen 16 versehenen Werte für die Graphen 10, 11,12 und 13 zeigen jeweils die Leitsalz- Konzentrationen im ersten und im zweiten Randbereich der Anode, während die mit dem Bezugszeichen 15 versehenen Werte die Lithium-Leitsalz Konzentrationen im mittleren Bereich der jeweiligen Anoden zeigen. According to the invention, by specifically adjusting the volume factor f v , the amount of electrolyte 6 displaced from the electrode coil can be reduced compared to the conventional power storage cell, or displacement of the electrolyte solution from the electrode coil can be completely prevented. According to the invention, the volume factor is calculated using the sum of the volumes of the pores in the anode, the volumes of the pores in the cathode, and the volumes of the pores in the separator at a state of charge of 75% to 100%. In such a state of charge range, the pore volume in the anode available for the electrolyte solution is significantly smaller than the pore volume available in the anode in the uncharged state at a state of charge of 0%. Due to this calculation, displacement of the electrolyte solution from the electrode coil at high states of charge of the power storage cell can therefore be particularly reliably reduced or prevented. Figure 2 shows a graph with the experimentally determined lithium conducting salt concentrations along the longitudinal axis of a lithium-ion power storage cell in the anode of conventional power storage cells with an unadjusted volume factor f v and power storage cells according to the invention with a correspondingly adjusted volume factor f v after approximately 130 charge and discharge cycles. The two graphs 10 and 11 show the only slightly differing concentrations of the conducting salt in the electrolyte solution of a power storage cell according to the invention, in which the volume factor f v was correspondingly adjusted to a value between 0.9 and 1.05. In contrast, the two graphs 12 and 13 show greatly different electrolyte concentrations in conventional power storage cells, in which the respective volume factor f v lies above the range adjusted according to the invention. The values for graphs 10, 11, 12 and 13 marked with 14 and with reference number 16 respectively show the conductive salt concentrations in the first and second edge region of the anode, while the values marked with reference number 15 show the lithium conductive salt concentrations in the middle region of the respective anodes.
Figur 3 zeigt in einem Graphen 17 den modellierten Verlauf der Lithium-Ionen Leitsalz Konzentration in einem Randbereich einer Anode einer herkömmlichen Stromspeicherzelle über einen Verlauf von 60 Stunden mit einer Vielzahl von Lade- und Entlade-Zyklen. Zu Beginn der Lade- und Entlade-Zyklen zeigt der Bereich des Graphen 17A einen anfänglichen Abfall der Lithium-Leitsalz-Konzentration während des Ladens der Stromspeicherzelle und anschließend eine rapide Zunahme der Lithium-Leitsalz-Konzentration in der Anode während des Entladens der Stromspeicherzelle. Dabei kann beobachtet werden, dass mit jedem Lade- und Entlade-Zyklus die Konzentration des Lithium-Leitsalzes im Randbereich der Anode sukzessive von einer Konzentration von über 1000 mol/m3 auf unter 200 mol/m3 abnimmt. Eine derartige Abnahme der Lithium-Leitsalz Konzentration über eine Abfolge von vielen Lade- und Entlade-Zyklen kann durch eine erfindungsgemäße Einstellung des Volumenfaktors fv vermindert, bzw. verhindert werden. Figure 3 shows, in graph 17, the modeled course of the lithium-ion conducting salt concentration in an edge region of an anode of a conventional power storage cell over a period of 60 hours with a large number of charge and discharge cycles. At the beginning of the charge and discharge cycles, the area of graph 17A shows an initial decrease in the lithium conducting salt concentration during charging of the power storage cell and a subsequent rapid increase in the lithium conducting salt concentration in the anode during discharging of the power storage cell. It can be observed that with each charge and discharge cycle, the concentration of the lithium conducting salt in the edge region of the anode gradually decreases from a concentration of over 1000 mol/ m³ to below 200 mol/ m³ . Such a decrease in the lithium conducting salt concentration over a sequence of many charging and discharging cycles can be reduced or prevented by adjusting the volume factor f v according to the invention.
Die Figuren 4a) und 4b) zeigen Fotografien von Anoden 2 von einer herkömmlichen Lithium- Ionen Stromspeicherzelle (Figur 4a) und einer erfindungsgemäßen Lithium-Ionen Stromspeicherzelle (Figur 4b), bei der erfindungsgemäß der Volumenfaktor fv eingestellt wurde. Bei der Anode 2 der herkömmlichen Stromspeicherzelle mit einem Volumenfaktor von 1 ,08 ist eine dunkle Schicht in den Randbereichen 2A, 2C zu erkennen, die auf Lithium-plating zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu zeigt die Anode 2 in der erfindungsgemäßen Stromspeicherzelle mit einem Volumenfaktor von 1 der Figur 4b) kein Lithium-plating. Figures 4a) and 4b) show photographs of anodes 2 of a conventional lithium-ion power storage cell (Figure 4a) and a lithium-ion power storage cell according to the invention (Figure 4b), in which the volume factor f v was adjusted according to the invention. In the anode 2 of the conventional power storage cell with a volume factor of 1.08, a dark layer can be seen in the edge regions 2A, 2C, which is attributable to lithium plating. In contrast, the anode 2 in the power storage cell according to the invention with a volume factor of 1 in Figure 4b) shows no lithium plating.
Figur 5 zeigt schematisch im Querschnitt eine herkömmliche Lithium-Ionen Speicherzelle 1 mit einem Gehäuse 20, das die Anoden 2 und die Kathoden 3 des Elektrodenwickels umlaufend um den Umfang herum kontaktiert. Im Zentrum des Elektrodenwickels befindet sich ein Mandrell 24. Zwischen den Anoden 2 und den Kathoden 3 ist die Separatorschicht 4 angeordnet. Aufgrund des mechanisch festen Gehäuses 20 kann sich der Elektrodenwickel während des Ladens der Speicherzelle 1 nicht senkrecht zur Längsachse 7 ausdehnen. Aufgrund dieser Verspannung des Elektrodenwickels im Gehäuse kommt es dazu, dass Elektrolytlösung 23 mit einer abgereicherten Konzentration an Lithium-Leitsalz aus dem Elektrodenstapel, insbesondere aus den Randbereichen der Anoden heraus verdrängt wird und sich oberhalb und unterhalb des Elektrodenstapels sammelt. Die Lithium-Ionen Speicherzelle 1 weist weiterhin noch Pole 21 und 22 auf, die jeweils von dem Stromkollektorfolien 18 der Anoden 2 oder den Stromkollektorfolien 19 der Kathoden 3 elektrisch leitend kontaktiert wird. Figure 5 shows schematically in cross section a conventional lithium-ion storage cell 1 with a housing 20 which contains the anodes 2 and the cathodes 3 of the electrode winding contacted all the way around the circumference. In the center of the electrode coil is a mandrel 24. The separator layer 4 is arranged between the anodes 2 and the cathodes 3. Due to the mechanically rigid housing 20, the electrode coil cannot expand perpendicular to the longitudinal axis 7 during charging of the storage cell 1. Due to this tension of the electrode coil in the housing, electrolyte solution 23 with a depleted concentration of lithium conducting salt is displaced from the electrode stack, in particular from the edge regions of the anodes, and collects above and below the electrode stack. The lithium-ion storage cell 1 also has poles 21 and 22, which are each electrically contacted by the current collector foils 18 of the anodes 2 or the current collector foils 19 of the cathodes 3.
Figur 6 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine abgerollte Anode 2 oder Kathode 3 nach dem Öffnen einer Stromspeicherzelle. Die abgerollte Anode 2 kann eine Länge von bis zu 2,5 m in dem Elektrodenwickel der Stromspeicherzelle aufweisen. Figur 6 zeigt dabei auch die Distanz 25 über die sich der erste Randbereich 2A, der zweite Randbereich 2C und der dazwischen befindliche mittlere Bereich 2B der Anode 2 erstrecken. Die Breite der Anode 2, die Distanz 25 kann insbesondere ungefähr 8 cm betragen. Um ortsaufgelöst entlang der Distanz 25 die unterschiedlichen Konzentrationen des Leitsalzes, beispielsweise LiPFe zu ermitteln können jeweils runde Proben 30A aus dem ersten Randbereich 2A, sowie runde Proben 30B aus dem mittleren Bereich 2B und runde Proben 30C der Anode aus dem zweiten Randbereich 2C ausgestanzt werden. Die Proben 30A, 30B und 30C weisen jeweils die gleiche Fläche auf. Aus diesen Proben kann jeweils das Lösungsmittel der Elektrolytlösung, beispielsweise Ethylencarbonat mittels Flüssigchromatographie/ Massenspektrometrie (LC-MS) ermittelt werden. Weiterhin können aus den Proben auch die Mengen an Leitsalz mittels lonen-Chromatographie ermittelt werden. Figure 6 shows a schematic plan view of an unrolled anode 2 or cathode 3 after opening a power storage cell. The unrolled anode 2 can have a length of up to 2.5 m in the electrode coil of the power storage cell. Figure 6 also shows the distance 25 over which the first edge region 2A, the second edge region 2C, and the central region 2B of the anode 2 located therebetween extend. The width of the anode 2, the distance 25, can in particular be approximately 8 cm. In order to determine the different concentrations of the conductive salt, for example LiPFe, with spatial resolution along the distance 25, round samples 30A can be punched out from the first edge region 2A, as well as round samples 30B from the central region 2B, and round samples 30C of the anode from the second edge region 2C. The samples 30A, 30B, and 30C each have the same area. The solvent in the electrolyte solution, for example, ethylene carbonate, can be determined from these samples using liquid chromatography/mass spectrometry (LC-MS). Furthermore, the amounts of conductive salt can also be determined from the samples using ion chromatography.
Zur ortsaufgelösten Bestimmung der Leitsalz-Menge in dem Elektrodenwickel wird die Zelle nach Zyklisierung auf ihre untere Abschaltspannung entladen und für einen Tag ruhen gelassen. Dann wird die Zelle in einer Argon-gefüllten Glovebox geöffnet, der Elektrodenwickel entnommen und bis ca. zur Hälfe abgerollt. Danach wurde mit einer Lochstanze (Durchmesser z.B. 12 mm) runde Elektrodenproben (genannt „Coins“) entnommen. Es werden Coins in den äußeren Bereichen im ersten und zweiten Randbereich mit einem Abstand zum Rand der Elektrodenbeschichtung von ca. 1 bis 2 mm und in der Mitte der Elektrodenbeschichtung im mittleren Bereich entnommen. Es werden 15 Coins pro Bereich entnommen und diese jeweils zusammen in vorher getrocknete Glasgefäße gegeben. Prinzipiell kann sowohl in Anode als auch in Kathode gesampelt werden, ein Sampling in der Kathode ist aber zu bevorzugen da keine Verfälschung des Ergebnisses durch SEI Bildung zu erwarten ist. Zu den Coins wird dann jeweils 5 mL getrocknetes Dimethylcarbonat (DMC) oder Acetonitril (ACN) als Extraktionsmittel gegeben und die Glasgefäße fest verschlossen. Die Coins werden mindestens 16 Stunden in dem Extraktionsmittel belassen, idealerweise auf einer Shakerplatte, um eine vollständige Extraktion des Leitsalzes zu gewährleisten. Danach wird im Extraktionsmittel die Konzentration an Leitsalz bestimmt. Dabei wird der Mittelwert der für die 15 individuellen Coins ermittelten Konzentrationen an Leitsalz genommen. Für den relativen Vergleich der Leitsalz-Mengen in den verschiedenen Positionen kann das Ergebnis der lonenchromatographie direkt in Verhältnis gesetzt werden. For the spatially resolved determination of the amount of conducting salt in the electrode coil, the cell is discharged to its lower cutoff voltage after cycling and left to rest for one day. The cell is then opened in an argon-filled glove box, the electrode coil is removed, and unrolled approximately halfway. Round electrode samples (called "coins") are then taken using a hole punch (e.g., 12 mm in diameter). Coins are taken from the outer areas in the first and second edge regions, at a distance of approximately 1 to 2 mm from the edge of the electrode coating, and from the center of the electrode coating in the central region. 15 coins are taken per region and each of these is placed together in previously dried glass containers. In principle, sampling can be performed in both the anode and the cathode, but sampling in the cathode is preferable as it avoids falsifying the results. due to SEI formation. 5 mL of dried dimethyl carbonate (DMC) or acetonitrile (ACN) is then added to each coin as the extraction agent, and the glass vials are tightly closed. The coins are left in the extraction agent for at least 16 hours, ideally on a shaker plate, to ensure complete extraction of the conducting salt. The conducting salt concentration in the extraction agent is then determined. The mean value of the conducting salt concentrations determined for the 15 individual coins is taken. For a relative comparison of the conducting salt amounts in the various positions, the ion chromatography results can be directly compared.
Figur 7 zeigt eine CT-Aufnahme eines Bereichs innerhalb des Gehäuses einer herkömmlichen Stromspeicherzelle mit einem Volumenfaktor von 1 ,08 außerhalb des Elektrodenwickels bei einem Ladezustand von 100%. Die CT-Aufnahmen wurden mit einer Labor CT Anlage von General Electric aufgenommen. Es wird ein horizontaler Schnitt durch den Bereich direkt unterhalb der Elektroden gelegt, in dem sich noch überstehender Separator und überstehende Kupfer-Folie als Stromkollektorfolie befindet. Die horizontalen Schnitte durch die Zelle können insbesondere entlang der Linien 31 A und 31 B, wie in Figur 5 gezeigt, gelegt werden. Im Bildbearbeitungsprogramm wird mittels Grauwertmodifikation die Elektrolytlösung optisch hervorgehoben; Materialien höherer Röntgen-Absorptionsfähigkeit (z.B. Stahl oder Aktivmaterial) werden in den Figuren 7 und 8 dunkler, Materialen niedrigerer Röntgen-Absorptionsfähigkeit (z.B. Gas) werden heller dargestellt. So kann ein Bild-Kontrast erzeugt werden, der die Elektrolytlösung 23 außerhalb des Elektrodenwickels innerhalb des überstehenden Separators zeigt. CT-Aufnahmen können damit besonders einfach das Vorhandensein von Elektrolytlösung nachweisen. Mittels Auswertung mit optischer Integration kann auch das Volumen der Elektrolytlösung außerhalb des Elektrodenwickels bestimmt werden. Figure 7 shows a CT image of an area within the housing of a conventional energy storage cell with a volume factor of 1.08 outside the electrode coil at a state of charge of 100%. The CT images were acquired using a laboratory CT system from General Electric. A horizontal section is taken through the area directly beneath the electrodes, in which the protruding separator and protruding copper foil serving as the current collector foil are still located. The horizontal sections through the cell can be placed, in particular, along lines 31A and 31B, as shown in Figure 5. In the image processing program, the electrolyte solution is optically highlighted using grayscale modification; materials with higher X-ray absorption capacity (e.g., steel or active material) are shown darker in Figures 7 and 8, while materials with lower X-ray absorption capacity (e.g., gas) are shown lighter. This creates an image contrast that shows the electrolyte solution 23 outside the electrode coil within the protruding separator. CT scans can thus easily detect the presence of electrolyte solution. Using optical integration analysis, the volume of electrolyte solution outside the electrode coil can also be determined.
Die CT-Aufnahme der Figur 8 zeigt einen horizontalen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Stromspeicherzelle mit einem Volumenfaktor von 0,93 bei einem Ladezustand von 100%. Im Gegensatz zu der herkömmlichen Stromspeicherzelle der Figur 7 kann dort keine außerhalb des Elektrodenwickels befindliche Elektrolytlösung nachgewiesen werden. The CT image in Figure 8 shows a horizontal section through a power storage cell according to the invention with a volume factor of 0.93 at a state of charge of 100%. In contrast to the conventional power storage cell in Figure 7, no electrolyte solution outside the electrode coil can be detected.
Ausführungsbeispiel: Example:
Es wurden zwei verschiedene Lithium-Ionen Stromspeicher Zellen des Typs 4695 mit einem Durchmesser von 4,6 cm und einer Länge (entlang der Längsachse) von 9,5 cm mit einem zylinderförmigen Gehäuse gebaut. Das elektrochemisch aktive Anodenmaterial bestand aus einer Mischung aus Graphit und Silizium, wobei der Gewichtsanteil an Silicium an dem Anodenaktivmaterial weniger als 10 Gewichtsprozent betrug. Das elektrochemisch aktive Kathodenmaterial bestand aus einem typischen Nickel-Kobalt-Mangan-Schichtoxid mit einem Nickel-Anteil von größer 85 Atom Prozent. Als Stromkollektorfolie für die Anode wurde eine Kupferfolie verwendet, wobei die Dicke der Beschichtung mit dem elektrochemisch aktiven Anodenmaterial 70 pm betrug. Als Stromkollektorfolie für die Kathode wurde eine Aluminiumfolie verwendet, wobei die Dicke der Beschichtung für die Kathode 50 pm betrug. Sowohl die Stromkollektorfolie der Anode als auch die Stromkollektorfolie der Kathode wurden beide einseitig beschichtet. Der Separator besteht aus einem Polymer und enthält eine keramische Beschichtung. Die Porosität der Anode bei einem Ladezustand von 0 % betrug 25 % und die Porosität für die Kathode betrug 23 % bei einem Ladezustand von 0 % für die bereits formierte Stromspeicherzelle. Die Elektrolytlösung bestand aus Ethylencarbonat mit einem Lithium-Leitsalz LiPFe in einer Konzentration von 1 ,2 mol/l. Beide Stromspeicherzellen haben untere Abschaltspannungen von 2,8 V (Ladezustand 0 %) und obere Abschaltspannungen von 4,2 V (Ladezustand 100 %). Two different lithium-ion energy storage cells of type 4695 with a diameter of 4.6 cm and a length (along the longitudinal axis) of 9.5 cm were constructed with a cylindrical housing. The electrochemically active anode material consisted of a mixture of graphite and silicon, with the weight fraction of silicon in the The active anode material was less than 10 weight percent. The electrochemically active cathode material consisted of a typical nickel-cobalt-manganese layered oxide with a nickel content of greater than 85 atomic percent. A copper foil was used as the current collector foil for the anode, with the thickness of the coating with the electrochemically active anode material being 70 μm. An aluminum foil was used as the current collector foil for the cathode, with the thickness of the coating for the cathode being 50 μm. Both the current collector foil of the anode and the current collector foil of the cathode were coated on one side. The separator is made of a polymer and contains a ceramic coating. The porosity of the anode at a state of charge of 0% was 25%, and the porosity for the cathode was 23% at a state of charge of 0% for the already formed power storage cell. The electrolyte solution consisted of ethylene carbonate with a lithium conducting salt, LiPFe, at a concentration of 1.2 mol/l. Both energy storage cells have lower cutoff voltages of 2.8 V (0% charge level) and upper cutoff voltages of 4.2 V (100% charge level).
Eine der Zellen wurde mit einem Volumenfaktor fv von 0,93 und die andere Zelle mit einem Volumenfaktor fv von 1,08 befüllt. Die Summe der Porenvolumina der Anode, der Kathode des Separators bei einem Ladezustand von 100 % betrug für beide Zellen 34,9 ml. Das bei der Formierung aufgebrauchte Volumen an Elektrolytlösung betrug 2,1 ml. Die Zelle mit einem Volumenfaktor von 0,93 wurde mit 34,5 ml Elektrolytlösung befüllt: (34,5-2, 1)/34, 9 = 0,93. Die Zelle mit einem Volumenfaktor von 1 ,08 wurde mit 39,7 ml Elektrolytlösung befüllt: (39,7-2,1)734,9 = 1,08. One of the cells was filled with a volume factor f v of 0.93 and the other cell with a volume factor f v of 1.08. The sum of the pore volumes of the anode, cathode, and separator at a 100% state of charge was 34.9 ml for both cells. The volume of electrolyte solution used up during formation was 2.1 ml. The cell with a volume factor of 0.93 was filled with 34.5 ml of electrolyte solution: (34.5 - 2.1)/34.9 = 0.93. The cell with a volume factor of 1.08 was filled with 39.7 ml of electrolyte solution: (39.7 - 2.1)/34.9 = 1.08.
Nach der Formierung wurden beide Stromspeicherzellen einem Schnellladetest unterzogen. Der Schnellladetest fand bei einer Testkammer-Temperatur von 35 °C statt. Dabei wurde ein typisches Stufenlade Profil verwendet um die Zellen von einem Ladezustand von 10 % bis 80 % zu laden (Adam et al. „Application of the differential charging voltage analysis to determine the onset of lithium-plating during fast charging of lithium-ion cells“, Journal of Power Sources, Volume 495, 31 May 2021 , 229794). Die Ladezeit lag dabei zwischen 17 und 21 Minuten. 50 % der Zyklen waren Schnellladezyklen, die anderen 50 % der Zyklen waren Normalladezyklen mit einer C-Rate von C/2 und einen SOC-Hub von 10 bis 100 %. Alle entlade Schritte wurden mit einer C-Rate von C/2 durchgeführt. Es wurden insgesamt 130 Zyklen, davon 50 % Schnelllade-Zyklen und 50 % normale Lade-Zyklen durchgeführt.After formation, both energy storage cells were subjected to a fast-charge test. The fast-charge test took place at a test chamber temperature of 35°C. A typical step-charge profile was used to charge the cells from a state of charge of 10% to 80% (Adam et al., “Application of the differential charging voltage analysis to determine the onset of lithium-plating during fast charging of lithium-ion cells,” Journal of Power Sources, Volume 495, 31 May 2021, 229794). The charging time was between 17 and 21 minutes. 50% of the cycles were fast-charge cycles, the other 50% were normal charge cycles with a C-rate of C/2 and an SOC range of 10 to 100%. All discharge steps were performed at a C-rate of C/2. A total of 130 cycles were performed, of which 50% were fast charging cycles and 50% were normal charging cycles.
Nach Beendigung der 130 Zyklen wurden die Stromspeicherzellen in einer Argon-gefüllten Glovebox geöffnet und deren Anoden optisch auf Lithium-plating untersucht. Die Stromspeicherzelle mit einem Volumenfaktor fv von 1 ,08 zeigte deutliches Lithium-plating an beiden Randbereichen (siehe Figur 4a) während die Stromspeicherzelle mit einem Volumenfaktor von 1 keinerlei Lithium-plating zeigte (siehe Figur 4b). Weiterhin wurden die Elektrodenwickel beider Speicherzellen halb abgewickelt und die entsprechenden Kathoden beider Stromspeicherzellen durch Entnahme und Ausstanzen von Proben, wie in Figur 6 gezeigt, mittels lonen-Chromatographie und mittels Flüssigchromatographie (LC-MS) analysiert, wobei die Ergebnisse in Figur 2 gezeigt sind. After completing the 130 cycles, the power storage cells were opened in an argon-filled glove box, and their anodes were visually examined for lithium plating. The power storage cell with a volume factor f v of 1.08 showed significant lithium plating at both edges (see Figure 4a), while the power storage cell with a volume factor of 1 showed no lithium plating at all (see Figure 4b). Furthermore, the electrode coils of both storage cells were half unwound and the corresponding cathodes of both current storage cells were analyzed by ion chromatography and liquid chromatography-MS by taking and punching out samples as shown in Figure 6, with the results shown in Figure 2.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. The invention is not limited by the description based on the exemplary embodiments. Rather, the invention encompasses any novel feature and any combination of features, including in particular any combination of features in the patent claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.
Claims
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