EP2504877A1 - Vorrichtung für elektrolyt-austausch bei energiespeichern - Google Patents

Vorrichtung für elektrolyt-austausch bei energiespeichern

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EP2504877A1
EP2504877A1 EP10757106A EP10757106A EP2504877A1 EP 2504877 A1 EP2504877 A1 EP 2504877A1 EP 10757106 A EP10757106 A EP 10757106A EP 10757106 A EP10757106 A EP 10757106A EP 2504877 A1 EP2504877 A1 EP 2504877A1
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EP
European Patent Office
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battery cell
electrolyte
lithium
metering device
discharge
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Withdrawn
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EP10757106A
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English (en)
French (fr)
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Martin Tenzer
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention it is proposed to provide a battery cell or a composite of battery cells of an energy store, in particular a lithium-ion battery, as is currently increasingly used in the motor vehicle sector, with a metering device.
  • a faster, safer and more efficient exchange of the electrolyte of a battery cell can be achieved.
  • the spent electrolyte which still has a low content of free lithium Having ions and thus has a poor conductivity are removed from the battery cell. Furthermore, the spent electrolyte contains unwanted by-products that can exert negative influences on the capacity of the battery cell.
  • the capacity of the battery cell can be raised by a new, unused electrolyte again almost to the initial level of a new battery cell.
  • By refilling electrolyte-depleted battery cells their capacity can be increased again and the internal resistance can be reduced many times over.
  • the newly introduced into the battery cell electrolyte contributes to increase the safety of the battery cell, since on the one hand minimizes the risk of the formation of metallic lithium and on the other by the renewal of the electrolyte contains no unwanted decomposition products or their concentration within the battery cell many times lower.
  • the battery cell can be adapted by filling with new electrolyte and to changing requirements. In this case it must be ensured that it is no longer the originally filled, ie the originally used, electrolyte liquid that is filled in, but also a modified electrolyte is used which is adapted to the corresponding requirements.
  • a variation of the requirements may for example be given by the fact that the battery cell is to be used in a particularly high or particularly low temperature range, or the temperature limits have shifted.
  • the figure shows a sectional view through a cylindrically shaped battery cell with E lektrolyt dosing at the bottom of the battery cell.
  • the figure shows a section through a cylindrically shaped battery cell, in particular a lithium-ion cell with an electrolyte metering device, which is provided at the bottom of the battery cell.
  • a battery cell 10 in particular a lithium-ion battery cell 10, by a wall 18, a bottom 12 and a ceiling-shaped cover 32 is limited.
  • the components mentioned enclose a space 16 in which an electrolyte 20 is accommodated.
  • the space 16 is the electrodes and the electrolyte 20 comprehensive winding of the battery.
  • a tubular insert 14 extends, which is fixed on the one hand in the ceiling-shaped cover 32 and on the other hand in the bottom 12 of the battery cell 10.
  • the insert 14 is a mandrel around which the electrode coil is wound in the manufacture of the battery cell.
  • the battery pack of the battery is accommodated, comprising anode, cathode and separator.
  • the components of the electrode coil comprising anode, cathode and separator are separated with the liquid electrolyte 20.
  • passivation layers may be formed on the surfaces of the anode and cathode.
  • the illustration according to the drawing shows that a metering device 22 is arranged in the bottom region 12.
  • the metering device 22 serves for a single or multiple replacement of the electrolyte 20.
  • the metering device 22 comprises an electrically or manually operable valve 24 which opens or closes a discharge / introduction line 26.
  • the metering device 22 comprises an electrically or manually operable valve 24 which opens or closes a discharge / introduction line 26.
  • An emptying or refilling of the space 16 of the battery cell 10, in particular a lithium-ion battery cell, as outlined above, can take place several times.
  • the replacement of the electrolyte 20 can be completed and less impurities of the old spent electrolyte 20 remain.
  • the repeated rinsing with fresh, unused electrolyte 20 can also partially remove cover layers or passivation layers which have formed in the space 16 due to the parasitic side reactions or decomposition reactions of the old, consumed electrolyte. This reduces i.a. the internal resistance of the battery cell 10 proposed according to the invention, in particular the lithium-ion battery cell 10, so that the life of the same can be decisively reduced.
  • the space 16 and the battery cell 10 can be fully cleaned by targeted discharge of impurities and byproducts several times.
  • the inventively proposed device and the inventively proposed method for replacing an electrolyte 20 of a battery cell, in particular a lithium-ion battery cell 10 by replacing the electrolyte 20 in the unopened state of the battery cell 10 by means of a metering device 22, the spent electrolyte 20, the only still a low content of free lithium Thium ions and thus has a poor conductivity, are removed from the interior, ie the space of the battery cell 10.
  • the performance of the battery cell 10 can be raised by the new electrolyte 20 again almost to the initial level of a battery cell 10 when new.
  • the capacity is increased by refilling the previously emptied space 16 with an electrolyte and the internal resistance is significantly reduced.
  • a battery cell 10 by filling with a new, unused electrolyte 20 can also be adapted to changing requirements.
  • the originally originally filled electrolyte liquid is no longer introduced, but rather a modified electrolyte electrolyte 20 deviating from its composition, which is adapted to corresponding requirements.
  • a lithium-ion battery cell 10 whose space 16 is filled with an electrolyte 20, which is adapted to a particularly high or low temperature range.
  • a composite of a plurality of interconnected battery cells 10, in particular formed as lithium-ion battery cells 10, are flushed when the metering devices 22 of each battery cell 10 to be purged are interconnected and old, spent electrolyte 20 together with impurities from several battery cells 10 can be renewed simultaneously.
  • This can be advantageously and economically also a large battery system, which includes a plurality of battery cells 10, in particular lithium-ion battery cells 10, flush with a similar effort as a single battery cell 10 and the contained, spent electrolyte 20 below Avoid opening of the respective battery cell 10 or reach the battery cells 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (10) und ein Verfahren zum Austausch eines Elektrolyten (20) einer Batteriezelle (10). Bei der Batteriezelle (10) handelt es sich insbesondere um eine Litium-Ionen-Batteriezelle. Diese ist durch eine Wand (18), einen Boden (12) und einen Deckel (32) begrenzt. Die Batteriezelle (10) weist eine Dosiereinrichtung (22) zum Austausch eines Elektrolyten (20) auf.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung für Elektrolyt-Austausch bei Energiespeichern Stand der Technik
Bei Energiespeichersystemen wie zum Beispiel heute mehr und mehr im Kraftfahrzeugbereich eingesetzten wie Lithium-Ionen-Batterien, stellt der in den Batteriezellen des Energiespeichers bevorratete Elektrolyt in Bezug auf seine Lebensdauer, seine Leistungsfähigkeit und die Sicherheit den Engpass derzeitiger Batterietypen dar. Wesentliche Alterungsmechanismen des Elektrolyten gehen auf dessen Veränderung zurück. Der Elektrolyt ändert sich zum Beispiel innerhalb der Batteriezelle, dadurch dass dieser zur Deckschichtbildung neigt und parasitäre Nebenreaktionen, die an sich unerwünscht sind, auftreten, die jedoch gleichermaßen die freien Lithium-Ionen konsumie- ren. Dadurch sinkt einerseits die verfügbare Kapazität der Batteriezelle bzw. mehrerer
Batteriezellen. Zum anderen steigt der Innenwiderstand der jeweiligen Batteriezelle an, wodurch wiederum deren Leistungsfähigkeit vermindert wird. Die Zersetzungsprodukte des Elektrolyten sowie die sich bei den parasitär ablaufenden Nebenreaktionen ergebenden Reaktionsprodukte stellen zudem auch ein Sicherheitsrisiko für die Batteriezel- le dar, wenn diese beispielsweise eine geringere Siedetemperatur aufweisen sollten, als der in der Batteriezelle des Energiespeichers enthaltene Elektrolyt selbst.
Darstellung der Erfindung Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Batteriezelle oder einen Verbund von Batteriezellen eines Energiespeichers, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, wie sie derzeit vermehrt im Kfz-Bereich eingesetzt wird, mit einer Dosiereinrichtung zu versehen. Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosiereinrichtung lässt sich ein schneller, sicherer und effizienter ablaufender Austausch des Elektrolyten einer Batte- riezelle erreichen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann zum einen der verbrauchte Elektrolyt, der noch einen niedrigen Gehalt an freiem Lithium- Ionen aufweist und somit eine schlechte Leitfähigkeit besitzt, aus der Batteriezelle entfernt werden. Des Weiteren enthält der verbrauchte Elektrolyt unerwünschte Nebenprodukte, die negative Einflüsse auf die Kapazität der Batteriezelle ausüben können. Zum anderen kann die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle durch einen neuen, unverbrauchten Elektrolyten wieder nahezu auf das anfängliche Niveau einer neuen Batteriezelle angehoben werden. Durch das Wiederbefüllen von elektrolytentleerten Batteriezellen kann deren Kapazität wieder erhöht werden und der Innenwiderstand um ein vielfaches verringert werden. Des Weiteren trägt der neu in die Batteriezelle eingebrachte Elektrolyt zur Erhöhung der Sicherheit der Batteriezelle bei, da dieser zum einen die Gefahr der Bildung von metallischem Lithium minimiert und zum anderen durch die Erneuerung des Elektrolyten keine unerwünschten Zersetzungsprodukte mehr enthält bzw. deren Konzentration innerhalb der Batteriezelle um ein Vielfaches herabsetzt.
Darüber hinaus kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erreicht werden, dass die Batteriezelle durch Befüllen mit neuem Elektrolyten auch an geänderte Anforderungen angepasst werden kann. Für diesen Fall ist sicherzustellen, dass nicht mehr die ursprünglich eingefüllte, d.h. die originär verwendete Elektrolytflüssigkeit eingefüllt wird, sondern auch ein modifizierter Elektrolyt eingesetzt wird, der an die entsprechenden Anforderungen angepasst ist. Eine Variation der Anforderungen kann zum Beispiel dadurch gegeben sein, dass die Batteriezelle in einem besonders hohen oder besonders tiefen Temperaturbereich eingesetzt werden soll, beziehungsweise sich die Temperaturgrenzen verschoben haben.
Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben:
Die Figur zeigt ein Schnittbild durch eine zylindrisch ausgebildete Batteriezelle mit E- lektrolyt-Dosiereinrichtung am Boden der Batteriezelle.
Ausführungsvarianten
Die Figur zeigt einen Schnitt durch eine zylindrisch ausgebildete Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle mit einer Elektrolyt-Dosiereinrichtung, die am Boden der Batteriezelle vorgesehen ist.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist eine Batteriezelle 10, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle 10, durch eine Wand 18, einen Boden 12 und eine deckeiförmige Abdeckung 32 begrenzt. Die genannten Komponenten umschließen einen Raum 16, in dem ein Elektrolyt 20 aufgenommen ist. In dem Raum 16 befindet sich der Elektroden sowie den Elektrolyt 20 umfassende Wickel der Batterie. Aus der Darstellung gemäß der Zeichnung geht hervor, dass sich durch den Raum 16 in vertikaler Richtung orientiert, ein rohrförmiger Einsatz 14 erstreckt, der einerseits in der deckeiförmigen Abdeckung 32 und andererseits im Boden 12 der Batteriezelle 10 fixiert ist. Der Einsatz 14 ist ein Dorn, um den der Elektrodenwickel bei der Herstellung der Batteriezelle gewickelt wird.
Innerhalb des Raumes 16 ist der Batteriewickel der Batterie aufgenommen, umfassend Anode, Kathode und Separator.
Die Komponenten des Elektrodenwickels, Anode, Kathode und Separator umfassend, sind mit dem flüssigen Elektrolyten 20 getrennt. Gegebenenfalls können Passivie- rungsschichten an den Oberflächen von Anode und Kathode ausgebildet sein.
Der Darstellung gemäß der Zeichnung ist zu entnehmen, dass im Bodenbereich 12 eine Dosiereinrichtung 22 angeordnet ist. Die Dosiereinrichtung 22 dient einem ein- oder mehrfachen Austausch des Elektrolyten 20. Dazu umfasst die Dosiereinrichtung 22 ein elektrisch oder manuell betätigbares Ventil 24, welches eine Austrags-/Eintragsleitung 26 öffnet bzw. verschließt. So kann im Falle eines Anlegens eines Unterdruckes an der Austrags-/Eintragsleitung 26 der Elektrolyt 20 aus dem Raum 16 der Batteriezelle 10 abgesaugt werden.
Nach vollständiger Entleerung des Raums 16 kann dieser ebenfalls über die Austrags- /Eintragsleitung 26 wieder mit einem frischen, unverbrauchten Elektrolyten befüllt werden. Dieser wird durch Anlegen eines Überdruckes und Öffnen des Ventils 24 über den rohrförmigen Einsatz 14 im Raum 16 der Batteriezelle 10 eingetragen.
Ein gemäß des oben stehend skizzierten Entleerens bzw. Wiederbefüllens des Raums 16 der Batteriezelle 10, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, kann mehrfach erfolgen.
Durch ein mehrmaliges Wiederholen der oben stehend skizzierten Prozedur kann der Austausch des Elektrolyten 20 vollständig durchgeführt werden und es bleiben weniger Verunreinigungen bzw. Nebenkomponenten des alten, verbrauchten Elektrolyten 20 zurück. Darüber hinaus können durch das mehrmalige Spülen mit frischem, unverbrauchtem Elektrolyten 20 auch Deckschichten bzw. Passivierungsschichten, die sich aufgrund der parasitären Nebenreaktionen bzw. Zersetzungsreaktionen des alten, verbrauchten Elektrolyten im Raum 16 gebildet haben, teilweise abgetragen werden. Dies verringert u.a. den Innenwiderstand der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Batteriezelle 10, insbesondere der Lithium-Ionen-Batteriezelle 10, so dass die Lebensdauer derselben entscheidend verringert werden kann. Des Weiteren lässt sich durch ein gezielt mehrfach erfolgendes Austragen von Verunreinigungen und Nebenprodukten auch dem Raum 16 und der Batteriezelle 10 dessen vollständige Reinigung erreichen.
Es ist denkbar, den Spülprozess sowie die gleichzeitige Erneuerung des Elektrolyten 20 als regelmäßige Wartung einer Batteriezelle 10, insbesondere einer Lithium-Ionen- Batteriezelle 10, durchzuführen. Dadurch kann die Lebensdauer der Batteriezelle 10, insbesondere ausgebildet als Lithium-Ionen-Batteriezelle 10, entscheidend, d.h. um ein Vielfaches gesteigert werden.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung und das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zum Austausch eines Elektrolyten 20 einer Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle 10, durch Austausch des Elektrolyten 20 im ungeöffneten Zustand der Batteriezelle 10 mittels einer Dosiereinrichtung 22 kann der verbrauchte Elektrolyt 20, der nur noch einen niedrigen Gehalt an freien Li- thium-lonen und somit eine schlechte Leitfähigkeit aufweist, aus dem Inneren, d.h. dem Raum der Batteriezelle 10, entfernt werden. Zum anderen kann die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle 10 durch den neuen Elektrolyten 20 wieder nahezu auf das anfängliche Niveau einer Batteriezelle 10 im Neuzustand angehoben werden. Die Kapazität wird durch Wiederbefüllung des zuvor entleerten Raumes 16 mit einem Elektrolyten erhöht und der Innenwiderstand entscheidend verringert. Der neue Elektrolyt 20, d.h. der in Wiederbefüllrichtung 30 durch die Austrags-/Eintragsleitung 26 in den Raum 16 eingeleitete frische Elektrolyt, trägt auch zur Erhöhung der Sicherheit der Batteriezelle 10 bzw. mehrerer miteinander verbundener Batteriezellen 10 bei, da er zum einen die Gefahr der Bildung von metallischem Lithium minimiert und zum anderen durch die Erneuerung des Elektrolyten 20 keine unerwünschten Zersetzungsprodukte mehr enthält, da dieser vorher bei mehrfachen Spülgängen, beispielsweise aus dem Raum ausgetragen wurde.
Des Weiteren kann neben den oben stehend genannten Vorteilen durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eine Batteriezelle 10 durch Befüllung mit einem neuen, unverbrauchten Elektrolyten 20 auch an geänderte Anforderungen angepasst werden. In diesem Falle wird nicht mehr die ursprünglich originär eingefüllte Elektrolytflüssigkeit eingeführt, sondern eine, von deren Zusammensetzung abweichende, modifizierte Elektrolytflüssigkeit 20, die an entsprechende Anforderungen angepasst ist. So kann zum Beispiel nach Entleerung des Raumes 16 der Batteriezelle 10, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle 10, deren Raum 16 mit einem Elektrolyt 20 befüllt werden, der an einen besonders hohen oder tiefen Temperaturbereich angepasst ist.
In Weiterbildung der vorstehend skizzierten erfindungsgemäßen Lösung kann auch ein Verbund von mehreren miteinander verbundenen Batteriezellen 10, insbesondere ausgebildet als Lithium-Ionen-Batteriezellen 10, gespült werden, wenn die Dosiereinrichtungen 22 einer jeden zu spülenden Batteriezelle 10 miteinander verbunden sind und alter, verbrauchter Elektrolyt 20 samt Verunreinigungen aus mehreren Batteriezellen 10 gleichzeitig erneuert werden kann. Dadurch lässt sich in vorteilhafter und ökonomischer Weise auch ein großes Batteriesystem, welches eine Vielzahl von Batteriezellen 10, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen 10, umfasst, mit einem ähnlich geringem Aufwand wie eine einzelne Batteriezelle 10 spülen bzw. der enthaltene, verbrauchte Elektrolyt 20 unter Vermeidung eines Öffnens der jeweiligen Batteriezelle 10 oder der Batteriezellen 10 erreichen.

Claims

Ansprüche
1 . Batteriezelle (10), insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, die durch eine Wand (18) und einen Boden (12) begrenzt ist und durch einen Deckel (32) verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (10) eine Dosiereinrichtung (22) zum Austausch eines Elektrolyten (20) aufweist.
2. Batteriezelle (10) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (22) am Boden (12) der Batteriezelle (10) angeschlossen ist.
3. Batteriezelle (10) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (22) eine Austrags-/Eintragsleitung (26) für den Elektrolyten (20) um- fasst.
4. Batteriezelle (10) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrags- ZEintragsleitung (26) für den Elektrolyten (20) ein Abstellventil (24) umfasst.
5. Batteriezelle (10) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstellventil (24) manuell und/oder elektrisch betätigbar ist.
6. Verfahren zum Austausch eines Elektrolyten (20) einer Batteriezelle (10), insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, dadurch gekennzeichnet, dass der Austausch des Elektrolyten (20) im ungeöffneten Zustand der Batteriezelle (10) durch eine Dosiereinrichtung (22) erfolgt.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (20) durch Anlegen eines Unterdruckes an einer Austrags-/Eintragsleitung (26) aus der Batteriezelle (10) abgesaugt wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein unverbrauchter, neuer Elektrolyt (20) durch Anlegen eines Überdrucks an der Austrags- ZEintragsleitung (26) in die Batteriezelle (10) eingeleitet wird.
9. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Austausch des E- lektrolyten (20) mehrmals hintereinander im Rahmen eines Spülzykluses erfolgt.
10. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch mehrfaches Spülen der Batteriezelle (10) mit neuem, unverbrauchten Elektrolyten (20) Deckschichten und Passivierungsschichten aus einem Raum (16) der Batteriezelle (10) teilweise oder vollständig ausgetragen werden.
1 1 . Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtungen (22) mehrerer Batteriezellen (10) miteinander verbunden werden und Elektrolyt (20) mehrerer Batteriezellen (10) gleichzeitig ausgetauscht wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülprozess sowie die gleichzeitige Erneuerung des Elektrolyten (20) als regelmäßige Wartung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) durchgeführt wird.
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