用于填充電化學電池的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于為形狀和尺寸靈活的電化學蓄能器，如蓄電池(所謂的“袋裝電池(Pouch-Zellen)”)受控地填充可能腐蝕性的電解質(zhì)液體(下面也簡單地稱為“電解液”)的方法，該電解質(zhì)液體以有機溶劑為基礎，該方法沒有電解質(zhì)液體污染膜袋或者工作環(huán)境的風險并且沒有在膜袋的內(nèi)部殘留氣泡的風險。相對于現(xiàn)有技術的方法，該方法提供了重要的優(yōu)點。特別是可以設定受控的壓力條件并且使用密閉地分離的隔間，以便實現(xiàn)對袋裝電池的電池體的不用強制性輸送裝置的填充。在本發(fā)明的特殊的實施方式中，蓄能器設計用于在此利用穿孔的電極薄膜來改善電解質(zhì)容納。
[0002]因此，本發(fā)明涉及在生產(chǎn)如蓄電池的電化學蓄能器的方法鏈中的工藝步驟。這涉及以下方法步驟，其中，在已經(jīng)完全構(gòu)造好的電池中填充電解質(zhì)液體，以便電化學地激活電池并進而在陽極和陰極之間實現(xiàn)離子傳輸。
【背景技術】
[0003]以鋰子技術為基礎的如鋰蓄電池、鋰電池或者鋰超級電容(后者是所謂的超級電容器的常用稱謂，多數(shù)為具有高功率的雙層電容器)的電化學蓄能器從九十年代開始逐漸成為了市場主流的電化學存儲技術、特別是在耗電器應用中。高壽命下的高能量密度以及良好的負載能力都是其重要的優(yōu)點。在耗電器應用中需要具有在幾瓦時直至幾十瓦時范圍內(nèi)的較小的蓄能量的電池。然而，對具有直至若干100瓦時的蓄能量的電池的需求強烈上升，這由于對例如用于電池驅(qū)動的電動汽車的大型蓄能系統(tǒng)的強烈上升的興趣或者在中間存儲由可再生能源產(chǎn)生的電能時而導致。大型電池的生產(chǎn)提出了對制造技術的新要求。鋰蓄能電池的構(gòu)造能夠以不同的技術變體來實現(xiàn)。
[0004]最暢銷的鋰電池分為鋰離子蓄電池和鋰(離子)聚合物蓄電池。
[0005]鋰離子電池由陽極和陰極的電極薄膜構(gòu)成，二者通過分離器分開并且安裝在剛性的金屬殼體中。具有陽極或者陰極特性的活性層作為薄層沉積在通常閉合的金屬薄膜上并且對于電池構(gòu)建而言作為半成品存在。電極本身由活性顆粒的聯(lián)合體構(gòu)成，為了改善導電能力，該活性顆粒通常添加有導電炭黑。顆粒通過基于合成材料的粘合劑保持在一起。在此，其例如能夠是具有或者不具有共聚物的不同鏈長的聚偏氟乙烯。水溶性粘合劑也越來越多地應用于例如由苯乙烯丁二烯橡膠和羧甲基纖維素的混合物中。已知的陽極材料例如是石墨、非晶形碳材料、硅、鈦酸鋰或者鋅化合物。作為陰極材料特別地使用鋰鈷氧化物、鋰鎳鈷鋁氧化物、鋰鎳鈷錳氧化物、磷酸鋰錳、磷酸鋰鐵、磷酸鋰鈷、磷酸鋰錳或者鋰釩五氧化物(Lithiumvanadiumpentoxid)。其他的陽極和陰極材料對于本領域技術人員來說是已知的。分離器是電絕緣的薄層，例如聚合物膜，其特征在于高度的多微孔性并且可以具有陶瓷組分，該組分改善了利用電解質(zhì)的潤濕和分離器中的離子導電能力。電池中的必要的離子導電能力通過將精確計量的液態(tài)電解質(zhì)數(shù)量添加到電池堆疊或者由陽極薄膜、陰極薄膜和分離器構(gòu)成的卷中實現(xiàn)。電解質(zhì)典型地涉及鋰鹽(所謂的導電鹽)，其溶解在有機溶劑中或者兩種或多種溶劑的混合物中。有機溶劑優(yōu)選地涉及例如碳酸乙烯酯、碳酸丙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯或者碳酸甲乙酯的碳酸酯或者丁內(nèi)酯。眾多其他溶劑對于本領域技術人員來說是已知的。作為導電鹽使用六氟磷酸鋰、高氯酸鋰、四氟硼酸鋰或者雙草酸硼酸鋰。在此，其他的鋰鹽對于本領域技術人員來說也是已知的。電解質(zhì)必須穿透過整個電池體。這通過在生產(chǎn)電極薄膜時通過工藝導引實現(xiàn)的多微孔性來實現(xiàn)，分離器同樣必須具有多微孔性。液態(tài)電解質(zhì)通過毛細力吸入到如此獲得的微孔中。電解質(zhì)在整個薄膜組合體中的良好且均勻的分布對于鋰電池的功能必然是必需的。
[0006]鋰離子聚合物電池根據(jù)相同的基本原理制造。然而，殼體不是剛性的金屬殼體，而是通常涂覆有合成材料的金屬薄膜，例如鋁化合物薄膜，其經(jīng)常也以概念“袋薄膜”來描述。因此，對于該技術變體而言也使用袋裝技術或者咖啡包技術的概念。
[0007]為了在應用薄膜殼體時將液態(tài)電解質(zhì)固定在聚合物電池中，在電極制造時經(jīng)常使用粘合劑，其與液態(tài)電解質(zhì)的溶劑完全地或者直至一定程度地膠結(jié)并進而粘合電解質(zhì)。對于該技術變體而言，液態(tài)電解質(zhì)的均勻分布對于電池的功能也是重要的。
[0008]電池或者構(gòu)造為棱形電池或者圓柱電池。棱形電池具有矩形的外形。特殊的袋裝電池通常具有棱形的輪廓。棱形電池的優(yōu)點在于，能夠改善導熱，因為電池體積與電池表面積的比例有利于散熱。因此，具有高蓄能量的特別大型的電池通常設計成棱形袋裝電池。在圓柱形電池中，電極薄膜和分離器薄膜以卷繞的輪廓存在。
[0009]以袋裝技術制造電池能夠以堆疊或卷繞技術來實現(xiàn)。在卷繞技術中，三個薄膜(陽極薄膜、分離器薄膜、陰極薄膜)以這樣的長度來纏繞，即達到電池的目標容量。當然，在此必須考慮，即內(nèi)繞組的外電極薄膜和外繞組的內(nèi)電極薄膜通過不導電的材料彼此分離。
[0010]在堆疊技術中，以必要的順序上下重疊地放置如此多的薄膜片，直至達到該目標容量為止。當然，在此也適用對通過不導電材料分離陽極薄膜和陰極薄膜的要求。通過一個或者多個分離器分離的陽極薄膜和陰極薄膜與放電片或者另外的放電件焊接或者以特定的方式連接，以便能夠由此實現(xiàn)將電流從待密閉地閉合的電池中導出。這種配置有放電片或者類似物的堆疊在后續(xù)的制造方法中利用袋裝膜包(也被形容為袋)來封閉并且裝填電解質(zhì)。通常，電解質(zhì)的良好情況是令人懷疑的并且對于微弱的潮濕跡象就已經(jīng)很敏感了。通常，典型所應用的溶劑具有高的蒸汽壓力。袋薄膜的特征在于，其必須一方面對于腐蝕性的鹽是惰性的并且另一方面相對于侵蝕性的有機溶劑是惰性的并且能夠借助熱壓粘合法來焊接。在制造蓄電池時，密閉地閉合袋裝袋代表了對工藝技術的高要求，因為典型所應用的袋薄膜是彎折敏感的、易受到防腐蝕的合成材料層的損傷并且在薄膜的切斷邊緣處是沒有腐蝕保護的。然而，滿足這些要求的商業(yè)產(chǎn)品是能夠購買到的。
[0011]在常見的制造方法中，電池體典型地利用放電片定向在袋薄膜封裝之間并且通過三側(cè)的封印來準備用于電解質(zhì)填充。最后的一側(cè)在電解質(zhì)填充之后通過后續(xù)的封印步驟來閉合。
[0012]該方法具有一系列未充分解決的問題，尤其是在為袋裝袋填充電解質(zhì)的步驟期間，由此能夠持續(xù)地消極影響蓄電池的工作能力、長壽命性和安全性。
[0013]在引入電解質(zhì)液體時的問題例如在DE 102009057155A1中進行了描述。S卩，在此能夠產(chǎn)生遺撒(Verschl印pung)或者液滴，其引起了電解質(zhì)液體對電池表面的不期望的污染。例如與空氣或者濕氣結(jié)合時能夠在電池的金屬表面的一部分上產(chǎn)生腐蝕性的化合物。由此損害了電池的耐久性，而且既損害了周期強度(zykelfestigkeit)和也損害了按日歷的使用壽命。因此應當抑制這類污染。此外，在袋裝電池中，應當避免電解質(zhì)液體與在外套體中的、通常在如上所述的膜袋中的隨后的封印接縫的區(qū)域相接觸，因為否則不能確保可靠且持久的密封。對電解質(zhì)液體的簡單的擦除和清洗是不夠的，因為電解質(zhì)液體通常由于毛細作用而已經(jīng)能夠滲入到所污染的組件的不能觸及的區(qū)域中了。
[0014]WO 03/005464 A2描述了一種技術裝置，其開啟了通過填充接頭來填充已經(jīng)三側(cè)閉合的電池。在此描述了通過強制引導電解質(zhì)定量給料的降低了污染的填充，該定量給料借助輸送泵來進行。該填充裝置具有用于回收電解質(zhì)和抽吸溢出的液滴量的裝置。
[0015]DE 10 2009 057 155 Al實現(xiàn)了該技術的進一步發(fā)展。在該申請中重要的是，用于電解質(zhì)定量給料的填充管軸向地由能調(diào)節(jié)的空心管圍繞。由此應當進一步降低了在電解質(zhì)定量給料時對電池周圍環(huán)境的污染。
[0016]現(xiàn)代蓄電池通常利用閉合的金屬薄膜作為電池薄膜基底來制造并且設計成大型的(這導致了大容量電池)，因為如此則在構(gòu)造和將電池集成到相應的應用中時產(chǎn)生了優(yōu)點。盡管如此也必須確保，電解質(zhì)在填充電池時順暢且可靠地滲入到電解質(zhì)薄膜堆疊中并且完全地穿透和潤濕該堆疊。電解質(zhì)在此必須滲入到層的毛細孔中，對此，在出于成本原因而通常優(yōu)選地應用閉合的放電薄膜時僅僅能夠使用小的滲入橫截面和待克服的長的擴散路徑，見圖3。此外，存在于毛細孔中的氣體(通常是保護氣體)必須擠出。盡管通過毛細作用力有利于使電解質(zhì)滲入到層中，但是當電解質(zhì)僅僅能夠通過小的滲入橫截面擴散到電池體中且此外分離器緊密與電極薄膜相連(例如通過層的有機組件的層壓)時，這種擠壓作用很小。
[0017]此時出現(xiàn)的困難導致了對所謂的真空電解質(zhì)填充方法的研發(fā)，該方法在技術上全部基本上類似地構(gòu)造。為此，在隔離的大氣環(huán)境(例如手套式操作箱環(huán)境(Glovebox-Umgebung))中在保護氣體環(huán)境下在能抽真空的腔室中提供一個或者多個部分閉合的、例如三側(cè)閉合的預制的電池，并且電解質(zhì)液體利用如WO 03/005464 A2或者DE 102009 057155 Al中示出的填充裝置在電池的上邊緣(頂端側(cè))處灌入到電池中。在此