DE102007023896A1 - Electrochemical energy storage and method for its operation - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher (1), mindestens eine Zelle (3) mit mindestens einer Kathode (7), einer Anode (5) und einem Elektrolyten (17), der einen Stromfluss von der Anode (5) zur Kathode (7) ermöglicht. Der elektrochemische Energiespeicher (1) umfasst weiterhin mindestens zwei Vorratsbehälter (11) zur Aufnahme jeweils eines Elektrolyten oder mindestens einen Vorratsbehälter (11) zur Aufnahme mindestens eines Bestandteils eines Elektrolyten (17), wobei die Vorratsbehälter (11) zur Aufnahme verschiedener Elektrolyten (17) oder verschiedener Bestandteile des Elektrolyten für unterschiedliche Betriebszustände vorgesehen sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichers (1), wobei abhängig vom Betriebszustand mindestens ein Bestandteil des Elektrolyten (17) aus der Zelle (3) entfernt wird, in die Zelle (3) zugegeben oder ausgetauscht wird.The invention relates to an electrochemical energy store (1), at least one cell (3) having at least one cathode (7), an anode (5) and an electrolyte (17), which conducts current from the anode (5) to the cathode (7). allows. The electrochemical energy store (1) further comprises at least two storage containers (11) for receiving in each case an electrolyte or at least one storage container (11) for receiving at least one constituent of an electrolyte (17), the storage containers (11) receiving different electrolytes (17). or different components of the electrolyte are provided for different operating conditions. The invention further relates to a method for operating an electrochemical energy store (1), wherein, depending on the operating state, at least one constituent of the electrolyte (17) is removed from the cell (3), added or exchanged into the cell (3).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichers.The The invention relates to an electrochemical energy store according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for the operation of an electrochemical energy store.
Um hohe Energiedichten zu erzielen, werden derzeit Lithium-Ionen-Akkumulatoren eingesetzt. Diese besitzen als Hochenergieakkus Energiedichten bis ungefähr 200 Ah/kg. Als Hochleistungsakkus werden Energiedichten bis 100 Ah/kg erreicht.Around To achieve high energy densities, are currently lithium-ion batteries used. These have energy densities up to high energy batteries approximately 200 Ah / kg. As high-performance batteries energy densities up to 100 Ah / kg reached.
Der Temperaturbereich, in dem Lithium-Ionen-Akkumulatoren effektiv und sicher arbeiten, ist begrenzt. Dieser liegt im Allgemeinen im Bereich zwischen –10°C und 50°C. Dieser Temperaturbereich ist jedoch insbesondere für Anwendungen in Elektro- und Hybridfahrzeugen nicht ausreichend. Ein Fahrzeug muss auch bei tiefen Temperaturen, zum Beispiel nach langen Standzeiten im Winter oder bei hohen Temperaturen, zum Beispiel im Sommer nach langen Standzeiten auf erhitzten Asphalt, sicher und zuverlässig betrieben werden können. Aus diesem Grund ist es gewünscht, Akkumulatoren bereitzustellen, die in einem Temperaturbereich von –30°C bis +80°C sicher und zuverlässig betrieben werden können.Of the Temperature range in which lithium-ion batteries are effective and working safely is limited. This is generally in the range between -10 ° C and 50 ° C. This Temperature range, however, is especially for applications in electrical and Hybrid vehicles are not enough. A vehicle must also be at low Temperatures, for example, after long periods in winter or at high temperatures, for example in the summer after long periods of use on heated asphalt, safe and reliable operation. Out For this reason, it is desired To provide accumulators that are safe in a temperature range of -30 ° C to + 80 ° C and reliable can be operated.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Ein erfindungsgemäß ausgebildeter elektrochemischer Energiespeicher umfasst mindestens eine Zelle mit mindestens einer Kathode, einer Anode und einem Elektrolyten, welcher einen Stromfluss von der Anode zur Kathode ermöglicht. Der elektrochemische Energiespeicher umfasst weiterhin mindestens zwei Vorratskammern zur Aufnahme jeweils eines Elektrolyten oder mindestens einen Vorratsbehälter zur Aufnahme eines Bestandteils eines Elektrolyten, wobei die Vorratskammern zur Aufnahme verschiedener Elektrolyten oder verschiedener Basisbestandteile des Elektrolyten für unterschiedliche Betriebszustände vorgesehen sind.One formed according to the invention electrochemical energy storage comprises at least one cell with at least one cathode, an anode and an electrolyte, which allows a flow of current from the anode to the cathode. The electrochemical energy store further comprises at least two pantries for receiving in each case an electrolyte or at least one storage container for containing a component of an electrolyte, wherein the storage chambers for holding different electrolytes or different basic components of the electrolyte for different operating states are provided.
Da für die Temperaturgrenze, innerhalb derer ein elektrochemischer Energiespeicher betätigt werden kann, im wesentlichen der Elektrolyt verantwortlich ist, kann in Abhängigkeit von der Formulierung des Elektrolyten der elektrochemische Energiespeicher jeweils in bestimmten Temperaturbereichen betrieben werden. Sobald die Temperatur außerhalb der Grenzen für den jeweiligen Elektrolyten liegt, sinkt die Leistung des elektrochemischen Energiespeichers signifikant und es kann zudem zu schädlichen Nebenreaktionen kommen, die die Lebensdauer des elektrochemischen Energiespeichers verkürzen. Durch die erfindungsgemäße Lösung, bei der mindestens zwei Vorratsbehälter zur Aufnahme jeweils eines Elektrolyten vorgesehen sind, ist es auf einfache Weise möglich, den Elektrolyten in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur des elektrochemischen Energiespeichers einzusetzen. So ist es einerseits möglich, wenn die Vorratsbehälter jeweils einen Elektrolyten enthalten, zunächst den im Energiespeicher enthaltenen Elektrolyten in einen der Vorratsspeicher abzupumpen und anschließend den Energiespeicher mit einem anderen Elektrolyten aus einem zweiten Vorratsbehälter zu befüllen. Wenn der Vorratsbehälter nur einen Bestandteil des Elektrolyten enthält, so wird dieser Bestandteil entsprechend der Temperatur, bei der der elektrochemische Energiespeicher betrieben wird, zugegeben oder entfernt.There for the Temperature limit, within which an electrochemical energy storage be operated can, in essence, the electrolyte is responsible, in dependence from the formulation of the electrolyte of the electrochemical energy storage each operated in certain temperature ranges. As soon as the temperature outside the Limits for is the respective electrolyte, the performance of the electrochemical decreases Energy storage significantly and it can also be harmful Side reactions come, which increase the life of the electrochemical Shorten energy storage. By the inventive solution, in the at least two reservoir It is intended to accommodate each of an electrolyte easily possible, the electrolyte in dependence from the operating temperature of the electrochemical energy store use. So it is on the one hand possible if the reservoir each contain an electrolyte, first in the energy storage Pumped electrolyte contained in one of the storage tanks and subsequently the energy store with another electrolyte from a second reservoir to fill. If the reservoir contains only a part of the electrolyte, then this component becomes according to the temperature at which the electrochemical energy storage is operated, added or removed.
Durch den erfindungsgemäß ausgebildeten elektrochemischen Energiespeicher lässt sich dieser immer mit dem für die derzeitigen Temperaturbedingungen optimalen Elektrolytengemisch betreiben. So ist es zum Beispiel auch möglich, den elektrochemischen Energiespeicher innerhalb des von der Automobilindustrie geforderten Temperaturbereiches von –30°C bis +80°C mit bestmöglicher Leistung zu betrieben. Schädliche Nebenreaktionen, die zum Beispiel bei einem Betrieb des Energiespeichers außerhalb der für den Elektrolyt vorgesehenen Temperaturen auftreten können, werden minimiert. Hierdurch wird auch die Lebensdauer des elektrochemischen Energiespeichers erhöht. Zusätzlich werden auch sicherheitskritische Situationen, zum Beispiel der so genannte „Thermal Runaway" der Batterie, der zum Beispiel zu Feuererscheinungen oder Explosionen führen kann, unwahrscheinlicher. Dass heißt, die Batterie wird aufgrund der temperaturangepassten Elektrolytzusammensetzung sicherer.By the inventively designed electrochemical Energy storage leaves this always with the for the current temperature conditions optimal electrolyte mixture operate. So it is also possible, for example, the electrochemical Energy storage within the required by the automotive industry Temperature range from -30 ° C to + 80 ° C with the best possible Power to operate. harmful Side reactions, for example, when operating the energy storage outside the for the electrolyte temperatures may occur minimized. This will also the life of the electrochemical energy storage elevated. additionally Safety-critical situations, such as the so-called "Thermal Runaway "battery, which can lead to fires or explosions, for example, unlikely. That means, the battery is due to the temperature-matched electrolyte composition safer.
Um den Elektrolyten aus dem Energiespeicher in einen Vorratsbehälter abpumpen zu können bzw. aus einem Vorratsbehälter in den Energiespeicher zu fördern, sind die Vorratsbehälter jeweils vorzugsweise über eine Pumpe mit der Zelle verbunden.Around pump the electrolyte from the energy store into a storage container to be able to from a storage container to promote in the energy store, are the reservoirs each preferably over a pump connected to the cell.
Damit der im Vorratsbehälter enthaltene Elektrolyt oder die im Vorratsbehälter enthaltenen Bestandteile des Elektrolyten nicht in die Zellen fließen können, wenn dies unerwünscht ist, sind die Vorratsbehälter in einer bevorzugten Ausführungsform über eine Verteil- und Schließvorrichtung mit den Zellen verbunden. Die Verteil- und Schließvorrichtung umfasst zum Beispiel Ventile, mit denen die Vorratsbehälter gegenüber der Zelle verschließbar sind. Alternativ ist es auch möglich, dass die Verteil- und Schließvorrichtung zum Beispiel selektive Membranen umfasst, mit denen die Vorratsbehälter gegenüber der Zelle verschließbar sind. Insbesondere wenn die Vorratsbehälter Bestandteile des Elektrolyten enthalten, umfasst die Verteil- und Schließeinrichtung vorzugsweise selektive Membranen, mit denen die Vorratsbehälter verschließbar sind. Die Membranen sind dabei so ausgewählt, dass diese jeweils nur den im Vorratsbehälter enthaltenen Bestandteil passieren lassen. Auf diese Weise ist es auch möglich, dass der Bestandteil aus dem Elektrolyten wieder zurück in den Vorratsbehälter geführt werden kann, wenn die Umgebungsbedingungen dies erfordern. Geeignete Membranen, mit denen sich die Vorratsbehälter verschließen lassen, sind zum Beispiel Piezomembranen.In order that the electrolyte contained in the reservoir or the constituents of the electrolyte contained in the reservoir can not flow into the cells, if this is undesirable, the reservoirs are connected in a preferred embodiment via a distribution and closing device with the cells. The distribution and closing device comprises, for example, valves with which the storage containers can be closed with respect to the cell. Alternatively, it is also possible for the distribution and closing device to comprise, for example, selective membranes with which the storage containers can be closed relative to the cell. In particular, when the reservoir ent components of the electrolyte ent hold, the distribution and closing device preferably comprises selective membranes with which the reservoir can be closed. The membranes are selected so that they each pass only the component contained in the reservoir. In this way, it is also possible that the component can be recycled from the electrolyte back into the reservoir when the ambient conditions so require. Suitable membranes with which the reservoir can be closed are, for example, piezomembranes.
Die Verteil- und Schließvorrichtung, über die die Vorratsbehälter mit der Zelle verbunden sind, ist vorzugsweise an ein Steuerungssystem angeschlossen. Durch Erfassung der Temperatur kann mit Hilfe des Steuerungssystems der Vorratsbehälter freigegeben werden, der den für die entsprechende Umgebungsbedingungen geeigneten Elektrolyten oder den Bestandteil des Elektrolyten enthält, der zugeführt werden muss. Auf diese Weise lasst sich immer der richtige Elektrolyt oder die richtige Zusammensetzung in der Zelle realisieren. Entsprechend lässt sich über das Steuerungssystem vor dem Zuführen eines für die Umgebungsbedingungen passenden Elektrolyten der in der Zelle enthaltene Elektrolyt entfernen. Alternativ ist es auch möglich, Bestandteile, die nicht benötigt werden, wieder aus der Zelle zu entfernen.The Distribution and closing device over which the reservoir connected to the cell is preferably to a control system connected. By detecting the temperature can be determined with the help of Control system of the reservoir be released, the the for the appropriate ambient conditions suitable electrolyte or contains the component of the electrolyte to be supplied got to. That way, you can always get the right electrolyte or to realize the right composition in the cell. Corresponding can be over the Control system before feeding one for the ambient conditions match the electrolyte in the cell remove the electrolyte. Alternatively, it is also possible to not needed to be removed from the cell again.
Um einen Wechsel des Elektrolyten während des laufenden Betriebs des elektrochemischen Energiespeichers zu ermöglichen, zum Beispiel wenn der elektrochemische Energiespeicher in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, während einer Fahrt mit großer Leistungsabrufung, wie dies zum Beispiel bergauf der Fall ist, oder nach einer längeren Standzeit im Winter, wobei ein Tieftemperaturelektrolyt gegen eine Mischung für höhere Temperaturen ausgetauscht werden muss, erfolgt das Zugeben, Entfernen oder Austauschen des mindestens einen Bestandteils des Elektrolyten während des Betriebes nacheinander jeweils für einzelne Zellen. Vorteil dieses Vorgehens ist es, dass keine signifikante Leistungseinbuße eintritt, da nicht für kurze Zeit der gesamte Elektrolyt abgepumpt und anschließend durch einen neuen Elektrolyten ausgetauscht wird.Around a change of the electrolyte during the to allow ongoing operation of the electrochemical energy store, For example, when the electrochemical energy storage in a Motor vehicle is used while a ride with a big one Performance appraisal, as is the case for example uphill, or after a longer one Service life in winter, with a cryogenic electrolyte against a Mix for higher Temperatures must be replaced, adding, removing or replacing the at least one constituent of the electrolyte while of the operation in succession for individual cells. advantage this approach is that there is no significant performance penalty not for that pumped out the entire electrolyte for a short time and then by a new electrolyte is exchanged.
Der Betriebszustand des elektrochemischen Energiespeichers wird vorzugsweise durch die Umgebungstemperatur und die Temperatur in der Zelle des elektrochemischen Energiespeichers bestimmt.Of the Operating state of the electrochemical energy storage is preferably by the ambient temperature and the temperature in the cell of the determined electrochemical energy storage.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der elektrochemische Energiespeicher ein Lithium-Ionen-Akkumulator.In a particularly preferred embodiment the electrochemical energy store is a lithium-ion accumulator.
Besonders bevorzugt als Elektrolyt für den Einsatz bei hohen Temperaturen, d. h. bei Temperaturen im Bereich von –5 bis 80°C, ist ein Elektrolyt, bei dem LiBOB (Lithiumbisoxalatoborat) in Ethylencarbonat gelöst ist und der zusätzlich ein Brandschutzmittel, zum Beispiel Triethylphosphat, enthält.Especially preferably as an electrolyte for the use at high temperatures, d. H. at temperatures in the range of 5 up to 80 ° C, is an electrolyte in which LiBOB (lithium bisoxalatoborate) in ethylene carbonate solved is and in addition a fire retardant, for example triethyl phosphate.
Für den Einsatz bei tiefen Temperaturen, d. h. bei Temperaturen im Bereich von –40 bis 10°C ist das üblicherweise als Lösungsmittel eingesetzte Ethylencarbonat der limitierende Faktor. Das Ethylencarbonat ist insbesondere für den Aufbau der Schutzschicht an den Elektroden notwendig. Wenn die Schutzschicht intakt ist, kann das Ethylencarbonat jedoch für den Betrieb bei tiefen Temperaturen ersetzt werden. Ein Lösungsmittel, das bei tieferen Temperaturen eingesetzt werden kann, benötigt einen niedrigeren Schmelz- und Siedepunkt. Geeignete Lösungsmittel sind zum Beispiel Methylformiat, Diethylcarbonat, Ethylacetat, Methylburyrat, Ethylbutyrat und viele Ester, zum Beispiel Tetrahydrofuran und einige seiner Derivate. Als Salz für den Elektrolyten eignet sich bei tieferen Temperaturen zum Beispiel das derzeit allgemein eingesetzte LiPF6. Ein weiteres, unter Umständen besser geeignetes Leitsalz ist auch LiBF4.For use at low temperatures, ie at temperatures in the range of -40 to 10 ° C, the usually used as a solvent ethylene carbonate is the limiting factor. The ethylene carbonate is necessary in particular for the construction of the protective layer on the electrodes. However, if the protective layer is intact, the ethylene carbonate may be substituted for operation at low temperatures. A solvent that can be used at lower temperatures requires a lower melting and boiling point. Suitable solvents are, for example, methyl formate, diethyl carbonate, ethyl acetate, methylburyrate, ethyl butyrate and many esters, for example tetrahydrofuran and some of its derivatives. As a salt for the electrolyte is suitable at lower temperatures, for example, the currently commonly used LiPF. 6 Another, possibly better suitable conducting salt is also LiBF 4 .
Bevorzugt als Elektrolyt bei niedrigen Temperaturen ist zum Beispiel LiPF6 oder LiBF4, das in Methylformiat oder Diethylcarbonat gelöst ist. Zusätzlich kann der Elektrolyt auch noch einen geringen Anteil an Ethylencarbonat enthalten. Der Anteil an Ethylencarbonat liegt dabei vorzugsweise im Bereich von 0 bis 30 Vol.-%, insbesondere im Bereich von 0 bis 10 Vol.-%.Preferred as the electrolyte at low temperatures is, for example, LiPF 6 or LiBF 4 dissolved in methyl formate or diethyl carbonate. In addition, the electrolyte may also contain a small proportion of ethylene carbonate. The proportion of ethylene carbonate is preferably in the range from 0 to 30% by volume, in particular in the range from 0 to 10% by volume.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description closer explained.
Es zeigen:It demonstrate:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
Ein
elektrochemischer Energiespeicher
Weiterhin
enthält
jede Zelle
Wenn
der elektrochemische Energiespeicher ein Lithium-Ionen-Akkumulator
ist, so ist die Anode
Als
Separator
Als Material für den Separator eignen sich zum Beispiel Polypropylen, Polyethylen, fluorierte Kohlenwasserstoffe, mit Keramik beschichtete Kohlenwasserstoffe, Fiberglas, Materialien auf Basis von Cellulose oder Mischungen aus vorgenannten Materialien. Bevorzugte Materialien für den Separator sind Polyethylen und Polypropylen.When Material for the separator may be, for example, polypropylene, polyethylene, fluorinated hydrocarbons, ceramic-coated hydrocarbons, Fiberglass, materials based on cellulose or mixtures of aforementioned materials. Preferred materials for the separator are polyethylene and polypropylene.
Erfindungsgemäß umfasst
der elektrochemische Energiespeicher
Die
Vorratsbehälter
Die
Vorratsbehälter
Alternativ
ist es auch möglich,
dass der Vorratsbehälter
Wenn
die Vorratsbehälter
Den
limitierende Faktor für
den Einsatz des Elektrolyten bei hohen Temperaturen ist das üblicherweise
eingesetzte Leitsalz LiPF6. Um den elektrochemischen
Energiespeicher
Besonders bevorzugt als Elektrolyt zum Einsatz bei hohen Temperaturen, d. h. bei Temperaturen im Bereich von 50 bis 90°C ist ein Elektrolyt, bei dem LiBOB in Ethylencarbonat gelöst ist, und der zusätzlich ein Brandschutzmittel, zum Beispiel Trimethylphosphat, enthält.Especially preferably as an electrolyte for use at high temperatures, d. H. at temperatures in the range of 50 to 90 ° C is an electrolyte in which LiBOB dissolved in ethylene carbonate is, and in addition a fire retardant, for example trimethyl phosphate.
Für den Einsatz bei tiefen Temperaturen, d. h. bei Temperaturen im Bereich von –40 bis 0°C ist das als Lösungsmittel eingesetzte Ethylencarbonat der limitierende Faktor. Das Ethylencarbonat ist insbesondere für den Aufbau der Schutzschicht an den Elektroden notwendig. Wenn die Schutzschicht intakt ist, kann das Ethylencarbonat jedoch für den Betrieb bei tiefen Temperaturen ersetzt werden. Ein Lösungsmittel, welches bei tieferen Temperaturen eingesetzt werden kann, benötigt einen niedrigen Schmelz- und Siedepunkt. Geeignete Lösungsmittel sind zum Beispiel Methylformiat, Diethylcarbonat, Ethylacetat, Methylbutyrat, Ethylbutyrat und viele Ester, zum Beispiel Tetrahydrofuran und einige seiner Derivate. Als Salz für den Elektrolyten eignet sich bei tiefen Temperaturen zum Beispiel das derzeit allgemein eingesetzte LiPF6. Ein weiteres, unter Umständen besser geeignetes Leitsalz ist auch LiBF4.For use at low temperatures, ie at temperatures in the range from -40 to 0 ° C, the solvent used as ethylene carbonate is the limiting factor. The ethylene carbonate is necessary in particular for the construction of the protective layer on the electrodes. However, if the protective layer is intact, the ethylene carbonate may be substituted for operation at low temperatures. A solvent that can be used at lower temperatures requires a low melting and boiling point. Suitable solvents are, for example, methyl formate, diethyl carbonate, ethyl acetate, methyl butyrate, ethyl butyrate and many esters, for example tetrahydrofuran and some of its derivatives. At low temperatures, for example, the generally used LiPF 6 is suitable as a salt for the electrolyte. Another, possibly better suitable conducting salt is also LiBF 4 .
Bevorzugt als Elektrolyt bei niedrigen Temperaturen ist zum Beispiel LiPF6 oder LiBF4, das in Methylformiat oder Diethylcarbonat gelöst ist. Zusätzlich kann der Elektrolyt auch noch einen geringen Anteil an Ethylencarbonat enthalten. Der Anteil an Ethylencarbonat liegt dabei vorzugsweise im Bereich von 0 bis 30 Vol.-%, insbesondere im Bereich von 0 bis 10 Vol.-%.Preferred as the electrolyte at low temperatures is, for example, LiPF 6 or LiBF 4 dissolved in methyl formate or diethyl carbonate. In addition, the electrolyte may also contain a small proportion of ethylene carbonate. The proportion of ethylene carbonate is preferably in the range from 0 to 30% by volume, in particular in the range from 0 to 10% by volume.
Um
den Austausch des Elektrolyten oder die Zu- oder Abfuhr von Bestandteilen
des Elektrolyten zu steuern, ist die Verteil- und Schließvorrichtung
Wenn
jeweils nur Bestandteile des Elektrolyten in den Vorratsbehälter
Um
einen Wechsel des Elektrolyten in den einzelnen Zellen
In
Der
in
Um
den Elektrolyten
Ein
optimaler Betrieb ist jedoch erst dann möglich, wenn die Anode
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