电化学储能电芯和蓄电池及获取其电极电位的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的用于重复储存电能的电化学储能电芯以及一种根据权利要求9前序部分所述的用于为用电器供给电能的蓄电池、特别是锂离子蓄电池。此外，本发明涉及一种根据权利要求10所述的用于获取电化学储能电芯的电极的电极电位的方法。
【背景技术】
[0002]作为基础已知，可再充电的电芯、特别是例如蓄电池这样的电化学储能电芯由两个电极组成，特别是由正电极或带正电的电极、例如阳极和负电极或带负电的电极、例如阴极组成，在两者之间发生化学反应。在该化学反应的基础上释放电能。例如在镍镉蓄电池中正电极具有例如氢氧化镍的镍化合物，而负电极例如具有镉。与此相应地，镍氢电池的负电极例如具有储存氢的金属合金。如作为基础已知的，特别是锂离子蓄电池是很常见的应用，其中其正电极具有锂金属氧化物，而负电极优选具有可嵌入锂离子的专用的碳。此外被视为基础性地已知的是，借助于隔膜将各个电极彼此间隔开、特别是彼此绝缘，以避免内部的短路，进而避免电能消散为热量。此外特别是需要电解液，使得发生电化学反应，其中电解液本身例如可为含有导电盐的液体。电解液本身例如位于电极和隔膜之间，其中特别是在镍蓄电池中使用氢氧化钾溶液或者在锂离子蓄电池中在特殊的有机溶剂中使用溶解的锂盐。除了电极卷之外，电化学储能电芯还可具有例如由电芯容器和电芯盖板组成的壳体。因此被视为基础性地已知的是，这种壳体的电芯容器例如也可用作相当于负极的负导体，而电芯盖板例如可用作相当于正极的正导体。可再充电的电芯可设计为卷绕电芯的形式，其中至少正电极、隔膜和负电极例如以带状的夹心面包的形式相叠放并且被卷起，使得电极形成尽可能大的表面，这又有利于实现蓄电池的短的充电时间和高的容量。
[0003]电池状态的、特别是蓄电池状态的一项指标是充电状态，所述蓄电池具有至少一个电化学储能电芯、优选具有多个电化学储能电芯，并且不仅在例如风力设备的固定应用中，或者在例如混合动力车辆或电动车辆的车辆中，而且在例如手提电脑或移动电话的消费领域中均日益广泛地应用所述蓄电池。充电状态特别重要，因为对于所使用的电池系统或蓄电池系统在其可靠性、容量和使用寿命方面均提出了很高的要求。蓄电池的电化学储能电芯的充电状态、特别是蓄电池的伽凡尼电池的充电状态也被称为SOC(State ofCharge)，就作为基础已知的而言，充电状态通过电芯电压获得。这意味着，特别是开路电压(OCV-Open Circuit Voltage)在非工作状态被测量。然而在此只记录外部的电芯电压，结果不利地导致只能测量电芯、特别是储能电芯的总电压，然而不能获得电芯、特别是储能电芯的各个电极的电位。
【发明内容】
[0004]因此本发明的目的是，至少部分地克服在电化学储能电芯、特别是例如锂离子蓄电池的蓄电池中的上述缺点。本发明的目的特别是提供一种用于重复储存电能的电化学储能电芯以及一种蓄电池、特别是锂离子蓄电池，以及提供一种用于获取电化学储能电芯的电极的电极电位的方法，借助于它们可以简单且成本低廉的方式确定电化学储能电芯的、特别是具有至少一个电化学储能电芯的蓄电池的各个电极的电位，其中即使在获取电极电位期间也不会对蓄电池的、特别是电化学储能电芯的应用、特别是容量和使用寿命产生负面影响。
[0005]通过具有权利要求1所述特征的用于重复储存电能的电化学储能电芯以及通过具有权利要求9所述特征的用于为用电器供给电能的蓄电池、特别是锂离子蓄电池实现上述目的。此外，通过具有权利要求10所述特征的用于获取电化学储能电芯的电极的电极电位的方法实现上述目的。由从属权利要求、说明书和附图中得到本发明的其他特征和细节。在此，涉及电化学储能电芯的特征和细节当然也与根据本发明的蓄电池和/或根据本发明的方法相关，反之亦然，从而在关于各个发明方面的公开内容方面始终互相参考或可互相参考。此外，在根据本发明的电化学储能电芯中可执行根据本发明的方法。
[0006]用于重复储存电能的电化学储能电芯具有电芯核和电极卷，该电极卷具有绕在电芯核上的由至少两个电极以及至少一个设置在电极之间的隔膜组成的至少一个卷，电化学储能电芯具有至少一个参考电极元件用于获取两个电极中的至少一个电极的电极电位。电化学储能电芯也可被称为伽凡尼电池并且可构造为平板电芯或圆形电芯的形式，电化学储能电芯有利地具有至少一个壳体和设置在壳体内部的卷绕在电芯核上的电极卷。
[0007]电极卷，简称为卷，其有利地具有卷带的多个电极层，其中负电极、例如阴极和正电极、例如阳极与位于两者之间的隔膜卷绕在电芯核上。根据电化学储能电芯的设计方案电极卷也被相应地设计并且因此具有扁平或棱柱的形状，有利地具有矩形或圆形、特别是柱形或圆柱形的形状。电极和/或隔膜有利地构造为扁平的、特别是薄膜的形式，由此以电极卷的形式相互连接。隔膜用于电绝缘并且进而使电极彼此电流隔离，隔膜有利地可包括电解质或由相应的电解质构成。此外可考虑，除了设置在电极之间的隔膜，绕电芯核设置另一同样为薄膜隔膜的隔膜，以在至少其中一个电极和电芯核之间形成电流隔离。
[0008]此外，有利地以气密方式工作的具有电极卷的电化学储能电芯还具有用于获取至少其中一个电极的、如特别是正电极或负电极的电极电位的参考电极元件。因此，也可被称为参考电极的参考电极元件是具有有利地恒定的平衡电位的参考电极或比较电极，该平衡电位可调整重现。参考电极元件有利地用作测量其中一个电极的相对电位的参考元件，其中一个电极的绝对电位原则上无法通过实验确定，而只能通过两个电极之间的电位差定义。因此，为了获取各个电极电位，须获取阴极的电位相对于参考电极的电位的差或者阳极的电位相对于参考电极的电位的差。在此例如EL-Cell公司的测量电芯可用作参考电极元件。参考电极元件有利地具有例如镲材料、铜材料、镀镲的铜材料或销材料或者形成至少一层所述材料。
[0009]因此有利的是，可借助于本发明以简单且成本低廉的方式获取并使用各个电极电位进而也可获得总的电芯电压，其中特别是通过了解各单个阳极电位，可提早识别进而可在必要时避免出现的或刚开始的锂金属包层。在此须注意，特别是当单个阳极电位下降到“O”(零)值以下时，则可出现锂金属包层。在获取始终从两个电极的差得出的外部的电芯电压时，无法提早识别这种刚开始的锂金属包层现象。其理由特别是因为在获取纯粹的外部的电芯电压时，原理上无法获知各个电极的电位是否仍然表现为作为参考的初始值或新鲜值，或者单个电位或者说各个电极的电位是否向上或向下偏移。因此，利用本发明通过相对于合适的参考电极、特别是合适的参考电极元件的测量有利地确定电极的单个电位或者说各个电极的电极电位、如阳极或阴极的电极电位。
[0010]此外，在本发明的范围中可考虑，电芯核为卷绕芯轴或卷绕剑轴或可变形的塑料薄膜卷芯。也可被称为枢轴销的卷绕芯轴有利地具有塑料材料并且因此优选地设计为塑料棒的形式。卷绕芯轴有利地具有优选为柱形、特别是圆柱形的形状，有利地为空心圆柱形的形状，其中卷绕芯轴的空腔被设置用于容纳自动卷绕机的卷绕元件，该卷绕元件带动卷绕芯轴做旋转运动，以使有利地由正电极和负电极以及位于中间的隔膜组成的卷带层特别是呈螺旋状卷绕，其中在例如用耐碱性胶带或金属套对卷进行固定后，卷、特别是电极卷也可与卷绕芯轴或者说电芯核一起被插入相应的壳体中。
[0011]而卷绕剑轴是有利地构造为矩形、特别是棱柱形的构件，该构件类似于卷绕芯轴用于卷绕有利地由负电极和正电极以及位于它们之间的隔膜层组成的卷带层，其中特别是在使用卷绕剑轴时产生棱柱形、特别是矩形的电极卷，以使电极卷布置在用于形成平板电芯的壳体中。
[0012]此外可考虑，使用可变形的塑料薄膜卷芯作为电芯核，其中有利地避免了绕卷芯设置附加的隔膜层，特别是因为塑料薄膜卷芯本身可用于第一电极和电芯核之间的电流隔离。塑料薄膜卷芯有利地是可变形的电芯核，其在电极和至少一个隔膜卷绕之后可变形为任何形态，以除了应用在圆形电芯中之外也可使用在平板电芯或者与之不同地设计的电化学储能电芯中。
[0013]此外可考虑，参考电极元件为电化学储能电芯的壳体，该壳体至少部分地包围电极卷。在此，壳体可为电化学储能电芯的组成部分或者只是包围电化学储能电芯。壳体有利地具有导电材料，如铝材料或不锈钢材料。因此只要参考电极元件本身是电化学储能电芯的壳体或者至少是壳体的组成部分，就直接通过壳体本身接触参考电极元件，从而不需要进而可避免将例如附加的探针或导线引入壳体中、特别是电极卷的区域中。因此，以简单且成本低廉的方式直接通过壳体测量通过参考电极元件获取的参考电极值。
[0014]此外在本发明的范围中，参考电极元件可设置在电化学储能电芯的至少部分地包围电极卷的壳体的内部表面上。若壳体本身构成参考电极元件那么会存在电芯壳体腐蚀的风险使得可能由于壳体的电感效应和表面反应导致测量不准确时，此时将独立的参考电