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WO2008141865A1 - Electrochemical energy accumulator and method for the operation thereof - Google Patents

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WO2008141865A1
WO2008141865A1 PCT/EP2008/054229 EP2008054229W WO2008141865A1 WO 2008141865 A1 WO2008141865 A1 WO 2008141865A1 EP 2008054229 W EP2008054229 W EP 2008054229W WO 2008141865 A1 WO2008141865 A1 WO 2008141865A1
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WO
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electrolyte
electrochemical energy
energy store
cell
cells
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/054229
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German (de)
French (fr)
Inventor
Florian Wahl
Martin Holger Koenigsmann
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to an electrochemical energy store according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for operating an electrochemical energy store.
  • lithium-ion batteries are currently used. These have energy densities of up to approximately 200 Ah / kg as high-energy batteries. As high-performance batteries, energy densities up to 100 Ah / kg are achieved.
  • the temperature range in which lithium ion accumulators work effectively and safely is limited. This is generally in the range between -10 0 C and 50 0 C. However, this temperature range is not sufficient in particular for applications in electric and hybrid vehicles. A vehicle must be able to operate safely and reliably even at low temperatures, for example after long periods in winter or at high temperatures, for example in the summer after long periods on heated asphalt. For this reason, it is desired to provide accumulators that can be safely and reliably operated in a temperature range of -30 0 C to +80 0 C.
  • An inventively designed electrochemical energy storage comprises at least one cell with at least one cathode, an anode and an electrolyte, which allows nen flow of current from the anode to the cathode.
  • the electrochemical energy store further comprises at least two storage chambers for receiving in each case an electrolyte or at least one storage container for receiving a component of an electrolyte, wherein the storage chambers for receiving different electrolytes or various basic constituents of the electrolyte are provided for different operating states.
  • the electrochemical energy store Since essentially the electrolyte is responsible for the temperature limit within which an electrochemical energy store can be actuated, depending on the formulation of the electrolyte, the electrochemical energy store can each be operated in specific temperature ranges. As soon as the temperature is outside the limits for the respective electrolyte, the performance of the electrochemical energy store drops significantly and, in addition, harmful side reactions can occur which shorten the life of the electrochemical energy store.
  • the inventive solution in which at least two reservoirs are provided for receiving in each case an electrolyte, it is possible in a simple manner to use the electrolyte as a function of the operating temperature of the electrochemical energy store.
  • the reservoirs each contain an electrolyte
  • the inventively designed electrochemical energy storage can always operate this with the optimal for the current temperature conditions electrolyte mixture. So it is for example possible to operate the electrochemical energy storage within the required by the automotive industry temperature range from -30 0 C to +80 0 C at top speed. Harmful side reactions, which may occur, for example, during operation of the energy store outside the temperatures intended for the electrolyte, are minimized. As a result, the life of the electrochemical energy storage is increased. In addition, safety-critical situations, such as the so-called "thermal runaway" of the battery, which can lead to fire phenomena or explosions, for example, are less likely to occur, meaning that the battery will become more secure due to the temperature-adapted electrolyte composition.
  • the storage containers are each preferably connected to the cell via a pump.
  • the reservoirs are connected in a preferred embodiment via a distribution and closing device to the cells.
  • the distribution and closing device comprises, for example, valves with which the storage containers can be closed with respect to the cell.
  • the distribution and closing device 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.
  • 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.
  • the distribution and closing device via which the storage containers are connected to the cell, is preferably connected to a control system.
  • detecting the temperature can be released by means of the control system of the reservoir containing the suitable ambient conditions for the electrolyte or the component of the electrolyte that must be supplied. In this way, you can always realize the right electrolyte or composition in the cell. Accordingly, the electrolyte contained in the cell can be removed by the control system before supplying an electrolyte suitable for the ambient conditions. Alternatively, it is also possible to remove components that are not needed again from the cell.
  • the operating state of the electrochemical energy store is preferably determined by the ambient temperature and the temperature in the cell of the electrochemical energy store.
  • the electrochemical energy store is a lithium-ion accumulator.
  • an electrolyte for use at high temperatures is an electrolyte in which LiBOB (lithium bisoxalatoborat) is dissolved in ethylene carbonate and additionally a fire retardant, for example triethyl phosphate, contains.
  • LiBOB lithium bisoxalatoborat
  • 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.
  • 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 .
  • the electrolyte at low temperatures is, for example, LiPF 6 or LiBF 4 dissolved in methyl formate or diethyl carbonate.
  • 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.
  • Figure 1 is a schematic representation of an inventive energy storage in a first embodiment
  • Figure 2 is a schematic representation of an inventive energy storage in a second embodiment.
  • FIG. 1 schematically shows an electrochemical energy store designed according to the invention in a first embodiment.
  • An electrochemical energy store 1 comprises a plurality of cells 3.
  • Each cell 3 represents a galvanic unit in which electricity is generated by an electrochemical reaction.
  • each cell 3 comprises at least one anode 5 and at least one cathode 7.
  • the anode 5 and the cathode 7 are separated from each other by a separator 9.
  • each cell 3 contains an electrolyte, which is not shown here.
  • the electrolyte is liquid.
  • the electrolyte comprises a solvent having a high electrical constant to dissolve salts and as low a viscosity as possible to facilitate ion transport, and at least one salt which is dissociated in solution in the solvent.
  • the anode 5 is, for example, an anode customary for lithium-ion accumulators, as is known to the person skilled in the art.
  • a suitable anode 5 contains, for example, a carbon-based intercalation compound, an alloy of lithium with tin and / or silicon, optionally also in a carbon matrix, metallic lithium or lithium titanate.
  • the cathode is a common for lithium-ion batteries cathode, as is known in the art.
  • Suitable materials for the cathode are, for example, lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium cobalt nickel oxide, lithium nickel cobalt manganese oxide, lithium nickel cobalt aluminum oxide, lithium iron oxide, lithium manganese dioxide; Lithium manganese oxide and mixed oxides of lithium manganese oxide; Lithium iron phosphate, lithium manganese phosphate, lithium cobalt phosphate and lithium nickel phosphate.
  • the preferred cathode material used is lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium cobalt nickel oxide, lithium nickel cobalt manganese oxide, lithium nickel cobalt aluminum oxide, lithium manganese oxide, lithium iron phosphate and lithium manganese phosphate.
  • AIs separator 9 is likewise suitable for any separator known to the person skilled in the art, as used in lithium-ion accumulators.
  • the separator 9 is usually a semi-permeable membrane that is permeable to lithium ions.
  • Suitable materials for the separator are, for example, polypropylene, polyethylene, fluorinated hydrocarbons, ceramic-coated hydrocarbons, fiberglass, cellulose-based materials or mixtures of the aforementioned materials.
  • Preferred materials for the separator are polyethylene and polypropylene.
  • the electrochemical energy store 1 comprises reservoir 11 for accommodating in each case an electrolyte or constituents of an electrolyte.
  • the electrochemical energy storage device 1 comprises three reservoirs 11.
  • the reservoirs 11 are provided to receive an electrolyte, at least two reservoirs 11 are required according to the invention, each of which can accommodate a different electrolyte. If the reservoir 11 are provided for receiving only one or more components of the electrolyte, it may be sufficient if only one reservoir 11 is provided.
  • the storage containers 11 are each connected to each cell 3 of the electrochemical energy store 1 via a connection which contains at least one closing element.
  • the closing elements are designed so that the connection to each cell 3 can be closed or released separately with the storage container 11, so that the cells 3 can each be filled or emptied independently of each other.
  • the closing elements and the connections from the storage containers 11 to the individual cells 3 are in the embodiment shown here in a distribution and closing device 13th
  • the reservoir 11 each contain different electrolytes that can be used in different operating conditions of the electrochemical energy storage device 1.
  • the electrolytes are selected as a function of the operating temperature of the electrochemical energy store 1 and the ambient temperature.
  • one of the reservoir 11 contains an electrolyte which can be used at low temperatures and another reservoir 11 contains an electrolyte which can be used at high temperatures.
  • the reservoir 11 contains a component of the electrolyte which is added in order to allow safe operation of the electrochemical energy store 1 at certain temperatures, wherein this component is the Elekt- stabilized in the specified temperature range. If the operating conditions take different values, for example, the temperature rises, it is possible to remove this component again from the electrolyte and returned to the reservoir 11.
  • the distribution and closing device 13 contains a closing element which comprises a selective membrane which is permeable to the component to be fed into the electrolyte or to be removed from the electrolyte and to the other constituents not the electrolyte.
  • the distribution and closing device 13 further contains a pump element with which the electrolyte can be pumped out of the cells 3 into an empty reservoir 11 before another electrolyte is supplied to the cells 3.
  • the limiting factor for the use of the electrolyte at high temperatures is the commonly used conductive salt LiPF 6 .
  • the conducting salt LiPF 6 is replaced by a salt which permits safe operation of the electrochemical energy store 1 even at high temperatures.
  • a suitable conducting salt is, for example, LiBOB (lithium bisoxalatoborate) or LiBF 4 .
  • LiBOB lithium bisoxalatoborate
  • the solvent used is ethylene carbonate. Since this has a high flash point, the use of ethylene carbonate at high temperatures is not a risk.
  • flame retardants which due to their sometimes very high boiling point or Melting point at the temperatures at which electrochemical energy storage 1 are commonly used, can not be used.
  • flame retardants are, for example, hexamethoxycyclophosphazenes, alkyl phosphates, for example trimethyl phosphate, ethylene ethyl phosphate, methyl nonafluorobutyl ether.
  • some of the flame retardants for example, alkyl phosphates, for example ethylene ethyl phosphate, improve a protective layer that forms on the electrodes. This also improves the aging stability of the electrochemical energy store 1.
  • the ethylene carbonate used as solvent 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.
  • the generally used LiPF 6 is suitable as a salt for the electrolyte.
  • Another, possibly better suitable conducting salt is also LiBF 4 .
  • the electrolyte at low temperatures is, for example, LiPF 6 or LiBF 4 dissolved in methyl formate or diethyl carbonate.
  • 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.
  • the distribution and closing device 13 is preferably connected to a control unit 15.
  • the control unit 15 controls the opening or closing of the connections from the storage container 11 into the individual cells 3.
  • the ambient temperature and the operating temperature of the electrochemical energy store 1 are monitored in the control unit 15, for example.
  • it is selected with which electrolyte the cells 3 are operated. If a wrong electrolyte is contained in the cells, this is first pumped out of the cells 3 in the reservoir 11. Subsequently, the correct electrolyte for the corresponding operating conditions is pumped from a reservoir 11 into the cells 3.
  • the electrolyte is exchanged from the cells 3 successively cell by cell. That is, first of all, the electrolyte is removed from a first cell 3 into a storage container 11 and another electrolyte is supplied from another storage container 11 into the cell 3. Once this process is completed, the electrolyte in a second cell is replaced in the same way. Of course, it is also possible to remove the electrolyte from one cell 3, while another electrolyte is simultaneously fed into another cell 3. Furthermore, it is also possible to exchange the electrolyte in all cells 3 at the same time.
  • FIG. 2 shows an inventively designed electrochemical energy storage device 1 is shown in a second embodiment.
  • the electrochemical energy store 1 shown in FIG. 2 differs from that of FIG. 1 in that the storage containers 11 are not arranged on one side, but on different sides of the electrochemical energy store 1. If an operation of the electrochemical energy store 1 is provided with only two different electrolytes is, two reservoirs 11 are sufficient. It is necessary that each reservoir 11 has a volume which is sufficient to receive the entire electrolyte 17 from the electrochemical energy storage device 1. It is either possible that each cell 3 of the electrochemical energy storage device 1 has its own reservoir 11 for the electrolyte 17 or there are provided for several cells 3 common reservoir 11. In particular, it is preferred if the entire electrochemical energy storage device 1 has only one storage reservoir 11 for each electrolyte, which feeds all the cells 3.
  • the electrolyte 17 is first pumped out of the cells 3 into an empty storage container 11. This takes place via the distribution and closing device 13, with which the storage container 11 can be closed relative to the cells 3.
  • a pump can be accommodated in the distribution and closing device 13 with which the electrolyte 17 can be pumped out of the cells 3 into the storage container 11 or pumped out of the storage containers 11 into the cells 3.
  • the cell 3 is emptied, i. is free of electrolyte is transported from a full reservoir 11, another electrolyte via the distribution and closing device 13 in the cell 3.
  • a flow of current is possible. However, optimum operation is possible only when the anode 5 and the cathode 7 are completely covered by electrolytes 17.

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Abstract

The invention relates to an electrochemical energy accumulator (1) having at least one cell (3) comprising at least one cathode (7), one anode (5), and an electrolyte (17) allowing the flow of current from the anode (5) to the cathode (7). The electrochemical energy accumulator (1) further comprises at least two storage tanks (11) for accommodating one electrolyte each or at least one storage container (11) for accommodating at least a component of the electrolyte (17), wherein the storage tanks (11) are provided for accommodating various electrolytes (17) or various components of the electrolytes for different operating states. The invention further relates to a method for the operation of an electrochemical energy accumulator (1), wherein, depending on the operating state, at least one component of the electrolytes (17) is removed from the cell (3), added to the cell (3), or exchanged.

Description

Beschreibung description
Titeltitle
Elektrochemischer Energiespeicher und Verfahren zu dessen BetriebElectrochemical energy storage and method for its operation
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 invention relates to an electrochemical energy store according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for operating 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.In order to achieve high energy densities, lithium-ion batteries are currently used. These have energy densities of up to approximately 200 Ah / kg as high-energy batteries. As high-performance batteries, energy densities up to 100 Ah / kg are achieved.
Der Temperaturbereich, in dem Lithium-Ionen- Akkumulatoren effektiv und sicher arbeiten, ist begrenzt. Dieser liegt im Allgemeinen im Bereich zwischen -10 0C und 50 0C. Dieser Temperaturbereich ist jedoch insbesondere für Anwendungen in Elektro- und Hybridfahr- zeugen 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 0C bis +80 0C sicher und zuverlässig betrieben werden können.The temperature range in which lithium ion accumulators work effectively and safely is limited. This is generally in the range between -10 0 C and 50 0 C. However, this temperature range is not sufficient in particular for applications in electric and hybrid vehicles. A vehicle must be able to operate safely and reliably even at low temperatures, for example after long periods in winter or at high temperatures, for example in the summer after long periods on heated asphalt. For this reason, it is desired to provide accumulators that can be safely and reliably operated in a temperature range of -30 0 C to +80 0 C.
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 ei- nen 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 ver- schiedener Basisbestandteile des Elektrolyten für unterschiedliche Betriebszustände vorgesehen sind.An inventively designed electrochemical energy storage comprises at least one cell with at least one cathode, an anode and an electrolyte, which allows nen flow of current from the anode to the cathode. The electrochemical energy store further comprises at least two storage chambers for receiving in each case an electrolyte or at least one storage container for receiving a component of an electrolyte, wherein the storage chambers for receiving different electrolytes or various basic constituents of the electrolyte are provided for different operating states.
Da für die Temperaturgrenze, innerhalb derer ein elektrochemischer Energiespeicher betä- tigt 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 E- nergiespeichers 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, zu- nächst den im Energiespeicher enthaltenen Elektrolyten in einen der Vorratsspeicher abzupumpen und anschließend den Energiespeicher mit einem anderen Elektrolyten aus einem zweiten Vorratsbehälter zu befallen. 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.Since essentially the electrolyte is responsible for the temperature limit within which an electrochemical energy store can be actuated, depending on the formulation of the electrolyte, the electrochemical energy store can each be operated in specific temperature ranges. As soon as the temperature is outside the limits for the respective electrolyte, the performance of the electrochemical energy store drops significantly and, in addition, harmful side reactions can occur which shorten the life of the electrochemical energy store. The inventive solution, in which at least two reservoirs are provided for receiving in each case an electrolyte, it is possible in a simple manner to use the electrolyte as a function of the operating temperature of the electrochemical energy store. Thus, on the one hand, if the reservoirs each contain an electrolyte, first pump the electrolyte contained in the energy store into one of the storage reservoirs and then infest the energy storage device with another electrolyte from a second reservoir. If the reservoir contains only one component of the electrolyte, then this component is added or removed according to the temperature at which the electrochemical energy storage is operated.
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 0C bis +80 0C 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 Batte- rie, der zum Beispiel zu Feuererscheinungen oder Explosionen führen kann, unwahrscheinlicher. Dass heißt, die Batterie wird aufgrund der temperaturangepassten Elektrolytzusammensetzung sicherer.The inventively designed electrochemical energy storage can always operate this with the optimal for the current temperature conditions electrolyte mixture. So it is for example possible to operate the electrochemical energy storage within the required by the automotive industry temperature range from -30 0 C to +80 0 C at top speed. Harmful side reactions, which may occur, for example, during operation of the energy store outside the temperatures intended for the electrolyte, are minimized. As a result, the life of the electrochemical energy storage is increased. In addition, safety-critical situations, such as the so-called "thermal runaway" of the battery, which can lead to fire phenomena or explosions, for example, are less likely to occur, meaning that the battery will become more secure due to the temperature-adapted electrolyte composition.
Um den Elektrolyten aus dem Energiespeicher in einen Vorratsbehälter abpumpen zu kön- nen bzw. aus einem Vorratsbehälter in den Energiespeicher zu fördern, sind die Vorratsbehälter jeweils vorzugsweise über eine Pumpe mit der Zelle verbunden. 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 to be able to pump the electrolyte from the energy store into a storage container or to convey it from a storage container into the energy store, the storage containers are each preferably connected to the cell via a pump. In order that the electrolyte contained in the reservoir or the components 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 to 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 contain components of the electrolyte, 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 lässt 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, via which the storage containers are connected to the cell, is preferably connected to a control system. By detecting the temperature can be released by means of the control system of the reservoir containing the suitable ambient conditions for the electrolyte or the component of the electrolyte that must be supplied. In this way, you can always realize the right electrolyte or composition in the cell. Accordingly, the electrolyte contained in the cell can be removed by the control system before supplying an electrolyte suitable for the ambient conditions. Alternatively, it is also possible to remove components that are not needed again from the cell.
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. -A-In order to enable a change of the electrolyte during the operation of the electrochemical energy storage, for example, when the electrochemical energy storage is used in a motor vehicle, during a ride with high Leistungsausufung, as is the case for example, or after a long service life in winter In which a cryogenic electrolyte must be replaced with a mixture for higher temperatures, the addition, removal or replacement of the at least one constituent of the electrolyte takes place successively for individual cells during operation. The advantage of this approach is that there is no significant reduction in performance, since not all of the electrolyte is pumped out for a short time and then replaced by a new electrolyte. -A-
Der Betriebszustand des elektrochemischen Energiespeichers wird vorzugsweise durch die Umgebungstemperatur und die Temperatur in der Zelle des elektrochemischen Energiespeichers bestimmt.The operating state of the electrochemical energy store is preferably determined by the ambient temperature and the temperature in the cell of the electrochemical energy store.
In einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform 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 800C, ist ein Elektrolyt, bei dem LiBOB (Lithium- bisoxalatoborat) in Ethylencarbonat gelöst ist und der zusätzlich ein Brandschutzmittel, zum Beispiel Triethylphosphat, enthält.Particularly preferred as an electrolyte for use at high temperatures, ie at temperatures in the range of -5 to 80 0 C, is an electrolyte in which LiBOB (lithium bisoxalatoborat) is dissolved in ethylene carbonate and additionally a fire retardant, for example triethyl phosphate, contains.
Für den Einsatz bei tiefen Temperaturen, d.h. bei Temperaturen im Bereich von -40 bis 100C ist das üblicherweise als Lösungsmittel eingesetzte Ethylencarbonat der limitierende Faktor. Das Ethylencarbonat ist insbesondere für den Aufbau der Schutzschicht an den E- lektroden 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 0 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 of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.
Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfϊndungsgemäßen Energiespeichers in einer ersten Ausfuhrungsform, Figur 2 eine schematische Darstellung eines erfϊndungsgemäßen Energiespeichers in einer zweiten Ausführungsform.Show it: Figure 1 is a schematic representation of an inventive energy storage in a first embodiment, Figure 2 is a schematic representation of an inventive energy storage in a second embodiment.
Ausfuhrungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In Figur 1 ist schematisch ein erfindungsgemäß ausgebildeter elektrochemischer Energiespeicher in einer ersten Ausfuhrungsform dargestellt.FIG. 1 schematically shows an electrochemical energy store designed according to the invention in a first embodiment.
Ein elektrochemischer Energiespeicher 1 umfasst mehrere Zellen 3. Jede Zelle 3 stellt eine galvanische Einheit dar, in der durch eine elektrochemische Reaktion Strom erzeugt wird. Hierzu umfasst jede Zelle 3 mindestens eine Anode 5 sowie mindestens eine Kathode 7. Die Anode 5 und die Kathode 7 sind durch einen Separator 9 voneinander getrennt.An electrochemical energy store 1 comprises a plurality of cells 3. Each cell 3 represents a galvanic unit in which electricity is generated by an electrochemical reaction. For this purpose, each cell 3 comprises at least one anode 5 and at least one cathode 7. The anode 5 and the cathode 7 are separated from each other by a separator 9.
Weiterhin enthält jede Zelle 3 einen Elektrolyten, der hier nicht dargestellt ist. Erfindungsgemäß ist der Elektrolyt flüssig. Im Allgemeinen umfasst der Elektrolyt ein Lösungsmittel mit einer hohen Elektrizitätskonstante, um Salze zu lösen und einer möglichst niedrigen Viskosität, um den Ionentransport zu erleichtern, sowie mindestens ein Salz, welches disso- ziiert im Lösungsmittel gelöst ist.Furthermore, each cell 3 contains an electrolyte, which is not shown here. According to the invention, the electrolyte is liquid. In general, the electrolyte comprises a solvent having a high electrical constant to dissolve salts and as low a viscosity as possible to facilitate ion transport, and at least one salt which is dissociated in solution in the solvent.
Wenn der elektrochemische Energiespeicher ein Lithium-Ionen- Akkumulator ist, so ist die Anode 5 zum Beispiel eine für Lithium-Ionen- Akkumulatoren übliche Anode, wie sie dem Fachmann bekannt ist. Eine geeignete Anode 5 enthält zum Beispiel eine Interkalationsver- bindung auf Basis von Kohlenstoff, eine Legierung von Lithium mit Zinn und/oder Silizium, gegebenenfalls auch in einer Kohlenstoffmatrix, metallisches Lithium oder Lithiumtitanat. Auch die Kathode ist eine für Lithium-Ionen- Akkumulatoren übliche Kathode, wie sie dem Fachmann bekannt ist. Geeignete Materialien für die Kathode sind zum Beispiel Lithiumkobaltoxid, Lithiumnickeloxid, Lithiumkobaltnickeloxid, Lithiumnickelkobaltmanganoxid, Lithiumnickelkobaltaluminiumoxid, Lithiumeisenoxid, Lithiummangandioxid; Lithiummanganoxid und Mischoxide des Lithiummanganoxids; Lithiumeisenphosphat, Lithiummanganphosphat, Lithiumkobaltphosphat und Lithiumnickelphosphat. Bevorzugt als Kathodenmaterial werden Lithiumkobaltoxid, Lithiumnickeloxid, Lithiumkobaltnickeloxid, Lithiumnickelkobaltmanganoxid, Lithiumnickelkobaltaluminiumoxid, Lithiummanganoxid, Lithiumei- senphosphat und Lithiummanganphosphat eingesetzt. AIs Separator 9 eignet sich ebenfalls jeder beliebige, dem Fachmann bekannte Separator, wie er in Lithium-Ionen- Akkumulatoren eingesetzt wird. Der Separator 9 ist üblicherweise eine semipermeable Membran, die für Lithium-Ionen durchlässig ist.If the electrochemical energy store is a lithium-ion accumulator, the anode 5 is, for example, an anode customary for lithium-ion accumulators, as is known to the person skilled in the art. A suitable anode 5 contains, for example, a carbon-based intercalation compound, an alloy of lithium with tin and / or silicon, optionally also in a carbon matrix, metallic lithium or lithium titanate. The cathode is a common for lithium-ion batteries cathode, as is known in the art. Suitable materials for the cathode are, for example, lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium cobalt nickel oxide, lithium nickel cobalt manganese oxide, lithium nickel cobalt aluminum oxide, lithium iron oxide, lithium manganese dioxide; Lithium manganese oxide and mixed oxides of lithium manganese oxide; Lithium iron phosphate, lithium manganese phosphate, lithium cobalt phosphate and lithium nickel phosphate. The preferred cathode material used is lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium cobalt nickel oxide, lithium nickel cobalt manganese oxide, lithium nickel cobalt aluminum oxide, lithium manganese oxide, lithium iron phosphate and lithium manganese phosphate. AIs separator 9 is likewise suitable for any separator known to the person skilled in the art, as used in lithium-ion accumulators. The separator 9 is usually a semi-permeable membrane that is permeable to lithium ions.
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.Suitable materials for the separator are, for example, polypropylene, polyethylene, fluorinated hydrocarbons, ceramic-coated hydrocarbons, fiberglass, cellulose-based materials or mixtures of the aforementioned materials. Preferred materials for the separator are polyethylene and polypropylene.
Erfindungsgemäß umfasst der elektrochemische Energiespeicher 1 Vorratsbehälter 11 zur Aufnahme jeweils eines Elektrolyten oder von Bestandteilen eines Elektrolyten. In der hier dargestellten Ausführungsform umfasst der elektrochemische Energiespeicher 1 drei Vorratsbehälter 11. Wenn die Vorratsbehälter 11 vorgesehen sind, um jeweils einen Elektrolyten aufzunehmen, so sind erfindungsgemäß mindestens zwei Vorratsbehälter 11 erforder- lieh, die jeweils einen unterschiedlichen Elektrolyten aufnehmen können. Wenn die Vorratsbehälter 11 zur Aufnahme von nur einem oder mehreren Bestandteilen des Elektrolyten vorgesehen sind, ist es gegebenenfalls ausreichend, wenn nur ein Vorratsbehälter 11 vorgesehen ist.According to the invention, the electrochemical energy store 1 comprises reservoir 11 for accommodating in each case an electrolyte or constituents of an electrolyte. In the embodiment shown here, the electrochemical energy storage device 1 comprises three reservoirs 11. When the reservoirs 11 are provided to receive an electrolyte, at least two reservoirs 11 are required according to the invention, each of which can accommodate a different electrolyte. If the reservoir 11 are provided for receiving only one or more components of the electrolyte, it may be sufficient if only one reservoir 11 is provided.
Die Vorratsbehälter 11 sind jeweils über eine Verbindung, die mindestens ein Schließelement enthält, mit jeder Zelle 3 des elektrochemischen Energiespeichers 1 verbunden. Die Schließelemente sind dabei so gestaltet, dass die Verbindung zu jeder Zelle 3 mit dem Vorratsbehälter 11 getrennt verschlossen oder freigegeben werden kann, so dass die Zellen 3 jeweils unabhängig voneinander befüllt oder entleert werden können. Die Schließelemente und die Verbindungen von den Vorratsbehältern 11 zu den einzelnen Zellen 3 befinden sich in der hier dargestellten Ausführungsform in einer Verteil- und Schließ Vorrichtung 13.The storage containers 11 are each connected to each cell 3 of the electrochemical energy store 1 via a connection which contains at least one closing element. The closing elements are designed so that the connection to each cell 3 can be closed or released separately with the storage container 11, so that the cells 3 can each be filled or emptied independently of each other. The closing elements and the connections from the storage containers 11 to the individual cells 3 are in the embodiment shown here in a distribution and closing device 13th
Die Vorratsbehälter 11 enthalten jeweils unterschiedliche Elektrolyte, die bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen des elektrochemischen Energiespeichers 1 eingesetzt werden können. Überlicherweise werden die Elektrolyte in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur des elektrochemischen Energiespeichers 1 und der Umgebungstemperatur ausgewählt. So ist es bevorzugt, wenn einer der Vorratsbehälter 11 einen Elektrolyten enthält, der bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden kann und ein weiterer Vorratsbehälter 11 einen Elektrolyten enthält, der bei hohen Temperaturen eingesetzt werden kann.The reservoir 11 each contain different electrolytes that can be used in different operating conditions of the electrochemical energy storage device 1. Usually, the electrolytes are selected as a function of the operating temperature of the electrochemical energy store 1 and the ambient temperature. Thus it is preferred if one of the reservoir 11 contains an electrolyte which can be used at low temperatures and another reservoir 11 contains an electrolyte which can be used at high temperatures.
Alternativ ist es auch möglich, dass der Vorratsbehälter 11 einen Bestandteil des Elektrolyten enthält, der zugegeben wird, um einen sicheren Betrieb des elektrochemischen Energiespeichers 1 bei bestimmten Temperaturen zu erlauben, wobei dieser Bestandteil den Elekt- rolyten im vorgegebenen Temperaturbereich stabilisiert. Wenn die Betriebsbedingungen andere Werte annehmen, zum Beispiel die Temperatur steigt, so ist es möglich, diesen Bestandteil wieder aus dem Elektrolyten zu entfernen und in den Vorratsbehälter 11 zurückzuführen. Um dies zu ermöglichen ist es bevorzugt, wenn die Verteil- und Schließvorrichtung 13 ein Schließelement enthält, welches eine selektive Membran umfasst, die für den Bestandteil, der in den Elektrolyten zugeführt oder aus dem Elektrolyten entfernt werden soll, durchlässig ist und für die übrigen Bestandteile des Elektrolyten nicht.Alternatively, it is also possible that the reservoir 11 contains a component of the electrolyte which is added in order to allow safe operation of the electrochemical energy store 1 at certain temperatures, wherein this component is the Elekt- stabilized in the specified temperature range. If the operating conditions take different values, for example, the temperature rises, it is possible to remove this component again from the electrolyte and returned to the reservoir 11. In order to make this possible, it is preferred if the distribution and closing device 13 contains a closing element which comprises a selective membrane which is permeable to the component to be fed into the electrolyte or to be removed from the electrolyte and to the other constituents not the electrolyte.
Wenn die Vorratsbehälter 11 jeweils einen Elektrolyten für unterschiedliche Betriebsbedin- gungen enthalten, so ist es bevorzugt, wenn die Verteil- und Schließ Vorrichtung 13 weiterhin ein Pumpenelement enthält, mit welchem der Elektrolyt aus den Zellen 3 in einen leeren Vorratsbehälter 11 abgepumpt werden kann, bevor ein anderer Elektrolyt in die Zellen 3 zugeführt wird.If the reservoirs 11 each contain an electrolyte for different operating conditions, it is preferred if the distribution and closing device 13 further contains a pump element with which the electrolyte can be pumped out of the cells 3 into an empty reservoir 11 before another electrolyte is supplied to the cells 3.
Den limitierende Faktor für den Einsatz des Elektrolyten bei hohen Temperaturen ist das üblicherweise eingesetzte Leitsalz LiPF6. Um den elektrochemischen Energiespeicher 1 bei hohen Temperaturen betreiben zu können, ist es deshalb bevorzugt, wenn das Leitsalz LiPF6 durch ein Salz ausgetauscht wird, welches auch bei hohen Temperaturen einen sicheren Betrieb des elektrochemischen Energiespeichers 1 erlaubt. Ein geeignetes Leitsalz ist zum Bei- spiel LiBOB (Lithiumbisoxalatoborat) oder LiBF4. Bevorzugt ist es jedoch, wenn nur ein Salz eingesetzt wird, um Mischsalze zu vermeiden. Neben dem Wechsel des Leitsalzes ist es auch möglich, das Lösungsmittel auszutauschen. Üblicherweise wird als Lösungsmittel E- thylencarbonat eingesetzt. Da dieses einen hohen Flammpunkt aufweist, stellt der Einsatz von Ethylencarbonat bei hohen Temperaturen kein Risiko dar. Um die Betriebssicherheit des elektrochemischen Energiespeichers 1 beim Betrieb bei hohen Temperaturen zu erhöhen ist es zusätzlich möglich, Flammschutzmittel einzusetzen, die aufgrund ihres zum Teil sehr hohen Siedepunktes bzw. Schmelzpunktes bei den Temperaturen, bei denen elektrochemische Energiespeicher 1 üblicherweise eingesetzt werden, nicht eingesetzt werden können. Derartige Flammschutzmittel sind zum Beispiel Hexamethoxycyclophosphazene, Al- kylphosphate, zum Beispiel Trimethylphosphat, Ethylenethylphosphat, Methylnonafluorobu- tylether. Durch den Einsatz der Flammschutzmittel lässt sich die Betriebssicherheit des e- lektrochemischen Energiespeichers, insbesondere beim Betrieb bei höheren Temperaturen, deutlich verbessern. Zudem verbessern einige der Flammschutzmittel, zum Beispiel Al- kylphosphate, beispielsweise Ethylenethylphosphat, eine Schutzschicht, die sich auf den Elektroden bildet. Hierdurch wird auch die Alterungsstabilität des elektrochemischen Energiespeichers 1 verbessert. Besonders bevorzugt als Elektrolyt zum Einsatz bei hohen Temperaturen, d.h. bei Temperaturen im Bereich von 50 bis 900C ist ein Elektrolyt, bei dem LiBOB in Ethylencarbonat gelöst ist, und der zusätzlich ein Brandschutzmittel, zum Beispiel Trimethylphosphat, enthält.The limiting factor for the use of the electrolyte at high temperatures is the commonly used conductive salt LiPF 6 . In order to be able to operate the electrochemical energy store 1 at high temperatures, it is therefore preferable if the conducting salt LiPF 6 is replaced by a salt which permits safe operation of the electrochemical energy store 1 even at high temperatures. A suitable conducting salt is, for example, LiBOB (lithium bisoxalatoborate) or LiBF 4 . However, it is preferred if only one salt is used to avoid mixed salts. In addition to the change of the conductive salt, it is also possible to exchange the solvent. Usually, the solvent used is ethylene carbonate. Since this has a high flash point, the use of ethylene carbonate at high temperatures is not a risk. To increase the reliability of the electrochemical energy store 1 when operating at high temperatures, it is additionally possible to use flame retardants, which due to their sometimes very high boiling point or Melting point at the temperatures at which electrochemical energy storage 1 are commonly used, can not be used. Such flame retardants are, for example, hexamethoxycyclophosphazenes, alkyl phosphates, for example trimethyl phosphate, ethylene ethyl phosphate, methyl nonafluorobutyl ether. By using the flame retardants, the reliability of the electrochemical energy store can be significantly improved, especially when operating at higher temperatures. In addition, some of the flame retardants, for example, alkyl phosphates, for example ethylene ethyl phosphate, improve a protective layer that forms on the electrodes. This also improves the aging stability of the electrochemical energy store 1. Particularly preferred as an electrolyte for use at high temperatures, ie at temperatures in the range of 50 to 90 0 C is an electrolyte in which LiBOB is dissolved in ethylene carbonate, and additionally contains a fire retardant, for example trimethyl phosphate.
Für den Einsatz bei tiefen Temperaturen, d.h. bei Temperaturen im Bereich von -40 bis 00C 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 of -40 to 0 0 C, the ethylene carbonate used as solvent 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 13 vorzugsweise mit einer Steu- ereinheit 15 verbunden. Die Steuereinheit 15 steuert das Öffnen bzw. Verschließen der Verbindungen vom Vorratsbehälter 11 in die einzelnen Zellen 3. Hierzu werden in der Steuereinheit 15 zum Beispiel die Umgebungstemperatur und die Betriebstemperatur des elektrochemischen Energiespeichers 1 überwacht. In Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und der Betriebstemperatur des elektrochemischen Energiespeichers 1 wird ausgewählt, mit welchem Elektrolyten die Zellen 3 betrieben werden. Wenn ein falscher Elektrolyt in den Zellen enthalten ist, wird dieser zunächst aus den Zellen 3 in den Vorratsbehälter 11 abgepumpt. Anschließend wird der für die entsprechenden Betriebsbedingungen richtige Elektrolyt aus einem Vorratsbehälter 11 in die Zellen 3 gepumpt.In order to control the exchange of the electrolyte or the supply or removal of components of the electrolyte, the distribution and closing device 13 is preferably connected to a control unit 15. The control unit 15 controls the opening or closing of the connections from the storage container 11 into the individual cells 3. For this purpose, the ambient temperature and the operating temperature of the electrochemical energy store 1 are monitored in the control unit 15, for example. Depending on the ambient temperature and the operating temperature of the electrochemical energy storage device 1, it is selected with which electrolyte the cells 3 are operated. If a wrong electrolyte is contained in the cells, this is first pumped out of the cells 3 in the reservoir 11. Subsequently, the correct electrolyte for the corresponding operating conditions is pumped from a reservoir 11 into the cells 3.
Wenn jeweils nur Bestandteile des Elektrolyten in den Vorratsbehälter 11 enthalten sind, so werden in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur entweder Bestandteile aus dem Vorratsbehälter 11 in die Zellen 3 transportiert oder aus der Zelle 3 in den Vorratsbehälter 11 zurück. Um einen Wechsel des Elektrolyten in den einzelnen Zellen 3 auch während des laufenden Betriebes zu ermöglichen, ist es bevorzugt, wenn der Elektrolyt aus den Zellen 3 nacheinander Zelle für Zelle ausgetauscht wird. D.h., dass zunächst aus einer ersten Zelle 3 der Elektrolyt in einen Vorratsbehälter 11 entfernt wird und ein anderer Elektrolyt aus einem anderen Vorratsbehälter 11 in die Zelle 3 zugeführt wird. Sobald dieser Vorgang beendet ist, wird der Elektrolyt in einer zweiten Zelle auf die gleiche Weise ausgetauscht. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Elektrolyten aus einer Zelle 3 zu entfernen, während ein anderer Elektrolyt gleichzeitig in eine andere Zelle 3 eingespeist wird. Weiterhin ist es auch möglich, den Elektrolyten in allen Zellen 3 gleichzeitig auszutauschen.If only components of the electrolyte are contained in the reservoir 11, depending on the operating temperature, either components are transported from the reservoir 11 into the cells 3 or back from the cell 3 into the reservoir 11. In order to enable a change of the electrolyte in the individual cells 3, even during ongoing operation, it is preferred if the electrolyte is exchanged from the cells 3 successively cell by cell. That is, first of all, the electrolyte is removed from a first cell 3 into a storage container 11 and another electrolyte is supplied from another storage container 11 into the cell 3. Once this process is completed, the electrolyte in a second cell is replaced in the same way. Of course, it is also possible to remove the electrolyte from one cell 3, while another electrolyte is simultaneously fed into another cell 3. Furthermore, it is also possible to exchange the electrolyte in all cells 3 at the same time.
In Figur 2 ist ein erfindungsgemäß ausgebildeter elektrochemischer Energiespeicher 1 in einer zweiten Ausführungsform dargestellt.2 shows an inventively designed electrochemical energy storage device 1 is shown in a second embodiment.
Der in Figur 2 dargestellte elektrochemische Energiespeicher 1 unterscheidet sich von dem der Figur 1 dadurch, dass die Vorratsbehälter 11 nicht an einer Seite angeordnet sind, sondern an unterschiedlichen Seiten des elektrochemischen Energiespeichers 1. Wenn ein Betrieb des elektrochemischen Energiespeichers 1 mit nur zwei unterschiedlichen Elektrolyten vorgesehen ist, sind zwei Vorratsbehälter 11 ausreichend. Dabei ist es notwendig, dass jeder Vorratsbehälter 11 ein Volumen aufweist, welches ausreichend ist, um den gesamten Elektrolyten 17 aus dem elektrochemischen Energiespeicher 1 aufzunehmen. Dabei ist es entweder möglich, dass jede Zelle 3 des elektrochemischen Energiespeichers 1 eigene Vorratsbehälter 11 für die Elektrolyten 17 aufweist oder es sind für mehrere Zellen 3 gemeinsame Vorratsbehälter 11 vorgesehen. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn der gesamte elektro- chemische Energiespeicher 1 für jeden Elektrolyten nur einen Vorratsspeicher 11 aufweist, der alle Zellen 3 speist.The electrochemical energy store 1 shown in FIG. 2 differs from that of FIG. 1 in that the storage containers 11 are not arranged on one side, but on different sides of the electrochemical energy store 1. If an operation of the electrochemical energy store 1 is provided with only two different electrolytes is, two reservoirs 11 are sufficient. It is necessary that each reservoir 11 has a volume which is sufficient to receive the entire electrolyte 17 from the electrochemical energy storage device 1. It is either possible that each cell 3 of the electrochemical energy storage device 1 has its own reservoir 11 for the electrolyte 17 or there are provided for several cells 3 common reservoir 11. In particular, it is preferred if the entire electrochemical energy storage device 1 has only one storage reservoir 11 for each electrolyte, which feeds all the cells 3.
Um den Elektrolyten 17 auszutauschen, wird der Elektrolyt 17 aus den Zellen 3 zunächst in einen leeren Vorratsbehälter 11 gepumpt. Dies erfolgt über die Verteil- und Schließvorrich- tung 13, mit der der Vorratsbehälter 11 gegenüber den Zellen 3 verschließbar ist. Zusätzlich kann in der Verteil- und Schließ Vorrichtung 13 eine Pumpe aufgenommen sein, mit der der Elektrolyt 17 aus den Zellen 3 in die Vorratsbehälter 11 abgepumpt oder aus den Vorratsbehältern 11 in die Zellen 3 umgepumpt werden kann. Sobald die Zelle 3 geleert ist, d.h. frei von Elektrolyt ist, wird aus einem vollen Vorratsbehälter 11 ein anderer Elektrolyt über die Verteil- und Schließvorrichtung 13 in die Zelle 3 transportiert. Sobald die Anode 5 und die Kathode 7 mit dem Elektrolyten 17 in Kontakt stehen, ist ein Stromfluss möglich. Ein optimaler Betrieb ist jedoch erst dann möglich, wenn die Anode 5 und die Kathode 7 vollständig von Elektrolyten 17 bedeckt sind. In order to exchange the electrolyte 17, the electrolyte 17 is first pumped out of the cells 3 into an empty storage container 11. This takes place via the distribution and closing device 13, with which the storage container 11 can be closed relative to the cells 3. In addition, a pump can be accommodated in the distribution and closing device 13 with which the electrolyte 17 can be pumped out of the cells 3 into the storage container 11 or pumped out of the storage containers 11 into the cells 3. Once the cell 3 is emptied, i. is free of electrolyte is transported from a full reservoir 11, another electrolyte via the distribution and closing device 13 in the cell 3. As soon as the anode 5 and the cathode 7 are in contact with the electrolyte 17, a flow of current is possible. However, optimum operation is possible only when the anode 5 and the cathode 7 are completely covered by electrolytes 17.

Claims

Ansprüche claims
1. Elektrochemischer Energiespeicher, umfassend mindestens eine Zelle (3) mit mindestens einer Kathode (7), einer Anode (5) und einem Elektrolyten (17), welcher einen Stromfluss von der Anode (5) zur Kathode (7) ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrochemische Energiespeicher 1 weiterhin mindestens zwei Vorratsbehälter (11) zur Aufnahme jeweils eines Elektrolyten (17) oder mindestens einen Vorratsbehälter (11) zur Aufnahme mindestens eines Bestandteils eines Elektrolyten umfasst, wobei die Vorratsbehälter (11) zur Aufnahme verschiedener Elektrolyten (17) oder verschie- dener Bestandteile des Elektrolyten für unterschiedliche Betriebszustände vorgesehen sind.1. An electrochemical energy store, comprising at least one cell (3) with at least one cathode (7), an anode (5) and an electrolyte (17), which allows a current flow from the anode (5) to the cathode (7), characterized in that the electrochemical energy store 1 furthermore comprises at least two storage containers (11) for receiving in each case an electrolyte (17) or at least one storage container (11) for receiving at least one component of an electrolyte, the storage containers (11) receiving different electrolytes (17). or different components of the electrolyte are provided for different operating conditions.
2. Elektrochemischer Energiespeicher gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorratsbehälter (11) jeweils über eine Pumpe mit der Zelle (3) verbunden sind.2. Electrochemical energy storage device according to claim 1, characterized in that the storage container (11) are each connected via a pump to the cell (3).
3. Elektrochemischer Energiespeicher gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorratsbehälter (11) über eine Verteil- und Schließvorrichtung (13) mit den Zellen (3) verbunden sind.3. Electrochemical energy storage according to claim 1 or 2, characterized in that the storage container (11) via a distribution and closing device (13) with the cells (3) are connected.
4. Elektrochemischer Energiespeicher gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteil- und Schließvorrichtung (13) Ventile enthält, mit denen die Zellen (3) gegenüber den Vorratsbehältern (11) verschließbar sind.4. Electrochemical energy store according to claim 3, characterized in that the distribution and closing device (13) contains valves with which the cells (3) relative to the storage containers (11) are closable.
5. Elektrochemischer Energiespeicher gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteil- und Schließvorrichtung (13) selektive Membranenen enthält, mit denen die5. Electrochemical energy store according to claim 3, characterized in that the distribution and closing device (13) contains selective membranes, with which the
Vorratsbehälter (11) gegenüber der Zelle (3) verschließbar sind.Reservoir (11) relative to the cell (3) are closable.
6. Elektrochemischer Energiespeicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrochemische Energiespeicher (1) weiterhin eine Steuerein- heit (15) umfasst, welche einen Austausch des Elektrolyten (17) oder von Bestandteilen des Elektrolyten steuert.6. Electrochemical energy store according to one of claims 1 to 5, characterized in that the electrochemical energy store (1) further comprises a control unit (15), which controls an exchange of the electrolyte (17) or of components of the electrolyte.
7. Elektrochemischer Energiespeicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrochemische Energiespeicher (1) ein Lithium-Ionen- Akkumulator ist.7. Electrochemical energy store according to one of claims 1 to 6, characterized in that the electrochemical energy store (1) is a lithium-ion accumulator.
8. Verfahren zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichers (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei abhängig vom Betriebszustand zumindest ein Bestandteil des Elektrolyten (17) aus der Zelle (3) entfernt wird, in die Zelle (3) zugegeben wird oder ausgetauscht wird.8. A method for operating an electrochemical energy store (1) according to one of claims 1 to 7, wherein depending on the operating state, at least one component of Electrolyte (17) is removed from the cell (3) is added to the cell (3) or replaced.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem elektrochemi- sehen Energiespeicher (1) mit mehreren Zellen (3) das Zugeben, Entfernen oder Austauschen des mindestens einen Bestandteils des Elektrolyten (17) während des Betriebes nacheinander jeweils für einzelne Zellen (3) durchgeführt wird.9. The method according to claim 8, characterized in that in an electrochemical see energy storage (1) with a plurality of cells (3) adding, removing or replacing the at least one component of the electrolyte (17) during operation successively for each individual cells ( 3) is performed.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebszu- stand durch Umgebungstemperatur und Temperatur in der Zelle (3) des elektrochemischen Energiespeichers (1) bestimmt wird. 10. The method according to claim 8 or 9, characterized in that the operating state by ambient temperature and temperature in the cell (3) of the electrochemical energy store (1) is determined.
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