用于電化學(xué)能量存儲器和能量存儲器系統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于電化學(xué)能量存儲器(10)的開關(guān)設(shè)備(15)，具有：薄膜晶體管裝置(20)，其具有至少一個有機晶體管(21，22)并且平面地施加到電化學(xué)能量存儲器的至少一個電極并且可由外部電壓源(30)控制并且作為可控制電阻串聯(lián)于電化學(xué)能量存儲器的內(nèi)電阻構(gòu)造。
【專利說明】
用于電化學(xué)能量存儲器和能量存儲器系統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及用于電化學(xué)能量存儲器的開關(guān)設(shè)備，電化學(xué)能量存儲器和能量存儲器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]DE19529849A1描述具有保護設(shè)備的電化學(xué)電池，該保護設(shè)備具有相同極性的至少兩個并聯(lián)連接的電極并且其作為具有較高能量密度的能量存儲器(如其在電動街道車輛中使用)使用。
[0003]在那里描述的保護設(shè)備的情況下保護電化學(xué)電池免受整個電池的破裂或者供應(yīng)失敗并且偶爾報告電池的損壞，其中存在相同極性的至少兩個并聯(lián)連接的電極，其中相同極性的并聯(lián)連接的個體電極的每個與安全元件相連。
[0004]如果超過電流閾值，那里描述的安全元件中斷在個體電極和連接個體電極的電流導(dǎo)電體之間的電接觸，其中安全元件具有探測裝置，該探測裝置報告電池外部的安全元件的反應(yīng)。
[0005]DE2917328C3描述具有保險絲的電元件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的任務(wù)在于，提供用于電能量存儲器的安全功能。
[0007]該任務(wù)通過獨立權(quán)利要求的主題解決。本發(fā)明的改進方案從從屬權(quán)利要求和下面描述給出。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的方面提供用于電化學(xué)能量存儲器的開關(guān)設(shè)備，開關(guān)設(shè)備包括薄膜晶體管裝置，其具有至少一個有機晶體管并且可平面地施加到電化學(xué)能量存儲器的至少一個電極上并且可由外部電壓源控制并且作為可控制電阻串聯(lián)于電化學(xué)能量存儲器的內(nèi)電阻構(gòu)造。
[0009]本發(fā)明的思路在于，對于電化學(xué)能量存儲器，也即是對于電池組或蓄電池，實現(xiàn)電流的接通和/或切斷，在故障情況(如由系統(tǒng)內(nèi)部或外部短路導(dǎo)致的)中可以中斷通過電池或者電化學(xué)能量存儲器的電流。
[0010]本發(fā)明的以外基礎(chǔ)的思想在于，可通過外部電壓源控制的薄膜的形式的一個或多個有機晶體管集成到電池組復(fù)合系統(tǒng)中的一個或兩個電極上，使得有機晶體管的與電池的剩余內(nèi)電阻串聯(lián)的電阻可以通過外部施加的電壓適當(dāng)?shù)那袚Q，也就是電池切換為低電阻或高電阻。此外可實現(xiàn)定義的導(dǎo)納，如用于適當(dāng)產(chǎn)生損耗熱量。開關(guān)如此集成在電子傳導(dǎo)路徑上，使得沒有與電池組電池的其他組件的相互影響發(fā)現(xiàn)。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的有利的實施方式規(guī)定，薄膜晶體管裝置構(gòu)造成布置在電化學(xué)能量存儲器的電池中。這允許具有集成的開關(guān)設(shè)備的電化學(xué)能量存儲器的緊湊構(gòu)造。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的其他有利的實施方式規(guī)定，開關(guān)設(shè)備還具有調(diào)節(jié)裝置，其構(gòu)造成，檢測電化學(xué)能量存儲器的當(dāng)前占優(yōu)勢的內(nèi)電阻并且基于檢測的內(nèi)電阻調(diào)整內(nèi)電阻和串聯(lián)連接的可控制電阻的總電阻。這以簡單的方式(而不與電流電池相互作用)允許調(diào)節(jié)內(nèi)電阻。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的其他有利的實施方式規(guī)定，薄膜晶體管裝置與電極的活性材料空間分離。有利地這允許，避免在活性材料和薄膜晶體管裝置之間的化學(xué)反應(yīng)。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的其他有利的實施方式規(guī)定，有機晶體管布置在至少兩個金屬薄膜之間。因此有機晶體管可有利地直接接觸。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的其他有利的實施方式規(guī)定，薄膜晶體管裝置的至少一個有機晶體管構(gòu)造成有機場效應(yīng)-晶體管。這允許薄膜晶體管裝置的簡單和緊湊的構(gòu)造。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的其他有利的實施方式規(guī)定，有機場效應(yīng)-晶體管以垂直的布置來構(gòu)造。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的其他有利的實施方式規(guī)定，有機場效應(yīng)-晶體管以水平的布置來構(gòu)造。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的其他有利的實施方式規(guī)定，有機場效應(yīng)-晶體管具有源區(qū)和漏區(qū)，其分別具有多個相互嚙合的接觸指。由此可以提供安全并且高效的電流路徑用于接觸有機層。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的其他有利的實施方式規(guī)定，薄膜晶體管裝置構(gòu)造成，借助于印刷方法施加到電化學(xué)能量存儲器的至少一個電極上。有利地這允許，以簡單的方式并且成本低地制造薄膜晶體管裝置。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的其他有利的實施方式規(guī)定，薄膜晶體管裝置的表面積基本上對應(yīng)于電極的表面積。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的其他有利的實施方式規(guī)定，薄膜晶體管裝置構(gòu)造成柔性的。
[0022]所述的擴展方案和實施方式可以以任意地彼此組合。
[0023]本發(fā)明的其他可能擴展方案、改進方案和實現(xiàn)還包括先前或下面參照實施例描述的本發(fā)明的特征的未明確提及的組合。
【附圖說明】
[0024]隨附的附圖會傳達本發(fā)明的實施方式的其他理解。它們說明實施方式并且連同描述用于本發(fā)明的原理和概念的解釋。
[0025]其他實施方式和許多提及的優(yōu)點鑒于附圖給出。附圖的示出的元素并非一定按比例彼此示出。
[0026]其中:
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的用于電化學(xué)能量存儲器的開關(guān)設(shè)備的示意圖；
圖2示出用于解釋本發(fā)明的垂直有機晶體管的示意圖；
圖3示出用于解釋本發(fā)明的垂直有機晶體管的示意圖；
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的其他實施方式的用于電化學(xué)能量存儲器的開關(guān)設(shè)備的示意圖； 圖5示出用于解釋本發(fā)明的水平有機晶體管的示意圖；
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的其他實施方式的用于電化學(xué)能量存儲器的開關(guān)設(shè)備的示意圖；
以及
圖7示出根據(jù)本發(fā)明的其他實施方式的能量存儲器系統(tǒng)的示意圖。
[0027]在附圖的圖形中相同的附圖標(biāo)記指示相同或功能相同的元件、部件、組件或方法步驟，除非相反指出。
【具體實施方式】
[0028]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的用于電化學(xué)能量存儲器的開關(guān)設(shè)備的示意圖。
[0029]用于電化學(xué)能量存儲器10的開關(guān)設(shè)備15包括薄膜晶體管裝置20。
[0030]薄膜晶體管裝置20可以施加到電能量存儲器10的電極的構(gòu)造為基膜的電流導(dǎo)電體16，17的后面。在此確保，不會發(fā)生(有機)晶體管材料和電極的活性材料11，13，能量存儲器10的電解質(zhì)或其他內(nèi)含物質(zhì)之間的反應(yīng)。
[0031]薄膜晶體管裝置20的分離面18可以構(gòu)造成金屬或?qū)щ姳∧せ驅(qū)硬⑶一钚圆牧?1，13以及電解質(zhì)與薄膜晶體管裝置20機械分離，也就是通過分離面18避免材料或物質(zhì)流動。
[0032]電能量存儲器10的分離器12可以構(gòu)造為離子可穿透薄膜的中間層并且用電解質(zhì)浸透。
[0033]對此在本發(fā)明的有利的實施中在有機場效應(yīng)晶體管20或者21，22和活性材料11，13之間引入其他電子傳導(dǎo)薄膜。
[0034]薄膜晶體管裝置可以具有至少一個有機晶體管21，22并且在層系統(tǒng)內(nèi)部可平面地施加電化學(xué)能量存儲器10的至少一個電極，其中能量存儲器的電極通常由電流導(dǎo)電體，活性材料，粘合劑和必要時其他成分的復(fù)合組成。
[0035]通過到外部電壓源30的連接器25可以在有機晶體管21，22上施加控制或柵極電壓。這意味著，可控制有機晶體管21，22并且以可控制電阻的形式控制電化學(xué)能量存儲器10的內(nèi)電阻。
[0036]在此有機晶體管21，22例如與電能量存儲器10的內(nèi)電阻串聯(lián)連接。此外其他有機晶體管21，22可以與電能量存儲器10的內(nèi)電阻并聯(lián)連接，以便可以橋接能量存儲器10。
[0037]還可設(shè)想例如在兩層之間的有機晶體管21，22的殼體是金屬薄膜。在有機晶體管21，22與電池的活性材料的直接連接的情況下確信，有機晶體管21，22的使用的基膜具有相對于在電化學(xué)能量存儲器10中包含的電解質(zhì)或其他物質(zhì)的抗性。
[0038]圖2示出用于解釋本發(fā)明的垂直有機晶體管的示意圖。
[0039]以垂直布置的有機晶體管21包括例如具有第一層的層系統(tǒng)，所述第一層例如構(gòu)造為鋁箔并且是有機晶體管21的漏電極21-1。此外第二層可以例如構(gòu)造為具有有機電子材料或有機半導(dǎo)體(如并五苯)的層21-2。第三層也可以構(gòu)造為鋁箔，其為有機晶體管21的源電極21-3。第四層21-4可以構(gòu)造為鋰氟化物層。第五層再次可以構(gòu)造為鋁箔，其為有機晶體管21的柵電極21-5。第六層可以以玻璃載體襯底或基膜21-6的形式構(gòu)造。
[0040]通過襯底或者基膜的電流通過可以通過定義的電流路徑例如碳纖維確保。此外基膜自己可以導(dǎo)通，如鋁箔，如在圖2中所示。
[0041]例如晶體管裝置20的有機晶體管21，22可通過噴墨薄膜印刷機的印刷過程施加到基膜上。
[0042]OFET的相比于晶體場效應(yīng)晶體管提高的通過電阻可以通過OFET的較大表面積的構(gòu)造補償，其基本上可以增長到使用的基膜的表面。基本上這可意味著例如達到使用基膜的表面的95%。
[0043]晶體管裝置20的晶體管21，22在其位于單獨基膜上時可以，例如通過按壓或其他在電池制造時使用的方法與電池電極之一接觸。備選地它直接例如施加到用于接觸電極的薄膜的背面上。
[0044]例如晶體管裝置20的有機晶體管21，22可以通過噴墨薄膜印刷器的印刷過程施加到基膜上。薄膜晶體管裝置20可施加到電能量存儲器10的電極的構(gòu)造為基膜的電流導(dǎo)電體16，17的背面上。
[0045 ]電能量存儲器1的電極包括例如電流導(dǎo)電體，活性材料以及其他添加物。
[0046]在制造OFET時通過使用柔性材料在電池生產(chǎn)時可以對其進行簡單地加工，例如通過電極的自動卷繞，并且與堅固的材料(如玻璃或陶瓷)相比，還提供在電池的內(nèi)部在微運動的情況下一定的可運動性，其例如在電化學(xué)能量存儲器10的充電或放電期間通過熱膨脹過程或通過改變的壓力或應(yīng)力比率產(chǎn)生。
[0047]圖3示出在圖2中已描述的垂直有機晶體管21的截面。
[0048]圖3的其他附圖標(biāo)記先前已經(jīng)在圖2的附圖描述中描述并且在此現(xiàn)在不再再次解釋。
[0049]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的其他實施方式的電化學(xué)能量存儲器的開關(guān)設(shè)備的示意圖。
[0050]用于電化學(xué)能量存儲器10的開關(guān)設(shè)備15包括薄膜晶體管裝置20的垂直有機晶體管。開關(guān)設(shè)備15與電化學(xué)能量存儲器10和外部電壓源30耦合。因此開關(guān)設(shè)備15可通過由外部電壓源30產(chǎn)生的控制電壓控制，控制電壓通過柵電極施加。
[0051]在垂直布置或垂直結(jié)構(gòu)的情況下電流流過接通的晶體管21，22，也就是從漏極到源極。柵極是控制接頭，通過控制接頭開關(guān)晶體管21，22。如果此時其上施加晶體管結(jié)構(gòu)的基膜導(dǎo)電，則電流可以直接在薄膜中流動。
[0052]這個結(jié)構(gòu)因此可以大面積地在薄膜上制造。從漏極的接觸可以通過其他傳導(dǎo)膜制造，其位于晶體管結(jié)構(gòu)上面并且例如通過按壓或其他方法接觸。
[0053]圖5示出水平有機晶體管的示意圖用于解釋本發(fā)明。
[0054]有機晶體管21，22可以以垂直布置或以水平布置的形式構(gòu)造。在水平布置的情況下實現(xiàn)并聯(lián)于基膜的電流導(dǎo)通。在此要求導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)以便接觸0FET。在圖5中示出可能的水平布置。
[0055]水平布置的有機晶體管22包括例如層系統(tǒng)，層系統(tǒng)具有第一層，其例如構(gòu)造為鋁箔并且為有機晶體管22的漏電極22-1。第二層又可以構(gòu)造為鋁箔，其是有機晶體管22的源電極22-2。此外第三層可構(gòu)造例如層22-3，其具有有機電子材料或有機半導(dǎo)體(如并五苯)。第四層22-4可以構(gòu)造為介電層，如自組織單層(英語:self-assembled monolayer)，SAM或氧化鋁。
[0056]第五層22-5又可以構(gòu)造為鋁箔，其是柵有機晶體管22的電極22-6，在此其他金屬中間層22-6可構(gòu)造為第六層。
[0057]此外有機晶體管22可以布置在基膜層22-7上，其中基膜層可以構(gòu)造為不連續(xù)導(dǎo)電的。
[0058]圖6示出根據(jù)本發(fā)明的其他實施方式的用于電化學(xué)能量存儲器的開關(guān)設(shè)備的示意圖。
[0059]有機場效應(yīng)-晶體管22可具有源區(qū)和漏區(qū)，其分別具有多個相互嚙合的接觸指。漏極接觸指23和源極接觸指24相互嚙合地位于相同基膜上。OFET布置在指之間。基膜同時是到柵極的分離。開關(guān)設(shè)備15與外部電壓源30耦合。
[0060]如果這些布置和構(gòu)造在電路技術(shù)上實現(xiàn)相同效果，則與示出相互嚙合的指不同的接觸的其他布置和構(gòu)造也是可能的。
[0061]因此，例如還可以使用任意的梳結(jié)構(gòu)取代示出的指結(jié)構(gòu)。
[0062]開關(guān)設(shè)備還可以作為保護開關(guān)使用，其在故障情況中阻止電池內(nèi)的電流流動。因為它在從外部可接近的電池連接器中出現(xiàn)，還可以借助于并聯(lián)支路橋接缺陷電池。
[0063]如果多個如此設(shè)計的電池與線路并聯(lián)連接并且這些電池的每個可單獨控制，則作為進一步的益處連同相應(yīng)電池的互補的可開關(guān)的橋接路徑能以電池電壓的步幅調(diào)節(jié)線路的總電壓。
[0064]圖7示出根據(jù)本發(fā)明的其他實施方式的能量存儲器系統(tǒng)的示意圖。
[0065]能量存儲器系統(tǒng)50具有例如至少兩個電化學(xué)能量存儲器10，和至少一個電壓源30和控制裝置40，其設(shè)計成能量存儲器系統(tǒng)的輸出電壓借助于電能量存儲器10的開關(guān)設(shè)備15調(diào)整。
[0066]至少兩個電化學(xué)能量存儲器10可以并聯(lián)或串聯(lián)或以其他任意的方式連接到線路。
[0067]在相應(yīng)的控制的情況下分級的半波通過線路的控制的連接可示出；電池組還可以作為可控制電壓源使用。因此在足夠電池數(shù)量的情況下輸出電壓的近正弦調(diào)制也是可能的。
[0068]在電池中內(nèi)嵌的晶體管的控制和必要時第二外部或內(nèi)部旁通晶體管(如果設(shè)置)的控制，以有利方式通過對于鋰電池需要的電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)，這是因為它已經(jīng)位于相應(yīng)電池的電勢上并且還存在相應(yīng)功能性。
[0069]盡管根據(jù)優(yōu)選實施例先前描述本發(fā)明，但它不限于此，而是可以以多種多樣的方式和方法修改。尤其是本發(fā)明可以多種方式改變或修改，而不背尚本發(fā)明的核心。
[0070]補充地指出，“包括”和“包含”不排除其他元件或步驟并且“一個”或“一”不排除多個。此外指出，參照上述實施例描述的特征或步驟還可以與其他上述實施例的其他特征或步驟組合使用。在權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記不被看作限制。
【主權(quán)項】
1.用于電化學(xué)能量存儲器(10)的開關(guān)設(shè)備(15)，具有:薄膜晶體管裝置(20)，所述薄膜晶體管裝置具有至少一個有機晶體管(21，22)并且平面地施加在電化學(xué)能量存儲器(10)的至少一個電極上并且可由外部電壓源(30)控制并且構(gòu)造作為可控制電阻串聯(lián)于電化學(xué)能量存儲器(10)的內(nèi)電阻。2.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)設(shè)備，其中所述薄膜晶體管裝置(20)構(gòu)造為布置在電化學(xué)能量存儲器(10)的電池中。3.如權(quán)利要求1或2所述的開關(guān)設(shè)備，其中所述開關(guān)設(shè)備(15)還具有調(diào)節(jié)裝置，其構(gòu)造成檢測電化學(xué)能量存儲器(10)的當(dāng)前占優(yōu)勢的內(nèi)電阻并且基于所檢測的內(nèi)電阻調(diào)整內(nèi)電阻和串聯(lián)連接的可控制電阻的的總電阻。4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的開關(guān)設(shè)備，其中所述薄膜晶體管裝置(20)與電極的活性材料(11，13)空間分離。5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的開關(guān)設(shè)備，其中所述有機晶體管(21，22)布置在至少兩個金屬薄膜之間。6.如權(quán)利要求1-5中任一項所述的開關(guān)設(shè)備，其中薄膜晶體管裝置(20)的所述至少一個有機晶體管(21，22)構(gòu)造成有機場效應(yīng)-晶體管。7.如權(quán)利要求6所述的開關(guān)設(shè)備，其中所述有機場效應(yīng)-晶體管以垂直的布置來構(gòu)造。8.如權(quán)利要求6所述的開關(guān)設(shè)備，其中所述有機場效應(yīng)-晶體管以水平的布置來構(gòu)造。9.如權(quán)利要求6-8中任一項所述的開關(guān)設(shè)備，其中所述有機場效應(yīng)-晶體管具有源區(qū)和漏區(qū)，其分別具有多個相互嚙合的接觸指或電適合的電路。10.如權(quán)利要求1-9中任一項所述的開關(guān)設(shè)備，其中所述薄膜晶體管裝置(20)構(gòu)造成，借助于印刷方法施加到電化學(xué)能量存儲器(10)的至少一個電極上。11.如權(quán)利要求1-10中任一項所述的開關(guān)設(shè)備，其中薄膜晶體管裝置(20)的表面積基本上對應(yīng)于電極的表面積。12.如權(quán)利要求1-11中任一項所述的開關(guān)設(shè)備，其中所述薄膜晶體管裝置(20)構(gòu)造成柔性的。13.電化學(xué)能量存儲器，具有如權(quán)利要求1-11中任一項所述的開關(guān)設(shè)備(15)。14.能量存儲器系統(tǒng)，具有至少兩個如權(quán)利要求13所述的電化學(xué)能量存儲器(10)和至少一個電壓源(30)。15.如權(quán)利要求14所述的能量存儲器系統(tǒng)，其具有控制裝置(40)，所述控制裝置設(shè)計成，借助于電能量存儲器的開關(guān)設(shè)備調(diào)整能量存儲器系統(tǒng)的輸出電壓。
【文檔編號】H02J7/00GK106062980SQ201480069394
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2014年10月14日
【發(fā)明人】A.凱澤, A.奧內(nèi)索格, M.霍夫曼, J.施坦萬德爾, M.皮拉瓦
【申請人】空中客車防衛(wèi)和太空有限責(zé)任公司