用于电化学能量存储器和能量存储器系统的开关设备

摘要

本发明涉及用于电化学能量存储器(10)的开关设备(15)，具有：薄膜晶体管装置(20)，其具有至少一个有机晶体管(21，22)并且平面地施加到电化学能量存储器的至少一个电极并且可由外部电压源(30)控制并且作为可控制电阻串联于电化学能量存储器的内电阻构造。

说明书

技术领域

本发明涉及用于电化学能量存储器的开关设备，电化学能量存储器和能量存储器系统。

背景技术

DE19529849A1描述具有保护设备的电化学电池，该保护设备具有相同极性的至少两个并联连接的电极并且其作为具有较高能量密度的能量存储器（如其在电动街道车辆中使用）使用。

在那里描述的保护设备的情况下保护电化学电池免受整个电池的破裂或者供应失败并且偶尔报告电池的损坏，其中存在相同极性的至少两个并联连接的电极，其中相同极性的并联连接的个体电极的每个与安全元件相连。

如果超过电流阈值，那里描述的安全元件中断在个体电极和连接个体电极的电流导电体之间的电接触，其中安全元件具有探测装置，该探测装置报告电池外部的安全元件的反应。

DE2917328C3描述具有保险丝的电元件。

发明内容

本发明的任务在于，提供用于电能量存储器的安全功能。

该任务通过独立权利要求的主题解决。本发明的改进方案从从属权利要求和下面描述给出。

根据本发明的方面提供用于电化学能量存储器的开关设备，开关设备包括薄膜晶体管装置，其具有至少一个有机晶体管并且可平面地施加到电化学能量存储器的至少一个电极上并且可由外部电压源控制并且作为可控制电阻串联于电化学能量存储器的内电阻构造。

本发明的思路在于，对于电化学能量存储器，也即是对于电池组或蓄电池，实现电流的接通和/或切断，在故障情况（如由系统内部或外部短路导致的）中可以中断通过电池或者电化学能量存储器的电流。

本发明的以外基础的思想在于，可通过外部电压源控制的薄膜的形式的一个或多个有机晶体管集成到电池组复合系统中的一个或两个电极上，使得有机晶体管的与电池的剩余内电阻串联的电阻可以通过外部施加的电压适当的切换，也就是电池切换为低电阻或高电阻。此外可实现定义的导纳，如用于适当产生损耗热量。开关如此集成在电子传导路径上，使得没有与电池组电池的其他组件的相互影响发现。

根据本发明的有利的实施方式规定，薄膜晶体管装置构造成布置在电化学能量存储器的电池中。这允许具有集成的开关设备的电化学能量存储器的紧凑构造。

根据本发明的其他有利的实施方式规定，开关设备还具有调节装置，其构造成，检测电化学能量存储器的当前占优势的内电阻并且基于检测的内电阻调整内电阻和串联连接的可控制电阻的总电阻。这以简单的方式（而不与电流电池相互作用）允许调节内电阻。

根据本发明的其他有利的实施方式规定，薄膜晶体管装置与电极的活性材料空间分离。有利地这允许，避免在活性材料和薄膜晶体管装置之间的化学反应。

根据本发明的其他有利的实施方式规定，有机晶体管布置在至少两个金属薄膜之间。因此有机晶体管可有利地直接接触。

根据本发明的其他有利的实施方式规定，薄膜晶体管装置的至少一个有机晶体管构造成有机场效应-晶体管。这允许薄膜晶体管装置的简单和紧凑的构造。

根据本发明的其他有利的实施方式规定，有机场效应-晶体管以垂直的布置来构造。

根据本发明的其他有利的实施方式规定，有机场效应-晶体管以水平的布置来构造。

根据本发明的其他有利的实施方式规定，有机场效应-晶体管具有源区和漏区，其分别具有多个相互啮合的接触指。由此可以提供安全并且高效的电流路径用于接触有机层。

根据本发明的其他有利的实施方式规定，薄膜晶体管装置构造成，借助于印刷方法施加到电化学能量存储器的至少一个电极上。有利地这允许，以简单的方式并且成本低地制造薄膜晶体管装置。

根据本发明的其他有利的实施方式规定，薄膜晶体管装置的表面积基本上对应于电极的表面积。

根据本发明的其他有利的实施方式规定，薄膜晶体管装置构造成柔性的。

所述的扩展方案和实施方式可以以任意地彼此组合。

本发明的其他可能扩展方案、改进方案和实现还包括先前或下面参照实施例描述的本发明的特征的未明确提及的组合。

附图说明

随附的附图会传达本发明的实施方式的其他理解。它们说明实施方式并且连同描述用于本发明的原理和概念的解释。

其他实施方式和许多提及的优点鉴于附图给出。附图的示出的元素并非一定按比例彼此示出。

其中：

图1示出根据本发明的实施方式的用于电化学能量存储器的开关设备的示意图;

图2示出用于解释本发明的垂直有机晶体管的示意图;

图3示出用于解释本发明的垂直有机晶体管的示意图;

图4示出根据本发明的其他实施方式的用于电化学能量存储器的开关设备的示意图;

图5示出用于解释本发明的水平有机晶体管的示意图;

图6示出根据本发明的其他实施方式的用于电化学能量存储器的开关设备的示意图;以及

图7示出根据本发明的其他实施方式的能量存储器系统的示意图。

在附图的图形中相同的附图标记指示相同或功能相同的元件、部件、组件或方法步骤，除非相反指出。

具体实施方式

图1示出根据本发明的实施方式的用于电化学能量存储器的开关设备的示意图。

用于电化学能量存储器10的开关设备15包括薄膜晶体管装置20。

薄膜晶体管装置20可以施加到电能量存储器10的电极的构造为基膜的电流导电体16，17的后面。在此确保，不会发生(有机)晶体管材料和电极的活性材料11，13，能量存储器10的电解质或其他内含物质之间的反应。

薄膜晶体管装置20的分离面18可以构造成金属或导电薄膜或层并且活性材料11，13以及电解质与薄膜晶体管装置20机械分离，也就是通过分离面18避免材料或物质流动。

电能量存储器10的分离器12可以构造为离子可穿透薄膜的中间层并且用电解质浸透。

对此在本发明的有利的实施中在有机场效应晶体管20或者21，22和活性材料11，13之间引入其他电子传导薄膜。

薄膜晶体管装置可以具有至少一个有机晶体管21，22并且在层系统内部可平面地施加电化学能量存储器10的至少一个电极，其中能量存储器的电极通常由电流导电体，活性材料，粘合剂和必要时其他成分的复合组成。

通过到外部电压源30的连接器25可以在有机晶体管21，22上施加控制或栅极电压。这意味着，可控制有机晶体管21，22并且以可控制电阻的形式控制电化学能量存储器10的内电阻。

在此有机晶体管21，22例如与电能量存储器10的内电阻串联连接。此外其他有机晶体管21，22可以与电能量存储器10的内电阻并联连接，以便可以桥接能量存储器10。

还可设想例如在两层之间的有机晶体管21，22的壳体是金属薄膜。在有机晶体管21，22与电池的活性材料的直接连接的情况下确信，有机晶体管21，22的使用的基膜具有相对于在电化学能量存储器10中包含的电解质或其他物质的抗性。

图2示出用于解释本发明的垂直有机晶体管的示意图。

以垂直布置的有机晶体管21包括例如具有第一层的层系统，所述第一层例如构造为铝箔并且是有机晶体管21的漏电极21-1。此外第二层可以例如构造为具有有机电子材料或有机半导体（如并五苯）的层21-2。第三层也可以构造为铝箔，其为有机晶体管21的源电极21-3。第四层21-4可以构造为锂氟化物层。第五层再次可以构造为铝箔，其为有机晶体管21的栅电极21-5。第六层可以以玻璃载体衬底或基膜21-6的形式构造。

通过衬底或者基膜的电流通过可以通过定义的电流路径例如碳纤维确保。此外基膜自己可以导通，如铝箔，如在图2中所示。

例如晶体管装置20的有机晶体管21，22可通过喷墨薄膜印刷机的印刷过程施加到基膜上。

OFET的相比于晶体场效应晶体管提高的通过电阻可以通过OFET的较大表面积的构造补偿，其基本上可以增长到使用的基膜的表面。基本上这可意味着例如达到使用基膜的表面的95%。

晶体管装置20的晶体管21，22在其位于单独基膜上时可以，例如通过按压或其他在电池制造时使用的方法与电池电极之一接触。备选地它直接例如施加到用于接触电极的薄膜的背面上。

例如晶体管装置20的有机晶体管21，22可以通过喷墨薄膜印刷器的印刷过程施加到基膜上。薄膜晶体管装置20可施加到电能量存储器10的电极的构造为基膜的电流导电体16，17的背面上。

电能量存储器10的电极包括例如电流导电体，活性材料以及其他添加物。

在制造OFET时通过使用柔性材料在电池生产时可以对其进行简单地加工，例如通过电极的自动卷绕，并且与坚固的材料（如玻璃或陶瓷）相比，还提供在电池的内部在微运动的情况下一定的可运动性，其例如在电化学能量存储器10的充电或放电期间通过热膨胀过程或通过改变的压力或应力比率产生。

图3示出在图2中已描述的垂直有机晶体管21的截面。

图3的其他附图标记先前已经在图2的附图描述中描述并且在此现在不再再次解释。

图4示出根据本发明的其他实施方式的电化学能量存储器的开关设备的示意图。

用于电化学能量存储器10的开关设备15包括薄膜晶体管装置20的垂直有机晶体管。开关设备15与电化学能量存储器10和外部电压源30耦合。因此开关设备15可通过由外部电压源30产生的控制电压控制，控制电压通过栅电极施加。

在垂直布置或垂直结构的情况下电流流过接通的晶体管21，22，也就是从漏极到源极。栅极是控制接头，通过控制接头开关晶体管21，22。如果此时其上施加晶体管结构的基膜导电，则电流可以直接在薄膜中流动。

这个结构因此可以大面积地在薄膜上制造。从漏极的接触可以通过其他传导膜制造，其位于晶体管结构上面并且例如通过按压或其他方法接触。

图5示出水平有机晶体管的示意图用于解释本发明。

有机晶体管21，22可以以垂直布置或以水平布置的形式构造。在水平布置的情况下实现并联于基膜的电流导通。在此要求导电的结构以便接触OFET。在图5中示出可能的水平布置。

水平布置的有机晶体管22包括例如层系统，层系统具有第一层，其例如构造为铝箔并且为有机晶体管22的漏电极22-1。第二层又可以构造为铝箔，其是有机晶体管22的源电极22-2。此外第三层可构造例如层22-3，其具有有机电子材料或有机半导体（如并五苯）。第四层22-4可以构造为介电层，如自组织单层(英语：self-assembled monolayer)，SAM或氧化铝。

第五层22-5又可以构造为铝箔，其是栅有机晶体管22的电极22-6，在此其他金属中间层22-6可构造为第六层。

此外有机晶体管22可以布置在基膜层22-7上，其中基膜层可以构造为不连续导电的。

图6示出根据本发明的其他实施方式的用于电化学能量存储器的开关设备的示意图。

有机场效应-晶体管22可具有源区和漏区，其分别具有多个相互啮合的接触指。漏极接触指23和源极接触指24相互啮合地位于相同基膜上。OFET布置在指之间。基膜同时是到栅极的分离。开关设备15与外部电压源30耦合。

如果这些布置和构造在电路技术上实现相同效果，则与示出相互啮合的指不同的接触的其他布置和构造也是可能的。

因此，例如还可以使用任意的梳结构取代示出的指结构。

开关设备还可以作为保护开关使用，其在故障情况中阻止电池内的电流流动。因为它在从外部可接近的电池连接器中出现，还可以借助于并联支路桥接缺陷电池。

如果多个如此设计的电池与线路并联连接并且这些电池的每个可单独控制，则作为进一步的益处连同相应电池的互补的可开关的桥接路径能以电池电压的步幅调节线路的总电压。

图7示出根据本发明的其他实施方式的能量存储器系统的示意图。

能量存储器系统50具有例如至少两个电化学能量存储器10，和至少一个电压源30和控制装置40，其设计成能量存储器系统的输出电压借助于电能量存储器10的开关设备15调整。

至少两个电化学能量存储器10可以并联或串联或以其他任意的方式连接到线路。

在相应的控制的情况下分级的半波通过线路的控制的连接可示出;电池组还可以作为可控制电压源使用。因此在足够电池数量的情况下输出电压的近正弦调制也是可能的。

在电池中内嵌的晶体管的控制和必要时第二外部或内部旁通晶体管（如果设置）的控制，以有利方式通过对于锂电池需要的电池管理系统实现，这是因为它已经位于相应电池的电势上并且还存在相应功能性。

尽管根据优选实施例先前描述本发明，但它不限于此，而是可以以多种多样的方式和方法修改。尤其是本发明可以多种方式改变或修改，而不背离本发明的核心。

补充地指出，“包括”和“包含”不排除其他元件或步骤并且“一个”或“一”不排除多个。此外指出，参照上述实施例描述的特征或步骤还可以与其他上述实施例的其他特征或步骤组合使用。在权利要求中的附图标记不被看作限制。