DE102010050994A1

DE102010050994A1 - Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle

Info

Publication number: DE102010050994A1
Application number: DE102010050994A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Hohenthanner Claus-Rupert; Dipl.-Chem. Dr. Kaiser Jörg; Dr. Kaufmann Rainer; Dr.-Ing. Meintschel Jens; Dipl.-Ing. Dr. Schröter Dirk
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2012-05-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle (1) für eine Batterie, wobei ein Gehäuse der Einzelzelle (1) aus zwei Hüllblechen (2, 3) und einem mit diesen verbundenen thermoplastischen Rahmen (4) gebildet wird. Erfindungsgemäß wird zumindest eine Innenseite zumindest eines der Hüllbleche (2) zumindest bereichsweise mechanisch, chemisch und/oder thermisch vorbehandelt und der Rahmen (4) an dieses vorbehandelte Hüllblech (2) in einem Spritzgussprozess oder in einem Spritzprägeprozess angeformt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind Einzelzellen in Form von bipolaren Flachzellen bekannt. Bei derartigen Einzelzellen werden zwei metallische Hüllbleche über einen elektrisch isolierenden Rahmen miteinander verbunden. Die Hüllbleche dienen gleichzeitig als Pol und als Wärmeleitblech. Die Wärme wird über die entsprechend aufgedickten Hüllbleche nach außerhalb geleitet und an eine Kühlplatte abgegeben, die von Klimakühlmittel oder einer separaten Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Zur elektrischen Isolation der Hüllbleche gegenüber der metallischen Kühlplatte ist dazwischen eine Wärmeleitfolie angeordnet. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs sind die Hüllbleche im Bereich der Kühlplatte parallel zu dieser rechtwinklig abgekantet. Im Inneren der Einzelzelle sind die mit elektrochemisch wirksamen Materialien beschichteten Anoden- und Kathodenfolien übereinander gestapelt und dabei durch einen Separator voneinander elektrisch getrennt. An den Rändern werden die metallischen Folien jeweils etwas überstehen gelassen und miteinander und mit den die Zellpole bildenden Hüllblechen durch Schweißung verbunden. Der Verschluss der Zelle erfolgt durch einen Heißpressvorgang, bei dem der thermoplastische Rahmen partiell aufgeschmolzen wird und sich bei Erkalten mit den Hüllblechen verbindet.
In der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2009 035 454 der Anmelderin wird eine Batterieeinzelzelle beschrieben. Die Batterieeinzelzelle ist mit einem Rahmen und zwei den Rahmen in Stapelrichtung verschließenden Hüllblechen versehen. Im Bereich des Rahmens und im Bereich wenigstens eines der Hüllbleche sind Mittel zur Positionierung des wenigstens einen Hüllblechs gegenüber dem Rahmen ausgebildet. Der Rahmen ist an eines der Hüllbleche angespritzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
In einem Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle für eine Batterie wird ein Gehäuse der Einzelzelle aus zwei Hüllblechen und einem mit diesen verbundenen thermoplastischen Rahmen gebildet.
Erfindungsgemäß wird zumindest eine Innenseite zumindest eines der Hüllbleche zumindest bereichsweise mechanisch, chemisch und/oder thermisch vorbehandelt und der Rahmen wird an dieses vorbehandelte Hüllblech in einem Spritzgussprozess oder in einem Spritzprägeprozess angeformt.
Durch das Vorbehandeln und das anschließende Spritzgießen oder Spritzprägen wird eine besonders belastbare Verbindung des Rahmens mit dem vorbehandelten Hüllblech erzielt. Ein Verschluss des Gehäuses erfolgt beispielsweise in einem Heißpressvorgang, in welchem dann lediglich das weitere Hüllblech auf den Rahmen gepresst und dieser teilweise angeschmolzen wird. Dadurch entsteht lediglich eine Heißpressschweißnaht, so dass das Gehäuse wesentlich belastbarer ist als ein Gehäuse, bei welchem beide Hüllbleche durch Heißpressen mit dem Rahmen verbunden sind und welches daher zwei dieser Heißpressschweißnähte aufweist. Das weitere Hüllblech muss vor dem Heißpressvorgang nicht vorbehandelt werden. Es ist jedoch eine Vorbehandlung auch des weiteren Hüllblechs analog zum ersten vorbehandelten Hüllblech möglich, um die Verbindung auch des weiteren Hüllblechs mit dem Rahmen zu verbessern.
Des Weiteren wird durch das Anformen des Rahmens an das erste vorbehandelte Hüllblech im Spritzgussprozess oder im Spritzprägeprozess eine exakte Positionierung des Rahmens am ersten vorbehandelten Hüllblech ermöglicht, so dass wesentlich weniger fehlerhafte und nicht verwendbare Gehäuse bzw. Einzelzellen produziert werden. Auf diese Weise sind Fertigungszeiten und insbesondere Fertigungs- und Materialkosten reduziert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle,
2 eine Schnittdarstellung einer Einzelzelle,
3 eine Explosionsdarstellung einer Einzelzelle
4 eine Schnittdarstellung eines Randbereichs einer noch nicht verschlossenen Einzelzelle und
5 eine Schnittdarstellung eines Randbereichs einer verschlossenen Einzelzelle.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle 1 und 2 eine Schnittdarstellung der Einzelzelle 1. Die als bipolare Rahmenflachzelle ausgebildete Einzelzelle 1 weist ein Gehäuse aus zwei Hüllblechen 2, 3 und einem mit diesen verbundenen thermoplastischen Rahmen 4 auf. Die Hüllbleche 2, 3 dienen gleichzeitig als Zellpole der Einzelzelle 1 und als Wärmeleitbleche.
Im Gehäuse ist eine Elektrodenfolieneinheit 5 angeordnet, welche aus mit elektrochemisch wirksamen Materialien beschichteten, übereinander gestapelten und jeweils durch einen Separator voneinander elektrisch getrennten Anoden- und Kathodenfolien gebildet ist. Die Folien sind an überstehenden Rändern miteinander und mit den die Zellpole bildenden Hüllblechen 2, 3 durch Schweißung verbunden.
Eine nicht näher dargestellte Batterie weist eine Mehrzahl dieser Einzelzellen 1 auf, welche parallel zueinander ausgerichtet und hintereinander angeordnet sind, wobei sie über die Hüllbleche 2, 3 miteinander elektrisch kontaktiert sind. Eine derartige Batterie ist beispielsweise eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb, ein Brennstoffzellenfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug.
In einem Verfahren zur Herstellung der Einzelzelle 1 wird zumindest eine dem Elektrodenfolienstapel zugewandte Innenseite zumindest des ersten Hüllblechs 2 zumindest bereichsweise, d. h. in Bereichen, auf welchen der Rahmen 4 befestigt werden soll, mechanisch, chemisch und/oder thermisch vorbehandelt. Dazu wird auf diese Bereiche beispielsweise ein Haftmittel aufgebracht, welches eine Haftung zwischen dem Rahmen 4 und dem ersten Hüllblech 2 erhöht, zum Beispiel ein Bindemittel oder ein Haftvermittler.
Alternativ oder zusätzlich werden durch ein Umformen des ersten Hüllblechs 2 und/oder durch ein Anformen an das erste Hüllblech 2 ein oder mehrere Verbindungsmittel für eine formschlüssige Verbindung des Rahmens 4 mit dem ersten Hüllblech 2 erzeugt. Diese Verbindungsmittel sind beispielsweise Nasen, Noppen, Ösen und/oder partielle Durchbrüche.
Des Weiteren können diese Bereiche des ersten Hüllblechs 2 beispielsweise auch durch Ätzen, mittels Laserstrahlung oder durch mechanische Bearbeitung vorbehandelt werden, um auf diese Weise eine Oberfläche des ersten Hüllblechs 2 aufzurauen und/oder vorteilhafterweise Hinterschneidungen in einem Material des ersten Hüllblechs 2 zu erzeugen. In diesen Hinterschneidungen kann sich ein Material des Rahmens 4 anlagern, so dass eine sehr belastbare formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Hüllblech 2 und dem Rahmen 4 realisierbar ist.
Nach dieser mechanischen, chemischen und/oder thermischen Vorbehandlung des ersten Hüllblechs 2 wird der Rahmen 4 an das erste Hüllblech 2 in einem Spritzgussprozess oder in einem Spritzprägeprozess angeformt. In der Verfahrensvariante des Spritzgussprozesses wird das erste Hüllblech 2 in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt, welches einen Formhohlraum in Form des zu spritzenden Rahmens 4 aufweist. Das Werkzeug wird geschlossen und mit thermoplastischem Kunststoff ausgespritzt, so dass der Kunststoff in Form des Rahmens 4 an das erste Hüllblech 2 angespritzt wird. Nachdem der Kunststoff ausreichend abgekühlt und gehärtet ist, wird das Spritzgusswerkzeug geöffnet und das erste Hüllblech 2 mit angespritztem Rahmen 4 wird entnommen.
In der Verfahrensvariante des Spritzprägeprozesses wird der thermoplastische Kunststoff, welcher erwärmt und dadurch derart erweicht ist, dass er formbar ist, auf das erste Hüllblech 2 aufgebracht, d. h. aufgespritzt. Anschließend wird ein Prägewerkzeug, welches eine Negativform des zu erzeugenden Rahmens 4 aufweist, auf das erste Hüllblech 2 und den darauf aufgespritzten Kunststoff gepresst, so dass der Kunststoff in Form des Rahmens 4 geprägt wird und abkühlt, wodurch er aushärtet. In beiden Verfahrensvarianten ist der verwendete Kunststoff vorzugsweise aus zumindest einem Polypropylen-Copolymer gebildet, da ein derartiger Kunststoff eine besonders belastbare Verbindung des Rahmens 4 mit dem ersten Hüllblech 2 ermöglicht.
Die Verbindung des Rahmens 4 mit dem ersten Hüllblech 2 wird durch die Vorbehandlung erheblich verbessert, da der Kunststoff des Rahmens 4 dadurch wesentlich besser auf dem ersten Hüllblech 2 haftet. Dabei wird eine besonders starke Haftung durch eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststoff des Rahmens 4 und dem ersten Hüllblech 2 erzielt, da der Kunststoff die Hinterschneidungen, welche auf dem ersten Hüllblech 2 ausgebildet sind, umschließt und beispielsweise die ausgeformten oder angeformten Verbindungsmittel umgibt und sich an diesen anlagert. In 3 ist das erste Hüllblech 2 mit dem angeformten Rahmen 4 dargestellt.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Elektrodenfolieneinheit 5 in einen durch das erste Hüllblech 2 und den Rahmen 4 gebildeten Hohlraum eingesetzt und mit beiden Hüllblechen 2, 3 elektrisch kontaktiert, beispielsweise durch Verschweißung mit den Hüllblechen 2, 3. In 4 ist das noch geöffnete Gehäuse mit bereits eingesetzter Elektrodenfolieneinheit 5 dargestellt.
Um das Gehäuse zu verschließen und die Einzelzelle 1 fertigzustellen, wird das weitere Hüllblech 3 mit dem Rahmen 4 verbunden. Dies erfolgt beispielsweise in einem Heißpressvorgang. In diesem Heißpressvorgang wird das weitere Hüllblech 3 auf den Rahmen 4 aufgepresst und erwärmt. Die Wärme überträgt sich dabei vom weiteren Hüllblech 3 auf den Rahmen 4, wodurch dieser teilweise aufgeschmolzen wird, so dass sich das aufgeschmolzene Rahmenmaterial mit dem weiteren Hüllblech 3 verbindet. Dadurch wird eine in 5 dargestellte Heißpressschweißnaht 6 zwischen dem Rahmen 4 und dem weiteren Hüllblech 3 gebildet. Um auch diese Verbindung zwischen dem weiteren Hüllblech 3 und dem Rahmen 4 zu optimieren, kann auch das weitere Hüllblech 3 analog zum ersten Hüllblech 2 auf die beschriebene Weise mechanisch, chemisch und/oder thermisch vorbehandelt werden.
Durch das Vorbehandeln zumindest des ersten Hüllblechs 2 und das Spritzgießen oder Spritzprägen des Rahmens 4 an das erste Hüllblech 2 wird eine besonders belastbare Verbindung des Rahmens 4 mit dem ersten Hüllblech 2 erzielt, insbesondere bei einer formschlüssigen Verbindung zwischen dem Rahmen 4 und dem ersten Hüllblech 2. Auf diese Weise ist lediglich das weitere Hüllblech 3 durch Heißpressen mit dem Rahmen 4 zu verbinden, wodurch lediglich eine Heißpressschweißnaht 6 entsteht. Dadurch ist das Gehäuse wesentlich belastbarer als ein Gehäuse nach dem Stand der Technik, bei welchem beide Hüllbleche durch Heißpressen mit dem Rahmen verbunden sind und welches daher zwei Heißpressschweißnähte aufweist.
Des Weiteren wird durch das Anformen des Rahmens 4 an das erste Hüllblech 2 im Spritzgussprozess oder im Spritzprägeprozess eine exakte Positionierung des Rahmens 4 am ersten Hüllblech 2 ermöglicht, so dass wesentlich weniger fehlerhafte und nicht verwendbare Gehäuse bzw. Einzelzellen 1 produziert werden. Auf diese Weise sind Fertigungszeiten und insbesondere Fertigungs- und Materialkosten reduziert.
Bezugszeichenliste

1: Einzelzelle
2, 3: Hüllbleche
4: Rahmen
5: Elektrodenfolieneinheit
6: Heißpressschweißnaht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009035454 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle (1) für eine Batterie, wobei ein Gehäuse der Einzelzelle (1) aus zwei Hüllblechen (2, 3) und einem mit diesen verbundenen thermoplastischen Rahmen (4) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Innenseite zumindest eines der Hüllbleche (2) zumindest bereichsweise mechanisch, chemisch und/oder thermisch vorbehandelt wird und der Rahmen (4) an dieses vorbehandelte Hüllblech (2) in einem Spritzgussprozess oder in einem Spritzprägeprozess angeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Innenseite des vorzubehandelnden Hüllblechs (2) zumindest bereichsweise durch Aufbringen eines eine Haftung zwischen dem Rahmen (4) und dem Hüllblech (2) erhöhenden Haftmittels chemisch vorbehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Umformen des vorzubehandelnden Hüllblechs (2) und/oder durch Anformen an das vorzubehandelnde Hüllblech (2) zumindest ein Verbindungsmittel für eine formschlüssige Verbindung des Rahmens (4) mit dem Hüllblech (2) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindungsmittel für die formschlüssige Verbindung zumindest eine Nase, Noppe, Öse und/oder zumindest ein partieller Durchbruch erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Innenseite des vorzubehandelnden Hüllblechs (2) zumindest bereichsweise in einem Ätzvorgang chemisch vorbehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (4) aus zumindest einem Polypropylen-Copolymer gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Hüllblech (3) in einem Heißpressvorgang mit dem Rahmen (4) verbunden wird.