DE102012210135A1 - Metal housing, useful in electrochemical cell e.g. galvanic cell e.g. nickel-metal hydride cell of battery module, comprises conversion layer on which paint coating for electrical insulation is located - Google Patents

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Abstract

The metal housing (11) comprises a conversion layer (13) on which a paint coating (14) for electrical insulation is located. An independent claim is included for a motor vehicle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse aus Metall für eine elektrochemische Zelle mit einer Lackbeschichtung zur elektrischen Isolation, eine elektrochemische Zelle, ein Batteriemodul sowie ein Kraftfahrzeug. The present invention relates to a metal housing for an electrochemical cell with a paint coating for electrical insulation, an electrochemical cell, a battery module and a motor vehicle.

Stand der TechnikState of the art

Die Lithium-Ionen-Technologie ist prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen, insbesondere in Fahrzeugen mit zumindest teilweisem elektrischen Antrieb, da sich diese neben anderen Vorteilen durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung auszeichnet.The lithium-ion technology is predestined for a wide range of applications, in particular in vehicles with at least partial electric drive, since these are distinguished among other advantages by high energy densities and extremely low self-discharge.

Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die Lithium-lonen (Li+) reversibel ein-(Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können. Damit die Interkalation bzw. die Deinterkalation von Lithium-Ionen stattfindet, ist die Anwesenheit von einem sogenannten Lithium-Ionen-Leitsalz notwendig. Die Lithium-Ionen dienen zum Ladungstransport innerhalb der Zelle während der Ladung bzw. Entladung. Praktisch bei allen derzeitigen Lithium-Ionen-Zellen sowohl im Consumer-Bereich, beispielsweise bei Mobiltelefonen, MP3-Playern oder Powertools, als auch im automotiven Bereich, beispielsweise bei hybrid-elektrischen Fahrzeugen (HEV), plug-in-hybrid-elektrischen Fahrzeugen, micro-hybrid Fahrzeugen und dergleichen wird als Lithium-Leitsalz Lithium-hexa-fluorophosphat (LiPF6) eingesetzt. Lithium-ion cells have at least one positive and one negative electrode (cathode or anode), the lithium ions (Li + ) reversible on (intercalation) or outsource (deintercalation) can. For the intercalation or deintercalation of lithium ions takes place, the presence of a so-called lithium-ion-conducting salt is necessary. The lithium ions serve to transport charge within the cell during charging or discharging. Virtually all current lithium-ion cells in the consumer sector, such as mobile phones, MP3 players or power tools, as well as in the automotive sector, such as hybrid electric vehicles (HEV), plug-in hybrid electric vehicles, micro-hybrid vehicles and the like is used as the lithium conducting salt lithium hexa-fluorophosphate (LiPF 6 ).

Batteriezellen können als Hardcase-Zellen, die in der Regel über ein metallisches Gehäuse in prismatischer oder zylindrischer Form verfügen, oder als sogenannte Pouch-Zellen (Softcase) konfektioniert sein.Battery cells can be configured as hardcase cells, which generally have a metallic housing in prismatic or cylindrical form, or as so-called pouch cells (softcase).

Hardcase-Zellen sind wegen der Anwesenheit einer metallischen Oberfläche naturgemäß nach außen elektrisch leitend. Gerade bei der seriellen Verschaltung von derartigen Lithium-Ionen-Zellen mit einem Hardcase kann es Probleme geben, insbesondere wenn ein Potenzial der inneren Elektrode auf dem Gehäuse liegt, so dass in assemblierten Modulen Spannungen zwischen den einzelnen Hardcase-Zellen durchschlagen können, wodurch ein assembliertes Modul beschädigt und unbrauchbar wird.Hardcase cells are naturally electrically conductive to the outside due to the presence of a metallic surface. Especially with the serial connection of such lithium-ion cells with a hardcase, there may be problems, especially if a potential of the inner electrode lies on the housing, so that in assembled modules voltages between the individual hardcase cells can penetrate, creating an assembled Module becomes damaged and unusable.

Die Ausführungsformen mit Hardcase-Gehäusen weisen dabei jeweils einen metallischen Grundkörper auf, der zu Zwecken der Isolation mit einer Folie, einem speziellen Isolationslack oder dergleichen aus einem elektrisch nicht leitenden Material bedeckt ist. Rein metallische Batteriezellengehäuse für Lithium-Ionen-Zellen, bei denen ein Potenzial auf dem Gehäuse liegt, müssen also nach außen elektrisch isoliert werden, wenn sie zu Hochvoltbatterien konfektioniert werden. Genannte Isolationslacke können beispielsweise auf der Basis von Polyurethan oder Epoxid hergestellt sein.The embodiments with hardcase housings each have a metallic base body, which is covered for purposes of insulation with a film, a special insulating varnish or the like of an electrically non-conductive material. Purely metallic battery cell housings for lithium-ion cells, which have a potential on the housing, must therefore be electrically insulated to the outside when they are assembled into high-voltage batteries. Said insulation lacquers can be produced for example on the basis of polyurethane or epoxy.

Bei Defekten der Zelle kann Elektrolyt austreten, der die Lackschicht durch Reaktion des Elektrolyten mit der Oberfläche des Zeltgehäuses, beispielsweise Aluminium, ablösen kann, so dass Kurzschlüsse auftreten.In the event of defects in the cell, electrolyte can escape, which can detach the lacquer layer by reaction of the electrolyte with the surface of the tent housing, for example aluminum, so that short circuits occur.

Es ist zwar aus dem Lackierbereich generell bekannt, die Oberflächen zu lackierender Gegenstände vorab zur Verbesserung der Anhaftung von Lacken zu behandeln, jedoch sind diese Maßnahmen durch die im Elektrolyt enthaltene Flusssäure (HF) nur wenig wirksam.Although it is generally known from the field of painting, the surfaces to be painted objects in advance to improve the adhesion of paints to treat, but these measures by the hydrofluoric acid (HF) contained in the electrolyte are only slightly effective.

In WO 02/101849 A2 wird beschrieben, wie bei sogenannten Coffee-Bag-Zellen die Ableiteroberflächen durch Phosphatieren, Chromatieren oder Anodisieren vorbehandelt werden können, um die Haftung von Polymeren darauf zu verbessern, so dass eine Reaktion des Elektrolyten mit Luft oder Feuchtigkeit verhindert werden kann. In WO 02/101849 A2 It is described how in so-called coffee bag cells, the arrester surfaces can be pretreated by phosphating, chromating or anodizing to improve the adhesion of polymers thereto, so that a reaction of the electrolyte with air or moisture can be prevented.

Nachfolgend werden die Begriffe galvanische Zelle, insbesondere Lithium-Ionen-Zelle, -Modul, -Pack und -Batterie synonym verwendet.The terms galvanic cell, in particular lithium-ion cell, module, pack and battery are used synonymously below.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird ein Gehäuse aus Metall für eine elektrochemische Zelle mit einer Lackbeschichtung zur elektrischen Isolation bereitgestellt, wobei das Gehäuse mit einer Konversionsschicht versehen ist, auf der die Lackbeschichtung befindlich ist.According to the invention, a metal housing is provided for an electrochemical cell with a lacquer coating for electrical insulation, wherein the housing is provided with a conversion layer on which the lacquer coating is located.

Die erfindungsgemäßen Gehäuse dienen für den Einsatz als sogenannte Hardcase-Zellen, die ein prismatisches oder zylindrisches Metallgehäuse besitzen. The housings according to the invention serve for use as so-called hardcase cells, which have a prismatic or cylindrical metal housing.

Bei dem Metall des Gehäuses handelt es sich üblicherweise um Eisen, das auch verzinkt sein kann, und Aluminium, wobei Aluminium aufgrund des geringeren spezifischen Gewichts bevorzugt wird. Die Auswahl des Metalls erfolgt ansonsten im Hinblick auf dessen Eignung für die unterschiedlichen Konversionsschichten.The metal of the housing is usually iron, which may also be galvanized, and aluminum, with aluminum being preferred because of the lower specific gravity. The selection of the metal is otherwise in terms of its suitability for the different conversion layers.

Das erfindungsgemäße Gehäuse ist grundsätzlich für alle Arten von elektrochemischen Zellen geeignet, wobei es vorzugsweise für Lithium-Ionen-Zellen, Nickel-Metall-Hydrid-Zellen oder Lithium-Metall-Polymer-Zellen und besonders bevorzugt für Lithium-Ionen-Zellen eingesetzt wird. The housing according to the invention is basically suitable for all types of electrochemical cells, wherein it is preferably used for lithium-ion cells, nickel-metal-hydride cells or lithium-metal-polymer cells and particularly preferably for lithium-ion cells.

Geeignete Lackbeschichtungen für elektrochemische Zellen sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt und werden von diesem für die jeweilige Verwendung ausgewählt. Suitable lacquer coatings for electrochemical cells are known to the person skilled in the art and are selected by the person skilled in the art for the respective use.

Durch die Konversionsschicht, die direkt auf dem Gehäuse befindlich ist, wird die Haftung der Lackbeschichtung und insbesondere deren Beständigkeit gegen einen Angriff durch Elektrolyt, Leitsalz bzw. daraus freigesetzte Verbindungen auf das metallische Gehäuse deutlich verbessert. Die Lackbeschichtung löst sich daher nicht mehr vom Gehäuse bzw. erst nach einem deutlich längeren Zeitraum als üblicherweise nach dem Stand der Technik zu erwarten wäre.By the conversion layer, which is located directly on the housing, the adhesion of the paint coating and in particular their resistance to attack by electrolyte, electrolyte salt or released therefrom compounds on the metallic housing is significantly improved. The paint coating therefore no longer detaches from the housing or only after a much longer period than would normally be expected according to the prior art.

Die Konversionsschicht kann zur Vereinfachung der Herstellung das Gehäuse auf der Innen- und Außenseite bedecken.The conversion layer may cover the housing on the inside and outside for ease of manufacture.

Die Konversionsschicht wird vorzugsweise durch

  • – Phosphatieren,
  • – Chromatieren,
  • – Anodisieren/Eloxieren oder
  • m Ausbilden einer Titan- und/oder Zirkonfluorid-Schicht
hergestellt.The conversion layer is preferably through
  • - phosphating,
  • - chromating,
  • - anodizing / anodising or
  • m forming a titanium and / or Zirkonfluorid layer
produced.

Diese und andere Verfahren zur Herstellung einer Konversionsschicht sowie deren Einzelschritte sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt.These and other processes for the preparation of a conversion layer and their individual steps are known in principle to those skilled in the art.

Bei der Phosphatierung wird durch eine chemische Reaktion der metallischen Oberfläche mit wässrigen Phosphat-Lösungen die Konversionsschicht aus fest haftenden Metallphosphaten gebildet. In the case of phosphating, the conversion layer of firmly adhering metal phosphates is formed by a chemical reaction of the metallic surface with aqueous phosphate solutions.

Die Phosphatierung wird vorzugsweise bei Gehäusen aus Stahl, auch in verzinkter Form, und Aluminium verwendet.The phosphating is preferably used in housings made of steel, also in galvanized form, and aluminum.

Beim Chromatieren lässt man auf metallischen Oberflächen Chromsäure einwirken, wodurch Chromate gebildet werden. During chromating, chromic acid is allowed to act on metallic surfaces, forming chromates.

Bevorzugt werden Chrom-(VI)-freie Konversionsschichten. Preference is given to chromium (VI) -free conversion layers.

Diese Art der Konversionsschicht eignet sich besonders für Gehäuse aus Aluminium oder verzinktem Stahl. This type of conversion layer is particularly suitable for housings made of aluminum or galvanized steel.

Beim Anodisieren wird vorzugsweise auf Aluminium durch anodische Oxidation eine oxidische Konversionsschicht erzeugt.In anodizing, an oxidic conversion layer is preferably produced on aluminum by anodic oxidation.

Aluminiumgehäuse können auch mit einer Konversionsschicht auf Basis von Titanfluorid, Titan-/Zirkoniumfluorid oder Zirkoniumfluorid versehen werden. Dabei wird die üblicherweise gegebene Aluminiumoxidschicht ersetzt. Titan und Zirkonium liegen dabei als komplexe Oxide/Fluoride vor. Aluminum housings may also be provided with a conversion layer based on titanium fluoride, titanium / zirconium fluoride or zirconium fluoride. In this case, the usually given aluminum oxide layer is replaced. Titanium and zirconium are present as complex oxides / fluorides.

Vorgenannte Konversionsschichten haften zum einem sehr gut auf dem metallischen Untergrund und stellen ihrerseits einen sehr guten Haftgrund für die darauf befindliche Lackbeschichtung dar. The aforementioned conversion coatings adhere very well to the metallic substrate and, in turn, provide a very good primer for the paint coating thereon.

Bei den Konversionsschichten sind besonders Konversionsschichten auf der Basis von Chromphosphat (CrPO4,), Zirkon- und Titanfluorid bevorzugt, da diese besonders widerstandsfähig sind. Conversion layers based on chromium phosphate (CrPO 4 ,), zirconium and titanium fluoride are particularly preferred in the conversion layers, since they are particularly resistant.

Beansprucht werden neben einem Gehäuse für ein galvanisches Element, eine galvanische Zelle, vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Zelle, die ein erfindungsgemäßes Gehäuse aufweist, ein Batteriemodul aus zumindest zwei galvanischen Zellen sowie ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batteriemodul. Claimed next to a housing for a galvanic element, a galvanic cell, preferably a lithium-ion cell having a housing according to the invention, a battery module of at least two galvanic cells and a motor vehicle with an electric drive motor for driving the motor vehicle and one with the electric drive motor connected or connectable battery module.

Die gemachten Ausführungen hinsichtlich des erfindungsgemäßen Gehäuses gelten entsprechend auch für die galvanische Zelle, das Batteriemodul sowie das Kraftfahrzeug und umgekehrt. The statements made with regard to the housing according to the invention also apply correspondingly to the galvanic cell, the battery module and the motor vehicle and vice versa.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.

Zeichnungendrawings

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing and the description below. It shows:

1 in einer geschnittenen Ansicht eine Wandung des erfindungsgemäßen Gehäuses für ein galvanisches Element. 1 in a sectional view of a wall of the housing according to the invention for a galvanic element.

In der 1 ist eine Wandung 10 eines ansonsten nicht näher dargestellten Gehäuses 11 für ein galvanisches Element gezeigt. Die Wandung 10 besteht aus einem metallischen Blech 12, das auf einer Seite mit einer Konversionsschicht 13 versehen ist. Die Konversionsschicht 13 befindet sich auf der Seite der Wandung 10, die die Außenseite des Gehäuses 11 ausbildet, wobei es im Rahmen der Erfindung auch möglich ist, diese auf Innen- und Außenseite des Gehäuses 11 vorzusehen. Auf der Konversionsschicht 13 ist wiederum eine Lackbeschichtung 14 angeordnet, die das Gehäuse 11 elektrisch isoliert.In the 1 is a wall 10 an otherwise not shown housing 11 shown for a galvanic element. The wall 10 consists of a metallic sheet 12 on a page with a conversion layer 13 is provided. The conversion layer 13 is on the side of the wall 10 that is the outside of the case 11 forms, wherein it is also possible within the scope of the invention, these on the inside and outside of the housing 11 provided. On the conversion layer 13 is again a paint coating 14 arranged the housing 11 electrically isolated.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 02/101849 A2 [0009] WO 02/101849 A2 [0009]

Claims (9)

Ein Gehäuse aus Metall für eine elektrochemische Zelle mit einer Lackbeschichtung (14) zur elektrischen Isolation, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) mit einer Konversionsschicht (13) versehen ist, auf der die Lackbeschichtung (14) befindlich ist. A metal housing for an electrochemical cell with a paint coating ( 14 ) for electrical insulation, characterized in that the housing ( 11 ) with a conversion layer ( 13 ), on which the lacquer coating ( 14 ) is located. Das Gehäuse nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (11) aus Stahl, verzinktem Stahl oder Aluminium besteht. The housing of claim 1, wherein the housing ( 11 ) made of steel, galvanized steel or aluminum. Das Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Konversionsschicht (13) durch Phosphatierung, Chromatierung, Anodisierung oder auf Basis von Titan-/Zirkoniumfluorid oder Zirkoniumfluorid hergestellt ist. The housing according to claim 1 or 2, wherein the conversion layer ( 13 ) is produced by phosphating, chromating, anodizing or based on titanium / zirconium fluoride or zirconium fluoride. Das Gehäuse nach Anspruch 3, wobei die Konversionsschicht (13) auf Basis von Chromphosphat (CrPO4,), Zirkon- oder Titanfluorid hergestellt ist. The housing according to claim 3, wherein the conversion layer ( 13 ) based on chromium phosphate (CrPO 4 ,), zirconium or titanium fluoride is produced. Das Gehäuse nach Anspruch 3, wobei die Konversionsschicht (13) kein Chrom (VI) enthält. The housing according to claim 3, wherein the conversion layer ( 13 ) contains no chromium (VI). Eine galvanische Zelle ein Gehäuse (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweisend.A galvanic cell a housing ( 11 ) according to one of claims 1 to 5 comprising. Die galvanische Zelle nach Anspruch 6, wobei die galvanische Zelle eine Lithium-Ionen-Zelle, eine Nickel-Metall-Hydrid-Zelle, eine Lithium-Schwefel-, eine Lithium-Luft- oder eine Lithium-Metall-Polymer-Zelle ist. The galvanic cell of claim 6, wherein the galvanic cell is a lithium-ion cell, a nickel-metal-hydride cell, a lithium-sulfur, a lithium-air or a lithium-metal-polymer cell. Ein Batteriemodul mit mindestens zwei galvanischen Zellen nach Anspruch 6 oder 7. A battery module having at least two galvanic cells according to claim 6 or 7. Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batteriemodul gemäß Anspruch 8. A motor vehicle having an electric drive motor for driving the motor vehicle and a battery module connected or connectable to the electric drive motor according to claim 8.
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