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Die Erfindung betrifft eine Batterieeinzelzelle in prismatischer Form. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Batterieeinzelzelle.
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Derartige Batterieeinzelzellen in einer im Wesentlichen prismatischen Form sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie werden typischerweise durch einen Elektrodenstapel von abwechselnd Kathoden und Anoden sowie dazwischen angeordneten Separatoren aufgestapelt. Dieser Stapel wird dann mit Stromableitern versehen, welche mit den jeweiligen Elektroden in elektrisch leitender Verbindung stehen. Dieser Elektrodenstapel wird dann typischerweise in ein Gehäuse eingebracht, aus welchem lediglich die Stromableiter herausgeführt sind. Bei den Gehäusen gibt es verschiedene Bauformen. So sind beispielsweise rahmenförmige Gehäuse bekannt, welche seitlich über flächige Elemente verschlossen werden. Außerdem sind als Gehäuse Folien bzw. ein Folienbeutel bekannt, zwischen welchen der Aufbau aus den Elektroden und Separatoren eingeschweißt wird. Diese Zellen sind sehr verbreitet und werden im Allgemeinen als Pouch-Zellen oder gelegentlich auch als Coffeebag-Zellen bezeichnet.
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Die Batterieeinzelzellen kommen dabei insbesondere in sogenannten Hochleistungs- oder Hochvoltbatterien zum Einsatz. Derartige Batterien, welche beispielsweise in Lithium-Ionen-Technologie ausgeführt sind, bestehen dann aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen. Sie werden typischerweise für leistungsstarke und sehr dynamisch betriebene elektrische Systeme eingesetzt, insbesondere für den elektrischen Antrieb von Fahrzeugen, beispielsweise Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen.
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Die Problematik bei Batterieeinzelzellen besteht nun typischerweise darin, dass die Stromableiter vergleichsweise klein gegenüber der Fläche des Elektrodenstapels ausgeführt sind. Sie sind dementsprechend punktuell mit jeweils einer den Elektrodenstapel abschließenden Elektrode für jeden Pol kontaktiert und führen diesen Pol nach außerhalb des Gehäuses. Dieser an sich übliche Aufbau mit vergleichsweise kleinen Stromableitern, welche im Allgemeinen nebeneinander auf einer der Stirnseiten der prismatischen Zelle aus dem Gehäuse herausragen, führt zu einer relativ kleinen Verbindungsfläche, welche mechanisch nur bedingt stabil ist. Bei mechanischen Spannungen, welche sich aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien bei der vergleichsweise starken Abkühlung und Erwärmung, welche eine solche Batterieeinzelzelle, beispielsweise beim Einsatz in einer Traktionsbatterie in einem Fahrzeug, zwischen einem abgestellten Modus bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen und Volllastbetrieb erfährt, kann diese vergleichsweise kleine Fläche der mechanischen Anbindung sehr schnell einreißen, was letztlich zu einem Abreißen des elektrischen Kontakts und damit einer nachhaltigen Beschädigung der Batterieeinzelzelle führt. Eine Beschädigung kann auch beim Transport und der Montage der Batterieeinzelzellen oder durch mechanische Belastungen, beispielsweise durch Stöße, Vibrationen oder dergleichen, auftreten.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Batterieeinzelzelle anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Batterieeinzelzelle mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle ist es so, dass jeder der Stromableiter einen flächigen Abschnitt aufweist, welcher jeweils eine der Elektroden zumindest auf ihrer senkrecht zur Stapelrichtung annähernd gesamten Fläche kontaktiert. Eine solche großflächige Kontaktierung der Elektroden mit den Stromableitern sorgt für eine gleichmäßigere Stromdichteverteilung innerhalb der Batterieeinzelzelle. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung und einer besseren Ausnutzung des Aktivmaterials durch den verringerten Innenwiderstand der Batterieeinzelzelle aufgrund der großflächigen Anbindung des Stromableiters. Letztendlich führt dies zu einer deutlich besseren und eine höhere Leistungsdichte aufweisenden Batterieeinzelzelle. Durch das großflächige Verbinden des Stromableiters mit den Elektroden wird außerdem eine bessere Ableitung von Wärme aus der Batterieeinzelzelle, welche typischerweise über ihre Stromableiter gekühlt wird, erzielt. Weitere Vorteile sind die geringere spezifische Strombelastung des Stromableiters aufgrund seines größeren Querschnitts sowie eine verringerte Alterung der Batterieeinzelzelle aufgrund der Vergleichmäßigung von Strömen und Temperaturen.
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Ein weiterer entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle liegt außerdem darin, dass die eingangs genannten Probleme verringert und die mechanische Anbindung zwischen den Stromableitern und den Elektroden entsprechend verbessert wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie kann es ferner vorgesehen sein, dass wenigstens einer der Stromableiter in einem in etwa rechten Winkel zu seinem flächigen Abschnitt einen abgekanteten Abschnitt aufweist, welcher in Stapelrichtung verläuft und mit den jeweiligen Elektroden in Kontakt steht, sodass der Stromableiter im Querschnitt L-förmig ausgebildet ist. Ein solcher L-förmiger Stromableiter garantiert eine weitere Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen den Elektroden und dem Stromableiter, da er nicht nur die in Stapelrichtung befindliche Endfläche der Elektrode, sondern bei entsprechender Ausgestaltung der Elektroden, auch eine Kontaktierung der Elektrode in einer Richtung quer zur Stapelrichtung ermöglicht. Die oben genannten Vorteile lassen sich so durch den noch größeren mechanischen und elektrischen Kontakt zwischen Stromableiter und Elektrode weiter verbessern.
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In einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass die Elektroden, welche mit dem abgekanteten Abschnitt des Stromableiters in Kontakt stehen, in Richtung des abgekanteten Stromableiters über den Separator überstehend ausgebildet sind. Durch einen solchen Überstand der typischerweise in Form von Folien ausgebildeten Elektrode kann das Material der Elektrode selbst für eine gewisse Federwirkung zwischen der Elektrode und dem abgekanteten Teil des Stromableiters sorgen, da das Folienmaterial der Elektrode eine gewisse Flexibilität aufweist. Ist insbesondere die Länge des Materials etwas größer als der Abstand zwischen dem Elektrodenstapel bzw. dem Separator und dem Stromableiter, dann kann ein Ausgleich von gegebenenfalls auftretenden unterschiedlichen Längenausdehnungen in diesem Bereich durch die Elektrodenfolien selbst erfolgen. Hierdurch kommt es zu einem sehr sicheren und zuverlässigen Aufbau, welcher ohne zusätzliche Maßnahmen wie Federelemente oder dergleichen die Problematik einer mechanischen Belastung aufgrund von thermischen Spannungen zwischen den Elektroden und den Stromableitern weitgehend vermeiden kann.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle ist es darüber hinaus vorgesehen, dass die Stromableiter auf gegenüberliegenden Stirnseiten aus dem Gehäuse herausgeführt sind. Insbesondere eine solche Herausführung der Stromableiter auf gegenüberliegenden Stirnseiten des Gehäuses der prismatischen Batterieeinzelzelle stellt einen erheblichen Vorteil bei dem beschriebenen Aufbau dar, da die großflächigen Stromableiter dann auch außerhalb des Gehäuses der Batterieeinzelzelle eine vergleichsweise große Ausdehnung aufweisen können, ohne dass die Gefahr einer eventuellen Berührung der Stromableiter untereinander besteht. Beim Stapeln der Batterieeinzelzellen zu einer Gesamtbatterie kann so außerdem auf der einen Seite die Kontaktierung der einen Pole und auf der anderen Seite die Kontaktierung der anderen Pole vorgenommen werden, sodass je nachdem, ob die Batterieeinzelzellen gleichartig oder jeweils gegeneinander verdreht aufgestapelt werden, eine Parallelschaltung oder Reihenschaltung der Batterieeinzelzellen einfach und effizient erzielt werden kann.
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Die erfindungsgemäßen Batterieeinzelzellen können sehr einfach, effizient und mit hoher Leistungsdichte bei optimaler Ausnutzung des Bauvolumens und der Lebensdauer, aufgrund einer gleichmäßigen Strombelastung und einer sehr gleichmäßigen Kühlung, realisiert werden. Sie eignen sich insbesondere, um zu einer Batterie komplettiert zu werden, welche als Traktionsbatterie in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug eingesetzt wird. Insbesondere für solche Fahrzeuganwendungen sind hohe Leistungsdichten einerseits und hohe Lebensdauern, auch bei einer hohen dynamischen Belastung andererseits, von entscheidendem Vorteil. Durch die sehr gleichmäßige Belastung mit Strom und die sehr gute Abfuhr von Wärme aus dem Inneren jeder der Batterieeinzelzellen lässt sich dies mit den erfindungsgemäß aufgebauten Batterieeinzelzellen optimal realisieren, sodass die bevorzugte Anwendung im Bereich einer derartigen Traktionsbatterie für Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge liegt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 eine sehr stark schematisierte Schnittdarstellung durch einen möglichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle;
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2 verschiedene mögliche Querschnittsformen des Stromableiters;
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3 eine Draufsicht auf eine Batterieeinzelzelle gemäß 1;
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4 verschiedene mögliche Anordnungen der Stromableiter an der Batterieeinzelzelle; und
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5 eine mögliche Anordnung von Batterieeinzelzellen zu einer Batterie.
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In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßiger Querschnitt durch eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle 1 dargestellt. Die Batterieeinzelzelle 1 weist dabei ein Gehäuse 2 auf, in welchem Kathodenfolien 3 und Anodenfolien 4 als Elektroden dargestellt sind. Diese sind zur Verdeutlichung beabstandet voneinander dargestellt. In einem real existierenden Aufbau würden sie auf einem Separator 5, welcher Z-förmig gefaltet zwischen den Kathodenfolien 3 und Anodenfolien 4 verläuft, aufliegen. Außerdem würde der Stapel der Kathodenfolien 3 und der Anodenfolien 4 den gesamten Raum innerhalb des Gehäuses 2 der Batterieeinzelzelle 1 auffüllen. In dem Gehäuse 2 ist außerdem ein hier nicht angedeuteter Elektrolyt angeordnet.
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Das Gehäuse 2, welches beispielsweise in Form von miteinander verschweißten Folien ausgebildet sein kann, weist lediglich an zwei Stellen jeweils eine „Öffnung” auf, durch welche jeweils ein Stromableiter 6 für die Anode und ein Stromableiter 7 für die Kathode hindurchragen. Idealerweise sind diese direkt zwischen den Folien eingeschweißt. Diese Stromableiter 6, 7 sind typischerweise aus einem metallischen Blech ausgebildet und sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils L-förmig so abgekantet, dass die abgekanteten in Stapelrichtung verlaufenden Teile auf den jeweils gegenüberliegenden Stromableiter hin ausgerichtet sind. Die Stromableiter kontaktieren dabei mit ihrem großen flächigen Abschnitt 6.1 bzw. 7.1 die jeweils letzte Kathodenfolie 3 bzw. Anodenfolie 4 des Stapels, was hier analog zu den oben beschriebenen Ausführungsformen nicht explizit dargestellt ist, und berühren außerdem mit ihrem abgekanteten Abschnitt 6.2 bzw. 7.2 einzelne Kathodenfolien 3 bzw. Anodenfolien 4, welche seitlich in Richtung der abgekanteten Bereiche 6.2 bzw. 7.2 über den Stapel und insbesondere den Separator 5 hinausragen. Wie aus der Darstellung der 1 ersichtlich, ragen die Elektrodenfolien 3, 4 dabei seitlich weiter über den Elektrodenstapel hinaus, als es zur reinen Kontaktierung der abgekanteten Abschnitte 6.2, 7.2 notwendig wäre. Diese zusätzlichen Überstände führen zu einer gewissen Verformung der überstehenden Teile der Elektrodenfolien 3, 4, sodass auch im Falle einer thermisch unterschiedlichen Ausdehnung des Stapels, des Gehäuses 2 und des Stromableiters 6, 7 auch weiterhin eine sichere und zuverlässige elektrische Kontaktierung gewährleistet ist, ohne dass mechanische Spannungen zwischen den Bauteilen auftreten.
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In der Darstellung der 2 sind drei verschiedene Ausführungsformen der Stromableiter 6, 7 zu erkennen. In 2a) ist dabei ein gerader Stromableiter 6, 7, welcher insbesondere rechteckig ausgebildet ist, im Querschnitt zu erkennen. In der 2b) ist eine L-förmige Ausführungsform mit einem flächigen Abschnitt 6.1, 7.1 und einem abgekanteten Abschnitt 6.2, 7.2 zu erkennen. Dies entspricht der Ausführung gemäß 1.
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Eine weitere alternative Ausführungsform ist in der Darstellung der 2c) zu erkennen. Neben dem flächigen Abschnitt 6.1, 7.1 und dem abgekanteten Abschnitt 6.2, 7.2 weist der Stromableiter 6, 7 im Querschnitt einen weiteren abgekanteten Abschnitt 6.3, 7.3 auf, sodass sich letztlich ein J-förmiger Querschnitt des Stromableiters ergibt. Dieser hat den Vorteil, dass er den Elektrodenstapel quasi auf seiner einen Seite in der Art einer Schiene aufnimmt und diesen so noch besser kontaktiert und mechanisch stabilisiert. Dies ist insbesondere beim Einsatz von Folien für das Gehäuse 2 der Batterieeinzelzelle 1 von besonderem Vorteil.
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Eine Draufsicht auf die Batterieeinzelzelle 1, beispielsweise in der in 1 dargestellten Ausführungsform, ist in 3 zu erkennen. Dabei ist zu erkennen, dass über das Gehäuse 2 auf der einen Seite der Stromableiter 6 der Anode und auf der anderen Seite der Stromableiter 7 der Kathode übersteht und auch außerhalb des Gehäuses 2 der Batterieeinzelzelle 1 eine vergleichsweise große Fläche einnimmt, sodass eine sehr einfache und zuverlässige Kontaktierung zwischen einzelnen Batterieeinzelzellen 1 möglich wird.
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Wie es aus der prinzipmäßigen Seitenansicht in 4 zu erkennen ist, gibt es dabei verschiedene Möglichkeiten, die Stromableiter 6, 7 aus der Batterieeinzelzelle 1 bzw. ihrem Gehäuse 2 herauszuführen. Diese können beispielsweise mittig oder auf einer Seite, oder auch wechselseitig, wie in der Darstellung der 4c) angedeutet, aus der Zelle herausgeführt werden. Sowohl die Stromableiter 6 als auch die Stromableiter 7 sind dabei in dem Bereich außerhalb des Gehäuses 2 der Batterieeinzelzelle nochmals abgekantet, sodass bei einer flächigen Ausführungsform der Stromableiter 6, 7 nun eine Abkantung vorliegt, bei der L-förmigen Ausführungsform zwei Abkantungen und bei der J-förmigen Ausführungsform drei Abkantungen auf den Gesamtquerschnitt des Stromableiters 6, 7 gesehen.
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Die Batterieeinzelzellen 1 können nun zu einer Gesamtbatterie verschaltet werden. Eine solche Verschaltung ist im Prinzip sowohl seriell als auch parallel möglich, wobei typischerweise zumindest Gruppen von Batterieeinzelzellen seriell verschaltet werden, um die gewünschte Spannung der Batterie zu ermöglichen.
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In der Darstellung der 5 ist eine solche Verschaltung beispielhaft angedeutet, wobei der Aufbau der Batterieeinzelzelle derselbe wie in der Darstellung der 4a) ist. Die Batterieeinzelzellen 1 sind dabei abwechselnd angeordnet, sodass einmal der Stromableiter 6 der Anode oben liegt und einmal der Stromableiter 7 der Kathode. Durch eine Verschaltung, welche beispielsweise durch Verschweißen der Stromableiter untereinander in der in 5 angedeuteten Art und Weise erfolgen kann, entsteht so eine Serienverschaltung der Batterieeinzelzellen 1 untereinander, was hier am Beispiel von vier Batterieeinzelzellen 1 angedeutet ist. Die jeweils freien Stromableiter 6, 7, welche in der Darstellung der 5 beide auf einer Seite, hier der Unterseite, angeordnet sind, können dann aus der Gesamtbatterie herausgeführt und beispielsweise mit entsprechenden Stromschienen der Batterie verbunden werden.
