DE102013220171A1

DE102013220171A1 - Batteriezelle und Herstellungsverfahren für diese, sowie Batterie

Info

Publication number: DE102013220171A1
Application number: DE201310220171
Authority: DE
Inventors: Joerg Poehler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2015-04-09
Also published as: WO2015052006A1

Abstract

Es wir eine Batteriezelle vorgeschlagen, die ein Gehäuse aufweist, sowie zumindest einen in dem Gehäuse angeordneten Batteriewickel, der über ein erstes Stromabnehmerelement mit einem ersten Anschluss und über ein zweites Stromabnehmerelement mit einem zweiten Anschluss elektrisch verbunden ist, wobei der erste Anschluss und der zweite Anschluss zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses angeordnet sind, und zumindest eine erste wärmeleitende Komponente, die zwischen dem Gehäuse und dem ersten Stromabnehmerelement angeordnet ist und mit diesen in Flächenkontakt steht, um eine Wärmeleitung zwischen dem Gehäuse und dem ersten Stromabnehmerelement zu vergrößern. Vorzugsweise ist ferner mit zumindest eine zweite wärmeleitende Komponente vorgesehen, die zwischen dem Gehäuse und dem zweiten Stromabnehmerelement angeordnet ist und mit diesen in Flächenkontakt steht, um eine Wärmeleitung zwischen dem Gehäuse und dem zweiten Stromabnehmerelement zu vergrößern.
Des Weiteren wird ein Herstellungsverfahren für eine derartige Batteriezelle vorgeschlagen, sowie eine Batterie, die zumindest aus zwei derartiger Batteriezellen aufgebaut ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine prismatische Lithium-Ionen-Batteriezelle, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Batteriezelle. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, mit zumindest zwei der erfindungsgemäßen Batteriezellen.
In verschiedenen Technologie-Bereichen kommen in letzter Zeit vermehrt hochentwickelte wiederaufladbare Batterien oder Batteriepacks zum Einsatz, das heißt ein paralleler oder serieller Zusammenschluss mehrerer einzelner Batteriezellen zu einem Pack oder einem sogenannten Modul. Anwendungsmöglichkeiten für derartige Batteriezellen beziehungsweise von derartigen Batteriepacks oder Batteriemodulen sind zum Beispiel im Kraftfahrzeugbereich zum Antrieb eines Elektromotors oder eines Elektro-Zusatzmotors zu finden, der zusätzlich zu einem herkömmlichen Verbrennungsmotor vorgesehen sein kann, beispielsweise in einem Hybridfahrzeug oder dergleichen, sowie in anderen technischen Bereichen, wie zum Beispiel bei stationären Anlagen, Mobilfunktelefonen, tragbaren Computer, Videokameras oder MP3-Playern. Prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen ist dabei die Lithium-Ionen-Batterietechnologie, die sich mitunter durch hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung hervorhebt. Eine Lithium-Ionen-Batterie besteht demnach aus mindestens einer, üblicherweise aus zwei und mehr Lithium-Ionen-Batteriezellen, die mindestens eine positive und eine negative Elektrode besitzen, welche Lithium-Ionen reversibel ein- oder wieder auslagern können. Als Beispiel für eine dabei üblicherweise verwendete Lithium-Ionen-Batteriezelle ist in 4 eine prismatische Lithium-Ionen-Batteriezelle 9 der Größenordnung 60 Amperestunden (Ah) gemäß dem Stand der Technik gezeigt, mit einem Gehäuse 91 mit Seitenwänden 911, 912 und 913, einem Pluspol 92, einem Minuspol 93 und einem Luftpfad 94 zur Entgasung der Batteriezelle 9 nach der Befüllung derselben mit einem Elektrolyt.
Eine wie in 4 beispielhaft dargestellte Lithium-Ionen-Batterie kann nur in einem bestimmten Temperaturfenster effizient betrieben werden. Ab einer Betriebstemperatur von 40 °C aufwärts wird beispielsweise die Batterielebensdauer signifikant reduziert. Demgegenüber steigt bei Temperaturen von unter ca. 0 °C der Innenwiderstand der Batterie stark an und die Leistungsfähigkeit der Batterie nimmt mit weiter fallenden Temperaturen kontinuierlich ab. Lithium-Ionen-Hochleistungsbatterien für den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich werden beispielweise in hybriden Antriebssträngen mit einer sehr hohen Dynamik betrieben. Der Temperaturgradient zwischen den einzelnen Batteriezellen in der Batterie darf jedoch 5 bis 10 Kelvin nicht überschreiten. Während den kurzzeitigen Spitzenbelastungen, wie zum Beispiel beim Bremsen, also der sogenannten Rekuperation der Bremsenergie, und beim Beschleunigen, der sogenannten Boostunterstützung, muss die Batterie in sehr kurzer Zeit eine hohe Leistung erbringen. Diese kurzen Spitzenbelastungen führen aufgrund des Innenwiderstands zu einer starken Erwärmung der Lithium-Ionen-Batteriezellen. Der Lade- und Entladewirkungsgrad ist mit etwa 95% sehr hoch, dennoch ist die entstehende Abwärme nicht vernachlässigbar. Hinzu kommt, dass in den Sommermonaten Außentemperaturen von über 40°C herrschen können und damit der Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien ohne Kühlung neben der geringeren Lebensdauer unter Umständen auch ein Sicherheitsrisiko darstellen kann. Eine Lebensdaueranforderung von zehn Jahren ist ohne hinreichende thermische Konditionierung der Batterie beziehungsweise deren Batteriezellen somit nicht realisierbar, was ein leistungsfähiges Thermomanagement, also eine ausreichende Kühlung der Batteriezellen bei sowohl tiefen als auch hohen Temperaturen erfordert.
Generell ist zu sagen, dass sich die Wärmeleitung in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batteriezellen wie der in 4 gezeigten prismatischen Batteriezelle anisotrop verhält, was im dabei üblicherweise verwendeten Schichtenaufbau derartiger Batteriezellen begründet ist. 5 zeigt dazu einen schematischen Querschnitt durch die in 4 gezeigte prismatische Batteriezelle 9, wobei hier beispielhaft vier sogenannte Batteriezellwickel 95, auch als Batteriewickel oder Jelly Rolls bezeichnet, nebeneinander in dem Gehäuse 91 angeordnet angezeigt sind. Die prinzipiell zylindrischen Batteriewickel 95 sind an einer Unterseite an deren Wickelenden 956 durch eine Stromabnehmergabel 96 und an einer Oberseite an deren Wickelenden 957 durch eine Stromabnehmergabel 97 miteinander verbunden, wobei die Stromabnehmergabel 96 beispielsweise mit dem Minuspol 93 und die Stromabnehmergabel 97 entsprechend mit dem Pluspol 92 in Verbindung steht. In einer vergrößerten Ansicht in 5 ist ein gewickelter Schichtenaufbau eines der Batteriewickel 95 im Detail gezeigt, wobei ein Batteriewickel 95 aus einem Anodenaktivmaterial 951, beispielsweise aus Graphit, mit einem darin angeordneten negativen Stromableiter 952, beispielsweise einer Kupferfolie, und einem Kathodenaktivmaterial 953, beispielsweise aus einem Lithium-Metalloxid, mit einem darin angeordneten positiven Stromableiter 954, beispielsweise einer Aluminiumfolie, aufgebaut ist. Zwischen den Schichten an Anoden- und Kathodenaktivmaterial 951, 953 ist üblicherweise jeweils eine ionenleitende, jedoch elektronisch nicht leitenden Separatorschicht (nicht gezeigt) vorgesehen. Eine Querschnittsbreite einer der gezeigten gewickelten Aktivmaterialschichten 951, 953 liegt dabei beispielsweise bei 60µm bis 80µm. Je nach gewünschter Kapazität wird eine geeignete Länge an Elektrodenaktivmaterial aufgewickelt und definiert so die Abmessungen eines einzelnen Batteriewickels 95, wobei in der Regel mehrere Batteriewickel in einem Batteriezellgehäuse eingebracht sind, wie es zum Beispiel in 5 der Fall ist.
Eine Wärmeleitfähigkeit entlang der Breitenrichtung der Batteriezelle 9, also in einer horizontalen Richtung in 5 entlang der Querschnittsbreite der Schichten 951, 952, 953, 954 wird im Folgenden als λ_{radialJellyRoll} bezeichnet, eine Wärmeleitfähigkeit entlang der Längsrichtung der Batteriezelle 9, also in einer vertikalen Richtung in 5 senkrecht zu der Querschnittsbreite der Schichten 951, 952, 953, 954 wird im Folgenden als λ_{axialJellyRoll} bezeichnet, wobei eine Namensgebung der Wärmeleitfähigkeiten λ_{radialJellyRoll} und λ_{axialJellyRoll} auf einer radialen oder axialen Erstreckung der zylindrischen Wickel basiert. Betrachtet man nun die Verhältnisse der beiden Wärmeleitfähigkeiten bei Hochenergiezellen, so ist die Wärmeleitung in „axialer" Richtung des Zellwickels, also λ_{axialJellyRoll}, in etwa um einen Faktor 30 mal höher als in dessen „radialer" Richtung, also als λ_{radialJellyRoll}. Bei Hochleistungszellen entspricht dieser Unterschied in etwa nur dem Faktor 15, da bei diesen die Aktivmaterialschichten 951, 953 dünner und die Stromableiterschichten 952, 954 dicker ausfallen. Eine Wärmeabfuhr aus der Batteriezelle 9 erfolgt innerhalb der Zelle 9 durch die Wickel 95 mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit λ_{radialJellyRoll} nach außen, wobei die Materialschichten der Wickel 95 als Wärmetransportmedium wirken, anschließend in die Seitenwände 911 des Gehäuses 91 und schließlich, innerhalb der Seitenwände 911 zur Seitenwand 912 oder 913. Als ein Beispiel dafür ist in 5 ein exemplarischer Wärmeleitpfad L_Wärme durch einen schwarzen Pfeil dargestellt, der die Wärme zu der Seitenwand 912 leitet. Über die Zellwand 912 kann anschließend ein Abtransport der Wärme beispielsweise über eine vorzugsweise isolierte, Fluid-durchströmte Kühlplatte stattfinden. Die vorhergehenden Ausführungen beschreiben zwar explizit eine Wärmeabfuhr aus der Batteriezelle 9, die benannten Eigenschaften sind aber ebenfalls bei einer (Vor-)Erwärmung der Batteriezelle 9 relevant, wie sie gegebenenfalls bei niedrigen Temperaturen nötig sein kann.
Um nun eine Wärmeleitung in der Batteriezelle zu verbessern sind aus dem Stand der Technik Batteriekonzepte bekannt, bei denen zwischen den Zellen, also zwischen einer Zellwand der einen Batteriezelle und einer angrenzenden Zellwand der anderen Batteriezelle zusätzliche wärmeleitendende Platten vorgesehen sind, um den Wärmetransport in axialer Richtung der Batteriezellen zu unterstützen. Alternative, aufwändigere Batteriekonzepte verwenden beispielsweise statt der wärmeleitenden Platten fluiddurchströmte Elemente zwischen den einzelnen Batteriezellen der Batterie, wie sie unter anderem von einem Plattenwärmetauscher bekannt sind. Eine Wärmeabfuhr über die Seitenwände der Batteriezelle ist jedoch generell ungünstig, da sich dabei der Wärmeleitpfad lediglich in den Seitenwänden von einer vertikalen Richtung in eine horizontale Richtung ändert, um dann an den Seitenwänden über eine Kühlung oder dergleichen abgeführt zu werden. Dieser Pfad ist bei heute gängigen Abmessungen prismatischer Batteriezellen länger und daher prinzipiell schlechter geeignet.
Eine weitere alternative Gestaltung zur verbesserten Wärmeableitung aus einer Batterie ist beispielsweise aus der WO 2012/139338 A1 bekannt, bei der in einer Lithium-Ionen-Batterie zwischen den einzelnen Batteriezellen Phasenänderungsmaterialien zusammen mit einer Luftkühlung kombiniert angeordnet sind. Es besteht jedoch weiterhin ein Bedarf, die Wärmeleitfähigkeit innerhalb einer Batteriezelle zu verbessern, um ein einfaches, kostengünstiges und überlegenes thermisches Konzept hinsichtlich eines Batteriemoduldesigns zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Um die vorhergehend behandelten Probleme zu lösen stellt die vorliegende Erfindung einen Batteriezellenaufbau mit einem integralen Konzept zur Wärmeab-/zufuhr prismatischer Batteriezellen bereit, vorzugsweise Energiezellen auf Basis der Lithium-Ionen Technik. Die Erfindung beruht auf der Generierung eines besseren Wärmepfades innerhalb der Batteriezelle und ermöglicht dadurch ein einfaches, kostengünstiges thermisches Konzept bei einem Moduldesign für Batteriepacks, das ein besseres thermisches Systemverhalten zeigt.
Genauer gesagt wird mit der vorliegenden Erfindung eine Batteriezelle mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereitgestellt, die für eine Batterie vorgesehen ist, vorzugsweise für eine Lithium-Ionen-Batterie. Des Weiteren werden mit der vorliegenden Erfindung ein Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße Batteriezelle sowie eine Batterie mit einer erfindungsgemäßen Batteriezelle bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Batteriezelle weist dabei ein Gehäuse, zumindest einen in dem Gehäuse angeordneten Batteriewickel und zumindest eine erste wärmeleitende Komponente auf, die zwischen dem Gehäuse und einem ersten Stromabnehmerelement angeordnet ist und mit diesen in Flächenkontakt steht, um eine Wärmeleitung zwischen dem Gehäuse und dem ersten Stromabnehmerelement zu vergrößern, wobei der Batteriewickel über das erste Stromabnehmerelement mit einem ersten Anschluss und über ein zweites Stromabnehmerelement mit einem zweiten Anschluss elektrisch verbunden ist. Der erste Anschluss und der zweite Anschluss sind dabei zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses angeordnet, um ein Be- und Entladen der Batteriezelle zu ermöglichen. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Batteriezelle des Weiteren eine zweite wärmeleitende Komponente auf, die zwischen dem Gehäuse und dem zweiten Stromabnehmerelement angeordnet ist und mit diesen in Flächenkontakt steht, um eine Wärmeleitung zwischen dem Gehäuse und dem zweiten Stromabnehmerelement zu vergrößern. Die Batteriezelle ist hier vorzugsweise eine prismatische Lithium-Ionen-Batteriezelle, die weiter vorzugsweise einen oder mehr, weiter vorzugsweise vier darin angeordnete Batteriewickel aufweist. Die wärmeleitenden Komponenten können vorzugsweise zudem elektrisch isolierende Komponenten sein, wobei zu beachten ist, dass die wärmeleitenden Komponenten eventuell keine elektrisch isolierende Funktion benötigen, beispielsweise für den Fall, dass das ganze Gehäuse an der positiven Elektrode angebunden ist und keine elektrische Isolierung auf der positiven Seite nötig ist.
Unter dem Begriff „Batteriewickel“ ist eine Wickelanordnung von Kathodenaktivmaterialschichten, Anodenaktivmaterialschichten, zwischen diesen vorgesehene Separatoren sowie negativen und positiven Stromableitern, vorzugsweise in Folienform, zu verstehen, auch Elektrodenwickel genannt, wobei die vorstehend genannten Komponenten durch flüssiges Elektrolyt voneinander getrennt sind. Gegebenenfalls können Passivierungsschichten an den Oberflächen von Anodenmaterial und Kathodenmaterial ausgebildet sein.
Unter dem Begriff „Stromabnehmerelement“ ist vorzugsweise eine Stromabnehmergabel, auch Stromgabel genannt, oder dergleichen zu verstehen, die entweder die negativen Stromableiter oder die positiven Stromableiter miteinander verbindet und diese anschließend mit dem jeweiligen Anschluss verbindet. die positiven Stromableiter, auch Kathode genannt, sind vorzugsweise durch eine Kupferfolie ausgebildet, und die negativen Stromableiter, auch Anode genannt, sind vorzugsweise durch eine Aluminiumfolie ausgebildet. Vorzugsweise ist die Anordnung mit leichtem Druck auf die wärmeleitende Komponente auszuführen, damit ein Übergangswiderstand zwischen Stromgabel (Kupfer/Aluminium), wärmeleitender Komponente und der Gehäusewand minimiert wird.
Unter dem Begriff „wärmeleitende Komponente“ ist eine Komponente, entweder ein Bauteil oder eine Masse, zu verstehen, die gute Wärmeleiteigenschaften aufweist. Dies kann vorzugsweise ein Keramikbauteil sein, das aus Aluminiumoxid ausgeführt sein kann, da dies eine nach gängigen Marktgegebenheiten preiswerte Keramik darstellt, welche die drei folgenden Eigenschaften aufweist: a) elektrisch isolierend, b) thermisch ausreichend gut leitend und c) chemisch resistent gegen die Inhaltsstoffe der Batteriezelle. Prinzipiell ist dazu jedes Keramikmaterial geeignet, das die genannten drei Eigenschaften in hinreichendem Maße aufweist. Eine alternative Variante zu dem Keramikbauteil ist es, den Raum zwischen Stromgabel und jeweiliger Zellgehäusewand mit einer geeigneten Vergussmasse auszugießen. Diese Variante stellt an die Vergussmasse dieselben Anforderungen, wie an das oben beschriebene Keramikbauteil. Bevorzugte Vergussmassen hierfür sind beispielsweise mit Aluminiumoxidpartikeln aufgefüllte Kunststoffe oder Harze, die gegen die chemischen Inhaltsstoffe der Batteriezelle resistent sind. Eine weitere Alternative, welche für Zellen verwendbar ist, deren positiver Pol mit dem restlichen Zellgehäuse verbunden ist, ist speziell an der positiven Stromgabel eine wärmeleitende Komponente aus Aluminium einzusetzen, oder die Stromgabel (Werkstoff: Al) in angepasster Form auszuführen, dass sie beide Funktionen a) als wärmeleitende Komponente, wie oben beschrieben, und b) als Stromgabel erfüllt.
Zusätzliche vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche möglich.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann jede wärmeleitende Komponente das entsprechende Stromabnehmerelement zumindest teilweise aufnehmen, vorzugsweise in einer Aussparung, die in der wärmeleitenden Komponente vorgesehen ist. Durch die Aufnahme des Stromabnehmerelements in der wärmeleitenden Komponente kann ein ausreichender Wärmeübergang zwischen Stromabnehmerelement und wärmeleitender Komponente sichergestellt werden. Weiter vorzugsweise ist jede wärmeleitende Komponente so in das Gehäuse eingebracht, dass sie zumindest eine Innenwandfläche des Gehäuses vollständig abdeckt. Durch diese abdeckende Anordnung kann im Sinne eines möglichst vollständigen Flächenkontakts ein ausreichender Wärmeübergang zwischen wärmeleitender Komponente und Gehäuse sichergestellt werden, mit dem Ziel einer verbesserten thermischen Anbindung der Batteriewickel an die Seitenwände des Gehäuses der Batteriezelle. Des Weiteren ist es vorzuziehen, das Design der Stromabnehmerelemente so zu modifizieren, dass eine möglichst große Fläche zu den Seitenwänden des Gehäuses zeigt, jedoch ein Abstand bleibt, der für die notwendige Isolation ausreichend ist. Dieser Bereich wird dann mit der wärmeleitenden Komponente ausgefüllt.
Weiter vorzugsweise weist jeder Batteriewickel zumindest ein Wickelende auf, das mit dem ersten Stromabnehmerelement verbunden ist, und vorzugsweise zumindest ein weiteres Wickelende, das mit dem zweiten Stromabnehmerelement verbunden ist. Dabei ist es weiter vorzuziehen, dass sich jede Verbindung zwischen Wickelende und Stromabnehmerelement über die gesamte Länge der Kontaktfläche zwischen Wickelende und Stromabnehmerelement erstreckt, wobei vorzugsweise die Verbindung in Form einer Schweißverbindung vorliegt, deren Schweißnaht weiter vorzugsweise über die gesamte Länge der Kontaktfläche zwischen Wickelende und Stromabnehmerelement verläuft. Dadurch kann eine möglichst große Wärmeübertragungsstrecke zwischen Wickelende und Stromabnehmerelement mittels der Schweißnaht als Wärmeübertragungsschnittstelle erreicht werden. In einer speziellen Ausführung der Zelle mit einer Kupferfolie und einer Aluminiumfolie als Stromableiter, die aus dem Zellwickeln zu den Stromgabeln herausgeführt werden, sind diese demnach mit einer möglichst langen Schweißnaht über die gesamte Länge der Stromgabel an diese anzuschweißen. Demgegenüber sind gemäß dem Stand der Technik bei herkömmlichen Batteriezellen die aus dem Batteriewickel herausgeführten Kupfer- und Aluminiumfolien, welche den an die Stromabnehmergabel der Zelle geführten Wickelenden entsprechen, an dieser nur punktuell mit in der Regel drei Schweisspunkten fixiert, was für die Stromführung aus dem Batteriewickel zu den Anschlüssen beziehungsweise Polen der Batterie eine üblicherweise ausreichende Dimensionierung darstellt.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Gehäuse eine Quaderform mit mehreren Oberflächen aufweist, wobei zumindest eine der Oberflächen mit einer hervorstehenden Struktur versehen ist. Die hervorstehende Struktur steht dabei von der zumindest einen Oberfläche hervor und kann zumindest eine Kühlrippe oder zumindest eine Kühlfinne oder dergleichen aufweisen. Somit kann ein kompaktes Batteriemoduldesign mit effektiver Luftkühlung ermöglicht werden, wobei der Modulverbund mit einer geeigneten Isolierung versehen sein kann, beispielsweise einer Isolierfolie oder einem Isolierlack oder dergleichen, die auf die Struktur aufzubringen sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Batteriezelle ist eine wärmeleitende Beschichtung zumindest an einer der wärmleitenden Komponenten vorgesehen, wobei vorzugsweise eine weitere wärmeleitende Beschichtung an zumindest einem der Stromabnehmerelemente vorgesehen ist. Durch eine derartige wärmeleitende Beschichtung kann ein Wärmeübergang zwischen wärmeleitender Komponente und jeweiligem Stromabnehmerelement beziehungsweise zwischen Stromabnehmerelement und jeweiligen Wickelende verbessert werden, Die wärmeleitende Beschichtung kann dabei eine Wärmeleitpaste oder dergleichen sein.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße Batteriezelle bereitgestellt, wie sie vorhergehend beschrieben ist. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren weist dabei den Schritt des Bereitstellens des Batteriezellgehäuses mit der hervorstehenden Struktur, den Schritt des Anordnens des zumindest einen Batteriewickels zusammen mit der zumindest einen ersten wärmeleitenden Komponente und den ersten Stromabnehmerelement sowie mit der zumindest einen zweiten wärmeleitenden Komponente und den zweiten Stromabnehmerelement in dem Gehäuse, den Schritt des Verschließens des Batteriezellengehäuses, vorzugsweise durch schnelles Zuschweißen des Gehäuses, und den Schritt des Einfüllens von Elektrolyt in das Gehäuse auf. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Batteriezellgehäuse, auch Zellcan genannt, bereits vor dem Befüllen mit den Batteriewickeln und dem Elektrolyt mit der hervorstehenden Struktur versehen wird, so dass dieser Herstellungsschritt beispielsweise durch einen entsprechenden Schweissprozess durchgeführt werden kann, bei dem sich das Zellgehäuse nochmals erwärmen darf. Diese Erwärmung, würde sie nach dem Befüllen des Gehäuses auftreten, könnte die Zellchemie schädigen beziehungsweise könnte gegebenenfalls zur Zerstörung der Zelle führen. Eine Erwärmung des Zellgehäuses vor dem Befüllen des Gehäuses mit Batteriewickeln und Elektrolyt ist jedoch unschädlich.
Nachfolgend sind Möglichkeiten erläutert, wie die nun möglichen Konzepte zur Wärmeabfuhr im Batteriemodul technisch ausgeführt sein können. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird demnach eine Batterie bereitgestellt, die zumindest zwei der vorhergehend beschriebenen Batteriezellen aufweist, wobei vorzugsweise zumindest eine Kühlplatte an zumindest einer Seitenwand der jeweiligen Batteriezellen angeordnet ist, welche an ihrer Innenseite mit einer wärmeleitenden Komponente versehen ist. Die Kühlplatte kann dabei eine fluiddurchströmte Kühlplatte, eine Wärmesenke, eine sogenannte heat pipe oder dergleichen sein. Auf eine geeignete Isolierung der Zellen in dem Batteriemodul untereinander und gegebenenfalls gegenüber den Kühlelementen im Modulverbund ist analog wie bei bereits bekannten Batteriekühlkonzepten zu achten, unter anderem durch Lack, Folie, dünne Kunststoffschichten, etc..
Vorteile der Erfindung
Durch die Anordnung eines Keramikelements beziehungsweise einer mit Keramikpartikeln gefüllten Vergussmasse in Kombination mit einem angepassten Stromabnehmergabeldesign sowie einer thermisch geeignet dimensionierten Verbindung der Zellwickelenden mit den Stromgabeln kann ein aus Systemsicht optimiertes Batteriezelldesign für Hochenergiezellen erreicht werden. Dieses neue Zelldesign bietet die Basis für ganzheitliche, preiswerte und im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Konzepte zur Ent-/Erwärmung der Batteriezelle auf Modul- beziehungsweise Batteriepackebene. Zudem kann mit dem verbesserten Wärmemanagement der Batteriezelle die Lebensdauer aller Batteriekomponenten weiter erhöht und die Sicherheit der Batterie gesteigert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Batteriezelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, sowie eine Detailansicht eines Verbindungsbereichs zwischen Batteriezellengehäuse und Batteriewickel der erfindungsgemäßen Batteriezelle;
2 ist eine perspektivische Ansicht eines wärmeleitenden Keramikelements der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Batteriezelle;
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Batterie mit einer Vielzahl der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Batteriezelle;
4 ist eine perspektivische Ansicht einer Batteriezelle gemäß dem Stand der Technik; und
5 ist eine schematische Schnittansicht durch die in 4 dargestellte Batteriezelle gemäß dem Stand der Technik, sowie eine Detailansicht eines Schichtaufbaus eines Batteriewickels der Batteriezelle gemäß dem Stand der Technik.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist eine Batteriezelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Schnittansicht von oben gezeigt. Die Batteriezelle hat dabei ein Gehäuse 1 mit zwei großflächigen Seitenwänden 11, 11, einer Seitenwand 12 und einer Seitenwand 13, die der Seitenwand 12 gegenüberliegt. In dem Gehäuse 1 sind nebeneinander vier Batteriewickel 2 angeordnet. Jeder Batteriewickel 2 hat an seinem einen Ende ein Batteriewickelende 21 und an seinem zu dem Batteriewickelende 21 entgegengesetzten Ende ein Batteriewickelende 22, wobei die Batteriewickelenden 21, 22 aus dem Batteriewickel herausgeführte Kupfer- und Aluminiumfolien sind, die als Stromableiter dienen. Die Batteriewickelenden 21 der Batteriewickel 2 sind durch eine als Stromabnehmerelement wirkende Stromabnehmergabel 3 miteinander verbunden, und die Batteriewickelenden 22 der Batteriewickel 2 sind durch eine als Stromabnehmerelement wirkende Stromabnehmergabel 4 miteinander verbunden, wobei die Stromabnehmergabeln 3, 4 vollständig in den Gehäuse 1 untergebracht sind. Die Stromabnehmergabeln 3, 4 sind jeweils mit einem entsprechenden Anschluss der Batteriezelle verbunden, der jedoch nicht dargestellt ist, aber den in 4 dargestellten Anschlüssen 92, 93 entsprechen.
Wie es der Detailansicht in 1 zu entnehmen ist, weist jede Stromabnehmergabel 4, die hier stellvertretenden für alle Stromabnehmergabeln 3, 4 steht, im Querschnitt einen U-förmigen Grundkörper 41 mit vorzugsweise im rechten Winkel abgeknickten Enden 42 auf, wobei die Wickelenden 22 an einer Außenseite des Grundkörpers 41 über deren gesamte Länge angeschweißt sind, so dass ein möglichst durchgehender Wärmeübertragungskontaktbereich zwischen dem Grundkörper 41 und den Wickelenden 22 zustande kommt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel steht eine Stromabnehmergabel 4 mit zwei der Wickelenden 22 und damit mit zwei der vier Wickel 2 in paralleler elektrischer und thermischer Verbindung. Das Material der entsprechenden Stromabnehmergabel 3, 4 entspricht dem Material der damit verbundenen Wickelenenden 21, 22. In dem hier im Detail gezeigten Fall besteht demnach die Stromabnehmergabel 4 aus Kupfer und steht mit den aus Kupfer bestehenden Wickelenden 22 in Verbindung.
Wie es weiterhin 1 zu entnehmen ist, sind die abgeknickten Enden 42 der Stromabnehmergabel 4 in einem als wärmeleitende Komponente wirkenden Keramikelement 6 aufgenommen, das in 2 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt ist. Die abgeknickten Enden 42 sind dabei in Aussparungen 61 in dem Keramikelement 6 aufgenommen, die jeweils eine Vertiefung in dem Keramikelement 6 darstellen, die der Geometrie der abgeknickten Enden 42 entspricht. Das Keramikelement 6 weist ferner eine Gesamtgestalt auf, die sich vorzugsweise lückenlos an die Innenseite des Gehäuses 1 im Bereich der Seitenwand 13 anlegt, um einen möglichst gleichmäßigen und großflächigen Wärmeübergang zwischen Keramikelement 6 und Gehäuseseitenwand 13 zu ermöglichen. Die Anordnung ist dabei mit leichtem Druck auf das Keramikelement 6 ausgeführt, damit ein Übergangswiderstand zwischen Stromabnehmergabel 4, Keramikelement 6 und Gehäuseseitenwand 13 minimiert wird. Entsprechend zu dem Keramikelement 6 ist ein vergleichbares Keramikelement 5 an der entgegengesetzten Seite der Batteriewickel 2 angeordnet, das thermisch zwischen der Stromabnehmergabel 3 und der Innenseite des Gehäuses 1 im Bereich der Seitenwand 12 verbindet. In 1 ist ähnlich zu 5 eine Wärmeleitfähigkeit entlang der Breitenrichtung der jeweiligen Batteriezelle, also in einer horizontalen Richtung in 1 als λ_{radialJellyRoll} bezeichnet, eine Wärmeleitfähigkeit entlang der Längsrichtung der Batteriezelle, also in einer vertikalen Richtung in 1 ist als λ_{axialJellyRoll} bezeichnet, wobei eine Namensgebung der Wärmeleitzahlen λ_...JellyRoll auf einer Erstreckung der Batteriewickel 2 basiert. Durch die verbesserte Wärmeübertragung zwischen den Wickelenden 21 und der Seitenwand 12 des Gehäuses 1 mittels des Keramikelements 5 kann eine Wärmeleitung zwischen den Batteriewickeln 2 und der Seitenwand 12 erhöht werden, und durch die verbesserte Wärmeübertragung zwischen den Wickelenden 22 und der Seitenwand 13 des Gehäuses 1 mittels des Keramikelements 6 kann eine Wärmeleitung zwischen den Batteriewickeln 2 und der Seitenwand 13 erhöht werden. Der Kern der Erfindung gemäß der bevorzugten Ausführungsform liegt demnach in dem Keramikelement 5, 6, das in einer alternativen Ausführung als. mit Keramikpartikeln gefüllte Vergussmasse ausgeführt sein kann, in Kombination mit einem angepassten Design der Stromabnehmergabeln 3, 4 sowie die thermisch geeignet dimensionierte Verbindung der Zellwickelenden 21, 22 mit den Stromabnehmergabeln 3, 4. Ziel ist eine sehr gute thermische Anbindung der Batteriewickel 2 an der jeweiligen Seitenwand 12 und 13 des Zellgehäuses 1.
In 3 ist ferner eine Batterie 8 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt, die aus einer Vielzahl von prismatischen Batteriezellen gemäß der vorhergehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform aufgebaut ist, wobei die quaderförmigen Batteriezellengehäuse 1 der Batteriezellen nebeneinander angeordnet sind, so dass die jeweiligen Seitenwände 12, 13 eine durchgehende Seitenwand der Batterie ausbilden. Um nun eine Wärmezu-/-abfuhr von den Seitenwänden 12, 13 der Batteriezellengehäuse 1 zu verbessern, sind Wärmeleitplatten 81, vorzugsweise fluiddurchströmte Wärmeleitplatte 81 an den Seitenwänden 12, 13 angebracht, die das verbesserte Wärmezu-/-abfuhrkonzept der einzelnen Batteriezellen auf Batterieebene noch weiter verbessern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/139338 A1 [0007]

Claims

Batteriezelle mit einem Gehäuse (1), zumindest einem in dem Gehäuse (1) angeordneten Batteriewickel (2), der über ein erstes Stromabnehmerelement (3) mit einem ersten Anschluss und über ein zweites Stromabnehmerelement (4) mit einem zweiten Anschluss elektrisch verbunden ist, wobei der erste Anschluss und der zweite Anschluss zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses (1) angeordnet sind, und zumindest einer ersten wärmeleitenden Komponente (5), die zwischen dem Gehäuse (1) und dem ersten Stromabnehmerelement (3) angeordnet ist und mit diesen in Flächenkontakt steht, um eine Wärmeleitung zwischen dem Gehäuse (1) und dem ersten Stromabnehmerelement (3) zu vergrößern, vorzugsweise mit zumindest einer zweiten wärmeleitenden Komponente (6), die zwischen dem Gehäuse (1) und dem zweiten Stromabnehmerelement (4) angeordnet ist und mit diesen in Flächenkontakt steht, um eine Wärmeleitung zwischen dem Gehäuse (1) und dem zweiten Stromabnehmerelement (4) zu vergrößern.
Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei jede wärmeleitende Komponente (5, 6) das entsprechende Stromabnehmerelement (3, 4) zumindest teilweise aufnimmt, vorzugsweise in einer Aussparung (61).
Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede wärmeleitende Komponente (5, 6) in das Gehäuse (1) so eingebracht ist, dass sie zumindest eine Innenwandfläche des Gehäuses (1) vollständig abdeckt.
Batteriezelle (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede wärmeleitende Komponente (5, 6) entweder ein Keramikbauteil (5, 6), vorzugsweise aus Aluminiumoxid, oder ein Vergussbauteil ist, vorzugsweise aus einem mit Aluminiumoxidpartikeln gefüllten Kunststoff- oder Harzmaterial.
Batteriezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder Batteriewickel (2) zumindest ein Wickelende (21) aufweist, das mit dem ersten Stromabnehmerelement (3) verbunden ist, und vorzugsweise zumindest ein weiteres Wickelende (22) aufweist, das mit dem zweiten Stromabnehmerelement (4) verbunden ist.
Batteriezelle nach Anspruch 5, wobei sich jede Verbindung zwischen Wickelende (21, 22) und Stromabnehmerelement (3, 4) über die gesamte Länge der Kontaktfläche zwischen Wickelende (21, 22) und Stromabnehmerelement (3, 4) erstreckt, wobei vorzugsweise die Verbindung eine Schweißverbindung ist und die Schweißnaht über die gesamte Länge der Kontaktfläche zwischen Wickelende (21, 22) und Stromabnehmerelement (3, 4) verläuft, um eine möglichst große Wärmeübertragungsstrecke zwischen diesen zu ermöglichen.
Batteriezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Batteriezelle eine prismatische Lithium-Ionen-Batteriezelle ist, wobei vorzugsweise die Batteriezelle einen oder mehr, weiter vorzugsweise vier Batteriewickel (2) aufweist.
Batteriezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (1) eine Quaderform mit mehreren Oberflächen (11, 12, 13) aufweist, wobei zumindest eine der Oberflächen (11, 12, 13) mit einer hervorstehenden Struktur versehen ist, wobei vorzugsweise die hervorstehende Struktur zumindest eine Kühlrippe oder zumindest eine Kühlfinne aufweist.
Batteriezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine wärmeleitende Beschichtung zumindest an einer wärmleitenden Komponente (5, 6) vorgesehen ist, wobei vorzugsweise eine wärmeleitende Beschichtung an zumindest einem Stromabnehmerelement (3, 4) vorgesehen ist.
Batteriezelle nach Anspruch 9, wobei die wärmeleitende Beschichtung eine Wärmeleitpaste ist.
Herstellungsverfahren für eine Batteriezelle nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Herstellungsverfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen des Gehäuses (1) mit der hervorstehenden Struktur, das vorzugsweise durch Schweißen mit dem Gehäuse (1) verbunden wird, Anordnen des zumindest einen Batteriewickels (2) zusammen mit der zumindest einen ersten wärmeleitenden Komponente (5) und den ersten Stromabnehmerelement (3) sowie mit der zumindest einen zweiten wärmeleitenden Komponente (6) und den zweiten Stromabnehmerelement (4) in dem Gehäuse (1), Verschließen des Gehäuses (1), vorzugsweise durch Schweißen, Einfüllen von Elektrolyt in das Gehäuse (1) durch eine kleine offen verbliebene Öffnung, und finales Verschließen der Zelle durch Verschließen der kleinen Öffnung, durch die der Elektrolyt eingefüllt wird.
Batterie (8) mit zumindest zwei Batteriezellen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei vorzugsweise zumindest eine Kühlplatte (81) an zumindest einer Seitenwand (12, 13) der jeweiligen Batteriezellen angeordnet ist, welche an ihrer Innenseite mit der wärmeleitenden Komponente (5, 6) versehen ist, wobei weiter vorzugsweise die Kühlplatte (81) eine fluiddurchströmte Kühlplatte ist.