DE102015217037A1 - Elektrische Speicherzelle mit einem während der Deckelherstellung angeformten Isolationsabschnitt - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Speicherzelle (1), mit den Schritten: Fixieren einer Grundplatte (12) eines Deckels (5) und eines Pols (6), der sich durch den Deckel (5) erstreckt; Einbringen von verformbarem elektrischem Isolationsmaterial zwischen die Grundplatte (12) und den Pol (6), wobei sich das Isolationsmaterial in einer Ebene parallel zur Grundplatte (12) in eine Ausnehmung des Pols (6) erstreckt; Aushärten des Isolationsmaterials zum Herstellen eines Isolators (13), so dass der Pol (6) an der Grundplatte (12) fixiert und gegenüber der Grundplatte (12) elektrisch isoliert ist; Einfügen eines elektrochemischen Elements (3) in ein Gehäuse (2) der Speicherzelle (1), und Verschließen des Gehäuses (2) mit dem Deckel (5). Somit fixiert der Isolator (13) bereits bei der Deckelherstellung einen der Pole (6). Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine so hergestellte Speicherzelle.
Description
- Die Erfindung betrifft eine elektrische Speicherzelle, insbesondere für Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden solch einer Speicherzelle.
- Elektrische Energiespeicher, wie sie beispielsweise in Elektro- und Hybridfahrzeugen verwendet werden, umfassen in der Regel mehrere elektrisch parallel oder in Serie zueinander geschaltete Zellen.
- Solche Speicherzellen vom Stand der Technik weisen ein metallisches Gehäuse auf, in dem ein elektrochemisches Element aufgenommen ist, wobei das Gehäuse mit einem Deckel verschlossen wird, durch den sich Pole erstrecken, über die von der Außenseite das Potential des elektrochemischen Elements abgegriffen werden kann.
- Der Zusammenbau solcher Speicherzellen umfasst die Handhabung von zahlreichen Einzelbauteilen, insbesondere der Zusammenbau, das Einsetzen und die Montageüberprüfung der Pole in den Deckel ist aufwendig, da hierzu die Handhabung einer Vielzahl von Einzelbauteilen erforderlich ist. Dies führt zu relativ hohen Herstellungskosten. Auch bei der Montage einer Vielzahl an Einzelbauteilen müssen Undichtheiten zwischen diesen Bauteilen ausgeschlossen werden, was zusätzlichen Aufwand verursacht.
- Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstigere Speicherzelle zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine ein Verfahren zum Herstellen einer Speicherzelle gemäß Anspruch 1 und eine Speicherzelle gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Speicherzelle bereitgestellt, mit den Schritten Fixieren einer Grundplatte eines Deckels und eines Pols, der sich durch den Deckel erstreckt; Einbringen von verformbarem elektrischen Isolationsmaterial zwischen die Grundplatte und den Pol, wobei sich das Isolationsmaterial in einer Ebene parallel zur Grundplatte in eine Ausnehmung des Pols erstreckt; Aushärten des Isolationsmaterials zum Herstellen eines Isolators, so dass der Pol an der Grundplatte fixiert und gegenüber der Grundplatte elektrisch isoliert ist; Einfügen eines elektrochemischen Elements in ein Gehäuse der Speicherzelle, und Verschließen des Gehäuses mit dem Deckel. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Pol direkt während der Deckelherstellung mit Isolationsmaterial umformt, welches die Aufgaben der Befestigung, der Abdichtung und der Isolation gegenüber der Umwelt bzw. dem Gehäuse übernimmt. Durch einen derartigen Aufbau reduziert sich die Bauteilanzahl und der Montageprozess kann erheblich vereinfacht werden, weil ein nachträglicher Einbau des Isolators und des zugehörigen Pols entfällt. Dieses Verfahren kann beispielsweise sowohl für ein Speicherzellengehäuse aus Aluminium oder Edelstahl als auch aus Kunststoff verwendet werden.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfassen die Schritte des Einbringens und Aushärtens einen Gießprozess.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Gießprozess ein Spritzgießprozess.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht der Isolator aus einem Kunststoffmaterial. Besonders gute Ergebnisse werden mit Polypropylen (PP) erzielt.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Verfahren weitergebildet, wobei der Pol auf der einen Seite des Deckels einen Stromkollektor bildet und auf der anderen Seite des Deckels einen Stromabgriff bildet, über den ein elektrisches Potential des Stromkollektors abgreifbar ist, wobei das Verfahren ferner den Schritt aufweist: Verschweißen des Stromkollektors mit dem elektrochemischen Element. Dadurch können Blechbügel (Strombügel) entfallen was eine weitere Bauteilverringerung zur Folge hat.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird bei den Schritten des Einfügens und Aushärtens der dem Isolator zugewandte Bereich der Grundplatte beidseitig mit dem Isolationsmaterial bedeckt. Dadurch entsteht eine Hinterschneidung zwischen Grundplatte und Pol, was den Pol noch besser im Deckel hält und fixiert.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Ausbildens eines weiteren Pols mit einem Stromabgriff und einem Stromkollektor in einer einstückigen Weise mit der Grundplatte.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Speicherzelle bereitgestellt mit einem elektrochemischen Element; einem Gehäuse zur Einhausung des elektrochemischen Elements; einem Deckel zum Verschließen des Gehäuses, wobei der Deckel eine Grundplatte und zumindest einen Pol aufweist, der sich durch den Deckel hindurch erstreckt und auf der einen Seite des Deckels einen Stromkollektor bildet, der elektrisch mit dem elektrochemischen Element verbunden ist, und auf der anderen Seite des Deckels einen Stromabgriff bildet, über den ein elektrisches Potential des Stromkollektors abgreifbar ist; wobei zwischen dem Pol und der Grundplatte ein elektrischer Isolator so eingeformt und ausgehärtet ist, dass die Grundplatte und der Pol nicht elektrisch in Kontakt kommen, wobei sich der Isolator in einer Ebene parallel zur Grundplatte in eine Ausnehmung des Pols erstreckt.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speicherzelle so weitergebildet, dass der Stromkollektor direkt mit dem elektrochemischen Element verschweißt ist.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speicherzelle so ausgebildet, dass sich die Grundplatte in die Ausnehmung erstreckt.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speicherzelle so weitergebildet, dass der dem Isolator zugewandte Bereich der Grundplatte beidseitig mit dem Isolator bedeckt ist.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speicherzelle so weitergebildet, dass der Isolator aus einem Kunststoffmaterial besteht.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speicherzelle so weitergebildet, dass der Pol zwei Längsenden mit jeweiligen Stirnflächen aufweist, wovon eine Stirnfläche mit dem Stromabgriff verbunden ist und die andere Stirnfläche mit dem elektrochemischen Element verbunden ist.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speicherzelle so weitergebildet, dass ein weiterer Pol mit einem Stromabgriff und einem Stromkollektor vorgesehen ist, welcher einstückig mit der Grundplatte ausgebildet ist.
- Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
-
1 ist eine dreidimensionale Ansicht einer erfindungsgemäßen Speicherzelle, und -
2 ist eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines Deckels der Speicherzelle aus1 . -
1 zeigt eine Speicherzelle1 in einer dreidimensionalen Ansicht. Mehrere solcher Speicherzellen1 werden elektrisch parallel oder in Serie zueinander geschaltet und bilden ein Speichermodul. Die Speicherzellen1 sind vorzugsweise ausgebildet als Lithium-Zelle, Lithium-Batterie, Lithium-Akkumulator, besonders bevorzugt als Lithium-Ionen-Zelle, Lithium-Ionen-Batterie oder Lithium-Ionen-Akkumulator. Mehrere parallel oder in Serie geschaltete Speichermodule bilden einen elektrischen Energiespeicher, wie er beispielsweise in Elektro- und Hybridfahrzeugen verwendet wird. Die Speicherzelle1 aus1 umfasst ein Gehäuse2 , einen elektrochemisches Element3 , Isolationshalterungen4 und einen Deckel5 . Das Gehäuse2 kann aus Metall- (beispielsweise Aluminium oder Edelstahl) oder Kunststoff hergestellt sein. Die Isolationshalterungen4 werden zwischen dem in das Gehäuse2 eingefügten elektrochemischen Element3 und dem Gehäuse2 angeordnet. Der Deckel5 umfasst zwei Pole6 und7 , die einerseits Stromkollektoren8 ,9 und andererseits Stromabgriffe10 ,11 ausbilden. Die Stromkollektoren8 ,9 sind jeweils mit einer Kathode oder Anode des elektrochemischen Elements3 elektrisch verbunden. Über die Stromabgriffe10 ,11 kann jeweils das Potential des zugeordneten Stromkollektors8 ,9 abgegriffen werden. Die Pole6 ,7 erstrecken sich dabei durch eine Grundplatte12 des Deckels5 hindurch. Die Grundplatte12 ist vorzugsweise elektrisch leitfähig und vorzugsweise aus Metall (insbesondere Aluminium), kann aber auch aus Kunststoff sein. Beide Pole6 ,7 können, wie unter Bezugnahme auf2 beschrieben, ausgebildet werden. Es ist aber auch möglich, dass nur einer der Pole6 ,7 auf diese Weise ausgebildet wird, vorzugsweise der Anoden-Pol, und der andere Pol, vorzugsweise der Kathoden-Pol, einstückig mit einer Grundplatte12 des Deckels5 ausgebildet ist, beispielsweise durch Fließpressen. Der Deckel5 wird zum Verschließen des Gehäuses2 beispielsweise per Laserschweißen mit dem Gehäuse2 verschweißt. Anschließend wird über eine wieder verschließbare Füllöffnung im Deckel5 ein Elektrolyt in das Gehäuse2 gefüllt. -
2 ist eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts des Deckels5 der Speicherzelle1 aus1 . Zur Fixierung zumindest eines der Pole6 an der Grundplatte12 wird in dem Bereich zwischen dem Pol6 und der Grundplatte12 ein elektrisch isolierendes Isolationsmaterial in verformbarem (vorzugsweise flüssigem) Zustand eingebracht und ausgehärtet. Die erfolgt vorzugsweise durch einen Gießprozess, beispielsweise einem Spritzgießprozess. Dies kann jedoch, insbesondere bei langfaserverstärkten Thermoplasten, auch durch Einpressen und anschließendem Aushärten realisiert werden. Der Isolator13 ist vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial, einem Duroplast, einem Thermoplast oder Silikon. Es sind verschiedene Ausführungen denkbar. Beispielsweise ist möglich, dass eine Öffnung (beispielsweise rund oder viereckig) in der Grundplatte12 vorgesehen ist, in der der Pol6 so angeordnet ist, dass ein Freiraum zwischen der Öffnungskante und der Außenseite des Pols6 entsteht, der mit dem Isolator13 aufgefüllt wird. Ferner ist möglich, dass die Grundplatte12 beim Pol6 endet und die restliche Fläche, die nötig ist um das Gehäuse2 zu verschließen, mit dem Isolator13 aufgefüllt wird, so dass der Isolator13 als Fortsetzung der Grundplatte12 ausgebildet ist, durch welche sich der Pol6 erstreckt. Der Pol6 ist im Querschnitt (mit der Grundplatte als Schnittebene) beispielsweise rund, oval, quadratisch oder rechteckig. Eine nach innen, zum elektrochemischen Element3 weisende Stirnfläche16 des Pols6 ist direkt mit einer Elektrodenfolie des elektrochemischen Elements3 verschweißt, wodurch bügelförmige Stromkollektoren, wie sie der Stand der Technik verwendet, entfallen können. Dies bedeutet, dass der Stromkollektor8 nur im Bereich zwischen der Grundplatte12 /dem Isolator13 angeordnet ist und nicht im Bereich zwischen dem elektrochemischen Element3 und dem Speichergehäuse2 . Der Stromabgriff10 kann beispielsweise aus Aluminium und der Stromkollektor8 aus Kupfer sein, die entlang einer Schweißnaht14 miteinander verschweißt sind und den Pol6 ausbilden. Eine Ausnehmung15 verläuft, innerhalb einer Ebene, die parallel zur Grundplatte12 verläuft, in Umfangsrichtung um den Pol6 herum. Die Abmessung der Ausnehmung in einer Normalrichtung zur Grundplatte12 ist größer als die Dicke der Grundplatte12 . Vorzugsweise ragt die Grundplatte12 in die Ausnehmung15 hinein. Dieses Hineinragen kann auch nur auf einer Seite des Pols6 realisiert sein. Soll die Grundplatte12 ringsum in die Ausnehmung15 hineinragen, dann müsste die Verschweißung von Stromkollektor8 und Stromabgriff10 nach Einfügen dieser in die Öffnung der Grundplatte12 durchgeführt werden oder der bereits verschweißte Pol müsste gekühlt (und somit leicht verkleinert) in die Öffnung eingefügt werden. Vorzugsweise enthält die Ausnehmung15 die Fügestelle von Stromkollektor8 und Stromabgriff10 , so dass die Schweißnaht14 vom Isolator13 , der in die Ausnehmung15 spritzgegossen wird, abgedeckt wird. Dies hat den Vorteil, dass der im Pol6 ausgeführte Materialübergang von Kupfer auf Aluminium abgedichtet wird und keine weiteren Maßnahmen ergriffen werden müssen. - Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf die offenbarten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.
Claims (11)
- Verfahren zum Herstellen einer Speicherzelle (
1 ), mit den Schritten: Fixieren einer Grundplatte (12 ) eines Deckels (5 ) und eines Pols (6 ), der sich durch den Deckel (5 ) erstreckt; Einbringen von verformbarem elektrischem Isolationsmaterial zwischen die Grundplatte (12 ) und den Pol (6 ), wobei sich das Isolationsmaterial in einer Ebene parallel zur Grundplatte (12 ) in eine Ausnehmung des Pols (6 ) erstreckt; Aushärten des Isolationsmaterials zum Herstellen eines Isolators (13 ), so dass der Pol (6 ) an der Grundplatte (12 ) fixiert und gegenüber der Grundplatte (12 ) elektrisch isoliert ist; Einfügen eines elektrochemischen Elements (3 ) in ein Gehäuse (2 ) der Speicherzelle (1 ), und Verschließen des Gehäuses (2 ) mit dem Deckel (5 ). - Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Schritte des Einbringens und Aushärtens einen Gießprozess umfassen.
- Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Gießprozess ein Spritzgießprozess ist.
- Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Isolator (
13 ) aus einem Kunststoffmaterial besteht. - Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Pol (
6 ) auf der einen Seite des Deckels (5 ) einen Stromkollektor (8 ) bildet und auf der anderen Seite des Deckels (5 ) einen Stromabgriff (10 ) bildet, über den ein elektrisches Potential des Stromkollektors (8 ) abgreifbar ist, wobei das Verfahren ferner den Schritt aufweist: Verschweißen des Stromkollektors (8 ) mit dem elektrochemischen Element (3 ). - Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei den Schritten des Einfügens und Aushärtens der dem Isolator (
13 ) zugewandte Bereich der Grundplatte (12 ) beidseitig mit dem Isolationsmaterial bedeckt wird. - Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend den Schritt: Ausbilden eines weiteren Pols (
7 ) mit einem Stromabgriff (7 ) und einem Stromkollektor (9 ) in einer einstückigen Weise mit der Grundplatte (12 ). - Speicherzelle (
1 ) mit einem elektrochemischen Element (3 ); einem Gehäuse (2 ) zur Einhausung des elektrochemischen Elements (3 ); einem Deckel (5 ) zum Verschließen des Gehäuses (2 ), wobei der Deckel (5 ) eine Grundplatte (12 ) und zumindest einen Pol (6 ) aufweist, der sich durch den Deckel (5 ) hindurch erstreckt und auf der einen Seite des Deckels (5 ) einen Stromkollektor (8 ) bildet, der elektrisch mit dem elektrochemischen Element (3 ) verbunden ist, und auf der anderen Seite des Deckels (5 ) einen Stromabgriff (10 ) bildet, über den ein elektrisches Potential des Stromkollektors (8 ) abgreifbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Pol (6 ) und der Grundplatte (12 ) ein elektrischer Isolator (13 ) so eingeformt und ausgehärtet ist, dass die Grundplatte (12 ) und der Pol (6 ) nicht elektrisch in Kontakt kommen, wobei sich der Isolator (13 ) in einer Ebene parallel zur Grundplatte (12 ) in eine Ausnehmung (15 ) des Pols (6 ) erstreckt. - Speicherzelle (
1 ) gemäß Anspruch 8, wobei der Stromkollektor (8 ) direkt mit dem elektrochemischen Element (3 ) verschweißt ist. - Speicherzelle (
1 ) gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei sich die Grundplatte (12 ) in die Ausnehmung (15 ) erstreckt. - Speicherzelle (
1 ) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der dem Isolator (13 ) zugewandte Bereich der Grundplatte (12 ) beidseitig mit dem Isolator (13 ) bedeckt ist.
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