-
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit zwei Gehäusehälften, die flächige Kontaktpole der Batteriezelle ausbilden, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Batteriezelle
-
Stand der Technik
-
Aus
US 2015/0243938 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, wobei diese eine erste Gehäusehälfte aufweist, welche einen ersten flächigen Kontaktpol der Batteriezelle ausbildet, und eine zweite Gehäusehälfte, die einen flächigen Kontaktpol der Batteriezelle ausbildet, wobei die beiden Gehäusehälften ineinander gesetzt sind und von einem Isolierelement elektrisch isoliert sind. Die Bauform wird auch als „Knopfzelle“ bezeichnet, oder als „Nutshell“-Zelle.
-
Bei derartigen Batteriezellen mit zwei Gehäusehälften, die flächige Kontaktpole der Batteriezelle ausbilden, sind die Gehäusehälften im Endmontagezustand fest und quasi unlösbar miteinander verbunden, beispielsweise verklebt, und nur über einen elektrischen Isolator voneinander isoliert.
-
Durch den Einfluss der volumetrischen Veränderung der Elektroden in primärer Abhängigkeit von der zeit-/betriebs- und ladezustandsabhängigen Situation führt dies insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen aufgrund des variablen Lithiumgehalts auf den Elektroden zu einem An- und Abschwellen der Zelle (Swelling). Das Gehäusevolumen wird daher in derartigen Anwendungsfällen im Ausgangszustand größer gestaltet, um das Swelling aufzunehmen. Das Swellingvolumen kann bis zu 15 % betragen. Entsprechend des spezifischen Swellingverhaltens sind Gehäusevolumina mit einem Übermaß von ca. 20 % des gesamten Volumens vorgesehen.
-
Das Vorhalten von Volumen zur Aufnahme des Swellings in der Basiskonstruktion verschlechtert die volumetrische Energiedichte der Zelle bereits im Ausgangszustand.
-
Bei derartigen Zellen konnten bisher auch bestimmte thermische Gegebenheiten nicht vollumfänglich geklärt werden, wodurch Fehlbelastungen der Batteriezellen unvermeidlich waren. Nicht zu determinierende Wärmeübergänge innerhalb der Batteriezelle führen zu partiellen Überlastungen und somit zur thermischen Alterung und vorzeitigem Ausfall der Zellen. Im ungünstigsten Fall konnte auch ein sogenanntes Durchgehen (im Englischen „thermal runaway“) einer Zelle nicht ausgeschlossen werden.
-
Durch die undefinierten Zustände der Wärmeübertragung innerhalb der Zelle sind auch erschwerte Bedingungen für den Einsatz von geeigneter Software für das Betriebs- und somit Temperaturmanagement der einzelnen Zelle, der Module und des gesamten Packs vorhanden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Bei einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit zwei Gehäusehälften, die flächige Kontaktpole der Batteriezelle ausbilden, ist vorgesehen, dass die beiden Gehäusehälften mittels zumindest eines elastischen Fixierelements aneinander befestigt sind, sodass das Volumen der Batteriezelle in Abhängigkeit vom Ladezustand variabel ist.
-
Die Gehäusehälften der auch als „Nutshell“-Zelle bezeichenbaren Batteriezelle werden daher nicht mehr wie bisher miteinander verklebt, sondern über lösbare Fixierelemente verbunden. Hierdurch kann bei jedem Betriebszustand von gleichen thermischen Gegebenheiten ausgegangen werden, sodass exaktere thermische Auslegung der Zelle, höhere Effizienz durch geringere Totvolumina, eine exaktere Ansteuerung durch das Batteriemanagementsystem und ein anforderungsoptimiertes Kühlsystem möglich sind.
-
Die Gehäusehälften können mit der Anode und der Kathode identifiziert werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Batteriezelle ein Isolierelement auf, welches umfänglich um die Gehäusehälften angeordnet ist, um diese gegeneinander zu isolieren. Die Isolation der beiden Elektroden voneinander bleibt somit als Einzelteil beim Aufbau der Batteriezelle vorhanden. Das Isolierelement ist beispielsweise aus einem Polymer gefertigt.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine erste Gehäusehälfte in Form eines Pyramidenstumpfes ausgeführt, wobei die erste Gehäusehälfte so in eine zweite Gehäusehälfte eingesetzt ist, dass sie von dieser in einem Klemmsitz gehalten wird. Die erste Gehäusehälfte ist dann beispielsweise quaderförmig ausgebildet. Zur Fixierung der Gehäusehälften bei gleichzeitiger Flexibilität in der Hauptverschiebungsrichtung kann zum Beispiel die Kathode in Form eines Pyramidenstumpfes ausgeführt werden und zur Montage mit der Anode mittels einer Hilfseinrichtung in Quaderform gebracht werden. Nach der Montage erzeugt die Rückstellkraft der Seitenflächen, auch als Flanken bezeichenbar, die nötige Reibungs- und Anpresskraft zwischen den Gehäusehälften, um beispielsweise mit einer Polymerdichtung abzuschließen. Nach der Ausdehnung (Swelling) erfolgt bei abnehmenden Volumen, beispielsweise aufgrund verringerten Lithiumgehalts, die Rückstellung durch die elastischen Fixierelemente.
-
Die Gehäusehälften sind daher bevorzugt lösbar aneinander befestigt und nicht fest verklebt.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das zumindest eine Fixierelement von außen über die Batteriezelle gespannt. Beispielsweise ist das zumindest eine Fixierelement als eine Federklammer ausgebildet. Alternative Ausgestaltungen sind denkbar, beispielsweise Spiralfedern, welche vollumfänglich um die Batteriezelle gespannt sind.
-
Die Batteriezelle ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform als eine Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet, bei welcher die Problematik des Swellings verstärkt auftritt, sodass ein Totvolumenvorhalt von bis zu 20% zu erwarten ist.
-
Die Begriffe „Batterie“ und „Batteriezelle“ werden in der vorliegenden Beschreibung dem üblichen Sprachgebrauch angepasst für Akkumulator bzw. Akkumulatorzelle verwendet. Die Batteriezelle kann beispielsweise als Pouch-Zelle oder als Hard-Case-Zelle ausgebildet sein, wobei dies nicht einschränkend ist.
-
Die Batteriezellen sind vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander zu größeren Strukturen verbunden, beispielsweise seriell und/oder parallel zu einem Batteriemodul oder Batteriepack verschaltet, um die geforderte Leistung und sonstigen Betriebseigenschaften bereitzustellen.
-
Anwendungen der Batteriezellen können insbesondere Elektrofahrzeugbatterien, Hybridfahrzeugbatterien oder allgemein Batteriesysteme sein, die modular aufgebaut sind und eine Vielzahl von Batteriezellen als Energiespeicher einsetzen.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Batteriezelle vorgeschlagen, wobei in einem ersten Schritt zwei Gehäusehälften bereitgestellt werden, die flächige Kontaktpole der Batteriezelle ausbilden, und wobei in einem zweiten Schritt die Gehäusehälften zusammengeführt und mittels zumindest eines elastischen Fixierelements aneinander befestigt werden, sodass das Volumen der Batteriezelle in Abhängigkeit vom Ladezustand variabel ist.
-
Bevorzugt wird das Verfahren zur Herstellung einer der oben beschriebenen Batteriezellen eingesetzt, so dass die Merkmale, die in Bezug auf die Batteriezelle offenbart wurden, auch in Bezug auf das Verfahren als offenbart gelten sollen und umgekehrt.
-
Bevorzugt wird dabei eine erste Gehäusehälfte beim Schritt des Zusammenführens in eine zweite Gehäusehälfte eingesetzt.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Gehäusehälfte in Form eines Pyramidenstumpfes ausgeführt und beim Schritt des Zusammenführens verformt, sodass sich Rückstellkräfte bilden, die die Gehäusehälften in einem Klemmsitz aneinander halten.
-
Vorteile der Erfindung
-
Ein Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine sich infolge der inneren Volumenänderung beim Laden/Entladen verändernde geometrische Abmessung des begrenzenden Gehäuses der Batteriezelle.
-
Die Ausdehnung, z.B. beim Beladen der Zelle, erfolgt hauptsächlich in der Normalen zum Lagenaufbau. Diese Ausdehnung wird durch die elastischen Fixierelemente aufgenommen und bei erneuter Abnahme des Volumens im Rahmen der zyklischen Be- und Entladung der Zelle wieder zurückgestellt.
-
Die Anpassung der Anlageflächen des Stacks im Gehäuse in alle drei Raumrichtungen ist vorteilhaft, da hierüber exakt definierte Wärmemengen abgeführt werden können. Die speziell zur Luftkühlung relevanten atmenden Flächen orthogonal zum Lagenaufbau des Stacks, die hier nun ständig mit den Wärme abführenden Flächen in Berührung sind, werden durch die Erfindung effektiv in den Kühlprozess mit eingebunden, wodurch eine deutlich größere Effizienz der gesamten Zelle sowie des Batteriemanagementsystems erreicht wird.
-
Figurenliste
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
- 2 eine seitliche Schnittansicht durch die in 1 dargestellte Batteriezelle entlang des Schnitts A - A, verformt/unverformt bzw. montiert/nicht montiert,
- 3 eine seitliche Schnittansicht durch die in 1 dargestellte Batteriezelle entlang des Schnitts B - B, verformt/unverformt bzw. montiert/nicht montiert, und
- 4 eine Draufsicht auf eine erste Gehäusehälfte einer erfindungsgemäßen Batteriezelle.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei in Einzelfällen auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
-
1 zeigt eine elektrochemische Batteriezelle 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht.
-
Die Batteriezelle 1 umfasst eine erste Gehäusehälfte 2 und eine zweite Gehäusehälfte 3, welche den elektrochemisch aktiven Inhalt der Batteriezelle 1, nämlich Anode, Kathode, Separator und Elektrolyt, welche in bekannter Art und Weise ausgestaltet sein können, insbesondere beispielsweise in Form von Stapeln (englisch: „stacked cell“) oder Wickeln (englisch: „jelly roll“), aufnehmen.
-
Bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 bilden die zwei Gehäusehälften 2, 3 flächige Kontaktpole 5 der Batteriezelle 1 aus. Die flächigen Kontaktpole 5, auch als Stromableiter bezeichenbar, sind bevorzugt großflächig bzw. vollflächig an jeweils einer der Hauptseiten der Batteriezelle 1 angeordnet. Im Falle von prismatischen Zellen können die Hauptseiten der Batteriezelle 1 z. B. mit der Orientierung der Elektrodenlagen in der Batteriezelle 1 zusammenfallen. Die beiden Gehäusehälften 2, 3 sind dabei durch ein Isolierelement 4 voneinander beabstandet, um deren elektrische Isolation bereitzustellen. Das Isolierelement 4 ist beispielsweise ein Polymer.
-
Erfindungsgemäß sind die Gehäusehälften 2, 3 durch zumindest ein elastisches Fixierelement 6 lösbar aneinander befestigt, sodass das Volumen der Batteriezelle 1 in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batteriezelle 1 variabel ist.
-
In der dargestellten Ausführungsform sind beispielhaft vier Fixierelemente 6 vorgesehen. Die Anzahl der Fixierelemente kann kleiner oder größer sein, zum Beispiel 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10 usw. Die Fixierelemente 6 sind hier beispielsweise als Federklammern ausgeführt, wobei dies nur eine von mehreren möglichen Alternativen ist, um eine Rückstellbewegungserzeugung zu generieren.
-
2 und 3 zeigen die mit Bezug zu 1 beschriebene Batteriezelle 1 aus unterschiedlichen seitlichen Schnittperspektiven, wobei die erste Gehäusehälfte 2 gleichzeitig in einem Zustand vor der Montage (volle Linien) und in einem Zustand nach der Montage (gestrichelte Linien) dargestellt ist.
-
Mit Bezugszeichen 10 ist die unverformte Seitenwand der ersten Gehäusehälfte 2, d. h. die Seitenwand vor der Montage, dargestellt, und mit Bezugszeichen 11 die verformte Seitenwand der ersten Gehäusehälfte 2. Die entsprechende Seitenwand 12 der zweiten Gehäusehälfte 3 ist von dem flächigen Kontaktpol 5 der zweiten Gehäusehälfte 3 bevorzugt rechtwinklig abgewinkelt.
-
Bei der Montage werden die beiden Gehäusehälften 2, 3 zusammengeführt, wobei die erste Gehäusehälfte 2 verformt wird und in die zweite Gehäusehälfte 3 eingesetzt wird.
-
Die erste Gehäusehälfte 2 ist dabei in Form eines offenen Pyramidenstumpfes ausgeführt, wobei der flächige Kontaktpol 5 eine Grundfläche des Pyramidenstumpfes bildet und die unverformten Seitenwände 10 entsprechende Seiten- oder Mantelflächen.
-
Zwischen Grundfläche und Seitenfläche ist vor der Montage ein stumpfer Winkel α vorhanden, wohingegen nach der Montage durch die Verformung der ersten Gehäusehälfte 2 beim Einsetzen in die zweite Gehäusehälfte 3 ein rechter Winkel oder spitzer Winkel an die Stelle des stumpfen Winkels α tritt.
-
4 zeigt die erste Gehäusehälfte 2 in Draufsicht. Die unverformte Seitenwand 10 der ersten Gehäusehälfte 2 nimmt dabei in der dargestellten Projektion in die Ebene der Grundfläche des Pyramidenstumpfes eine größere Fläche ein als die verformte Seitenwand 11 der ersten Gehäusehälfte 2.
-
Die in 2 bis 4 gezeichnete Darstellung ist stark überzeichnet, um das Funktionsprinzip darzustellen. Der Übersicht halber wurden auch das Isolierelement 4 und die elastischen Fixierelemente 6 nicht mit dargestellt. Bei der Größe des stumpfen Winkels α handelt es sich um ein zu definierendes Auslegungskriterium, welches als eine Funktion der Rückstelldynamik, Kraft, Materialpaarungen und Zellgröße definiert wird.
-
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
-
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
-
- US 2015/0243938 A1 [0002]
