-
Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element, eine Batterie sowie ein Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements.
-
Unter einer Batterie wird eine zusammengeschaltete Einheit aus wenigstens zwei galvanischen Elementen verstanden. Im Folgenden werden die Begriffe Zelle und Batterie synonym gebraucht.
-
Aus dem Stand der Technik bekannte Batterien weisen üblicherweise Stromableiter aus durchgängigen oder nicht durchgängigen Metallfolien auf. Beide Folien-Typen weisen jedoch ihre spezifischen charakteristischen Vor- und Nachteile auf.
-
Durchgängige Metallfolien haben eine gute Leitfähigkeit und lassen sich gut verarbeiten. Jedoch haben sie eine hohe Dichte, was das Verhältnis von nutzbarer Energie der Batterie zur Masse der Batterie reduziert.
-
Nicht durchgängige Metallfolien haben gegenüber den durchgängigen Metallfolien eine reduzierte Dichte, was ein besseres Verhältnis von nutzbarer Energie zur Masse der Batterie bedingt. Jedoch ist die Leitfähigkeit von nicht durchgängigen Metallfolien kleiner als die von durchgängigen Metallfolien. Außerdem ist aufgrund der ungleichmäßigen und/oder reduzierten Oberfläche das Anbringen der nicht durchgängigen Metallfolie an Zellterminals meist erschwert. Zudem ist die mechanische Stabilität von nicht durchgängigen Metallfolien, beispielsweise hinsichtlich der Zugfestigkeit, in der Regel geringer als die von durchgängigen Metallfolien.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein galvanisches Element, eine Batterie sowie ein Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements zu schaffen, bei dem bzw. der die Nachteile aus dem Stand der Technik beseitigt sind.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein galvanisches Element mit einem an ein Elektrodenmaterial angrenzenden Stromableiter, der wenigstens einen Strom an die Außenseite des galvanischen Elements führenden Stromabnehmer elektrisch leitend kontaktiert, wobei der Stromableiter wenigstens abschnittsweise durch eine perforierte Metallfolie gebildet ist, die im Bereich eines Kontakts zu dem wenigstens einen Stromabnehmer derart verformt ist, insbesondere mechanisch verformt, dass eine Kontaktfläche zwischen Metallfolie und Stromabnehmer vergrößert ist. Unter einer Metallfolie ist dabei im Folgenden eine flächige, dünne Schicht aus Metall oder Metallschaum zu verstehen, die (mechanisch) bearbeitet sein kann. Durch die Perforation der Metallfolie ergeben sich mehrere Vorteile. Zum einen ist die Anbindung des Stromableiters an das angrenzende Elektrodenmaterial erhöht, da sich das Elektrodenmaterial in die Perforation erstrecken kann. Zum anderen weist die perforierte Metallfolie gegenüber einer durchgehenden Metallfolie der gleichen Grundfläche (ohne Perforation) ein geringeres Gewicht auf, sodass das Verhältnis von nutzbarer Energie des galvanischen Elements zur Masse des galvanischen Elements verbessert ist. Durch die Verformung der perforierten Metallfolie im Bereich des Kontakts zum Stromabnehmer und die damit einhergehende vergrößerte Kontaktfläche ist die Leitfähigkeit der Verbindung zwischen Stromableiter und Stromabnehmer erhöht, also der Widerstand verringert. Vorzugsweise ist die perforierte Metallfolie derart verformt, dass die Leitfähigkeit der Verbindung zwischen Stromableiter und Stromabnehmer in der gleichen Größenordnung wie die Leitfähigkeit einer analogen Verbindung zwischen einer durchgehenden Metallfolie und dem Stromabnehmer ist, beispielsweise mehr als 60 Prozent dieser Leitfähigkeit beträgt. Der Stromableiter leitet Elektronen vom Elektrodenmaterial zum äußeren Stromabnehmer (auch als Terminal bezeichnet) oder in die entgegengesetzte Richtung. Insbesondere erstreckt sich der Stromableiter in einen Bereich des galvanischen Elements, in dem sich ein Elektrolyt befindet. Durch die Perforation wird die Metallfolie von Durchgangsöffnungen durchzogen, die sich zwischen den großflächigen Seiten der Metallfolie erstrecken.
-
Vorzugsweise ist die Metallfolie abschnittsweise mit dem Elektrodenmaterial beschichtet. Dadurch ist die Anbindung der Metallfolie an das Elektrodenmaterial besonders fest und der Ladungsaustausch zwischen Elektrodenmaterial und Metallfolie ist erleichtert. Insbesondere ist der ohmsche Widerstand des Übergangs zwischen Elektrodenmaterial und Metallfolie reduziert.
-
Weiter bevorzugt ist die Metallfolie in einem unbeschichteten Bereich verformt. Unter einem unbeschichteten Bereich ist dabei ein Bereich zu verstehen, der nicht mit Elektrodenmaterial beschichtet ist. Nicht davon ausgeschlossen sind beispielsweise Bereiche von Passivierungsschichten, die manche Metalle bei Kontakt mit Sauerstoff bilden, und/oder Funktionsschichten, die auf die Metallfolie aufgebracht sind, um eine Verarbeitbarkeit oder eine Haltbarkeit der Metallfolie zu erhöhen. Es werden erfindungsgemäß die Vorteile einer durchgehenden Metallfolie (höhere Leitfähigkeit) und einer nicht durchgehenden Metallfolie (bessere Anbindung an das Elektrodenmaterial, geringeres Gewicht pro Volumen) kombiniert. Im beschichteten Bereich wird die bessere Anbindung der nicht durchgehenden Metallfolie an das Elektrodenmaterial genutzt. Im unbeschichteten Bereich wird die Metallfolie durch mechanische Verformung einer durchgehenden Metallfolie angenähert, sodass die Leitfähigkeit erhöht und die Anbindung der Metallfolie an den Stromabnehmer verbessert ist.
-
Ein Aspekt sieht vor, dass die Metallfolie im Bereich des Kontakts gefalzt und/oder verpresst ist. Auf diese Weise lässt sich die Anbindung der Metallfolie an den Stromabnehmer besonders leicht verbessern.
-
Vorzugsweise ist die Metallfolie über ihre gesamte Erstreckung hinweg perforiert, insbesondere gleichmäßig perforiert. Dadurch ist über die gesamte Erstreckung der Metallfolie hinweg eine optimale Anbindung des Elektrodenmaterials an die Metallfolie gewährleistet.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Metallfolie eine Streckmetallfolie. Die Streckmetallfolie kann in Bezug auf die Anordnung und Größe der Perforation, die durch Durchgangsöffnungen in der Streckmetallfolie gebildet ist, in jeder beliebigen Geometrie vorliegen. Insbesondere ist der Perforationsgrad der Streckmetallfolie (Verhältnis zwischen der Summe der Flächen der Durchgangsöffnungen und der gesamten Grundfläche der Streckmetallfolie, inklusive Öffnungen und gemessen vom Außenrand) größer als 15 Prozent, vorzugsweise größer als 30 Prozent, beispielsweise größer als 50 Prozent.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Metallfolie durch einen Metallschaum gebildet. Die Metallfolie kann in Bezug auf die Anordnung und Größe der Perforation in jeder beliebigen Geometrie vorliegen. Insbesondere ist der Perforationsgrad der Metallfolie (Verhältnis zwischen dem Volumen der Poren und Hohlräume des Metallschaums zum Gesamtvolumen der Metallfolie, gemessen von den Außenrändern) größer als 25 Prozent, vorzugsweise größer als 50 Prozent, weiter bevorzugt größer als 75 Prozent. Der Metallschaum kann im Bereich des Kontakts zum Stromabnehmer verpresst sein.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Metallfolie eine Lochfolie, vorzugsweise wobei die Lochfolie über ihre Gesamtfläche ein durchgehend gleichmäßiges Lochmuster aufweist, das die Perforation bildet. Die Lochfolie kann in Bezug auf die Anordnung und Größe der Durchgangsöffnungen jeder beliebigen Geometrie vorliegen. Insbesondere ist der Perforationsgrad der Lochfolie (Verhältnis zwischen der Summe der Flächen der Durchgangsöffnungen und der gesamten Grundfläche der Lochmetallfolie, inklusive Öffnungen und gemessen vom Außenrand) größer als 15 Prozent, vorzugsweise größer als 30 Prozent, beispielsweise größer als 50 Prozent.
-
Vorzugsweise ist die Metallfolie an den wenigstens einen Stromabnehmer angeschweißt. Durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen Metallfolie und Stromabnehmer ist der ohmsche Widerstand des Übergangs zwischen Metallfolie und Stromabnehmer reduziert. Zudem ist das Anschweißen der Metallfolie durch die vergrößerte Kontaktfläche zwischen Metallfolie und Stromabnehmer erleichtert.
-
Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch eine Batterie mit mehreren erfindungsgemäßen galvanischen Elementen. Insbesondere sind die galvanischen Elemente gestapelt (Zellstapel) oder gewickelt (Zellwickel). Die Stromableiter der mehreren galvanischen Elemente, also die perforierten Metallfolien, können stoffschlüssig und elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Genauer gesagt sind die Stromableiter der Anoden der mehreren galvanischen Elemente miteinander verbunden und die Stromableiter der Kathoden sind miteinander verbunden. Durch die mechanische Verformung der perforierten Metallfolien ist ein Abstand zwischen den Metallfolien reduziert. Die Metallfolien müssen deswegen zur gegenseitigen Kontaktierung weniger stark gebogen werden, wodurch mechanische Spannungen im Zellstapel oder Zellwickel und damit die Neigung zur Dendritenbildung reduziert sind. Dementsprechend sind Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Batterie verbessert. Bezüglich der übrigen Vorteile wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
-
Die Aufgabe wird zudem erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements, insbesondere eines erfindungsgemäßen galvanischen Elements, mit den folgenden Schritten: Wenigstens eine Halbzelle mit einem an ein Elektrodenmaterial angrenzenden Stromableiter wird vorgesehen, der wenigstens abschnittsweise als perforierte Metallfolie gebildet ist; ein Teilabschnitt der Metallfolie wird verformt, insbesondere mechanisch verformt; und der Teilabschnitt wird an einem Strom an die Außenseite des galvanischen Elements führenden Stromabnehmer befestigt, sodass die Metallfolie und der Stromabnehmer elektrisch leitend verbunden werden. Bezüglich der Vorteile wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
-
Vorzugsweise wird der Teilabschnitt der Metallfolie derart verformt, dass eine Kontaktfläche zwischen Metallfolie und Stromabnehmer vergrößert wird. Dadurch wird der ohmsche Widerstand der Verbindung zwischen Metallfolie und Stromabnehmer reduziert.
-
Weiter bevorzugt wird der Teilabschnitt der Metallfolie gefalzt und/oder verpresst wird. Auf diese Weise wird die Anbindung der Metallfolie an den Stromabnehmer in besonders einfacher Art und Weise verbessert.
-
Ein Aspekt sieht vor, dass die Metallfolie mit dem Stromabnehmer verschweißt wird. Die Metallfolie und der Stromabnehmer werden stoffschlüssig verbunden, wodurch der ohmsche Widerstand des Übergangs zwischen Metallfolie und Stromabnehmer reduziert wird. Zudem ist das Anschweißen der Metallfolie durch die vergrößerte Kontaktfläche zwischen Metallfolie und Stromabnehmer erleichtert.
-
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In diesen zeigen:
- - 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen galvanischen Elements einer erfindungsgemäßen Batterie;
- - 2 eine Detailansicht eines Stromableiters des erfindungsgemäßen galvanischen Elements von 1;
- - 3 ein schematisches Ablaufdiagramm der Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des galvanischen Elements von 1;
- - 4 schematisch ein Querschnitt durch einen Randbereich eines Zellstapels oder Zellwickels einer erfindungsgemäßen Batterie; und
- - 5 eine schematische Darstellung eines Zellwickels einer erfindungsgemäßen Batterie.
-
In 1 ist schematisch ein galvanisches Element 10 einer Batterie gezeigt, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen verwendet wird.
-
Das galvanische Element 10 umfasst eine erste Kammer 12 sowie eine zweite Kammer 14, die durch einen Separator 16 voneinander getrennt sind. Die beiden Kammern 12, 14 können mit einem Elektrolyt gefüllt sein, das dazu ausgebildet ist, bestimmte Ionen zu leiten. Beispielsweise können bei einer Lithium-Ionen-Batteriezelle über den porösen, mit Elektrolyt benetzten Separator 16 Lithium-Ionen in üblicher Weise zwischen den beiden Kammern 12, 14 ausgetauscht werden.
-
In der ersten und der zweiten Kammer 12, 14 ist eine erste bzw. eine zweite Elektrode 18, 20 angeordnet, die jeweils im Wesentlichen aus einer abschnittsweise mit einem Elektrodenmaterial 22, 24 beschichteten Metallfolie 26, 28 gebildet sind. Im Allgemeinen bestehen die Metallfolien 26, 28 aus voneinander verschiedenen Metallen. Ferner sind im Allgemeinen die Elektrodenmaterialien 22, 24, mit denen die Metallfolien 26, 28 beschichtet sind, voneinander verschieden.
-
Der Aufbau der Elektroden 18, 20 ist besonders gut in 2 zu erkennen, in der exemplarisch die erste Elektrode 18 gezeigt ist.
-
Die Metallfolie 26 der ersten Elektrode 18 ist eine Streckmetallfolie. Sie weist einen mit dem Elektrodenmaterial 22 beschichteten Bereich 30 (mit gestrichelten Linien kreuzschraffierter Bereich) sowie einen unbeschichteten Bereich 32 (mit durchgehenden Linien kreuzschraffierter Bereich) auf. Unter einem unbeschichteten Bereich ist dabei zu verstehen, dass die Metallfolie nicht mit einem Elektrodenmaterial beschichtet ist. Passivierungsschichten, wie sie manche Metalle bei Kontakt mit Sauerstoff bilden, fallen nicht unter diese Definition. Ebenso ausgenommen sind Funktionsschichten, die auf die Metallfolie 26 aufgebracht sind, um eine Verarbeitbarkeit oder eine Haltbarkeit der Metallfolie 26 zu erhöhen. Beispiele hierfür sind Chromatierungsschichten bei Kupfer, Binderbeschichtungen und Kohlenstoffbeschichtungen. Anders ausgedrückt kann auch ein Bereich der Metallfolie 26, der eine Passivierungsschicht und/oder eine Funktionsschicht aufweist, ein unbeschichteter Bereich sein.
-
Die Streckmetallfolie kann im Prinzip jede beliebige Geometrie aufweisen. Der Perforationsgrad der Streckmetallfolie (Verhältnis zwischen der Fläche der Durchgangsöffnungen und der gesamten Grundfläche der Streckmetallfolie, inklusive Öffnungen und gemessen vom Außenrand) ist vorzugsweise größer als 15 Prozent, weiter bevorzugt größer als 30 Prozent, beispielsweise größer als 50 Prozent.
-
Die erste Metallfolie 26 kontaktiert in ihrem unbeschichteten Bereich 32 einen ersten Stromabnehmer 34. Insbesondere ist der unbeschichtete Bereich 32 der ersten Metallfolie 26 am ersten Stromabnehmer 34 festgeschweißt. Analog dazu ist die zweite Metallfolie 28 an einem zweiten Stromabnehmer 36 angebracht.
-
Um die Verbindung zwischen den Metallfolien 26, 28 und dem jeweiligem Stromabnehmer 34, 36 zu verbessern, sind die Metallfolien 26, 28 in ihrem unbeschichteten Bereich jeweils mechanisch derart verformt, insbesondere gefalzt, dass eine Kontaktfläche zwischen Metallfolie 26, 28 und dem jeweiligen Stromabnehmer 34, 36 vergrößert ist. Dies ist in 2 durch eine dichtere Schraffur im unbeschichteten Bereich 32 gegenüber dem beschichteten Bereich 30 angedeutet.
-
Der erste und der zweite Stromabnehmer 34, 36 sind jeweils elektrisch leitend mit einem ersten bzw. einem zweiten Zellterminal 38, 40 verbunden. Über die beiden Zellterminals 38, 40 kann das galvanische Element 10 elektrisch kontaktiert werden.
-
Wird ein Stromkreis über die Zellterminals 38, 40 geschlossen, also beispielsweise ein Verbraucher mit beiden Zellterminals 38, 40 elektrisch leitend verbunden, so dienen die Metallfolien 26, 28 als Stromableiter für die Elektrodenmaterialien 22, 24. Anders ausgedrückt nehmen die Metallfolien 26, 28 Elektronen aus dem Elektrodenmaterial 22, 24 auf oder geben sie an dieses ab. Über die Stromabnehmer 34, 36 ist eine elektrisch leitende Verbindung von den Metallfolien 26, 28 zu den Zellterminals 38, 40 und damit von den Elektrodenmaterialien 22, 24 zu den Zellterminals 38, 40 hergestellt.
-
Optional sind die beiden Zellterminals 38, 40 über ein elektrisch isolierendes Stabilisierungselement 42 miteinander verbunden.
-
In einer alternativen Ausgestaltung der Elektroden 18, 20 ist die Metallfolie eine Lochfolie. Die Lochfolie kann ein über ihre Gesamtfläche durchgehend gleichmäßiges Lochmuster aufweisen. Die übrigen Erläuterungen zum oben diskutierten Fall einer Streckmetallfolie gelten analog für die Lochfolie.
-
Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Elektroden 18, 20 sind die Metallfolien 26, 28 jeweils durch einen Metallschaum gebildet. Der Metallschaum ist insbesondere derart, dass die Poren des Metallschaums gemeinsam Durchgangsöffnungen der Metallfolie 26, 28 bilden. Der Metallschaum kann im Bereich des Kontakts zum Stromabnehmer 34, 36 verpresst sein.
-
Ein Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements 10 wird im Folgenden anhand von 3 erläutert, die ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens zeigt.
-
Zunächst werden zwei Halbzellen mit zwei wie oben beschrieben aufgebauten Elektroden 18, 20 vorgesehen (Schritt S1).
-
Nun wird jeweils ein Teilabschnitt der Metallfolien 26, 28, genauer gesagt der unbeschichtete Bereich der Metallfolien 26, 28, derart verformt, dass eine Kontaktfläche zwischen Metallfolien 26, 28 und Stromabnehmern 34, 36 vergrößert ist (Schritt S2). Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Metallfolien 26, 28 im unbeschichteten Bereich gefalzt und/oder verpresst werden.
-
Schließlich werden die mechanisch verformten Bereiche der Metallfolien 26, 28 an den Stromabnehmern 34, 36 elektrisch leitend befestigt (Schritt S3). Insbesondere werden die Metallfolien 26, 28 an den Stromabnehmern 34, 36 festgeschweißt.
-
Mehrere (wenigstens zwei) zusammengeschaltete, oben beschriebene galvanische Elemente 10 bilden eine Batterie. Insbesondere sind die galvanischen Elemente 10 gestapelt (Zellstapel) oder gewickelt (Zellwickel). Ein solcher Zellwickel ist schematisch in 5 gezeigt.
-
Die Stromableiter der mehreren galvanischen Elemente 10, also die perforierten Metallfolien 26, 28, können stoffschlüssig und elektrisch leitend miteinander verbunden sein, beispielsweise durch Löten. Genauer gesagt sind die Stromableiter der Anoden der mehreren galvanischen Elemente 10 miteinander verbunden und die Stromableiter der Kathoden sind miteinander verbunden.
-
4 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Randbereich eines Zellstapels oder Zellwickels der Batterie, bevor die Stromableiter miteinander verbunden werden. Wie klar zu erkennen ist, ist ein Abstand d zwischen den unbeschichteten Bereichen 32 der wie oben beschrieben mechanisch verformten Metallfolien 26 geringer als ein Abstand d', den die beiden Metallfolien 26 ohne die mechanische Verformung hätten. Die Metallfolien 26 müssen deswegen zur gegenseitigen Kontaktierung weniger stark gebogen werden, wodurch mechanische Spannungen im Zellstapel oder Zellwickel und damit die Neigung zur Dendritenbildung reduziert sind.
