DE102020112762A1 - Solid state cell - Google Patents

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Rainer Kaufmann
Arnold Lamm
Jens Meintschel
Dirk Schroeter
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Festkörperzelle für einen elektrochemischen Energiespeicher mit einem Elektrodenstapel (1), welcher eine Anzahl von Trägerfolien (3) mit einer Anodenbeschichtung (A) und einer gegenüberliegenden Kathodenbeschichtung (K) und jeweils einer zwischen den beschichteten Trägerfolien (3) angeordneten Lage eines Festelektrolyten (2) umfasst und in einem Zellgehäuse angeordnet ist. Erfindungsgemäß umfasst die Festkörperzelle- einen gebildeten Strang (S) mit dem Elektrodenstapel (1), mit einem an einer jeweiligen Längsseite des Elektrodenstapels (1) angeordneten Kollektorblech (4) für einen Zellspannungsabgriff, jeweils einem angrenzenden Spannelement (5) und jeweils einem auf einer Oberseite und Unterseite des Elektrodenstapels (1) zwischen den Spannelementen angeordneten Isolationselement (6), wobei- der Strang (S) Form eines Mäanders und/oder Wickels in dem abgedichteten Zellgehäuse angeordnet ist. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Festkörperzelle.The invention relates to a solid-state cell for an electrochemical energy storage device with an electrode stack (1), which has a number of carrier foils (3) with an anode coating (A) and an opposing cathode coating (K) and a respective layer of one between the coated carrier foils (3) Solid electrolyte (2) and is arranged in a cell housing. According to the invention, the solid-state cell comprises a formed strand (S) with the electrode stack (1), with a collector plate (4) arranged on a respective longitudinal side of the electrode stack (1) for a cell voltage tap, each with an adjacent tensioning element (5) and one on each The top and bottom of the electrode stack (1) is an insulating element (6) arranged between the tensioning elements, the strand (S) being arranged in the form of a meander and / or winding in the sealed cell housing. The invention also relates to a method for producing such a solid-state cell.

Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörperzelle für einen elektrochemischen Energiespeicher mit einem Elektrodenstapel, welcher eine Anzahl von Trägerfolien mit einer Anodenbeschichtung und einer gegenüberliegenden Kathodenbeschichtung und jeweils einer zwischen den beschichteten Trägerfolien angeordneten Lage eines Festelektrolyten umfasst und in einem Zellgehäuse angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Festkörperzelle.The invention relates to a solid-state cell for an electrochemical energy store with an electrode stack which comprises a number of carrier foils with an anode coating and an opposing cathode coating and in each case a layer of a solid electrolyte arranged between the coated carrier foils and is arranged in a cell housing. The invention also relates to a method for producing such a solid-state cell.

Aus der DE 10 2014 018 998 A1 ist ein Zellblock für eine Kraftfahrzeugbatterie, der eine Mehrzahl von seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Batteriezellen und zumindest ein Kontaktelement zu einem Abgriff einer Zellblockspannung umfasst. Das Kontaktelement umfasst eine Mehrzahl von in einer Ebene angeordneten Leiterbahnen und eine Isolierung, die im Bereich von Kontaktstellen zu den Batteriezellen Durchbrüche aufweist. Zudem offenbart die DE 10 2014 018 998 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Zellblockes.From the DE 10 2014 018 998 A1 is a cell block for a motor vehicle battery, which comprises a plurality of serially and / or parallel interconnected battery cells and at least one contact element for tapping a cell block voltage. The contact element comprises a plurality of conductor tracks arranged in one plane and an insulation which has openings in the area of contact points to the battery cells. In addition, the DE 10 2014 018 998 A1 a method for producing such a cell block.

Die US 6,010,653 beschreibt ein „Roll-to-Roll“-Herstellungsverfahren für elektrochemische Zellen, wobei Ausgangsmaterialien auf Rollen an mehreren Stationen zu einem Batteriestrang zusammengeführt bzw. gepresst werden.The U.S. 6,010,653 describes a "roll-to-roll" manufacturing process for electrochemical cells, where raw materials are brought together or pressed on rolls at several stations to form a battery string.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Festkörperzelle für einen elektrochemischen Energiespeicher und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Festkörperzelle anzugeben.The invention is based on the object of specifying a solid-state cell for an electrochemical energy store and a method for producing such a solid-state cell.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Festkörperzelle, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Verfahren gelöst, welches die in Anspruch 3 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved according to the invention by a solid-state cell which has the features specified in claim 1 and by a method which has the features specified in claim 3.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims.

Eine Festkörperzelle für einen elektrochemischen Energiespeicher weist einen Elektrodenstapel auf, welcher eine Anzahl von Trägerfolien mit einer Anodenbeschichtung und einer gegenüberliegenden Kathodenbeschichtung und jeweils einer zwischen den beschichteten Trägerfolien angeordneten Lage eines Festelektrolyten umfasst und in einem Zellgehäuse angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist ein Strang mit dem Elektrodenstapel, mit einem an einer jeweiligen Längsseite des Elektrodenstapels angeordneten Kollektorblech zum Zellspannungsabgriff, jeweils einem angrenzenden Spannelement und jeweils einem auf einer Oberseite und Unterseite des Elektrodenstapels zwischen den Spannelementen angeordneten Isolationselement gebildet, wobei der Strang in Form eines Mäanders und/oder Wickels in dem abgedichteten Zellgehäuse angeordnet ist.A solid-state cell for an electrochemical energy store has an electrode stack which comprises a number of carrier foils with an anode coating and an opposing cathode coating and in each case a layer of a solid electrolyte arranged between the coated carrier foils and is arranged in a cell housing. According to the invention, a strand is formed with the electrode stack, with a collector plate arranged on a respective longitudinal side of the electrode stack for tapping the cell voltage, in each case an adjacent tensioning element and in each case an insulation element arranged on an upper and lower side of the electrode stack between the tensioning elements, the strand in the form of a meander and / or winding is arranged in the sealed cell housing.

Mittels einer derart ausgebildeten Festkörperzelle, von denen mehrere zur Bildung eines Zellblockes zusammengefasst sind, ist ein Aufwand zur Zellspannungsmessung und zum sogenannten Balancing zwischen den Festkörperzellen erheblich vereinfacht, da für jedes elektrische Potential nur eine einzige Lage vorhanden ist und somit jeweils nur eine einzige Kontaktierung für einen Zellspannungsabgriff und nur eine Zellüberwachungseinheit erforderlich sind.By means of a solid-state cell designed in this way, several of which are combined to form a cell block, the effort required for cell voltage measurement and so-called balancing between the solid-state cells is considerably simplified, since only a single layer is available for each electrical potential and thus only a single contact for a cell voltage tap and only one cell monitoring unit are required.

Der Zellspannungsabgriff erfolgt mittels der Kollektorbleche, von denen eines mit einer ersten Trägerfolie verbunden und ein weiteres mit der letzten Trägerfolie des Elektrodenstapels verbunden ist, so dass eine Anordnung von Stromschienen entfallen kann.The cell voltage is picked up by means of the collector plates, one of which is connected to a first carrier film and another is connected to the last carrier film of the electrode stack, so that an arrangement of busbars can be omitted.

Der Strang in Form des Mäanders und/oder Wickels weist insbesondere Abmessungen auf, die einem zur Verfügung stehenden Bauraum des Zellgehäuses entsprechen, so dass dieser Bauraum optimiert genutzt wird.The strand in the form of the meander and / or coil has, in particular, dimensions that correspond to an available installation space of the cell housing, so that this installation space is used in an optimized manner.

Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Festkörperzelle, wobei eine Herstellung des Stranges in einem kontinuierlichen Prozess erfolgt.The invention also relates to a method for producing such a solid-state cell, the strand being produced in a continuous process.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:

  • 1 schematisch einen Elektrodenstapel einer Festkörperzelle für einen elektrischen Energiespeicher,
  • 2 schematisch einen Fertigungsschritt zur Herstellung eines Stranges zur Bildung einer Festkörperzelle,
  • 3 schematisch einen weiteren Fertigungsschritt zur Herstellung des Stranges,
  • 4 schematisch eine Schnittdarstellung des Stranges mit seinen Bestandteilen,
  • 5 schematisch eine perspektivische Ansicht des Stranges Ausführungsform,
  • 6 schematisch eine perspektivische Ansicht des Stranges in einer ersten Ausführungsform in Form eines Mäanders,
  • 7 schematisch eine zweite Ausführungsform des Stranges,
  • 8 schematisch eine perspektivische Ansicht des Stranges in der zweiten Ausführungsform in Form eines Mäanders,
  • 9 schematisch eine perspektivische Ansicht des mäanderförmigen Stranges in der zweiten Ausführungsform nach einem Aufschweißen von Kollektorplatten,
  • 10 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes des Stranges mit Verschweißungen zwischen Kollektorblechen und Kollektorplatten,
  • 11 schematisch eine perspektivische Ansicht des Stranges in einer dritten Ausführungsform mit geformten Kollektorblechen und Kollektorplatten vor einem Aufschweißen,
  • 12 schematisch eine Schnittdarstellung des Stranges in einer vierten Ausführungsform mit abragenden Kollektorblechen,
  • 13 schematisch eine perspektivische Ansicht des mäanderförmig ausgebildeten Stranges in der vierten Ausführungsform nach einem Biegeprozess der Kollektorbleche ,
  • 14 schematisch eine perspektivische Ansicht des Stranges in einer fünften Ausführungsform mit im Biegebereich unbeschichteten Trägerfolien,
  • 15 schematisch den gefalteten Strang in der fünften Ausführungsform mit im Biegebereich unbeschichteten Trägerfolien,
  • 16 schematisch den gefalteten Strang in einer sechsten Ausführungsform mit im Biegebereich zwischen den einzelnen Trägerfolien angeordneten Isolationsfolien,
  • 17 schematisch den Strang in einer siebenten Ausführungsform vor einem Aufsetzen der Kollektorplatten,
  • 18 schematisch den Strang in einer achten Ausführungsform zur Bildung eines Wickels mit einem abschnittsweise ausgeklinktem oberen Schenkel des Kollektorbleches und
  • 19 schematisch den zu einem Wickel geformten Strang in der achten Ausführungsform vor einem Aufsetzen und Verschweißen der Kollektorplatten.
Show:
  • 1 schematically an electrode stack of a solid-state cell for an electrical energy storage device,
  • 2 schematically a production step for the production of a strand to form a solid-state cell,
  • 3 schematically a further production step for the production of the strand,
  • 4th schematically a sectional view of the strand with its components,
  • 5 schematically a perspective view of the strand embodiment,
  • 6th schematically a perspective view of the strand in a first embodiment in the form of a meander,
  • 7th schematically a second embodiment of the strand,
  • 8th schematically a perspective view of the strand in the second embodiment in the form of a meander,
  • 9 schematically a perspective view of the meander-shaped strand in the second embodiment after collector plates have been welded on,
  • 10 schematically a sectional view of an enlarged section of the strand with welds between collector plates and collector plates,
  • 11 schematically a perspective view of the strand in a third embodiment with shaped collector plates and collector plates before welding,
  • 12th a schematic sectional view of the strand in a fourth embodiment with protruding collector plates,
  • 13th schematically, a perspective view of the meandering strand in the fourth embodiment after a bending process of the collector plates,
  • 14th schematically a perspective view of the strand in a fifth embodiment with carrier films uncoated in the bending area,
  • 15th schematically the folded strand in the fifth embodiment with carrier foils uncoated in the bending area,
  • 16 schematically the folded strand in a sixth embodiment with insulation foils arranged in the bending area between the individual carrier foils,
  • 17th schematically the string in a seventh embodiment before placing the collector plates,
  • 18th schematically the strand in an eighth embodiment for forming a coil with an upper leg of the collector plate that is notched in sections and
  • 19th schematically, the strand formed into a coil in the eighth embodiment before the collector plates are placed on and welded together.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.

1 zeigt einen Elektrodenstapel 1 einer nicht näher dargestellten Festkörperzelle für einen elektrischen Energiespeicher, welcher insbesondere zur Anordnung in einem Elektrofahrzeug, einem Hybridfahrzeug oder in einem mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug vorgesehen ist. 1 shows an electrode stack 1 a solid-state cell, not shown in detail, for an electrical energy store, which is provided in particular for arrangement in an electric vehicle, a hybrid vehicle or in a vehicle operated with fuel cells.

Der elektrische Energiespeicher ist eine sogenannte Hochvolt-Batterie für Fahrzeuganwendungen und besteht aus vielen elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen, die als Festkörperzellen ausgebildet sein können. Zudem umfasst der elektrische Energiespeicher eine Elektronik sowie eine Temperiereinheit zur Temperierung der Einzelzellen, wobei die Einzelzellen, die Elektronik und die Temperiereinheit in einem Gehäuse angeordnet sind.The electrical energy storage device is a so-called high-voltage battery for vehicle applications and consists of many individual cells which are electrically connected in series and / or in parallel and which can be designed as solid-state cells. In addition, the electrical energy store comprises electronics and a temperature control unit for temperature control of the individual cells, the individual cells, the electronics and the temperature control unit being arranged in a housing.

Die Festkörperzellen 2 weisen kein Flüssigelektrolyt auf, wobei die Festkörperzellen eine Anzahl metallischer Trägerfolien 3 mit einer Anodenbeschichtung A und einer gegenüberliegenden Kathodenbeschichtung K und jeweils eine zwischen den beschichteten Trägerfolien 3 angeordnete Lage eines Festelektrolyten 2 umfasst. Die beschichteten Trägerfolien 3 sind also mittels des Festelektrolyten 2 voneinander separiert. Eine jeweils randseitige Trägerfolie 3 ist ausschließlich auf einer dem Elektrodenstapel 1 zugewandten Seite beschichtet, so dass die eine randseitige Trägerfolie 3 nur eine Anodenbeschichtung A und die gegenüberliegende randseitige Trägerfolie 3 nur eine Kathodenbeschichtung K aufweist.The solid cells 2 have no liquid electrolyte, the solid-state cells a number of metallic carrier foils 3 with an anode coating A. and an opposing cathode coating K and one between the coated carrier films 3 arranged layer of a solid electrolyte 2 includes. The coated carrier films 3 are therefore by means of the solid electrolyte 2 separated from each other. A carrier film on each edge 3 is exclusively on one of the electrode stack 1 facing side coated so that the one edge-side carrier film 3 just an anode coating A. and the opposite edge-side carrier film 3 just a cathode coating K having.

Eine solche Festkörperzelle 2 kann eine elektrische Spannung von beispielsweise bis zu 400 Volt liefern, wofür eine interne Reihenschaltung von ca. 100 Trägerfolien 3 erforderlich ist.Such a solid-state cell 2 can supply an electrical voltage of, for example, up to 400 volts, for which an internal series connection of approx. 100 carrier foils 3 is required.

Durch eine sogenannte Bipolarbauweise Trägerfolien 3, d. h. die Anodenbeschichtung A auf einer Vorderseite und die Kathodenbeschichtung K auf einer Rückseite der Trägerfolie 3, sinkt ein ohmscher Widerstand innerhalb der Festkörperzelle erheblich, da der elektrische Strom auf kürzestem Weg ausschließlich senkrecht durch die Trägerfolien 3 fließt und nicht erst zu einem Randbereich geführt werden muss. Aufgrund einer solchen Bipolarbauweise kann bzw. können durch eine mögliche Verringerung einer Dicke der Trägerfolien 3 und durch einen Entfall von Zwischenkontaktierungen zwischen den Trägerfolien 3 Bauraum eingespart und Kosten reduziert werden.With a so-called bipolar construction carrier foils 3 , ie the anode coating A. on a front side and the cathode coating K on a back of the carrier film 3 , an ohmic resistance within the solid-state cell drops considerably, since the electric current takes the shortest route and is exclusively perpendicular through the carrier film 3 flows and does not have to be led to an edge area first. As a result of such a bipolar construction, a possible reduction in the thickness of the carrier films can 3 and by eliminating interconnections between the carrier foils 3 Installation space saved and costs reduced.

Bei einer Vielzahl solcher Elektrodenstapel 1 in einer Festkörperzelle existiert momentan keine praktikable Lösung zur Kompensation eines alterungsabhängigen Zelldickenwachstums und zur Kompensation einer ladezustandsabhängigen Zelldicke. Derartige Festkörperzellen lassen sich üblicherweise nicht in einem kontinuierlichen Herstellverfahren herstellen und bei Änderung von Abmessungen eines zur Verfügung stehenden Bauraumes in Bezug auf die Festkörperzelle sind neue Werkzeuge oder ist eine Umstellung der Werkzeuge erforderlich. Darüber hinaus ist eine gleichmäßige Temperierung aller Lagen der einzelnen Elektrodenstapel 1 vergleichsweise schwierig.With a large number of such electrode stacks 1 In a solid-state cell, there is currently no practicable solution for compensating for an age-dependent growth in cell thickness and for compensating for a cell thickness that is dependent on the state of charge. Solid-state cells of this type cannot usually be produced in a continuous production process, and if the dimensions of an available installation space are changed in relation to the solid-state cell, new tools are required or the tools must be converted. In addition, the temperature of all layers of the individual electrode stacks is uniform 1 comparatively difficult.

Um Festkörperzellen, insbesondere deren Elektrodenstapel 1, in einem kontinuierlichen Herstellverfahren herstellen zu können, um alterungsabhängiges Zelldickenwachstum und eine ladezustandsabhängige Zelldicke kompensieren zu können, ist die Festkörperzelle, wie im Folgenden beschrieben, ausgebildet und hergestellt.To solid-state cells, especially their electrode stacks 1 In order to be able to produce in a continuous production process in order to be able to compensate for age-dependent cell thickness growth and a state of charge-dependent cell thickness, the solid-state cell is designed and produced as described below.

Hierzu wird vorgeschlagen, einen in den folgenden Figuren gezeigten Strang S aus einem Elektrodenstapel 1 mit einer Mehrzahl beschichteter Trägerfolien 3, zwei metallischen Kollektorblechen 4 zum Zellspannungsabgriff, Spannelementen 5 und Isolationselementen 6 auszubilden, der wie in den 2 und 3 gezeigt ist, hergestellt wird.For this purpose, it is proposed to use a strand shown in the following figures S. from an electrode stack 1 with a plurality of coated carrier films 3 , two metallic collector plates 4th for cell voltage tapping, clamping elements 5 and insulation elements 6th train who as in the 2 and 3 shown is produced.

Das jeweilige Kollektorblech 4 ist mit der jeweils randseitigen Trägerfolie 3 verbunden, wobei an einer gegenüberliegenden Seite des jeweiligen Kollektorbleches 4 ein elastisches Spannelement 5 zur Kompensation des alterungsabhängigen Zelldickenwachstums und zur Kompensation der ladezustandsabhängigen Zelldicke angeordnet ist. Beispielsweise handelt es sich bei den Spannelementen 5 um Schaummatten aus Polyurethan.The respective collector sheet 4th is with the respective edge-side carrier film 3 connected, on an opposite side of the respective collector plate 4th an elastic tensioning element 5 is arranged to compensate for the age-dependent cell thickness growth and to compensate for the state-of-charge-dependent cell thickness. For example, it concerns the clamping elements 5 around foam mats made of polyurethane.

An einer Oberseite und einer Unterseite des Elektrodenstapels 1 ist zwischen den Spannelementen 5 jeweils ein Isolationselement 6 angeordnet, welches optional vorgesehen ist.On a top and a bottom of the electrode stack 1 is between the clamping elements 5 one insulation element each 6th arranged, which is optionally provided.

Die Herstellung des Stranges S erfolgt in einem kontinuierlichen Prozess, wobei Einzellagen des Stranges S, d. h. die beschichteten Trägerfolien 3, Folien des Festelektrolyten 2, die Kollektorbleche 4, die Spannelemente 5 und die Isolationselemente 6 als Rollenmaterial R zugeführt und zusammengeführt werden. Aus einem Endlosstrang wird durch wechselseitige Faltung, wie in den 2 und 3 dargestellt ist, der Strang S mäanderförmig geformt.The making of the strand S. takes place in a continuous process, whereby individual layers of the strand S. , ie the coated carrier films 3 , Foils of the solid electrolyte 2 , the collector plates 4th , the clamping elements 5 and the insulation elements 6th as roll material R. fed and merged. An endless strand becomes through alternating folding, as in the 2 and 3 shown is the strand S. shaped like a meander.

Eine Vorrichtung zur Formung des Stranges S als Mäander umfasst eine Anzahl von Schiebern 7, die zur schrittweisen Faltung des Stranges S entsprechend positioniert werden.A device for forming the strand S. as a meander comprises a number of slides 7th that are used to gradually fold the strand S. be positioned accordingly.

Alternativ oder zusätzlich zu der Mäanderform kann der Strang S schneckenförmig gewickelt werden, so dass der Strang S als Wickel ausgebildet ist, wie beispielsweise in 17 gezeigt ist.Alternatively or in addition to the meander shape, the strand S. be wound in a helix so that the strand S. is designed as a coil, such as in 17th is shown.

Mittels des mäanderförmig ausgebildeten oder den als Wickel ausgeführten Stranges S wird ein zur Verfügung stehender Bauraum optimiert ausgefüllt, wobei der Strang S durch Änderung einer Mäanderbreite b und/oder einer Lagenanzahl, aus welcher eine Länge I des mäanderförmig ausgeführten Stranges S an verschiedene Bauräume in Bezug auf ein Zellinneres angepasst werden können bzw. kann.By means of the meandering or winding strand S. an available installation space is optimally filled, with the strand S. by changing a meander width b and / or a number of layers from which a length I. of the meandering strand S. can or can be adapted to different installation spaces in relation to a cell interior.

4 zeigt eine Schnittdarstellung eines Stranges S in einer ersten Ausführungsform nach der Zusammenführung des jeweiligen Rollenmaterials R. 4th shows a sectional view of a strand S. in a first embodiment after the respective roll material has been brought together R. .

Im Detail umfasst der Strang S den Elektrodenstapel 1 mit den beschichteten Trägerfolien 3, den Festelektrolyten 2, die randseitig angeordneten Kollektorbleche 4, die Spannelemente 5 und die Isolationselemente 6.In detail, the strand includes S. the electrode stack 1 with the coated carrier films 3 , the solid electrolyte 2 , the collector plates arranged on the edge 4th , the clamping elements 5 and the insulation elements 6th .

Eine perspektivische Ansicht des Stranges S in der ersten Ausführungsform ist in 5 gezeigt.A perspective view of the strand S. in the first embodiment is in 5 shown.

6 zeigt eine perspektivische Ansicht des mäanderförmig ausgebildeten Stranges S in einer ersten Ausführungsform. 6th shows a perspective view of the meandering strand S. in a first embodiment.

Dabei sind die Kollektorbleche 4 derart angeordnet und ausgebildet, dass diese von einer Stirnseite SS1 des Stranges S abragen, also um ein vorgegebenes Maß aus dem Strang S herausragen.Here are the collector plates 4th arranged and designed in such a way that this from one end face SS1 of the strand S. protrude, so by a given amount from the strand S. stick out.

Die randseitig nach außen hin jeweils einseitig unbeschichteten Trägerfolien 3 sind vollflächig mit dem jeweiligen Kollektorblech 4 verbunden, wobei die Kollektorbleche 4 beispielsweise aus Aluminium, Kupfer und/oder einem anderen geeigneten Material ausgeführt sind.The carrier films that are uncoated on one side towards the outside 3 are full-surface with the respective collector plate 4th connected, the collector plates 4th for example made of aluminum, copper and / or another suitable material.

Ein elektrischer Strom des Elektrodenstapels 1 wird an den freiliegenden und von der Stirnseite SS1 abragenden Ende der Kollektorbleche 4 abgegriffen, die als Hochvolt-Kontakte ausgebildet sind.An electric current of the electrode stack 1 is on the exposed and from the front side SS1 protruding end of the collector plates 4th tapped, which are designed as high-voltage contacts.

Ein Abgriff einzelner elektrischer Lagenspannungen, also elektrischer Trägerfolienspannungen, erfolgt an freiliegenden, partiell unbeschichteten Enden der Trägerfolien 3 an einer gegenüberliegenden Stirnseite SS2.Individual electrical layer voltages, that is to say electrical carrier film voltages, are picked up at the exposed, partially uncoated ends of the carrier films 3 on an opposite end face SS2 .

Jeweils seitlich an dem Strang S ist ein Spannelement 5 in Form eine Spannmatte, insbesondere aus Polyurethan, angeordnet, die zur elektrodenstapelinternen Kompensation des Zelldickenwachstums und zur Kompensation der ladezustandsabhängigen Zelldicke dienen. Außenabmessungen des Stranges S bleiben dadurch trotz Dickenänderung der Trägerfolien 3 und/oder der Folien des Festelektrolyten 2 konstant und es wird keine unzulässig hohe Kraft auf eine Umgebung des Stranges S ausgeübt. Gleichzeitig dienen die Spannelemente 5 zur seitlichen elektrischen Isolation des Stranges. Mittels der Isolationselemente 6, die als Kunststofffolien ausgeführt sein können, ist der Strang S nach oben und nach unten hin elektrisch isoliert.Each on the side of the strand S. is a tensioning element 5 in the form of a tension mat, in particular made of polyurethane, which are used to compensate for the growth in cell thickness within the electrode stack and to compensate for the cell thickness dependent on the state of charge. External dimensions of the strand S. remain despite the change in thickness of the carrier films 3 and / or the foils of the solid electrolyte 2 constant and there is no unacceptably high force on the area around the strand S. exercised. The clamping elements serve at the same time 5 for lateral electrical insulation of the string. By means of the insulation elements 6th that can be designed as plastic films, is the strand S. electrically insulated upwards and downwards.

Der mäanderförmig ausgebildete Strang S ist in einem nicht näher dargestellten, weitestgehend hermetisch abgedichteten Zellgehäuse angeordnet, welches zudem die Zellüberwachungseinheit enthalten kann.The meandering strand S. is arranged in a largely hermetically sealed cell housing, not shown, which can also contain the cell monitoring unit.

In den 7 bis 10 ist eine zweite Ausführungsform des Stranges S gezeigt, wobei in 7 eine Schnittdarstellung, in 8 eine perspektivische Ansicht des mäanderförmig ausgebildeten Stranges S, in 9 eine perspektivische Ansicht des geformten Stranges S mit aufgeschweißten Kollektorplatten 8 und in 9 eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes des Stranges S mit den aufgeschweißten Kollektorplatten 8 gezeigt dargestellt ist.In the 7th to 10 is a second embodiment of the strand S. shown, where in 7th a sectional view in 8th a perspective view of the meandering strand S. , in 9 a perspective view of the formed strand S. with welded-on collector plates 8th and in 9 a sectional view of an enlarged section of the strand S. with the welded-on collector plates 8th is shown.

In der zweiten Ausführungsform sind die Kollektorbleche 4 L-förmig ausgebildet, wobei ein jeweils abgewinkelter Schenkel 4.1 auf dem jeweiligen oberseitig und unterseitig angeordneten Isolationselement 6 aufliegt.In the second embodiment, the collector plates 4 are L-shaped, each with an angled leg 4.1 on the respective insulation element arranged on the top and bottom 6th rests.

An den oberseitigen und den unterseitigen Schenkel 4.1 des entsprechenden Kollektorbleches 4 wird jeweils eine vergleichsweise massive Kollektorplatte 8 geschweißt, wodurch der elektrische Strom auf dem kürzesten Weg aus dem Strang S, insbesondere aus dem Elektrodenstapel 1 herausgeführt wird, so dass der ohmsche Widerstand verringert werden kann.On the upper and lower legs 4.1 of the corresponding collector plate 4th is a comparatively massive collector plate 8th welded, which means that the electric current is the shortest possible route from the strand S. , in particular from the electrode stack 1 is led out so that the ohmic resistance can be reduced.

Zudem dienen die Kollektorplatten 8 zur Stabilisierung des mäanderförmig ausgebildeten Stranges S, insbesondere des Elektrodenstapels 1.The collector plates also serve 8th to stabilize the meandering strand S. , in particular the electrode stack 1 .

Um weitestgehend zu ermöglichen, dass die Ausdehnung des Elektrodenstapels 1 mittels der Spannelemente 5 kompensiert werden kann, ist die Kollektorplatte 8 nur an jeder zweiten Windung mit dem Kollektorblech 4, insbesondere dem Schenkel 4.1, verschweißt, wie mittels der Schweißpunkte P gezeigt ist.In order to enable the expansion of the electrode stack as much as possible 1 by means of the clamping elements 5 can be compensated is the collector plate 8th only on every second turn with the collector plate 4th , especially the thigh 4.1 , welded, as by means of the welding points P is shown.

Der Strang S mit den angeschweißten Kollektorplatten 8 wird ebenfalls in einem hermetisch abgedichteten Zellgehäuse angeordnet, welches darüber hinaus die Zellüberwachungseinheit enthalten kann.The strand S. with the welded-on collector plates 8th is also arranged in a hermetically sealed cell housing, which can also contain the cell monitoring unit.

Der Strang S mit den angeschweißten Kollektorplatten 8 kann mittels einer nicht näher gezeigten Temperiereinheit oder mittels zwei Temperiereinheiten temperiert werden, wobei zwischen der Temperiereinheit oder Temperiereinheiten und der Festkörperzelle eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie und/oder Vergussmasse unter- bzw. oberhalb der Kollektorplatten 8 angeordnet sind bzw. ist.The strand S. with the welded-on collector plates 8th can be temperature controlled by means of a temperature control unit (not shown) or by means of two temperature control units, with an electrically insulating heat conducting film and / or potting compound below or above the collector plates between the temperature control unit or temperature control units and the solid-state cell 8th are or is arranged.

Die metallischen und vergleichsweise gut wärmeleitfähigen Kollektorbleche 4 wirken dabei als Kühlbleche oder -stäbe und leiten beim Laden und Entladen der Festkörperzellen entstehende Verlustwärme in Richtung der entsprechenden T emperiereinheit.The metallic and comparatively highly thermally conductive collector sheets 4th act as cooling plates or rods and conduct heat loss during charging and discharging of the solid-state cells in the direction of the corresponding temperature unit.

In 11 ist eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform des mäanderförmig ausgebildeten Stranges S dargestellt.In 11 Figure 3 is a perspective view of a third embodiment of the meandering strand S. shown.

In der dritten Ausführungsform sind die Schenkel 4.1 der L-förmigen Kollektorbleche 4, die somit biegesteif ausgeführt sind, zur Vereinfachung der Faltungen im Bereich der Faltungen oder Biegungen ausgeklinkt. Das Ausklinken, also das Umformen der Schenkel 4.1 erfolgt mittels einer Stanze beim Herstellen des Stranges S und vor dem Falten des Stranges S zu dem Mäander.In the third embodiment, the legs are 4.1 the L-shaped collector plates 4th , which are thus made rigid, notched to simplify the folds in the area of the folds or bends. The notching, i.e. the reshaping of the legs 4.1 takes place by means of a punch when producing the strand S. and before folding the strand S. to the meander.

Die 12 und 13 zeigen eine vierte Ausführungsform des Stranges S, wobei in 12 eine Schnittdarstellung des Stranges S und in 13 eine perspektivische Ansicht des mäanderförmig ausgebildeten Stranges S dargestellt ist.The 12th and 13th show a fourth embodiment of the strand S. , where in 12th a sectional view of the strand S. and in 13th a perspective view of the meandering strand S. is shown.

In der vierten Ausführungsform ragen die Schenkel 4.1 der Kollektorbleche 4 zunächst von dem Strang S und sind dementsprechend nicht abgewinkelt. Das Ausklinken der Schenkel 4.1 wird erst nach der Formung des Stranges S zu der Mäanderform durchgeführt, so dass die Ausklinkung im Wesentlichen exakt im Bereich der Biegung des Stranges S positioniert werden kann und in ihrer Größe und Position nicht unvermeidlichen Toleranzen beim Falten des Mäanders unterworfen ist.In the fourth embodiment, the legs protrude 4.1 the collector plates 4th first from the strand S. and are therefore not angled. Notching the legs 4.1 becomes only after the strand is formed S. carried out to the meander shape, so that the notch is essentially exactly in the area of the bend of the strand S. can be positioned and is not subject to unavoidable tolerances when folding the meander in their size and position.

Um einen Zugang für ein Stanzwerkzeug zu schaffen, werden die Kollektorbleche 4 gerade aus dem Strang S herausgeführt, wie 12 zeigt. Nach dem Falten des Stranges S zu dem Mäander werden die Kollektorbleche 4, insbesondere die Schenkel 4.1, um 90° umgebogen und liegen somit auf den Isolationselementen 6 auf, wie 13 zeigt.To create access for a punching tool, the collector plates 4th straight from the strand S. led out how 12th shows. After folding the strand S. the collector plates become the meander 4th , especially the thighs 4.1 , bent by 90 ° and thus lie on the insulation elements 6th on how 13th shows.

Eine fünfte Ausführungsform des Stranges S ist in den 14 und 15 dargestellt, wobei 14 den Strang S vor der Formung und 15 einen vergrößerten Ausschnitt des Stranges S nach dem Biegeprozess ohne Kollektorbleche 4 und ohne Spannelemente 5 zeigt.A fifth embodiment of the strand S. is in the 14th and 15th shown, where 14th the strand S. before forming and 15th an enlarged section of the strand S. after the bending process without collector plates 4th and without clamping elements 5 shows.

Bei dieser fünften Ausführungsform sind die Trägerfolien 3 im Biegebereich ohne Anodenbeschichtung A und Kathodenbeschichtung K ausgeführt.In this fifth embodiment, the carrier films are 3 in the bending area without anode coating A. and cathode coating K executed.

Durch den Entfall der vergleichsweise spröden Anodenbeschichtung A und Kathodenbeschichtung K und eine auf die unbeschichtete Dicke der Trägerfolie 3 lassen sich diese im Vergleich erheblich besser falten. Dabei werden die unbeschichteten Trägerfolien 3 mittels des durchgehenden Festelektrolyten 2 voneinander isoliert.By eliminating the comparatively brittle anode coating A. and cathode coating K and one to the uncoated thickness of the carrier film 3 they can be folded much better in comparison. The uncoated carrier films are thereby 3 by means of the solid electrolyte throughout 2 isolated from each other.

Eine Länge und Position der beschichteten und unbeschichteten Bereiche der Trägerfolien 3 ist für alle Trägerfolien 3 gleich. Ein Ausgleich unterschiedlicher Bogenlängen auf Innen- und Außenseiten des Stranges erfolgt von selbst durch die gegensinnige Biegung des Stranges S zur Bildung der Mäanderform.A length and position of the coated and uncoated areas of the carrier films 3 is for all carrier foils 3 equal. Compensation of different arc lengths on the inside and outside of the strand takes place automatically through the opposite bending of the strand S. to form the meander shape.

16 zeigt eine sechste Ausführungsform des Stranges S, die der fünften Ausführungsform sehr ähnlich ist, wobei im beschichtungsfreien Bereich der Trägerfolien 3 zusätzlich eine Isolationsfolie 9 stoffschlüssig angeordnet ist, d. h. geklebt ist. 16 shows a sixth embodiment of the strand S. , which is very similar to the fifth embodiment, wherein in the coating-free area of the carrier films 3 an additional insulation film 9 Is arranged cohesively, ie is glued.

Diese Isolationsfolie 9 stellt bei einem Bruch der Folie des Festelektrolyten 2 die elektrische Isolation zwischen den einzelnen Trägerfolien 3 im Wesentlichen sicher.This insulation film 9 if the foil of the solid electrolyte breaks 2 the electrical insulation between the individual carrier foils 3 essentially safe.

Alternativ oder zusätzlich zu der Isolationsfolie 9 können bzw. kann auch ein Isolationslack und/oder eine Isolationsmasse im Bereich der Biegung auf die Trägerfolien 3 aufgebracht sein.Alternatively or in addition to the insulation film 9 can or can also apply an insulating varnish and / or an insulating compound in the area of the bend to the carrier films 3 be upset.

Insbesondere werden bzw. wird die Isolationsfolie 9, der Isolationslack und/oder die Isolationsmasse nach Beschichtung der jeweiligen Trägerfolie 3 auf diese aufgebracht. In particular, the insulation film is or will be 9 , the insulating varnish and / or the insulating compound after coating the respective carrier film 3 applied to this.

Die 17 zeigt eine siebente Ausführungsform des Stranges S, wobei dieser durch schneckenförmiges Wickeln als ein bauraumfüllender Wickel ausgeformt ist.The 17th shows a seventh embodiment of the strand S. , whereby this is shaped as a space-filling winding by helical winding.

An der Oberseite und der Unterseite des gewickelten Stranges S werden Kollektorplatten 8 an die außenliegenden Schenkel 4.1 der Kollektorbleche 4 geschweißt. Die Kollektorplatten 8 führen den elektrischen Strom auf dem kürzesten Weg aus dem Elektrodenstapel 1 heraus und dienen zudem zu dessen mechanischer Stabilisierung.At the top and bottom of the coiled strand S. become collector plates 8th to the outer thighs 4.1 the collector plates 4th welded. The collector plates 8th lead the electric current out of the electrode stack by the shortest route 1 and also serve to stabilize it mechanically.

Ein Abgriff einzelner Lagespannungen des Elektrodenstapels 1 für die Zellspannungsüberwachung und für das Balancing erfolgt an den Trägerfolien 3 am freiliegenden Ende des als Wickel ausgebildeten Stranges S.A tapping of individual position voltages of the electrode stack 1 for cell voltage monitoring and for balancing takes place on the carrier foils 3 at the exposed end of the strand designed as a coil S. .

Auch hier kann eine Temperierung der Festkörperzelle mit einem solchen gewickelten Strang S mittels einer Temperiereinheit oder mehreren Temperiereinheiten erfolgen, wobei der Wickel in einem hermetisch abgedichteten Zellgehäuse angeordnet ist, in welchem auch die Zellüberwachungseinheit angeordnet sein kann.Here, too, the temperature of the solid-state cell can be controlled with such a wound strand S. take place by means of a temperature control unit or several temperature control units, the winding being arranged in a hermetically sealed cell housing, in which the cell monitoring unit can also be arranged.

Die 18 und 19 zeigen eine achte Ausführungsform des Stranges S, welcher in 18 ungeformt dargestellt ist. 19 zeigt eine perspektivische Ansicht des als Wickel ausgebildeten Stranges S vor einem Aufsetzen und Verschweißen der Kollektorplatten 8.The 18th and 19th show an eighth embodiment of the strand S. which in 18th is shown unshaped. 19th shows a perspective view of the strand designed as a coil S. before placing and welding the collector plates 8th .

In der achten Ausführungsform sind die Schenkel 4.1 der Kollektorbleche 4 abschnittsweise ausgeklinkt, so dass ein Biegeprozess beim Wickeln des Stranges S vereinfacht, insbesondere erleichtert ist.In the eighth embodiment, the legs are 4.1 the collector plates 4th notched in sections so that a bending process occurs when winding the strand S. simplified, in particular facilitated.

Das Ausklinken kann beispielsweise mittels einer Stanze am einzelnen Kollektorblech 4 vor dem Zusammenführen des Stranges S erfolgen.The notching can be done, for example, by means of a punch on the individual collector plate 4th before merging the strand S. respectively.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
ElektrodenstapelElectrode stack
22
FestelektrolytSolid electrolyte
33
TrägerfolieCarrier film
44th
KollektorblechCollector plate
4.14.1
Schenkelleg
55
SpannelementClamping element
66th
IsolationselementIsolation element
77th
SchieberSlider
88th
KollektorplatteCollector plate
99
Isolationsfolie Insulation film
AA.
AnodenbeschichtungAnode coating
KK
KathodenbeschichtungCathode coating
PP
SchweißpunktWelding point
RR.
RollenmaterialRoll material
SS.
Strangstrand
SS1SS1
StirnseiteFace
SS2SS2
gegenüberliegende Stirnseite opposite face
bb
MäanderbreiteMeander width
II.
Längelength

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102014018998 A1 [0002]DE 102014018998 A1 [0002]
  • US 6010653 [0003]US 6010653 [0003]

Claims (4)

Festkörperzelle für einen elektrochemischen Energiespeicher mit einem Elektrodenstapel (1), welcher eine Anzahl von Trägerfolien (3) mit einer Anodenbeschichtung (A) und einer gegenüberliegenden Kathodenbeschichtung (K) und jeweils einer zwischen den beschichteten Trägerfolien (3) angeordneten Lage eines Festelektrolyten (2) umfasst und in einem Zellgehäuse angeordnet ist, gekennzeichnet durch - einen gebildeten Strang (S) mit dem Elektrodenstapel (1), mit einem an einer jeweiligen Längsseite des Elektrodenstapels (1) angeordneten Kollektorblech (4) für einen Zellspannungsabgriff, jeweils einem angrenzenden Spannelement (5) und jeweils einem auf einer Oberseite und Unterseite des Elektrodenstapels (1) zwischen den Spannelementen angeordneten Isolationselement (6), wobei - der Strang (S) in Form eines Mäanders und/oder Wickels in dem abgedichteten Zellgehäuse angeordnet ist.Solid-state cell for an electrochemical energy storage device with an electrode stack (1) which contains a number of carrier foils (3) with an anode coating (A) and an opposing cathode coating (K) and in each case a layer of a solid electrolyte (2) arranged between the coated carrier foils (3) and is arranged in a cell housing, characterized by - a formed strand (S) with the electrode stack (1), with a collector plate (4) arranged on a respective longitudinal side of the electrode stack (1) for a cell voltage tap, each with an adjacent clamping element (5 ) and in each case one insulation element (6) arranged on an upper side and lower side of the electrode stack (1) between the tensioning elements, the strand (S) being arranged in the form of a meander and / or coil in the sealed cell housing. Festkörperzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Kollektorblech (4) derart ausgebildet ist, dass beide Kollektorbleche (4) zum Zellspannungsabgriff an einer Stirnseite (SS1) des Stranges (S) von diesem abragen.Solid-state cell after Claim 1 , characterized in that the respective collector plate (4) is designed in such a way that both collector plates (4) protrude from one end face (SS1) of the strand (S) for cell voltage tapping. Verfahren zur Herstellung einer Festkörperzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - Einzellagen des Elektrodenstapels (1), die Kollektorbleche (4), die Spannelemente (5) und die Isolationselemente (6) als Rollenmaterial (R) geordnet zur Bildung des Stranges (S) zusammengeführt werden und - der somit gebildete Strang (S) durch wechselseitige Faltung als Mäander und/oder durch schneckenförmige Wicklung als Wickel entsprechend eines zur Verfügung stehenden Bauraumes des Zellgehäuses ausgebildet wird.Method for producing a solid-state cell according to Claim 1 or 2 , characterized in that - individual layers of the electrode stack (1), the collector plates (4), the tensioning elements (5) and the insulation elements (6) are brought together as roll material (R) in order to form the strand (S) and - the strand thus formed Strand (S) is formed by alternate folding as a meander and / or by helical winding as a coil in accordance with an available space of the cell housing. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite (b) des Mäanders und/oder eine Anzahl zumindest der Einzellagen der Elektrodenstapels (1) an den zur Verfügung stehenden Bauraum angepasst werden bzw. wird.Procedure according to Claim 3 , characterized in that a width (b) of the meander and / or a number of at least the individual layers of the electrode stacks (1) are or will be adapted to the available installation space.
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