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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses und ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche. Weiterhin betrifft die Erfindung auch deren Verwendung.
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Stand der Technik
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Eine Batteriezelle ist ein elektrochemischer Wandler, der bei seiner Entladung gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die elektrische Energie kann beispielsweise zum Fahrzeugantrieb in Elektrofahrzeugen verwendet werden. Dafür sind insbesondere lithiumhaltige Batteriezellen aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit geeignet.
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Solche Batteriezellen weisen jeweils ein Batteriezellengehäuse auf, in dem mehrere Elektrodeneinheiten, also Anoden, Separatoren und Kathoden, aufgenommen sind. Dabei kann das Batteriezellengehäuse prismatisch, zylindrisch oder folienartig ausgeführt sein.
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Ein prismatisches Batteriezellengehäuse ist typischerweise mit einem plattenförmig ausgebildeten Gehäusedeckel verschlossen, an dem ein positiver und ein negativer Batteriezellenpol zur elektrischen Kontaktierung mit weiteren Batteriezellen angeordnet sind. Dabei kann der positive bzw. negative Batteriezellenpol durch eine Öffnung des Gehäusedeckels hindurchgeführt und an dem Gehäusedeckel befestigt sein. Zur Herstellung solcher Batteriezellenpole werden eine Mehrzahl von metallischen Materialien verwendet, welche wiederum hohe Herstellungskosten und ein großes Gewicht verursachen.
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Aus dem Dokument
US 4195215 A ist ein Verfahren zur Verbindung von zwei oder mehreren metallischen Formkörpern bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses und ein Verfahren zu deren Herstellung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt. Weiterhin ist auch die Verwendung einer solchen Deckelbaugruppe Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Eine erfindungsgemäße Deckelbaugruppe umfasst dabei einen Gehäusedeckel mit einer ersten Aufnahmeöffnung. Weiter umfasst die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe einen ersten Batteriezellenpol, der teilweise in der ersten Aufnahmeöffnung des Gehäusedeckels angeordnet ist. Dabei weist der erste Batteriezellenpol eine Vielzahl von metallischen Partikeln auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die metallischen Partikeln schichtweise gestapelt sind.
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Der besondere Vorteil dabei besteht darin, dass die Menge von metallischen Materialien zur Herstellung des ersten Batteriezellenpols im Vergleich zu einem massiven Batteriezellenpol nach dem Stand der Technik reduziert wird, da durch das Stapeln Hohlräume zwischen den metallischen Partikeln, z.B. in Form von Kugeln, entstehen. Dadurch wird auch das Gewicht des ersten Batteriezellenpols und somit das Gesamtgewicht der Deckelbaugruppe verringert.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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So ist es von Vorteil, wenn die metallischen Partikeln ellipsoidförmig oder polyederförmig ausgebildet sind. Somit werden Zwischenräume zwischen den metallischen Partikeln vorgesehen und das Gewicht des ersten Batteriezellenpols gegenüber einem massiven metallischen Batteriezellenpol reduziert.
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Weiter ist es vorteilhaft, wenn zwischen den metallischen Partikeln Zwischenräume vorgesehen sind, die zumindest teilweise mit einem elektrisch isolierenden Material ausgefüllt sind. Auf diese Weise wird der erste Batteriezellenpol ohne weitere Isolationselemente gegenüber dem Gehäusedeckel elektrisch isoliert.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die metallischen Partikeln unterschiedliche Größen aufweisen. Solche Partikeln lassen sich relativ einfach aufeinanderstapeln, in dem kleinere Partikeln auf größeren Partikeln angeordnet werden. Ferner wird der erste Batteriezellenpol mit unterschiedlich großen metallischen Partikeln hinsichtlich dessen Bauform bzw. Gewicht flexibel ausgestaltet.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die metallischen Partikeln aus kupfer- oder aluminiumhaltigen Werkstoffen ausgeführt sind. Sind die metallischen Partikeln aus kupferhaltigen Werkstoffen ausgeführt, wird der erste Batteriezellenpol beispielsweise als negativer Batteriezellenpol bei einer Batteriezelle eingesetzt. Im Fall eines positiven Batteriezellenpols sind dessen metallische Partikeln aus aluminiumhaltigen Werkstoffen bereitgestellt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die metallischen Partikeln derart schichtweise gestapelt sind, dass die metallischen Partikeln einer Schicht in den Lücken der metallischen Partikeln einer auf der Schicht angeordneten weiteren Schicht positioniert sind. Diese Maßnahme stellt sicher, dass die metallischen Partikeln möglichst dicht nebeneinander angeordnet sind und der erste Batteriezellenpol somit einen möglichst kleinen Bauraum beansprucht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses bereitgestellt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in einem ersten Verfahrensschritt eine Vielzahl von metallischen Partikeln schichtweise gestapelt werden. Vorzugsweise werden dabei die metallischen Partikeln derart schichtweise gestapelt, dass die metallischen Partikeln einer Schicht in den Lücken der metallischen Partikeln einer auf der Schicht angeordneten weiteren Schicht positioniert werden. Beispielsweise wird zunächst eine erste Anzahl von Kupferpartikeln derselben Größe nebeneinander angeordnet, sodass eine erste Schicht ausgebildet wird. Dabei besteht in der Mitte mehrerer benachbarter Kupferpartikeln jeweils eine Lücke, in welcher ein Kupferpartikel einer zweiten Anzahl angeordnet wird. Die Kupferpartikeln, die in den Lücken der ersten Schicht positioniert sind, bilden eine zweite Schicht. Eine dritte Schicht, welche auf die zweite Schicht aufgebracht wird, wird dadurch ausgebildet, dass weitere Kupferpartikeln einer dritten Anzahl in den Lücken der zweiten Schicht angeordnet werden. Die Kupferpartikeln der ersten, der zweiten und der dritten Schicht sind beispielsweise gleich groß und die erste Schicht weist dabei bspw. die meisten Partikeln auf während die dritte Schicht bspw. die wenigsten Partikeln aufweist.
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Vorteilhaft ist es, wenn in einem zweiten Verfahrensschritt die metallischen Partikeln zur Ausbildung eines ersten Batteriezellenpols an einen elektrischen Stromkreis angeschlossen werden. Beispielsweise erfolgt der Stapelvorgang gemäß dem ersten Verfahrensschritt in einer Formvorrichtung aus Kohlenstoff, welche zur Aufnahme von mehreren Schichten von metallischen Partikeln vorgesehen ist. Nach dem Stapelvorgang wird z.B. eine Platte aus Kohlenstoff auf der dritten Schicht angeordnet, welche die dritte Schicht zumindest vollflächig bedeckt. Zusammen mit der Formvorrichtung und den darin angeordneten metallischen Partikeln wird die Platte als Elektrode an einen elektrischen Stromkreis angeschlossen. Dadurch fließt ein elektrischer Strom durch die metallischen Partikeln, welcher einen Anstieg der Temperatur der metallischen Partikeln verursacht. Dabei steigt die Temperatur an den sich berührenden Stellen der metallischen Partikeln am stärksten an, welches wiederum zu einem Verschmelzen der metallischen Partikeln und somit zur Verbindung derselben miteinander führt.
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Weiter vorteilhaft ist es, wenn der erste Batteriezellenpol in einem dritten Verfahrensschritt teilweise in einer ersten Aufnahmeöffnung eines Gehäusedeckels angeordnet wird und in einem vierten Verfahrensschritt Zwischenräume zwischen den metallischen Partikeln zumindest teilweise mit einem elektrisch isolierenden Material ausgefüllt werden.
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Die Deckelbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich vorteilhaft in einem Batteriezellengehäuse für lithiumhaltige Batteriesysteme wie Lithium-Ionen-Batterien, lithiumhaltige Solid-State-Batterien, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien einsetzen. Diese können wiederum Anwendung in elektrischen Fahrzeugen, in Hybridfahrzeugen oder in stationären Anwendungen wie beispielsweise zur Speicherung regenerativ gewonnener elektrischer Energie finden.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Seitenansicht einer Deckelbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
- 2a ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Deckelbaugruppe gemäß 1 und
- 2b eine Seitenansicht einer Formvorrichtung zur Verwendung in einem Verfahren gemäß 2a.
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In 1 ist eine Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe 10 gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt.
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Die Deckelbaugruppe 10 umfasst beispielsweise einen Gehäusedeckel 102, welcher in 1 mit einer ersten Aufnahmeöffnung 104 versehen ist. In der Regel beinhaltet der Gehäusedeckel 102 noch eine zweite Aufnahmeöffnung, welche typischerweise der ersten Aufnahmeöffnung 104 entsprechend ausgestaltet ist. Daher ist die zweite Aufnahmeöffnung in 1 schematisch nicht abgebildet und bezüglich deren entsprechender Beschreibung wird auf die erste Aufnahmeöffnung 104 des Gehäusedeckels 102 verwiesen.
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Weiter umfasst die Deckelbaugruppe 10 einen ersten Batteriezellenpol 106, welcher eine Vielzahl von z.B. kugelförmigen Partikeln 108 derselben Größe aus Kupfer aufweist. Die kugelförmigen Partikeln 108 sind beispielsweise zur Ausbildung mehrerer Schichten 118, 128, 138, 148, 158 aufeinandergestapelt. Eine erste Schicht 118 ist dadurch ausgebildet, dass mehrere kugelförmige Partikeln 108 nebeneinander angeordnet sind. Eine zweite Schicht 128 ist auf der ersten Schicht 118 aufgebracht, wobei die zweite Schicht 128 dadurch ausgebildet ist, dass jeweils ein kugelförmiges Partikel 118 in einer Lücke 110 zwischen mehreren nebeneinander positionierten kugelförmigen Partikeln 108 der ersten Schicht 118 angeordnet ist. Dabei ist wiederum eine Lücke 110 zwischen mehreren nebeneinander positionierten kugelförmigen Partikeln 108 der zweiten Schicht 128 ausgebildet, in welchen weitere kugelförmige Partikeln 108 zur Ausbildung einer dritten Schicht 138 angeordnet sind. Auf der dritten Schicht 138 ist eine vierte Schicht 148 aufgebracht, welche dadurch ausgebildet ist, dass kugelförmige Partikeln 108 nur in einigen also nicht in allen der Lücken 110 der dritten Schicht 138 angeordnet sind. Auf der vierten Schicht 148 ist bspw. eine fünfte Schicht 158 angeordnet. Die fünfte Schicht 158 weist kugelförmige Partikeln 108 auf, die in den Lücken 110 der nebeneinander positionierten kugelförmigen Partikeln 108 der vierten Schicht 148 angeordnet sind.
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Die Deckelbaugruppe 10 kann beispielsweise derart mit einem prismatischen Grundkörper zur Ausbildung eines prismatischen Batteriezellengehäuses verbunden sein, dass der erste Batteriezellenpol 106 zumindest teilweise innerhalb der ersten Aufnahmeöffnung 104 des Gehäusedeckels 102 angeordnet wird und die erste Schicht 118 des ersten Batteriezellenpols 106 z.B. teilweise innerhalb des prismatischen Grundkörpers angeordnet wird. Die erste Schicht 118 ist dabei mit den Ableiterfähnchen von Elektroden innerhalb des prismatischen Batteriezellengehäuses beispielsweise mittels Laserschweißen verbunden.
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Um die erste Aufnahmeöffnung 104 des Gehäusedeckels 102 gegenüber einem Austreten eines flüssigen Elektrolyten oder einem Eintreten von Umgebungsfeuchtigkeit abzudichten und weiterhin den Gehäusedeckel 102 gegenüber dem ersten Batteriezellenpol 106 elektrisch zu isolieren, sind beispielsweise Zwischenräume zwischen dem ersten Batteriezellenpol 106 und dem Gehäusedeckel 102 und zum Teil die Lücken 110 zwischen den kugelförmigen Partikeln 110 mit einem elektrisch isolierenden Material 112 ausgefüllt. Dies erfolgt z.B. mittels Spritzguss. Auf diese Weise wird der Gehäusedeckel 102 ohne weitere Verbindungselemente wie z.B. Klebstoffe mit dem ersten Batteriezellenpol 106 verbunden.
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In 2a ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 20 zur Herstellung einer Deckelbaugruppe 10 gemäß 1 schematisch dargestellt. In 2b ist eine Seitenansicht einer Formvorrichtung 212 zur Verwendung in einem Verfahren gemäß 2a schematisch dargestellt. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.
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Zunächst werden in einem ersten Verfahrensschritt 202 eine Vielzahl von metallischen Partikeln 108 schichtweise gestapelt. Die metallischen Partikeln 108 sind dabei beispielsweise gleichgroß, kugelförmig und aus Kupfer hergestellt. Zum Stapeln wird eine Formvorrichtung 212 verwendet, welche eine Negativform eines ersten Batteriezellenpols 106 aufweist. Dabei werden zunächst mehrere metallische Partikeln 108 nebeneinander zur Ausbildung einer fünften Schicht 158 in die Formvorrichtung 212 eingelegt. Danach werden weitere metallische Partikeln 108 zur Ausbildung einer vierten Schicht 148 auf die fünfte Schicht 158 aufgebracht. In analoger Weise werden eine dritte Schicht 138, eine zweite Schicht 128 und eine erste Schicht 118 auf die jeweils darunter angeordnete Schicht 128, 138, 148 aufgebracht.
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Weiter wird in einem zweiten Verfahrensschritt 204 eine Platte 214 aus z.B. Kohlenstoff auf der ersten Schicht 118 angeordnet, sodass die Platte 214 die erste Schicht 118 zumindest vollflächig bedeckt. Die Platte 214 weist hierbei eine erste Kontaktstelle 216 auf und die Formvorrichtung 212 eine zweite Kontaktstelle 218 an deren jeweiliger Oberfläche, die den metallischen Partikeln 108 in der Formvorrichtung 212 abgewandt ist. Die erste und die zweite Kontaktstelle 216, 218 sind zur elektrischen Verbindung mit einer Spannungsquelle vorgesehen. Auf diese Weise werden die metallischen Partikeln 108 an einen elektrischen Stromkreis angeschlossen, um die Temperatur zwischen den metallischen Partikeln 108 zu erhöhen und die metallischen Partikeln 108 zur Ausbildung eines ersten Batteriezellenpols 106 miteinander zu verbinden. Anschließend wird der erste Batteriezellenpol 106 von dem elektrischen Stromkreis getrennt und aus der Formvorrichtung 212 herausgenommen, wobei der erste Batteriezellenpol 106 einen schichtartigen Aufbau aufweist.
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Weiterhin wird in einem dritten Verfahrensschritt 206 der erste Batteriezellenpol 106 teilweise in einer ersten Aufnahmeöffnung 104 eines Gehäusedeckels 102 angeordnet. Ferner werden in einem vierten Verfahrensschritt 208 Zwischenräume zwischen den metallischen Partikeln 108 zumindest teilweise mit einem elektrisch isolierenden Material 112 ausgefüllt. Dies erfolgt beispielsweise in einem Spritzgussprozess.
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Die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe 10 lässt sich vorteilhaft in lithiumhaltigen Batteriesystemen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, lithiumhaltigen Solid-State-Batterien, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien, verwenden. Diese wiederum finden Anwendung in E-Bikes oder Kraftfahrzeugen sowie in der stationären Speicherung elektrischer Energie.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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