DE102022210702A1 - Prismatische Batteriezelle - Google Patents

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Bastian Schaar
Anish Gaush
Marvin Czech
Mesut Yurtseven
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prismatische Batteriezelle mit einem quaderförmigen Zellgehäuse (1), in dem ein Elektrodenstapel (3) eingehaust ist, der aus Elektroden (K), Gegenelektroden (A) sowie zwischengeordneten Separatoren (S) aufgebaut ist, wobei das Zellgehäuse (1) zwei in Stapelrichtung (SR) des Elektrodenstapels (3) gegenüberliegende Flachseitenwände (5), zwei quer zur Stapelrichtung (SR) gegenüberliegende Schmalseitenwände (7), eine Bodenwand (9) und eine Deckwand (11) aufweist, und wobei für einen externen Stromabgriff an der einen Schmalseitenwand (7) ein mit den Elektroden (K) verbundener Terminal (13) und an der anderen Schmalseitenwand (7) ein mit den Gegenelektroden (A) verbundener Gegenterminal (15) vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist zumindest eine der Elektroden (K), insbesondere eine Mehrzahl von Elektroden (K), mit zumindest einem Elektroden-Überstand (33) seitlich über den Elektrodenstapel (3) hinaus verlängert. Der Elektroden-Überstand (33) ist an der Bodenwand (9) und/oder Deckwand (11) angebunden, wodurch eine thermische Kopplung des ElektrodenStapels (3) mit der Bodenwand (9) und/oder der Deckwand (11) bereitgestellt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine prismatische Batteriezelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Batteriezellen mit prismatischem Zellformat sowie mit seitlichen Terminals werden in der Regel über die Zell-Unterseite und/oder die Zell-Oberseite an eine Kühlstruktur angebunden. Die Abführung der im Zell-Inneren entstehenden Wärme erfolgt dabei zunächst in der Stapelrichtung des Elektrodenstapels bis zum Zellgehäuse und dann entlang der Gehäusewand zu den an die Kühlstruktur angekoppelten Seitenflächen der Zelle. Im Stand der Technik sind die Elektrodenschichten in der Stapelrichtung sowie unter Zwischenlage von Separatoren übereinandergestapelt oder gewickelt, um hieraus den Elektrodenstapel zu fertigen, der zusammen mit weiteren Komponenten (Elektrolyt, Zellgehäuse, Terminals...) zur Batteriezelle zusammengefügt wird.
  • Eine gattungsgemäße prismatische Batteriezelle weist ein quaderförmiges Zellgehäuse auf, in dem ein solcher Elektrodenstapel eingehaust ist, der aus Elektroden, Gegenelektroden sowie zwischengeordneten Separatoren aufgebaut ist. Das Zellgehäuse weist zwei in Stapelrichtung des Elektrodenstapels gegenüberliegende Flachseitenwände, zwei quer zur Stapelrichtung gegenüberliegende Schmalseitenwände, eine Bodenwand und eine Deckwand auf. Für einen externen Stromabgriff ist an der einen Schmalseite ein Terminal und an der anderen Schmalseite ein Gegenterminal vorgesehen.
  • In Folge des geschichteten Aufbaus des Elektrodenstapels ergibt sich eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit in der Batteriezelle. Technischer Stand der Technik ist, dass die thermische Leitfähigkeit in der hier genutzten Stapelrichtung deutlich geringer ist als quer zur Stapelrichtung. Beispielhaft kann die Wärmeleitfähigkeit im Elektrodenstapel quer zur Stapelrichtung 20-mal größer sein als in der Stapelrichtung. Die Hauptwärme kann im Stand der Technik nicht direkt (das heißt quer zur Stapelrichtung) durch den Elektrodenstapel zur Kühlstruktur geführt werden, da Isolationsmaterialien am Elektrodenstapel-Rand (das heißt Separator-Überstand) oder gegebenenfalls fertigungsbedingt vorhandene Luft-/Gasspalte diesen Wärmepfad stark einschränken. Der Hauptwärmepfad führt daher über das Zellgehäuse, wodurch hohe Temperaturgradienten von innen nach außen entstehen und die insgesamt realisierbare Zelldicke begrenzen. Weiterhin erfordert dieser thermische Pfad eine gewisse Mindest-Dicke des Zellgehäuses. Insbesondere vor dem Hintergrund steigender Schnellladeanforderungen sind perspektivisch sehr hohe Verlustleistungen zu erwarten, die einen leistungsfähigen Pfad zur Wärmeabfuhr aus der Batteriezelle erforderlich machen.
  • Aus der DE 10 2019 132 835 A1 ist ein Kühlkörper sowie ein elektrischer Energiespeicher mit einem solchen Kühlkörper bekannt. Aus der US 2014/0057151 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, in der die Verteilung eines Kühlmittels vergleichsmäßigt ist.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine prismatische Batteriezelle bereitzustellen, in der im Vergleich zum Stand der Technik eine verbesserte Wärmeabfuhr aus der Batteriezelle ermöglicht ist.
  • Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
  • Die Erfindung geht von einer prismatischen Batteriezelle mit einem quaderförmigen Zellgehäuse aus, in dem ein Elektrodenstapel eingehaust ist. Der Elektrodenstapel ist aus Elektroden, Gegenelektroden sowie zwischengeordneten Separatoren aufgebaut. Das Zellgehäuse weist in Stapelrichtung des Elektrodenstapels zwei gegenüberliegende Flachseitenwände, zwei quer zur Stapelrichtung gegenüberliegende Schmalseitenwände, eine Bodenwand sowie eine Deckwand auf. Für einen externen Stromabgriff ist an der einen Schmalseitenwand ein mit den Elektroden elektrisch verbundener Terminal und an der anderen Schmalseitenwand ein mit den Gegenelektroden verbundener Gegenterminal vorgesehen. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist zumindest eine der Elektroden, insbesondere eine Mehrzahl von Elektroden, mit zumindest einem Elektroden-Überstand seitlich über den Elektrodenstapel hinaus verlängert. Der Elektroden-Überstand ist an der Bodenwand und/oder an der Deckwand des Zellgehäuses thermisch angebunden. Auf diese Weise ergibt sich eine thermische Kopplung des Elektrodenstapels mit der Bodenwand und/oder der Deckwand des Zellgehäuses.
  • Die Erfindung betrifft speziell eine prismatische Zelle mit seitlichen Terminals. Diese Bauweise eignet sich gut für eine zweiseitige Kühlungsanbindung über die Zellunter- und -oberseite, die zur Beherrschung der Abwärme erforderlich ist, die insbesondere bei anspruchsvollen Schnelllade-Anforderungen auftritt. Ein Kern der Erfindung besteht darin, dass die Substratfolie einer Elektrode bevorzugt zweiseitig aus dem Elektrodenstapel herausragt und an Ober- und Unterseite der Zelle zumindest thermisch an das Zellgehäuse angekoppelt ist.
  • Die Substratfolie ist daher ein- oder bevorzugt beidseitig über den Elektrodenstapel hinaus zur thermischen oder elektrisch/thermischen Anbindung des Zellstapels an die Ober- und Unterseite des Zellgehäuses verlängert, um eine zweiseitige Kühlung zu realisieren. Dabei kann die Nutzung von thermisch bzw. thermisch-elektrisch leitfähigen Zwischenelementen zwischen Zellstapel und Zellgehäuse erfolgen, die funktionsintegriert das Einführen des Zellstapels in das Gehäuse unterstützen und gleichzeitig über Federwirkung und/oder Verprägung die thermische Ankopplung zwischen Zellstapel und Zellgehäuse darstellen bzw. diese unterstützen.
  • In der bevorzugten Ausführung ist zum Beispiel das Kathodenblatt der Zelle so gestaltet, dass die Substratfolie (Aluminium) nach oben und unten aus dem Zellstapel herausragt. Die einzelnen aus dem Stapel herausragenden Aluminium-Folien bilden an Oberseite und Unterseite des Zellstapels Ableiterfähnchen, die vorkompaktiert, umgebogen und an das Zellgehäuse angebunden werden (zum Beispiel durch Schweißen). Hierbei entsteht zum einen ein guter thermischer Kontakt und zum anderen auch eine elektrische Kontaktierung. Das Zellgehäuse ist bevorzugt ebenfalls aus Aluminium gefertigt und in den Strompfad der Zelle eingebunden, das heißt es dient der elektrischen Leitung zwischen dem Terminalbereich und den kompaktierten Ableiterfähnchen der Kathode. Das Kathodenterminal kann in diesem Fall als einfacher Sockel ausgeführt werden. Das Anodenblatt hingegen wird, wie bei prismatischen Zellen mit seitlichen Terminals üblich, mit zur Seite herausragendem Ableiterfähnchen gestaltet und dort konventionell an das Zellterminal angebunden.
  • Das Zellgehäuse kann in diesem Fall entweder als vorgeformter Becher (Tiefzieh- oder Fließpressteil) ausgeführt werden, in das der Stapel bei Fertigung der Zelle seitlich eingeschoben wird. Alternativ ist auch ein gebautes Zellgehäuse denkbar, bei dem zunächst die vorkompaktierten Ableiterfähnchen der Kathode an Bleche angeschweißt werden, die später Ober- und Unterseite des Zellgehäuses bilden. Anschließend erfolgt das Aufsetzen der Gehäuse-Seitenwände, welche mit der Gehäuse-Ober- und Unterseite im nächsten Schritt verschweißt werden.
  • Die oben beschriebene Variante erfordert eine geringe Teileanzahl und bietet optimale Raumausnutzung in der Zelle bei bestmöglicher elektrisch/thermischer Anbindung. Alternativ dazu kann in einer weiteren Ausführungsform die oben und unten aus dem Stapel herausragende Kathoden-Substratfolie ausschließlich thermisch an den Zellbecher angebunden sein. In diesem Fall müssen die Kathodenblätter so gestaltet sein, dass zusätzlich auch ein konventionell gestaltetes Ableiterfähnchen zur Seitenfläche der Zelle hin aus dem Stapel herausragt, an dem eine konventionelle Terminal-Kontaktierung umgesetzt wird. Die nach oben und unten aus dem Zellstapel herausragenden Substratfolien werden gegenüber dem Zellgehäuse durch zum Beispiel eine dünne Kunststofffolie elektrisch isoliert und sind dort lediglich angedrückt oder verklebt, um die thermische Ankopplung zu realisieren.
  • Als weitere Alternative kann die thermische Kopplung nach oben und unten auch über die Anoden-Substratfolie anstatt der Kathoden-Substratfolie realisiert werden. Die Ankopplung der vorkompaktierten Substratfolien an die Zellgehäuseober- und Unterseite kann direkt oder auch indirekt erfolgen, und zwar über thermisch gut leitfähige Zwischenelemente. Hierbei kann es sich um Führungsschienen (bevorzugt ebenfalls aus Aluminium) handeln, die die Montage des Stapels beim Einfahren in das Zellgehäuse unterstützen, oder um federnde oder verprägte Zwischenplatten, die die thermische bzw. elektrisch- thermische Anbindung zwischen Fähnchenpaket und Zellgehäuse unterstützen. Die Zwischenelemente können auf funktionsintegriert die Einführung des Zellstapels bei Montage unterstützen und gleichzeitig über Federwirkung oder Verprägung die thermische Ankopplung unterstützen.
  • Mit der Erfindung ist ein optimierter Entwärmungspfad für prismatische Zellen mit seitlichen Terminals entlang der elektrisch und thermisch gut leitenden Richtung des Zellstapels direkt zu Oberseite und Unterseite der Zelle für eine zweiseitige Kühlung bereitstellbar. Zudem besteht erfindungsgemäß keine Begrenzung der Zelldicke, wodurch kostengünstige große prismatische Zellen umsetzbar sind. Ferner ergibt sich ein Energiedichtevorteil, da sehr dünne Zellgehäuse-Wände ermöglicht werden.
  • Nachfolgend sind die wesentlichen Aspekte der Erfindung nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So können im Fertigungsprozess vor der Einhausung des Elektrodenstapels in das Zellgehäuse die Elektroden-Überstände zu einer Überstand-Baugruppe gebündelt werden. In der fertiggestellten Batteriezelle sind daher die Elektroden-Überstände nicht einzeln mit der Bodenwand und/oder der Deckwand verbunden, sondern vielmehr unter Zwischenschaltung der Überstand-Baugruppe an der Bodenwand und/oder der Deckwand angebunden. Im Hinblick auf eine weitere Montagevereinfachung ist es bevorzugt, wenn die Überstand-Baugruppe ein Zwischenelement, etwa eine Metallschiene, aufweist. An deren Innenseite können die Elektroden-Überstände angebunden sein, während deren Außenseite thermisch, gegebenenfalls auch elektrisch, an der Bodenwand und/oder an der Deckwand anbindbar ist.
  • Die Elektroden und/oder die Gegenelektroden können jeweils aus einer Substratfolie gebildet sein, die ein- oder beidseitig mit Aktivmaterial beschichtet ist. In diesem Fall kann der Elektroden-Überstand unmittelbar aus dem Folienmaterial der Substratfolie gebildet sein.
  • Der Elektrodenstapel kann beispielhaft als eine Flachwicklung realisiert sein oder alternativ als ein Einzelblatt-Aufbau. In diesem Fall sind die Elektroden, die Gegenelektroden sowie die Separatoren als Einzelblätter unter Bildung des Elektrodenstapels übereinandergestapelt. Im Elektrodenstapel können die Separatoren die Elektroden und Gegenelektroden mit ihren Separator-Rändern quer zur Stapelrichtung überragen. Der erfindungsgemäße Elektroden-Überstand ist in diesem Fall derart bemessen, dass er bis über die Separator-Ränder hinaus verlängert ist.
  • In der erfindungsgemäßen Batteriezelle sind die Elektroden über Elektroden-Ableiterfahnen mit dem Zellterminal elektrisch verbunden, während die Gegenelektroden über entsprechende Gegenelektroden-Ableiterfahnen mit dem Gegen-Terminal elektrisch verbunden sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der Elektroden-Überstand nicht nur eine thermische Ankopplung des Elektrodenstapels an der Bodenwand und/oder an der Deckwand bereitstellen, sondern vielmehr in Doppelfunktion zusätzlich auch als eine Elektroden-Ableiterfahne wirken, die elektrisch leitfähig an der Bodenwand und/oder an der Deckwand angebunden ist. In diesem Fall kann das Zellgehäuse in den Strompfad zwischen Elektroden-Überstand und Zellterminal eingebunden sein. Der Zellterminal kann in diesem Fall elektrisch leitend mit dem Zellgehäuse verbunden sein, während die Gegenelektroden und der Gegen-Zellterminal vom Zellgehäuse elektrisch isoliert sind.
  • Das Zellgehäuse kann aus einem tiefgezogenen Zellbecher aus Aluminiummaterial gebildet sein, dessen Zellbecherboden die Bodenwand des Zellgehäuses bildet. In einer ersten Prozessführung kann der Elektrodenstapel über eine Einführöffnung des Zellbechers in das Zellgehäuseinnere eingesetzt werden. Anschließend kann der mit dem Elektrodenstapel bestückte Zellbecher mit der Deckwand geschlossen werden, die an den Öffnungsrandbereich der Einführöffnung des Zellbechers anschweißbar ist.
  • Alternativ dazu können die Bodenwand und die Deckwand vor der Einhausung des Elektrodenstapels in das Zellgehäuse als separate Bauteile bereitgestellt sein, an denen die Elektroden-Überstände des Elektrodenstapels anbindbar sind. Auf diese Weise ergibt sich eine Vormontageeinheit, die im weiteren Prozessverlauf mit den Schmal- und Flachseitenwänden unter Fertigstellung des Zellgehäuses verbaut werden kann.
  • Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
    • 1 bis 5 jeweils unterschiedliche Ansichten einer Batteriezelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
    • 6 bis 8 jeweils unterschiedliche Ansichten einer Batteriezelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
    • 9 bis 12 jeweils Ansichten einer Batteriezelle gemäß einem nicht von der Erfindung umfassten Vergleichsbeispiel.
  • Im Hinblick auf ein einfaches Verständnis der Erfindung wird zunächst Bezug auf die 9 bis 12 genommen, in denen unterschiedliche Ansichten einer nicht von der Erfindung umfassten prismatischen Batteriezelle als Vergleichsbeispiel gezeigt ist. Die Batteriezelle weist ein quaderförmiges Zellgehäuse 1 auf, in dem ein Elektrodenstapel 3 (10) eingehaust ist. Dieser besteht aus in Stapelrichtung SR übereinander gestapelten Kathoden K, Anoden A sowie zwischengeordneten Separatoren S. Das Zellgehäuse 1 ist aus zwei in Stapelrichtung SR des Elektrodenstapels 3 gegenüberliegenden Flachseitenwänden 5, aus zwei quer zur Stapelrichtung SR gegenüberliegenden Schmalseitenwänden 7, einer Bodenwand 9 sowie einer Deckwand 11 ausgebildet. Für einen externen Stromabgriff ist an der einen Schmalseitenwand 7 ein kathodenseitiger Terminal 13 und an der anderen Schmalseitenwand 7 ein anodenseitiger Terminal 15 vorgesehen. In den 11 und 12 sind jeweils eine Kathode K sowie eine Anode A dargestellt. Sowohl die Kathode K als auch die Anode A sind aus einer Substratfolie 17 (10) gebildet, die beidseitig mit Kathodenaktivmaterial 18 bzw. mit Anodenaktivmaterial 20 beschichtet ist. Die Separatorfolien 17 der Kathode K und der Anode A sind dabei jeweils unter Bildung einer Kathoden-Ableiterfahne 19 (12) und einer Anode-Ableiterfahne 21 (11) seitlich verlängert, die nicht mit Aktivmaterial 18, 20 beschichtet sind.
  • In der fertiggestellten Batteriezelle sind sämtliche Kathoden-Ableiterfahnen 19 des Elektrodenstapels 3 zu einem Ableiterfahnen-Paket 25 (9) gebündelt, das mit dem kathodenseitigen Terminal 13 elektrisch verbunden ist. In gleicher Weise sind sämtliche Anoden-Ableiterfahnen 21 des Elektrodenstapels 3 zu einem Ableiterfahnen-Paket 27 gebündelt, das elektrisch mit dem anodenseitigen Terminal 15 verbunden ist.
  • Die Kathoden K, die Anoden A sowie die Separatoren S sind in den 9 bis 12 als Einzelblätter in der Stapelrichtung SR übereinandergestapelt. Dabei überragen die Separatoren S die Elektroden K, A mit ihren Separator-Rändern 29 (9 oder 10) quer zur Stapelrichtung SR.
  • Die Batteriezelle ist Bestandteil eines Zellenverbunds eines Hochvoltbatteriesystem, in dem die einzelnen Batteriezellen elektrisch miteinander verschaltet sind. Die im Zellenverbund angeordneten Batteriezellen werden in der Regel über die Zell-Unterseite und die Zell-Oberseite an einer Kühlstruktur 31 thermisch angebunden, wie es in der 10 angedeutet ist.
  • In Folge des geschichteten Aufbaus des Elektrodenstapels 3 ergibt sich eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit in der Batteriezelle, wie sie in der 10 angedeutet ist. Demnach ist die Wärmeleitfähigkeit λy in der Stapelrichtung SR deutlich geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit λz quer zur Stapelrichtung SR. Beispielhaft kann die Wärmeleitfähigkeit λz im Elektrodenstapel 3 quer zur Stapelrichtung SR 20-mal größer sein als die Wärmeleitfähigkeit λy in der Stapelrichtung SR.
  • Wie aus der 9 oder 10 hervorgeht, ist der Elektrodenstapel 3 in der Gehäusehochrichtung z von der Bodenwand 9 und von der Deckwand 11 über jeweils einen Spalt beabstandet, in den die Separator-Ränder 29 einragen. Der Spalt sowie die Separator-Ränder 29 wirken als thermische Isolierung, die eine quer zur Stapelrichtung erfolgende Wärmeabfuhr vom Elektrodenstapel 3 zur Bodenwand 9 und zur Deckwand 11 stark einschränkt. Die hohe Wärmeleitfähigkeit λz quer zur Stapelrichtung SR bleibt daher im Stand der Technik weitgehend ungenutzt. Vielmehr erfolgt in der 10 der größte Teil der Wärmeabfuhr über einen Hauptwärmepfad W (10), bei dem die Wärme vom Elektrodenstapel 3 in der Stapelrichtung SR auf die Flachseitenwände 5 übertragen wird und von dort zur Bodenwand 9 sowie zur Deckwand 11 auf die Kühlstrukturen 31 übertragen wird. Dadurch entstehen hohe Temperaturgradienten von innen nach außen und ist die realisierbare Zelldicke begrenzt. Weiterhin erfordert dieser Hauptwärmepfad W eine gewisse Mindest-Dicke des Zellgehäuses.
  • Wie in den 11 und 12 angedeutet ist, werden die Kathode K und die Anode A in einem kontinuierlichen Prozess aus einer Substratfolien-Endlosbahn 22 hergestellt, die sich in einer Fertigungsrichtung F bewegt. Zur Bereitstellung der unbeschichteten Ableiterfahnen 19, 21 erfolgt der Aktivmaterial-Beschichtungsprozess beispielhaft diskontinuierlich, so dass ein Querbahnabschnitt 24 der Substratfolien-Endlosbahn 22 ohne Beschichtung verbleibt. Die Substratfolien-Endlosbahn 22 wird zur Kathode K bzw. zur Anode A abgelängt, wobei der unbeschichtete Querbahnabschnitt 24 in einem Schneidprozess zur Ableiterfahne 19, 21 geschnitten wird. Dies muss jedoch nicht zwingend so umgesetzt werden. In einer alternativen Prozessführung kann die die Beschichtungsrichtung B (11 oder 12) auch rechtwinklig zur Fertigungsrichtung F ausgerichtet sein; die Beschichtung erfolgt dann kontinuierlich, aber nicht vollflächig. Es verbleibt daher ein unbeschichteter Rand (d.h. der Querbahnabschnitt 24), aus dem dann die Ableiterfahnen 19, 21 herausgeschnitten werden. Dies ist in der Regel die üblichere/bevorzugte Fertigungsmethode gegenüber einer diskontinuierlichen Beschichtung.
  • In Abkehr von den 9 bis 12 ist in den 1 bis 5 eine erfindungsgemäße Batteriezelle gezeigt, die im Wesentlichen so wie in den 1 bis 4 gezeigt aufgebaut ist. Im Unterschied zu den 1 bis 4 sind in der erfindungsgemäßen Batteriezelle gemäß den 1 bis 5 die Substratfolien 17 der Kathoden K des Elektrodenstapels 3 in der Gehäusehochrichtung z nach oben und nach unten über den Elektrodenstapel 3 hinaus verlängert, und zwar unter Bildung von Elektroden-Überständen 33. Die Elektroden-Überstände 33 der Kathoden K sind zu einer Überstand-Baugruppe 35 gebündelt. Diese weist gemäß der 1, 2 oder 5 eine Aluminiumschiene 37 auf, an deren Innenseite die Elektroden-Überstände 33 angebunden sind. Die Außenseite der Aluminiumschiene 37 ist dagegen thermisch an die Bodenwand 9 sowie an die Deckwand 11 des Zellgehäuses 1 angebunden.
  • Anhand der 5 ist ein Zusammenbauprozess veranschaulicht, bei dem der Elektrodenstapel 3 zusammen mit seinen oberen und unteren Überstand-Baugruppen 35 als eine Vormontageeinheit 39 bereitgestellt ist. Zudem ist ein Zellbecher 41 mit einer Einführöffnung 43 bereitgestellt, über die die Vormontageeinheit 39 in das Innere des Zellbechers 41 einschiebbar ist. Der Zellbecher 41 wird dann mittels einer separaten (nicht gezeigten) Deckwand 11 geschlossen.
  • Anhand der 3 und 4 sind exemplarisch jeweils eine Anode A und eine Kathode K des Elektrodenstapels 3 dargestellt. Die Anode A und die Kathode K werden, wie anhand der 11 und 12 bereits beschrieben, gefertigt. Die in der 3 angedeutete Anode A ist identisch wie die in der 11 angedeutete Anode A gebildet, während in der 4 die Kathode K zusätzlich vom Aktivmaterial 18 freigelegte Längsränder 47 aufweist, die die Elektroden-Überstände 33 bilden.
  • In den 6 bis 8 ist eine Batteriezelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Im Unterschied zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel sind in den 6 bis 8 die Elektroden-Überstände 33 nicht nur thermisch an der Bodenwand 9 sowie an der Deckwand 11 angebunden, sondern wirken diese vielmehr in Doppelfunktion zusätzlich auch als Kathoden-Ableiterfahnen, die elektrisch leitfähig an der Bodenwand 9 und an der Deckwand 11 angebunden sind. Zudem ist der kathodenseitige Zellterminal 13 elektrisch leitfähig mit dem Zellgehäuse 1 (das heißt mit der Schmalseitenwand 7) verbunden, während der anodenseitige Zellterminal 15 sowie die Anoden A vom Zellgehäuse 1 (das heißt von der Schmalseitenwand 7) elektrisch isoliert sind. Auf diese Weise ist somit das Zellgehäuse 1 in den Strompfad zwischen den Elektroden-Überständen 33 und dem kathodenseitigen Zellterminal 13 eingebunden.
  • Bei der Fertigung der Kathode K kann daher auf eine separate Kathoden-Ableiterfahne 19 verzichtet werden. Zudem kann bei der Kathodenfertigung auf die Bereitstellung von Folien-Querabschnitten 24 sowie auf Schneidoperationen verzichtet werden, um die Kathoden-Ableiterfahne 19 aus dem Folien-Querabschnitt 24 zu schneiden. Die Kathode K ist daher im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel fertigungstechnisch wesentlich einfacher herstellbar.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Zellgehäuse
    3
    Elektrodenstapel
    5
    Flachseitenwand
    7
    Schmalseitenwand
    9
    Bodenwand
    11
    Deckwand
    13
    kathodenseitiger Terminal
    15
    anodenseitiger Terminal
    17
    Substratfolie
    19
    Kathoden-Ableiterfahne
    21
    Anoden-Ableiterfahne
    22
    Substratfolien-Endlosbahn
    24
    Quer-Bahnabschnitt
    25, 27
    Ableiterfahnen-Paket
    29
    Separator-Ränder
    31
    Kühlstruktur
    33
    Elektroden-Überstand
    35
    Überstand-Baugruppe
    37
    Zwischenelement
    39
    Vormontageeinheit
    41
    Zellbecher
    43
    Einführöffnung
    47
    Längsränder
    A
    Anode
    K
    Kathode
    S
    Separator
    SR
    Stapelrichtung
    W
    Hauptwärmepfad
    λy, λz
    Wärmeleitfähigkeiten
    B
    Beschichtungsrichtung
  • 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
    • DE 102019132835 A1 [0005]
    • US 20140057151 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Prismatische Batteriezelle mit einem quaderförmigen Zellgehäuse (1), in dem ein Elektrodenstapel (3) eingehaust ist, der aus Elektroden (K), Gegenelektroden (A) sowie zwischengeordneten Separatoren (S) aufgebaut ist, wobei das Zellgehäuse (1) zwei in Stapelrichtung (SR) des Elektrodenstapels (3) gegenüberliegende Flachseitenwände (5), zwei quer zur Stapelrichtung (SR) gegenüberliegende Schmalseitenwände (7), eine Bodenwand (9) und eine Deckwand (11) aufweist, und wobei für einen externen Stromabgriff an der einen Schmalseitenwand (7) ein mit den Elektroden (K) verbundener Terminal (13) und an der anderen Schmalseitenwand (7) ein mit den Gegenelektroden (A) verbundener Gegenterminal (15) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Elektroden (K), insbesondere eine Mehrzahl von Elektroden (K), mit zumindest einem Elektroden-Überstand (33) seitlich über den Elektrodenstapel (3) hinaus verlängert ist, und dass der Elektroden-Überstand (33) an der Bodenwand (9) und/oder Deckwand (11) angebunden ist, wodurch eine thermische Kopplung des ElektrodenStapels (3) mit der Bodenwand (9) und/oder der Deckwand (11) bereitgestellt ist.
  2. Prismatische Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Zusammenbauprozess vor der Einhausung des Elektrodenstapels (3) in das Zellgehäuse (1) die Elektroden-Überstände (33) zu einer Überstand-Baugruppe (35) gebündelt werden, und dass in der der fertiggestellten Batteriezelle die Elektroden-Überstände (33) bzw. die Überstand-Baugruppe (35) an der Bodenwand (9) und/oder Deckwand (11) anbindbar ist, und dass insbesondere die Überstand-Baugruppe (35) ein Zwischenelement (37), etwa eine Metallschiene, aufweist, an deren Innenseite die Elektroden-Überstände (33) angebunden sind und deren Außenseite thermisch, gegebenenfalls auch elektrisch, an der Bodenwand (9) und/oder Deckwand (11) angebunden ist.
  3. Prismatische Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (K) und/oder die Gegenelektrode (A) aus einer Substratfolie (17) gebildet ist, die ein- oder beidseitig mit Aktivmaterial (18, 20) beschichtet ist, und dass insbesondere der Elektroden-Überstand (33) aus Folienmaterial der Substratfolie (17) gebildet ist.
  4. Prismatische Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (K), Gegenelektroden (A) und Separatoren (S) als Einzelblätter gebildet sind, und/oder dass die Separatoren (S) die Elektroden (K) und die Gegenelektroden (A) mit Separator-Rändern (29) überragen, und dass insbesondere der Elektroden-Überstand (33) über die Separator-Ränder (29) hinaus verlängert ist.
  5. Prismatische Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (K) über Elektroden-Ableiterfahnen (19) mit dem Zellterminal (13) elektrisch verbunden sind, und/oder dass die Gegenelektroden (A) über Gegenelektroden-Ableiterfahnen (21) mit dem Gegen-Terminal (15) elektrisch verbunden sind.
  6. Prismatische Batteriezelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroden-Überstand (33) nicht nur thermisch an der Bodenwand (9) und/oder Deckwand (11) angebunden ist, sondern in Doppelfunktion zusätzlich auch als Elektroden-Ableiterfahne wirkt, die elektrisch leitfähig an der Bodenwand (9) und/oder Deckwand (11) angebunden ist, so dass das Zellgehäuse (1) in den Strompfad zwischen Elektroden-Überstand (33) und Zellterminal (13) eingebunden ist.
  7. Prismatische Batteriezelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellterminal (13) elektrisch leitend mit dem Zellgehäuse (1) verbunden ist, während der Gegen-Zellterminal (15) und/oder die Gegenelektroden (A) vom Zellgehäuse (1) elektrisch isoliert sind.
  8. Prismatische Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellgehäuse (1) einen tiefgezogenen Zellbecher (41) mit einem die Bodenwand (9) bildenden Zellbecherboden und einer Einführöffnung (43) bildet, durch die der Elektrodenstapel (3) in den Zellbecher (41) einsetzbar ist, und dass anschließend der Zellbecher (41) mit der Deckwand (11) geschlossen wird.
  9. Prismatische Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Einhausung des Elektrodenstapels (3) in das Zellgehäuse (1) die Bodenwand (9) und die Deckwand (11) als separate Bauteile bereitgestellt sind, an denen die Elektroden-Überstände (33) des Elektrodenstapels (3) anbindbar sind, und zwar unter Bildung einer Vormontageeinheit (39), und dass anschließend die Vormontageeinheit (39) mit den Schmal- und Flachseitenwände (5, 7) verbaut wird unter Fertigstellung des Zellgehäuses (1).
  10. Prismatische Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle über ihre Zellunterseite und/oder Zelloberseite an einer Kühlstruktur (31) angebunden ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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