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EINFÜHRUNG
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Die Offenbarung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung für eine prismatische Batteriezelle mit eingebauten Federn.
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Eine Batterie enthält mindestens ein Paar aus einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode sowie einen zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode angeordneten Separator. Sowohl die Anoden- als auch die Kathodenelektrode enthalten einen Stromkollektor, der ein leitfähiges Metallteil sein kann, das dazu dient, elektrische Energie von der jeweiligen Elektrode zu einem Batteriepol zu leiten, oder sind auf diesem ausgebildet. Die Anodenelektrode ist mit einem negativen Batteriepol verbunden, und die Kathodenelektrode ist mit einem positiven Batteriepol verbunden. Eine Batterie kann einen Behälter oder ein hartes äußeres Gehäuse enthalten, das die Elektroden und den Separator enthält und schützt. Die Dose kann aus einem Metall hergestellt sein.
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Ein Elektrodenstapel kann ein oder mehrere Elektrodenpaare enthalten. Gemäß einer Ausführungsform kann der Elektrodenstapel eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten flachen Elektroden umfassen. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der als Jelly-Roll-Elektrodenstapel bezeichnete Elektrodenstapel ein einziges flexibles Elektrodenpaar umfassen, wobei die Elektroden in eine zylindrische oder abgeflachte zylindrische Form gerollt sind. Ein Jelly-Roll-Elektrodenstapel umfasst eine Separatorschicht, eine Kathodenschicht, eine inerte Laminatschicht und eine Anodenschicht. Betrachtet man ein Ende des Jelly-Roll-Elektrodenstapels, können die Schichten als Wirbel erscheinen, wobei die Anodenschicht und die Kathodenschicht durch die Separatorschicht getrennt sind. Die Anodenschicht kann über einen ersten Stromkollektor mit einem negativen Batterieanschluss verbunden sein, und die Kathodenschicht kann über einen zweiten Stromkollektor mit einem positiven Batterieanschluss verbunden sein.
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BESCHREIBUNG
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Eine Vorrichtung für eine prismatische Batteriezelle ist vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst ein hartes äußeres Gehäuse, das ein Innenvolumen definiert. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Elektrodenstapel, der innerhalb des Innenvolumens angeordnet ist und ein Paar aus einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode umfasst. Der Elektrodenstapel umfasst ferner eine Vielzahl von parallel zueinander gestapelten Elektrodenpaarschichten. Die Elektrodenpaarschichten weisen jeweils eine ebene Oberfläche auf. Die Vorrichtung enthält ferner eine eingebaute Feder, die so konfiguriert ist, dass sie gegen den Elektrodenstapel in einer Richtung senkrecht zu der ebenen Oberfläche jeder der Elektrodenpaarschichten drückt.
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In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung außerdem eine Stützplatte aus Hartplastik, die zwischen der eingebauten Feder und dem Elektrodenstapel angeordnet ist. Die Stützplatte aus Hartplastik ist so konfiguriert, dass sie die Kraft auf den Elektrodenstapel gleichmäßig verteilt.
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In einigen Ausführungsformen ist die Stützplatte aus Hartplastik an der eingebauten Feder befestigt und so konfiguriert, dass sie eine Position und eine Ausrichtung der eingebauten Feder innerhalb der prismatischen Batteriezelle beibehält.
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In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung außerdem eine Vielzahl eingebauter Federn, die so konfiguriert sind, dass sie gegen den Elektrodenstapel drücken.
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In einigen Ausführungsformen umfasst der Elektrodenstapel eine Jelly-Roll-Elektrode, wobei das Paar aus Anoden- und Kathodenelektrode eine flexible Elektrode und eine flexible Kathodenelektrode umfasst und wobei die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode in einer gerollten Form angeordnet sind.
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In einigen Ausführungsformen umfasst der Elektrodenstapel einen Stapel flacher Paare von Anoden- und Kathodenelektroden.
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In einigen Ausführungsformen ist die Anodenelektrode eine Anodenelektrode mit hoher Ausdehnung. Das Verhältnis zwischen dem maximalen Volumen der Anodenelektrode im vollständig lithiierten Zustand und dem minimalen Volumen der Anodenelektrode im vollständig delithiierten Zustand beträgt mindestens 1,5 zu 1.
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In einigen Ausführungsformen enthält die Anodenelektrode Lithiummetall.
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In einigen Ausführungsformen ist die Anodenelektrode eine Anodenelektrode mit hohem Gehalt an Silicium. Silicium ist in der Anodenelektrode in einem Bereich von 5 Gewichtsteilen bis 100 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteile der Anodenelektrode vorhanden.
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In einigen Ausführungsformen ist die eingebaute Feder so konfiguriert, dass sie zumindest einen minimalen Elektrodendruck auf den Elektrodenstapel aufrechterhält, wenn sich die Anodenelektrode in einem vollständig delithiierten Zustand befindet.
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In einigen Ausführungsformen ist die eingebaute Feder so konfiguriert, dass sie einen maximalen Elektrodendruck auf den Elektrodenstapel nicht überschreitet, wenn sich die Anodenelektrode in einem vollständig lithiierten Zustand befindet.
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In einigen Ausführungsformen ist das harte Außengehäuse ein rechteckiger Polyeder mit einer relativ langen Kante und einer relativ kurzen Kante, die kürzer ist als die relativ lange Kante.
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In einigen Ausführungsformen steht die ebene Oberfläche jeder der Elektrodenpaarschichten senkrecht zu der relativ kurzen Kante.
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In einigen Ausführungsformen steht die ebene Oberfläche jeder der Elektrodenpaarschichten senkrecht zu der relativ langen Kante.
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In einigen Ausführungsformen ist das harte äußere Gehäuse ein rechteckiger Polyeder mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite. Die Vorrichtung umfasst ferner eine erste Lasche mit einem ersten Batterieanschluss, der an der ersten Seite angeordnet ist, und eine zweite Lasche mit einem zweiten Batterieanschluss, der an der zweiten Seite angeordnet ist.
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In einigen Ausführungsformen ist die eingebaute Feder zwischen dem Elektrodenstapel und dem harten Außengehäuse angeordnet.
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In einigen Ausführungsformen ist der Elektrodenstapel ein erster Elektrodenstapel. Die Vorrichtung umfasst ferner einen zweiten Elektrodenstapel, der in dem Innenvolumen angeordnet ist. Die eingebaute Feder ist zwischen dem ersten Elektrodenstapel und dem zweiten Elektrodenstapel angeordnet und so konfiguriert, dass sie gegen den ersten Elektrodenstapel und den zweiten Elektrodenstapel drückt.
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In einigen Ausführungsformen ist die eingebaute Feder eine erste eingebaute Feder. Die Vorrichtung umfasst ferner einen dritten Elektrodenstapel und eine zweite eingebaute Feder, die zwischen dem zweiten Elektrodenstapel und dem dritten Elektrodenstapel angeordnet ist. Die zweite eingebaute Feder ist so konfiguriert, dass sie gegen den zweiten Elektrodenstapel und den dritten Elektrodenstapel drückt.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird ein System bereitgestellt. Das System umfasst ein Gerät mit einer prismatischen Batteriezelle. Die prismatische Batteriezelle umfasst ein hartes Außengehäuse, das ein Innenvolumen definiert. Die prismatische Batteriezelle enthält ferner einen Elektrodenstapel, der innerhalb des Innenvolumens angeordnet ist und ein Paar aus einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode enthält. Der Elektrodenstapel umfasst ferner eine Vielzahl von parallel zueinander gestapelten Elektrodenpaarschichten. Die Elektrodenpaarschichten weisen jeweils eine ebene Oberfläche auf. Die prismatische Batteriezelle umfasst ferner mehrere eingebaute Federn, die so konfiguriert sind, dass sie gegen den Elektrodenstapel in einer Richtung senkrecht zu der ebenen Oberfläche jeder der Elektrodenpaarschichten drücken.
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In einigen Ausführungsformen ist das Gerät ein Fahrzeug.
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Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Modi zur Durchführung der Offenbarung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ohne weiteres ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 zeigt schematisch in einer seitlichen Querschnittsansicht eine beispielhafte prismatische Batteriezelle mit einem Elektrodenstapel und mindestens einer eingebauten Feder, die auf den Elektrodenstapel drückt, wobei das Volumen des Elektrodenstapels ein minimales Elektrodenstapelvolumen gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweist;
- 2 zeigt schematisch im Seitenschnitt die prismatische Batteriezelle von 1, wobei das Volumen des Elektrodenstapels gemäß der vorliegenden Offenbarung ein maximales Elektrodenstapelvolumen aufweist;
- 3 zeigt schematisch in einer perspektivischen Ansicht die prismatische Batteriezelle von 1, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung;
- 4 zeigt schematisch im Seitenschnitt eine alternative Ausführungsform einer prismatischen Batteriezelle, bei der ein Elektrodenstapel ein minimales Elektrodenvolumen aufweist, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 5 zeigt schematisch im Seitenschnitt die prismatische Batteriezelle von 4, wobei der Elektrodenstapel gemäß der vorliegenden Offenbarung ein maximales Elektrodenvolumen aufweist;
- 6 zeigt schematisch in einer perspektivischen Ansicht die prismatische Batteriezelle von 4, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung;
- 7 zeigt schematisch im Seitenschnitt eine weitere beispielhafte alternative prismatische Batteriezelle, einschließlich eines Jelly-Roll-Elektrodenstapels, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 8 zeigt schematisch im Seitenschnitt eine weitere beispielhafte alternative prismatische Batteriezelle mit drei Elektrodenstapeln und eingebauten Federn zwischen den Elektrodenstapeln gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
- 9 zeigt schematisch ein Gerät in Form eines Fahrzeugs mit einer Energiespeichereinrichtung, die mindestens eine der prismatischen Batteriezellen aus 1 enthält, gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Einige Batteriezellen können Anodenelektroden enthalten, die als Anodenelektroden mit hoher Ausdehnung bezeichnet werden können. An einer Anodenelektrode kann während zyklischer Lade- und Entladezyklen ein Lithium- und Delithiumprozess stattfinden. Als Ergebnis des Lithium- und Delithiumprozesses in der Batteriezelle kann sich das Volumen der Anodenelektrode von einem Maximalvolumen zu einem Minimalvolumen ändern. Die Änderung des Volumens der Anodenelektrode vom Minimalvolumen zum Maximalvolumen kann als Expansionsverhältnis der Anodenelektrode beschrieben werden. In einer Ausführungsform kann eine Anodenelektrode mit hoher Ausdehnung als Anodenelektroden-Ausdehnungsverhältnis von mindestens 1,5 zu 1 beschrieben werden.
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In einer anderen Ausführungsform kann eine Anodenelektrode innerhalb eines Elektrodenstapels einer prismatischen Batteriezelle eine inakzeptable Ausdehnung des Elektrodenstapels verursachen, wenn ein Grenzwert für die Verformung des harten Gehäuses überschritten wird. In einem Beispiel kann eine anodenlose Lithiumanode während der Lithiierung eine Gesamtdicke des Elektrodenstapels erzeugen oder bewirken, die aufgrund einer starken Elektrodenausdehnung eine Grenze für die Verformung des harten Gehäuses überschreitet. Eine solche große Elektrodenausdehnung kann entweder am Ende der Lithiierung aufgrund einer reversiblen Volumenausdehnung oder am Ende des Zellzyklus aufgrund einer Kombination aus reversibler und irreversibler Volumenausdehnung auftreten.
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Der Druck innerhalb einer prismatischen Batteriezelle wirkt sich auf die Leistung und die Lebensdauer der Batteriezelle aus. Wenn eine Elektrode zu starkem Druck ausgesetzt ist, kann ein Elektrodenfilm reißen und einen erhöhten Zellwiderstand oder Lithiumdendritenwachstum verursachen. Außerdem kann ein hoher Druck beim Laden der Zelle dazu führen, dass die harte Außenhülle der prismatischen Batteriezelle verformt oder beschädigt wird. Wenn eine Elektrode einem zu niedrigen Druck ausgesetzt ist, kann der Kontakt zwischen den Elektrodenschichten oder zwischen den Partikeln in einem Elektrodenfilm schlecht sein, was den Zellwiderstand erhöhen und die Leistung der Zelle verringern kann. Für eine Anodenelektrode kann ein minimal gewünschter Elektrodendruck und ein maximal gewünschter Elektrodendruck oder ein gewünschter Elektrodendruckbereich festgelegt werden.
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Wenn eine Anodenelektrode mit hoher Ausdehnung in einer prismatischen Batteriezelle mit einem starren Außengehäuse angeordnet ist, wird die Anodenelektrode während der großen Volumenänderungen, die während der zyklischen Lade- und Entladezyklen auftreten, wahrscheinlich entweder hohen Druckbedingungen ausgesetzt sein, wenn das Volumen der Anodenelektrode zunimmt und die Elektrode nach außen gegen das starre Außengehäuse drückt, oder niedrigen Druckbedingungen, wenn das Volumen der Anodenelektrode abnimmt und der Druck innerhalb der Batteriezelle fällt.
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Eine Vorrichtung, die eine prismatische Batteriezelle mit internen oder eingebauten Federn enthält, um die Verwendung von Anoden mit hoher Ausdehnung zu ermöglichen, wird bereitgestellt. Die offengelegten prismatischen Batteriezellen mit eingebauten Federn als Druckkontrolle ermöglichen die Verwendung von Anoden mit hoher Ausdehnung, um prismatische Batteriezellen mit hoher Energiedichte zu erhalten. Die eingebauten Federn in der prismatischen Batteriezelle ermöglichen es der Anodenelektrode, sich innerhalb des harten Außengehäuses der prismatischen Batteriezelle auszudehnen und zu schrumpfen, während sie innerhalb eines gewünschten Elektrodendruckbereichs bleibt. Die eingebauten Federn stellen einen Puffer dar, der zumindest einen minimalen gewünschten Elektrodendruck innerhalb der prismatischen Batteriezelle während der Delithiierung und einen Elektrodendruck unterhalb eines maximalen gewünschten Elektrodendrucks während der Lithiierung aufrechterhält.
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Die Federgeometrie, der Federfaktor und die Anzahl der in der prismatischen Batteriezelle verwendeten Federn können entsprechend der Geometrie des harten Außengehäuses der prismatischen Batteriezelle, der Geometrie des Elektrodenstapels, dem gewünschten Elektrodendruckbereich und dem Expansionsverhältnis der Anodenelektrode gesteuert werden.
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Die vorgestellte Vorrichtung umfasst ein neuartiges prismatisches Batteriezellendesign, das eingebaute Federn im Inneren des Zellengehäuses verwendet, um ein Überdruckproblem aufgrund von Anodenelektroden mit hoher Ausdehnung zu entschärfen. Exemplarische Anodenelektroden mit hoher Ausdehnung können aus Lithiummetall bestehen oder Anodenelektroden mit hohem Gehalt an Silicium sein. Bei einer Anodenelektrode mit hohem Gehalt an Silicium kann das Silicium in der Anodenelektrode in einem Bereich von 5 Gewichtsteilen bis 100 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteilen der Anodenelektrode vorhanden sein. Die prismatische Batteriezelle ermöglicht die Verwendung solcher Anodenmaterialien mit hoher Kapazität und einer hohen Ausdehnungsrate, um eine prismatische Batteriezelle mit hoher Energiedichte zu erhalten.
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Die internen oder eingebauten Federn absorbieren die große Ausdehnung des Elektrodenstapels während des Aufladens der Zelle und halten gleichzeitig den gewünschten Elektrodendruckbereich aufrecht. Die offengelegten eingebauten Federn können bei prismatischen Batteriezellen mit Lithium-Ionen-Zellchemie entweder mit einem flüssigen Elektrolyten oder mit einer Festkörperzellchemie verwendet werden. Die beschriebenen eingebauten Federn können auch mit einem gewickelten Jelly-Roll-Elektrodenstapel, gestapelten flachen Elektroden oder mit anderen Elektrodengeometrien verwendet werden.
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Die offengelegte prismatische Batteriezelle kann als eigenständige prismatische Batteriezelle beschrieben werden, im Gegensatz zu prismatischen Batteriezellen, die Federmechanismen oder Merkmale enthalten können, die sich außerhalb der prismatischen Batteriezelle befinden.
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Eine prismatische Batteriezelle kann einen einzelnen Elektrodenstapel und einen Satz eingebauter Federn enthalten, die es dem einzelnen Elektrodenstapel ermöglichen, sich innerhalb des harten Außengehäuses der prismatischen Batteriezelle zu bewegen, wenn sich der Elektrodenstapel ausdehnt und schrumpft. In einer anderen Ausführungsform kann eine Vielzahl von Elektrodenstapeln mit einem Satz eingebauter Federn zwischen den einzelnen Elektrodenstapeln die gesamte Relativbewegung der Elektrodenstapel gegenüber dem harten Außengehäuse verringern, wodurch die Abnutzung der Elektroden verringert und eine ausgezeichnete Lebensdauer der Batteriezelle erreicht wird.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Referenznummern auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, zeigt 1 schematisch in einer seitlichen Querschnittsansicht eine beispielhafte prismatische Batteriezelle 10 mit einem harten Außengehäuse 20, einem Elektrodenstapel 40 und mindestens einer eingebauten Feder 30, die auf den Elektrodenstapel 40 drückt, wobei das Volumen des Elektrodenstapels 40 ein minimales Elektrodenstapelvolumen aufweist. 2 zeigt schematisch in einer seitlichen Querschnittsansicht die prismatische Batteriezelle 10 von 1, wobei das Volumen des Elektrodenstapels 40 ein maximales Elektrodenstapelvolumen aufweist.
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Wie in den 1 und 2 dargestellt, sind die eingebauten Federn 30, die auf den Elektrodenstapel 40 drücken, so konfiguriert, dass sie einen Elektrodendruck innerhalb des Elektrodenstapels 40 erzeugen. Die eingebaute Feder 30 ist zwischen dem harten Außengehäuse 20 und dem Elektrodenstapel 40 angeordnet. Mehrere eingebaute Federn 30 sind abgebildet und können zusammen als Federsatz bezeichnet werden. Die eingebauten Federn 30 drücken auf eine Seitenfläche 48 des Elektrodenstapels 40. Die prismatische Batteriezelle 10 umfasst ferner eine Lasche 50, die als Batterieanschluss bezeichnet werden kann, und einen Stromkollektor 52, der die Lasche 50 mit dem Elektrodenstapel 40 verbindet. Bei dem Stromkollektor 52 kann es sich um ein leitendes Materialstück handeln, das in elektrisch leitendem Kontakt mit der Lasche 50 und mit aktiven Materialien einer ersten Anodenelektrode 47 und einer Kathodenelektrode 49 des Elektrodenstapels 40 steht. Ein weiterer Stromkollektor steht in Kontakt mit der zweiten der Anodenelektrode 47 und der Kathodenelektrode 49 des Elektrodenstapels 40. Das harte Außengehäuse 20 definiert ein Innenvolumen 25.
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Der Elektrodenstapel 40 umfasst ein oder mehrere Paare von Anodenelektroden 47 und Kathodenelektroden 49. Die Anodenelektrode 47 und die Kathodenelektrode 49 enthalten einen dazwischen angeordneten Separator. Es werden beispielhafte relative Positionen der Anodenelektrode 47 und der Kathodenelektrode 49 angegeben, obwohl die tatsächlichen Positionen der Anodenelektroden 47 und der Kathodenelektroden 49 innerhalb des Elektrodenstapels 40 je nach der besonderen Konstruktion und dem Typ des Elektrodenstapels 40 variieren. Der Elektrodenstapel 40 kann mit einer Lithium-Ionen-Chemie betrieben werden und außerdem einen flüssigen Elektrolyten oder einen Festkörperelektrolyten enthalten.
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Wenn sich die prismatische Batteriezelle 10 in einem vollständig entladenen Zustand befindet, kann die Anodenelektrode(n) 47 des Elektrodenstapels 40 als in einem vollständig delithiierten Zustand befindlich beschrieben werden, in dem der Elektrodenstapel 40 ein minimales Volumen aufweist.
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Wenn sich die prismatische Batteriezelle 10 in einem vollständig geladenen Zustand befindet, können die Anodenelektrode(n) 47 des Elektrodenstapels 40 als in einem vollständig lithiierten Zustand befindlich bezeichnet werden, in dem der Elektrodenstapel 40 ein maximales Volumen aufweist.
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Die Anodenelektrode 47 und die Kathodenelektrode 49 des Elektrodenstapels 40 sind so ausgelegt, dass sie in einem gewünschten Elektrodendruckbereich arbeiten. Die Anodenelektrode 47 oder die Anodenelektroden 47 des Elektrodenstapels 40 können als Elektroden mit hoher Ausdehnung bezeichnet werden. Das Volumen des Elektrodenstapels 40 ändert sich aufgrund der Lithiierung der Anodenelektrode 47 oder der Anodenelektroden 47 des Elektrodenstapels 40. Wenn die prismatische Batteriezelle 10 geladen wird, nimmt das Volumen des Elektrodenstapels 40 zu und füllt einen zunehmenden Prozentsatz des Innenvolumens 25 des harten Außengehäuses 20 aus. Wenn der Elektrodenstapel 40 in einem delithiierten Zustand das Innenvolumen 25 des harten Außengehäuses 20 nahezu ausfüllt, würde bei einer Vergrößerung des Volumens des Elektrodenstapels 40 während des Aufladens der Batteriezelle auf das Innenvolumen 25 des harten Außengehäuses 20 und der Fortsetzung des Lithiierungsprozesses der Anodenelektrode(n) 47 ein Druck innerhalb des harten Außengehäuses 20, der auf den Elektrodenstapel 40 wirkt, stark ansteigen. Ein solcher Hochdruckzustand kann einen Elektrodendruck erzeugen, der oberhalb des gewünschten Elektrodendruckbereichs für die Anodenelektrode(n) 47 und die Kathodenelektrode(n) 49 des Elektrodenstapels 40 liegt.
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Durch die Verwendung der eingebauten Federn 30, die auf den Elektrodenstapel 40 drücken, kann ein minimaler Elektrodendruck des gewünschten Elektrodendruckbereichs aufrechterhalten werden, wenn der Elektrodenstapel 40 sein kleinstes Volumen hat oder wenn die Anodenelektrode(n) 47 des Elektrodenstapels 40 vollständig delithiiert sind. Wenn das Volumen des Elektrodenstapels 40 während der Lithiierung zunimmt, vergrößert sich das Volumen des Elektrodenstapels 40 und er drückt gegen die eingebauten Federn 30, wodurch die eingebauten Federn 30 zusammengedrückt werden. Wenn die eingebauten Federn 30 zusammengedrückt werden, üben sie mehr Kraft auf den Elektrodenstapel 40 aus. Man kann ein maximales Volumen des Elektrodenstapels 40 bei voller Lithiumfüllung bestimmen und die eingebauten Federn 30 auf der Grundlage der maximalen Federkompression auslegen oder auswählen, wenn der Elektrodenstapel 40 sein maximales Volumen erreicht hat. Wenn die eingebauten Federn 30 ihre maximale Federkompression aufweisen, ist die Kraft, die die eingebauten Federn 30 auf den Elektrodenstapel 40 ausüben, geringer als der maximale Elektrodendruck des gewünschten Elektrodendruckbereichs. Außerdem kann die maximale Federkompression auf der Grundlage einer maximalen Kraft oder Verformung gewählt werden, der das harte Außengehäuse 20 standhalten soll.
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Die eingebauten Federn 30 können verwendet werden, um zu verhindern, dass der Elektrodenstapel 40 einen Zustand begrenzten Volumens innerhalb des Innenvolumens 25 des harten Außengehäuses 20 erreicht, während eine weitere Lithiierung stattfindet. In der Ausführungsform von 1 und 2 können die eingebauten Federn 30 auf eine starre oder stabile, flache Seitenfläche 48 des Elektrodenstapels 40 wirken. Die eingebauten Federn 30 können isolierte Strukturen innerhalb des harten Außengehäuses 20 sein. Ein Federvolumen 32 kann als ein Volumen innerhalb des harten Außengehäuses 20 beschrieben werden, in das sich der Elektrodenstapel 40 durch die eingebauten Federn 30 nicht ausdehnen kann. Das maximale Volumen des Elektrodenstapels 40 plus das Volumen des Federvolumens 32, wenn die eingebauten Federn 30 vollständig zusammengedrückt sind, kann kleiner oder gleich dem Innenvolumen 25 des harten Außengehäuses 20 sein, so dass keine weitere Lithiierung stattfindet, sobald das Volumen des Elektrodenstapels 40 plus das Volumen des Federvolumens 32 dem Innenvolumen 25 des harten Außengehäuses 20 entspricht.
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Der Elektrodenstapel 40 kann eine Vielzahl von flachen Paaren von Anodenelektroden 47 und Kathodenelektroden 49 umfassen. Der Elektrodenstapel 40 kann alternativ auch einen Jelly-Roll-Elektrodenstapel mit einer flexiblen Anodenelektrode 47 und einer flexiblen Kathodenelektrode 49 mit einem dazwischen angeordneten Separator in gerollter Form umfassen.
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3 zeigt schematisch in einer perspektivischen Ansicht die prismatische Batteriezelle 10 von 1. Die prismatische Batteriezelle 10 ist mit dem harten Außengehäuse 20, der Lasche 50, die eine erste Lasche ist, und einer optionalen zweiten Lasche 51 dargestellt. In einigen Ausführungsformen kann das harte Außengehäuse 20 aus Metall sein und als zweiter Batterieanschluss dienen. Der Elektrodenstapel 40 und die eingebauten Federn 30 sind mit gestrichelten Linien dargestellt, die den Elektrodenstapel 40 und die eingebauten Federn 30 als Komponenten der prismatischen Batteriezelle 10 im Inneren des harten Außengehäuses 20 veranschaulichen. Das harte Außengehäuse 20 ist ein rechteckiger Polyeder und hat eine relativ kurze Seitenkante 22 und eine relativ lange Seitenkante 24, 26. Der Elektrodenstapel 40 ist mit einer Vielzahl von Elektrodenpaarschichten 42 dargestellt, die so angeordnet sind, dass die ebenen Oberflächen 45 der Elektrodenpaarschichten 42 senkrecht zur kurzen Kante 22 verlaufen. Wenn der Elektrodenstapel 40 lithiiert wird, dehnt sich der Elektrodenstapel 40 hauptsächlich in einer Richtung senkrecht zu den ebenen Flächen 45 der Elektrodenpaarschichten 42 aus. Die eingebauten Federn 30 sind so angeordnet und ausgerichtet, dass sie sich in der Richtung der primären Ausdehnung des Elektrodenstapels 40 verschieben oder zusammendrücken.
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4 zeigt schematisch im Seitenschnitt eine alternative Ausführungsform einer prismatischen Batteriezelle 110, bei der ein Elektrodenstapel 140 ein minimales Elektrodenvolumen aufweist. 5 zeigt schematisch im Seitenschnitt die prismatische Batteriezelle 110, bei der der Elektrodenstapel 140 ein maximales Elektrodenvolumen aufweist.
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Gemäß den 4 und 5 funktioniert die prismatische Batteriezelle 110 ähnlich wie die prismatische Batteriezelle 10 der 1 und 2, mit der Ausnahme, dass die ebenen Oberflächen 145 der Elektrodenpaarschichten 142 des Elektrodenstapels 140 in eine andere Richtung ausgerichtet sind. Die prismatische Batteriezelle 110 ist mit einem harten Außengehäuse 120, eingebauten Federn 130, die gegen den Elektrodenstapel 140 drücken, und einer Lasche 150 dargestellt. Das harte Gehäuse 120 definiert ein Innenvolumen 125. Ein Stromabnehmer oder ein Stromabnehmer, der mit einem leitenden Pfad verbunden ist, verbindet die Lasche 150 mit dem Elektrodenstapel 140. Eine zweite Lasche kann auf der prismatischen Batteriezelle 110 vorhanden sein. Das harte Außengehäuse 120 ist ein rechteckiger Polyeder und hat eine relativ kurze Kante 122 und eine relativ lange Kante 124.
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Zwischen dem Elektrodenstapel 140 und den eingebauten Federn 130 ist eine Platte 160 abgebildet. In einer Ausführungsform kann die Platte 160 als Stützplatte aus Hartplastik beschrieben werden. Die eingebauten Federn 130 drücken auf eine Seitenfläche 148 der Platte 160 und können an dieser angebracht oder befestigt werden. Die Platte 160 kann optional sein und sorgt für eine gleichmäßige Verteilung der Kraft über eine Fläche des Elektrodenstapels 140. Die Platte 160 kann mit verschiedenen Typen von Elektrodenstapeln 140 verwendet werden. Die Platte 160 kann mindestens so groß sein wie die freiliegende Fläche der Jelly-Roll-Elektrode oder des Stapels flacher Elektroden, die der Platte 160 gegenüberliegen, um die gesamte freiliegende Fläche des Elektrodenstapels 140 abzudecken und eine ungleichmäßige Kompression des Elektrodenstapels 140 zu vermeiden. Die Platte 160 kann außerdem die Lage und Ausrichtung der eingebauten Federn 130 innerhalb der prismatischen Batteriezelle 110 fixieren. In einigen Ausführungsformen kann der Elektrodenstapel 140 eine starre Wand aufweisen, die die Platte 160 überflüssig machen kann. Die prismatische Batteriezelle 10 von 1 kann optional eine ähnliche Platte zwischen den eingebauten Federn 30 und dem Elektrodenstapel 40 enthalten. In einer Ausführungsform kann die Dicke des Trägers zwischen 1,5 Millimetern und 3 Millimetern liegen.
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Die ebenen Oberflächen 145 der Elektrodenpaarschichten 142 sind so ausgerichtet, dass sie senkrecht zu der relativ langen Kante 124 stehen. Wenn der Elektrodenstapel 140 lithiiert wird, dehnt sich der Elektrodenstapel 140 hauptsächlich in einer Richtung senkrecht zu den ebenen Oberflächen 145 der Elektrodenpaarschichten 142 aus. Die eingebauten Federn 130 sind so angeordnet und ausgerichtet, dass sie sich in der Richtung der primären Ausdehnung des Elektrodenstapels 140 verschieben oder zusammendrücken. Die eingebauten Federn 130 können in einigen Ausführungsformen auf eine starre oder stabile, flache Seitenfläche des Elektrodenstapels 140 einwirken. In der Ausführungsform von 4 wirken die eingebauten Federn 130 auf die Seitenfläche 148 der Platte 160. Ein Federvolumen 132 kann als ein Volumen innerhalb des harten Außengehäuses 120 beschrieben werden, in das die eingebauten Federn 130 verhindern, dass sich der Elektrodenstapel 140 ausdehnt.
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6 zeigt schematisch in einer perspektivischen Ansicht die prismatische Batteriezelle 110 von 4. Die prismatische Batteriezelle 110 ist einschließlich des harten Außengehäuses 120, der Lasche 150, die eine erste Lasche ist, und einer optionalen zweiten Lasche 151 dargestellt. Die Platte 160 ist zwischen dem Elektrodenstapel 140 und den eingebauten Federn 130 angeordnet. In einigen Ausführungsformen kann das harte Außengehäuse 120 aus Metall sein und als zweiter Batterieanschluss dienen. Der Elektrodenstapel 140, die Platte 160 und die eingebauten Federn 130 sind mit gestrichelten Linien dargestellt, die den Elektrodenstapel 140, die Platte 160 und die eingebauten Federn 130 als Komponenten der prismatischen Batteriezelle 110 im Inneren des harten Außengehäuses 120 veranschaulichen.
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Vergleicht man die prismatische Batteriezelle 10 von 1-3 mit der prismatischen Batteriezelle 110 von 4-6 und geht davon aus, dass das Innenvolumen 25 des harten Außengehäuses 20 gleich dem Innenvolumen 125 des harten Außengehäuses 120 ist, so ist das Federvolumen 32 größer als das Federvolumen 132. Infolgedessen wird ein größerer Prozentsatz des Innenvolumens 125 des harten Außengehäuses 120 von dem Elektrodenstapel 140 eingenommen als bei dem harten Außengehäuse 20 und dem Elektrodenstapel 140. Daher weist die prismatische Batteriezelle 110 im Vergleich zur prismatischen Batteriezelle 10 eine höhere Energiedichte auf. Vergleicht man die Größe der planaren Oberfläche 45 jeder der Elektrodenpaarschichten 42 mit der Größe jeder der planaren Oberflächen 45 der Elektrodenpaarschichten 142, so sind die planaren Oberflächen 45 der Elektrodenpaarschichten 42 relativ größer und haben einen größeren Oberflächenbereich als die planaren Oberflächen 145 der Elektrodenpaarschichten 142. Infolgedessen enthält der Elektrodenstapel 140 mehr übereinander gestapelte Elektrodenpaarschichten 142 als die Anzahl der Elektrodenpaarschichten 42 des Elektrodenstapels 40. Wenn sich das Volumen der Anodenelektrode des Elektrodenstapels 140 infolge der Lithiierung ausdehnt, bewegt sich die Seitenfläche 148 um einen größeren Abstand als die Seitenfläche 48 des Elektrodenstapels 40. Die größere Bewegungsstrecke der Seitenfläche 148 des Elektrodenstapels 140 im Vergleich zur Seitenfläche 48 des Elektrodenstapels 40 kann zu größerem Verschleiß und einer geringeren Lebensdauer der prismatischen Batteriezelle 110 im Vergleich zur prismatischen Batteriezelle 10 führen.
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Man kann zwischen der prismatischen Batteriezelle 10 von 1 und der prismatischen Batteriezelle 110 von 4 wählen, je nach Priorisierung der Energiedichte und der Lebensdauer der Batterie. In einer Ausführungsform kann eine Mischform zwischen der prismatischen Batteriezelle 10 und der prismatischen Batteriezelle 110 gewählt werden, einschließlich eines kubischen oder nahezu kubischen polyedrischen harten Außengehäuses. Eine solche nahezu kubische Polyederkonfiguration sorgt für ein Gleichgewicht zwischen dem Ausdehnungsabstand des Elektrodenstapels und dem Federvolumen und bietet eine prismatische Batteriezelle mit ausgeglichener Leistung. Tests haben außerdem gezeigt, dass eine Batteriezellenkonfiguration mit nahezu kubischem Polyeder eine optimierte Volumennutzung ermöglicht, was zu einer maximalen Energiedichte der Zelle und einer maximalen spezifischen Energie der Zelle führt.
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7 zeigt schematisch im Seitenschnitt eine weitere beispielhafte alternative prismatische Batteriezelle 210 mit einem Jelly-Roll-Elektrodenstapel 240. Die prismatische Batteriezelle 210 ist mit einer Vielzahl von eingebauten Federn 230 dargestellt, die gegen den Jelly-Roll-Elektrodenstapel 240 drücken. Die prismatische Batteriezelle 210 ist ferner mit einem harten Außengehäuse 220, einer ersten Lasche 250, die auf einer ersten Seitenfläche 222 des harten Außengehäuses 220 angeordnet ist, und einer zweiten Lasche 251, die auf einer zweiten Seitenfläche 224 des harten Außengehäuses 220 angeordnet ist, dargestellt. Die prismatische Batteriezelle 210 funktioniert ähnlich wie die prismatische Batteriezelle 10 von 1 und die prismatische Batteriezelle 110 von 4.
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8 zeigt schematisch in einer seitlichen Querschnittsansicht eine weitere beispielhafte alternative prismatische Batteriezelle 310 mit Elektrodenstapeln 340A, 340B, 340C und eingebauten Federn 330, die zwischen den Elektrodenstapeln 340A, 340B, 340C angeordnet sind. Die prismatische Batteriezelle 310 ist mit einem harten Außengehäuse 320, einer ersten Lasche 350 und einer zweiten Lasche 351 dargestellt. Die prismatische Batteriezelle 310 ist beispielhaft, und es sind prismatische Batteriezellen mit zwei Elektrodenstapeln mit dazwischen angeordneten eingebauten Federn oder prismatische Batteriezellen mit vier oder mehr Elektrodenstapeln mit dazwischen angeordneten eingebauten Federn denkbar.
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Die Seitenfläche 148 des Elektrodenstapels 140 der prismatischen Batteriezelle 110 aus 4 und 5 bewegt sich infolge der volumetrischen Ausdehnung des gesamten Elektrodenstapels 140 über eine relativ lange Strecke. Zurück zu 8: Durch die Anordnung eingebauter Federn 330 zwischen den Elektrodenstapeln 340A, 340B, 340C dehnen sich die Elektrodenstapel 340A, 340B, 340C lokal aus, wenn sie sich aufgrund der Lithiierung ausdehnen, wobei sich keiner der Elektrodenstapel 340A, 340B, 340C im Vergleich zur Seitenfläche 148 des Elektrodenstapels 140 der prismatischen Batteriezelle 110 der 4 und 5 über große Strecken bewegt. Die Elektrodenstapel 340A, 340B, 340C von 8 umfassen jeweils eine Vielzahl von flachen, übereinander gestapelten Elektrodenpaaren 342.
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9 zeigt schematisch ein Gerät 400 in Form eines Fahrzeugs mit einer Energiespeichereinrichtung 410, die mindestens eine der prismatischen Batteriezellen 10 von 1 enthält. Das Gerät 400 ist beispielhaft und kann alternativ auch als Energieerzeugungseinheit oder Antriebsstrang, als Boot, Flugzeug, Lokomotive oder ähnliches ausgeführt sein. Die Energiespeichervorrichtung 410 versorgt das Gerät 400 mit elektrischer Energie, einschließlich einer elektrischen Maschine 420, die eine Ausgangskomponente 422 enthalten kann, die so konfiguriert ist, dass sie ein Ausgangsdrehmoment bereitstellt, das für den Antrieb des Geräts 400 nützlich sein kann. In einer Ausführungsform kann ein System beschrieben werden, das das Gerät 400 und das hierin beschriebene Gerät umfasst, einschließlich einer prismatischen Batteriezelle 10 von 1 mit einem Elektrodenstapel 40 und einer eingebauten Feder 30, die zum Drücken gegen den Elektrodenstapel 40 konfiguriert ist.
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Die eingebauten Federn 30 in der prismatischen Batteriezelle 10 von 1, die eine Funktion der internen Druckkontrolle bieten, machen die prismatische Batteriezelle 10 zu einer eigenständigen Zelle. Eine solche eigenständige Zelle kann ohne Drucksteuerungseinheiten arbeiten, die außerhalb der prismatischen Batteriezelle 10 der Energiespeichereinrichtung 410 in 9 angeordnet sind. Eine solche eigenständige Zelle kann die Energiedichte in der Batteriezelle 10 und der Energiespeichervorrichtung 410 erhöhen und die Risiken einer Verformung der Batteriezelle und der Energiespeichervorrichtung verringern. In einigen Ausführungsformen kann die offengelegte prismatische Batteriezelle 10 von 1 mit Drucksteuereinheiten verwendet werden, die außerhalb der prismatischen Batteriezelle 10 angeordnet sind, wobei die offengelegten eingebauten Federn 30 einen Teil der volumetrischen Ausdehnung des Elektrodenstapels steuern und die externen Drucksteuereinheiten einen Druckanstieg steuern, der aus einem zweiten Teil der volumetrischen Ausdehnung resultiert.
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Während die besten Modi zur Durchführung der Offenbarung im Detail beschrieben wurden, werden diejenigen, die mit dem Stand der Technik, auf den sich diese Offenbarung bezieht, vertraut sind, verschiedene alternative Designs und Ausführungsformen zur Durchführung der Offenbarung im Rahmen der beigefügten Ansprüche erkennen.
