EP4385085A1 - Battery cell - Google Patents

Battery cell

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Publication number
EP4385085A1
EP4385085A1 EP22765414.2A EP22765414A EP4385085A1 EP 4385085 A1 EP4385085 A1 EP 4385085A1 EP 22765414 A EP22765414 A EP 22765414A EP 4385085 A1 EP4385085 A1 EP 4385085A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
housing
battery cell
stack
electrode
electrodes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22765414.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Bastian Schaar
Mesut Yurtseven
Lukas Kwoczek
Benjamin Bedürftig
Anish GAUSH
Jan Teuwsen
Michael Lang
Rudolf Pape
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP4385085A1 publication Critical patent/EP4385085A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0459—Cells or batteries with folded separator between plate-like electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/049—Processes for forming or storing electrodes in the battery container
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0583—Construction or manufacture of accumulators with folded construction elements except wound ones, i.e. folded positive or negative electrodes or separators, e.g. with "Z"-shaped electrodes or separators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a battery cell, at least comprising a dimensionally stable housing and arranged therein at least a plurality of layers at least stacked on top of one another, comprising at least one anode and at least one cathode as electrodes and a separator between the different electrodes.
  • the layers form at least one stack.
  • each electrode is connected to a conductor extending outwardly from the stack so that an electrical current can be drawn from or supplied to the stack.
  • each electrode comprises a current collector which has active material in a coated area. The uncoated area serves as an arrester.
  • the current collector is usually made of aluminum and in the case of anodes it is made of copper (or corresponding alloys).
  • the conductors of the anodes and the conductors of the cathodes are in particular connected to one another in an electrically conductive manner in order to electrically connect the respective electrodes in parallel.
  • Several stacks can also be arranged in the battery cell.
  • Batteries in particular lithium-ion batteries, are increasingly being used to drive motor vehicles. Batteries are usually composed of battery cells and/or battery modules comprising several battery cells.
  • a battery cell at least comprising a housing and at least one block of active material arranged therein.
  • the block of active material has a plurality of layers at least stacked on top of one another.
  • the housing comprises a casing part with an open first end face and an open second end face, which completely encloses the at least one block of active material along a circumferential direction, and a core part designed in one piece.
  • the core part has a bottom part arranged on the first end face and connected to the casing part along an axial direction spaced therefrom on the second end face and connected to the casing part cover part, as well as a middle part connecting the base part to the cover part.
  • the at least one block of active material is arranged on a first side of the middle part along a radial direction between the casing part and the middle part and on a second side of the middle part opposite the first side between the casing part and the middle part.
  • the core part is an extruded profile.
  • This type of battery cell enables effective use of space, so a high value is achieved for this parameter in Wh/I [watt hour per liter].
  • the core part which is designed as an extruded profile and is proposed in DE 10 2021 112 444.1, allows heat generated in the housing to be easily dissipated.
  • Battery cells in a prismatic design i.e. with dimensionally stable housings
  • a housing base The heat generated inside the battery cell, ie inside the housing, is dissipated first along the stacking direction of the electrodes to the housing and then along the housing walls to the housing base.
  • the thermal conductivity in the stacking direction used here is significantly lower than in the longitudinal direction, ie along the extension of the current collectors of the electrodes. This results in high temperature gradients from the inside to the outside and the total thickness or stack height of the battery cell that can be achieved is limited. Furthermore, this thermal path requires a certain minimum thickness of the housing walls.
  • US 2020/144676 A1 proposes an embodiment in which an electrode of the electrode coil protrudes beyond this to the bottom of the housing and is electrically and thermally connected there by means of a Contacting intermediate element is contacted. In this way, efficient heat dissipation to the bottom of the housing can be achieved along the highly thermally conductive direction of the winding.
  • the conduction of a potential on the housing can be found regularly in prismatic cells.
  • prismatic battery cells limits the size of the battery cell that can be represented and thus causes a cost disadvantage for the cells (high proportion of passive components such as housing, terminals, etc.). Thick walls in prismatic battery cells limit the achievable gravimetric and volumetric energy density.
  • a battery module with a battery cell cooling device is known from WO 2020/065709 A1.
  • Several solid-state battery cells, each arranged in a prismatic housing, are positioned next to each other on a connection plate and electrically contacted above them.
  • a cooling channel is arranged below the connection plate.
  • a battery module with a plurality of battery cells is known from US Pat. No. 10,403,875 B2, the terminals of the batteries being connected to one another via a connecting element.
  • a battery module with a plurality of battery cells is known from US Pat. No. 10,581,055 B2, the terminals of the batteries being connected to one another via connecting elements.
  • the object of the present invention is to at least partially solve the problems cited with reference to the prior art.
  • a battery cell is to be proposed which can be produced inexpensively, enables effective use of space in the housing and ensures improved temperature control of the battery cell or of the stack arranged in the housing.
  • a battery cell with the features according to patent claim 1 contributes to the solution of these tasks.
  • Advantageous developments are the subject matter of the dependent patent claims. The features listed individually in the patent claims can be combined with one another in a technologically meaningful manner and can be supplemented by explanatory facts from the description and/or details from the figures, with further embodiment variants of the invention being shown.
  • a battery cell at least comprising a dimensionally stable housing with at least two electrical connections and, arranged in the housing, a stack of a plurality of layers at least stacked on top of one another.
  • the layers comprise at least one anode and at least one cathode as electrodes and a separator between the different electrodes.
  • a first electrode protrudes towards at least a first side surface of the housing from one side of the stack and forms at least a first connection area and a second connection area.
  • the first connection area is in contact with an electrical line element, via which the first electrode within the housing is electrically conductively connected to a first connection on the housing.
  • the second connection area is in contact with the first side surface, with a second electrode being electrically conductively connected to a second connection on the housing.
  • the electrodes can only be contacted electrically from outside the housing via the connections.
  • the at least stacked, possibly additionally wound or folded, cathodes, anodes and separators form in particular a stack.
  • the electrodes have active materials, in particular as coatings on electrically conductive carrier materials, which serve in particular as conductors.
  • the anode, cathode and separator are each referred to as a layer.
  • the layers can be arranged as a single sheet stack, lamination, Z-fold, jelly roll, each in any number.
  • Each electrode is connected to a conductor extending outwardly from the stack so that an electrical current can be drawn from or supplied to the stack.
  • the conductors of the anodes and the conductors of the cathodes are each connected to one another in order to electrically connect the respective electrodes of the same type in parallel.
  • Several stacks can also be arranged in the battery cell.
  • the electrodes are arranged in a known manner to form the stack and are acted upon by an electrolyte or an electrolyte liquid.
  • the electrodes are designed in particular in the form of foils, ie they have a large side surface and a small thickness.
  • a coating with active material is arranged on the side surface or on each side surface of the electrode.
  • the separators are each arranged between the side surfaces of the adjacently arranged different electrodes. In particular, uncoated parts of the electrodes extend out of the stack as conductors.
  • the anodes and the cathodes within the stack are connected in parallel with one another, so that the conductors of a plurality of anodes are electrically conductively connected to one another and the conductors of a plurality of cathodes are electrically conductively connected to one another.
  • the housing of the battery cell is in particular only plastically deformable.
  • the housing is also referred to as a hard case and the battery cell z. B. as a prismatic cell.
  • the housing is cuboid and has six side surfaces.
  • the term "prismatic" can also be used to transform other, essentially cuboid, housing shapes, e.g. B. have rounded edges.
  • the housing is designed at least partially as a die-cast part, as an extruded profile or as a welded construction. It is also possible to manufacture two half-shells and to connect them, e.g. B. by welding. A production by additive manufacturing processes, e.g. B. by three-dimensional printing is of course also possible.
  • a starting material is heated to a forming temperature and pressed through a shaping die at high pressure.
  • the resulting profile is moved out of the die along a feed direction.
  • a liquid starting material is introduced into a mold negative and demolded after solidification.
  • the battery cell is in particular a lithium-containing battery cell, in particular a secondary cell, ie a rechargeable battery cell.
  • the first electrode projects beyond the other components of the stack, i.e. the second electrode and the separator, towards at least a first side surface of the housing from one side of the stack - or extends there further than the other components towards the first side surface - and thereby forms at least a first connection area and a second connection area.
  • the first electrode extends beyond the other components exclusively on one side of the stack.
  • the first connection area, the at least one first electrode, is in contact with the line element or is electrically conductively connected to it.
  • the first connection area is used for electrical contacting of the at least one first electrode.
  • the second connection area is in contact with the first side face. The second connection area serves in particular exclusively for heat-conducting contact.
  • the second electrode is electrically conductively connected to a second terminal.
  • the first connection and the second connection are contacts that are electrically insulated from the housing and allow contact to be made between the stack arranged inside the housing and a circuit arranged outside the housing.
  • Each terminal covers at most 5% of an area of the housing.
  • a stack is constructed so that the first electrode, in particular an uncoated area of the first electrode, ie an anode or
  • Cathode to the first side surface, preferably to the bottom, of the housing protrudes out of the stack.
  • This "overhang” is pressed against the first side surface when the battery cell is assembled, ie when the stack is arranged in the housing.
  • This contact surface formed in the second connection area between the first electrode and the housing serves in particular exclusively for the thermal contacting of the stack with the housing.
  • the electrical contacting of the stack and/or the first electrode is carried out separately from the thermal contacting.
  • a housing-internal line element in particular a busbar, on the "projection" of the first electrode, in particular on a attached to the bottom of the stack.
  • the attachment can B. done by means of a weld.
  • Correspondingly designed holes or oblong holes can be provided on the contact surface of the line element for this purpose.
  • the first connection is arranged on a second side surface, which is arranged adjacent to or at a distance from the first side surface.
  • the two connections are arranged on a common side surface or on opposite side surfaces.
  • none of the terminals is arranged on the first side surface.
  • the first connection area is materially connected to the line element, preferably via a welded connection between each first electrode and the line element.
  • the line element is a solid part that has a cross section through which the electric current can flow that is at least large enough for the line element not to generate any additional heat in the battery cell.
  • the electric current is not conducted via the housing of the battery cell, but only from the conductors to the second connection (second electrode) or via the first connection area to the line element, which in turn is connected to the first connection.
  • the requirement for thermal contact is lower, which means that pressing on the “overhang” of the first electrode or the collector or the uncoated sections of the first electrode is sufficient.
  • the proposed separate design of the thermal and electrical contacts allows the use of other housing materials (classic: aluminum, steel).
  • the housing can now also consist of poorly electrically conducting material (e.g. plastic).
  • the thermal conductivity should be sufficiently high.
  • An improved heat dissipation path can thus be provided along the electrically and thermally well-suffering direction of the stack (along the surfaces of the electrodes or transversely to the stacking direction), directly to the first side wall or to the bottom of the housing. Even a gap between the housing and the stack that is filled with electrolyte and/or gas cannot form any additional thermal resistance that would additionally impede cooling of the battery cell.
  • the second connection area is connected to the side surface only in a non-positive manner.
  • the first electrode is preferably pressed onto the side surface in the second connection region and is thereby at least partially deformed, in particular bent over, so that contacting of the first electrode with the housing is ensured.
  • the at least one separator is folded in the stack in the manner of a z-fold, with the separator on the first side surface extending over the at least one second electrode, so that the second electrode is separated from the first side surface via the separator is arranged.
  • At least the first side surface consists at least partially (e.g. in the form of an electrically insulating layer or coating) or entirely of an electrically non-conductive material.
  • at least one additional or even all of the side surfaces of the housing consist of an electrically non-conductive material or are at least partially made of such a material.
  • the first electrode not only contacts the first side face with an edge and thus forms a linear contact, but rather lays it mates with a face on a counter face of the contoured surface.
  • the contouring can B. have a wavy or sawtooth configuration, are formed by the inclined surface areas to which one or more first electrodes can create.
  • the terminals are arranged on a side face of the housing that is opposite the first side face.
  • the (at least two) electrical connections of the battery cell can be distributed on one side surface or on two side surfaces.
  • connections can also be arranged on each side surface, or on only one of the side surfaces.
  • identical or different contacts can be arranged on a side surface.
  • the stack has a fixing area on the side and outside of the connection areas, in which the electrodes and the separator are fixed in their position relative to one another by a fixing means.
  • the stack of electrodes is arranged in the housing and the housing is filled with an electrolyte in particular.
  • the stack is provided in particular as part of a pre-assembly as a battery cell assembly, the position of the electrodes and the separators being fixed by at least one means, e.g. B. a tape, so an adhesive tape material is fixed.
  • a pre-assembly as a battery cell assembly
  • the position of the electrodes and the separators being fixed by at least one means, e.g. B. a tape, so an adhesive tape material is fixed.
  • the electrodes and the at least one separator have, in particular, an arrangement that is essentially aligned in the stacking direction.
  • the fixing area is arranged between the first connection area and the second connection area.
  • the respective electrical connection is electrically insulated from the housing.
  • the connection is arranged so that it is electrically insulated from the at least one stack by stack insulation.
  • at least one second electrode of the at least one stack is electrically conductively connected to the second connection via a conductor that extends out of the stack only in the region of the second connection.
  • the conductors therefore only extend out of the stack or the insulation of the stack where the electrical connection to be contacted with the conductors is arranged.
  • the housing of the battery cell has a so-called bursting protection, in particular on one side surface, which forms a predetermined failure point of the housing for pressure reduction in the event of an impermissible increase in pressure within the housing.
  • the housing also has at least one filling opening for filling with an electrolyte.
  • indefinite articles (“a”, “an”, “an” and “an”), particularly in the claims and the description reflecting them, is to be understood as such and not as a numeral.
  • indefinite articles (“a”, “an”, “an” and “an”), particularly in the claims and the description reflecting them, is to be understood as such and not as a numeral.
  • Correspondingly introduced terms or components are to be understood in such a way that they are present at least once and in particular can also be present several times.
  • first”, “second”, ...) primarily (only) serve to distinguish between several similar objects, sizes or processes, i.e. in particular no dependency and/or sequence of these objects, sizes or make processes mandatory for each other. Should a dependency and/or order be necessary, this is explicitly stated here or it is obvious to the person skilled in the art when studying the specifically described embodiment. If a component can occur several times (“at least one”), the description of one of these components can apply equally to all or part of the majority of these components, but this is not mandatory. Insofar as a plurality of components is addressed here, this also includes more than two components.
  • Fig. 2 the battery cell according to FIG. 1 without a housing part, in a perspective
  • FIG. 3 shows another perspective view of the battery cell according to FIG. 2;
  • Fig. 4 a detail of Fig. 3;
  • Fig. 5 an illustration of the section V-V according to Fig. 1;
  • FIG. 6 an illustration of section VI-VI according to FIG. 1;
  • Fig. 7 a representation of the section VII-VII.
  • FIG. 1 shows a battery cell 1 in a perspective view.
  • FIG. 2 shows the battery cell 1 according to FIG. 1 without a housing part, in a perspective view.
  • FIG. 3 shows another perspective view of the battery cell 1 according to FIG. 2.
  • FIG. 4 shows a detail of FIG. 3. FIGS. 1 to 4 are described together below.
  • the battery cell 1 comprises a dimensionally stable housing 2 with two electrical connections 3, 4 and arranged in the housing 2 is a stack 5 of a plurality of layers 6 at least stacked on top of each other.
  • the layers 6 comprise a large number of anodes and a large number of cathodes as electrodes 7, 8 and a separator 9 between the different electrodes 7, 8.
  • the first electrodes 7 protrude from one side 11 of the stack 5 towards a first side surface 10 of the housing 2 and form a first connection area 12 and a second connection area 13.
  • the first connection area 12 is in contact with an electrical conduction element 14 via which the first electrodes 7 within the housing 2 are electrically conductively connected to a first connection 3 on the housing 2 .
  • the second connection area 13 is in contact with the first side surface 10 .
  • the second electrodes are electrically conductively connected to a second connection 4 on the housing 2 .
  • the electrodes 7 , 8 can only be contacted electrically from outside the housing 2 via the connections 3 , 4 .
  • the housing 2 of the battery cell 1 has a so-called bursting protection 21 on a second side surface 15, which forms a predetermined failure point of the housing 2 for pressure reduction in the event of an impermissible pressure increase within the housing 2.
  • the housing 2 has a filling opening 22 for filling with an electrolyte.
  • Each electrode 7, 8 is connected to an arrester 20 extending outwards from the stack 5 or has an arrester 20 in each case, so that an electric current is supplied to or from the stack 5 via the terminals 3, 4 can be.
  • the conductors 20 of the anodes and the conductors of the cathodes are each connected to one another in an electrically conductive manner in order to connect the respective electrodes 7, 8 of the same type electrically in parallel.
  • the electrodes 7, 8 are arranged in a known manner to form the stack 5 and are acted upon by an electrolyte or an electrolyte liquid.
  • the electrodes 7, 8 are foil-like, ie they have a large side surface and a small thickness.
  • a coating with active material is arranged on the side surface or on each side surface of the electrode 7, 8 (not shown separately here).
  • the uncoated areas of the side surface of the electrodes 7, 8 form the conductors 20.
  • the separators 9 are each arranged between the side surfaces of the different electrodes 7, 8 arranged adjacent to one another.
  • the housing 2 is cuboid and has six side surfaces 10, 15.
  • the first electrodes 7 are opposite the other components of the stack 5, ie the second electrodes 8 and the separator 9, towards the first side surface 10 of the housing 2 from one side 11 of the stack 5 - or extend there further than the others Components to the first side surface 10 - and thereby form the first connection area 12 and the second connection area 13 from.
  • only uncoated areas of the first electrodes 7, ie the conductors 20, on the side 11 of the stack 5 extend beyond the other components, second electrodes 8 and separators 9.
  • the first connection area 12 of the first electrodes 7 is in contact with the line element 14 and is electrically conductively connected to it.
  • the first connection area 12 serves to make electrical contact with the first electrodes 7 .
  • the second connection area 13 rests on the first side face 10 .
  • the second connection area 13 is used exclusively for one thermally conductive contact. No electric current is transmitted between the first electrodes 7 and the housing 2 via the second connection area 13 .
  • the second electrode 8 is electrically conductively connected to the second terminal 4 .
  • the first connection 3 and the second connection 4 are contacts that are electrically insulated from the housing 2 and allow contact to be made between the stack 5 arranged inside the housing 2 and a circuit (not shown) arranged outside the housing 2 .
  • the stack 5 is constructed in such a way that the first electrode 7, that is to say an uncoated region of the first electrode 7, protrudes from the stack 5 towards the bottom of the housing 2.
  • This "overhang” is pressed against the first side surface 10 when the battery cell 1 is assembled, ie when the stack 5 is arranged in the housing 2 .
  • This contact surface formed in the second connection area 13 between the first electrodes 7 and the housing 2 serves exclusively for the thermal contacting of the stack 5 with the housing 2.
  • the electrical contacting of the stack 5 or the first electrodes 7 is carried out spatially separately from the thermal contacting.
  • the line element 14 inside the housing, a busbar is attached to the "overhang" of the first electrodes 7 on a lower side 11 of the stack 5 .
  • the attachment can B. done by means of a weld.
  • Correspondingly designed holes 23 or oblong holes are provided on the contact surface of the line element 14 for this purpose.
  • the first connection 3 is arranged on a second side surface 15 which is arranged at a distance from the first side surface 10 .
  • the two connections 3 , 4 are arranged on a common second side face 15 . None of the terminals 3, 4 is arranged on the first side face 10.
  • the first connection area 12 is cohesively connected to the line element 14, z. B. via a welded connection between each first electrode 7 and the line element 14.
  • the line element 14 is a solid part that has a cross section through which the electric current can flow that is at least large enough that the line element 14 does not generate any additional heat in the battery cell 1.
  • the electric current is not conducted via the housing 2 of the battery cell 1, but only from the conductors 20 to the second connection 4 (second electrode 8) or via the first Connection area 12 on the line element 14, which in turn is connected to the first terminal 3.
  • the stack 5 On the side 11 and outside the connection areas 12, 13, the stack 5 has a fixing area 17 in which the electrodes 7, 8 and the separator 9 are fixed in their position relative to one another by a fixing means 18.
  • the stack 5 of electrodes 7, 8 is arranged in the housing 2 and the housing 2 is filled with an electrolyte.
  • the stack 5 is provided as part of a pre-assembly as a battery cell assembly, the position of the electrodes 7, 8 and the separators 9 being fixed by fixing means 18, a tape, ie an adhesive tape material.
  • fixing means 18, a tape, ie an adhesive tape material As a result of fixing the position of the electrodes 7, 8 relative to one another, handling of the stack 5 can be simplified, so that a dimensionally accurate arrangement of the electrodes 7, 8 in the housing 2 is made possible.
  • the electrodes 7, 8 and the separators 9 are arranged essentially in alignment in the stacking direction 19.
  • the fixing area 17 is arranged between the first connection area 12 and the second connection area 13 .
  • FIG. 5 shows a representation of the section V-V according to FIG. 1 .
  • Fig. 6 shows a representation of the section VI-Vl according to Fig. 1.
  • Fig. 7 shows a representation of the section VII-VII. Figures 5 to 7 are described together below. Reference is made to the statements relating to FIGS.
  • the first connection 3 is shown in section VV.
  • the second side surface 15 of the housing 2 forms a cover of the housing.
  • the stack 5 does not form any electrically conductive contact with the first connection 3.
  • the first electrodes 7 are electrically conductively connected to the line element 14 exclusively via the first connection region 12 (see FIG. 6).
  • the first electrodes 7 are electrically conductively connected to the first connection 3 via the line element 14 .
  • the line element 14 extends, starting from the first side surface 10 to the second side surface 15 and there to the first connection 3 .
  • the stack 5 is arranged at a distance from the second side surface 15 via an insulating grid 24 .
  • the first connection 3 extends through the housing 2 via an opening in the second side surface 15 , with a seal 25 sealing the opening and thus the housing 2 .
  • the first side surface 10 is shown in section Vl-Vl.
  • the first side face 10 is made of an electrically non-conductive material.
  • the first connection area 12 is materially connected to the line element 14 .
  • the line element 14 is a solid part that has at least a sufficiently large cross section through which the electric current can flow so that no additional heat is generated in the battery cell 1 as a result of the line element 14 .
  • Fig. 7 the side surface 10 is shown in section VII-VII.
  • the second connection area 13 is in contact with the first side face 10 of the housing 2 .
  • the second connection area 13 is used exclusively for thermally conductive contacting. No electric current is transmitted between the first electrodes 7 and the housing 2 via the second connection area 13 .
  • the second connection area 13 of the first electrodes 7 is only connected to the first side surface 10 in a non-positive manner.
  • the first electrode 7 is pressed onto the first side surface 10 in the second connection region 13 and is thereby at least partially deformed, in particular bent over, so that contacting of the first electrodes 7 with the housing 2 is ensured.
  • Fig. 7 shows only a linear contact of the edges of the first electrodes 7 with the first side surface 10.
  • a contoured surface 16 (only indicated) can be arranged on the first side surface 10 and opposite to the second connection region 13, through which a contact surface between the first electrodes 7 and the surface 16 is enlarged.
  • the first electrodes 7 then contact the first side surface 10 not only with an edge and thus form a line-shaped contact, but also rest with a surface on a counter-surface of the contoured surface 16 .
  • the contouring can B. have a wavy or sawtooth configuration, are formed by the inclined surface areas to which one or more first electrodes 7 can create.

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a battery cell (1), at least comprising a dimensionally stable housing (2) with at least two electrical terminals (3, 4) and, arranged in the housing (2), a stack (5) consisting of a plurality of layers (6) stacked one on top of the other, comprising at least one anode and at least one cathode as electrodes (7, 8) and between the different electrodes (7, 8) a separator (9), wherein a first electrode (7) protrudes from one side (11) of the stack (5) reaching at least a first side surface (10) of the housing (2) and in so doing forms at least a first connection region (12) and a second connection region (13), wherein the first connection region (12) contacts an electrical conductor element (14), by means of which the first electrode (7) within the housing (2) is connected in an electrically conductive manner to a first terminal (3) on the housing (2).

Description

Beschreibung Description
Batteriezelle battery cell
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, zumindest umfassend ein formfestes Gehäuse und darin angeordnet mindestens eine Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen, umfassend mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode als Elektroden und zwischen den unterschiedlichen Elektroden einen Separator. Die Lagen bilden mindestens einen Stapel. The invention relates to a battery cell, at least comprising a dimensionally stable housing and arranged therein at least a plurality of layers at least stacked on top of one another, comprising at least one anode and at least one cathode as electrodes and a separator between the different electrodes. The layers form at least one stack.
Die zumindest gestapelten, ggf. zusätzlich gewickelten bzw. gefalteten, Kathoden, Anoden und Separatoren bilden insbesondere einen Stapel. Jede Elektrode ist mit einem sich aus dem Stapel nach außen erstreckenden Ableiter verbunden, so dass ein elektrischer Strom aus dem Stapel ab- oder dem Stapel zugeführt werden kann. Jede Elektrode umfasst insbesondere einen Stromsammler, der in einem beschichteten Bereich Aktivmaterial aufweist. Der unbeschichtete Bereich dient als Ableiter. Bei Kathoden ist der Stromsammler meist aus Aluminium und bei Anoden aus Kupfer (oder jeweils aus entsprechenden Legierungen) ausgeführt. The at least stacked, possibly additionally wound or folded, cathodes, anodes and separators form in particular a stack. Each electrode is connected to a conductor extending outwardly from the stack so that an electrical current can be drawn from or supplied to the stack. In particular, each electrode comprises a current collector which has active material in a coated area. The uncoated area serves as an arrester. In the case of cathodes, the current collector is usually made of aluminum and in the case of anodes it is made of copper (or corresponding alloys).
Die Ableiter der Anoden und die Ableiter der Kathoden werden insbesondere jeweils miteinander elektrisch leitend verbunden, um die jeweiligen Elektroden elektrisch parallel zu verschalten. In der Batteriezelle können auch mehrere Stapel angeordnet sein. The conductors of the anodes and the conductors of the cathodes are in particular connected to one another in an electrically conductive manner in order to electrically connect the respective electrodes in parallel. Several stacks can also be arranged in the battery cell.
Für den Antrieb von Kraftfahrzeugen werden vermehrt Batterien, insbesondere Lithium-Ionen- Batterien eingesetzt. Batterien werden üblicherweise aus Batteriezellen und/ oder aus mehrere Batteriezellen umfassenden Batteriemodulen zusammengesetzt. Batteries, in particular lithium-ion batteries, are increasingly being used to drive motor vehicles. Batteries are usually composed of battery cells and/or battery modules comprising several battery cells.
Aus der nachveröffentlichten DE 10 2021 112 444.1 ist eine Batteriezelle, zumindest umfassend ein Gehäuse und darin angeordnet mindestens einen Block Aktivmaterial, bekannt. Der Block Aktivmaterial weist eine Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen auf. Das Gehäuse umfasst ein Mantelteil mit einer offenen ersten Stirnseite und einer offenen zweiten Stirnseite, das den mindestens einen Block Aktivmaterial entlang einer Umfangsrichtung vollumfänglich umschließt, sowie ein einteilig ausgeführtes Kernteil. Das Kernteil weist ein an der ersten Stirnseite angeordnetes und mit dem Mantelteil verbundenes Bodenteil und ein entlang einer axialen Richtung beabstandet dazu an der zweiten Stirnseite angeordnetes und mit dem Mantelteil verbundenes Deckelteil auf, sowie ein das Bodenteil mit dem Deckelteil verbindendes Mittelteil. Der mindestens eine Block Aktivmaterial ist auf einer ersten Seite des Mittelteils entlang einer radialen Richtung zwischen dem Mantelteil und dem Mittelteil sowie auf einer, der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Mittelteils zwischen dem Mantelteil und dem Mittelteil angeordnet. Das Kernteil ist ein Strangpressprofil. From the subsequently published DE 10 2021 112 444.1, a battery cell is known, at least comprising a housing and at least one block of active material arranged therein. The block of active material has a plurality of layers at least stacked on top of one another. The housing comprises a casing part with an open first end face and an open second end face, which completely encloses the at least one block of active material along a circumferential direction, and a core part designed in one piece. The core part has a bottom part arranged on the first end face and connected to the casing part along an axial direction spaced therefrom on the second end face and connected to the casing part cover part, as well as a middle part connecting the base part to the cover part. The at least one block of active material is arranged on a first side of the middle part along a radial direction between the casing part and the middle part and on a second side of the middle part opposite the first side between the casing part and the middle part. The core part is an extruded profile.
Diese Bauart einer Batteriezelle ermöglicht eine effektive Ausnutzung eines Bauraums, es wird also ein hoher Wert für diesen Parameter in Wh/I [Watt-Stunde pro Liter] erreicht. This type of battery cell enables effective use of space, so a high value is achieved for this parameter in Wh/I [watt hour per liter].
Weiterhin ist eine Anbindung der Zelle an die Kühlung im System sehr wichtig. Ein direkter Kühlpfad zwischen den Stapeln bzw. dem Block Aktivmaterial zu einer Systemkühlung ist in aktuellen Bauformen nicht vorhanden. Durch das in der DE 10 2021 112 444.1 vorgeschlagene, als Strangpressprofil ausgeführte Kernteil kann in dem Gehäuse entstehende Wärme einfach abgeführt werden. Furthermore, a connection of the cell to the cooling in the system is very important. Current designs do not have a direct cooling path between the stacks or the block of active material for system cooling. The core part, which is designed as an extruded profile and is proposed in DE 10 2021 112 444.1, allows heat generated in the housing to be easily dissipated.
Batteriezellen in prismatischer Bauform, also mit formfesten Gehäusen, werden üblicherweise über einen Gehäuseboden an eine Kühlstruktur angebunden. Die Abführung der im Inneren der Batteriezelle, also innerhalb des Gehäuses, entstehenden Wärme erfolgt dabei zunächst entlang der Stapelrichtung der Elektroden an das Gehäuse und dann entlang der Gehäusewände zum Gehäuseboden. Infolge des geschichteten Aufbaus der Elektrodenanordnung ist die thermische Leitfähigkeit in der hier genutzten Stapelrichtung deutlich geringer als in Längsrichtung, also entlang der Erstreckung der Stromsammler der Elektroden. Damit entstehen hohe Temperaturgradienten von innen nach außen und die insgesamt realisierbare Dicke bzw. Stapelhöhe der Batteriezelle ist begrenzt. Weiterhin erfordert dieser thermische Pfad eine gewisse Mindest-Dicke der Gehäusewände. Battery cells in a prismatic design, i.e. with dimensionally stable housings, are usually connected to a cooling structure via a housing base. The heat generated inside the battery cell, ie inside the housing, is dissipated first along the stacking direction of the electrodes to the housing and then along the housing walls to the housing base. As a result of the layered structure of the electrode arrangement, the thermal conductivity in the stacking direction used here is significantly lower than in the longitudinal direction, ie along the extension of the current collectors of the electrodes. This results in high temperature gradients from the inside to the outside and the total thickness or stack height of the battery cell that can be achieved is limited. Furthermore, this thermal path requires a certain minimum thickness of the housing walls.
Insbesondere vor dem Hintergrund steigender Schnellladeanforderungen sind perspektivisch sehr hohe Verlustleistungen zu erwarten, die einen leistungsfähigen Pfad zur Wärmeabfuhr aus den Batteriezellen erforderlich machen. Especially against the background of increasing fast charging requirements, very high power losses are to be expected in the future, which will require an efficient path for heat dissipation from the battery cells.
Zur Lösung dieser Probleme werden z. B. prismatische Batteriezellen mit begrenzter Dicke und hoher Wandstärke eingesetzt. Für eine Anwendung in zylindrischen Zellen wird in der US 2020/144676 A1 eine Ausführung vorgeschlagen, bei der eine Elektrode des Elektrodenwickels über diesen zum Gehäuseboden hin hinausragt und dort elektrisch und thermisch mittels eines Kontaktierungs-Zwischenelements kontaktiert wird. Auf diese Weise ist eine effiziente Wärmeabfuhr zum Gehäuseboden hin entlang der gut wärmeleitfähigen Richtung des Wickels darstellbar. To solve these problems z. B. used prismatic battery cells with limited thickness and high wall thickness. For use in cylindrical cells, US 2020/144676 A1 proposes an embodiment in which an electrode of the electrode coil protrudes beyond this to the bottom of the housing and is electrically and thermally connected there by means of a Contacting intermediate element is contacted. In this way, efficient heat dissipation to the bottom of the housing can be achieved along the highly thermally conductive direction of the winding.
Diese Ausführung ist auch für prismatische Bauformen von Batteriezellen bekannt. Die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses besteht hierbei nicht, da alle Elektrodenblätter der jeweiligen Elektrode ohnehin untereinander parallel verschaltet werden müssen, und der über die Gegenelektrode überstehende Separator einen Kontakt zu dieser Gegenelektrode verhindert. This design is also known for prismatic designs of battery cells. There is no risk of an electrical short circuit here, since all the electrode sheets of the respective electrode have to be connected in parallel with one another anyway, and the separator protruding over the counter-electrode prevents contact with this counter-electrode.
Die Führung eines Potentials auf das Gehäuse ist bei prismatischen Zellen regelmäßig vorzufinden. The conduction of a potential on the housing can be found regularly in prismatic cells.
Die Verwendung dünnerer prismatischer Batteriezellen begrenzt die darstellbare Größe der Batteriezelle und bedingt damit einen Kostennachteil der Zellen (hoher Anteil passiver Komponenten wie Gehäuse, Terminals etc.). Dicke Wandstärken bei prismatischen Batteriezellen limitieren die erreichbare gravimetrische und volumetrische Energiedichte. The use of thinner prismatic battery cells limits the size of the battery cell that can be represented and thus causes a cost disadvantage for the cells (high proportion of passive components such as housing, terminals, etc.). Thick walls in prismatic battery cells limit the achievable gravimetric and volumetric energy density.
Die Lösung gemäß der US 2020/144676 A1 erfordert gleichzeitig eine hohe elektrische und eine hohe thermische Leitfähigkeit der Kontaktierung zwischen Zellwickel und Gehäuse der Batteriezelle am Gehäuseboden. The solution according to US 2020/144676 A1 simultaneously requires high electrical and high thermal conductivity of the contact between the cell coil and the battery cell housing on the housing base.
Aus der WO 2020/065709 A1 ist ein Batteriemodul mit einer Batteriezellenkühleinrichtung bekannt. Dabei werden mehrere Feststoffbatteriezellen, die jeweils in einem prismatischen Gehäuse angeordnet sind, auf einer Anschlussplatte nebeneinander positioniert und darüber elektrisch kontaktiert. Unterhalb der Anschlussplatte ist ein Kühlkanal angeordnet. A battery module with a battery cell cooling device is known from WO 2020/065709 A1. Several solid-state battery cells, each arranged in a prismatic housing, are positioned next to each other on a connection plate and electrically contacted above them. A cooling channel is arranged below the connection plate.
Aus der US 10,403,875 B2 ist ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen bekannt, wobei die Anschlüsse der Batterien über ein Verbindungselement miteinander verbunden sind. A battery module with a plurality of battery cells is known from US Pat. No. 10,403,875 B2, the terminals of the batteries being connected to one another via a connecting element.
Aus der US 10,581 ,055 B2 ist ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen bekannt, wobei die Anschlüsse der Batterien über Verbindungselemente miteinander verbunden sind. A battery module with a plurality of battery cells is known from US Pat. No. 10,581,055 B2, the terminals of the batteries being connected to one another via connecting elements.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Batteriezelle vorgeschlagen werden, die kostengünstig herstellbar ist, eine effektive Raumnutzung des Gehäuses ermöglicht und eine verbesserte Temperierung der Batteriezelle bzw. des in dem Gehäuse angeordneten Stapels gewährleistet. Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Batteriezelle mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden. The object of the present invention is to at least partially solve the problems cited with reference to the prior art. In particular, a battery cell is to be proposed which can be produced inexpensively, enables effective use of space in the housing and ensures improved temperature control of the battery cell or of the stack arranged in the housing. A battery cell with the features according to patent claim 1 contributes to the solution of these tasks. Advantageous developments are the subject matter of the dependent patent claims. The features listed individually in the patent claims can be combined with one another in a technologically meaningful manner and can be supplemented by explanatory facts from the description and/or details from the figures, with further embodiment variants of the invention being shown.
Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest umfassend ein formfestes Gehäuse mit mindestens zwei elektrischen Anschlüssen und in dem Gehäuse angeordnet einen Stapel aus einer Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen. Die Lagen umfassen mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode als Elektroden und zwischen den unterschiedlichen Elektroden einen Separator. Eine erste Elektrode steht hin zu mindestens einer ersten Seitenfläche des Gehäuses aus einer Seite des Stapels über und bildet dabei zumindest einen ersten Anbindungsbereich und einen zweiten Anbindungsbereich aus. Der erste Anbindungsbereich liegt an einem elektrischen Leitungselement an, über das die erste Elektrode innerhalb des Gehäuses mit einem ersten Anschluss am Gehäuse elektrisch leitend verbunden ist. Der zweite Anbindungsbereich liegt an der ersten Seitenfläche an, wobei eine zweite Elektrode mit einem zweiten Anschluss am Gehäuse elektrisch leitend verbunden ist. Die Elektroden sind ausschließlich über die Anschlüsse von außerhalb des Gehäuses elektrisch kontaktierbar. A battery cell is proposed, at least comprising a dimensionally stable housing with at least two electrical connections and, arranged in the housing, a stack of a plurality of layers at least stacked on top of one another. The layers comprise at least one anode and at least one cathode as electrodes and a separator between the different electrodes. A first electrode protrudes towards at least a first side surface of the housing from one side of the stack and forms at least a first connection area and a second connection area. The first connection area is in contact with an electrical line element, via which the first electrode within the housing is electrically conductively connected to a first connection on the housing. The second connection area is in contact with the first side surface, with a second electrode being electrically conductively connected to a second connection on the housing. The electrodes can only be contacted electrically from outside the housing via the connections.
Die zumindest gestapelten, ggf. zusätzlich gewickelten bzw. gefalteten, Kathoden, Anoden und Separatoren bilden insbesondere einen Stapel. Die Elektroden weisen Aktivmaterialien insbesondere als Beschichtungen auf elektrisch leitenden Trägermaterialien auf, die insbesondere als Ableiter dienen. Die Anode, die Kathode und der Separator werden jeweils als Lage bezeichnet. Die Lagen können als Einzelblattstapel, Laminierung, Z-Faltung, Jelly Roll angeordnet sein, jeweils in beliebiger Anzahl. The at least stacked, possibly additionally wound or folded, cathodes, anodes and separators form in particular a stack. The electrodes have active materials, in particular as coatings on electrically conductive carrier materials, which serve in particular as conductors. The anode, cathode and separator are each referred to as a layer. The layers can be arranged as a single sheet stack, lamination, Z-fold, jelly roll, each in any number.
Jede Elektrode ist mit einem sich aus dem Stapel nach außen erstreckenden Ableiter verbunden, so dass ein elektrischer Strom aus dem Stapel ab- oder dem Stapel zugeführt werden kann. Die Ableiter der Anoden und die Ableiter der Kathoden werden jeweils miteinander verbunden, um die jeweiligen gleichartigen Elektroden elektrisch parallel zu verschalten. In der Batteriezelle können auch mehrere Stapel angeordnet sein. Die Elektroden sind insbesondere in bekannter Weise zur Bildung des Stapels angeordnet und werden von einem Elektrolyten bzw. einer Elektrolytflüssigkeit beaufschlagt. Each electrode is connected to a conductor extending outwardly from the stack so that an electrical current can be drawn from or supplied to the stack. The conductors of the anodes and the conductors of the cathodes are each connected to one another in order to electrically connect the respective electrodes of the same type in parallel. Several stacks can also be arranged in the battery cell. In particular, the electrodes are arranged in a known manner to form the stack and are acted upon by an electrolyte or an electrolyte liquid.
Die Elektroden sind insbesondere folienartig ausgeführt, weisen also eine große Seitenfläche und eine geringe Dicke auf. Auf der Seitenfläche bzw. auf jeder Seitenfläche der Elektrode ist insbesondere eine Beschichtung mit Aktivmaterial angeordnet. Die Separatoren sind jeweils zwischen den Seitenflächen der benachbart angeordneten unterschiedlichen Elektroden angeordnet. Insbesondere erstrecken sich unbeschichtete Teile der Elektroden als Ableiter aus dem Stapel heraus. The electrodes are designed in particular in the form of foils, ie they have a large side surface and a small thickness. In particular, a coating with active material is arranged on the side surface or on each side surface of the electrode. The separators are each arranged between the side surfaces of the adjacently arranged different electrodes. In particular, uncoated parts of the electrodes extend out of the stack as conductors.
Insbesondere sind jeweils die Anoden und die Kathoden innerhalb des Stapels miteinander parallelgeschaltet, so dass die Ableiter einer Mehrzahl von Anoden miteinander elektrisch leitend verbunden sind und die Ableiter einer Mehrzahl von Kathoden miteinander elektrisch leitend verbunden sind. In particular, the anodes and the cathodes within the stack are connected in parallel with one another, so that the conductors of a plurality of anodes are electrically conductively connected to one another and the conductors of a plurality of cathodes are electrically conductively connected to one another.
Das Gehäuse der Batteriezelle ist insbesondere nur plastisch verformbar. Das Gehäuse wird auch als Hardcase bezeichnet und die Batteriezelle z. B. als eine prismatische Zelle. Insbesondere ist das Gehäuse quaderförmig ausgeführt und weist sechs Seitenflächen auf. Der Begriff „prismatisch“ kann aber auch andere, im Wesentlichen quaderförmige, Gehäuseformen umformen, die z. B. abgerundete Kanten aufweisen. The housing of the battery cell is in particular only plastically deformable. The housing is also referred to as a hard case and the battery cell z. B. as a prismatic cell. In particular, the housing is cuboid and has six side surfaces. However, the term "prismatic" can also be used to transform other, essentially cuboid, housing shapes, e.g. B. have rounded edges.
Insbesondere ist das Gehäuse zumindest teilweise als Druckgussteil, als Strangpressprofil oder als Schweißkonstruktion ausgeführt. Dabei ist es auch möglich, zwei Halbschalen zu fertigen und diese zu verbinden, z. B. durch Schweißen. Eine Herstellung durch additive Fertigungsverfahren, also z. B. durch dreidimensionalen Druck ist natürlich auch möglich. In particular, the housing is designed at least partially as a die-cast part, as an extruded profile or as a welded construction. It is also possible to manufacture two half-shells and to connect them, e.g. B. by welding. A production by additive manufacturing processes, e.g. B. by three-dimensional printing is of course also possible.
Bei dem Verfahren Strangpressen wird ein Ausgangsmaterial auf eine Umformtemperatur erhitzt und mit hohem Druck durch eine formgebende Matrize gedrückt. Das so entstehende Profil wird aus der Matrize entlang einer Vorschubrichtung weiterbewegt. In the extrusion process, a starting material is heated to a forming temperature and pressed through a shaping die at high pressure. The resulting profile is moved out of the die along a feed direction.
Bei dem Verfahren Druckguss wird ein flüssiges Ausgangsmaterial in ein Formnegativ eingeleitet und nach Erstarrung entformt. In the die casting process, a liquid starting material is introduced into a mold negative and demolded after solidification.
Die Batteriezelle ist insbesondere eine lithiumhaltige Batteriezelle, insbesondere eine Sekundärzelle, also eine wiederaufladbare Batteriezelle. Insbesondere steht die erste Elektrode gegenüber den anderen Komponenten des Stapels, also der zweiten Elektrode und dem Separator, hin zu mindestens einer ersten Seitenfläche des Gehäuses aus einer Seite des Stapels über - bzw. erstreckt sich dort weiter als die anderen Komponenten hin zur ersten Seitenfläche - und bildet dabei zumindest einen ersten Anbindungsbereich und einen zweiten Anbindungsbereich aus. Insbesondere erstreckt sich die erste Elektrode ausschließlich an der einen Seite des Stapels über die anderen Komponenten hinweg. The battery cell is in particular a lithium-containing battery cell, in particular a secondary cell, ie a rechargeable battery cell. In particular, the first electrode projects beyond the other components of the stack, i.e. the second electrode and the separator, towards at least a first side surface of the housing from one side of the stack - or extends there further than the other components towards the first side surface - and thereby forms at least a first connection area and a second connection area. In particular, the first electrode extends beyond the other components exclusively on one side of the stack.
Insbesondere erstrecken sich ausschließlich unbeschichtete Bereiche der mindestens einen ersten Elektrode an der Seite des Stapel über die anderen Komponenten, zweite Elektrode und Separator hinaus. In particular, only uncoated areas of the at least one first electrode extend on the side of the stack beyond the other components, second electrode and separator.
Der erste Anbindungsbereich, der mindestens einen ersten Elektrode liegt an dem Leitungselement an bzw. ist mit diesem elektrisch leitend verbunden. Der erste Anbindungsbereich dient der elektrischen Kontaktierung der mindestens einen ersten Elektrode. Der zweite Anbindungsbereich liegt an der ersten Seitenfläche an. Der zweite Anbindungsbereich dient insbesondere ausschließlich einer wärmeleitenden Kontaktierung.The first connection area, the at least one first electrode, is in contact with the line element or is electrically conductively connected to it. The first connection area is used for electrical contacting of the at least one first electrode. The second connection area is in contact with the first side face. The second connection area serves in particular exclusively for heat-conducting contact.
Insbesondere wird über den zweiten Anbindungsbereich kein elektrischer Strom zwischen erster Elektrode und Gehäuse übertragen. In particular, no electric current is transmitted between the first electrode and the housing via the second connection area.
Die zweite Elektrode ist mit einem zweiten Anschluss elektrisch leitend verbunden. Der erste Anschluss und der zweite Anschluss sind gegenüber dem Gehäuse elektrisch isolierte Kontaktierungen, die eine Kontaktierung des innerhalb des Gehäuses angeordneten Stapels mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Stromkreis ermöglichen. Jeder Anschluss umfasst höchstens 5 % einer Fläche des Gehäuses. The second electrode is electrically conductively connected to a second terminal. The first connection and the second connection are contacts that are electrically insulated from the housing and allow contact to be made between the stack arranged inside the housing and a circuit arranged outside the housing. Each terminal covers at most 5% of an area of the housing.
Insbesondere wird ein Stapel so aufgebaut, dass die erste Elektrode, insbesondere ein unbeschichteter Bereich der ersten Elektrode, also eine von Anode oder In particular, a stack is constructed so that the first electrode, in particular an uncoated area of the first electrode, ie an anode or
Kathode, zur ersten Seitenfläche, bevorzugt zum Boden, des Gehäuses hin aus dem Stapel heraussteht. Dieser "Überstand" wird beim Zusammenbau der Batteriezelle, also beim Anordnen des Stapels in dem Gehäuse, an die erste Seitenfläche gedrückt. Diese im zweiten Anbindungsbereich gebildete Kontaktfläche zwischen erster Elektrode und Gehäuse dient insbesondere ausschließlich der thermischen Kontaktierung des Stapels mit dem Gehäuse. Die elektrische Kontaktierung des Stapels und/ oder der ersten Elektrode wird räumlich separat zur thermischen Kontaktierung ausgeführt. Hierzu wird ein Gehäuse-internes Leitungselement, insbesondere eine Stromschiene, am "Überstand" der ersten Elektrode, insbesondere an einer unteren Seite des Stapels befestigt. Die Befestigung kann z. B. mittels einer Schweißnaht erfolgen. Hierzu können entsprechend ausgeführte Löcher bzw. Langlöcher an der Kontaktfläche des Leitungselements vorgesehen sein. Cathode, to the first side surface, preferably to the bottom, of the housing protrudes out of the stack. This "overhang" is pressed against the first side surface when the battery cell is assembled, ie when the stack is arranged in the housing. This contact surface formed in the second connection area between the first electrode and the housing serves in particular exclusively for the thermal contacting of the stack with the housing. The electrical contacting of the stack and/or the first electrode is carried out separately from the thermal contacting. For this purpose, a housing-internal line element, in particular a busbar, on the "projection" of the first electrode, in particular on a attached to the bottom of the stack. The attachment can B. done by means of a weld. Correspondingly designed holes or oblong holes can be provided on the contact surface of the line element for this purpose.
Insbesondere ist der erste Anschluss an einer zweiten Seitenfläche angeordnet, die angrenzend oder beabstandet zur ersten Seitenfläche angeordnet ist. Insbesondere sind die beiden Anschlüsse an einer gemeinsamen oder an, einander gegenüberliegenden Seitenflächen angeordnet. Insbesondere ist keiner der Anschlüsse an der ersten Seitenfläche angeordnet. In particular, the first connection is arranged on a second side surface, which is arranged adjacent to or at a distance from the first side surface. In particular, the two connections are arranged on a common side surface or on opposite side surfaces. In particular, none of the terminals is arranged on the first side surface.
Insbesondere ist der erste Anbindungsbereich stoffschlüssig mit dem Leitungselement verbunden, bevorzugt über eine Schweißverbindung zwischen jeder ersten Elektrode und dem Leitungselement. Insbesondere ist das Leitungselement ein Massivteil, dass für den elektrischen Strom einen zumindest so großen durchströmbaren Querschnitt hat, dass durch das Leitungselement keine zusätzliche Wärmeentwicklung in der Batteriezelle auftritt. In particular, the first connection area is materially connected to the line element, preferably via a welded connection between each first electrode and the line element. In particular, the line element is a solid part that has a cross section through which the electric current can flow that is at least large enough for the line element not to generate any additional heat in the battery cell.
Insbesondere wird der elektrische Strom nicht über das Gehäuse der Batteriezelle geführt, sondern nur von den Ableitern auf den zweiten Anschluss (zweite Elektrode) bzw. über den ersten Anbindungsbereich auf das Leitungselement, das seinerseits mit dem ersten Anschluss verbunden ist. In particular, the electric current is not conducted via the housing of the battery cell, but only from the conductors to the second connection (second electrode) or via the first connection area to the line element, which in turn is connected to the first connection.
Eine wie vorgeschlagen getrennte Ausführung der thermischen und elektrischen Kontaktierung der Anode oder Kathode stellt eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit sicher. Die Anforderung am thermischen Kontakt ist geringer, wodurch auch ein Andrücken des "Überstands" der ersten Elektrode bzw. der Ableiter bzw. der unbeschichteten Abschnitte der ersten Elektrode ausreichend ist. A separate implementation of the thermal and electrical contacting of the anode or cathode, as proposed, ensures very high electrical conductivity. The requirement for thermal contact is lower, which means that pressing on the “overhang” of the first electrode or the collector or the uncoated sections of the first electrode is sufficient.
Weiter erlaubt die wie vorgeschlagen getrennte Ausführung der thermischen und elektrischen Kontaktierung einen Einsatz anderer Gehäusematerialen (klassisch: Alu, Stahl). Das Gehäuse kann nun auch aus schlecht elektrisch leitendem Material bestehen (z. B. Kunststoff). Insbesondere die thermische Leitfähigkeit sollte ausreichend hoch sein. Furthermore, the proposed separate design of the thermal and electrical contacts allows the use of other housing materials (classic: aluminum, steel). The housing can now also consist of poorly electrically conducting material (e.g. plastic). In particular, the thermal conductivity should be sufficiently high.
Es kann damit ein verbesserter Entwärmungspfad entlang der elektrisch und thermisch gut leidenden Richtung des Stapels (entlang der Oberflächen der Elektroden bzw. quer zur Stapelrichtung), direkt zur ersten Seitenwand bzw. zum Boden des Gehäuses, bereitgestellt werden. Auch ein mit Elektrolyt und/oder Gas gefüllter Spalt zwischen Gehäuse und Stapel kann so keinen zusätzlichen thermischen Widerstand bilden, der eine Kühlung der Batteriezelle zusätzlich behindern würde. An improved heat dissipation path can thus be provided along the electrically and thermally well-suffering direction of the stack (along the surfaces of the electrodes or transversely to the stacking direction), directly to the first side wall or to the bottom of the housing. Even a gap between the housing and the stack that is filled with electrolyte and/or gas cannot form any additional thermal resistance that would additionally impede cooling of the battery cell.
Weiter liegt kein negativer Einfluss der Dicke des Stapels auf die Kühlperformance der Batteriezelle vor, so dass dadurch kostengünstige große prismatische Batteriezellen bei gleichzeitig hoher Leistungs-ZSchnellladeanforderung umsetzbar sind. Furthermore, there is no negative influence of the thickness of the stack on the cooling performance of the battery cell, so that inexpensive, large prismatic battery cells can be implemented with a simultaneously high power/rapid charging requirement.
Im Vergleich zum bekannten Stand der Technik ergibt sich somit eine erhebliche Reduzierung des elektrischen Widerstandes der Batteriezelle und eine Verbesserung der Kühleigenschaften der Batteriezelle. Compared to the known prior art, there is thus a significant reduction in the electrical resistance of the battery cell and an improvement in the cooling properties of the battery cell.
Weiter ergibt sich insbesondere ein Energiedichtevorteil, da sehr dünne Gehäusewände ermöglicht werden können. In addition, there is in particular an energy density advantage, since very thin housing walls can be made possible.
Insbesondere ist der zweite Anbindungsbereich nur kraftschlüssig mit der Seitenfläche verbunden. Bevorzugt wird die erste Elektrode in dem zweiten Anbindungsbereich auf die Seitenfläche draufgedrückt und dabei zumindest teilweise verformt, insbesondere umgebogen, so dass eine Kontaktierung der ersten Elektrode mit dem Gehäuse sichergestellt ist. In particular, the second connection area is connected to the side surface only in a non-positive manner. The first electrode is preferably pressed onto the side surface in the second connection region and is thereby at least partially deformed, in particular bent over, so that contacting of the first electrode with the housing is ensured.
Insbesondere ist der mindestens eine Separator nach Art einer z-Faltung in dem Stapel gefaltet angeordnet, wobei sich der Separator an der ersten Seitenfläche jeweils über die mindestens eine zweite Elektrode hinweg erstreckt, so dass die zweite Elektrode jeweils über den Separator von der ersten Seitenfläche getrennt angeordnet ist. In particular, the at least one separator is folded in the stack in the manner of a z-fold, with the separator on the first side surface extending over the at least one second electrode, so that the second electrode is separated from the first side surface via the separator is arranged.
Insbesondere besteht zumindest die erste Seitenfläche zumindest teilweise (z. B. in Form einer elektrisch isolierenden Schicht oder Beschichtung) oder vollständig aus einem elektrisch nicht leitenden Material. Insbesondere bestehen mindestens eine weitere oder sogar alle Seitenflächen des Gehäuses aus einem elektrisch nicht leitenden Material bzw. sind zumindest teilweise aus einem solchen Material ausgeführt. In particular, at least the first side surface consists at least partially (e.g. in the form of an electrically insulating layer or coating) or entirely of an electrically non-conductive material. In particular, at least one additional or even all of the side surfaces of the housing consist of an electrically non-conductive material or are at least partially made of such a material.
Insbesondere liegt an der ersten Seitenfläche und gegenüber zum zweiten Anbindungsbereich eine konturierte Oberfläche vor, durch die eine Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrode und der Oberfläche vergrößert ist. Insbesondere kontaktiert also die erste Elektrode die erste Seitenfläche nicht nur mit einer Kante und bildet so einen linienförmigen Kontakt, sondern legt sich mit einer Fläche an einer Gegenfläche der konturierten Oberfläche an. Die Konturierung kann z. B. eine wellenförmige oder sägezahnförmige Ausgestaltung aufweisen, durch die geneigte Oberflächenbereiche gebildet sind, an die sich einzelne oder mehrere erste Elektroden anlegen können. In particular, there is a contoured surface on the first side surface and opposite to the second connection area, as a result of which a contact surface between the first electrode and the surface is enlarged. In particular, therefore, the first electrode not only contacts the first side face with an edge and thus forms a linear contact, but rather lays it mates with a face on a counter face of the contoured surface. The contouring can B. have a wavy or sawtooth configuration, are formed by the inclined surface areas to which one or more first electrodes can create.
Insbesondere sind die Anschlüsse an einer Seitenfläche des Gehäuses angeordnet, die der ersten Seitenfläche gegenüberliegt. Die (mindestens zwei) elektrischen Anschlüsse der Batteriezelle können an einer Seitenfläche oder auf zwei Seitenflächen verteilt angeordnet sein. In particular, the terminals are arranged on a side face of the housing that is opposite the first side face. The (at least two) electrical connections of the battery cell can be distributed on one side surface or on two side surfaces.
Es können an jeder Seitenfläche, oder aber an nur einer der Seitenfläche, auch mehrere Anschlüsse angeordnet sein. Dabei können an einer Seitenfläche gleichartige oder unterschiedliche Kontakte angeordnet sein. Several connections can also be arranged on each side surface, or on only one of the side surfaces. In this case, identical or different contacts can be arranged on a side surface.
Insbesondere weist der Stapel an der Seite und außerhalb der Anbindungsbereiche einen Fixierbereich auf, in dem die Elektroden und der Separator durch ein Fixiermittel in ihrer Lage zueinander fixiert sind. In particular, the stack has a fixing area on the side and outside of the connection areas, in which the electrodes and the separator are fixed in their position relative to one another by a fixing means.
Beim Zusammenbau einer Batteriezelle wird der Stapel von Elektroden in dem Gehäuse angeordnet und das Gehäuse insbesondere mit einem Elektrolyten befüllt. Der Stapel wird insbesondere im Rahmen einer Vormontage als Batteriezellenbaugruppe bereitgestellt, wobei die Lage der Elektroden und der Separatoren durch mindestens ein Fixiermittel, z. B. ein Tape, also ein Klebebandmaterial, fixiert ist. Infolge der Fixierung der Lage der Elektrodenfolien zueinander kann ein Handling des Stapels vereinfacht werden, so dass eine maßgenaue Anordnung der Elektroden im Gehäuse ermöglicht wird. When assembling a battery cell, the stack of electrodes is arranged in the housing and the housing is filled with an electrolyte in particular. The stack is provided in particular as part of a pre-assembly as a battery cell assembly, the position of the electrodes and the separators being fixed by at least one means, e.g. B. a tape, so an adhesive tape material is fixed. As a result of fixing the position of the electrode foils relative to one another, handling of the stack can be simplified, so that a dimensionally accurate arrangement of the electrodes in the housing is made possible.
In dem Fixierbereich weisen die Elektroden und der mindestens einen Separator insbesondere eine im Wesentlichen in Stapelrichtung fluchtende Anordnung auf. In the fixing area, the electrodes and the at least one separator have, in particular, an arrangement that is essentially aligned in the stacking direction.
Insbesondere ist der Fixierbereich zwischen dem ersten Anbindungsbereich und dem zweiten Anbindungsbereich angeordnet. In particular, the fixing area is arranged between the first connection area and the second connection area.
Insbesondere ist der jeweilige elektrische Anschluss gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert. Der Anschluss ist insbesondere gegenüber dem mindestens einen Stapel durch eine Stapelisolierung elektrisch isoliert angeordnet. Insbesondere ist zumindest eine zweite Elektrode des mindestens einen Stapels mit dem zweiten Anschluss über einen sich nur im Bereich des zweiten Anschlusses aus dem Stapel heraus erstreckenden Ableiter elektrisch leitend verbunden. In particular, the respective electrical connection is electrically insulated from the housing. In particular, the connection is arranged so that it is electrically insulated from the at least one stack by stack insulation. In particular, at least one second electrode of the at least one stack is electrically conductively connected to the second connection via a conductor that extends out of the stack only in the region of the second connection.
Insbesondere erstrecken sich die Ableiter also nur dort aus dem Stapel bzw. der Isolierung des Stapels heraus, wo der mit den Ableitern zu kontaktierende elektrische Anschluss angeordnet ist. In particular, the conductors therefore only extend out of the stack or the insulation of the stack where the electrical connection to be contacted with the conductors is arranged.
Das Gehäuse der Batteriezelle weist insbesondere an einer Seitenfläche einen sogenannten Berstschutz auf, der bei einem unzulässigen Druckanstieg innerhalb des Gehäuses eine vorbestimmte Versagensstelle des Gehäuses zur Druckreduzierung bildet. Insbesondere weist das Gehäuse weiterhin mindestens eine Befüllöffnung für das Befüllen mit einem Elektrolyten auf. The housing of the battery cell has a so-called bursting protection, in particular on one side surface, which forms a predetermined failure point of the housing for pressure reduction in the event of an impermissible increase in pressure within the housing. In particular, the housing also has at least one filling opening for filling with an electrolyte.
Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können. The use of indefinite articles (“a”, “an”, “an” and “an”), particularly in the claims and the description reflecting them, is to be understood as such and not as a numeral. Correspondingly introduced terms or components are to be understood in such a way that they are present at least once and in particular can also be present several times.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend. Soweit hier eine Mehrzahl von Bauteilen angesprochen ist, umfasst dies auch mehr als zwei Bauteile. As a precaution, it should be noted that the numerals used here (“first”, “second”, ...) primarily (only) serve to distinguish between several similar objects, sizes or processes, i.e. in particular no dependency and/or sequence of these objects, sizes or make processes mandatory for each other. Should a dependency and/or order be necessary, this is explicitly stated here or it is obvious to the person skilled in the art when studying the specifically described embodiment. If a component can occur several times (“at least one”), the description of one of these components can apply equally to all or part of the majority of these components, but this is not mandatory. Insofar as a plurality of components is addressed here, this also includes more than two components.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen: The invention and the technical environment are explained in more detail below with reference to the accompanying figures. It should be pointed out that the invention should not be limited by the exemplary embodiments given. In particular, unless explicitly stated otherwise, it is also possible to extract partial aspects of the facts explained in the figures and with other components and findings from the present one combine description. In particular, it should be pointed out that the figures and in particular the proportions shown are only schematic. Show it:
Fig. 1 : eine Batteriezelle in einer perspektivischen Darstellung; 1 : a battery cell in a perspective representation;
Fig. 2: die Batteriezelle nach Fig. 1 ohne einen Gehäuseteil, in einer perspektivischenFig. 2: the battery cell according to FIG. 1 without a housing part, in a perspective
Ansicht; Opinion;
Fig. 3: eine andere perspektivische Ansicht der Batteriezelle nach Fig. 2; FIG. 3 shows another perspective view of the battery cell according to FIG. 2;
Fig. 4: ein Detail der Fig. 3; Fig. 4: a detail of Fig. 3;
Fig. 5: eine Darstellung des Schnitts V-V nach Fig. 1 ; Fig. 5: an illustration of the section V-V according to Fig. 1;
Fig. 6: eine Darstellung des Schnitts Vl-Vl nach Fig. 1 ; und FIG. 6: an illustration of section VI-VI according to FIG. 1; and
Fig. 7: eine Darstellung des Schnitts Vll-Vll. Fig. 7: a representation of the section VII-VII.
Fig. 1 zeigt eine Batteriezelle 1 in einer perspektivischen Darstellung. Fig. 2 zeigt die Batteriezelle 1 nach Fig. 1 ohne einen Gehäuseteil, in einer perspektivischen Ansicht. Fig. 3 zeigt eine andere perspektivische Ansicht der Batteriezelle 1 nach Fig. 2. Fig. 4 zeigt ein Detail der Fig. 3. Die Fig. 1 bis 4 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. 1 shows a battery cell 1 in a perspective view. FIG. 2 shows the battery cell 1 according to FIG. 1 without a housing part, in a perspective view. FIG. 3 shows another perspective view of the battery cell 1 according to FIG. 2. FIG. 4 shows a detail of FIG. 3. FIGS. 1 to 4 are described together below.
Die Batteriezelle 1 umfasst ein formfestes Gehäuse 2 mit zwei elektrischen Anschlüssen 3, 4 und in dem Gehäuse 2 angeordnet einen Stapel 5 aus einer Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen 6. Die Lagen 6 umfassen eine Vielzahl Anoden und eine Vielzahl Kathoden als Elektroden 7, 8 und zwischen den unterschiedlichen Elektroden 7, 8 jeweils einen Separator 9. Die ersten Elektroden 7 stehen hin zu einer ersten Seitenfläche 10 des Gehäuses 2 aus einer Seite 11 des Stapels 5 über und bilden dabei einen ersten Anbindungsbereich 12 und einen zweiten Anbindungsbereich 13 aus. Der erste Anbindungsbereich 12 liegt an einem elektrischen Leitungselement 14 an, über das die ersten Elektroden 7 innerhalb des Gehäuses 2 mit einem ersten Anschluss 3 am Gehäuse 2 elektrisch leitend verbunden sind. Der zweite Anbindungsbereich 13 liegt an der ersten Seitenfläche 10 an. Die zweiten Elektroden sind mit einem zweiten Anschluss 4 am Gehäuse 2 elektrisch leitend verbunden. Die Elektroden 7, 8 sind ausschließlich über die Anschlüsse 3, 4 von außerhalb des Gehäuses 2 elektrisch kontaktierbar. Das Gehäuse 2 der Batteriezelle 1 weist an einer zweiten Seitenfläche 15 einen sogenannten Berstschutz 21 auf, der bei einem unzulässigen Druckanstieg innerhalb des Gehäuses 2 eine vorbestimmte Versagensstelle des Gehäuses 2 zur Druckreduzierung bildet. Weiter weist das Gehäuse 2 eine Befüllöffnung 22 für das Befüllen mit einem Elektrolyten auf. The battery cell 1 comprises a dimensionally stable housing 2 with two electrical connections 3, 4 and arranged in the housing 2 is a stack 5 of a plurality of layers 6 at least stacked on top of each other. The layers 6 comprise a large number of anodes and a large number of cathodes as electrodes 7, 8 and a separator 9 between the different electrodes 7, 8. The first electrodes 7 protrude from one side 11 of the stack 5 towards a first side surface 10 of the housing 2 and form a first connection area 12 and a second connection area 13. The first connection area 12 is in contact with an electrical conduction element 14 via which the first electrodes 7 within the housing 2 are electrically conductively connected to a first connection 3 on the housing 2 . The second connection area 13 is in contact with the first side surface 10 . The second electrodes are electrically conductively connected to a second connection 4 on the housing 2 . The electrodes 7 , 8 can only be contacted electrically from outside the housing 2 via the connections 3 , 4 . The housing 2 of the battery cell 1 has a so-called bursting protection 21 on a second side surface 15, which forms a predetermined failure point of the housing 2 for pressure reduction in the event of an impermissible pressure increase within the housing 2. Furthermore, the housing 2 has a filling opening 22 for filling with an electrolyte.
Jede Elektrode 7, 8 ist mit einem sich aus dem Stapel 5 nach außen erstreckenden Ableiter 20 verbunden bzw. weist jeweils einen Ableiter 20 auf, so dass ein elektrischer Strom über die Anschlüsse 3, 4 aus dem Stapel 5 ab- oder dem Stapel 5 zugeführt werden kann. Die Ableiter 20 der Anoden und die Ableiter der Kathoden sind jeweils elektrisch leitend miteinander verbunden, um die jeweiligen gleichartigen Elektroden 7, 8 elektrisch parallel zu verschalten. Each electrode 7, 8 is connected to an arrester 20 extending outwards from the stack 5 or has an arrester 20 in each case, so that an electric current is supplied to or from the stack 5 via the terminals 3, 4 can be. The conductors 20 of the anodes and the conductors of the cathodes are each connected to one another in an electrically conductive manner in order to connect the respective electrodes 7, 8 of the same type electrically in parallel.
Die Elektroden 7, 8 sind in bekannter Weise zur Bildung des Stapels 5 angeordnet und werden von einem Elektrolyten bzw. einer Elektrolytflüssigkeit beaufschlagt. The electrodes 7, 8 are arranged in a known manner to form the stack 5 and are acted upon by an electrolyte or an electrolyte liquid.
Die Elektroden 7, 8 sind folienartig ausgeführt, weisen also eine große Seitenfläche und eine geringe Dicke auf. Auf der Seitenfläche bzw. auf jeder Seitenfläche der Elektrode 7, 8 ist eine Beschichtung mit Aktivmaterial angeordnet (hier nicht gesondert dargestellt). Die nicht beschichteten Bereiche der Seitenfläche der Elektroden 7, 8 bilden die Ableiter 20. Die Separatoren 9 sind jeweils zwischen den Seitenflächen der benachbart angeordneten unterschiedlichen Elektroden 7, 8 angeordnet. The electrodes 7, 8 are foil-like, ie they have a large side surface and a small thickness. A coating with active material is arranged on the side surface or on each side surface of the electrode 7, 8 (not shown separately here). The uncoated areas of the side surface of the electrodes 7, 8 form the conductors 20. The separators 9 are each arranged between the side surfaces of the different electrodes 7, 8 arranged adjacent to one another.
Das Gehäuse 2 ist quaderförmig ausgeführt und weist sechs Seitenflächen 10, 15 auf. The housing 2 is cuboid and has six side surfaces 10, 15.
Die ersten Elektroden 7 stehen gegenüber den anderen Komponenten des Stapels 5, also den zweiten Elektroden 8 und dem Separator 9, hin zu der ersten Seitenfläche 10 des Gehäuses 2 aus einer Seite 11 des Stapels 5 über - bzw. erstrecken sich dort weiter als die anderen Komponenten hin zur ersten Seitenfläche 10 - und bilden dabei den ersten Anbindungsbereich 12 und den zweiten Anbindungsbereich 13 aus. Es erstrecken sich dabei ausschließlich unbeschichtete Bereiche der ersten Elektroden 7, also die Ableiter 20, an der Seite 11 des Stapel 5 über die anderen Komponenten, zweite Elektroden 8 und Separatoren 9, hinaus. The first electrodes 7 are opposite the other components of the stack 5, ie the second electrodes 8 and the separator 9, towards the first side surface 10 of the housing 2 from one side 11 of the stack 5 - or extend there further than the others Components to the first side surface 10 - and thereby form the first connection area 12 and the second connection area 13 from. In this case, only uncoated areas of the first electrodes 7, ie the conductors 20, on the side 11 of the stack 5 extend beyond the other components, second electrodes 8 and separators 9.
Der erste Anbindungsbereich 12 der ersten Elektroden 7 liegt an dem Leitungselement 14 an und ist mit diesem elektrisch leitend verbunden. Der erste Anbindungsbereich 12 dient der elektrischen Kontaktierung der ersten Elektroden 7. Der zweite Anbindungsbereich 13 liegt an der ersten Seitenfläche 10 an. Der zweite Anbindungsbereich 13 dient ausschließlich einer wärmeleitenden Kontaktierung. Über den zweiten Anbindungsbereich 13 wird kein elektrischer Strom zwischen ersten Elektroden 7 und Gehäuse 2 übertragen. The first connection area 12 of the first electrodes 7 is in contact with the line element 14 and is electrically conductively connected to it. The first connection area 12 serves to make electrical contact with the first electrodes 7 . The second connection area 13 rests on the first side face 10 . The second connection area 13 is used exclusively for one thermally conductive contact. No electric current is transmitted between the first electrodes 7 and the housing 2 via the second connection area 13 .
Die zweite Elektrode 8 ist mit dem zweiten Anschluss 4 elektrisch leitend verbunden. Der erste Anschluss 3 und der zweite Anschluss 4 sind gegenüber dem Gehäuse 2 elektrisch isolierte Kontaktierungen, die eine Kontaktierung des innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Stapels 5 mit einem außerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Stromkreis (nicht dargestellt) ermöglichen. The second electrode 8 is electrically conductively connected to the second terminal 4 . The first connection 3 and the second connection 4 are contacts that are electrically insulated from the housing 2 and allow contact to be made between the stack 5 arranged inside the housing 2 and a circuit (not shown) arranged outside the housing 2 .
Der Stapel 5 ist so aufgebaut, dass die erste Elektrode 7, also ein unbeschichteter Bereich der ersten Elektrode 7, zum Boden des Gehäuses 2 hin aus dem Stapel 5 heraussteht. Dieser "Überstand" wird beim Zusammenbau der Batteriezelle 1 , also beim Anordnen des Stapels 5 in dem Gehäuse 2, an die erste Seitenfläche 10 gedrückt. Diese im zweiten Anbindungsbereich 13 gebildete Kontaktfläche zwischen ersten Elektroden 7 und Gehäuse 2 dient ausschließlich der thermischen Kontaktierung des Stapels 5 mit dem Gehäuse 2. Die elektrische Kontaktierung des Stapels 5 bzw. der ersten Elektroden 7 wird räumlich separat zur thermischen Kontaktierung ausgeführt. Hierzu wird das Gehäuse-interne Leitungselement 14, eine Stromschiene, am "Überstand" der ersten Elektroden 7 an einer unteren Seite 11 des Stapels 5 befestigt. Die Befestigung kann z. B. mittels einer Schweißnaht erfolgen. Hierzu sind entsprechend ausgeführte Löcher 23 bzw. Langlöcher an der Kontaktfläche des Leitungselements 14 vorgesehen. The stack 5 is constructed in such a way that the first electrode 7, that is to say an uncoated region of the first electrode 7, protrudes from the stack 5 towards the bottom of the housing 2. This "overhang" is pressed against the first side surface 10 when the battery cell 1 is assembled, ie when the stack 5 is arranged in the housing 2 . This contact surface formed in the second connection area 13 between the first electrodes 7 and the housing 2 serves exclusively for the thermal contacting of the stack 5 with the housing 2. The electrical contacting of the stack 5 or the first electrodes 7 is carried out spatially separately from the thermal contacting. For this purpose, the line element 14 inside the housing, a busbar, is attached to the "overhang" of the first electrodes 7 on a lower side 11 of the stack 5 . The attachment can B. done by means of a weld. Correspondingly designed holes 23 or oblong holes are provided on the contact surface of the line element 14 for this purpose.
Der erste Anschluss 3 ist an einer zweiten Seitenfläche 15 angeordnet, die beabstandet zur ersten Seitenfläche 10 angeordnet ist. Die beiden Anschlüsse 3, 4 sind an einer gemeinsamen zweiten Seitenfläche 15 angeordnet. Keiner der Anschlüsse 3, 4 ist an der ersten Seitenfläche 10 angeordnet. The first connection 3 is arranged on a second side surface 15 which is arranged at a distance from the first side surface 10 . The two connections 3 , 4 are arranged on a common second side face 15 . None of the terminals 3, 4 is arranged on the first side face 10.
Der erste Anbindungsbereich 12 ist stoffschlüssig mit dem Leitungselement 14 verbunden, z. B. über eine Schweißverbindung zwischen jeder ersten Elektrode 7 und dem Leitungselement 14. Das Leitungselement 14 ist ein Massivteil, dass für den elektrischen Strom einen zumindest so großen durchströmbaren Querschnitt hat, dass durch das Leitungselement 14 keine zusätzliche Wärmeentwicklung in der Batteriezelle 1 auftritt. The first connection area 12 is cohesively connected to the line element 14, z. B. via a welded connection between each first electrode 7 and the line element 14. The line element 14 is a solid part that has a cross section through which the electric current can flow that is at least large enough that the line element 14 does not generate any additional heat in the battery cell 1.
Der elektrische Strom wird nicht über das Gehäuse 2 der Batteriezelle 1 geführt, sondern nur von den Ableitern 20 auf den zweiten Anschluss 4 (zweite Elektrode 8) bzw. über den ersten Anbindungsbereich 12 auf das Leitungselement 14, das seinerseits mit dem ersten Anschluss 3 verbunden ist. The electric current is not conducted via the housing 2 of the battery cell 1, but only from the conductors 20 to the second connection 4 (second electrode 8) or via the first Connection area 12 on the line element 14, which in turn is connected to the first terminal 3.
Der Stapel 5 weist an der Seite 11 und außerhalb der Anbindungsbereiche 12, 13 einen Fixierbereich 17 auf, in dem die Elektroden 7, 8 und der Separator 9 durch ein Fixiermittel 18 in ihrer Lage zueinander fixiert sind. On the side 11 and outside the connection areas 12, 13, the stack 5 has a fixing area 17 in which the electrodes 7, 8 and the separator 9 are fixed in their position relative to one another by a fixing means 18.
Beim Zusammenbau einer Batteriezelle 1 wird der Stapel 5 von Elektroden 7, 8 in dem Gehäuse 2 angeordnet und das Gehäuse 2 mit einem Elektrolyten befüllt. Der Stapel 5 wird im Rahmen einer Vormontage als Batteriezellenbaugruppe bereitgestellt, wobei die Lage der Elektroden 7, 8 und der Separatoren 9 durch Fixiermittel 18, ein Tape, also ein Klebebandmaterial, fixiert ist. Infolge der Fixierung der Lage der Elektroden 7, 8 zueinander kann ein Handling des Stapels 5 vereinfacht werden, so dass eine maßgenaue Anordnung der Elektroden 7, 8 im Gehäuse 2 ermöglicht wird. When assembling a battery cell 1, the stack 5 of electrodes 7, 8 is arranged in the housing 2 and the housing 2 is filled with an electrolyte. The stack 5 is provided as part of a pre-assembly as a battery cell assembly, the position of the electrodes 7, 8 and the separators 9 being fixed by fixing means 18, a tape, ie an adhesive tape material. As a result of fixing the position of the electrodes 7, 8 relative to one another, handling of the stack 5 can be simplified, so that a dimensionally accurate arrangement of the electrodes 7, 8 in the housing 2 is made possible.
In dem Fixierbereich 17 weisen die Elektroden 7, 8 und die Separatoren 9 eine im Wesentlichen in Stapelrichtung 19 fluchtende Anordnung auf. Der Fixierbereich 17 ist zwischen dem ersten Anbindungsbereich 12 und dem zweiten Anbindungsbereich 13 angeordnet. In the fixing area 17, the electrodes 7, 8 and the separators 9 are arranged essentially in alignment in the stacking direction 19. The fixing area 17 is arranged between the first connection area 12 and the second connection area 13 .
Fig. 5 zeigt eine Darstellung des Schnitts V-V nach Fig. 1 . Fig. 6 zeigt eine Darstellung des Schnitts Vl-Vl nach Fig. 1. Fig. 7 zeigt eine Darstellung des Schnitts Vll-Vll. Die Fig. 5 bis 7 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu Fig. 1 bis 4 wird verwiesen. FIG. 5 shows a representation of the section V-V according to FIG. 1 . Fig. 6 shows a representation of the section VI-Vl according to Fig. 1. Fig. 7 shows a representation of the section VII-VII. Figures 5 to 7 are described together below. Reference is made to the statements relating to FIGS.
In Fig. 5 ist der erste Anschluss 3 im Schnitt V-V dargestellt. Die zweite Seitenfläche 15 des Gehäuses 2 bildet einen Deckel des Gehäuses. Der Stapel 5 bildet keine elektrische leitende Kontaktierung mit dem ersten Anschluss 3. Die ersten Elektroden 7 sind ausschließlich über den ersten Anbindungsbereich 12 mit dem Leitungselement 14 elektrisch leitend verbunden (siehe Fig. 6). Über das Leitungselement 14 sind die ersten Elektroden 7 mit dem ersten Anschluss 3 elektrisch leitend verbunden. Dazu erstreckt sich das Leitungselement 14 ausgehend von der ersten Seitenfläche 10 bis hin zur zweiten Seitenfläche 15 und dort zum ersten Anschluss 3. Der Stapel 5 ist über ein Isolationsgitter 24 beabstandet zur zweiten Seitenfläche 15 angeordnet. Der erste Anschluss 3 erstreckt sich über eine Öffnung in der zweiten Seitenfläche 15 durch das Gehäuse 2, wobei eine Dichtung 25 die Öffnung und damit das Gehäuse 2 abdichtet. In Fig. 6 ist die erste Seitenfläche 10 im Schnitt Vl-Vl dargestellt. Die erste Seitenfläche 10 ist aus einem elektrisch nicht leitenden Material ausgeführt. Der erste Anbindungsbereich 12 ist stoffschlüssig mit dem Leitungselement 14 verbunden. Das Leitungselement 14 ist ein Massivteil, dass für den elektrischen Strom einen zumindest so großen durch ström baren Querschnitt hat, das durch das Leitungselement 14 keine zusätzliche Wärmeentwicklung in der Batteriezelle 1 auftritt. In Fig. 5, the first connection 3 is shown in section VV. The second side surface 15 of the housing 2 forms a cover of the housing. The stack 5 does not form any electrically conductive contact with the first connection 3. The first electrodes 7 are electrically conductively connected to the line element 14 exclusively via the first connection region 12 (see FIG. 6). The first electrodes 7 are electrically conductively connected to the first connection 3 via the line element 14 . For this purpose, the line element 14 extends, starting from the first side surface 10 to the second side surface 15 and there to the first connection 3 . The stack 5 is arranged at a distance from the second side surface 15 via an insulating grid 24 . The first connection 3 extends through the housing 2 via an opening in the second side surface 15 , with a seal 25 sealing the opening and thus the housing 2 . In Fig. 6, the first side surface 10 is shown in section Vl-Vl. The first side face 10 is made of an electrically non-conductive material. The first connection area 12 is materially connected to the line element 14 . The line element 14 is a solid part that has at least a sufficiently large cross section through which the electric current can flow so that no additional heat is generated in the battery cell 1 as a result of the line element 14 .
In Fig. 7 ist die Seitenfläche 10 im Schnitt Vll-Vll dargestellt. Der zweite Anbindungsbereich 13 liegt an der ersten Seitenfläche 10 des Gehäuses 2 an. Der zweite Anbindungsbereich 13 dient ausschließlich einer wärmeleitenden Kontaktierung. Über den zweiten Anbindungsbereich 13 wird kein elektrischer Strom zwischen ersten Elektroden 7 und Gehäuse 2 übertragen. In Fig. 7, the side surface 10 is shown in section VII-VII. The second connection area 13 is in contact with the first side face 10 of the housing 2 . The second connection area 13 is used exclusively for thermally conductive contacting. No electric current is transmitted between the first electrodes 7 and the housing 2 via the second connection area 13 .
Der zweite Anbindungsbereich 13 der ersten Elektroden 7 ist nur kraftschlüssig mit der ersten Seitenfläche 10 verbunden. Die erste Elektrode 7 wird in dem zweiten Anbindungsbereich 13 auf die erste Seitenfläche 10 draufgedrückt und dabei zumindest teilweise verformt, insbesondere umgebogen, so dass eine Kontaktierung der ersten Elektroden 7 mit dem Gehäuse 2 sichergestellt ist. Fig. 7 zeigt nur einen linienförmigen Kontakt der Kanten der ersten Elektroden 7 mit der ersten Seitenfläche 10. The second connection area 13 of the first electrodes 7 is only connected to the first side surface 10 in a non-positive manner. The first electrode 7 is pressed onto the first side surface 10 in the second connection region 13 and is thereby at least partially deformed, in particular bent over, so that contacting of the first electrodes 7 with the housing 2 is ensured. Fig. 7 shows only a linear contact of the edges of the first electrodes 7 with the first side surface 10.
An der ersten Seitenfläche 10 und gegenüber zum zweiten Anbindungsbereich 13 kann eine konturierte Oberfläche 16 (nur angedeutet) angeordnet sein, durch die eine Kontaktfläche zwischen den ersten Elektroden 7 und der Oberfläche 16 vergrößert ist. Die ersten Elektroden 7 kontaktieren die erste Seitenfläche 10 dann nicht nur mit einer Kante und bilden so einen linienförmigen Kontakt, sondern legen sich mit einer Fläche an einer Gegenfläche der konturierten Oberfläche 16 an. Die Konturierung kann z. B. eine wellenförmige oder sägezahnförmige Ausgestaltung aufweisen, durch die geneigte Oberflächenbereiche gebildet sind, an die sich einzelne oder mehrere erste Elektroden 7 anlegen können. A contoured surface 16 (only indicated) can be arranged on the first side surface 10 and opposite to the second connection region 13, through which a contact surface between the first electrodes 7 and the surface 16 is enlarged. The first electrodes 7 then contact the first side surface 10 not only with an edge and thus form a line-shaped contact, but also rest with a surface on a counter-surface of the contoured surface 16 . The contouring can B. have a wavy or sawtooth configuration, are formed by the inclined surface areas to which one or more first electrodes 7 can create.
Bezugszeichenliste Reference List
Batteriezelle battery cell
Gehäuse erster Anschluss zweiter Anschluss Housing first connection second connection
Stapel stack
Lage erste Elektrode zweite Elektrode Position first electrode second electrode
Separator erste Seitenfläche Separator first face
Seite erster Anbindungsbereich zweiter Anbindungsbereich Leitungselement zweite Seitenfläche Side first connection area second connection area line element second side face
Oberfläche surface
Fixierbereich fusing area
Fixiermittel fixer
Stapelrichtung stacking direction
Ableiter arrester
Berstschutz burst protection
Befüllöffnung filling opening
Loch Hole
Isolationsgitter isolation grid
Dichtung poetry

Claims

Patentansprüche Batteriezelle (1), zumindest umfassend ein formfestes Gehäuse (2) mit mindestens zwei elektrischen Anschlüssen (3, 4) und in dem Gehäuse (2) angeordnet einen Stapel (5) aus einer Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen (6), umfassend mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode als Elektroden (7, 8) und zwischen den unterschiedlichen Elektroden (7, 8) einen Separator (9); wobei eine erste Elektrode (7) hin zu mindestens einer ersten Seitenfläche (10) des Gehäuses (2) aus einer Seite (11) des Stapels (5) übersteht und dabei zumindest einen ersten Anbindungsbereich (12) und einen zweiten Anbindungsbereich (13) ausbildet; wobei der erste Anbindungsbereich (12) an einem elektrischen Leitungselement (14) anliegt, über das die erste Elektrode (7) innerhalb des Gehäuses (2) mit einem ersten Anschluss (3) am Gehäuse (2) elektrisch leitend verbunden ist, wobei der zweite Anbindungsbereich (13) an der ersten Seitenfläche (10) anliegt; wobei eine zweite Elektrode (8) mit einem zweiten Anschluss (4) am Gehäuse (2) elektrisch leitend verbunden ist; wobei die Elektroden (7, 8) ausschließlich über die Anschlüsse (3, 4) von außerhalb des Gehäuses (2) elektrisch kontaktierbar sind. Batteriezelle (1) nach Patentanspruch 1 , wobei der erste Anschluss (3) an einer zweiten Seitenfläche (15) angeordnet ist, die angrenzend oder beabstandet zur ersten Seitenfläche (10) angeordnet ist. Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der erste Anbindungsbereich (12) stoffschlüssig mit dem Leitungselement (14) verbunden ist. Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der zweite Anbindungsbereich (13) nur kraftschlüssig mit der ersten Seitenfläche (10) verbunden ist. Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der mindestens eine Separator (9) nach Art einer z-Faltung in dem Stapel (5) gefaltet angeordnet ist, wobei sich der Separator (9) an der ersten Seitenfläche (10) jeweils über die mindestens ein zweite Elektrode (8) hinweg erstreckt, so dass die zweite Elektrode (8) jeweils über den Separator (9) von der ersten Seitenfläche (10) getrennt angeordnet ist. Batteriezelle (1 ) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zumindest die erste Seitenfläche (10) aus einem elektrisch nicht leitenden Material besteht. Batteriezelle (1 ) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei an der ersten Seitenfläche (10) und gegenüber zum zweiten Anbindungsbereich (13) eine konturierte Oberfläche (16) vorliegt, durch die eine Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrode (7) und der Oberfläche (16) vergrößert ist. Batteriezelle (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anschlüsse (3, 4 an einer Seitenfläche (15) des Gehäuses (2) angeordnet sind, die der ersten Seitenfläche (10) gegenüberliegt. Batteriezelle (1 ) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Stapel (5) an der Seite (11 ) und außerhalb der Anbindungsbereiche (12, 13) einen Fixierbereich (17) aufweist, in dem die Elektroden (7, 8) und der Separator (9) durch ein Fixiermittel (18) in ihrer Lage zueinander fixiert sind. Batteriezelle (1 ) nach Patentanspruch 9, wobei der Fixierbereich (17) zwischen dem ersten Anbindungsbereich (12) und dem zweiten Anbindungsbereich (13) angeordnet ist. Battery cell (1), at least comprising a dimensionally stable housing (2) with at least two electrical connections (3, 4) and arranged in the housing (2) a stack (5) of a plurality of layers (6) at least stacked on top of each other at least one anode and at least one cathode as electrodes (7, 8) and between the different electrodes (7, 8) a separator (9); wherein a first electrode (7) protrudes towards at least a first side surface (10) of the housing (2) from one side (11) of the stack (5), thereby forming at least a first connection area (12) and a second connection area (13). ; wherein the first connection area (12) rests against an electrical line element (14) via which the first electrode (7) within the housing (2) is electrically conductively connected to a first connection (3) on the housing (2), the second Connection area (13) rests against the first side surface (10); wherein a second electrode (8) is electrically conductively connected to a second terminal (4) on the housing (2); the electrodes (7, 8) being electrically contactable from outside the housing (2) exclusively via the terminals (3, 4). Battery cell (1) according to Patent Claim 1, wherein the first connection (3) is arranged on a second side surface (15) which is arranged adjacent to or at a distance from the first side surface (10). Battery cell (1) according to one of the preceding claims, wherein the first connection area (12) is materially connected to the line element (14). Battery cell (1) according to one of the preceding claims, wherein the second connection area (13) is only non-positively connected to the first side surface (10). Battery cell (1) according to one of the preceding claims, wherein the at least one separator (9) is arranged folded in the stack (5) in the manner of a z-fold, the separator (9) overlapping on the first side surface (10). the at least one second electrode (8) extends away, so that the second electrode (8) is arranged separately from the first side surface (10) via the separator (9). Battery cell (1) according to any one of the preceding claims, wherein at least the first side surface (10) consists of an electrically non-conductive material. Battery cell (1) according to one of the preceding claims, wherein on the first side surface (10) and opposite to the second connection area (13) there is a contoured surface (16) through which a contact surface between the first electrode (7) and the surface (16 ) is enlarged. Battery cell (1) according to one of the preceding claims, wherein the terminals (3, 4) are arranged on a side surface (15) of the housing (2) which is opposite the first side surface (10). wherein the stack (5) has a fixing area (17) on the side (11) and outside the connection areas (12, 13), in which the electrodes (7, 8) and the separator (9) are fixed by a fixing means (18) in The battery cell (1) according to claim 9, wherein the fixing area (17) is arranged between the first connection area (12) and the second connection area (13).
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