WO2020103984A1 - Batteriezelle - Google Patents

Batteriezelle

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WO2020103984A1
WO2020103984A1 PCT/DE2019/101005 DE2019101005W WO2020103984A1 WO 2020103984 A1 WO2020103984 A1 WO 2020103984A1 DE 2019101005 W DE2019101005 W DE 2019101005W WO 2020103984 A1 WO2020103984 A1 WO 2020103984A1
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cell
battery cell
heat conducting
cooling device
conducting rods
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PCT/DE2019/101005
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Inventor
Christian Schlögl
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Christian Schlögl Controls UG
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Definitions

  • the present invention relates to a battery cell at least comprising: a cell housing, a cooling device arranged inside the cell housing for the axial removal of heat with respect to a longitudinal axis of the cell housing, and an electrode pack arranged inside the cell housing; and a method for producing such a battery cell.
  • the present invention is based on the object of providing a battery cell which is improved in comparison with the prior art and a method for its production which regulates the heat balance within the battery cell in a simple and efficient manner and makes it possible To increase the packing density of several battery cells within a system from such cells.
  • a battery cell according to the invention is characterized in that the cooling device is formed from at least three heat-conducting rods, the at least three heat-conducting rods being designed and arranged within the cell housing in such a way that they are in thermally conductive contact with the electrode package over a major part of their surface and at the same time allow a change in the winding geometry of the electrode package.
  • Such a battery cell not only enables efficient heat transfer from the inside of the cell, preferably along the longitudinal axis of the battery cell, to the outside in at least three partial areas of the cell, but also advantageously allows the cell structure of each individual battery cell with regard to the individual energy storage efficiency and the packing density within a larger battery system or to increase the association.
  • a cooling device allows three heat-conducting rods, which are arranged at an angle of 180 ° to one another in relation to the longitudinal axis of the cell, in particular to switch from a cylindrical winding of the electrodes in the interior of the battery cell to an approximately triangular winding of the electrodes on the outer edge of the battery cell, and in this way to produce battery cells with a triangular cross section of the cell housing.
  • Battery cells with cell housings that have flat outer surfaces can advantageously be packed tightly into larger units within a larger battery system.
  • the cooling principle implemented in a battery cell according to the invention advantageously supports rapid and efficient heat dissipation from the cell interior, in particular in a radial orientation, and advantageously enables this uniform heat dissipation from several cells arranged in parallel in a network of battery cells.
  • the cooling device can be formed from four heat conducting rods, which are arranged approximately in the form of a square within the cell housing.
  • This arrangement of the heat conducting rods advantageously enables particularly uniform and rapid heat absorption distributed over all four quadrants of the battery cell.
  • such an arrangement makes it possible, in particular, to change from a cylindrical winding of the electrodes in the interior of the battery cell to an approximately square winding of the electrodes on the outer edge of the battery cell, and in this way to produce battery cells with a square cross section of the cell housing.
  • Battery cells with cell housings that have flat outer surfaces can advantageously be packed tightly into larger units within a larger battery system.
  • the at least three heat-conducting rods are formed from an electrically non-conductive and thermally highly conductive material.
  • Thermally conductive rods made of a thermally highly conductive material advantageously enable rapid and efficient heat transfer and are therefore particularly suitable for removing heat from the interior of the cell, ie for cell cooling.
  • the electrically non-conductive and thermally highly conductive material consists of a ceramic, preferably comprising silicon carbide, base material. Ceramic materials, especially silicon carbide, are comparatively easy to process and advantageously have high strength, high chemical resistance and very good electrical insulation.
  • the cooling device in particular the heat conducting rods
  • the cooling device can be formed in one piece with the base plate, in particular manufactured.
  • a cooling device formed in one piece with a base plate, in particular in one piece with a base plate Advantagely enable good (efficient) heat transfer from the cooling device, in particular the heat conducting rods to the base plate, and thus the efficient dissipation of heat from the battery cell to the environment.
  • the cooling device in particular its heat conducting rods, can also be connected in several parts with direct heat coupling to a base plate, preferably comprising a temperature control device.
  • a base plate preferably comprising a temperature control device.
  • the base plate is thermally conductively connected directly to a bottom of the cell housing or in which the base plate also forms the bottom of the cell housing.
  • a direct thermally conductive connection of the base plate to the bottom of the cell housing advantageously improves the removal of the heat from the respective battery cell.
  • the base plate can also form the base of the cell housing and thus advantageously save material.
  • the base plate is formed from an electrically non-conductive and thermally highly conductive material, in particular from a ceramic base material, preferably from silicon carbide.
  • a ceramic base material preferably from silicon carbide.
  • a method for producing such a battery cell is characterized in that when an electrode package is wound, the at least three heat conducting rods of the cooling device are introduced one after the other or simultaneously axially along a partial winding of the electrode package, and the entire electrode package is then wound to the end.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a battery cell according to the invention in a plan view.
  • FIG. 2 shows a composite of battery cells according to FIG. 1 in a top view;
  • FIG. 3 shows a perspective side view of an embodiment of a cooling device connected to a base plate without an electrode packet and cell housing;
  • FIG. 4 shows a side view of an embodiment of the battery cell from FIG. 3 with the cell housing raised.
  • the battery cell 1 shows an embodiment of a battery cell 1 according to the invention in a plan view.
  • the battery cell 1 comprises at least one cell housing 3, a cooling device 4, which is arranged inside the cell housing 3, for axially dissipating heat with respect to a longitudinal axis 31 (see FIGS. 3 and 4) of the cell housing 3, and an electrode packet which is arranged inside the cell housing 3 5.
  • the cooling device 4 is formed from at least three, or as shown here, preferably from four, heat conducting rods 41, which are of this type are formed and arranged within the cell housing 3 such that they are in thermally conductive contact with the surfaces 510 and 520 of the electrode packet 5 via a main part of their surfaces 41 1 and 412 and at the same time allow a change in the winding geometry of the electrode packet 5.
  • the heat conducting rods 41 can preferably be arranged in the four quadrants of a quadrilateral, the center of the battery cell 1, in which the longitudinal axis 31 of the cell is shown in FIGS. 3 and 4, free of a cooling device 4 , in particular free of heat conducting rods 41, and thus only comprises an inner, in particular cylindrically wound, partial winding 51 of the electrode packet 5.
  • the heat conducting rods 41 are preferably constructed approximately at right angles with two outer surfaces 411 and preferably have a rounded corner 413 in the transition from one another.
  • the winding geometry can now advantageously change from cylindrical (with a circular diameter) to a, in this case, square winding geometry.
  • FIG. 2 shows a composite of battery cells 1 according to FIG. 1 in a top view.
  • winding geometries enable formation Approximately flat outer sides of the battery cell 1 allow a tight packing of several battery cells 1 to form a composite, the free space between the individual battery cells 1 in contrast to the packing of cylindrical battery cells 1 can advantageously be minimized and the energy density of such a module (composite of battery cells 1) im Compared to standard geometries of existing round cells (e.g. in the format 18650 or 21700) is not changed.
  • three heat rods 41 in the form of a triangle can also be arranged inside a battery cell 1 and the winding geometry can be changed accordingly from cylindrical to triangular or other polygonal (pentagonal, hexagonal, ...) arrangements be provided.
  • FIG. 3 shows a perspective side view of an embodiment of a cooling device 4 without an electrode package 5 and cell housing 3 connected to a base plate 32 for a clearer illustration of the cooling device 4, in particular its heat conducting rods 41.
  • the heat conducting rods 41 preferably extend in the form of a pin, along a longitudinal axis 31 of the battery cell 1 , largely over the entire height of the battery cell 1, so that uniform heat dissipation is advantageously ensured over the entire height, the heat advantageously being dissipated along the longitudinal axis 31 of the battery cell 1 to a base plate 32 and / or to a base 33 of the battery cell 1.
  • the base plate 32 can, as shown, be thermally conductively connected directly to the bottom 33 of the cell housing 3 or can itself form the bottom 33 of the cell housing (3).
  • the base 33 and / or the base plate 32 comprises a temperature control device 2, which facilitates further heat dissipation to the surroundings.
  • a temperature control device 2 can be formed, for example, by an evaporator plate, which absorbs the cell heat through a liquid heat-conducting medium at the bottom 33 of the battery cell 1, evaporates the heat-conducting medium and transfers it through a cooling circuit into a condensation area, where it releases the cell heat to the environment by condensing the heat-conducting medium .
  • the at least three, or as shown here four, heat conducting rods 41 are preferably formed from an electrically non-conductive and thermally highly conductive material, the electrically non-conductive and thermally highly conductive material preferably from one ceramic base material, such as silicon carbide in particular.
  • the heat conducting rods 41 can also comprise a core made of a metallic material, such as preferably copper or a non-ferrous (NE) metal such as aluminum, and can be provided on its surface 41 1 with an, in particular oxidically applied, electrical insulation layer (not shown). .
  • FIG. 4 shows a side view of an embodiment of the battery cell 1 from FIG. 3 with the cell housing 3 raised.
  • the electrode package 5 is also not shown here.
  • the cooling device 4, in particular its heat conducting rods 41 is preferably formed in one piece with the base plate 32.
  • the cooling device 4, in particular its heat conducting rods 41 can also be connected in several parts with direct heat coupling to the base plate 32.
  • the base plate 32 is formed from an electrically non-conductive and thermally highly conductive material, in particular from a ceramic base material, preferably from silicon carbide.
  • both the cooling device 4, in particular its heat-conducting rods 41, and the base plate 32 are formed from the same electrically non-conductive and thermally highly conductive material, preferably a ceramic base material, such as silicon carbide, this offers structural advantages, in particular due to the same thermal expansion coefficients, and advantageously increases them Battery cell life 1.
  • the at least three heat conducting rods 41 of the cooling device 4 are introduced one after the other or at the same time axially along an inner partial winding 51 of the electrode package 5, for example pushed in, and then the entire electrode package 5, corresponding to that by the Number and shape of the heat conducting rods 41 given the winding geometry wound to the end.
  • the cooling principle disclosed in the battery cell 1 according to the invention can advantageously be integrated into existing manufacturing processes for battery cells without causing high conversion costs.
  • the present invention relates to a battery cell 1 at least comprising: a cell housing 3, a cooling device 4 arranged inside the cell housing 3 for the axial removal of heat with respect to a longitudinal axis 31 of the cell housing 3, and an electrode pack 5 arranged inside the cell housing 3, which is characterized in that the cooling device 4 is formed from at least three heat conducting rods 41, the at least three heat conducting rods 41 being designed and arranged within the cell housing 3 in such a way that they over a major part of their surfaces 411 and 412 with the surfaces 510 and 520 of the electrode package 5 are thermally conductive in contact and at the same time a change in
  • the invention also relates to a manufacturing method for such a battery cell 1. This not only enables efficient heat transfer from the cell interior, preferably along the longitudinal axis 31, but also advantageously allows the cell structure of each individual battery cell 1 with regard to the individual

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle (1) wenigstens umfassend: ein Zellengehäuse (3), eine, innerhalb des Zellengehäuses (3) angeordnete, Kühlvorrichtung (4) zur bezüglich einer Längsachse (31) des Zellengehäuses (3) axialen Ausleitung von Wärme, und ein, innerhalb des Zellengehäuses (3) angeordnetes, Elektrodenpaket (5), welches sich dadurch auskennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (4) aus wenigstens drei Wärmeleitstäben (41) gebildet ist, welche derart ausgebildet und innerhalb des Zellgehäuses (3) angeordnet sind, dass sie über einen Hauptteil ihrer Oberflächen (411, 412) mit den Oberflächen (510, 520) des Elektrodenpakets (5) thermisch leitend in Kontakt stehen und dabei gleichzeitig eine Änderung der Wicklungsgeometrie des Elektrodenpaketes (5) ermöglichen. Die Erfindung betrifft auch ein Herstellungsverfahren für eine solche Batteriezelle (1). Diese ermöglicht nicht nur einen effizienten Wärmetransport vom Zellinneren, vorzugsweise entlang der Längsachse (31), nach außen, sondern erlaubt dabei vorteilhaft den Zellaufbau jeder einzelnen Batteriezelle (1) hinsichtlich der individuellen Energiespeichereffizienz als auch der Packungsdichte innerhalb eines größeren Batteriesystems zu erhöhen.

Description

Batteriezelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle wenigstens umfassend: ein Zellengehäuse, eine innerhalb des Zellengehäuses angeordnete Kühlvorrichtung zur bezüglich einer Längsachse des Zellengehäuses axialen Ausleitung von Wärme, und ein innerhalb des Zellengehäuses angeordnetes Elektrodenpaket; sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle.
Die stetig zunehmende Mobilität der heutigen Gesellschaft macht auch eine mobile Elektrifizierung unseres Alltagslebens notwendig. Sowohl im Privatsektor, bspw. im Rahmen der mobilen Computertechnik (Laptops, Tablets, Smartphones, etc.), bei mobilen Industrieanlagen als auch im Bereich der Fahrzeugtechnik (E-Mobilität bei Kraftfahrzeugen und Fahrrädern) wird der Bedarf an mobilen Energiespeichern, insbesondere von Akkumulator- und Batteriesystemen, immer größer. Insbesondere bei Hochleistungsbatterien zum Antrieb von Kraftfahrzeugen werden dabei zunehmend große Anforderungen an eine hohe Energiedichte sowie an hohe verfügbare Lade- und Entladeströme gestellt, was wiederum, aufgrund der dabei entstehenden Zellwärme, ein ausgefeiltes Temperaturmanagement dieser Batteriesysteme nötig macht. Aus dem Stand der Technik sind hierzu beispielsweise verschiedene Batteriezellen bekannt geworden, welche eine Kühlung über Luftströmungen oder durch Flüssigkeitskreisläufe erreichen. Aus der DE 10 2007 010 750 B3 ist darüber hinaus eine elektrochemische Einzelzelle für eine Batterie und deren Verwendung in einer Batterie offenbart worden, welche ein um einen Wärmeleitstab gewickeltes und/oder auf einem Wärmeleitstab aufgefaltetes Elektrodenpaket aufweist.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Batteriezelle sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung bereitzustellen, welche auf einfache und effiziente Weise den Wärmehaushalt innerhalb der Batteriezelle regelt und es ermöglicht, die Packungsdichte mehrerer Batteriezellen innerhalb eines Systems aus derartigen Zellen zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch eine Batteriezelle mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine erfindungsgemäße Batteriezelle zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühlvorrichtung aus wenigstens drei Wärmeleitstäben gebildet ist, wobei die wenigstens drei Wärmeleitstäbe derart ausgebildet und innerhalb des Zellgehäuses angeordnet sind, dass sie über einen Hauptteil ihrer Oberfläche mit dem Elektrodenpaket thermisch leitend in Kontakt stehen und dabei gleichzeitig eine Änderung der Wicklungsgeometrie des Elektrodenpaketes ermöglichen.
Eine derartige Batteriezelle ermöglicht nicht nur in wenigstens drei Teilbereichen der Zelle einen effizienten Wärmetransport vom Zellinneren, vorzugsweise entlang der Längsachse der Batteriezelle, nach außen, sondern erlaubt dabei auch vorteilhaft den Zellaufbau jeder einzelnen Batteriezelle hinsichtlich der individuellen Energiespeichereffizienz als auch der Packungsdichte innerhalb eines größeren Batteriesystems bzw. Verbundes zu erhöhen. So erlaubt eine Kühlvorrichtung aus drei, bezogen auf die Längsachse der Zelle zueinander in einem Winkel von 180° angeordnete, Wärmeleitstäbe, insbesondere von einer zylindrischen Wicklung der Elektroden im Inneren der Batteriezelle zu einer näherungsweise dreieckförmigen Wicklung der Elektroden am Außenrand der Batteriezelle zu wechseln, und auf diese Weise Batteriezellen mit dreieckförmigen Querschnitt des Zellengehäuses herzustellen. Batteriezellen mit Zellengehäusen, die plane Außenflächen aufweisen, lassen sich innerhalb eines größeren Batteriesystems vorteilhaft dicht zu größeren Einheiten packen. Das in einer erfindungsgemäßen Batteriezelle realisierte Kühlprinzip schließlich unterstützt dabei vorteilhaft eine schnelle und effiziente Wärmeabfuhr aus dem Zellinneren, insbesondere in radialer Ausrichtung, und ermöglicht auf diese Weise vorteilhaft eine gleichmäßige Wärmeabfuhr von mehreren parallel angeordneten Zellen in einem Verbund von Batteriezellen.
In einer erfindungsgemäß bevorzugten Ausgestaltung kann die Kühlvorrichtung dabei aus vier Wärmeleitstäben gebildet sein, welche näherungsweise in Form eines Vierecks innerhalb des Zellengehäuses angeordnet sind. Diese Anordnung der Wärmeleitstäbe ermöglicht vorteilhaft eine besonders gleichmäßige und schnelle Wärmeaufnahme verteilt über alle vier Quadranten der Batteriezelle. Zudem erlaubt es eine derartige Anordnung insbesondere von einer zylindrischen Wicklung der Elektroden im Inneren der Batteriezelle zu einer näherungsweise quadratischen Wicklung der Elektroden am Außenrand der Batteriezelle zu wechseln, und auf diese Weise Batteriezellen mit viereckigem Querschnitt des Zellengehäuses herzustellen. Batteriezellen mit Zellengehäusen, die plane Außenflächen aufweisen, lassen sich innerhalb eines größeren Batteriesystems vorteilhaft dicht zu größeren Einheiten packen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung hat sich bewährt, wenn die wenigstens drei Wärmeleitstäbe aus einem elektrisch nichtleitenden und thermisch gut leitenden Material gebildet sind. Wärmeleitstäbe aus einem thermisch gut leitenden Material ermöglichen vorteilhaft einen schnellen und effizienten Wärmetransport und eignen sich daher besonders zum Abtransport von Wärme aus dem Zellinneren also zur Zellkühlung.
Dabei ist es von Vorteil, wenn das elektrisch nichtleitende und thermisch gut leitende Material aus einem keramischen, bevorzugt Siliciumcarbid umfassenden, Grundwerkstoff besteht. Keramische Materialien, insbesondere Siliciumcarbid, lassen sich vergleichsweise einfach verarbeiten und weisen dabei vorteilhaft eine hohe Festigkeit, eine hohe Chemikalienbeständigkeit, sowie ein sehr gutes elektrisches Isoliervermögen auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Kühlvorrichtung, insbesondere die Wärmeleitstäbe, einteilig mit der Grundplatte ausgebildet, insbesondere hergestellt, sein. Eine einteilig mit einer Grundplatte ausgebildete Kühlvorrichtung, insbesondere einteilig mit einer Grundplatte hergestellte Wärmeleitstäbe, ermöglichen vorteilhaft eine gute (effiziente) Wärmeübertragung von der Kühlvorrichtung, insbesondere den Wärmeleitstäben auf die Grundplatte, und damit das effiziente Abführen von Wärme aus der Batteriezelle an die Umgebung.
Alternativ dazu kann die Kühlvorrichtung, insbesondere deren Wärmeleitstäbe, auch mehrteilig, mit direkter Wärmekopplung mit einer, vorzugsweise eine Temperiervorrichtung umfassenden, Grundplatte verbunden sein. Eine mehrteilige Ausgestaltung ermöglicht vorteilhaft die Herstellung der Kühlvorrichtung, insbesondere deren Wärmeleitstäbe, von der Herstellung der Grundplatte zu trennen.
Darüber hinaus hat sich eine Ausgestaltung bewährt, bei der die Grundplatte direkt mit einem Boden des Zellengehäuses thermisch leitend verbunden ist oder bei der die Grundplatte zugleich den Boden des Zellengehäuses bildet. Eine direkte thermisch leitende Verbindung der Grundplatte mit dem Boden des Zellgehäuses verbessert vorteilhaft den Abtransport der Wärme aus der jeweiligen Batteriezelle. Alternativ zu einem zweiteiligen Aufbau aus Grundblatte und Boden kann die Grundplatte zugleich auch den Boden des Zellgehäuses bilden und somit vorteilhaft Material einsparen.
Schließlich ist eine Ausgestaltung der Batteriezelle bevorzugt, bei der die Grundplatte aus einem elektrisch nichtleitenden und thermisch gut leitenden Material, insbesondere aus einem keramischen Grundwerkstoff, bevorzugt aus Siliciumcarbid, gebildet ist. Die hohe Festigkeit und hohe Chemikalienbeständigkeit derartiger Materialien erhöht die Stabilität der Batteriezelle und vergrößert dadurch vorteilhaft ihre Lebensdauer.
Ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Batteriezelle zeichnet sich schließlich dadurch aus, dass beim Wickeln eines Elektrodenpaketes die wenigstens drei Wärmeleitstäbe der Kühlvorrichtung nacheinander oder zeitgleich axial entlang eines Teilwickels des Elektrodenpaketes eingebracht werden und anschließend das gesamte Elektrodenpaket zu Ende gewickelt wird. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Batteriezelle wie zuvor beschrieben, lässt sich das Einbringen der Kühlvorrichtung, insbesondere deren Wärmeleitstäbe, leicht und preiswert in bestehende Fertigungsprozesse ohne Verursachung hoher Umbaukosten integrieren. Zusätzliche Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend an Hand bevorzugter Ausführungsbeispiele, auf welche die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, und in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Darin zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle in einer Draufsicht; Fig. 2 einen Verbund von Batteriezellen nach Fig. 1 in einer Draufsicht;
Fig. 3 eine perspektivische Seitenansicht einer Ausgestaltung einer mit einer Grundplatte verbundenen Kühlvorrichtung ohne Elektrodenpaket und Zellengehäuse; und
Fig. 4 in einer Seitenansicht eine Ausgestaltung der Batteriezelle aus Fig. 3 bei angehobenem Zellengehäuse.
Bei der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
Fig. 1 zeigt eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 in einer Draufsicht. Die Batteriezelle 1 umfasst wenigstens ein Zellengehäuse 3, eine, innerhalb des Zellengehäuses 3 angeordnete, Kühlvorrichtung 4 zur bezüglich einer Längsachse 31 (siehe Fig. 3 und 4) des Zellengehäuses 3 axialen Ausleitung von Wärme, und ein, innerhalb des Zellengehäuses 3 angeordnetes, Elektrodenpaket 5. Die Kühlvorrichtung 4 ist dabei aus wenigstens drei, oder wie hier gezeigt, aus vorzugsweise vier, Wärmeleitstäben 41 gebildet, welche derart ausgebildet und innerhalb des Zellgehäuses 3 angeordnet sind, dass sie über einen Hauptteil ihrer Oberflächen 41 1 und 412 mit den Oberflächen 510 und 520 des Elektrodenpakets 5 thermisch leitend in Kontakt stehen und dabei gleichzeitig eine Änderung der Wicklungsgeometrie des Elektrodenpaketes 5 ermöglichen. Wie in Fig. 1 dargestellt, können die Wärmeleitstäbe 41 dazu vorzugsweise in den vier Quadranten eines Vierecks angeordnet sein, wobei das Zentrum der Batteriezelle 1 , in welchem in Fig. 3 und 4 die Längsachse 31 der Zelle eingezeichnet ist, frei von einer Kühlvorrichtung 4, insbesondere frei von Wärmeleitstäben 41 , ausgebildet sein kann und somit lediglich einen inneren, insbesondere zylindrisch gewickelten, Teilwickel 51 des Elektrodenpakets 5 umfasst. Die Wärmeleitstäbe 41 sind dabei mit zwei äußeren Oberflächen 411 bevorzugt näherungsweise rechtwinklig gebaut und weisen im Übergang zueinander vorzugsweise eine abgerundete Ecke 413 auf. Es ist von Vorteil, wenn der Übergang der Oberflächen 411 der Wärmeleitstäbe 41 , die in Richtung Zellengehäuse 3 zeigen, einen vergleichsweise engen Bogen beschreibt und die innere Oberfläche 412 der Wärmeleitstäbe 41 , die in Richtung Zelleninneres, also zum Mittelpunkt der Batteriezelle 1 , zeigt, einen zum Umfang des inneren Teilwickels 51 korrespondierenden und damit vergleichsweise weiten Bogen beschreibt, sodass der innere Teilwickel 51 des Elektrodenpakets 5, welcher wie in Fig. 1 gezeigt, im Inneren der Batteriezelle 1 typischerweise zylindrisch gewickelt ist, beim Zusammentreffen mit der in Richtung Zelleninneres zeigenden inneren Oberfläche 412 der Wärmeleitstäbe 41 , vorzugsweise vollständig, mit seiner Oberfläche 510 in Kontakt treten kann und somit eine gute Wärmeübertragung vom inneren Teilwickel 51 des Elektrodenpakets 5 zur inneren Oberfläche 412 des Wärmeleitstabs 41 gewährleistet ist. Durch weiteres Umwickeln der Wärmeleitstäbe 41 tritt dann, wie zu sehen, auch die in Richtung Zellengehäuse 3 zeigenden äußeren Oberfläche 411 der Wärmeleitstäbe 41 mit den inneren Oberflächen 520 eines äußeren Teilwickels 52 des Elektrodenpaket 5 in Kontakt. Aufgrund der engeren Rundung 413 kann sich die Wicklungsgeometrie nun vorteilhaft von zylindrisch (mit kreisförmigem Durchmesser) zu einer, in diesem Fall, viereckigen Wicklungsgeometrie verändern.
Fig. 2 zeigt einen Verbund von Batteriezellen 1 nach Fig. 1 in einer Draufsicht. Wie zu sehen ist, ermöglichen Wicklungsgeometrien, welche die Bildung näherungsweise planer Außenseiten der Batteriezelle 1 erlauben, eine dichte Packung mehrerer Batteriezellen 1 zu einem Verbund, wobei der Freiraum zwischen den einzelnen Batteriezellen 1 im Gegensatz zur Packung zylindrischer Batteriezellen 1 vorteilhaft minimiert werden kann und die Energiedichte eines derartigen Moduls (Verbunds von Batteriezellen 1) im Vergleich zu Standardgeometrien existierender Rundzellen (z. B. im Format 18650 oder 21700) nicht verändert wird. In anderen, hier nicht dargestellten, Ausgestaltungen der Erfindung können auch drei Wärmestäbe 41 in Form eines Dreiecks im Inneren einer Batteriezelle 1 angeordnet sein und die Wicklungsgeometrie entsprechend von zylindrisch auf dreieckig verändert werden bzw. weitere mehreckige (fünfeckige, sechseckige, ... ) Anordnungen vorgesehen sein.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Seitenansicht einer Ausgestaltung einer mit einer Grundplatte 32 verbundenen Kühlvorrichtung 4 ohne Elektrodenpaket 5 und Zellengehäuse 3 zur deutlicheren Darstellung der Kühlvorrichtung 4, insbesondere deren Wärmleitstäbe 41. Die Wärmeleitstäbe 41 erstrecken sich vorzugsweise stiftförmig, entlang einer Längsachse 31 der Batteriezelle 1 , weitgehend über die gesamte Höhe der Batteriezelle 1 , sodass vorteilhaft über die gesamte Höhe eine gleichmäßige Wärmeabfuhr gewährleistet ist, wobei die Wärme vorteilhaft entlang der Längsachse 31 der Batteriezelle 1 zu einer Grundplatte 32 und/oder zu einem Boden 33 der Batteriezelle 1 abgeführt wird. Die Grundplatte 32 kann dabei, wie dargestellt, direkt mit dem Boden 33 des Zellengehäuses 3 thermisch leitend verbunden sein oder aber selbst den Boden 33 des Zellengehäuses (3) bilden. Zudem ist es von Vorteil, wenn der Boden 33 und/oder die Grundplatte 32 eine Temperiervorrichtung 2 umfasst, welche eine weitere Wärmeabfuhr an die Umgebung erleichtert. Eine solche Temperiervorrichtung 2 kann beispielsweise durch eine Verdampferplatte gebildet sein, welche die Zellwärme durch ein flüssiges Wärmeleitmedium am Boden 33 der Batteriezelle 1 aufnimmt, das Wärmeleitmedium verdampft und durch einen Kühlkreislauf in einen Kondensationsbereich überführt und dort die Zellwärme durch Kondensation des Wärmeleitmediums an die Umgebung abgibt. Die wenigstens drei, oder wie hier gezeigt vier, Wärmeleitstäbe 41 sind vorzugsweise aus einem elektrisch nichtleitenden und thermisch gut leitenden Material gebildet, wobei das elektrisch nichtleitenden und thermisch gut leitenden Material bevorzugt aus einem keramischen Grundwerkstoff, wie insbesondere Siliciumcarbid, bestehen kann. Alternativ dazu können die Wärmeleitstäbe 41 auch einen Kern aus einem metallischen Material, wie vorzugsweise Kupfer oder einem Nichteisen (NE)-Metall wie Aluminium, umfassen und an ihrer Oberfläche 41 1 mit einer, insbesondere oxidisch aufgebrachten, elektrischen Isolationsschicht versehen sein (nicht gezeigt).
In Fig. 4 ist schließlich in einer Seitenansicht eine Ausgestaltung der Batteriezelle 1 aus Fig. 3 bei angehobenem Zellengehäuse 3 gezeigt. Zur besseren Übersichtlichkeit ist auch hier das Elektrodenpaket 5 nicht dargestellt. Die Kühlvorrichtung 4, insbesondere deren Wärmeleitstäbe 41 , ist vorzugsweise einteilig mit der Grundplatte 32 ausgebildet. Alternativ dazu kann die Kühlvorrichtung 4, insbesondere deren Wärmeleitstäbe 41 , auch mehrteilig, mit direkter Wärmekopplung mit der Grundplatte 32 verbunden sein. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn die Grundplatte 32 aus einem elektrisch nichtleitenden und thermisch gut leitenden Material, insbesondere aus einem keramischen Grundwerkstoff, bevorzugt aus Siliciumcarbid, gebildet ist. Ist sowohl die Kühlvorrichtung 4, insbesondere deren Wärmeleitstäbe 41 , als auch die Grundplatte 32 aus demselben elektrisch nichtleitenden und thermisch gut leitenden Material, vorzugsweise einem keramischen Grundwerkstoff, wie bspw. Siliciumcarbid, gebildet, bietet dies insbesondere aufgrund gleicher Wärmeausdehnungskoeffizienten bautechnische Vorteile und erhöht vorteilhaft die Lebensdauer der Batteriezelle 1.
Zur Herstellung einer derartigen Batteriezelle 1 werden beim Wickeln eines Elektrodenpaketes (5) die wenigstens drei Wärmeleitstäbe 41 der Kühlvorrichtung 4 nacheinander oder zeitgleich axial entlang eines inneren Teilwickels 51 des Elektrodenpaketes 5 eingebracht, beispielsweise eingeschoben, und anschließend das gesamte Elektrodenpaket 5, entsprechend der durch die Anzahl und Form der Wärmeleitstäbe 41 vorgegebenen Wicklungsgeometrie zu Ende gewickelt. Dadurch kann das in der erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 offenbarte Kühlprinzip vorteilhaft in bestehende Fertigungsprozesse für Batteriezellen ohne das Verursachen von hohen Umbaukosten integriert werden. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle 1 wenigstens umfassend: ein Zellengehäuse 3, eine, innerhalb des Zellengehäuses 3 angeordnete, Kühlvorrichtung 4 zur bezüglich einer Längsachse 31 des Zellengehäuses 3 axialen Ausleitung von Wärme, und ein, innerhalb des Zellengehäuses 3 angeordnetes, Elektrodenpaket 5, welche sich dadurch auskennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung 4 aus wenigstens drei Wärmeleitstäben 41 gebildet ist, wobei die wenigstens drei Wärmeleitstäbe 41 derart ausgebildet und innerhalb des Zellgehäuses 3 angeordnet sind, dass sie über einen Hauptteil ihrer Oberflächen 411 und 412 mit den Oberflächen 510 und 520 des Elektrodenpakets 5 thermisch leitend in Kontakt stehen und dabei gleichzeitig eine Änderung der
Wicklungsgeometrie des Elektrodenpaketes 5 ermöglichen. Die Erfindung betrifft auch ein Herstellungsverfahren für eine solche Batteriezelle 1. Diese ermöglicht nicht nur einen effizienten Wärmetransport vom Zellinneren, vorzugsweise entlang der Längsachse 31 , nach außen, sondern erlaubt dabei auch vorteilhaft den Zellaufbau jeder einzelnen Batteriezelle 1 hinsichtlich der individuellen
Energiespeichereffizienz als auch der Packungsdichte innerhalb eines größeren Batteriesystems zu erhöhen.
Bezugszeichenliste
Batteriezelle
Temperiervorrichtung
Zellengehäuse
Längsachse
Grundplatte
Boden
Kühlvorrichtung
Wärmeleitstab
äußere Oberfläche des Wärmeleitstabs 41
innere Oberfläche des Wärmeleitstabs 41
Rundung zwischen den äußeren Oberflächen 411 des Wärmeleitstabs 41
Elektrodenpaket
innerer Teilwickel des Elektronenpakets 5
äußerer Teilwickel des Elektronenpakets 5
äußere Oberfläche des inneren Teilwickels 51
innere Oberfläche des äußeren Teilwickels 52

Claims

Patentansprüche
1. Batteriezelle (1) wenigstens umfassend:
ein Zellengehäuse (3),
eine, innerhalb des Zellengehäuses (3) angeordnete, Kühlvorrichtung (4) zur bezüglich einer Längsachse (31) des Zellengehäuses (3) axialen Ausleitung von Wärme, und ein, innerhalb des Zellengehäuses (3) angeordnetes, Elektrodenpaket (5),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlvorrichtung (4) aus wenigstens drei Wärmeleitstäben (41) gebildet ist,
wobei die wenigstens drei Wärmeleitstäbe (41) derart ausgebildet und innerhalb des Zellgehäuses (3) angeordnet sind, dass sie über einen Hauptteil ihrer Oberfläche (411) mit dem Elektrodenpaket (5) thermisch leitend in Kontakt stehen und dabei gleichzeitig eine Änderung der Wicklungsgeometrie des Elektrodenpaketes (5) ermöglichen.
2. Batteriezelle (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (4) aus vier Wärmeleitstäben (41) gebildet ist, welche näherungsweise in Form eines Vierecks innerhalb des Zellengehäuses (2) angeordnet sind.
3. Batteriezelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens drei Wärmeleitstäbe (41) aus einem elektrisch nichtleitenden und thermisch gut leitenden Material gebildet sind.
4. Batteriezelle (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch nichtleitende und thermisch gut leitende Material aus einem keramische Grundwerkstoff besteht.
5. Batteriezelle (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Grundwerkstoff Siliciumcarbid umfasst.
6. Batteriezelle (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (4), insbesondere deren Wärmeleitstäbe (41), einteilig mit einer Grundplatte (32) ausgebildet sind.
7. Batteriezelle (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (4), insbesondere deren Wärmeleitstäbe (41), mehrteilig, mit direkter Wärmekopplung mit einer, vorzugsweise eine Temperiervorrichtung (2) umfassenden, Grundplatte (32) verbunden sind.
8. Batteriezelle (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Grundplatte (32) direkt mit einem Boden (33) des Zellengehäuses (3) thermisch leitend verbunden ist, oder dass die Grundplatte (32) zugleich den Boden (33) des Zellengehäuses (3) bildet.
9. Batteriezelle (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (32) aus einem elektrisch nichtleitenden und thermisch gut leitenden Material, insbesondere aus einem keramischen Grundwerkstoff, bevorzugt aus Siliciumcarbid, gebildet ist.
10. Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Wickeln eines Elektrodenpaketes (5) die wenigstens drei Wärmeleitstäbe (41) der
Kühlvorrichtung (4) nacheinander oder zeitgleich axial entlang eines inneren Teilwickels (51) des Elektrodenpaketes (5) eingebracht werden und anschließend das gesamte Elektrodenpaket (5) zu Ende gewickelt wird.
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