DE102012018128A1 - Single cell e.g. lithium ion cell, for use in elliptic column-type non-aqueous electrolyte battery for electric car, has electrode film arrangement pressed against wall of cell housing by elastic element that is designed as hollow body - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8 und ein Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.The invention relates to a single cell for a battery according to the features of the preamble of
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
In der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Einzelzelle für eine Batterie, eine verbesserte Batterie und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle für eine Batterie anzugeben.The invention has for its object to provide an improved single cell for a battery, an improved battery and an improved method for producing a single cell for a battery.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Einzelzelle für eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und ein Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle für eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 10.The object is achieved by a single cell for a battery having the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Eine Einzelzelle für eine Batterie, d. h. für einen elektrochemischen Energiespeicher und/oder Energiewandler, umfasst ein Zellgehäuse, in welchem eine Elektrodenfolienanordnung und zumindest ein elastisches Element angeordnet sind, wobei durch das zumindest eine elastische Element die Elektrodenfolienanordnung gegen zumindest eine Gehäusewand des Zellgehäuses gepresst ist.A single cell for a battery, i. H. for an electrochemical energy store and / or energy converter, comprises a cell housing in which an electrode foil arrangement and at least one elastic element are arranged, wherein the electrode foil arrangement is pressed against at least one housing wall of the cell housing by the at least one elastic element.
Erfindungsgemäß ist das zumindest eine elastische Element als ein fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper ausgebildet oder weist zumindest einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper auf.According to the invention, the at least one elastic element is designed as a fluid-tight gas-filled hollow body or has at least one fluid-tight gas-filled hollow body.
Die Elektrodenfolienanordnung ist durch Lagen aus Kathodenfolien und Anodenfolien, d. h. bei einer Lithium-Ion-Zellchemie aus Lagen beschichteter Aluminiumfolien und Kupferfolien, gebildet, die jeweils durch Lagen eines Separators getrennt sind. Dabei sind beispielsweise einzelne Blätter aus Kathodenfolien, Anodenfolien und Separatoren gestapelt oder es sind Bänder aus diesen gewickelt, vorzugsweise flachgewickelt, oder ein bandförmig ausgebildeter Separator ist in Z-Form gefaltet und die Kathodenfolienblätter bzw. Anodenfolienblätter sind seitlich in sich durch die Z-Form bildende Taschen eingeschoben. Die Anodenfolien und Kathodenfolien sind an mindestens einem Rand unbeschichtet und ragen aus der Elektrodenfolienanordnung in Form von Stromableiterfahnen heraus, die mit entsprechenden Bauteilen zur Stromabgabe bzw. -einleitung an einer Gehäuseaußenseite verbunden sind.The electrode foil assembly is formed by layers of cathode foils and anode foils, i. H. in lithium-ion cell chemistry, layers of coated aluminum foils and copper foils are formed, each separated by layers of a separator. In this example, individual sheets of cathode sheets, anode foils and separators are stacked or tapes are wound from these, preferably flat wound, or a strip-shaped separator is folded in Z-shape and the cathode foil sheets or anode foil sheets are laterally in itself by the Z-forming Pockets inserted. The anode foils and cathode foils are uncoated at at least one edge and protrude out of the electrode foil assembly in the form of current collector tabs which are connected to respective components for current delivery to an outside of the housing.
Für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Einzelzelle ist die Elektrodenfolienanordnung mit einer vorgegebenen Kraft zu verpressen, damit beispielsweise ein erforderlicher Abstand der Kathodenfolien, Anodenfolien und Separatoren zueinander in der Elektrodenfolienanordnung eingestellt ist. Bei einem Befüllen der Einzelzelle mit einem Elektrolyt, bei einer Formierung der Einzelzelle sowie in Abhängigkeit von einem Ladezustand und einem Alterungszustand der Einzelzelle sowie in Abhängigkeit von einer Temperatur der Einzelzelle ändert sich eine Dicke der Elektrodenfolienanordnung.For proper operation of the single cell, the electrode foil assembly is to be pressed with a predetermined force so that, for example, a required distance of the cathode foils, anode foils and separators to one another in the electrode foil arrangement is set. When the individual cell is filled with an electrolyte, when a single cell is formed and as a function of a state of charge and an aging state of the individual cell, as well as in dependence on a temperature of the single cell, a thickness of the electrode foil arrangement changes.
Durch das zumindest eine elastische Element, welches als ein fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper ausgebildet ist oder zumindest einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper aufweist, sind derartige Dickenänderungen der Elektrodenfolienanordnung auf einfache und kostengünstige Weise zu kompensieren. Das elastische Element verpresst die Elektrodenfolienanordnung in der Einzelzelle auf vorgegebene Weise nach dem Prinzip einer Gasfeder oder Luftfeder. Dabei ist eine Federrate und eine Dicke des elastischen Elementes und dadurch eine Presswirkung auf die Elektrodenfolienanordnung durch eine entsprechende Ausbildung des elastischen Elementes und/oder durch eine Befüllung des elastischen Elementes mit einer vorgegebenen Menge eines Gases, beispielsweise Luft, getrocknete Luft oder ein Inertgas, zum Beispiel Stickstoff oder Argon, vorzugeben und dadurch auf einfache Weise hinreichend genau einzustellen. Dabei ist für das derart ausgebildete elastische Element nur ein sehr geringer Bauraum in der Einzelzelle erforderlich, so dass die Einzelzelle gegenüber anderen, aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen kompakter auszubilden ist.By means of the at least one elastic element which is designed as a fluid-tight gas-filled hollow body or at least has a fluid-tight gas-filled hollow body, such changes in thickness of the electrode foil arrangement can be compensated in a simple and cost-effective manner. The elastic element compresses the electrode foil arrangement in the individual cell in a predetermined manner according to the principle of a gas spring or air spring. In this case, a spring rate and a thickness of the elastic element and thereby a pressing action on the electrode foil arrangement by a corresponding design of the elastic element and / or by a filling of the elastic element with a predetermined amount of a gas, for example air, dried air or an inert gas, for example nitrogen or argon, pretending and thereby sufficient in a simple manner to adjust exactly. In this case, only a very small space in the single cell is required for the thus formed elastic element, so that the single cell is more compact than other solutions known from the prior art.
Das elastische Element ermöglicht im Vergleich zu anderen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, beispielsweise elastischen Zellgehäusen, welche jedoch nur bei relativ geringen Dickenänderungen der Elektrodenfolienanordnung und nur bei flachen Einzelzellen einsetzbar sind, einen Ausgleich auch größerer Dickenänderungen der Elektrodenfolienanordnung in der Einzelzelle. Eine andere aus dem Stand der Technik bekannte Lösung ist ein Einsatz eines Vlieses. Diese Vliese führen jedoch zu einem wesentlich höheren Bauraumbedarf als bei der erfindungsgemäßen Lösung, da nur ein Teil einer Dicke des Vlieses zur Kompensation der Dickenänderungen der Elektrodenfolienanordnung zur Verfügung steht, denn ein möglicher Kompensationsweg des Vlieses entspricht der Differenz aus einer Dicke des Vlieses in einem unverpressten Zustand und einer Dicke des Vlieses in einem vollständig verpressten Zustand. Derartige Vliese neigen zudem unter Einwirkung einer Druckkraft zum Setzen, d. h. zu einer plastischen Verformung, woraus eine Reduzierung einer von dem Vlies auf die Elektrodenfolienanordnung einwirkenden Presskraft resultiert. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Lösung mit dem elastischen Element, welches zumindest einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper aufweist oder als ein derartiger fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper ausgebildet ist, nicht der Fall. Des Weiteren saugen sich derartige aus dem Stand der Technik bekannte Vliese mit Elektrolyt voll, so dass eine größere Menge Elektrolyt in der Einzelzelle erforderlich ist. Dies führt zu einem höheren Gewicht der aus dem Stand der Technik bekannten Einzelzelle gegenüber der erfindungsgemäß ausgebildeten Einzelzelle.The elastic element makes it possible, in comparison to other solutions known from the prior art, for example elastic cell housings, which can be used only with relatively small changes in thickness of the electrode foil arrangement and only in the case of flat individual cells, to compensate for larger changes in thickness of the electrode foil arrangement in the single cell. Another solution known from the prior art is the use of a fleece. However, these webs lead to a much higher space requirement than in the inventive solution, since only a portion of a thickness of the web to compensate for changes in thickness of the electrode foil arrangement is available, because a possible compensation path of the web corresponds to the difference of a thickness of the web in a non-compressed Condition and a thickness of the web in a fully compressed state. Such nonwovens also tend to set under the action of a compressive force, d. H. resulting in a plastic deformation, resulting in a reduction of a pressing force acting from the nonwoven to the electrode foil assembly. This is not the case with the inventive solution with the elastic element, which has at least one fluid-tight gas-filled hollow body or is designed as such a fluid-tight gas-filled hollow body. Furthermore, such known from the prior art nonwovens suck with electrolyte full, so that a larger amount of electrolyte in the single cell is required. This leads to a higher weight of the single cell known from the prior art compared to the single cell designed according to the invention.
Die geschilderten Nachteile des Standes der Technik bezüglich der plastischen Verformung des elastischen Elementes im Verlauf einer Lebensdauer der Einzelzelle mit einem daraus resultierenden Presskraftverlust auf die Elektrodenfolienanordnung, bezüglich des Hineinlaufens von Elektrolyt in einen von dem elastischen Element umschlossenen Innenraum, welches dann nicht effektiv von der Einzelzelle zur elektrochemischen Energiespeicherung und/oder -wandlung zu nutzen ist und ein höheres Gewicht der Einzelzelle bedeutet, sowie bezüglich eines großen erforderlichen Bauraums treffen auch auf das aus dem Stand der Technik bekannte, als gebogenes Metallteil ausgebildete elastische Element zu.The described disadvantages of the prior art with respect to the plastic deformation of the elastic element over a lifetime of the single cell with a resulting loss of pressing force on the electrode foil assembly, with respect to the entry of electrolyte into an enclosed by the elastic element interior, which then not effective from the single cell is to be used for electrochemical energy storage and / or conversion and a higher weight of the single cell means, and with respect to a large required space to meet also known from the prior art, designed as a bent metal part elastic element.
Die Einzelzelle ist vorteilhafterweise als eine Flachzelle ausgebildet, beispielsweise als eine so genannte Hardcase-Zelle, bei welcher ein elektrochemisch aktiver Inhalt, d. h. insbesondere die Elektrodenfolienanordnung und ein Elektrolyt, von einem im Wesentlichen starren und größtenteils metallischen Zellgehäuse umgeben ist. Diese Hardcase-Zellen können beispielsweise als bipolare Rahmenflachzellen oder als so genannte prismatische Hardcase-Zellen ausgebildet sein.The single cell is advantageously designed as a flat cell, for example as a so-called hardcase cell, in which an electrochemically active content, d. H. in particular, the electrode foil arrangement and an electrolyte is surrounded by a substantially rigid and mostly metallic cell housing. These hardcase cells can be designed, for example, as bipolar frame flat cells or as so-called prismatic hardcase cells.
Zweckmäßigerweise ist das zumindest eine elastische Element aus Kunststoff ausgebildet, insbesondere aus einem elektrolytbeständigen Kunststoff, beispielsweise aus Polypropylen (PP) oder Polyethylenterephthalat (PET). Dadurch ist eine Beschädigung des elastischen Elementes durch den Elektrolyten vermieden, so dass die durch das elastische Element auf die Elektrodenfolienanordnung wirkende Presskraft über eine gesamte Lebensdauer der Einzelzelle sichergestellt ist.Conveniently, the at least one elastic element is made of plastic, in particular of an electrolyte-resistant plastic, for example of polypropylene (PP) or polyethylene terephthalate (PET). As a result, damage to the elastic element by the electrolyte is avoided, so that the force acting on the electrode foil assembly by the elastic member pressing force is ensured over a lifetime of the single cell.
Das elastische Element ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform als ein kissenartiger Hohlkörper ausgebildet. Dies ist eine besonders Bauraum sparende Lösung. Das elastische Element ist in dieser Ausführungsform beispielsweise aus einem Schlauch ausgebildet, welcher eine geringe Wandstärke aufweist. Nach dem Befüllen mit dem Gas sind Enden des Schlauchs stoff-, form- und/oder kraftschlüssig zu verschließen, bevorzugt zu verschweißen. Auf diese Weise ist das elastische Element einteilig ausgebildet und weist lediglich zwei Verschlussstellen auf, welche vorzugsweise durch Verschweißen zu verschließen sind. Dies ermöglicht ein besonders stabiles und fluiddichtes elastisches Element. Alternativ ist das elastische Element in dieser Ausführungsform beispielsweise durch zwei aufeinander angeordnete und an umlaufenden Seitenrändern stoff-, form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbundene, bevorzugt miteinander verschweißte Folien auszubilden, wobei ein vollständiger Verschluss natürlich erst nach dem Befüllen mit dem Gas erfolgt. Eine weitere Möglichkeit der Ausbildung des elastischen Elementes dieser Ausführungsform ist ein gezieltes Falten einer Folie derart, dass diese einen Hohlraum umschließt. Diese gefaltete Folie ist dann an drei Seiten stoff-, form- und/oder kraftschlüssig zu verschließen, beispielsweise durch verschweißen. Eine vierte Seite ist durch das Falten der Folie bereits verschlossen. Das vollständige Verschließen erfolgt natürlich auch hier erste nach dem Befüllen mit dem Gas. Auch dieses elastische Element ist einteilig ausgebildet, so dass ein besonders stabiles und fluiddichtes elastisches Element ermöglicht ist.The elastic element is formed in a particularly advantageous embodiment as a pillow-like hollow body. This is a particularly space-saving solution. The elastic element is formed in this embodiment, for example, from a hose which has a small wall thickness. After filling with the gas ends of the tube material, form and / or non-positively close, preferably to be welded. In this way, the elastic element is formed in one piece and has only two closure points, which are preferably closed by welding. This allows a particularly stable and fluid-tight elastic element. Alternatively, the elastic element in this embodiment, for example, by two mutually superimposed and on peripheral side edges material, form and / or non-positively interconnected, preferably welded together form a complete closure of course only after filling with the gas. Another possibility of forming the elastic element of this embodiment is a targeted folding of a film such that it encloses a cavity. This folded film is then material, form and / or non-positively close on three sides, for example by welding. A fourth page is already closed by the folding of the film. The complete closing of course also takes place here first after filling with the gas. Also, this elastic element is integrally formed, so that a particularly stable and fluid-tight elastic element is made possible.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das zumindest eine elastische Element aus einem geschlossenporigen Schaumstoff ausgebildet. Bei diesem Schaumstoff bilden dessen geschlossene Poren oder Blasen, in welchen jeweils ein Gas eingeschlossen ist, jeweils einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper, d. h. das elastische Element weist dann eine Mehrzahl fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper auf. Der geschlossenporige Schaumstoff ist zweckmäßigerweise ein aufgeschäumter und dadurch elastischer Kunststoff, beispielsweise Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polyurethan (PU) oder Polystyrol (PS). Das Gas in den Poren oder Blasen des Schaumstoffs bildet sich bereits während einer Herstellung des Schaumstoffs, d. h. während eines Aufschäumens des Kunststoffs, durch eine chemische Reaktion und/oder wird dem Kunststoff während der Herstellung des Schaumstoffs zugesetzt, um den Kunststoff aufzuschäumen. In a further advantageous embodiment, the at least one elastic element is formed from a closed-cell foam. In this foam whose closed pores or bubbles, in each of which a gas is enclosed, each form a fluid-tight gas-filled hollow body, that is, the elastic element then has a plurality of fluid-tight gas-filled hollow body. The closed-cell foam is expediently a foamed and therefore elastic plastic, for example polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polyurethane (PU) or polystyrene (PS). The gas in the pores or bubbles of the foam already forms during manufacture of the foam, ie during foaming of the plastic, by a chemical reaction and / or is added to the plastic during manufacture of the foam to foam the plastic.
Vorzugsweise entspricht eine flächige Ausdehnung des zumindest einen elastischen Elementes im Wesentlichen einer flächigen Ausdehnung zumindest von Anoden und/oder Kathoden der Elektrodenfolienanordnung oder einer flächigen Ausdehnung der gesamten Elektrodenfolienanordnung, d. h. auch von Bereichen, welche nicht als Anoden oder Kathoden verwendet werden. Auf diese Weise deckt das elastische Element eine gesamte Fläche der Elektrodenfolienanordnung oder zumindest eine gesamte Fläche der Anoden und/oder Kathoden ab, so dass eine gleichmäßige vollflächige Presswirkung des elastischen Elementes auf die Elektrodenfolienanordnung erreicht ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass vorgegebene Abstände zwischen den Lagen der Anodenfolien, Kathodenfolien und Separatoren während einer gesamten Lebensdauer der Einzelzelle einhaltbar sind und über eine gesamte flächige Ausdehnung der Elektrodenfolienanordnung konstant sind. Dies ermöglicht eine optimale Funktion der Einzelzelle.Preferably, a planar expansion of the at least one elastic element substantially corresponds to a planar expansion of at least one of anodes and / or cathodes of the electrode foil arrangement or a planar extension of the entire electrode foil arrangement, i. H. also of areas which are not used as anodes or cathodes. In this way, the elastic element covers an entire area of the electrode foil arrangement or at least an entire area of the anodes and / or cathodes, so that a uniform full-surface pressing action of the elastic element on the electrode foil arrangement is achieved. In this way, it is ensured that predetermined distances between the layers of the anode foils, cathode foils and separators can be maintained during a lifetime of the individual cell and are constant over a total areal extent of the electrode foil arrangement. This allows optimal functioning of the single cell.
Bevorzugt ist das zumindest eine elastische Element in der Elektrodenfolienanordnung angeordnet. Es ist zwar auch möglich, das zumindest eine elastische Element zwischen dem Zellgehäuse und der Elektrodenfolienanordnung anzuordnen, insbesondere bei Einzelzellen, bei welchen das Zellgehäuse oder zumindest Teile des Zellgehäuses metallisch ausgebildet sind und aufgrund einer daraus resultierenden guten Wärmeleitfähigkeit einer Temperierung der Einzelzelle dienen, d. h. einer Kühlung und/oder Beheizung der Einzelzelle, ist die Ausführungsform, in welcher das zumindest eine elastische Element in der Elektrodenfolienanordnung angeordnet ist, jedoch besonders vorteilhaft, da bei dieser Ausführungsform die Elektrodenfolienanordnung möglichst großflächig mittels des elastischen Elementes gegen das Zellgehäuse, d. h. gegen eine oder mehrere Gehäusewände des Zellgehäuses gepresst ist, so dass dadurch eine Wärmeübertragung von der Elektrodenfolienanordnung auf das Zellgehäuse, um Wärme aus der Einzelzelle abzuführen, oder vom Zellgehäuse auf die Elektrodenfolienanordnung, um Wärme aufzunehmen, optimiert ist.Preferably, the at least one elastic element is arranged in the electrode foil arrangement. Although it is also possible to arrange the at least one elastic element between the cell housing and the electrode foil arrangement, in particular in single cells, in which the cell housing or at least parts of the cell housing are metallic and serve due to a resulting good thermal conductivity of a temperature of the single cell, d. H. a cooling and / or heating of the single cell, the embodiment in which the at least one elastic element is arranged in the electrode foil arrangement, but particularly advantageous because in this embodiment, the electrode foil arrangement as large as possible by means of the elastic element against the cell housing, d. H. is pressed against one or more housing walls of the cell housing, thereby optimizing heat transfer from the electrode foil assembly to the cell housing to dissipate heat from the single cell or from the cell housing to the electrode foil assembly to absorb heat.
Da das elastische Element in der Elektrodenfolienanordnung und nicht zwischen der Elektrodenfolienanordnung und dem Zellgehäuse angeordnet ist, sind keine Bereiche des Zellgehäuses durch das elastische Element verdeckt, d. h. es ist kein Bereich des Zellgehäuses durch das elastische Element gegenüber der Elektrodenfolienanordnung thermisch isoliert. Um mittels des zumindest einen elastischen Elementes eine optimal verteilte Presskraft auf die Elektrodenfolienanordnung auszuüben, ist das zumindest eine elastische Element vorzugsweise mittig in der Elektrodenfolienanordnung angeordnet, so dass in alle Richtungen oder zumindest in den Richtungen von Normalenvektoren von durch die Anoden und Kathoden aufgespannten Flächen, d. h. senkrecht zu diesen Flächen und in Richtung des Zellgehäuses, die gleiche Presskraft auf die Anodenfolien, Kathodenfolien und Separatoren einwirkt und diese gleichmäßig in Richtung des Zellgehäuses verpresst.Since the elastic member is disposed in the electrode foil assembly and not between the electrode foil assembly and the cell case, no portions of the cell case are hidden by the elastic member, i. H. no area of the cell housing is thermally insulated from the electrode foil arrangement by the elastic element. In order to exert an optimally distributed pressing force on the electrode foil arrangement by means of the at least one elastic element, the at least one elastic element is preferably arranged centrally in the electrode foil arrangement, so that in all directions or at least in the directions of normal vectors of surfaces defined by the anodes and cathodes, d. H. perpendicular to these surfaces and in the direction of the cell housing, the same pressing force acts on the anode foils, cathode foils and separators and presses them evenly in the direction of the cell housing.
Vorzugsweise weist eine Hülle des zumindest einen elastischen Elementes eine Diffusionssperrschicht auf. Die Diffusionssperrschicht ist zweckmäßigerweise aus Metall ausgebildet, zum Beispiel als eine Metallbeschichtung oder eine Metallfolie, beispielsweise aus Aluminium, welche in die Hülle eingebracht oder auf die Hülle aufgebracht ist, d. h. auf eine Innenseite und/oder Außenseite der Hülle. Bei der Ausführungsform des als kissenartiger Hohlkörper ausgebildeten elastischen Elementes ist beispielsweise die Metallfolie, zum Beispiel Aluminiumfolie, in eine Kunststofffolie zur Ausbildung des kissenartigen Hohlkörpers einlaminiert und/oder auf eine Innenseite oder Außenseite der Kunststofffolie auflaminiert oder die Kunststofffolie ist auf der Innenseite und/oder Außenseite mit Metall beschichtet. Bei der Ausführungsform des aus dem geschlossenporigen Schaumstoff ausgebildeten elastischen Elementes kann beispielsweise eine äußere Oberfläche des elastischen Elementes mit Metall beschichtet sein oder mit einer Metallfolie umhüllt sein. Auch Diffusionssperrschichten aus einem anderen Material sind möglich.A shell of the at least one elastic element preferably has a diffusion barrier layer. The diffusion barrier layer is expediently formed of metal, for example as a metal coating or a metal foil, for example of aluminum, which is introduced into the shell or applied to the shell, d. H. on an inside and / or outside of the shell. In the embodiment of the elastic element formed as a pillow-like hollow body, for example, the metal foil, for example aluminum foil, laminated in a plastic film to form the pillow-like hollow body and / or laminated to an inside or outside of the plastic film or the plastic film is on the inside and / or outside coated with metal. In the embodiment of the elastic member formed of the closed-cell foam, for example, an outer surface of the elastic member may be metal-coated or wrapped with a metal foil. Diffusion barrier layers of another material are also possible.
Vorteilhafterweise ist ein Innendruck im Zellgehäuse geringer als ein Umgebungsdruck der Einzelzelle. D. h. ein Zellinneres der Einzelzelle weist einen Unterdruck auf. Dies ist beispielsweise durch ein so genanntes Evakuieren der Einzelzelle vor einem fluiddichten, insbesondere gasdichten Verschließen des Zellgehäuses zu erreichen. Hierbei sind Gase, beispielsweise Luft, aus Hohlräumen der Einzelzelle abzusaugen, welche nach einem Befüllen des Gehäuses mit allen Bestandteilen, d. h. insbesondere mit der Elektrodenfolienanordnung und dem Elektrolyt, zunächst noch in der Einzelzelle verbleiben. Durch diesen Unterdruck bzw. durch einen Überdruck in der äußeren Umgebung der Einzelzelle ist ein Gegendruck durch das Zellgehäuse ermöglicht, welcher dem durch das zumindest eine elastische Element ausgeübten Druck bzw. der Presskraft des zumindest einen elastischen Elementes auf die Elektrodenfolienanordnung entgegenwirkt, so dass die Elektrodenfolienanordnung auf vorgegebene Weise verpresst ist.Advantageously, an internal pressure in the cell housing is lower than an ambient pressure of the single cell. Ie. a cell interior of the single cell has a negative pressure. This can be achieved for example by a so-called evacuation of the individual cell before a fluid-tight, in particular gas-tight sealing of the cell housing. Here, gases, for example air, to be sucked out of cavities of the single cell, which after filling the Housing with all components, ie in particular with the electrode foil assembly and the electrolyte, initially still remain in the single cell. By this negative pressure or by an overpressure in the outer environment of the single cell, a back pressure through the cell housing is made possible, which counteracts the pressure exerted by the at least one elastic element pressure or the pressing force of the at least one elastic element on the electrode foil arrangement, so that the electrode foil arrangement is pressed in a predetermined manner.
Der Unterdruck im Zellgehäuse bzw. der Überdruck in der Umgebung des Zellgehäuses gegenüber einem Innenraum im Zellgehäuse zieht bzw. drückt Gehäusewände des Zellgehäuses nach innen, in Richtung der Elektrodenfolienanordnung, und erhöht auf diese Weise deren Steifigkeit. Dieses Evakuieren der Einzelzelle ist besonders vorteilhaft, wenn das Zellgehäuse nicht ausreichend steif ist, so dass es sich durch die Presskraft des zumindest einen elastischen Elementes plastisch und/oder elastisch verformen würde, d. h. der Presskraft nachgeben würde und sich nach außen verformen würde. Einer derartigen Verformung nach außen wirkt der Unterdruck im Zellgehäuse und der daraus resultierende Überdruck einer äußeren Umgebung des Zellgehäuses, welcher auf das Zellgehäuse einwirkt, entgegen, so dass sich das Zellgehäuse nicht verformt oder sich nach innen verformt, in Richtung der Elektrodenfolienanordnung.The negative pressure in the cell housing or the overpressure in the vicinity of the cell housing relative to an interior in the cell housing pulls or presses housing walls of the cell housing inwards, in the direction of the electrode foil arrangement, and thus increases their rigidity. This evacuation of the single cell is particularly advantageous if the cell housing is not sufficiently rigid, so that it would deform plastically and / or elastically by the pressing force of the at least one elastic element, d. H. the press force would give and would deform outward. Such an outward deformation counteracts the negative pressure in the cell housing and the resulting overpressure of an external environment of the cell housing, which acts on the cell housing, so that the cell housing does not deform or deform inwardly in the direction of the electrode foil arrangement.
Eine erfindungsgemäße Batterie, d. h. ein erfindungsgemäßer elektrochemischer Energiespeicher und/oder Energiewandler, umfasst zumindest einen Zellverbund mit einer Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter derartiger Einzelzellen. Die Batterie ist vorzugsweise eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Batterie für ein Hybridfahrzeug, für ein Brennstoffzellenfahrzeug oder für ein Elektrofahrzeug. Die Batterie ist zweckmäßigerweise eine so genannte Hochvoltbatterie. Die zur erfindungsgemäßen Einzelzelle geschilderten Vorteile treffen, da die Batterie eine Mehrzahl derartiger Einzelzellen aufweist, ebenfalls auf die Batterie zu. Insbesondere ist durch die Einzelzellen, welche jeweils zumindest ein derartiges elastisches Element aufweisen, eine Gewichtsreduktion und Größenreduktion der Batterie sowie eine verbesserte Funktion der Batterie erreicht.A battery according to the invention, d. H. an inventive electrochemical energy storage and / or energy converter comprises at least one cell network with a plurality of electrically connected in series and / or parallel to each other such individual cells. The battery is preferably a vehicle battery, in particular a battery for a hybrid vehicle, for a fuel cell vehicle or for an electric vehicle. The battery is expediently a so-called high-voltage battery. The advantages described for the single cell according to the invention, since the battery has a plurality of such individual cells, also apply to the battery. In particular, a weight reduction and size reduction of the battery as well as an improved function of the battery is achieved by the individual cells, which each have at least one such elastic element.
Vorzugsweise sind die Einzelzellen im Zellverbund miteinander verspannt oder verpresst. Dies kann beispielsweise mittels Spannbändern, Zugankern und/oder anderer Spanneinrichtungen erfolgen. Zu einem optimalen Verspannen weist der Zellverbund beispielsweise Druckbrillen an dessen Stirnseiten auf, welche dann mittels derartiger Spannbänder, Zuganker und/oder anderer Spannmittel gegeneinander zu verspannen sind, wodurch die dazwischen angeordneten Einzelzellen des Zellverbundes miteinander verpresst sind. Dabei stützen sich die Einzelzellen beispielsweise entweder direkt oder über Zwischenwände und/oder Abstandshalter, so genannte Spacer, an benachbarten Einzelzellen ab. Auf diese Weise ist, analog zu dem Unterdruck in der Einzelzelle und dem daraus resultierenden Überdruck einer äußeren Umgebung auf die Einzelzelle, eine Abstützung der Zellgehäuse der Einzelzellen gegen eine plastische und/oder elastische Verformung nach außen erreicht, so dass die Zellgehäuse der Presskraft des zumindest einen elastischen Elementes in der jeweiligen Einzelzelle nicht nachgeben und eine optimale Presswirkung auf die Elektrodenfolienanordnung erreicht ist.Preferably, the individual cells in the cell assembly are clamped or pressed together. This can be done for example by means of tension bands, tie rods and / or other tensioning devices. For optimum clamping, the cell composite has pressure gauges on its end faces, for example, which are then to be braced against one another by means of tensioning straps, tie rods and / or other tensioning means, whereby the individual cells of the cell composite arranged therebetween are pressed together. In this case, the individual cells are based, for example, either directly or via partitions and / or spacers, so-called spacers, on adjacent individual cells. In this way, analogous to the negative pressure in the single cell and the resulting pressure of an external environment on the single cell, a support of the cell housing of the individual cells against a plastic and / or elastic deformation is achieved to the outside, so that the cell housing of the pressing force of at least do not yield an elastic element in the respective single cell and an optimal pressing action is achieved on the electrode foil assembly.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer derartigen Einzelzelle werden eine Elektrodenfolienanordnung und zumindest ein elastisches Element, welches als ein fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper ausgebildet ist oder zumindest einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper aufweist, in einem Zellgehäuse derart angeordnet, dass durch das zumindest eine elastische Element die Elektrodenfolienanordnung gegen zumindest eine Gehäusewand des Zellgehäuses gepresst wird.In a method according to the invention for producing such a single cell, an electrode foil arrangement and at least one elastic element which is designed as a fluid-tight, gas-filled hollow body or at least has a fluid-tight gas-filled hollow body are arranged in a cell housing in such a way that the electrode foil arrangement opposes the at least one elastic element at least one housing wall of the cell housing is pressed.
Die Elektrodenfolienanordnung wird durch Lagen aus Kathodenfolien und Anodenfolien, d. h. bei einer Lithium-Ion-Zellchemie aus Lagen beschichteter Aluminiumfolien und Kupferfolien, gebildet, die jeweils durch Lagen eines Separators getrennt werden. Dabei werden beispielsweise einzelne Blätter aus Kathodenfolien, Anodenfolien und Separatoren gestapelt oder es werden Bänder aus diesen gewickelt, vorzugsweise flachgewickelt, oder ein bandförmig ausgebildeter Separator wird in Z-Form gefaltet und die Kathodenfolienblätter bzw. Anodenfolienblätter werden seitlich in sich durch die Z-Form bildende Taschen eingeschoben. Die Anodenfolien und Kathodenfolien werden an mindestens einem Rand unbeschichtet belassen und derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass sie aus der Elektrodenfolienanordnung in Form von Stromableiterfahnen herausragen, die mit entsprechenden Bauteilen zur Stromabgabe bzw. -einleitung an einer Gehäuseaußenseite verbunden werden.The electrode foil assembly is formed by layers of cathode foils and anode foils, i. H. formed in a lithium-ion cell chemistry of layers of coated aluminum foils and copper foils, which are each separated by layers of a separator. In this case, for example, individual sheets of cathode foils, anode foils and separators are stacked or tapes are wound from these, preferably flat wound, or a ribbon-shaped separator is folded in Z-shape and the cathode foil sheets or anode foil sheets are laterally in itself by the Z-forming Pockets inserted. The anode foils and cathode foils are left uncoated on at least one edge and formed and / or arranged so that they protrude from the electrode foil arrangement in the form of current discharge lugs, which are connected to corresponding components for the current output on a housing outside.
Für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Einzelzelle wird die Elektrodenfolienanordnung mit einer vorgegebenen Kraft verpresst, so dass beispielsweise ein erforderlicher Abstand der Kathodenfolien, Anodenfolien und Separatoren zueinander in der Elektrodenfolienanordnung eingestellt wird. Bei einem Befüllen der Einzelzelle mit einem Elektrolyt, bei einer Formierung der Einzelzelle sowie in Abhängigkeit von einem Ladezustand und einem Alterungszustand der Einzelzelle sowie in Abhängigkeit von einer Temperatur der Einzelzelle ändert sich eine Dicke der Elektrodenfolienanordnung.For proper operation of the single cell, the electrode foil assembly is pressed with a predetermined force, so that, for example, a required distance of the cathode foils, anode foils and separators to each other in the electrode foil arrangement is set. In a filling of the single cell with an electrolyte, in a formation of the single cell and in dependence on a state of charge and an aging state of the single cell and in dependence on a Temperature of the single cell, a thickness of the electrode foil arrangement changes.
Durch das zumindest eine elastische Element, welches als ein fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper ausgebildet ist oder zumindest einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper aufweist, sind derartige Dickenänderungen der Elektrodenfolienanordnung auf einfache und kostengünstige Weise zu kompensieren. Das elastische Element verpresst die Elektrodenfolienanordnung in der Einzelzelle auf vorgegebene Weise nach dem Prinzip einer Gasfeder oder Luftfeder. Dabei wird eine Federrate und eine Dicke des elastischen Elementes und dadurch eine Presswirkung auf die Elektrodenfolienanordnung durch eine entsprechende Ausbildung des elastischen Elementes und/oder durch eine Befüllung des elastischen Elementes mit einer vorgegebenen Menge eines Gases, beispielsweise Luft, getrocknete Luft oder ein Inertgas, zum Beispiel Stickstoff oder Argon, vorgegeben und dadurch auf einfache Weise hinreichend genau eingestellt. Diese Befüllung des elastischen Elementes mit dem Gas muss mit einer geeigneten Einrichtung durchgeführt werden, um die in dem zumindest einen Hohlkörper des elastischen Elementes eingeschlossene Gasmenge und dadurch die Federrate und Dicke des elastischen Elementes hinreichend genau vorzugeben. Die Einrichtung, beispielsweise ein Kompressor oder ein Druckgasbehälter, muss zumindest eine Füllmengen- und/oder Druckermittlungseinheit zur Ermittlung einer Menge und/oder eines Drucks des Gases im Hohlkörper aufweisen. Für das derart ausgebildete elastische Element ist nur ein sehr geringer Bauraum in der Einzelzelle erforderlich, so dass die Einzelzelle gegenüber anderen, aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen kompakter ausgebildet werden kann.By means of the at least one elastic element which is designed as a fluid-tight gas-filled hollow body or at least has a fluid-tight gas-filled hollow body, such changes in thickness of the electrode foil arrangement can be compensated in a simple and cost-effective manner. The elastic element compresses the electrode foil arrangement in the individual cell in a predetermined manner according to the principle of a gas spring or air spring. In this case, a spring rate and a thickness of the elastic element and thereby a pressing action on the electrode foil assembly by a corresponding design of the elastic member and / or by filling the elastic member with a predetermined amount of a gas, for example air, dried air or an inert gas to Example nitrogen or argon, given and thus adjusted in a simple manner with sufficient accuracy. This filling of the elastic element with the gas must be carried out with a suitable device in order to predetermine with sufficient accuracy the amount of gas trapped in the at least one hollow body of the elastic element and thereby the spring rate and thickness of the elastic element. The device, for example a compressor or a compressed gas container, must have at least one filling quantity and / or pressure determining unit for determining an amount and / or a pressure of the gas in the hollow body. For the thus formed elastic element only a very small space in the single cell is required, so that the single cell can be made more compact compared to other solutions known from the prior art.
Das elastische Element ermöglicht im Vergleich zu anderen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, beispielsweise elastischen Zellgehäusen, welche jedoch nur bei relativ geringen Dickenänderungen der Elektrodenfolienanordnung und nur bei flachen Einzelzellen einsetzbar sind, einen Ausgleich auch größerer Dickenänderungen der Elektrodenfolienanordnung in der Einzelzelle. Eine andere aus dem Stand der Technik bekannte Lösung ist ein Einsatz eines Vlieses. Diese Vliese führen jedoch zu einem wesentlich höheren Bauraumbedarf als bei der erfindungsgemäßen Lösung, da nur ein Teil einer Dicke des Vlieses zur Kompensation der Dickenänderungen der Elektrodenfolienanordnung zur Verfügung steht, denn ein möglicher Kompensationsweg des Vlieses entspricht der Differenz aus einer Dicke des Vlieses in einem unverpressten Zustand und einer Dicke des Vlieses in einem vollständig verpressten Zustand. Derartige Vliese neigen zudem unter Einwirkung einer Druckkraft zum Setzen, d. h. zu einer plastischen Verformung, woraus eine Reduzierung einer von dem Vlies auf die Elektrodenfolienanordnung einwirkenden Presskraft resultiert. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Lösung mit dem elastischen Element, welches zumindest einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper aufweist oder als ein derartiger fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper ausgebildet ist, nicht der Fall. Des Weiteren saugen sich derartige aus dem Stand der Technik bekannte Vliese mit Elektrolyt voll, so dass eine größere Menge Elektrolyt in der Einzelzelle erforderlich ist. Dies führt zu einem höheren Gewicht der aus dem Stand der Technik bekannten Einzelzelle gegenüber der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildeten Einzelzelle.The elastic element makes it possible, in comparison to other solutions known from the prior art, for example elastic cell housings, which can be used only with relatively small changes in thickness of the electrode foil arrangement and only in the case of flat individual cells, to compensate for larger changes in thickness of the electrode foil arrangement in the single cell. Another solution known from the prior art is the use of a fleece. However, these webs lead to a much higher space requirement than in the inventive solution, since only a portion of a thickness of the web to compensate for changes in thickness of the electrode foil arrangement is available, because a possible compensation path of the web corresponds to the difference of a thickness of the web in a non-compressed Condition and a thickness of the web in a fully compressed state. Such nonwovens also tend to set under the action of a compressive force, d. H. resulting in a plastic deformation, resulting in a reduction of a pressing force acting from the nonwoven to the electrode foil assembly. This is not the case with the inventive solution with the elastic element, which has at least one fluid-tight gas-filled hollow body or is designed as such a fluid-tight gas-filled hollow body. Furthermore, such known from the prior art nonwovens suck with electrolyte full, so that a larger amount of electrolyte in the single cell is required. This leads to a higher weight of the single cell known from the prior art compared with the single cell formed by means of the method according to the invention.
Die geschilderten Nachteile des Standes der Technik bezüglich der plastischen Verformung des elastischen Elementes im Verlauf einer Lebensdauer der Einzelzelle mit einem daraus resultierenden Presskraftverlust auf die Elektrodenfolienanordnung, bezüglich des Hineinlaufens von Elektrolyt in einen von dem elastischen Element umschlossenen Innenraum, welches dann nicht effektiv von der Einzelzelle zur elektrochemischen Energiespeicherung und/oder -wandlung zu nutzen ist und ein höheres Gewicht der Einzelzelle bedeutet, sowie bezüglich eines großen erforderlichen Bauraums treffen auch auf das aus dem Stand der Technik bekannte, als gebogenes Metallteil ausgebildete elastische Element zu.The described disadvantages of the prior art with respect to the plastic deformation of the elastic element over a lifetime of the single cell with a resulting loss of pressing force on the electrode foil assembly, with respect to the entry of electrolyte into an enclosed by the elastic element interior, which then not effective from the single cell is to be used for electrochemical energy storage and / or conversion and a higher weight of the single cell means, and with respect to a large required space to meet also known from the prior art, designed as a bent metal part elastic element.
Zweckmäßigerweise wird das zumindest eine elastische Element vor dem Anordnen im Zellgehäuse aus Kunststoff ausgebildet, insbesondere aus einem elektrolytbeständigen Kunststoff, beispielsweise aus Polypropylen (PP) oder Polyethylenterephthalat (PET). Dadurch wird eine Beschädigung des elastischen Elementes durch den Elektrolyten vermieden, so dass die durch das elastische Element auf die Elektrodenfolienanordnung wirkende Presskraft über eine gesamte Lebensdauer der Einzelzelle sichergestellt wird.Conveniently, the at least one elastic element is formed prior to placement in the cell housing made of plastic, in particular of an electrolyte-resistant plastic, for example of polypropylene (PP) or polyethylene terephthalate (PET). Thereby, damage to the elastic member by the electrolyte is avoided, so that the pressing force acting on the electrode foil assembly by the elastic member is ensured over a lifetime of the single cell.
Das elastische Element wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform als ein kissenartiger Hohlkörper ausgebildet. Dies ist eine besonders Bauraum sparende Lösung. Das elastische Element wird in dieser Ausführungsform beispielsweise aus einem Schlauch ausgebildet, welcher eine geringe Wandstärke aufweist. Nach dem Befüllen mit dem Gas werden Enden des Schlauchs stoff-, form- und/oder kraftschlüssig verschlossen, bevorzugt verschweißt. Auf diese Weise wird das elastische Element einteilig ausgebildet und weist lediglich zwei Verschlussstellen auf, welche vorzugsweise durch Verschweißen verschlossen werden. Dies ermöglicht ein besonders stabiles und fluiddichtes elastisches Element. Alternativ wird das elastische Element in dieser Ausführungsform beispielsweise durch zwei aufeinander angeordnete Folien ausgebildet, welche an umlaufenden Seitenrändern stoff-, form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden werden, bevorzugt miteinander verschweißt werden, wobei ein vollständiger Verschluss natürlich erst nach dem Befüllen mit dem Gas erfolgt. Eine weitere Möglichkeit der Ausbildung des elastischen Elementes dieser Ausführungsform ist es, eine Folie derart gezielt zu falten, dass diese einen Hohlraum umschließt. Diese gefaltete Folie wird dann an drei Seiten stoff-, form- und/oder kraftschlüssig verschlossen, beispielsweise verschweißt. Eine vierte Seite wird bereits durch das Falten der Folie verschlossen. Das vollständige Verschließen erfolgt natürlich auch hier erst nach dem Befüllen mit dem Gas. Auch dieses elastische Element wird einteilig ausgebildet, so dass ein besonders stabiles und fluiddichtes elastisches Element ermöglicht wird.The elastic element is formed in a particularly advantageous embodiment as a pillow-like hollow body. This is a particularly space-saving solution. The elastic element is formed in this embodiment, for example, from a hose which has a small wall thickness. After filling with the gas ends of the tube are closed material, positive and / or non-positive, preferably welded. In this way, the elastic element is formed in one piece and has only two closure sites, which are preferably closed by welding. This allows a particularly stable and fluid-tight elastic element. Alternatively, the elastic element in this embodiment is formed, for example, by two films arranged on top of one another, which are connected to one another at peripheral side edges in a material, positive and / or non-positive manner, are preferably welded together, with a complete closure of course only after filling with the gas. Another possibility of forming the elastic element of this embodiment is to fold a film so targeted that it encloses a cavity. This folded film is then closed material, positive and / or non-positive on three sides, for example, welded. A fourth page is already closed by folding the film. The complete closing course, of course, only after filling with the gas. This elastic element is also formed in one piece, so that a particularly stable and fluid-tight elastic element is made possible.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das zumindest eine elastische Element aus einem geschlossenporigen Schaumstoff ausgebildet. Bei diesem Schaumstoff bilden dessen geschlossene Poren oder Blasen, in welchen jeweils ein Gas eingeschlossen ist, jeweils einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper, d. h. das elastische Element weist dann eine Mehrzahl fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper auf. Der geschlossenporige Schaumstoff ist zweckmäßigerweise ein aufgeschäumter Kunststoff, beispielsweise Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polyurethan (PU) oder Polystyrol (PS). Das Gas in den Poren oder Blasen des Schaumstoffs bildet sich bereits während einer Herstellung des Schaumstoffs, d. h. während eines Aufschäumens des Kunststoffs, durch eine chemische Reaktion und/oder wird dem Kunststoff während der Herstellung des Schaumstoffs zugesetzt, um den Kunststoff aufzuschäumen.In a further advantageous embodiment, the at least one elastic element is formed from a closed-cell foam. In this foam, its closed pores or bubbles, in each of which a gas is enclosed, each form a fluid-tight gas-filled hollow body, d. H. the elastic element then has a plurality of fluid-tight gas-filled hollow bodies. The closed-cell foam is expediently a foamed plastic, for example polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polyurethane (PU) or polystyrene (PS). The gas in the pores or bubbles of the foam already forms during manufacture of the foam, i. H. during foaming of the plastic, by a chemical reaction and / or is added to the plastic during the manufacture of the foam to foam the plastic.
Bevorzugt wird das zumindest eine elastische Element in der Elektrodenfolienanordnung angeordnet. Es ist zwar auch möglich, das zumindest eine elastische Element zwischen dem Zellgehäuse und der Elektrodenfolienanordnung anzuordnen, insbesondere bei Einzelzellen, bei welchen das Zellgehäuse oder zumindest Teile des Zellgehäuses metallisch ausgebildet sind und aufgrund einer daraus resultierenden guten Wärmeleitfähigkeit einer Temperierung der Einzelzelle dienen, d. h. einer Kühlung und/oder Beheizung der Einzelzelle, ist die Ausführungsform, in welcher das zumindest eine elastische Element in der Elektrodenfolienanordnung angeordnet wird, jedoch besonders vorteilhaft, da bei dieser Ausführungsform die Elektrodenfolienanordnung möglichst großflächig mittels des elastischen Elementes gegen das Zellgehäuse, d. h. gegen eine oder mehrere Gehäusewände des Zellgehäuses gepresst wird, so dass dadurch eine Wärmeübertragung von der Elektrodenfolienanordnung auf das Zellgehäuse, um Wärme aus der Einzelzelle abzuführen, oder vom Zellgehäuse auf die Elektrodenfolienanordnung, um Wärme aufzunehmen, optimiert wird.Preferably, the at least one elastic element is arranged in the electrode foil arrangement. Although it is also possible to arrange the at least one elastic element between the cell housing and the electrode foil arrangement, in particular in single cells, in which the cell housing or at least parts of the cell housing are metallic and serve due to a resulting good thermal conductivity of a temperature of the single cell, d. H. a cooling and / or heating of the single cell, the embodiment in which the at least one elastic element in the electrode foil assembly is arranged, but particularly advantageous because in this embodiment, the electrode foil arrangement as large as possible by means of the elastic element against the cell housing, d. H. is pressed against one or more housing walls of the cell housing, thereby optimizing heat transfer from the electrode foil assembly to the cell housing to dissipate heat from the single cell or from the cell housing to the electrode foil assembly to absorb heat.
Da das elastische Element in der Elektrodenfolienanordnung und nicht zwischen der Elektrodenfolienanordnung und dem Zellgehäuse angeordnet wird, werden keine Bereiche des Zellgehäuses durch das elastische Element verdeckt, d. h. es wird kein Bereich des Zellgehäuses durch das elastische Element gegenüber der Elektrodenfolienanordnung thermisch isoliert. Um mittels des zumindest einen elastischen Elementes eine optimal verteilte Presskraft auf die Elektrodenfolienanordnung auszuüben, wird das zumindest eine elastische Element vorzugsweise mittig in der Elektrodenfolienanordnung angeordnet, so dass in alle Richtungen oder zumindest in den Richtungen von Normalenvektoren von durch die Anoden und Kathoden aufgespannten Flächen, d. h. senkrecht zu diesen Flächen und in Richtung des Zellgehäuses, die gleiche Presskraft auf die Anodenfolien, Kathodenfolien und Separatoren einwirkt und diese gleichmäßig in Richtung des Zellgehäuses verpresst.Since the elastic member is disposed in the electrode foil assembly and not between the electrode foil assembly and the cell case, no portions of the cell case are hidden by the elastic member, i. H. no area of the cell housing is thermally insulated from the electrode foil arrangement by the elastic element. In order to exert an optimally distributed pressing force on the electrode foil arrangement by means of the at least one elastic element, the at least one elastic element is preferably arranged centrally in the electrode foil arrangement, so that in all directions or at least in the directions of normal vectors of surfaces defined by the anodes and cathodes, d. H. perpendicular to these surfaces and in the direction of the cell housing, the same pressing force acts on the anode foils, cathode foils and separators and presses them evenly in the direction of the cell housing.
Vorzugsweise wird auf und/oder in einer Hülle des zumindest einen elastischen Elementes eine Diffusionssperrschicht angeordnet oder ausgebildet. Die Diffusionssperrschicht wird zweckmäßigerweise aus Metall ausgebildet, zum Beispiel als eine Metallbeschichtung oder eine Metallfolie, beispielsweise aus Aluminium, welche in die Hülle eingebracht oder auf die Hülle aufgebracht wird, d. h. auf eine Innenseite und/oder Außenseite der Hülle. Bei der Ausführungsform des als kissenartiger Hohlkörper ausgebildeten elastischen Elementes wird beispielsweise die Metallfolie, zum Beispiel Aluminiumfolie, in eine Kunststofffolie zur Ausbildung des kissenartigen Hohlkörpers einlaminiert und/oder auf eine Innenseite oder Außenseite der Kunststofffolie auflaminiert oder die Kunststofffolie wird auf der Innenseite und/oder Außenseite mit Metall beschichtet. Bei der Ausführungsform des aus dem geschlossenporigen Schaumstoff ausgebildeten elastischen Elementes kann beispielsweise eine äußere Oberfläche des elastischen Elementes mit Metall beschichtet werden oder mit einer Metallfolie umhüllt werden. Auch Diffusionssperrschichten aus einem anderen Material sind möglich.Preferably, a diffusion barrier layer is arranged on and / or in a shell of the at least one elastic element or formed. The diffusion barrier layer is expediently formed of metal, for example as a metal coating or a metal foil, for example of aluminum, which is introduced into the envelope or applied to the envelope, i. H. on an inside and / or outside of the shell. In the embodiment of the elastic element formed as a pillow-like hollow body, for example, the metal foil, for example aluminum foil, is laminated into a plastic film to form the pillow-like hollow body and / or laminated onto an inside or outside of the plastic film, or the plastic film becomes on the inside and / or outside coated with metal. In the embodiment of the elastic member formed of the closed-cell foam, for example, an outer surface of the elastic member may be coated with metal or covered with a metal foil. Diffusion barrier layers of another material are also possible.
Vorteilhafterweise wird die Einzelzelle vor einem fluiddichten, insbesondere gasdichten, Verschließen des Zellgehäuses evakuiert, so dass ein Innendruck im Zellgehäuse geringer als ein Umgebungsdruck der Einzelzelle ist. D. h. ein Zellinneres der Einzelzelle weist dann einen Unterdruck auf. Hierbei werden Gase, beispielsweise Luft, aus Hohlräumen der Einzelzelle abgesaugt, welche nach einem Befüllen des Gehäuses mit allen Bestandteilen, d. h. insbesondere mit der Elektrodenfolienanordnung und dem Elektrolyt, zunächst noch in der Einzelzelle verblieben sind. Durch diesen Unterdruck bzw. durch einen Überdruck in der äußeren Umgebung der Einzelzelle wird ein Gegendruck durch das Zellgehäuse erzeugt, welcher dem durch das zumindest eine elastische Element ausgeübten Druck bzw. der Presskraft des zumindest einen elastischen Elementes auf die Elektrodenfolienanordnung entgegenwirkt, so dass die Elektrodenfolienanordnung auf vorgegebene Weise verpresst wird. Der Unterdruck im Zellgehäuse bzw. der Überdruck in der Umgebung des Zellgehäuses gegenüber einem Innenraum im Zellgehäuse zieht bzw. drückt Gehäusewände des Zellgehäuses nach innen, in Richtung der Elektrodenfolienanordnung, und erhöht auf diese Weise deren Steifigkeit. Dieses Evakuieren der Einzelzelle ist besonders vorteilhaft, wenn das Zellgehäuse nicht ausreichend steif ist, so dass es sich durch die Presskraft des zumindest einen elastischen Elementes plastisch und/oder elastisch verformen würde, d. h. der Presskraft nachgeben würde und sich nach außen verformen würde. Einer derartigen Verformung nach außen wirkt der Unterdruck im Zellgehäuse und der daraus resultierende Überdruck einer äußeren Umgebung des Zellgehäuses, welcher auf das Zellgehäuse einwirkt, entgegen, so dass sich das Zellgehäuse nicht verformt oder sich nach innen verformt, in Richtung der Elektrodenfolienanordnung.Advantageously, the single cell is evacuated prior to a fluid-tight, in particular gas-tight, closing of the cell housing, so that an internal pressure in the cell housing is less than an ambient pressure of the single cell. Ie. a cell interior of the single cell then has a negative pressure. In this case, gases, for example air, are sucked out of cavities of the individual cell, which after filling the housing with all constituents, ie in particular with the electrode foil arrangement and the electrolyte, initially remain in the single cell. By this negative pressure or by an overpressure in the outer environment of the single cell is a back pressure through the cell housing which counteracts the pressure exerted by the at least one elastic element or the pressing force of the at least one elastic element on the electrode foil arrangement, so that the electrode foil arrangement is pressed in a predefined manner. The negative pressure in the cell housing or the overpressure in the vicinity of the cell housing relative to an interior in the cell housing pulls or presses housing walls of the cell housing inwards, in the direction of the electrode foil arrangement, and thus increases their rigidity. This evacuation of the single cell is particularly advantageous if the cell housing is not sufficiently rigid, so that it would deform plastically and / or elastically by the pressing force of the at least one elastic element, ie would yield to the pressing force and deform outwards. Such an outward deformation counteracts the negative pressure in the cell housing and the resulting overpressure of an external environment of the cell housing, which acts on the cell housing, so that the cell housing does not deform or deform inwards, in the direction of the electrode foil arrangement.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:Showing:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Die
Die Batterie B, in welcher derartige Einzelzellen
Solche Hochvoltbatterien für Fahrzeuganwendungen weisen eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen
Die Einzelzelle
Die Anodenfolien und Kathodenfolien sind an mindestens einem Rand unbeschichtet und ragen aus der Elektrodenfolienanordnung
Das Zellgehäuse
Zur elektrischen Isolation der Zellgehäuse
Zum Verschluss der Einzelzelle
Für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Einzelzelle
Um eine Kompensation dieser Dickenänderungen zu erreichen, weist die Einzelzelle
Das elastische Element
Das elastische Element
Des Weiteren sind die Einzelzellen
Da das metallische Zellgehäuse
Das in den
Anstelle des kissenartigen Hohlkörpers
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Einzelzellesingle cell
- 22
- elastisches Elementelastic element
- 33
- ElektrodenfolienanordnungElectrode foil arrangement
- 44
- Stromableiterfahnedischarge lug
- 55
- Zellgehäusecell case
- 5.15.1
- Gehäusewandhousing wall
- 5.25.2
- Isolationsschaleinsulation shell
- 5.35.3
- Kühlfahnecooling fin
- 66
- Hohlkörperhollow body
- BB
- Batteriebattery
- PP
- Pfeilarrow
- ZZ
- Zellverbundcell assembly
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 3321129 A1 [0002] DE 3321129 A1 [0002]
- DE 3000469 C2 [0003] DE 3000469 C2 [0003]
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