AT528539A1 - Batteriezellen-Baugruppe, Batteriezelle und Batteriespeichersystem mit derselben - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezellen-Baugruppe zur Umschließung und elektrischen Kontaktierung eines elektrochemischen Aktivmaterials (60), aufweisend ein Gehäuse (10) und ein Positivpolelement (20) mit einem Verbindungsabschnitt (21), der sich durch eine Gehäuseöffnung (12) hindurch erstreckt. Erfindungsgemäß ist in dem Gehäuse (10) ein Wärmeableitelement (40) angeordnet, das um die zentrale Gehäuseöffnung (12) herum mit einer Innenseite des Schulterabschnitts (13) des Gehäuses (10) in Kontakt steht.

Description

Beschreibung

BATTERIEZELLEN-BAUGRUPPE, BATTERIEZELLE UND BATTERIESPEICHERSYSTEM MIT DERSELBEN

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezellen-Baugruppe zur Umschließung und elektrischen Kontaktierung eines elektrochemischen Aktivmaterials, eine Batteriezelle mit der Batteriezellen-Baugruppe und ein Batteriespeichersystem mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, die jeweils eine solche Batteriezellen-Baugruppe aufweisen.

[0002] Im Stand der Technik ist es bekannt, Batteriezellen, die in einem Batteriespeicher mit hoher Leistungsdichte, wie beispielsweise einer Traktionsbatterie in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug angeordnet sind, zu temperieren, insbesondere während des Betriebs zu kühlen. Dabei werden in der Regel Flüssigkeitskühlungen eingesetzt, die an verschiedenen Flächen direkt oder indirekt mit den Batteriezellen in Kontakt treten können. Bei zylindrischen Batteriezellen besteht die Möglichkeit einer Kühlung der zylindrischen Mantelfläche oder die Möglichkeit der Kühlung der Stirnflächen, also über die Batteriepole.

[0003] Bei einer Kühlung über die Mantelfläche steht eine größere Fläche für einen thermischen Kontakt bereit, allerdings ist eine Wärmeleitfähigkeit des in mehreren Schichten gewickelten Aktivmaterials geringer, da gegen eine Wärmeableitung in radialer Richtung thermische Barrieren in der Schichtung bestehen. Bei einer Kühlung über einen oder beide Batteriepole ist zwar die Wärmeleitfähigkeit im gewickelten Aktivmaterial besser, da eine Wärmeableitung in axialer Richtung entlang der Schichten orientiert ist, allerdings steht eine erheblich geringere Fläche einen thermischen Kontakt an der Stirnfläche der zylindrischen Zelle, oder im Falle eines positiven, hervorstehend ausgebildeten Batteriepols, lediglich eine Teilfläche der Stirnfläche für einen thermischen Kontakt zur Verfügung.

[0004] Eine Maßnahme, die bislang im Stand der Technik ergriffen wurde und die letzteren Nachteil der geringen Kühlungsfläche an einer Stirnseite einer zylindrischen Batteriezelle verbessert, ist die Anderung des Seitenverhältnis von zylindrischen Zellen, das heißt eine Vergrößerung des Durchmessers zu der Länge, wie sie beispielsweise von dem älteren Format 18650 auf das neuere Formal 4680 zu beobachten ist. Damit wurde bereits eine Vergrößerung eines thermischen Kontakts an der Stirnseite zylindrischer Batteriezellen erreicht. Allerdings ist die Querschnittsfläche an einer Stirnseite immer noch vergleichsweise klein zu der Mantelfläche, die ein Vielfaches der Fläche für einen thermischen Kontakt bereitstellt.

[0005] Für leistungsorientierte Anwendungen werden daher oftmals Kühlsysteme eingesetzt, die auch die Mantelflächen von zylindrischen Zellen kühlen. Derartige Kühlsysteme erfordern jedoch eine komplexere Kühlkanalstruktur, ein größeres Flüssigkeitsvolumen mit einer höheren Anzahl an kritischen Dichtungsstellen, und sie sind darüber hinaus mit höheren Kosten, einem höheren Gewicht und einem größeren Bauraum verbunden.

[0006] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die genannten Nachteile im Stand der Technik zumindest teilweise zu beheben. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technik für eine Batteriezelle zu schaffen, die eine verbesserte Kühlung einer Batteriezelle über eine Stirnseite ermöglicht.

[0007] Die voranstehenden Aufgaben werden gelöst durch eine Batteriezellen-Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie darauf aufbauend durch ein Batteriespeichersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.

[0008] Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batteriezellen-Baugruppe beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der entsprechenden Batteriezelle und dem darauf aufbauenden Batteriespeichersystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0009] Gemäß einer Definition der vorliegenden Offenbarung bedeutet der Begriff „wärmeablei

tend“, dass sich das betreffende Material oder Element zur Herstellung eines Kühlkörpers, einer Wärmesenke oder einer thermischen Brücke eignet, d.h. eine hohe thermische Leitfähigkeit wie ein metallischer oder keramischer Werkstoff aufweist. Ebenso bedeutet der Begriff „elektrisch isolierend“, dass kein Stromfluss bei einer Spannungsdifferenz zwischen betriebsüblichen Potenzialen einer Lithium- lonen-Batteriezelle oder einer Lithium-Eisenphosphat-Batteriezelle auftritt, das heißt zum Beispiel ein ohmscher Widerstand eines polymerbasierten Werkstoffs ohne Additive zur Verbesserung einer elektrischen Leitfähigkeit.

[0010] Die erfindungsgemäße Batteriezellen-Baugruppe dient zur Umschließung und elektrischen Kontaktierung eines elektrochemischen Aktivmaterials in einer Batteriezelle. Ein Gehäuse umfasst einen axial erstreckenden, vorzugsweise zylindrischen, Mantelabschnitt und einen radial einwärtsgerichteten Schulterabschnitt, der ein axiales Ende des Gehäuses zu einer zentralen Gehäuseöffnung führend abschließt. Ein Positivpolelement eines positiven Batteriezellen-Potenzials umfasst eine Außenkontaktfläche, die zu einer Außenseite des Gehäuses exponiert ist, eine Innenkontaktfläche, die zu einer Innenseite des Gehäuses exponiert ist, sowie einen dazwischen angeordneten Verbindungsabschnitt, der sich durch die Gehäuseöffnung hindurch erstreckt. Erfindungsgemäß umfasst die Batteriezellen-Baugruppe ein Wärmeableitelement, das in dem Gehäuse angeordnet ist und um die zentrale Gehäuseöffnung herum mit einer Innenseite des Schulterabschnitts des Gehäuses in Kontakt steht.

[0011] Die Erfindung sieht erstmals vor, zusätzlich zu dem bekannten axialen Wärmeableitungsweg über den Batteriepol und die stromführenden Komponenten im Inneren der Batteriezelle, einen weiteren axialen Wärmeableitungsweg über das erfindungsgemäße Wärmeableitelement seitens der Batteriezelle bereitzustellen. Dieser zusätzliche Wärmeableitungsweg über das erfindungsgemäße Wärmeableitelement verläuft parallel zu dem bekannten axialen Wärmeableitungsweg über den Batteriepol, d.h. konzentrisch um den zentralen Batteriepol in axialer Richtung.

[0012] Bereits bei der Herstellung der Batterie kann sich Luft im Gehäuse befinden, oder im Laufe des Lebenszyklus der Batteriezelle Ausgasungen, wie z.B. wasserstoffhaltige Bestandteile in Gasform aus dem Aktivmaterial ausdiffundieren, und dass sich diese Gasmengen primär in dem Bereich unter dem Schulterabschnitt des Gehäuses ansammeln, da hier bei einem herkömmlichen Aufbau von Batteriezellen ein geringfügiger axialer Freiraum zwischen dem Aktivmaterial und dem Gehäuse, also im Bereich des Stromabnehmers vorhanden ist. Ein solches Gaspolster wirkt als thermisch isolierende Barriere in einem axialen Wärmeübergang zwischen Aktivmaterial und Gehäuse.

[0013] Das erfindungsgemäße Wärmeableitelement, das mit der Innenfläche des Schulterabschnitts des Gehäuses in Kontakt steht, beseitigt diesen Freiraum, indem es zumindest ein Volumen zwischen dem Schulterabschnitt des Gehäuses und dem Stromabnehmer, oder ein gesamtes Volumen zwischen dem Schulterabschnitt des Gehäuses und dem Aktivmaterial, also ein Volumen axial vor und hinter dem Stromabnehmer auffüllt und einnimmt.

[0014] Damit verhindert das erfindungsgemäße Wärmeableitelement, dass sich, unabhängig von einer Lageorientierung der Batteriezelle, Ausgasungen überhaupt erst unter oder innerhalb des Schulterabschnitts des Gehäuses ansammeln können, und dass ein resultierendes Gaspolster in einem entsprechenden axialen Freiraum des herkömmlichen Aufbaus zwischen Aktivmaterial und Gehäuse eingesperrt verbleibt. Somit wird bereits die Ursache einer dementsprechenden thermisch isolierenden Wirkung behoben.

[0015] Zusätzlich erhöht das erfindungsgemäße Wärmeableitelement materialbasierend erheblich die lokale Wärmeleitfähigkeit in dem genannten Bereich der Batteriezelle, also in dem Volumen zwischen dem Schulterabschnitt des Gehäuses und dem Stromabnehmer, oder in dem gesamten Volumen zwischen dem Schulterabschnitt des Gehäuses und dem Aktivmaterial.

[0016] Somit erweitert das erfindungsgemäße Wärmeableitelement in radialer Richtung die für einen Wärmeübergang zur Verfügung stehende Querschnittsfläche an der Stirnseite der Batteriezelle, indem auch der Schulterabschnitt bis hinaus zum Mantel des Gehäuses, also im We-

sentlichen der gesamten Durchmesser der Batteriezelle genutzt und potenziell für ein Top-Cooling-Kühlsystem bereitgestellt wird. Mit anderen Worten wird, insofern eine Systemumgebung eine kühlende thermische Schnittstelle im Bereich der Außenseite des Schulterabschnitts des Gehäuses zur Verfügung stellt, dieser zusätzliche Wärmeableitungsweg, aufgrund der erheblich vergrößerten Querschnittsfläche für einen thermischen Kontakt und Wärmeübergang in axialer Richtung besonders effizient genutzt.

[0017] Falls eine Systemumgebung keine kühlende thermische Schnittstelle im Bereich der AuBenseite des Schulterabschnitts des Gehäuses zur Verfügung stellt, endet alternativ dieser zusätzliche Wärmeableitungsweg in axialer Richtung innerhalb der Batteriezelle an dem Schulterabschnitt des Gehäuses, wo er zumindest über den Schulterabschnitt zentriert auf das Positivpolelement umgeleitet wird. Demnach wird auch in diesem Fall noch immer eine vergrößerte Querschnittsfläche zur Wärmeaufnahme seitens des Aktivmaterials für einen axialen Wärmeübergang zwischen dem Aktivmaterial und dem gekühlten Batteriepol bereitgestellt, d.h. insbesondere eine Kanalisierung eines Wärmestroms von Abwärme aus dem Aktivmaterial auf das stromführende Positivpolelement erzielt.

[0018] Als ein großer Vorteil der Erfindung wird eine bessere Wärmeleitfähigkeit der Struktur der Batteriezelle in der Wärmeleitstrecke zwischen dem elektrochemischen Aktivmaterial und einer Außenseite der Batteriezelle an deren Stirnseite um den Batteriepol herum geschaffen. Dadurch wird eine effektivere stirnseitige Kühlung der Batteriezelle ermöglicht, die nicht nur über den Batteriepol und stromführenden Komponenten der Batteriezelle erfolgt, sondern über den Schulterabschnitt des Gehäuses den gesamten stirnseitigen Durchmesser der Batteriezelle einbezieht und nutzt. Die Batterieseitig bereitgestellte Eigenschaft eines besseren stirnseitigen Wärmeübergangs begünstigt den Einsatz eines Kühlsystems mit einem sogenannten Top-Cooling, das ausschließlich oder zusätzlich zu einem Bottom-Cooling vorgesehen wird, also eine Kühlung mit geringem Bauraumbedarf, bei der die Batteriezellen eines Batteriespeichermoduls leicht zugänglich lediglich stirnseitig thermisch kontaktiert werden. Zu der stirnseitigen Kühlung trägt ferner eine Eigenschaft des Aufbaus des Aktivmaterials positiv bei, dessen gewickelte Elektrodenstruktur in axialer Richtung eine bessere Wärmeleitfähigkeit als in radialer Richtung aufweist.

[0019] Das Top-Cooling mit nur einem stirnseitigen thermischen Kontakt vereinfacht erheblich die Struktur und verringert den Bauraum und das Gewicht eines flüssigkeitsführenden Kühlungssystems in einem Batteriespeichermodul. Ein Top- Cooling-Kühlsystem kommt mit weniger Kanälen, weniger Kühlflüssigkeit und weniger Dichtungsstellen aus.

[0020] Nach Entwicklungsergebnissen, die der Erfindung zugrunde liegen, erzielt der erfindungsgemäße Aufbau in Kombination mit weiteren, nachstehend erläuterten Merkmalen eine Verbesserung der Wärmeableitung in axialer Richtung von zylindrischen Batteriezellen, die an Werte einer radialen Wärmeableitung in einem wesentlich größeren thermischen Kontakt über die Mantelfläche heranreichen und diese sogar übertreffen.

[0021] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das Wärmeableitelement als ein Formkörper mit einer korrespondierenden Formfläche zu der Form der Innenseite des Schulterabschnitts des Gehäuses ausgebildet sein, vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material, das zumindest Partikel aus einem keramischen Werkstoff umfasst. Das Wärmeableitelement hat also vorzugsweise neben einer thermischen Leitfähigkeit auch eine elektrisch isolierende Eigenschaft. Eine solche Materialeigenschaft kann durch keramische Werkstoffe bereitgestellt werden, die in prozesstechnisch günstiger Weise als Partikel in einer elektrisch isolierenden Wärmeleitpaste, also in einer Suspension mit einem Bindemittel vorliegen. Mit anderen Worten kann das Wärmeableitelement in viskoser Form wie z.B. als eine Wärmeleitpaste in ein Abschnittsvolumen des Gehäuses zwischen dem Schulterabschnitt und dem Stromabnehmer eingebracht werden und dort als Formkörper mit hoher Maßhaltigkeit in Bezug auf einen Flächenkontakte aushärten.

[0022] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung beträgt ein Verhältnis von einem Durchmesser des Verbindungsabschnitts des Positivpolelements zu einem Durchmesser des Mantelabschnitts des Gehäuses wenigstens 15%, vorzugsweise wenigstens 25%, besonders bevorzugt

wenigstens 35%. Dieses Merkmal sieht eine zusätzliche Verbesserung der bekannten Wärmeleitstrecke über den Batteriepol vor und stellt eine thermisch optimierte Vorgabe für den kleinsten Durchmesser des Positivpolelements dar, das heißt des elektrischen Leiters an einer positiven Polseite einer Batteriezelle im Bereich eines Durchtritts durch die Stirnseite des Batteriezellengehäuses in Bezug zu einem Außendurchmesser des Gehäusemantels.

[0023] Dabei wurden die Relationswerte basierend auf Entwicklungsergebnissen zu Wärmeströmen und weiteren thermischen Eigenschaften in Versuchsaufbauten mit Batteriezellen von verschiedenen Seitenverhältnissen ermittelt. Dadurch wird zum einen an dem geringsten Durchmesser des Positivpolelements, d.h. einem thermischen „bottle neck“, eine erhöhte minimale thermische Leitfähigkeit und somit ein höherer Wärmestrom in axialer Richtung durch das Positivpolelement aufgrund des Mindestdurchmessers sichergestellt. Zum anderen wird durch eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit innerhalb des Mindestdurchmessers des Positivpolelementes eine geringere Erwärmung desselben im Betrieb der Batteriezelle, wie insbesondere beim Ladevorgang erzielt. Somit wird eine Erwärmung des Positivpolelements aufgrund des geringeren Innenwiderstands weitgehend unterdrückt, sodass dieses keine thermische Barriere bildet, die eine Wärmeableitung entlang einer Wärmeleitstrecke von dem elektrochemischen Aktivmaterial zu einer kühlenden thermischen Schnittstelle außerhalb der Batteriezelle beeinträchtigen kann.

[0024] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann ein Verhältnis von einem Durchmesser der Außenkontaktfläche des Positivpolelements zu dem Durchmesser des Mantelabschnitts des Gehäuses wenigstens 35%, vorzugsweise wenigstens 40%, besonders bevorzugt wenigstens 45% betragen. Die Relationswerte stellen eine Iteration an ein ermitteltes Optimum einer äußeren Kontaktfläche des positiven Pols der Batteriezelle zu einer kühlenden thermischen Schnittstelle dar und stellen sicher, dass in diesem äußeren Abschnitt keine Beeinträchtigung eines Wärmestroms auftritt.

[0025] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung umfasst die Batteriezellen-Baugruppe einen Stromabnehmer mit einer Polkontaktfläche, die mit der Innenkontaktfläche des Positivpolelements in Kontakt steht, und mit einer Zellenkontaktfläche, die mit einem Stromableiter in dem elektrochemischen Aktivmaterial in Kontakt steht; wobei ein Verhältnis von einem Durchmesser der Polkontaktfläche des Stromabnehmers zu dem Durchmesser des Mantelabschnitts des Gehäuses wenigstens 15%, vorzugsweise wenigstens 25%, besonders bevorzugt wenigstens 35% beträgt. Die Relationswerte stellen ein ermitteltes Optimum einer thermischen Schnittstelle zwischen der Komponente des Stromabnehmers und der Komponente des Positivpolelements dar, deren Durchmesser vorzugsweise dem geringsten Durchmesser des Positivpolelements entspricht. Durch eine derart vergrößerte thermische Schnittstelle zwischen den Komponenten wird sichergestellt, dass zwischen dem Stromabnehmer, der ebenfalls in der Wärmeleitstrecke zwischen dem elektrochemischen Aktivmaterial und einer äußeren kühlenden thermischen Schnittstelle angeordnet ist, keine thermische Barriere vorliegt, die eine Wärmeableitung aus der Batteriezelle heraus beeinträchtigt.

[0026] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung steht die Polkontaktfläche des Stromabnehmers über eine Schweißverbindung mit der Innenkontaktfläche des Positivpolelements in Kontakt; wobei ein Verhältnis von einer Querschnittsfläche der Schweißverbindung zur einer Querschnittsfläche des Mantelabschnitts des Gehäuses wenigstens 3%, vorzugsweise wenigstens 4%, besonders bevorzugt wenigstens 5% beträgt.

[0027] Die ermittelten Relationswerte entsprechen einer Optimierung einer thermischen Schnittstelle der Verbindungstechnik zwischen dem Stromabnehmer und dem Positivpolelement. Somit wird sichergestellt, dass zwischen dem Stromabnehmer und dem Positivpolelement keine thermische Barriere auf der Wärmeleitstrecke von dem elektrochemischen Aktivmaterial zu einer äuBeren kühlenden thermischen Schnittstelle besteht. Dabei stellt die Querschnittsfläche der Schweißverbindung lediglich einen Teil der zuvor definierten Polkontaktfläche zwischen den Komponenten des Stromabnehmers und des Positivpolelements dar, die sich in einer Teilfläche der Schweißverbindung und in einer restlichen Teilfläche eines thermischen Flächenkontakts zwischen der Polkontaktfläche des Stromabnehmers und der Innenfläche des Positivpolelements

unterscheiden lässt. Innerhalb der Querschnittsfläche der Schweißverbindung besteht ein stoffschlüssiges Materialgefüge mit besonders guter Wärmleitfähigkeit zwischen beiden Komponenten. Innerhalb des restlichen thermischen Flächenkontakts ist die Wärmeleitfähigkeit an einer Bauteilgrenze zwischen den Komponenten herabgesetzt.

[0028] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Schweißverbindung und die entsprechende Querschnittsfläche der Schweißverbindung in einem Radius um eine Mittelachse des Positivpolelements ausgebildet sein. Im Vergleich zu einem Schweißpunkt in einem Mittelpunkt der thermischen Kontaktflächen zwischen dem Stromabnehmer und dem Positivpolelement, kann durch die ringförmige Schweißverbindung ein Kontaktdruck zwischen den Komponenten über die gesamte Fläche erhöht werden. Darüber hinaus wird die beteiligte Teilfläche mit dem stoffschlüssigen Materialgefüge und der besseren Wärmeleitfähigkeit erhöht. Zudem kann eine derart vergrößerte Teilfläche mit stoffschlüssigem Gefüge innerhalb einer gesamten thermischen Kontaktfläche zwischen beiden Komponenten in der genannten Ringform prozesstechnisch leichter hergestellt werden als eine Schweißverbindung mit einer gleichgroßen Kreisfläche. Das liegt daran, dass ein Schweißwerkzeug oder mehrere Schweißwerkzeuge lediglich um eine Achse in Relation zu dem Werkstück gedreht werde. Bei einer Verschweißung einer gleichgroßen Kreisfläche mit einem kleinen Schweißwerkzeug ist eine komplexere Bewegung desselben und eine längere Prozessdauer erforderlich. Bei einer Verschweißung einer gleichgroßen Kreisfläche durch eine Punktschweißung mit einem großen Schweißwerkzeug wäre eine thermische Belastung auf das Material der beteiligten Komponenten zu hoch oder zumindest nachteilhaft für die Qualität und die thermische Leitfähigkeit des Materialgefüges in der Schweißverbindung und sowie in dem angrenzenden thermischen Flächenkontakts.

[0029] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Schweißverbindung durch eine Laserschweißnaht ausgebildet sein. Der Einsatz eines Laserschweißwerkzeugs stellt in der genannten Konfiguration der Verbindungstechnik eine prozesstechnische Erleichterung dar, da die thermische Energie an der Bauteilgrenze zwischen beiden Komponenten fokussiert zugeführt werden kann.

[0030] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung umfasst die Batteriezellen-Baugruppe ein wärmeableitendes, elektrisches Isolationselement, das zwischen dem zumindest Schulterabschnitt des Gehäuses und dem Stromabnehmer angeordnet ist; wobei das wärmeableitende, elektrische Isolationselement vorzugsweise als ein Flächenelement oder eine Schicht, und vorzugsweise aus einem Material, das zumindest Partikel aus einem keramischen Werkstoff umfasst, ausgebildet ist. Dieses Merkmal kann für einen zusätzlichen integrierten elektrischen Isolationsschutz zwischen dem Stromabnehmer, der das positive Potenzial des elektrochemischen Aktivmaterials führt, und dem Gehäuse, das üblicherweise das negative Potenzial des elektrochemischen Aktivmaterials führt, vorgesehen sein. Demzufolge wird eine Sicherheit zur Vermeidung von Kurzschlussströmen auch unter schädlicher äußerer Krafteinwirkung, wie z.B. bei einem Unfall erhöht.

[0031] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das Isolationselement in dem Wärmeableitelement integriert sein. Mit anderen Worten kann das Isolationselement als ein Flächenelement oder eine Materialschicht innerhalb eines Bauteilvolumens des Wärmeableitelements aufgenommen sein. Insbesondere für den Fall, dass das Wärmeableitelement keine elektrisch isolierende Eigenschaft aufweist, ist es erforderlich, auf diese Weise eine elektrisch isolierende Sperrschicht in oder an beziehungsweise auf dem Wärmeableitelement vorzusehen. Im Falle einer Herstellung des Wärmeableitelements durch eine Paste, die in das Gehäuse eingebracht wird, kann das flächenförmige Isolationselement besonders einfach davor, dazwischen oder dahinter in dem Gehäuse angeordnet werden.

[0032] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung umfasst eine Batteriezelle ein elektrochemisches Aktivmaterial mit einem Stromableiter, wobei diese in dem

[0033] Gehäuse der Batteriezellen-Baugruppe aufgenommen sind und der Stromableiter mit der Zellenkontaktfläche des Stromabnehmers in einem elektrischen Kontakt steht.

[0034] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann ein Batteriespeichersystem eine Mehrzahl von Batteriezellen mit der genannten Batteriezellen-Baugruppe, eine Stromschiene, die mit den Positivpolelemente der Batteriezellen in Kontakt steht; und einen Kühlkanal, der einen Kühlfluidstrom führt und mit der Stromschiene direkt oder über eine dazwischenliegende, wärmeableitende, elektrische Isolationsschicht in direktem Kontakt steht, umfassen. Auf diese Weise wird ein Systemumfeld bereitgestellt, bei dem die Außenfläche des Positivpolelements über einen elektrischen und zugleich thermischen Kontakt mit einer gekühlten Stromschiene gekühlt wird. Dabei führt der erste Wärmeableitungsweg von dem elektrochemischen Aktivmaterial über den Stromabnehmer, das Positivpolelement und die Stromschiene sowie gegebenenfalls eine Isolationsschicht in einen Kühlfluidstrom des Kühlkanals, der die abgeleitete Wärme in einem Massestrom des Kühlfluids abführt. Ein solches Kühlsystem hat den Vorteil, dass ein und dieselbe Kontaktfläche mit der Batteriezelle für die Stromführung und die Wärmeableitung zugleich genutzt wird. Demzufolge sind wenige Kühlkanäle, wenige Formteile für thermische Kontakte und weniger Dichtungsstellen notwendig.

[0035] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die wärmeableitende elektrische Isolationsschicht vorzugsweise aus einem Material, das zumindest Partikel aus einem keramischen Werkstoff umfasst, ausgebildet sein. Für den Fall, dass ein Material des Kühlkanals elektrisch leitend ist, kann durch dieses Merkmal ein Kurzschluss zwischen der Stromschiene und anderen Systembereichen, die im Kontakt mit dem Kühlkanal stehen, verhindert werden.

[0036] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann zwischen der Stromschiene und einer gegenüberliegenden Außenseite der Schulterabschnitte der Gehäuse der Batteriezellen ein elektrisch isolierendes Wärmeableitmaterial eingebracht sein, dass mit der Stromschiene und den Gehäusen der Batteriezellen in einem thermischen Kontakt steht; wobei das elektrisch isolierende Wärmeableitmaterial vorzugsweise zumindest Partikel aus einem keramischen Werkstoff umfasst. Durch diese Maßnahme kann eine Querschnittsfläche zur axialen Wärmeableitung aus den Batteriezellen bis auf einen Gesamtdurchmesser der Batteriezellen maximiert werden. Somit wird eine äußere thermische Schnittstelle zu dem zuvor genannten zweiten Wärmeableitungsweg über den Schulterabschnitt des Gehäuses geschaffen, der parallel beziehungsweise konzentrisch zu dem ersten Wärmeableitungsweg über die stromführenden Komponenten besteht. Die äuBere, systemseitige thermische Schnittstelle in Form des elektrisch isolierenden Wärmeableitmaterials wird in Flächenkontakt zu einer Außenseite des Schulterabschnitts des Gehäuses und zu der gekühlten Stromschiene bereitgestellt. Um einen Kurzschlussstrom zwischen dem positiven Potenzial der mit dem Positivpolelement verbundenen Stromschiene und dem mit dem negativen Potenzial der Batteriezelle verbundenen Gehäuse zu vermeiden, ist es erforderlich, dass das Wärmeableitmaterial elektrisch isolierend ist oder alternativ eine Schicht eines weiteren elektrisch isolierenden Materials in diesem Bereich eingearbeitet umfasst.

[0037] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale und Ausführungsformen jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:

[0038] Fig. 1 eine Querschnittsansicht durch eine Batteriezelle und eine Draufsicht auf ein Positivpolelement an einer Batteriezellen-Baugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

[0039] Fig. 2 Querschnittsansichten auf eine Batteriezellen-Baugruppe aus dem Stand der Technik und eine Batteriezellen-Baugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung während eines Prozessschrittes der Verbindungstechnik; und

[0040] Fig. 3 eine Querschnittsansicht durch ein Batteriespeichersystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, in dem eine Batteriezelle mit einer erfindungsgemäßen Batteriezellen-Baugruppe von einem flüssigkeitsführenden Kühlsystem gekühlt wird.

[0041] Figur 1 zeigt eine Batteriezelle 100 mit einer Batteriezellen-Baugruppe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Ein Gehäuse 10 umfasst einen zylindrischen Mantelabschnitt 11 und einen Schulterabschnitt 13. Das Gehäuse 10 weist eine Gehäuseöffnung 12 auf, in der ein Positivpolelement 20 angeordnet ist. Zwischen dem Positivpolelement 20 und dem Schulterabschnitt 13 des Gehäuses 10 ist ein Isolationsringelement zur elektrischen Isolation eingefügt. Das Positivpolelement 20 dient dazu, ein positives Potenzial der Batteriezelle 100 zu einer Stirnseite der Batteriezelle 100 bereitzustellen. Hierzu weist das Positivpolelement 20 eine Außenkontaktfläche 22 auf, über die eine elektrische Kontaktierung mit der Batteriezelle 100 erfolgt. Zur Innenseite des Gehäuses 10 weist das Positivpolelement 20 eine Innenkontaktfläche 23 auf. Zwischen der Außenkontaktfläche 22 und der Innenkontaktfläche 23 ist ein Verbindungsabschnitt 21 des Positivpolelements 20 angeordnet, der sich durch die Gehäuseöffnung 12 des Gehäuses 10 erstreckt. Im Inneren des Gehäuses 10 befindet sich ein elektrochemisches Aktivmaterial, wie insbesondere ein Elektrolyt und Elektrodenmaterialien, die in einer aufgewickelten Spule vorliegen. Dabei stehen zu einer nach oben gerichteten Seite Ränder eines Stromableiters 63 an einem positiven Elektrodenmaterial des elektrochemischen Aktivmaterials 60 hervor.

[0042] Zwischen dem elektrochemischen Aktivmaterial 60 und dem Positivpolelement 20 ist ein Stromabnehmer 30 angeordnet. Der Stromabnehmer 30 weist eine im Wesentlichen konische Form auf, die sich zwischen einer kleineren, zu dem Positivpolelement 20 zugewandten Polkontaktfläche 32 und einer größeren, dem elektrochemischen Aktivmaterial 60 zugewandten Zellenkontaktfläche 36 erstreckt. Der Stromabnehmer 30 steht an der Zellenkontaktfläche 36 mit dem Stromableiter 63 des elektrochemischen Aktivmaterials 60 in elektrischer Verbindung. Die Polkontaktfläche 32 des Stromabnehmers 30 steht mit der Innenkontaktfläche 23 des Positivpolelements 20 in Kontakt, genauer genommen über eine Teilfläche mittels einer Schweißnaht in Verbindung. Zwischen dem Stromabnehmer 30 und dem Schulterabschnitt 13 des Gehäuses 10 ist ein Wärmeableitelement 40 angeordnet.

[0043] Das Wärmeableitelement 40 wird aus einer Wärmeableitpaste gebildet, die in das Gehäuse 10 eingebracht wird, um anschließend anhand der angrenzenden Flächen zu dem Gehäuse 10 und zu dem Stromabnehmer 30 geformt zu werden und anschließend als gegossener Formkörper auszuhärten. Das Wärmeableitelement 40 ist aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit und einer elektrisch isolierenden, das heißt schlechten elektrischen Leitfähigkeit, wie insbesondere einer keramischen Wärmeleitpaste hergestellt.

[0044] Je nachdem, ob das Material des Wärmeableitelement 40 eine ausreichend elektrische Isolationseigenschaft aufweist, ist optional zusätzlich zu dem Wärmeableitelement 40 ein elektrisches Isolationselement 50 in das Gehäuse 10 eingefügt, das wahlweise zwischen dem Wärmeableitelement 40 und dem Schulterabschnitt 13 angeordnet, zwischen dem Wärmeableitelement 40 und dem Stromabnehmer 30 angeordnet, oder alternativ als Schicht innerhalb des Formkörpers des Wärmeableitelements 40 eingearbeitet ist. Das Isolationselement 50 ist entweder ebenfalls aus der keramischen Wärmeleitpaste des Wärmeableitelements 40, insbesondere als integraler Bestandteil des Wärmeableitelement 40 ausgebildet, oder aber als dünne Folie, welche innerhalb oder axial benachbart zu dem Wärmeableitelement 40 angeordnet ist, aus einem polymerbasierten Material, das zwar auch elektrisch isoliert, jedoch eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit aufweist.

[0045] Das Wärmeableitelement 40 steht sowohl mit dem Stromabnehmer 30 als auch mit dem Schulterabschnitt 13 des Gehäuses 10 in einem Flächenkontakt, um einen thermischen Kontakt zur Wärmeableitung in axialer Richtung aus der Batteriezelle 100 über einen gesamten Durchmesser DM des Mantelabschnitts 13 des Gehäuses 10 zu ermöglichen.

[0046] Der Verbindungsabschnitt 21 des Positivpolelements 20 weist den Durchmesser DV auf. Die Außenkontaktfläche 22 des Positivpolelements 20 weist den Durchmesser DA auf. Die Polkontaktfläche 32 des Stromabnehmers 30 weist den Durchmesser DP auf. Der Mantelabschnitt 11 des Gehäuses 10 weist den Durchmesser DM auf. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Durchmesser DV des Verbindungsabschnitts 21 etwas mehr als 20% des Durchmessers DM des Mantelabschnitts 11. In etwa den gleichen Durchmesser beträgt die Polkontaktfläche 32

des Stromabnehmers 30. Der Durchmesser DA der Außenkontaktfläche 22 des Positivpolelements 20 beträgt in etwa 43% des Durchmessers DM des Mantelabschnitts 11. Somit ist der Durchmesser DA der Außenkontaktfläche 22 in etwa doppelt so groß wie der Durchmesser DV des Verbindungsabschnitts 21 oder wie der Durchmesser DP der Polkontaktfläche 32.

[0047] Figur 2 zeigt einen Prozessschritt einer Schweißverbindungstechnik, wie er, auf der linken Seite dargestellt, an einer Batteriezellen-Baugruppe im Stand der Technik durchgeführt wird, und wie er, auf der rechten Seite dargestellt, an einer erfindungsgemäßen Batteriezellen-Baugruppe durchgeführt wird.

[0048] Im Stand der Technik wird in der Regel eine Punktschweißung zur Verbindung des Stromabnehmers 30 mit dem Positivpolelement durchgeführt. Daraus resultiert eine verhältnismäßig kleine Querschnittsfläche AS der Schweißverbindung. Zudem ist eine Kontaktfläche zwischen dem Stromabnehmer und dem Positivpolelement ebenso klein oder nicht viel größer. Eine solche Konstruktion wurde bislang lediglich unter Berücksichtigung der elektrischen Leitfähigkeit, jedoch nicht der thermischen Leitfähigkeit vorgesehen. Demzufolge besteht eine relativ kleine thermische Schnittfläche für eine Wärmeableitung aus dem Inneren der Batteriezelle nach außen.

[0049] Wie auf der rechten Seite dargestellt ist, werden in einer Ausführungsform der Erfindung der Stromabnehmer 30 und das Positivpolelement 20 mit einer ringförmigen Schweißnaht verbunden. Dabei wird die Polkontaktfläche 32 des Straomabnehmers 30 an die Innenkontaktfläche 23 des Positivpolelements 20 durch ein gegenhaltendes Haltewerkzeug gepresst und mittels eines rotierenden Laserschweißwerkzeugs von einer gegenüberliegenden Seite verschweißt. Durch eine Rotationsbewegung des Laserschweißwerkzeugs oder der Batteriezellen-Baugruppe wird die ringförmige Schweißverbindung gebildet.

[0050] Wie aus einem Vergleich der beiden Abbildungen nachvollziehbar, ist die resultierende Querschnittsfläche AS der ringförmigen Schweißverbindung erheblich größer als diejenige der punktförmigen Schweißverbindung im Stand der Technik. An einem konkreten Beispiel eines bekannten Typs einer 4680-Zelle näher verdeutlicht, beträgt auf der linken Seite der Durchmesser DP der Polkontaktfläche in etwa 2,5 mm, womit sich eine Querschnittsfläche AS der Punktschweißverbindung von 5 mm? ergibt. Im Ubrigen beträgt auf der linken Seite der Durchmesser DV des Verbindungsabschnitts des Positivpolelements 20 in etwa 6 mm und der Durchmesser DA der Außenkontaktfläche des Positivpolelements in etwa 15 mm, bei einem Durchmesser DM des Mantelabschnitts von 46 mm.

[0051] Im Vergleich hierzu betragen an dem erfindungsgemäßen Aufbau der Batteriezellen-Baugruppe für eine 4680-Zelle, also mit dem gleichen Durchmesser DM des Mantelabschnitts 11 von 46 mm erheblich größere Werte, wodurch eine größere thermische Schnittstelle für eine Wärmeableitung aus dem Inneren der Zelle nach außen resultiert. Der Durchmesser DA der Außenkontaktfläche des Positivpolelements beträgt in etwa 20 mm. Der Durchmesser DV des Verbindungsabschnitts 21 des Positivpolelements 20 sowie der Durchmesser DP der Polkontaktfläche 32 des Stromabnehmers 30 betragen in etwa 15 mm. Ein Innendurchmesser DI der ringförmigen Schweißverbindung beträgt in etwa 11 mm. Daraus ergibt sich eine Querschnittsfläche AS der ringförmigen Schweißverbindung von etwa 81 mm®. Eine gesamte Querschnittsfläche AM des Mantelabschnitts 11 des Gehäuses 10 beträgt 1661 mm® in Bezug auf den genannten Durchmesser DM von 46 mm. Somit beträgt die Querschnittsfläche AS der Schweißverbindung in etwa 5% der gesamten Querschnittsfläche AM des Mantelabschnitts 11.

[0052] Figur 3 zeigt ein Batteriespeichersystem 200 mit einer Stromschiene 220, einem Kühlkanal 240, der ein Kühlfluid K führt, eine wärmeableitende, elektrische Isolationsschicht 230, die einen thermischen Kontakt zwischen der Stromschiene 220 und dem Kühlkanal 240 herstellt.

[0053] Eine Batteriezelle 100 mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen BatteriezellenBaugruppe steht über die Außenkontaktfläche 22 des Positivpolelements 20 in einem elektrischen sowie thermischen Kontakt mit der Stromschiene 220. Darüber hinaus ist zwischen den Schulterabschnitt 13 des Gehäuses 10 und der Stromschiene 220 ein elektrisch isolierendes Wärmeableitmaterial eingebracht. Dieses Wärmeableitmaterial 210 kann beispielsweise ebenso

wie der Wärmeableitkörper 40 in Form einer elektrisch isolierenden, keramischen Wärmeleitpaste hergestellt und aufgetragen werden. Eine solche Materialmasse härtet anschließend als Formkörper in Flächenkontakt mit dem Gehäuse 10 und der Stromschiene 220 aus. Wie anhand der dargestellten Pfeile für eine Wärmeableitung dargestellt ist, lässt sich nachvollziehen, dass in dem Batteriespeichersystem 200 eine gute Wärmeableitung in axialer Richtung der Batteriezelle 100 erzielt wird. Zum einen besteht der verbesserte erste Wärmeableitungswerg über die stromführenden Komponenten mit vergrößerten Kontaktflächen zwischen den Komponenten sowie größeren Durchmessern der Komponenten selbst. Darüber hinaus besteht der zweite Wärmeableitungsweg zwischen dem Stromabnehmer 30 über das Wärmeableitelement 40 durch den Schulterabschnitt 13 und das Wärmeableitmaterial 210 zu der gekühlten Stromschiene 220 sowie über die elektrische Isolationsschicht 230 in das Kühlfluid K des Kühlkanals 240. Eine ähnlicher dritter Wärmeableitungsweg lässt sich aus dem elektrochemischen Aktivmaterial 60 über den Mantelabschnitt 11 und den Schulterabschnitt 13 des Gehäuses 10 sowie nachfolgend über dieselben zuvor genannten Komponenten des Batteriespeichersystems 200 beobachten.

[0054] Demzufolge kann im Wesentlichen die gesamte Querschnittsfläche AM des Mantelabschnitts 11 des Gehäuses 10 für eine axiale Wärmeabfuhr des elektrochemischen Aktivmaterials 60 zu dem Massestrom des Kühlfluids K genutzt werden, zusätzlich zu der verbesserten Wärmeableitung über die stromführenden Komponenten des Stromabnehmers 30 und des Positivpolelements 20 anhand der zuvor beschriebenen Merkmale.

[0055] Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Gehäuse

11 Mantelabschnitt des Gehäuses

12 Gehäuseöffnung

13 Schulterabschnitt des Gehäuses

20 Positivpolelement

21 Verbindungsabschnitt des Positivpolelements 22 Außenkontaktfläche des Positivpolelements 23 Innenkontaktfläche des Positivpolelements 30 Stromabnehmer

32 Polkontaktfläche des Stromabnehmers

36 Zellenkontaktfläche des Stromabnehmers

40 Wärmeableitelement

50 elektrisches Isolationselement

60 elektrochemisches Aktivmaterial

63 Stromableiter im elektrochemischen Aktivmaterial 100 Batteriezelle

200 Batteriespeichersystem

210 elektrisch isolierendes Wärmeableitmaterial 220 Stromschiene

230 wärmeableitende elektrische Isolationsschicht 240 Kühlkanal

AM Querschnittsfläche des Mantelabschnitts des Gehäuses

AS Querschnittsfläche der Schweißverbindung

DA Durchmesser der Außenkontaktfläche des Positivpolelements

DI Innendurchmesser der Schweißverbindung

DM Durchmesser des Mantelabschnitts des Gehäuses

DP Durchmesser der Polkontaktfläche des Stromabnehmers

DV Durchmesser des Verbindungsabschnitts des Positivpolelements K Kühlfluid

Patentansprüche

1. Batteriezellen-Baugruppe zur Umschließung und elektrischen Kontaktierung eines elektrochemischen Aktivmaterials (60), aufweisend:

ein Gehäuse (10) mit einem axial erstreckenden, vorzugsweise zylindrischen Mantelabschnitt (11) und einem radial einwärts gerichteten Schulterabschnitt (13), der ein axiales Ende des Gehäuses (10) zu einer zentralen Gehäuseöffnung (12) führend abschließt;

ein Positivpolelement (20) eines positiven Batteriezellen-Potenzials mit einer Außenkontaktfläche (22), die zu einer Außenseite des Gehäuses (10) exponiert ist, und einer Innenkontaktfläche (23), die zu einer Innenseite des Gehäuses (10) exponiert ist, sowie einem dazwischen angeordneten Verbindungsabschnitt (21), der sich durch die Gehäuseöffnung (12) hindurch erstreckt;

dadurch gekennzeichnet, dass

in dem Gehäuse (10) ein Wärmeableitelement (40) angeordnet ist, das um die zentrale Gehäuseöffnung (12) herum mit einer Innenseite des Schulterabschnitts (13) des Gehäuses (10) in Kontakt steht.

2. Batteriezellen-Baugruppe nach Anspruch 1, wobei das Wärmeableitelement (40) als ein Formkörper mit einer korrespondierenden Formfläche zu der Form der Innenseite des Schulterabschnitts (13) des Gehäuses (10) ausgebildet ist, vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material, das zumindest Partikel aus einem keramischen Werkstoff umfasst.

3. Batteriezellen-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis von einem Durchmesser (DV) des Verbindungsabschnitts (21) des Positivpolelements (20) zu einem Durchmesser (DM) des Mantelabschnitts (11) des Gehäuses (10) wenigstens 15 %, vorzugsweise wenigstens 25 %, besonders bevorzugt wenigstens 35 % beträgt.

4. Batteriezellen-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis von einem Durchmesser (DA) der Außenkontaktfläche (22) des Positivpolelements (20) zu dem Durchmesser (DM) des Mantelabschnitts (11) des Gehäuses (10) wenigstens 35 %, vorzugsweise wenigstens 40 %, besonders bevorzugt wenigstens 45 % beträgt.

5. Batteriezellen-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend:

einen Stromabnehmer (30) mit einer Polkontaktfläche (32), die mit der Innenkontaktfläche (23) des Positivpolelements (20) in Kontakt steht, und mit einer Zellenkontaktfläche (36), die mit einem Stromableiter (63) in dem elektrochemischen Aktivmaterial (50) in Kontakt steht; wobei

ein Verhältnis von einem Durchmesser (DP) der Polkontaktfläche (32) des Stramabnehmers (30) zu dem Durchmesser (DM) des Mantelabschnitts (11) des Gehäuses (10) wenigstens 15 %, vorzugsweise wenigstens 25 %, besonders bevorzugt wenigstens 35 % beträgt.

6. Batteriezellen-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend:

einen Stromabnehmer (30) mit einer Polkontaktfläche (32), die über eine Schweißverbindung mit der Innenkontaktfläche (23) des Positivpolelements (20) in Kontakt steht, und einer Zellenkontaktfläche (36), die mit einem Stromableiter (63) in dem elektrochemischen Aktivmaterial (60) in Kontakt steht; wobei

ein Verhältnis von einer Querschnittsfläche (AS) der Schweißverbindung zu einer Querschnittsfläche (AM) des Mantelabschnitts (11) des Gehäuses (10) wenigstens 3 %, vorzugsweise wenigstens 4 %, besonders bevorzugt wenigstens 5 % beträgt.

7. Batteriezellen-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend:

einen Stromabnehmer (30) mit einer Polkontaktfläche (32), die über eine Schweißverbindung mit der Innenkontaktfläche (23) des Positivpolelements (20) in Kontakt steht, und einer Zellenkontaktfläche (36), die mit einem Stromableiter (63) in dem elektrochemischen Aktivma-

terial (60) in Kontakt steht; wobei die Schweißverbindung und eine entsprechende Querschnittsfläche (AS) der Schweißverbindung in einem Radius um eine Mittelachse des Positivpolelements (20) ausgebildet sind.

8. Batteriezellen-Baugruppe nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Schweißverbindung durch eine Laserschweißnaht ausgebildet ist.

9. Batteriezellen-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend:

ein wärmeableitendes, elektrisches Isolationselement (50), das zwischen zumindest dem Schulterabschnitt (13) des Gehäuses (10) und dem Stromabnehmer (30) angeordnet ist; wobei

das wärmeableitende, elektrische Isolationselement (50) vorzugsweise als ein Flächenelement oder eine Schicht, und vorzugsweise aus einem Material, das zumindest Partikel aus einem keramischen Werkstoff umfasst, ausgebildet ist.

10. Batteriezellen-Baugruppe nach Anspruch 9, wobei das Isolationselement (50) in dem Wärmeableitelement (40) integriert ist.

11. Batteriezelle (100), aufweisend:

die Batteriezellen-Baugruppe (100) zur Umschließung und elektrischen Kontaktierung des elektrochemischen Aktivmaterials (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 10; und

ein elektrochemisches Aktivmaterial (60) mit einem Stromableiter (63). 12. Batteriespeichersystem (200), aufweisend:

eine Mehrzahl von Batteriezellen (100), die jeweils die Batteriezellen-Baugruppe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfassen;

eine Stromschiene (220), die mit den Positivpolelementen (20) der Batteriezellen (100) in Kontakt steht; und

einen Kühlkanal (240), der einen Kühlfluidstrom (K) führt und mit der Stromschiene (220) direkt oder über eine dazwischen liegende, wärmeableitende, elektrische Isolationsschicht (230) indirekt in Kontakt steht.

13. Batteriespeichersystem (200) nach Anspruch 12, wobei die wärmeableitende, elektrische Isolationsschicht (230) vorzugsweise aus einem Material, das zumindest Partikel aus einem keramischen Werkstoff umfasst, ausgebildet ist.

14. Batteriespeichersystem (200) nach Anspruch 12 oder 13, wobei zwischen der Stromschiene (220) und einer gegenüberliegenden Außenseite der Schulterabschnitte (13) der Gehäuse (10) der Batteriezellen (100) ein elektrisch isolierendes Wärmeableitmaterial (210) eingebracht ist, das mit der Stromschiene (220) und den Gehäusen (10) der Batteriezellen (100) in einem thermischen Kontakt steht; wobei

das elektrisch isolierende Wärmeableitmaterial (210) vorzugsweise zumindest Partikel aus einem keramischen Werkstoff umfasst.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Neue Patenansprüche

   1. Batteriezellen-Baugruppe zur Umschließung und elektrischen Kontaktierung eines elektrochemischen Aktivmaterials (60), aufweisend:

   ein Gehäuse (10) mit einem axial erstreckenden, vorzugsweise zylindrischen Mantelabschnitt (11) und einem radial einwärts gerichteten Schulterabschnitt (13), der ein axiales Ende des Gehäuses (10) zu einer zentralen Gehäuseöffnung (12) führend abschließt;

   ein Positivpolelement (20) eines positiven Batteriezellen-Potenzials mit einer Außenkontaktfläche (22), die zu einer Außenseite des Gehäuses (10) exponiert ist, und einer Innenkontaktfläche (23), die zu einer Innenseite des Gehäuses (10) exponiert ist, sowie einem dazwischen angeordneten Verbindungsabschnitt (21), der sich durch die Gehäuseöffnung (12) hindurch erstreckt; wobei

   in dem Gehäuse (10) ein Wärmeableitelement (40) angeordnet ist, das um die zentrale Gehäuseöffnung (12) herum mit einer Innenseite des Schulterabschnitts (13) des Gehäuses (10) in Kontakt steht,

   dadurch gekennzeichnet, dass.

   das Wärmeableitelement (40) als ein Formkörper mit einer korrespondierenden Formfläche zu der Form der Innenseite des Schulterabschnitts (13) des Gehäuses (10) ausgebildet ist, vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material, das zumindest Partikel aus einem keramischen Werkstoff umfasst.

   2. Batteriezellen-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis von einem Durchmesser (DV) des Verbindungsabschnitts (21) des Positivpolelements (20) zu einem Durchmesser (DM) des Mantelabschnitts (11) des Gehäuses (10) wenigstens 15 %, vorzugsweise wenigstens 25 %, besonders bevorzugt wenigstens 35 % beträgt.

   3. Batteriezellen-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis von einem Durchmesser (DA) der Außenkontaktfläche (22) des Positivpolelements (20) zu dem Durchmesser (DM) des Mantelabschnitts (11) des Gehäuses (10) wenigstens 35 %, vorzugsweise wenigstens 40 %, besonders bevorzugt wenigstens 45 % beträgt.

   4. Batteriezellen-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend:

   einen Stromabnehmer (30) mit einer Polkontaktfläche (32), die mit der Innenkontaktfläche (23) des Positivpolelements (20) in Kontakt steht, und mit einer Zellenkontaktfläche (36), die mit einem Stromableiter (63) in dem elektrochemischen Aktivmaterial (60) in Kontakt steht; wobei

   ein Verhältnis von einem Durchmesser (DP) der Polkontaktfläche (32) des Stramabnehmers (30) zu dem Durchmesser (DM) des Mantelabschnitts (11) des Gehäuses (10) wenigstens 15 %, vorzugsweise wenigstens 25 %, besonders bevorzugt wenigstens 35 % beträgt.

   5. Batteriezellen-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend:

   einen Stromabnehmer (30) mit einer Polkontaktfläche (32), die über eine Schweißverbindung mit der Innenkontaktfläche (23) des Positivpolelements (20) in Kontakt steht, und einer Zellenkontaktfläche (36), die mit einem Stromableiter (63) in dem elektrochemischen Aktivmaterial (60) in Kontakt steht; wobei

   ein Verhältnis von einer Querschnittsfläche (AS) der Schweißverbindung zu einer Querschnittsfläche (AM) des Mantelabschnitts (11) des Gehäuses (10) wenigstens 3 %, vorzugsweise wenigstens 4 %, besonders bevorzugt wenigstens 5 % beträgt.

   6. Batteriezellen-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend:

   einen Stromabnehmer (30) mit einer Polkontaktfläche (32), die über eine Schweißverbindung mit der Innenkontaktfläche (23) des Positivpolelements (20) in Kontakt steht, und einer Zellenkontaktfläche (36), die mit einem Stromableiter (63) in dem elektrochemischen Aktivma-

   ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE

   10.

   11.

   12.

   13.

   AT 528 539 A1 2026-02-15

   terial (60) in Kontakt steht; wobei die Schweißverbindung und eine entsprechende Querschnittsfläche (AS) der Schweißverbindung in einem Radius um eine Mittelachse des Positivpolelements (20) ausgebildet sind.

   Batteriezellen-Baugruppe nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Schweißverbindung durch eine Laserschweißnaht ausgebildet ist.

   Batteriezellen-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend:

   ein wärmeableitendes, elektrisches Isolationselement (50), das zwischen zumindest dem Schulterabschnitt (13) des Gehäuses (10) und dem Stromabnehmer (30) angeordnet ist; wobei

   das wärmeableitende, elektrische Isolationselement (50) vorzugsweise als ein Flächenelement oder eine Schicht, und vorzugsweise aus einem Material, das zumindest Partikel aus einem keramischen Werkstoff umfasst, ausgebildet ist.

   Batteriezellen-Baugruppe nach Anspruch 8, wobei das Isolationselement (50) in dem Wärmeableitelement (40) integriert ist.

   Batteriezelle (100), aufweisend:

   die Batteriezellen-Baugruppe (100) zur Umschließung und elektrischen Kontaktierung des elektrochemischen Aktivmaterials (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 10; und

   ein elektrochemisches Aktivmaterial (60) mit einem Stromableiter (63). Batteriespeichersystem (200), aufweisend:

   eine Mehrzahl von Batteriezellen (100), die jeweils die Batteriezellen-Baugruppe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfassen;

   eine Stromschiene (220), die mit den Positivpolelementen (20) der Batteriezellen (100) in Kontakt steht; und

   einen Kühlkanal (240), der einen Kühlfluidstrom (K) führt und mit der Stromschiene (220) direkt oder über eine dazwischen liegende, wärmeableitende, elektrische Isolationsschicht (230) indirekt in Kontakt steht.

   Batteriespeichersystem (200) nach Anspruch 11, wobei die wärmeableitende, elektrische Isolationsschicht (230) vorzugsweise aus einem Material, das zumindest Partikel aus einem keramischen Werkstoff umfasst, ausgebildet ist.

   Batteriespeichersystem (200) nach Anspruch 11 oder 12, wobei zwischen der Stromschiene (220) und einer gegenüberliegenden Außenseite der Schulterabschnitte (13) der Gehäuse (10) der Batteriezellen (100) ein elektrisch isolierendes Wärmeableitmaterial (210) eingebracht ist, das mit der Stromschiene (220) und den Gehäusen (10) der Batteriezellen (100) in einem thermischen Kontakt steht; wobei

   das elektrisch isolierende Wärmeableitmaterial (210) vorzugsweise zumindest Partikel aus einem keramischen Werkstoff umfasst.

   ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE