CN116780069A - 用于机动车的蓄能器装置以及用于制造蓄能器装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车的蓄能器装置(62、26)，其中，蓄能器装置(62、26)包括至少一个电芯(26)，电芯具有电芯内部(58)、包围电芯内部(58)的电芯壳体(56)以及布置在电芯内部(58)中的电芯化学单元(24、24a、24b、24c、24d)。在此，蓄能器装置(62、26)设计成，在蓄能器装置(62、26)的正常运行状态中，将在电芯内部(58)中产生的气体(20)从电芯化学单元(24、24a、24b、24c、24d)的中心区域(32)向电芯化学单元(24、24a、24b、24c、24d)的至少一个第一边缘区域(34)的方向排出。

Description

用于机动车的蓄能器装置以及用于制造蓄能器装置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于机动车的蓄能器装置，其中，蓄能器装置包括至少一个电芯，电芯具有电芯内部、包围电芯内部的电芯壳体和布置在电芯内部中的电芯化学单元。此外，本发明也涉及一种用于制造蓄能器装置的方法。
背景技术
用于蓄能器装置的示例例如是用于电动车的高压电池。该高压电池通常具有多个电芯，例如锂离子电芯，这些电芯可以以不同的封装形式提供或使用，例如以圆形电芯、棱柱形电芯或软包电芯的形式。
DE 10 2012 018 058 A1阐述了一种用于高压电池的电芯，该电芯具有：外套，外套具有两个包络板和至少一个布置在包络板之间的绝缘框架；以及布置在外套之内的电芯化学部；以及排气开口，在正常状态中排气开口通过材料层封闭，并且在过压的情况中排气开口通过材料层的至少部分的破坏打开。此外，电芯包括通道，该通道布置在电芯化学部和外套之间的边缘区域并且与排气开口相连接。在不期望的错误反应的情况中，例如在过充电、短路等时，可能导致电芯化学部的不期望的放热的连锁反应，这也称为热失控。在这种情况中，排气开口应打开，以实现受控地降低在电芯中的压力。在此，所设置的通道应实现气体可靠地从电芯化学部的区域中流出。
但是，不仅在这种危险的电芯运行状态中，而且在这种电芯的正常运行状态中(在本发明的范围内，正常运行状态也称为正常的电芯运行状态)，都可能在这种电芯中产生气体。即，在正常的运行状态中，不存在电芯的故障并且电芯功能正常。在使用寿命的进程中，这种电芯，例如锂离子电芯经受不同的老化作用。例如，可能出现所谓的电芯的膨胀，也就是说胀大。这种在电芯之内的膨胀由于电芯的阳极和阴极的活性材料的膨胀而发展。在使用寿命上，这种膨胀与气体的形成叠加，该气体保留在电芯中并且导致附加的电芯膨胀，也就是说胀大。自由的膨胀和完全被抑制的膨胀都导致使用寿命缩短。因此，为了实现受控的电芯胀大或膨胀，作用到电芯上的限定的压力是有利的。
发明内容
本发明的目的是，提供一种蓄能器装置以及一种方法，其实现了在电芯的正常的运行状态中改善电芯的功能，并且尤其是提高电芯的使用寿命。
该目的通过具有根据相应的独立权利要求所述的特征的蓄能器装置以及方法实现。从属权利要求、说明书以及附图的主题是本发明的有利的设计方案。
用于机动车的根据本发明的蓄能器装置具有至少一个电芯，电芯包括电芯内部、包围电芯内部的电芯壳体和布置在电芯内部中的电芯化学单元。在此，蓄能器装置设计成，在蓄能器装置的正常运行状态中，将在电芯内部中产生的气体从电芯化学单元的中心区域向电芯化学单元的至少一个第一边缘区域的方向排出。
在此，本发明基于多个认识：如开始所述的那样，在电芯的使用寿命上，在电芯的电芯内部中可能形成气体。在传统的电芯中，在此，产生的气泡留在阳极和阴极之间并且导致薄膜彼此抬起。这又导致，离子在其到相应的电极的路径上受到妨碍，这损害了传统的电芯的功能。此外，由于在传统的电芯的充电和放电期间的压力变化，气泡变大并变小，由此在相对脆的活性材料中产生机械应力。在棱柱形的电芯中，电芯壳体例如构造成，电芯壳体刚好在边缘区域中具有显著更大的刚性。通过堆或缠绕体或概言之电芯化学单元的拉紧的结构设计方案，与在电芯的中心相比，在边缘区域中显著更大的力被施加到堆或电极缠绕体上。由此，在最不适宜的情况中，在边缘区域中产生更高的压紧并且由此产生压缩的形式，这防止气泡轻易漏出。因此，在电芯中心产生面形的气泡。即因此，在传统的电芯的正常运行中在电芯内部中产生的气体同样损害这种电芯的功能和使用寿命。现在本发明有利地利用这一认识并且相应地如此设计蓄能器装置，使得现在，在正常运行状态(即该运行状态与蓄能器装置或其电芯的有缺陷的状态不同)中也实现，尤其是通过或者电芯自身或者蓄能器装置的另一组件的特殊的结构设计方案，将在电芯内部中产生的气态从电芯化学单元的中心区域向电芯化学单元的至少一个第一边缘区域的方向排出。由此，有利地可以使在电芯的层，也就是说单个电极和电芯化学单元的隔膜层之间最少地形成的面形的气泡。通过有利地通过本发明实现有目的地将气体引导到电芯的边缘区域中，得到多个优点。一方面，可以使在电芯充电和放电时气泡的泵送运动最小，并且由此降低作用到电芯化学单元的阳极或阴极的覆层上的机械应力和碾压运动，并且降低脱落的风险。此外，不会由于气泡断开电活性的面或者同样减少这种断开。此外，由此也减弱了在电芯中心的电芯凸起，并且此外也提供电芯的更均匀的且更少的电老化。因此，通过本发明在电芯的功能性改善方面以及在其使用寿命的延长方面得到多种优点。此外，本发明也基于的认识是，目前在寻求的方案是，不仅在这种电芯的过压或热穿透的紧急情况中，而且在电芯的正常运行中也将在使用寿命的进程中在电芯内部中产生的气体从电芯内部中排出。在此，为此也有利的是，可以有目的地将在电芯中产生的气体从电芯的中心区域引导出到边缘区域中，以使得在电芯正常运行时也可以通过合适的排气装置显著更简单地将气体从该处排出到电芯的环境中。
原则上，在此本发明可以应用在任意类型的电芯中，尤其是用于棱柱形电芯、软包电芯和圆形电芯。刚好当至少一个电芯例如是棱柱形电芯时，本发明是尤其有利的，因为刚好棱柱形电芯具有可以实现以上阐述的在边缘区域中压缩电极层的电芯壳体。例如，软包电芯通常具有明显更柔性的、袋子式的电芯壳体，因此软包电芯自身也显著更少地面临以上所述的问题。因此尤其有利的是，至少一个电芯例如构造成具有棱柱形的电芯壳体的棱柱形电芯。此外，至少一个电芯例如可以是锂离子电芯。
概言之，例如蓄能器装置可以是开头所述的用于电动车的高压电池，或者也仅仅是这种高压电池的一部分，例如是具有多个电芯的电池模块，或者也仅仅是至少一个电芯自身。如果蓄能器装置例如具有多个电芯，尤其是结合成电芯组的多个棱柱形电芯，则电芯相对于第一方向并排布置。由此，该第一方向可以对应这种电芯组的堆垛方向。在此，以上所述的用于将在电芯中产生的气态从电芯化学单元的中心区域向电芯化学单元的边缘区域排出的方向可以至少部分地垂直于第一方向定向。因此，例如在电芯化学单元的单个层之间，或者平行于这些层进行气体排出。但是，也可以至少部分地平行于该第一方向进行排出，尤其是穿过电芯化学单元的层，如稍后详细阐述的那样。
如开头已经定义的那样，蓄能器装置的正常运行状态不应是损坏状态或故障状态，并且尤其不应是在其中至少一个电芯热穿透或此时将要热穿透的状态。例如，可以如此定义正常运行状态，即，至少一个电芯的运行参数在为该电芯定义的正常范围内波动。例如，运行参数是电芯的温度、压力和/或电压。由此，始终实现并且在产生气体时也持续进行从中心区域到边缘区域中排出气体，至少直至平衡了在电芯中的压力比。
在本发明的另一非常有利的设计方案中，为了将在电芯内部中产生的气体从电芯化学单元的中心区域中向电芯化学单元的至少一个第一边缘区域的方向排出，电芯具有至少一个布置在电芯内部中的排气通道。因此，可以将该排气通道有利地用于向边缘区域的方向引导气体。即因此，该排气通道优选地从电芯化学单元的至少一个中心区域引导到边缘区域中。因此，通过设置这种排气通道，有利地也在电芯的正常状态中，气体也可以显著更简单地到达电芯的边缘区域中。这实现了显著更均匀的压力分布并且减少了电芯鼓起。
此外，不仅可以设置一个这种排气通道，而且可以设置多个排气通道。例如，排气通道也可以通入电芯化学单元的不同边缘区域中。但是，排气通道自身也可以从一个边缘区域引导到相对的边缘区域并且通过电芯化学单元的中心区域。由此，可以将气体从电芯化学单元的中心区域向电芯化学单元的尤其是两个相对的边缘区域排出。此外，这有利地实现了在电芯内部中尤其均匀的气体分布，并且此外实现了在电芯化学单元或电芯内部的边缘区域上尤其均匀的气体分布。
现在，这种排气通道的表现形式可以具有以下将详细解释的不同形状。总地来说，在此电芯化学单元具有隔膜和两个与隔膜空间上分离的电极层，其中，相应的电极层具有载体层和布置在载体层上的活性材料层。电极层中的一个电极层例如是阳极层，并且另一个是阴极层。阳极层和阴极层与所述隔膜完全相互分离。在此，电芯化学单元可以以不同方式由这种层，即电极层和隔膜构成。例如，电芯化学单元可以构造成多个这种层交替的堆或垛的形式。层序列例如可以是：阳极层、隔膜、阴极层、隔膜、阳极层、隔膜，等。电芯化学单元相应地也可以具有多个阳极层和阴极层，这些阳极层和阴极层未相互连接而是通过相应的隔膜层彼此分离。但是，也可以设置仅仅一个阳极层和阴极层，该阳极层和阴极层与将这两个层分离的隔膜一起缠绕成电芯缠绕体。于是，这种电芯缠绕体相应地在其横截面中可以具有圆形的或者也具有椭圆形的几何形状。在此，相应的阳极层的相应的载体层优选地由金属材料，例如由铜或铝制成。例如，相应的载体层可以作为相应的金属薄膜提供，在该金属薄膜上又施加相应的活性材料以提供活性材料层。在此，用于阳极和阴极的活性材料彼此不同。
如果电芯化学单元布置在电芯壳体中，则电芯化学单元在此此外处于浸润到电解液中的状态中。电极垛或电极缠绕体在此完全浸润在这种电解液中。
在本发明的另一非常有利的设计方案中，现在规定，至少一个排气通道通过在活性材料层中的至少一个活性材料层中的至少一个沟槽提供。这同样具有很多优点：一方面，这种沟槽可尤其简单地引入活性材料层中。例如，在制造电芯或电芯化学单元时，可以借助于轧辊将活性材料层轧制到相应的载体层上。现在，为了将至少一个这种沟槽或甚至沟槽图形引入活性材料层中，可以提供例如具有互补的沟槽图形的这种轧辊。因此，这种轧辊可以在其柱形的轧辊表面上具有例如长延伸的抬高部，当借助于轧辊将活性材料层轧制到载体层上时，将对应的沟槽引入活性材料层中。由此，这种沟槽是在活性材料层中的凹部、尤其是长形的或长延伸的凹部。由于这种制造方法，与在没有沟槽的活性材料层的剩下的区域相比，可以在沟槽的区域中相应地更剧烈地压缩活性材料。虽然不太优选，但也可设想的是，为了形成沟槽，在沟槽的区域中活性材料层不是完全位于相应的载体层上。
但为了有效地从电芯化学单元的中心区域中输出气体已经足够的是，在沟槽的区域中或者存在更少的活性材料和/或更剧烈地压缩活性材料。此外这具有的优点是，在沟槽的区域中也存在有利于电芯的蓄电能力的活性材料。因此，通过构造一个或多个沟槽，不会或者至少不会显著损害有效功率。此外，相应的阳极层仍然非常稳定，因为至少载体层在沟槽的区域中未被穿透，而是像通常那样设计。尤其是相对于以下详细阐述的具有切口的设计方案，这也简化了电芯的制造。
在本发明的另一有利的设计方案中，至少一个沟槽至少从活性材料的中心区域开始相对于与第一方向垂直的第二方向伸延到活性材料层的第一边缘区域，并且尤其是从活性材料层的第二边缘区域通过中心区域伸延到活性材料层的第一区域。在此，活性材料层的第一边缘区域可以与电芯化学单元的第一边缘区域对应。但是相对于中心区域，电芯化学单元的边缘区域还可以比活性材料层的边缘区域稍微更远地位于外部。尤其是当为了保证刚好在边缘区域中电极层可靠的空间的和电分离，所阐述的隔膜层超过电极层比电极层自身更远地向外朝向边缘延伸时，是这种情况。此外，沟纹从一个边缘区域延伸到相对的边缘区域具有的很大优点是，可以将气体从中心区域中尤其均匀地引导到两个相对的边缘区域处。这确保了在电芯中尤其均匀的压力分布。
在本发明的另一有利的设计方案中，在电极层中布置多个沟槽，这些沟槽彼此相交地且在不同方向上尤其是直线地伸延。例如，如果电芯构造成棱柱形电芯，则电芯例如可以具有四个包围中心区域的边缘区域。通过两个相交的沟槽，可以将气体同时引导到四个边缘区域中。此外，这种相交点或交叉点实现了尤其有效的气体排出。
根据另一非常有利的设计方案，至少一个沟槽作为具有多个沟槽的沟槽图形提供。由此可以优化气体排出的效率。但是，原则上很少的几个沟槽已经足够用于实现有效地将气体从电芯的中心区域排出到边缘区域中。由此，设置仅仅很少的例如在个位数的范围中的沟槽也不会由于过度减少活性材料而损害电芯的功能。
本发明的另一有利的设计方案是，至少一个排气通道通过在电极层中的至少一个电极层中的至少一个切口提供。换句话说，排气通道不仅可以作为在活性材料中的沟槽提供，而且可以构造成穿过整个电极层，也就是说活性材料层包括载体层的连续的切口。通过这种切口，也可以有利地提供通道，该通道尤其是至少从电芯化学单元的中心延伸到边缘区域，并且简化了气体从中心区域到边缘区域中的排出。于是，这种切口优选地不是从一个边缘区域延伸到相对的边缘区域，因为这可能将相应的电极层分成两个部分。可以说，该切口仅仅设计成在电极层中的切口，但不是相对于垂直于电极层的面法向的方向的穿过部。
根据本发明的另一有利的设计方案，至少一个切口至少从电极层的中心区域开始相对于与第一方向垂直的第二方向伸延到电极层的第一边缘区域。但在作为切口提供排气通道时，不优选的是，排气通道从电极层的一个第二边缘区域连续地延伸到电极层的第一边缘区域，因为这将分割电极层。
根据本发明的另一有利的设计方案，在第一方向上以覆盖的方式布置的电极层中的两个分别具有切口，其中，这两个切口相对于至少一个与第一方向垂直的方向彼此错开。两个电极层例如可以是阳极层和阴极层，或者也可以是两个阳极层。该设计方案的很大优点在于，可以避免电芯化学单元的弯折部位，例如当相应的切口在第一方向上相叠布置时，是产生弯折部位的情况。通过错开地布置切口，可以在其整个复合体中提高单个层的稳定性以及进而电芯化学单元的稳定性。
优选地，不仅一个电极层，而且多个电极层具有所阐述的排气通道，例如以在活性材料层中的沟槽的形式或者作为切口。在此，电极层不仅可以是多个阳极层而且可以是多个阴极层或仅仅一个阳极层和阴极层。
根据本发明的另一有利的设计方案，至少一个排气通道至少部分地通过在第一方向上穿过两个电极层和隔膜、尤其是穿过整个电芯化学单元的贯通开口提供，该贯通开口通过在隔膜中的至少一个第一开口和分别在两个电极层中的至少一个第二开口提供，第一开口和第二开口在第一方向上相叠地布置，其中，在隔膜中的至少一个第一开口小于在两个电极层中的相应的至少一个第二开口。因此，贯通开口可以以在电芯或电芯化学单元的中心的排气孔的形式提供。在此，在隔膜薄膜中的孔可以实施成相对小，以引起排气。换句话说，在隔膜薄膜中的第一开口至少如此大，使得气体可以在该第一开口的区域中穿过隔膜薄膜。表示相应的第二开口的在阳极和阴极中的孔实施成更大的。这具有的优点是，可以保证通过隔膜薄膜的电的绝缘路径。换句话说，尽管在隔膜中设置了第一开口，还是不能接触阳极层和阴极层。在此，贯通开口可以基本上在第一方向上延伸。即由此，首先气体更简单地从在单个电极层之间的中间区域中漏出，并且到达在电芯壳体的前侧和/或后侧的区域中，并且从该处中又简化地到达电芯的边缘区域中。
在此，开口可以设计成圆形的孔，并且例如可以彼此同轴地或同心地布置。但原则上，开口可以具有任意几何形状。在隔膜中的第一开口优选地具有例如几毫米或甚至更小的最大直径，例如小于1毫米的直径。这已经足够可以使气体穿过隔膜。此外，电极层和隔膜层构造成，在隔膜中的第一开口不是或者不是部分地被电极层的一部分覆盖。这保证了阳极层和阴极层的彼此电绝缘。
根据本发明的另一非常有利的设计方案，为了将在电芯内部中产生的气体从电芯化学单元的中心区域中向电芯化学单元的至少一个第一边缘区域的方向排出，蓄能器装置设定成，可相对于第一方向将压力从电芯壳体之外通过电芯壳体施加到电芯内部上，该压力在电芯壳体的中心区域中大于在相对于与第一方向垂直的第二方向的电芯壳体的边缘区域中。换句话说，蓄能器装置的组件也可以设计成，在电芯的正常状态中，作用到电芯壳体的中心区域上的压力大于在边缘区域中。这也有利地引起气体从电芯化学单元的中心区域中漏到边缘区域中。因此，不仅通过这种电芯的电芯内部的特殊构造方案实现，而且也可以从外部影响或促使从电芯化学单元的中心区域到边缘区域中的气体排出。尤其是作为以上所述的在电芯内部中构造排气通道的方案的附加，该措施作为附加措施是非常有利的，但是也可以单独地实现和促使从电芯内部到电芯的边缘区域中的气体排出。
现在，为了将如此形成的压力提供到电芯壳体上，又存在多种现在以下将详细解释的方案。
根据本发明的另一有利的设计方案，蓄能器装置具有至少一个电芯中的多个，其中，多个电芯在第一方向上并排布置，并且其中，在第一方向上彼此相邻地布置的电芯中的两个之间布置电芯分离元件/电芯隔离元件，电芯分离元件在中心区域比在边缘区域中具有更小的弹性/柔韧性。在此，也可以再次相对于至少一个与第一方向垂直的第二方向定义中心区域。例如，多个电芯可以是在第一方向上拉紧的电芯组的一部分。以下还将详细解释这种拉紧装置。通过这种拉紧装置，例如可以相对于第一方向在两侧将压力施加到电芯组上。由此，通过在电芯之间的电芯分离元件有利地实现，在电芯壳体的外面上提供这样的压力分布，即，该压力分布实现与在边缘区域中相比在电芯的中心区域中压力更高，电芯分离元件构造成，电芯分离元件在中心区域比在边缘区域中具有更小的弹性。
为了实现电芯分离元件在中心区域比在边缘区域中具有更小的弹性，其中，在此中心区域和边缘区域也再次相对于与以上定义的第一方向垂直的方向，电芯分离元件可以以不同方式设计。例如，电芯分离元件可以构造成向相邻的电芯的方向上凸形地拱起。电芯分离元件也可以由材料或部分元件提供，从而电芯分离元件在中心区域比在边缘区域中具有更大的弹簧钢性。电芯分离元件例如可以包括一个或多个弹簧。但也可设想这种电芯分离元件的多种其它构造方案。例如，电芯分离元件也可以构造成气垫或分段式气垫，或者概言之构造成液压的或气动的元件。优选地，电芯分离元件由弹簧体提供。这实现了具有以上所述的期望性能的尤其简单的构造方案。
在此，电芯分离元件不必是唯一的布置在两个相邻地布置的电芯之间的元件。在此，也可以布置其它元件或层或板，例如为了电绝缘的目的。
在此尤其有利的是，电芯分离元件至少相对于第一方向构造成弹性的。这实现，至少如果在电芯的区域中未提供用于在电芯中产生的气体的离开方案，至少部分地补偿开头所述的膨胀。
根据本发明的另一有利的设计方案，蓄能器装置具有包括至少一个电芯的电芯组和用于在第一方向上拉紧电芯组的拉紧装置，其中，虽然拉紧装置具有相对于第一方向在两侧限制电芯组的压板，借助于压板可在第一方向上将压力施加到电芯组上，可相对于第一方向将压力从电芯壳体之外通过电芯壳体施加到电芯内部上，该压力在电芯组的中心区域大于在相对于与第一方向垂直的第二方向的电芯组的边缘区域中。因此，有利地通过压板的特殊的构造方案同样可实现，提供作用到电芯或其电芯壳体上的压力，该压力在中心区域大于在边缘区域中。例如，压板可以通过两个侧板相互拉紧。即于是，电芯组可以布置在两个侧板和两个压板之间。备选地或附加地也可设想，拉紧板或拉紧带设计成，通过该拉紧板实现作用到压板上的拉力，使得拉力在中心区域大于在边缘区域中。这同样又实现将压力施加到相应的电芯壳体上，该压力在中心区域大于在边缘区域中。
根据本发明的另一非常有利的设计方案，压板中的至少一个压板具有面对电芯组的内侧面，该内侧面向电芯组的方向拱起。优选地，这适用于两个压板。由此，可以尤其简单且适宜的方式实现以上所述的效果，即，作用到电芯组上的压力在中心区域大于在边缘区域中。在此，这种拱起部不仅可以相对于与第一方向垂直的第二方向，而且可选地附加地相对于与第二和第一方向垂直的另一第三方向。换句话说，内侧面可以构造成二维地或三维地拱起。于是，这种拱起的最大部相应地优选地位于电芯组或相对于所述第二和第三方向邻接的电芯的中心区域中。
根据本发明的另一有利的设计方案，至少一个电芯的电芯壳体的至少一个第一侧具有中心区域和绕中心区域封闭地环绕的膨胀轮廓，该膨胀轮廓用于减少在电芯化学单元在第一方向上膨胀时第一侧的中心区域的弯曲，尤其是其中，膨胀轮廓邻接在第一侧的边缘区域处。当至少一个电芯构造成棱柱形电芯时，这尤其有利的。于是，膨胀轮廓相应地可以具有基本上矩形的几何形状。通过这种膨胀轮廓，可以在边缘区域中减小电芯壳体的刚性。即，如果电芯化学单元在使用寿命的进程中开始胀大，则电芯不是如开头所述的那样在第一方向上鼓起并且拱形地向外拱起，而是通过膨胀轮廓将电芯壳体的两个面形的最大外侧在第一方向上和与第一方向相反地彼此推开，尤其是在保持或至少近似保持其平的几何形状。至少通过设置这种膨胀轮廓，可减少电芯壳体的相应的第一侧的中心区域的拱起或弯曲。这也有利地实现，在电芯的内部中产生的气体可以更简单地漏出或到达边缘区域中。电极缠绕体或电极垛沿着膨胀轮廓在边缘区域中不被过度压紧和压缩，因为电芯壳体的外面现在在电芯胀大时也可以借助于膨胀轮廓在边缘区域中膨胀或离开彼此运动，这简化了气体到边缘区域中漏出。
此外，本发明也涉及一种具有根据本发明的蓄能器装置或其设计方案之一的机动车。
根据本发明的机动车优选地设计成汽车，尤其是乘用车或载重货车，或者公共汽车或摩托车。
此外，本发明也涉及一种用于制造具有至少一个电芯的蓄能器装置的方法，电芯具有电芯内部、包围电芯内部的电芯壳体和布置在电芯内部中的电芯化学单元。在此，如此制造蓄能器装置，使得在蓄能器装置的正常运行状态中将在电芯内部中产生的气体从电芯化学单元的中心区域向电芯化学单元的至少一个第一边缘区域的方向排出。
对于根据本发明的蓄能器装置及其设计方案所述的优点以相同的方式适用于根据本发明的方法。
根据本发明的方法的另一实施方式，在蓄能器装置的制造过程中例如在电芯之内提供排气通道。该排气通道可以实施成在活性材料层中的沟槽的形式，或者在电极层中的切口的形式，或者穿过电极层和隔膜的贯通开口的形式，如已经结合根据本发明的蓄能器装置及其设计方案阐述的那样。结合蓄能器装置的实施方式阐述的用于构造沟槽和/或切口和/或贯通开口的方法步骤也可以被视为根据本发明的实施例的其它可选的方法步骤。
本发明也包括根据本发明的方法的改进方案，这些改进方案具有已经结合根据本发明的蓄能器装置的改进方案阐述的特征。出于这一原因，在此不再次阐述根据本发明的方法的相应的改进方案。
本发明也包括所阐述的实施方式的特征的组合。即，本发明也包括分别具有所阐述的实施方式中的多个的特征的组合的实现方案，只要没有以彼此排除的方式阐述这些实施方式。
附图说明
接下来阐述本发明的实施例。其中：
图1示出了在传统的电芯中在时间进程中电芯化学单元及其胀起的示意性的立体图；
图2示出了根据本发明的实施例在时间进程中电芯化学单元及其变化的示意图；
图3示出了根据本发明的实施例的具有布置在活性材料层中的沟槽的用于电芯的电芯化学单元的示意图；
图4示出了根据本发明的另一实施例的具有布置在电极层中的切口的用于电芯的电芯化学单元的示意图；
图5示出了根据本发明的另一实施例的具有贯通开口的用于电芯的电芯化学单元的示意性的分解图；
图6示出了穿过根据本发明的另一实施例的电芯的示意性地且立体的横截面图；
图7示出了根据本发明的实施例在时间进程中电池模块及其变化的示意图；以及
图8示出了在使用寿命进程中电池模块及其变化的另一实施例的示意图。
具体实施方式
以下解释的实施例是本发明的优选的实施方式。在实施例中，所阐述的实施方式的组件分别表示单独的、被视为彼此独立的本发明的特征，这些特征也分别彼此独立地改进本发明。因此，公开内容也应包括与所示出的实施方式的特征组合不同的组合。此外，所阐述的实施方式也可通过已经阐述的本发明的特征中的其它特征补充。
在图中相同的附图标记分别表示功能相同的元件。
图1示出了在传统的电芯的新状态N中的电芯化学单元10的示意图，并且示出了在一定的时间之后，例如在使用寿命L结束时或者在一定的使用寿命L之后的电芯化学单元10。电芯化学单元10在此通常位于电芯的内部中，尤其是被电芯壳体包围。在此，电芯化学单元10可以包括多个层12以形成电极垛。在此，图1示出了用于棱柱形电芯的这种电极垛14。这种棱柱形电芯具有基本上方形的、在此未示出的电芯壳体。由于这种传统的电芯壳体的几何形状和结构设计方案，与在中心16相比，在边缘区域中将更大的力施加到电极垛14上。由此，在边缘区域18中产生更高的压紧以及进而压缩，该压缩防止在这种电芯的使用寿命进程中在电芯中形成的气泡20轻易地离开。由于该气泡20不能从中心16离开，在电芯中心或其中心16形成面形的气泡22，该气泡在图1中以虚线示出。目前为止，不存在防止气体20在层或电芯的层12中聚集的方案。通过在单个层12之间产生这种大面积的气泡22，又得到多种缺点。一方面，这种气泡保留在通过电芯化学单元10的相应的层12提供的阳极和阴极之间，并且导致薄膜抬起。换句话说，由于存在气泡22在阳极层和阴极层之间的距离变大，这妨碍了电芯的功能。此外，由于在充电和放电期间的压力变化，气泡变大，由此产生作用到电芯的相对脆的活性材料中的机械应力。
现在，通过本发明及其实施方式可以有利地防止或者在其范围内减少这种大面积的气泡22的产生。
为此，图2示出了根据本发明的实施例的用于电芯26(例如见图6)的电芯化学单元24的示意图。又在左侧示出了在新状态N中的并且在右侧示出了在一定的时间之后或一定的使用寿命L之后的电芯化学单元24。在该示例中，电芯化学单元24也再次包括多个在堆垛方向x上堆垛的层28，这些层提供电极垛30。在此，层28一方面可以包括电极层，例如阳极层和阴极层，并且包括隔膜层，稍后还将对其详细解释。在该电芯化学单元24方面，例如也可以定义中心区域32以及边缘区域34，更准确地说4个边缘区域34，这些边缘区域分别在两侧在y方向上并且在z方向上在其延伸中限制电芯化学单元24。在此，电芯化学单元24的该中心区域32不必一定是例如相对于y方向和z方向的电芯化学单元24的精确的中心点，而是也可以包括电芯化学单元24的更大的区域，该区域包括该中心点。
现在，通过以下详细解释的实施例，有利地实现，将在使用寿命的进程中在电芯内部中产生的气体20从电芯化学单元24的中心区域32排出到边缘区域34中。这不仅改善了电芯的功能性而且延长了电芯的使用寿命。尤其是，由此可以使在充电和放电时气泡的泵送运动最小，并且由此也降低作用到阳极和阴极的覆层上的机械应力和碾压运动，并且降低脱落的风险。此外，不会由于气泡断开电活性的面。此外，这导致在电芯中心的电芯凸起减少。由此，又可提供更均匀的且风少的电老化。
为了实现这种情况，现在存在多种方案，接下来详细解释这些方案。
图3示出了根据本发明的实施例的用于电芯26(见图6)的电芯化学单元24a的示意图。在其它方面，电芯化学单元24可以构造成与已经对图2解释的相同。为了更好的阐述，在图3中的电芯化学单元24a仅仅非常简化地示出，并且在此示例性地包括2个电极层，即阳极层26以及阴极层29，阳极层和阴极层通过隔膜层31彼此空间上分离并电绝缘。阳极层具有以阳极薄膜33的形式的载体层33，阳极薄膜例如可以通过铜膜提供。在该载体层33上布置阳极活性材料35，阳极活性材料也称为活性材料层35。在图3中的图示中，活性材料层35布置在阳极薄膜33之下。相应地，阴极层29同样具有载体层36，载体层可以作为阴极薄膜36提供，并且例如可以构造成铝薄膜。在该载体层36上同样布置以活性材料层38的形式的阴极活性材料，在这种情况中布置在载体层36之上。因此，电极层27、29的相应的活性材料层35、38面对彼此并且面对隔膜。此外，阳极层27布置在阳极轨道40处，在这种情况中阳极铜轨道40处，并且导电地与阳极轨道相连接，其中，铜轨道40提供电芯的负极，而阴极层29与阴极轨道42导电地相连接，在该示例中与铝轨道42相连接，铝轨道提供电芯的正极。概括的说，电芯化学单元24a也可以具有多个这种阳极层27和阴极层29，阳极层和阴极层在x方向上上下堆垛，尤其是以交替的顺序，其中，在分别两个电极层27、29之间始终布置用于电绝缘的隔膜层31。于是，相应的阳极层27可以连结在共同的阳极轨道40处，并且相应地阴极层29也可以连结在共同的阴极轨道42处。
现在，在该示例中有利地在阴极活性材料38中布置多个沟槽44。该沟槽提供排气通道46，排气通道实现，将在电芯中产生的气体20(其在此通过箭头20说明)从电芯化学单元的中心32中排出到边缘区域34中。因此，甚至当单个电极层27、29在边缘区域34中由于电芯壳体的结构设计方案中被压到彼此上时，也始终还是可通过设置的排气通道46提供气体20从中心区域32到达边缘区域34中的可能性。由此，可以有利地避免在中心区域32中形成大面积的气泡。
在该示例中，被引入活性材料38中的沟槽44直线地伸延，这简化了制造。此外，这种沟槽44中的多个可以彼此平行地伸延和/或也在不同方向上伸延，并且甚至相交地伸延。此外，沟槽44例如也可以如图3中示出的那样至少部分地从第一边缘区域34向相对于z方向相对的边缘区域34伸延。虽然在此未示出，沟槽也可以从一个边缘区域34向另一相对于y方向相对的边缘区域34伸延。
此外，不仅在阴极活性材料38中，而且相似地也可以在阳极活性材料35中可以布置一个或多个这种沟槽44，尽管这在此未示出。
因此，沟槽44可以通过尤其是在相应的电极层27、29的制造过程期间已经在相应的活性材料35、38中通道形地进行压缩提供。例如，可以通过在轧辊上的轧槽在轧制过程期间局部更强地压缩活性材料，借助于轧辊将活性材料35、38施加到相应的载体层33、36上。
图4示出了根据本发明的另一实施例的电芯化学单元24b的示意图。总地来说，电芯化学单元24b可以再次入以上所述的那样，尤其是对图3所述的那样构造，除了以下阐述的区别。在该示例中，以分解图并且为了更好地说明在没有隔膜31的情况下示出了单个电极层27、29。在该示例中，也提供了排气通道46，但现在，排气通道构造成切口48，并且不再构造成在活性材料38、35中的沟槽44。在此示例性地，在阳极层27以及在阴极层29中设置这种切口48。在此，这种切口48在x方向上完全穿过相应的电极层27、29。此外，这种切口48至少从中心区域32开始延伸到边缘区域34中的至少一个。在此，虽然针对相应的电极层27、29示出了边缘区域34，但边缘区域分别也整体地是电芯化学单元24b的相应的边缘区域34的一部分。
阳极40和阴极42也不必一定如在此示出的那样构造成轨道，而是也可以作为集流体薄膜的一部分，例如作为接片或搭片等提供。这种接片或搭片例如也可以与相应的载体薄膜33、36构造成一体，或者制成独立的并且与载体薄膜33、36相接合。
现在，通过该切口48也有利地实现，气体20可以显著更简单地从中心区域32到达边缘区域34中。在x方向上相叠地布置的层中的切口48优选地在y方向和/或z方向上彼此错开。由此，可以提高整体结构的稳定性。由此有利地，切口48形成在阳极和阴极薄膜33、36或在阳极和阴极层27、29中的排气通道。
图5示出了根据本发明的另一实施例的电芯化学单元24c的示意性的分解图。该电芯化学单元24c也可以如以上所述的那样构造，除了以下阐述的区别。在该示例中，相应的电极层27、29既不具有沟槽44也不具有切口48，其中，当然同样可以附加地设置沟槽或切口(虽然在此也未示出)，而且附加地或备选地，可以设置穿过电芯化学单元24c或其层28的贯通开口50。现在，贯通开口50通过在隔膜31中的开口52提供，并且通过在阳极层27中以及阴极层29中及其部分层中相应的开口54提供，即，阳极载体层33和阳极活性材料层35，以及另一方面阴极载体层36和阴极活性材料层38。在该示例中，开口54、52在此彼此同轴地布置，其中，中心线通过线A示出。在此，在隔膜31中的开口52尤其是在其直径方面设计成比在阳极层27和阴极层29中的开口54更小。由此可以保证，阳极层27和阴极层29彼此可靠地电绝缘。现在，通过这种贯通开口50有利地实现，可以使在电芯中产生的气体20从中心区域32(其例如可以包括所示出的中心线A)漏到边缘区域34中。但在此未示出该边缘区域34，以上限定的那样，这涉及相对于y方向和/或z方向的电芯化学单元24c的边缘。在该示例中，产生的气体20可以简化地开辟在x方向上或与x方向相反地通过单个层28的路径，这此外也以简化的方式为气体20实现到达电芯化学单元24c的边缘区域中。贯通开口50可以以在电芯或电芯化学单元24c的中心32中的排气孔的形式提供。为了引起排气，在隔膜薄膜31中的孔50可以实施成相对小。在阳极27和阴极29中的孔54有利地实施成更大以保证通过隔膜薄膜31的电绝缘路径。在此还应说明的是，为了说明的目的，在图5中以放大的比例示出了相应的孔直径。
此外附加地或备选地也可行的是，为了防止在电芯中心的气体聚集，在结构上改造电芯或模块结构。现在，接下来对其详细解释。
为此，图6示出了根据本发明的实施例的电芯26的示意性的和立体的横截面图。在此，电芯26具有电芯壳体56，电芯壳体包围电芯内部58。在电芯内部58中存在电芯化学单元24、24a、24b、24c，其可以如以上所述的那样构造。在该示例中，电芯26构造成棱柱形电芯。在此，电芯壳体56具有第一侧56a和相对于x方向相对的第二侧56b，这两个侧同时也是电芯壳体56的面积最大的侧。现在，侧56a、56b分别具有膨胀轮廓60。该膨胀轮廓构造成相对于y和z方向环绕电芯壳体56的中心区域Z。电芯壳体56的边缘区域以R表示。即，膨胀轮廓60可以直接相对于y和z方向联接在电芯壳体56的边缘区域R处。例如，该膨胀轮廓可以通过波形膜片提供。即，电芯26的边缘区域R实施成膜片60或具有这种膜片60，以防止在电芯26的电芯化学单元24中更高的单位面积压力。即，如果电芯化学单元24在使用寿命的进程中在x方向上膨胀，则这导致侧面56a、56b在中心区域Z中运动，也就是说，在波形膜片60之内向外，也就是说在x方向上并且与x方向相反地运动。由此，可以避免或在其程度上剧烈减小该侧面56a、56b在x方向上和与x方向相反的拱起。这相应地简化了产生的气体从电芯化学单元24的中心区域32中到达相应的边缘区域34中。
图7示出了电池模块62的示意图作为根据本发明的实施例的蓄能器装置的示例。尤其是，在此图7在左侧示出了在新状态N中的并且在右侧示出了在一定的使用寿命L之后的电池模块62。概括的说，电池模块62包括多个在堆垛方向x上并排布置的电芯26。此外，电池模块62包括拉紧装置64，拉紧装置又具有两个拉紧板66，拉紧板在x方向上并且与x方向相反地限制通过电芯26提供的电芯组。在相应的电芯26之间此外存在电芯分离元件68。这种分离元件68也可以布置在相应的端部电芯26和压板66之间。在该示例中，压板66构造成至少在新状态N中向电芯26的方向拱起。在使用寿命的进程中，该拱起66a可以在x方向上或与x方向相反地补偿电芯26的膨胀，这在图7中在右侧示出。通过尤其是相对于z方向并且附加地或备选地也相对于y方向的拱起66a，可实现，可以改变在电芯26上的压力分布，以使得在电芯中心Z(示例性地仅仅对于电芯26示出)产生更大的单位面积压力。这意味着，压力F1可从电芯壳体56(见图6)之外通过电芯壳体56施加到电芯内部58(见图6)上，相对于z方向并且尤其是也相对于y方向，该压力在电芯壳体56的中心区域中大于在电芯壳体的边缘区域中的压力F2。通过更高的单位面积压力，将气体从中心向外排挤到相应的边缘区域R中。出于可见性原因，仅仅对于电芯26示例性地示出了边缘区域R中的仅仅两个。
图8示出了根据本发明的另一实施例的电池模块62的示意图。也再次在图8中的左侧示出了在新状态N中的，并且在右侧示出了在一定的使用寿命L之后的电池模块。在其它方面，电池模块62也可以再次构造成与图7阐述的相同，除了以下阐述的区别。在该示例中，现在电芯分离元件68在新状态N中构造成鼓起的。即，图8在左侧示出了在压紧的电芯模块62中的鼓起的电芯分离元件68，其中，如以上所述的那样，再次借助于拉紧装置64进行压紧或拉紧，仅仅在此压板66不必一定构造成拱起的。现在，代替地，通过鼓起的电芯分离元件68可以实现，通过凸形的电芯分离元件68在电芯中心Z中得到更高的预紧。由此也可实现，作用到电芯26的中心区域Z上的拉紧力F1大于在边缘区域R中作用的力F2。在一定的使用寿命L之后，产生如在图8中右侧示出的电池模块26的状态。在此，现在挤压电芯分离元件68，这由于电芯26的胀大引起。由此有利地也可实现，在电芯中心Z中可以产生更高的单位面积压力，通过该单位面积压力可以将气体从中心向外推挤。
总地来说示例表明，可以如何通过本发明提供电芯内部的排气，通过这种排气可以使在电芯的层之间最少地形成面形的气泡。

Claims (10)

1.一种用于机动车的蓄能器装置(62、26)，其中，蓄能器装置(62、26)包括至少一个电芯(26)，所述电芯具有：
-电芯内部(58)；
-包围电芯内部(58)的电芯壳体(56)；以及
-布置在电芯内部(58)中的电芯化学单元(24、24a、24b、24c、24d)，
其特征在于，
蓄能器装置(62、26)设计成，在蓄能器装置(62、26)的正常运行状态中，将在电芯内部(58)中产生的气体(20)从电芯化学单元(24、24a、24b、24c、24d)的中心区域(32)向电芯化学单元(24、24a、24b、24c、24d)的至少一个第一边缘区域(34)的方向排出。
2.根据权利要求1所述的蓄能器装置(62、26)，其特征在于，为了将在电芯内部(58)中产生的气体(20)从电芯化学单元(24、24a、24b、24c、24d)的中心区域(32)中向电芯化学单元(24、24a、24b、24c、24d)的至少一个第一边缘区域(34)的方向排出，
-电芯(26)具有至少一个布置在电芯内部(58)中的排气通道(46；44、48)。
3.根据上述权利要求中任一项所述的蓄能器装置(62、26)，其特征在于，
电芯化学单元(24、24a、24b、24c、24d)具有隔膜(31)和两个与隔膜(31)在空间上分离的电极层(27、29)，其中，相应的电极层(27、29)具有载体层(33、36)和布置在载体层(33、36)上的活性材料层(35、38)，其中，所述至少一个排气通道(46；44、48)通过
-在活性材料层(35、38)中的至少一个活性材料层中的至少一个沟槽(44)提供；和/或
-在电极层(27、29)中的至少一个电极层中的至少一个切口(48)提供。
4.根据上述权利要求中任一项所述的蓄能器装置(62、26)，其特征在于，
电芯化学单元(24、24a、24b、24c、24d)具有隔膜(31)和两个与隔膜(31)在空间上分离的电极层(27、29)，其中，相应的电极层(27、29)具有载体层(33、36)和布置在载体层(33、36)上的活性材料层(35、38)，其中，所述至少一个排气通道(46；44、48)至少部分地通过
-在第一方向(x)上穿过两个电极层(27、29)和隔膜(31)、以及尤其是穿过整个电芯化学单元(24、24a、24b、24c、24d)的贯通开口(50；52、54)来提供，所述贯通开口通过在隔膜(31)中的至少一个第一开口(52)和分别在两个电极层(27、29)中的至少一个第二开口(54)来提供，第一开口和第二开口在第一方向(x)上相叠地布置，其中，在隔膜(31)中的至少一个第一开口(52)小于在两个电极层(27、29)中的相应的至少一个第二开口(54)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的蓄能器装置(62、26)，其特征在于，为了将在电芯内部(58)中产生的气体(20)从电芯化学单元(24、24a、24b、24c、24d)的中心区域(32)中向电芯化学单元(24、24a、24b、24c、24d)的至少一个第一边缘区域(34)的方向排出，
-蓄能器装置(62、26)设定成，可以第一方向(x)为基准将压力(F1、F2)从电芯壳体(56)之外通过电芯壳体(56)施加到电芯内部(58)上，所述压力在电芯壳体(56)的中心区域(Z)中大于在以与第一方向(x)垂直的第二方向(y、z)为基准的电芯壳体(56)的边缘区域(R)中。
6.根据上述权利要求中任一项所述的蓄能器装置(62)，其特征在于，蓄能器装置(62)具有至少一个电芯(26)中的多个，其中，多个电芯(26)在第一方向(x)上并排布置，其中，在第一方向(x)上彼此相邻地布置的电芯(26)中的两个之间布置电芯分离元件(68)，电芯分离元件在中心区域比在边缘区域中具有更小的弹性。
7.根据上述权利要求中任一项所述的蓄能器装置(62、26)，其特征在于，蓄能器装置(62、26)具有包括至少一个电芯(26)的电芯组和用于在第一方向(x)上拉紧电芯组的拉紧装置(64)，其中，拉紧装置(64)具有两个以第一方向(x)为基准在两侧限制电芯组的压板(66)，借助于压板可在第一方向(x)上将压力施加到电芯组上，所述压力在电芯组的中心区域(32)大于在以与第一方向(x)垂直的第二方向(y、z)为基准的电芯组的边缘区域(34)中。
8.根据权利要求7所述的蓄能器装置(62)，其特征在于，压板(66)中的至少一个压板具有面对电芯组的内侧面，所述内侧面向电芯组的方向拱起。
9.根据上述权利要求中任一项所述的蓄能器装置(62、26)，其特征在于，至少一个电芯(26)的电芯壳体(56)的至少一个第一侧(56a、56b)具有中心区域(Z)和绕中心区域(Z)封闭地环绕的膨胀轮廓(60)，所述膨胀轮廓用于减少在电芯化学单元(24、24a、24b、24c、24d)在第一方向(x)上膨胀时第一侧(56a、56b)的中心区域(Z)的弯曲，尤其是其中，膨胀轮廓(60)邻接在第一侧(56a、56b)的边缘区域处。
10.一种用于制造具有至少一个电芯(26)的蓄能器装置(62、26)的方法，所述电芯具有：
-电芯内部(58)；
-包围电芯内部(58)的电芯壳体(56)；以及
-布置在电芯内部(58)中的电芯化学单元(24、24a、24b、24c、24d)，
其特征在于，
如此制造蓄能器装置(62、26)，使得在蓄能器装置(62、26)的正常运行状态中，将在电芯内部(58)中产生的气体(20)从电芯化学单元(24、24a、24b、24c、24d)的中心区域(32)向电芯化学单元(24、24a、24b、24c、24d)的至少一个第一边缘区域(34)的方向排出。
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