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Die
Erfindung betrifft Zellen eines elektrochemischen Speichers. Elektrochemische
Speicher sind galvanische Elemente wie Akkumulatoren und Batterien,
die im folgenden zusammengefasst als Batterien bezeichnet werden.
Ein galvanisches Element, beispielsweise eine Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie
oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, besteht in der Regel aus einem
Behälter
mit zwei Elektroden aus unterschiedlichen chemischen Substanzen.
Ein Separator isoliert die negative von der positiven Elektrode,
damit kein Kurzschluss entstehen kann.
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Damit
eine elektrochemische Reaktion stattfinden kann, wird der Separator
mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, dem Elektrolyten,
getränkt.
Als Elektrolyten werden meist Laugen, anorganische Säuren oder
Salzlösungen
eingesetzt. Zellen für
Gerätebatterien
werden in der Regel in Wickeltechnik hergestellt. Dabei werden die
aktiven Massen auf dünnen
metallischen Ableiterfolien (Cu für negative, Al für positive
Elektrode) aufgebracht und zusammen mit einem etwas breiteren Separator-Band
zu einem zylindrischen (Rundzelle) oder flachen (prismatische Zelle)
Wickel aufgerollt. Dieser Wickel wird in ein entsprechendes Gehäuse geschoben.
Die Elektrolytmenge benetzt gerade die aktiven Massen. Ein Überschuss
wird vermieden, damit die Zelle lageunabhängig betrieben werden kann.
Die Zellen werden hermetisch abgedichtet.
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Die
meisten verbreiteten Rundzellen werden in Wickeltechnik hergestellt.
Die positive und die negative Elektrode werden – getrennt durch den Separator – in Streifen übereinander
gelegt und aufgewickelt. Dünne
Elektroden ermöglichen
eine besonders große
Oberfläche.
Die Zelle ist im Wesentlichen durch ihre Spannung und durch ihre
Kapazität
gekennzeichnet. Die Spannung wird durch die gewählten Elektrodenmaterialien
fest vorgegeben, die Kapazität
durch die Menge der aktiven Masse (der Elektroden).
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Die
Erfindung betrifft insbesondere Batteriezellen einer Lithium-Ionen-Batterie
oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie,
insbesondere einer Batterie für
ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug,
insbesondere einer Hochvolt-Batterie
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Die
geometrische Form von Batteriezellen bestimmt als ein wesentlicher
Faktor den Bauraum bei Batteriesystemen. Für die Leistungsfähigkeit
einer Batteriezelle ist die installierte aktive Masse mitbestimmend.
Hauptsächliche
bekannte Bauformen sind runde und prismatische Zellen. Rundzellen
haben auf Grund der Geometrie bei Zellpackungen oder Zellverbünden einen
Nachteil gegenüber
prismatischen Zellen, nämlich
eine geringere Raumausnutzung, aber den Vorteil einer gleichmäßigen Wicklung und
somit der Vermeidung von Knickstellen in dem Elektrodenband. Weiterhin
ist die Kühlung
von Rundzellen auf Grund der Packungsdichte der Elektroden anspruchsvoller
als bei flachen prismatischen Zellen.
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Aus
der Fertigung prismatischer Zellen ist das Umformen von gewickelten
Elektroden bekannt. Dabei wird ein Elektrodenwickel erstellt, der
dann unter Verformung in eine flache prismatische Form gedrückt wird.
Dabei entstehen an den Knickstellen durch die kleinen Krümmungsradien
hohe Materialbeanspruchungen, die zum Zerstören bzw. frühzeitigen Altern der Zelle
führen.
Beim Aufbau von Systemen, Zellverbünden oder Batterien aus mehreren Zellen
ergibt sich deshalb ein deutliches Auseinanderdriften der Zell-Performance. Sie
werden deshalb fast ausschließlich
in Ein- oder Wenig-Zellen-Anwendungen
eingesetzt.
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Es
ist keine konstruktive Lösung
einer Zelle mit hoher Packungsdichte und/oder der Möglichkeit einer
Innenkühlung
und/oder einer durch Umformung wenig beanspruchten Elektrode bekannt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Batteriezellen und ein entsprechendes
Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, die eine hohe Packungsdichte
der Zellen in einem Zellverbund oder Zellblock ermöglichen
und/oder eine Innenkühlung gestatten
und/oder durch das Umformen wenig beanspruchte Elektroden aufweisen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren bzw. eine Batteriezelle mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen Ansprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zum Herstellen einer Batteriezelle in Wickelbauweise, insbesondere
einer Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, mit einem
um eine Längsachse
der Zelle gewickelten Elektrodenwickel aus einem Elektrodenband,
weist also die Besonderheit auf, dass der Elektrodenwickel durch
Wickeln des Elektrodenbandes um einen formstabilen, sich in Richtung
der Längsachse
erstreckenden Wickelkern auf den Wickelkern aufgebracht und anschließend der
Elektrodenwickel mit einer von außen in radialer, quer zur Längsachse
orientierter Richtung auf den Elektrodenwickel pressenden Formpresse
in eine andere Querschnittsform umgeformt wird.
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Eine
erfindungsgemäße Batteriezelle
in Wickelbauweise, insbesondere eine Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie
oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, mit einem um eine Längsachse
der Zelle gewickelten Elektrodenwickel aus einem Elektrodenband,
weist also die Besonderheit auf, dass sie einen Elektrodenwickel
aufweist, der durch Wickeln des Elektrodenbandes um einen formstabilen,
sich in Richtung der Längsachse
erstreckenden Wickelkern auf den Wickelkern aufgebracht ist und
anschließend
mit einer von außen
in radialer, quer zur Längsachse
orientierten Richtung auf den Elektrodenwickel pressenden Formpresse
in eine andere Querschnittsform umgeformt worden ist.
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Bei
der Erfindung ergibt sich eine verbesserte Bauraumausnutzung durch
Formpressung von gewickelten Elektroden mit einem formstabilen Wickelkern.
Auf Grund der geometrischen Form können auf formstabilen Wickelkernen
basierende Zellen stabiler ausgelegt werden, mit geringerer Formänderung
bei Innendruck-Erhöhung.
Zusätzlich
ist im Inneren der Zelle eine Kühlung über den
Wickelkern möglich.
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Erfindungsgemäß wird auf
einen formstabilen Wickelkern (Kern, Wickeldorn, Wickelstab, Wickelrohr),
der einen geeigneten Querschnitt hat, ein Elektrodenwickel aufgebracht.
Der Querschnitt des Wickelkerns kann beispielsweise durch eine Kreis-, lineare
oder Freiform-Kurve beschrieben werden (z. B. Kreiszylinder, Quadrat,
Sechseck, Ellipse, etc.). Der Wickelkern kann hohl sein und z. B.
als Umhüllung
für ein
flüssiges
oder gasförmiges
Kühlmedium dienen,
oder massiv sein, um als Wärmeleiter
zum Kühlen
der Zelle zu dienen.
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Ein
reines Wickeln auf einen formgebenden Zellkern führt zu keiner wesentlichen
Erhöhung
der Packungsdichte, da die durch die Zunahme des Radius an den Ecken
die Wickelform sich immer weiter einem Kreiszylinder annähert. Dabei
geht im Inneren Bauraum durch den eckigen Wickel verloren.
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Der
fertig gestellte Zellwickel wird daher auf die gewünschte Form
verpresst, was zum einen die Packungsdichte durch Ausnutzung von
Setzungserscheinungen erhöht
und zum anderen eine packungs-optimale Form (z. B. Quadrat- oder
Dreieckform) ergibt, mit der sich die umgeformten Zellen in sehr
hoher Packungsdichte unter optimaler Raumausnutzung in einem Zellverbund
anordnen lassen. Die dabei entstehenden gerundeten Eckenbereiche können im
Gehäuse
von einer verstärkten
Materialanhäufung
zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit
begleitet werden. So kann z. B. eine Quadratform oder auch eine
Dreieckform Package-optimiert sein. Der Wickelkern gibt einen minimalen
Wickelradius (zum Schutz des Elektroden-/Separatormaterials) vor
und bietet Schutz gegen Ausknicken der Zellen bei sehr schlanken
Konstruktionen (zusammen mit dem Zellgehäuse).
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Durch
die Beibehaltung eines Wickelkerns wird neben der Vorgabe eines
minimalen Wickelradius (zum Schutz des Elektrodenmaterials) auch
ein hoher Schutz gegen Ausknicken der Zellen bei sehr schlanken
Konstruktionen in Zusammenhang mit dem Zeltgehäuse gewährleitstet.
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Durch
die Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:
- – Eine ungünstige Bauraumausnutzung
durch zylindrische Zellform und die dabei entstehenden Zwischenräume werden
vermieden und eine höhere
Packungsdichte erreicht.
- – Eine
optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden
Bauraums bzw. eine kompakte Bauweise eines Zellverbunds bzw. einer
Batterie wird ermöglicht.
- – Die
Zellen sind weiterhin als sehr formstabile Bauelemente ausgeführt, auch
z. B. bei Innendruck-Erhöhung.
- – Der
Wickelkern kann als Kühlelement
dienen.
- – Kritische
Biegeradien an den Zellelektroden werden durch den formstabilen
Wickelkern vermieden.
- – Eine
höhere
Packungsdichte des aktiven Materials in der Zelle (bessere Bauraumausnutzung).
- – Batteriesysteme
können
durch dicht beieinanderliegende Zellen kompakter gebaut werden.
- – Die
Möglichkeit
zur Ausnutzung von Eckbereichen mit Materialanhäufung zur Wärmeabfuhr.
- – Es
ergeben sich sehr stabile Zellen, die in Crashkonzepte von Fahrzeugen
(Abstützungsfunktion)
eingebunden werden können.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Die
darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination
miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der
Erfindung zu schaffen.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
Aufsicht bzw. einen Querschnitt einer Zelle mit rechteckigem Wickelkern
und einem Elektrodenwickel mit gleichem Wicklungsabstand und in
den Ecken zunehmendem Wickelradius.
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2 eine
perspektivische Ansicht zur 1.
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3 einen
Längsschnitt
zu 1.
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4 eine
Aufsicht bzw. einen Querschnitt einer Zelle mit rechteckigem Wickelkern
und einem Elektrodenwickel mit veränderlichem Wicklungsabstand
und in den Ecken gleichem Wickelradius.
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5 eine
perspektivische Ansicht zur 4.
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6 einen
Längsschnitt
zu 4.
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7 eine
Aufsicht bzw. einen Querschnitt einer Zelle mit dreieckigem Wickelkern
und einem Elektrodenwickel mit veränderlichem Wicklungsabstand
und in den Ecken gleichem Wickelradius.
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8 eine
perspektivische Ansicht zur 7.
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9 einen
Längsschnitt
zu 7.
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10 einen
runden Elektrodenwickel vor dem Umformen.
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11 den
Elektrodenwickel von 10 nach dem Umformen in eine
quadratische Form.
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12 einen
Zellverbund mit runden Zellen nach dem Stand der Technik gemäß 10.
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13 einen
Zellverbund mit umgeformten Zellen gemäß 11.
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Die 1 bis 13 erläutern Ausführungsbeispiele
und Fertigungsverfahren für
erfindungsgemäße Zellen 1.
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Die 1 zeigt
eine Aufsicht bzw. einen Querschnitt einer Zelle 1 mit
rechteckigem Wickelkern 2, auf den ein Elektrodenwickel 3 aus
einem Elektrodenband aufgewickelt ist.
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Der
Wickelkern 2 ist formstabil und erstreckt sich in Richtung
der Längsachse
der Zelle 1. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Wickelkern 2 im
Wesentlichen einen quadratischen Querschnitt mit abgerundeten Außenecken.
Er kann massiv ausgebildet sein, um beispielsweise zum Ableiten von
Wärme aus
der Zelle 1 zu dienen, oder wie in 1 dargestellt
hohl sein, beispielsweise um ein Kühlmittel durchzuleiten.
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Der
Elektrodenwickel 3 ist nach dem Wickeln auf den Wickelkern 2 mit
einer von außen,
in radialer, quer zur Längsachse
der Zelle 1 orientierten Richtung auf den Elektrodenwickel 3 pressenden
Formpresse in einer anderen Querschnittsform umgeformt worden und
wurde danach in das Zellgehäuse 4 eingesetzt.
In den Eckbereichen 5 weist das Zellgehäuse 4 eine Materialverstärkung zum
Wärmeabführen von
der Zelle 1, beispielsweise zu ihrem Boden und einer dort
angeordneten Kühlplatte,
auf, die in ihrer Funktion den aus dem Stand der Technik bekannten Kühlstäben entsprechen.
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Der
Elektrodenwickel 3 wurde mit der Formpresse in eine Querschnittsform
umgeformt, die im wesentlichen einem Quadrat entspricht und weist vorteilhafterweise
abgerundete Außenecken
auf, um Knickstellen in dem aufgewickelten Elektrodenband zu vermeiden.
In anderen Ausführungsformen
kann der Elektrodenwickel 3 mit der Formpresse auch in eine
andere Querschnittsform umgeformt werden, beispielsweise in eine
Kreis-, lineare oder Freiform-Kurve, insbesondere einem Kreis, einem
Vieleck wie einem Dreieck, Quadrat oder Sechseck oder eine Ellipse.
Nach dem Umformen des Elektrodenwickels 3 kann der Wickelkern 2 in
manchen Ausführungsformen
auch aus der Zelle 1 entfernt werden.
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Die 2 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Wickelkerns 2 von 1,
der mit gleichem Wicklungsabstand und in den Ecken zunehmendem Wickelradius
gewickelt ist. Die 3 zeigt einen Längsschnitt
durch die Zelle 1 von 1 einschließlich des Zellbodens 6 und
der Anschlussterminals 7.
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Die 4 zeigt
eine Abwandlung zu 1, wobei der Elektrodenwickel 3 mit
veränderlichem Wicklungsabstand
und in den Ecken gleichem Wickelradius gewickelt ist. Die 5 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Elektrodenwickels 3 von 4 und
die 6 einen Längsschnitt
durch eine Zelle 1 gemäß 4.
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Die 7 zeigt
eine Abwandlung zu 4, wobei der Elektrodenwickel 3 auf
einen hohlen Wickelkern 2 mit im wesentlichen dreieckigem
Querschnitt und abgerundeten Ecken aufgewickelt ist. Der Elektrodenwickel 3 wurde
anschließend
in eine dreieckige Form verpresst und das Zellgehäuse 4 hat ebenfalls
einen dreieckigen Querschnitt.
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Die 10 zeigt
einen runden Elektrodenwickel 3 auf einem quadratischen,
formstabilen, massiven Wickelkern 2, in der oberen Hälfte ohne
Formpresse und in der unteren Hälfte
mit noch geöffnetem Presswerkzeug 8 einer
Formpresse, d. h. vor dem Umformen. In 11 ist
der durch die Formpresse bzw. das Presswerkzeug 8 umgeformte
Elektrodenwickel 3 dargestellt, in der oberen ohne und
in der unteren Hälfte
mit Presswerkzeug 8. Um eine möglichst geringer Belastung
der Elektrodenbahnen des Elektrodenwickels 3 beim Umformen
zu erzielen, ist vorteilhafterweise wie in den 10 und 11 dargestellt
vorgesehen, dass der Elektrodenwickel 3 mit der Formpresse
in eine Querschnittsform umgeformt wird, die hinsichtlich ihrer
Kontur der Querschnittsform des Wickelkerns 2 entspricht.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
haben sowohl der Wickelkern 2 als auch der umgeformte Elektrodenwickel eine
quadratische oder im Wesentlichen quadratische Form. Aus dem gleichen
Grund ist es auch vorteilhaft, wenn der Elektrodenwickel 3 mit
der Formpresse in eine Querschnittsform umgeformt wird, die entsprechend
zu dem Querschnitt des Wickelkerns 2 ausgerichtet ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel
in 11 bedeutet dies, dass die Ecken des quadratischen
Querschnitts des Wickelkerns 2 zu den Ecken des quadratischen
Querschnitts des umgeformten Elektrodenwickels 3 ausgerichtet
sind bzw. dass die Diagonalen des quadratischen Querschnitts des
Wickelkerns 2 mit den Diagonalen des quadratischen Querschnitts
des umgeformten Elektrodenwickels 3 zusammenfallen.
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Die 12 und 13 veranschaulichen den
Vorteil erfindungsgemäßer Zellen 1 gegenüber Zellen
nach dem Stand der Technik. Sie zeigen jeweils einen gleich großen Bauraumausschnitt 9 einer Batterie,
der mit einem Zellverbund ausgefüllt
ist. In 12 ist der Bauraumausschnitt 9 mit
nicht umgeformten Zellen 1 nach dem Stand der Technik und
in 13 mit denselben, aber erfindungsgemäß umgeformten
Zellen 1 gefüllt.
Man erkennt, dass mit der Erfindung eine erheblich höhere Packungsdichte
der Zellwickel 3 erzielt werden kann. Dies gilt entsprechend
auch für
andere als die dargestellten quadratischen Querschnitte der Zellwickel 3,
beispielsweise für
dreieckige oder andere regelmäßige Vielecke.
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- 1
- Zelle
- 2
- Wickelkern
- 3
- Elektrodenwickel
- 4
- Zellgehäuse
- 5
- Eckbereich
- 6
- Zellboden
- 7
- Anschlussterminal
- 8
- Presswerkzeug
- 9
- Bauraumausschnitt