DE102008059944B4 - Single cell battery, method of making the battery and its use - Google Patents
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Abstract
Batterie mit seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen (1), wobei die Einzelzelle (1) jeweils aus einem Elektrodenstapel (6) gebildet ist, dessen einzelne Elektroden (6.1, 6.2) unterschiedlicher Polarität, durch einen Separator (6.3) voneinander isolierend getrennt sind, wobei Elektroden (6.1, 6.2) gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol (P1, P2) verbunden und die Pole (P1, P2) des Elektrodenstapels (6) jeweils elektrisch mit einer elektrisch leitfähigen Gehäuseseitenwand (3, 4) verbunden sind, wobei die Elektroden (6.1) der Anode aus Aluminium, die Elektroden (6.2) der Kathode aus Kupfer und die Gehäuseseitenwände (3, 4) aus Aluminium gebildet sind, wobei die dem als Kathode ausgebildeten Pol (P2) zugewandte Gehäuseseitenwand (4) innenseitig eine metallische Zwischenschicht (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (19) zur Ableitung während des Betriebes der Batterie erzeugter Verlustwärme Wärme leitend mit einer Wärmeleitplatte verbunden sind und dass die Gehäuseseitenwände (3,4) auf einer der Wärmeleitplatte zugewandten Seite jeweils ein zumindest abschnittweise über die...Battery with individual cells (1) connected in series and / or in parallel, wherein the single cell (1) is formed in each case from an electrode stack (6) whose individual electrodes (6.1, 6.2) of different polarity are separated from one another by a separator (6.3) are, wherein electrodes (6.1, 6.2) of the same polarity electrically conductively connected to a pole (P1, P2) and the poles (P1, P2) of the electrode stack (6) are each electrically connected to an electrically conductive housing side wall (3, 4) , wherein the electrodes (6.1) of the anode made of aluminum, the electrodes (6.2) of the cathode of copper and the housing side walls (3, 4) are formed of aluminum, wherein the housing side wall (4) facing the pole formed as a cathode (4) on the inside a metallic intermediate layer (7), characterized in that the individual cells (19) for discharging during the operation of the battery generated heat loss conductively with a heat he heat-conducting plate are connected and that the housing side walls (3,4) on a side facing the heat conduction in each case at least in sections via the ...
Description
Die Erfindung betrifft eine Batterie mit seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11 sowie die Verwendung der Batterie gemäß Anspruch 19.The invention relates to a battery with serial and / or parallel interconnected individual cells according to the preamble of
Nach dem Stand der Technik sind Hochvolt-Batterien, z. B. Lithium-Ionen-Batterien, für Fahrzeuganwendungen bekannt, die insbesondere aus mehreren elektrisch in Reihe und/oder parallel verschalteten Einzelzellen aufgebaut sind. Dabei können bei bipolaren Einzelzellen die elektrischen Kontakte, d. h. ein Plus- und ein Minuspol, direkt auf gegeneinander elektrisch isolierte Teile des Gehäuses gelegt sein.According to the prior art are high-voltage batteries, z. As lithium-ion batteries, known for vehicle applications, which are constructed in particular of several electrically connected in series and / or parallel single cells. In bipolar single cells, the electrical contacts, d. H. a plus and a minus pole, be placed directly on against each other electrically insulated parts of the housing.
Die
Die
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Batterie und ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zu deren Herstellung anzugeben.The invention has for its object to provide a comparison with the prior art improved battery and an improved over the prior art method for their preparation.
Hinsichtlich der Batterie wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 11 angegebenen Merkmale gelöst.With regard to the battery, the object is achieved by the features specified in
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die Aufgabe der Erfindung wird bei einer Batterie mit Einzelzellen mit seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen, wobei die Einzelzelle jeweils aus einem Elektrodenstapel gebildet ist, dessen einzelne Elektroden unterschiedlicher Polarität, durch einen Separator voneinander isolierend getrennt sind, wobei Elektroden gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol verbunden und die Pole des Elektrodenstapels jeweils elektrisch mit einer elektrisch leitfähigen Gehäuseseitenwand verbunden sind, wobei die Elektroden der Anode aus Aluminium, die Elektroden der Kathode aus Kupfer und die Gehäuseseitenwände aus Aluminium gebildet sind, wobei die dem als Kathode ausgebildeten Pol zugewandte Gehäuseseitenwand innenseitig eine metallische Zwischenschicht aufweist, dadurch gelöst, dass die Einzelzellen zur Ableitung während des Betriebes der Batterie erzeugter Verlustwärme Wärme leitend mit einer Wärmeleitplatte aufweist verbunden sind und dass die Gehäuseseitenwände auf einer der Wärmeleitplatte zugewandten Seite jeweils ein zumindest abschnittweise über die Länge der Einzelzelle hinausgehendes Seitenwandelement aufweisen, das gegenüber der jeweiligen Gehäuseseitenwand in Richtung zum Zelleninneren abgewinkelt ist.The object of the invention is in a battery with single cells with serial and / or parallel interconnected single cells, wherein the single cell is formed in each case from an electrode stack whose individual electrodes of different polarity, separated by a separator from each other, wherein electrodes of the same polarity electrically conductive connected to a pole and the poles of the electrode stack are each electrically connected to an electrically conductive housing side wall, wherein the electrodes of the anode made of aluminum, the electrodes of the cathode of copper and the housing side walls are formed of aluminum, wherein the pole formed as a cathode facing Housing side wall on the inside has a metallic intermediate layer, achieved in that the individual cells for dissipation during operation of the battery generated heat loss conductively connected to a heat conducting plate and that di e housing side walls on one of the heat-conducting plate facing side in each case at least in sections along the length of the individual cell outgoing side wall element, which is angled towards the respective housing side wall in the direction of the cell interior.
Diese Zwischenschicht ermöglicht eine werkstoff- und verfahrenstechnisch einfache elektrische Anbindung des als Kathode ausgebildeten und aus Kupfer gefertigten Pols an die aus dem Anodenmaterial Aluminium gebildete Gehäuseseitenwand. Daraus resultiert in vorteilhafter Weise, dass die Gehäuseseitenwände aus dem gleichen Material gebildet werden können, was insbesondere zu dem Vorteil führt, dass bei einer elektrischen Verschaltung der Einzelzellen zu der Batterie zwischen den Gehäuseseitenwänden direkt benachbarter Einzelzellen keine so genannten Lokalelemente entstehen und somit die Gefahr einer Korrosion der Gehäuseseitenwände und einer daraus resultierenden Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen diesen vermieden werden.This intermediate layer allows a material and procedural simple electrical connection of the formed as a cathode and made of copper pole to the housing side wall formed from the anode material aluminum. This results in an advantageous manner that the Housing side walls can be formed from the same material, which in particular leads to the advantage that in an electrical interconnection of the individual cells to the battery between the housing side walls directly adjacent single cells no so-called local elements arise and thus the risk of corrosion of the housing side walls and a resulting reduction the electrical conductivity between these can be avoided.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie ist die Zwischenschicht zumindest im Bereich des als Kathode ausgebildeten Pols angeordnet, was zu einem geringen Material- und Herstellungsaufwand und daraus resultierend zu geringen Herstellungskosten führt.According to a preferred embodiment of the battery according to the invention, the intermediate layer is arranged at least in the region of the pole formed as a cathode, which leads to a low material and manufacturing costs and as a result to low production costs.
Die Zwischenschicht ist dabei gemäß verschiedener Ausgestaltungen aus einer Folie gebildet und/oder als Platte ausgebildet, so dass eine Schichtdicke dieser individuell vorgebbar ist.The intermediate layer is formed according to various embodiments of a film and / or formed as a plate, so that a layer thickness of these is individually predetermined.
In besonderer Weise ist zur Bildung der Pole als Stromableiterfahne ein nach außerhalb des Elektrodenstapels geführter Randbereich der jeweiligen Elektrodenfolie vorgesehen, wodurch eine aufwändige Kontaktierung von Elektrodenfolie und Stromableiterfahne entfällt. Gleichzeitig ist diese Art der Kontaktierung sehr sicher gegen zumindest viele, insbesondere äußere Einflüsse wie Stöße oder Vibrationen. Dieser nach außerhalb der jeweiligen Elektrodenfolie geführte Randbereich ist aufgrund der elektrischen Verbindung zu dem Pol nicht mit dem Anoden- bzw. dem Kathodenmaterial beschichtet.In a special way, an edge region of the respective electrode foil, which is guided to the outside of the electrode stack, is provided to form the poles as a current collector tab, thereby eliminating the need for complex contacting of the electrode foil and the current collector tab. At the same time, this type of contacting is very safe against at least many, especially external influences such as shock or vibration. This led to the outside of the respective electrode foil edge region is not coated with the anode or the cathode material due to the electrical connection to the pole.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst ein Zellgehäuse der Einzelzelle zwei Gehäuseseitenwände, zwischen welchen ein randseitig umlaufender sowie elektrisch isolierender Rahmen angeordnet ist. Durch eine Anordnung des Elektrodenstapels in dem randseitig umlaufenden, insbesondere elektrisch isolierenden Rahmen kann in vorteilhafter Weise eine zusätzliche isolierende Anordnung eingespart werden. Weiterhin ist die Handhabbarkeit der Einzelzelle erleichtert bzw. sicherer gestaltet.In a preferred development of the invention, a cell housing of the single cell comprises two housing side walls, between which an edge-surrounding and electrically insulating frame is arranged. By an arrangement of the electrode stack in the peripherally encircling, in particular electrically insulating frame, an additional insulating arrangement can be advantageously saved. Furthermore, the handling of the single cell is made easier or safer.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Stromableiterfahnen bzw. die Pole mit den Gehäuseseitenwänden verpresst. Die Verpressung stellt eine einfache elektrische Verbindung zwischen den Polen und den Gehäuseseitenwänden dar und ist vorzugsweise in einem gemeinsamen Arbeitsschritt mit der Befestigung der Gehäuseseitenwände an dem Rahmen ausführbar.In an advantageous embodiment of the invention, the Stromableiterfahnen or the poles are pressed with the housing side walls. The compression is a simple electrical connection between the poles and the housing side walls and is preferably carried out in a joint operation with the attachment of the housing side walls to the frame.
Alternativ oder zusätzlich sind die Stromableiterfahnen bzw. die Pole mit den Gehäuseseitenwänden verschweißt. Durch die entstehende stoffschlüssige Verbindung wird eine elektrisch leitfähige Verbindung mit einem geringen Übergangswiderstand erzeugt, die eine hohe Strombelastbarkeit aufweist.Alternatively or additionally, the current discharge lugs or the poles are welded to the housing side walls. The resulting cohesive connection produces an electrically conductive connection with a low contact resistance, which has a high current-carrying capacity.
Die Aufgabe der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen, wobei die Einzelzelle jeweils aus einem Elektrodenstapel gebildet wird, dessen einzelne Elektroden unterschiedlicher Polarität, durch einen Separator voneinander isolierend getrennt werden, wobei Elektroden gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol verbunden und die Pole des Elektrodenstapels jeweils elektrisch mit einer elektrisch leitfähigen Gehäuseseitenwand verbunden werden, wobei die Elektroden der der Anode aus Aluminium, die Elektroden der Kathode aus Kupfer gebildet und die Gehäuseseitenwände aus Aluminium gebildet werden, wobei auf eine Innenseite der dem als Kathode ausgebildeten Pol zugewandten Gehäuseseitenwand eine aus Kupfer oder aus Nickel gebildete Zwischenschicht aufgebracht wird, dadurch gelöst, dass in die Batterie eine Wärmeleitplatte eingebracht wird und die Gehäuseseitenwände mit einem auf einer der Wärmeleitplatte zugewandten Seite jeweils zumindest abschnittweise über die Länge der Einzelzelle hinausgehendes Seitenwandelement ausgebildet werden, das gegenüber der jeweiligen Gehäuseseitenwand in Richtung zum Zelleninneren abgewinkelt wird.The object of the invention is in a method for producing a battery with serial and / or parallel interconnected single cells, wherein the single cell is formed in each case from an electrode stack whose individual electrodes of different polarity, by a separator are separated from each other insulating, wherein electrodes of the same polarity electrically conductively connected to one another to a pole and the poles of the electrode stack are each electrically connected to an electrically conductive housing side wall, wherein the electrodes of the anode of aluminum, the electrodes of the cathode formed of copper and the housing side walls are formed of aluminum, wherein on an inner side the housing side wall facing the pole formed as a cathode, an intermediate layer formed of copper or nickel is applied, achieved in that in the battery, a heat conduction is introduced and the housing side walls with a em on one of the heat conducting plate side facing at least in sections over the length of the single cell outgoing sidewall element are formed, which is angled towards the respective housing side wall in the direction of the cell interior.
Dabei wird die Zwischenschicht insbesondere bei einer Ausbildung als Platte mit der dem als Kathode ausgebildeten Pol zugewandten Gehäuseseitenwand verpresst und/oder verschweißt, so dass zwischen der Gehäuseseitenwand und der Zwischenschicht eine stoffschlüssige und elektrisch Verbindung mit einem geringen Übergangswiderstand entsteht.In this case, the intermediate layer is compressed and / or welded, in particular when formed as a plate with the pole formed as a pole facing side wall so that between the housing side wall and the intermediate layer a cohesive and electrically connected with a low contact resistance.
Um besonders dünne Schichten zu erzeugen und somit die Einzelzellen möglichst kleinbauend auszuführen, wird die Zwischenschicht in einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Folie auf die Gehäuseseitenwand aufgedruckt, aufgewalzt oder elektrochemisch aufgebracht.In order to produce particularly thin layers and thus perform the single cells as small as possible, the intermediate layer is printed in a preferred embodiment of the method according to the invention as a film on the housing side wall, rolled or applied electrochemically.
Die Erzeugung der elektrisch leitfähigen Verbindung der Pole mit den Gehäuseseitenwänden werden diese miteinander verpresst und/oder verpresst, wobei während des Schweißverfahrens eine oder mehrere Schweißnähte und/oder Schweißpunkte erzeugt werden. In bevorzugter Weise werden bei dem Schweißverfahren die Gehäuseseitenwand sowie weiter in der Tiefe die den Pol bildenden Stromableiterfahnen des Elektrodenstapels partiell aufgeschmolzen, so dass mit einer Schweißnaht und/oder einem Schweißpunkt alle die Pole bildenden Stromableiterfahnen sowie die entsprechende elektrisch leitende Gehäuseseitenwand insbesondere in einem Schritt miteinander verschweißt werden.The generation of the electrically conductive connection of the poles with the housing side walls are pressed together and / or pressed together, wherein during the welding process, one or more welds and / or welds are generated. Preferably, in the welding process, the housing side wall and further in the depth of the pole forming Stromableiterfahnen the electrode stack partially melted, so that with a weld and / or a weld all the poles forming Stromableiterfahnen and the corresponding electrically conductive housing side wall are welded together in particular in one step.
Ein Zellgehäuse der Einzelzelle wird aus zwei elektrisch leitenden Gehäuseseitenwänden gebildet, wobei zwischen den Gehäuseseitenwänden ein randseitig umlaufender sowie elektrisch isolierender Rahmen angeordnet wird, in welchen der Elektrodenstapel eingelegt wird.A cell housing of the single cell is formed from two electrically conductive housing side walls, wherein between the housing side walls a peripherally rotating and electrically insulating frame is arranged, in which the electrode stack is inserted.
Die Befestigung der Gehäuseseitenwände an dem Rahmen wird vorzugsweise mittels form-, stoff- und/oder kraftschlüssigen Verbindungen, beispielsweise anhand von Kleb- und/oder Schweißverbindungen, erzeugt, so dass das Gehäuse in vorteilhafter Weise flüssigkeits- und/oder gasdicht ausgebildet ist und somit der Elektrodenstapel vor äußeren mechanischen und chemischen Einwirkungen geschützt ist.The attachment of the housing side walls to the frame is preferably produced by means of positive, material and / or non-positive connections, for example by means of adhesive and / or welded joints, so that the housing is formed liquid and / or gas-tight in an advantageous manner and thus the electrode stack is protected from external mechanical and chemical influences.
Durch eine oder mehrere der genannten Maßnahmen ist es möglich, bei einer preiswerten Herstellung den Aufbau eines Zellgehäuses der Einzelzelle zu vereinfachen, die Vibrationssicherheit und damit die Stabilität, die Lebensdauer sowie dadurch wiederum auch die Verwendungsvielfalt zu erhöhen. Des Weiteren wird durch die stoffschlüssige Kontaktierung der Stromableiterfahnen zur Bildung der Polkontakte und der stoffschlüssigen Verbindung dieser mit den Gehäuseseitenwänden die Stromtragfähigkeit verbessert. Auch liegt keine Schwächung der Druckdichtigkeit des Zellgehäuses der Einzelzelle vor, da keine Kontaktdurchführung der Polkontakte erfolgt.By one or more of the measures mentioned, it is possible to simplify the construction of a cell housing of the single cell at a low-cost production, to increase the vibration safety and thus the stability, the lifetime and, in turn, also the variety of uses. Furthermore, the current carrying capacity is improved by the cohesive contacting of the current collector lugs to form the pole contacts and the cohesive connection of these with the housing side walls. There is also no weakening of the pressure tightness of the cell housing of the single cell, since no contact implementation of the pole contacts.
Die erfindungsgemäße Einzelzelle ist insbesondere zu einer Verwendung in einer Batterie vorgesehen, wobei mehrere Einzelzellen elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind, um in vorteilhafter Weise die Eigenschaften der Batterie an einen Verwendungszweck dieser anzupassen.The single cell according to the invention is intended in particular for use in a battery, wherein a plurality of individual cells are electrically connected in series and / or parallel to one another in order to advantageously adapt the properties of the battery to a purpose of use.
Ferner eignet sich die Einzelzelle aufgrund ihrer Eigenschaften insbesondere zu einer Verwendung in einer Batterie eines Fahrzeugs, wobei wiederum mehrere Einzelzellen elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind. Bei dem Fahrzeug handelt es sich insbesondere um ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug.Furthermore, due to its properties, the single cell is in particular suitable for use in a battery of a vehicle, wherein in turn a plurality of individual cells are electrically connected in series and / or in parallel with one another. The vehicle is in particular a hybrid vehicle or an electric vehicle.
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.
In
Zur Herstellung einer nicht näher dargestellten Batterie sind mehrere der Einzelzellen
Die aus den mehreren Einzelzellen
Um eine Erhöhung der Wärmeabgabe an die Wärmeleitplatte zu erzielen weisen die Gehäuseseitenwände
Da die Wärmeleitplatte vorzugsweise aus einem sehr gut wärmeleitfähigen und deshalb insbesondere aus einem metallischen Material gebildet ist, ist zwischen den Einzelzellen
Weiterhin ist die Wärmeleitplatte für eine hohe Wärmeabgabe vorzugsweise von einem Kühlmedium, beispielsweise einem Kältemittel einer Fahrzeugklimaanlage, durchströmbar, wobei die Wärmeleitplatte Anschlusselemente zur Einbindung in einen derartigen Kühlkreislauf aufweist.Furthermore, the heat-conducting plate for a high heat output is preferably flowed through by a cooling medium, for example a refrigerant of a vehicle air conditioning system, wherein the heat-conducting plate has connection elements for integration into such a cooling circuit.
In dem Zellgehäuse
Die Elektroden
Ein nach außerhalb des Elektrodenstapels
Diese Pole P1 und P2 des Elektrodenstapels
Bei einer elektrischen Verbindung der Einzelzellen
Um eine einfache und verlustarme elektrische Anbindung des als Kathode ausgebildeten Pols P2 an die Gehäuseseitenwand
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Zwischenschicht
Dabei kann die Zwischenschicht einerseits eine Platte sein, welche insbesondere mit der Gehäuseseitenwand
Andererseits kann die Zwischenschicht
Zur Bildung des Zellgehäuses
Eine derartige stoff-, form- und/oder kraftschlüssige Befestigung erfolgt in nicht näher dargestellter Weise z. B. mittels Kleben, Verschweißen und/oder Verbindungselementen, um eine hohe Stabilität der Verbindung zwischen den Gehäuseseitenwänden
Bei den Verbindungselementen handelt es sich insbesondere um Nieten, den Rahmen
Auch eine Anbindung der Gehäuseseitenwände
Aus der stoff-, form- und/oder kraftschlüssigen Befestigung der Gehäuseseitenwände
Durch die Befestigung der Gehäuseseitenwände
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Pole P1 und P2 mit den Gehäuseseitenwänden
Gemäß einer nicht näher dargestellten Weiterführung der Erfindung werden die Stromableiterfahnen in einem gesonderten Verfahren vor der Erzeugung der elektrische leitfähigen Verbindung mit den Gehäuseseitenwänden
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Einzelzellesingle cell
- 22
- Zellgehäusecell case
- 33
- GehäuseseitenwandHousing sidewall
- 3.13.1
- SeitenwandelementSide wall member
- 44
- GehäuseseitenwandHousing sidewall
- 4.14.1
- SeitenwandelementSide wall member
- 55
- Rahmenframe
- 66
- Elektrodenstapelelectrode stack
- 6.16.1
- Elektrodeelectrode
- 6.26.2
- Elektrodeelectrode
- 6.36.3
- Separatorseparator
- 77
- Zwischenschichtinterlayer
- P1P1
- Polpole
- P2P2
- Polpole
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: LI-TEC BATTERY GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE Effective date: 20120725 |
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20130608 |
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R082 | Change of representative | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |