-
Die
Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine Batterie nach
den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, eine Batterie nach
den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 17 und ein Verfahren
zur Herstellung eines Rahmens zur Verwendung in einer Einzelzelle
nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 21.
-
Aus
dem Stand der Technik ist, wie in
EP 1 744 383 A1 beschrieben, eine folienbeschichtete elektrische
Einheit, ein Rahmen und ein Gehäusesystem für
die elektrische Einheit bekannt. Die folienbeschichtete Batterie
umfasst ein beschichtetes, elektrische Energie erzeugendes Element,
welches von einem Rahmen umgeben ist und von diesem gehalten wird.
Teile des Rahmens sind dicker als das beschichtete Element.
-
In
US 2006/0068281 A1 wird
ein Außengehäuse für eine nichtwässrige
Elektrolytbatterie und ein Produktionsverfahren dafür beschrieben.
Das Außengehäuse der nichtwässrigen Elektrolytbatterie kann
in Massenproduktion hergestellt werden und ist dünn und
widerstandsfähig gegenüber Beschädigungen.
Das Außengehäuse umfasst einen Gehäusekörper
und eine Abdeckplatte. Eine nichtwässrige Elektrolytbatterie,
beispielsweise eine Lithium-Polymer-Batterie, wird in den Gehäusekörper
eingelegt, welcher mit der Abdeckplatte verschlossen wird. Die Abdeckplatte
ist als ein aus Kunstharz geformtes dünnes Blatt ausgebildet,
um das Außengehäuse möglichst dünn
zu gestalten. Der Gehäusekörper und die Abdeckplatte
haben je einen äußeren umlaufenden Rahmen, welche
in einem Gießverfahren ausgeformt werden, wobei die Rahmen
stufenartig und zueinander korrespondierend ausgeformt sind. Die
stufenartige Form verstärkt das Außengehäuse gegen
mechanische Einwirkungen. Dadurch ist das Außengehäuse
widerstandsfähig gegenüber Beschädigungen.
-
In
US 7,132,196, B2 wird
eine Batterie beschrieben. Diese umfasst einen beschichteten elektrochemisch
aktiven Folienstapel, an welchem ein Pol durch Verbindung von überstehenden
Folien einer Polarität ausgebildet ist. An den polbildenden überstehenden
Folienenden ist ein Substrat angeordnet und umfasst Polkontakte
an dessen Oberfläche. Zwischen diesem Substrat und den überstehenden
Folienenden ist ein Substrathalter angeordnet. Eine Metallplatte
ist auf einer Seite des Folienstapels angeordnet. Das Substrat wird
in seiner Position gehalten durch den Substrathalter, die überstehenden verbundenen
Folienenden und die erste Metallplatte. Die Polkontakte des Substrates
sind in einer Ebene mit der anderen Seite des Folienstapels angeordnet.
-
In
WO 01/37353 A1 wird
eine gegenüber mechanischen Einwirkungen widerstandsfähige
Stromquelle beschrieben. Diese Stromquelle umfasst ein stabiles
Gehäuse, welches eine elektrische Energiespeichereinrichtung,
zum Beispiel eine elektrochemische Zelle, umfasst. Diese elektrochemische
Zelle ist ein Folienstapel, welcher von einer flexiblen Folie umhüllt
und ansonsten ungeschützt ist. Des Weiteren sind auch Plattenkondensatoren
nutzbar. Das stabile Gehäuse besteht aus dünnen
Metallabdeckplatten, welche die Zelle umgeben und die Zelle auf
diese Weise gegen äußere Krafteinwirkungen schützen. Des
Weiteren dient dieses Gehäuse als Brandschutz. Durch die
dünnen Metallabdeckplatten und die geringen Abmessungen
des Gehäuses ist der erforderliche Bauraum minimiert.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Einzelzelle
für eine Batterie, eine gegenüber dem Stand der
Technik verbesserte Batterie und ein Verfahren zur Herstellung eines
Rahmens zur Verwendung in einer Einzelzelle anzugeben.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einzelzelle
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich
der Batterie wird die Aufgabe durch die im Anspruch 17 angegebenen
Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 21
angegebenen Merkmale gelöst.
-
Bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
-
Eine
Einzelzelle umfasst ein Gehäuse, in welchem ein Elektrolyt
und eine elektrochemisch aktive Elektrodenfolieneinheit angeordnet
sind.
-
Erfindungsgemäß ist
in oder an einem Rahmen des Gehäuses eine Elektrolytdiffusionssperre angeordnet.
-
Bei
derartigen Einzelzellen kann es besonders bei ständig hohen
Betriebstemperaturen zu Verlusten von Elektrolyt durch Diffusion
von Molekülen des Elektrolyt durch das Gehäuse
kommen, verbunden mit einer daraus resultierenden reduzierten Leistungsfähigkeit
der Einzelzelle. Die Diffusion erfolgt vor allem durch den Rahmen,
wenn dieser aus Kunststoff gefertigt ist. Durch die Elektrolytdiffusionssperre,
welche im oder am Rahmen angeordnet ist, ist diese Diffusion verhinderbar
oder zumindest erheblich reduzierbar, so dass eine Leistungsfähigkeit der
Einzelzelle über deren gesamte Lebensdauer erhalten bleibt.
Gleichzeitig bildet die Elektrolytdiffusionssperre eine Verstärkung
des Rahmens, so dass dadurch eine Stabilität des Gehäuses
der Einzelzelle verbessert ist. Bei entsprechender direkter oder
indirekter thermischer Anbindung der Elektrolytdiffusionssperre
an eine Kühlplatte ist diese zusätzlich auch zur
Optimierung einer Wärmeabfuhr einer Verlustwärme
der Einzelzelle einsetzbar.
-
Die
Einzelzelle ist bevorzugt eine Flachzelle, da bei einer solchen
Bauart der Einzelzelle dieses Problem der Elektrolytdiffusion besonders
stark auftritt und die erfindungsgemäße Lösung
besonders günstig anwendbar und besonders einfach und kostengünstig
realisierbar ist.
-
Der
Rahmen ist zweckmäßigerweise zumindest teilweise
aus Kunststoff gefertigt, vorzugsweise aus einem thermoplastischen
Kunststoff. Ein solcher Rahmen ist sehr einfach und kostengünstig,
beispielsweise in einem Spritzgussverfahren herstellbar. Ist der
Rahmen aus thermoplastischem Kunststoff, ist das Gehäuse
der Einzelzelle durch ein Heißpressverfahren einfach, schnell
und effektiv verschließbar.
-
In
einer besonders günstigen Ausführungsform ist
die Elektrolytdiffusionssperre in den Rahmen integriert, vorzugsweise
eingegossen, wobei die Elektrolytdiffusionssperre bevorzugt vollständig
von dem Rahmen umschlossen ist. Auf diese Weise ist die Elektrolytdiffusionssperre
vollständig von dem Gehäuse der Einzelzelle und
dem Folienstapel elektrisch isoliert. Durch die Herstellung des
Rahmens mittels des Spritzgussverfahrens ist die Elektrolytdiffusionssperre
sehr einfach und ohne erheblich höheren Produktionsaufwand
und damit verbundenen Kosten in diesen integrierbar. Die integrierte
Diffusionssperre bildet eine Art Stützskelett für
den Rahmen aus Kunststoff, wodurch eine Stabilität des
Rahmens und damit eine Stabilität der Einzelzelle erheblich verbessert
ist. Dies erhöht beispielsweise auch eine Sicherheit einer
mit diesen Einzelzellen ausgerüsteten Batterie bei einem
Einsatz in einem Fahrzeug, bei welchem eine Gefahr mechanischer
Krafteinwirkungen, beispielsweise durch einen Unfall, gegeben ist.
-
Die
Elektrolytdiffusionssperre ist zweckmäßigerweise
aus einem Material gefertigt, welches von Molekülen des
Elektrolyt nicht oder zumindest nur sehr schwer durchdringbar ist,
vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Aluminium. Dadurch ist
ein effektiver Schutz gegen eine Diffusion von Elektrolytmolekülen
durch den Rahmen erreicht. Metall ist relativ kostengünstig,
insbesondere Aluminium einfach formbar und daher einfach an eine
Form des Rahmens anpasspar und durch Metall ist eine optimale Stabilitätsverbesserung
des Rahmens und damit der Einzelzelle erreichbar.
-
Die
Elektrolytdiffusionssperre ist vorzugsweise schmaler als der Rahmen,
um insbesondere nicht mit dem Gehäuse in Berührung
zu kommen, wodurch eine Kontaktierung von Teilen des Gehäuses über
die Elektrolytdiffusionssperre verhindert ist.
-
Das
Gehäuse umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform
zwei Seitenteile, welche vorzugsweise aus Metall sind. Die Seitenteile
sind durch den Rahmen aus Kunststoff gegeneinander elektrisch isoliert.
Da die Elektrolytdiffusionssperre schmaler als der Rahmen ist, bleibt
diese elektrische Isolierung nach wie vor erhalten. Die Elektrolytdiffusionssperre sollte
aber so breit wie möglich ausgeführt sein, um eine
möglichst optimale Elektrolytdiffusionssperrwirkung zu
erzielen. Aufgrund der Ausführung der Seitenteile aus Metall
ist je ein Zellpol der Elektrodenfolieneinheit mit je einem Seitenteil
elektrisch kontaktierbar. Auf diese Weise sind die Zellpole der
Einzelzelle auf einfache und effektive Art nach außen führbar
und mehrere Einzelzellen so einfach und effektiv miteinander elektrisch
kontaktierbar.
-
Die
Einzelzelle ist zweckmäßigerweise über eine
Wärmeleitfolie mit einer von Kühlmittel durchströmten
Kühlplatte thermisch gekoppelt und gegenüber dieser
elektrisch isoliert, so dass eine Verlustwärme der Einzelzelle
auf die Kühlplatte übertragbar und durch das Kühlmittel
abtransportierbar ist.
-
In
einer besonders günstigen Ausführungsform weisen
die Seitenteile auf einer der Kühlplatte zugewandten Seite
jeweils ein zumindest abschnittsweise über eine Länge
der Einzelzelle hinausgehendes Seitenteilelement auf, das gegenüber
dem jeweiligen Seitenteil in Richtung zum Zellinneren abgewinkelt
ist. Auf diese Weise ist die Einzelzelle optimal an die Kühlplatte
thermisch koppelbar, da die Verlustwärme der Einzelzelle
von den Seitenteilen über die abgewinkelten Seitenteilelemente
auf die Kühlplatte übertragbar ist.
-
Eine
Batterie umfasst eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel
miteinander verbundener Einzelzellen, wobei die Einzelzellen, insbesondere
Flachzellen, vorzugsweise dicht hintereinander angeordnet und parallel
zueinander ausgerichtet sind. Dadurch ist eine optimal Bauraum sparende
Anordnung der Einzelzellen erreicht. Da Zellpole der Einzelzellen
auf den Seitenteilen des Gehäuses liegen, sind die Einzelzellen
vorzugsweise durch ein Aneinanderpressen ihrer Seitenteile, wobei
jeweils zwei miteinander kontaktierte Seitenteile eine unterschiedliche
Polarität aufweisen, elektrisch seriell miteinander verbindbar.
Auf diese Weise ist eine optimale Kontaktierung der Einzelzellen
erreichbar und eine Fertigung der Batterie erheblich erleichtert.
-
Eine
solche Batterie ist vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batterie für
ein Fahrzeug, insbesondere eine Batterie für ein Fahrzeug
mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, da ein benötigter Bauraum
zu einer Unterbringung der Batterien im Fahrzeug relativ gering
ist. Dies ist insbesondere bei Hybridfahrzeugen, bei welchen eine
Mehrzahl dieser Batterien nötig sind und der Bauraum begrenzt
ist, von großer Bedeutung.
-
In
einem Verfahren zur Herstellung eines Rahmens mit einer Elektrolytdiffusionssperre
zur Verwendung in einer Einzelzelle wird die Elektrolytdiffusionssperre
in einer Spritzgussform angeordnet, welche anschließend
verschlossen und mit Kunststoff ausgegossen wird. Dies ist eine
effektive, kostengünstige und sehr einfache Fertigungsmethode
zu einer Massenfertigung dieser mit der Elektrolytdiffusionssperre
ausgerüsteten Rahmen für Einzelzellen.
-
Vorzugsweise
sind in der Elektrolytdiffusionssperre Ausformungen angeordnet,
welche mit in der Spritzgussform angeordneten Haltestiften korrespondieren.
Dadurch ist die Elektrolytdiffusionssperre mittels der Ausformungen
und der Haltestifte in der Spritzgussform positionierbar, wodurch
diese optimal von dem Kunststoff des Rahmens umhüllt wird.
Dadurch ist eine optimale Positionierung der Elektrolytdiffusionssperre
innerhalb des Rahmens und damit sowohl eine optimale Elektrolytdiffusionssperrfunktion
als auch eine vollständige elektrische Isolierung gegenüber
dem Gehäuse der Einzelzelle erreichbar.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
-
Dabei
zeigen:
-
1 eine
perspektivische Darstellung einer Elektrolytdiffusionssperre,
-
2 eine
Elektrolytdiffusionssperre in einer Spritzgussform,
-
3 eine
Explosionsdarstellung einer Einzelzelle,
-
4 einen
vertikalen Schnitt durch die Einzelzelle, und
-
5 einen
vertikalen Schnitt in einem Bereich eines Randes der Einzelzelle.
-
Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
-
1 zeigt
eine perspektivische Darstellung einer Elektrolytdiffusionssperre 1.
Diese ist ähnlich ausgeformt wie ein Rahmen 2 eines
Gehäuses einer Einzelzelle 3 und bevorzugt aus
einem Material gefertigt, welches von Molekülen eines Elektrolyt
nicht oder zumindest nur sehr schwer durchdringbar ist, bevorzugt
aus Aluminium. Durch diese Struktur und das Material der Elektrolytdiffusionssperre 1 stellt diese
für den Rahmen 2 eine Art Stützskelett
dar, wodurch eine Stabilität des Rahmens 2 und
damit des Gehäuses der Einzelzelle 3 verbesserbar
ist, so dass die Einzelzelle 3 beispielsweise gegenüber
von außen auf diese einwirkenden Kräften, zum
Beispiel bei einem Unfall eines Fahrzeugs, in welchem eine Batterie
mit diesen Einzelzellen 3 eingesetzt ist, wesentlich widerstandsfähiger
und dadurch sicherer ist.
-
2 zeigt
die Elektrolytdiffusionssperre 1 in einer Spritzgussform 4.
Auf diese Weise wird der Rahmen 2 mit integrierter Elektrolytdiffusionssperre 1 gefertigt.
Dazu sind in der Elektrolytdiffusionssperre 1 Ausformungen 5 angeordnet
und in der Spritzgussform 4 entsprechende korrespondierende
Haltestifte 6. Die Elektrolytdiffusionssperre 1 wird
in die Spritzgussform 4 eingelegt und mittels der Ausformungen 5 und
der Haltestifte 6 optimal positioniert. Danach wird die
Spritzgussform 4 geschlossen und Kunststoff, bevorzugt
thermoplastischer Kunststoff, eingespritzt, so dass die Elektrolytdiffusionssperre 1 in
den Rahmen 2 eingegossen ist und dadurch von Seitenteilen 7 des
Gehäuses elektrisch isoliert ist. Da diese Seitenteile 7 mit
Zellpolen 8 einer elektrochemisch aktiven Elektrodenfolieneinheit 9 kontaktiert
sind und daher als Polkontakte der Einzelzelle 3 fungieren, würde
sonst ein Kurzschluss auftreten. Ist in einer weiteren Ausführungsform
die Elektrolytdiffusionssperre 1 nicht vollständig
von Kunststoff umgeben, ist diese beispielsweise zusätzlich
zu einer Wärmeabfuhr von Verlustwärme aus der
Einzelzelle 3 einsetzbar, durch direkte oder indirekte
thermische Anbindung an eine Kühlplatte.
-
3 zeigt
eine Explosionsdarstellung einer Einzelzelle 3. Die Einzelzelle 3 umfasst
die elektrochemisch aktive Elektrodenfolieneinheit 9, ein
nicht dargestelltes Elektrolyt, den Rahmen 2 mit integrierter,
eingegossener Elektrolytdiffusionssperre 1 und zwei Seitenteile 7.
Die Zellpole 8 der Elektrodenfolieneinheit 9 sind
nach Zusammenfügen der Einzelzelle 3 mit je einem
Seitenteil 7 kontaktiert, wodurch diese die Polkontakte
der Einzelzelle 3 bilden. Da in einer Batterie eine Mehrzahl
dieser Einzelzellen 3 zu einer optimalen Bauraumnutzung
vorzugsweise dicht hintereinander angeordnet und parallel zueinander ausgerichtet
sind, sind die Einzelzellen 3 durch ein Aneinanderpressen
ihrer Seitenteile 7, wobei jeweils zwei miteinander kontaktierte
Seitenteile 7 eine unterschiedliche Polarität
aufweisen, elektrisch seriell miteinander verbindbar. Auf diese
Weise ist eine optimale Kontaktierung der Einzelzellen 3 erreichbar und
eine Fertigung der Batterie erheblich erleichtert.
-
Die
Seitenteile 7 sind auf den Rahmen 2 aus Kunststoff
aufsetzbar und, da es sich um thermoplastischen Kunststoff handelt,
mit diesem beispielsweise mittels eines Heißpressverfahrens
verbindbar und das Gehäuse der Einzelzelle 3 auf
diese Weise gas- und flüssigkeitsdicht verschließbar.
Da die Elektrolytdiffusionssperre 1 von dem Rahmen 2 umschlossen ist,
ist sie von den Seitenteilen 7 elektrisch isoliert, wodurch
eine elektrische Verbindung zwischen den Seitenteilen 7 über
die Elektrolytdiffusionssperre 1 verhindert ist. Die Seitenteile 7 weisen
auf einer der Kühlplatte zugewandten Seite jeweils ein
zumindest abschnittsweise über eine Länge der
Einzelzelle 3 hinausgehendes Seitenteilelement 7.1 auf,
das gegenüber dem jeweiligen Seitenteil 7 in Richtung
zum Zellinneren abgewinkelt ist. Auf diese Weise ist die Einzelzelle 3 optimal
an die Kühlplatte thermisch koppelbar, da eine Verlustwärme
der Einzelzelle 3 von den Seitenteilen 7 über
die abgewinkelten Seitenteilelemente 7.1 auf die Kühlplatte übertragbar
ist. In der hier dargestellten Ausführungsform erstrecken
sich die abgewinkelten Seitenteilelemente 7.1 jeweils über
nahezu eine Hälfte einer Breite der Einzelzelle 3 und über
nahezu eine gesamte Dicke der Einzelzelle 3, so dass sich
die Seitenteilelemente 7.1 nicht berühren und
in einer engen Anordnung von Einzelzellen 3 in der Batterie
auch die jeweils nächste Einzelzelle 3 nicht berühren,
wodurch eine Kontaktierung von Seitenteilen 7 gleicher
Polarität und damit ein Kurzschluss vermieden ist. In weiteren
Ausführungsformen sind auch andere Anordnungen denkbar.
So können sich die Seitenteilelemente 7.1 jeweils über die
gesamte Breite der Einzelzelle 3 erstrecken, dann allerdings
nur jeweils über nahezu die halbe Dicke der Einzelzelle 3,
so dass sie sich nicht berühren.
-
4 zeigt
einen vertikalen Schnitt durch die Einzelzelle 3. Die elektrochemisch
aktive Elektrodenfolieneinheit 9 ist im Gehäuse
angeordnet und die Zellpole 8 der Elektrodenfolieneinheit 9 mit
den Seitenteilen 7 kontaktiert. Am Rand des Gehäuses
ist der mit der Elektrolytdiffusionssperre 1 ausgerüstete Rahmen 2 angeordnet.
Das Gehäuse ist durch ein Heißpressverfahren gas-
und flüssigkeitsdicht verschlossen.
-
5 zeigt
einen vertikalen Schnitt in einem Bereich eines Randes der Einzelzelle 3.
Der Rahmen 2 ist mit den beiden Seitenteilen 7 fest
durch das Heißpressverfahren verbunden und das Gehäuse dadurch
gas- und flüssigkeitsdicht verschlossen. Die Elektrolytdiffusionssperre 1 erstreckt
sich nahezu über eine gesamte Breite des Rahmens 2 und
ist von diesem vollständig umgeben. Dadurch ist die Elektrolytdiffusionssperre 1 von
den Seitenwänden 7 elektrisch isoliert und somit
ein Kurzschluss verhindert. Durch die Elektrolytdiffusionssperre 1 ist,
da sie sich nahezu über die gesamte Breite des Rahmens 2 erstreckt,
ein Hindurchdiffundieren von Molekülen des Elektrolyt durch
den Rahmen 2 effektiv verhindert, wodurch eine Leistungsfähigkeit
der Einzelzelle 3 über deren gesamte Lebensdauer
erhalten bleibt. Die Elektrolytdiffusionssperre 1 aus Metall
stellt eine erhebliche Verstärkung einer Stabilität
des Rahmens 2 aus Kunststoff und damit des gesamten Gehäuses der
Einzelzelle 3 dar, wodurch diese widerstandsfähiger
gegen Krafteinwirkungen von außen ist.
-
- 1
- Elektrolytdiffusionssperre
- 2
- Rahmen
- 3
- Einzelzelle
- 4
- Spritzgussform
- 5
- Ausformung
- 6
- Haltestift
- 7
- Seitenteil
- 7.1
- Seitenteilelement
- 8
- Zellpol
- 9
- Elektrodenfolieneinheit.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1744383
A1 [0002]
- - US 2006/0068281 A1 [0003]
- - US 7132196 B2 [0004]
- - WO 01/37353 A1 [0005]