DE102008059951A1

DE102008059951A1 - Einzelzelle für eine Batterie und Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle

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Publication number: DE102008059951A1
Application number: DE102008059951A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr.-Ing. Meintschel; Dirk Dipl.-Ing. Dr. Schröter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-12-03
Also published as: WO2010063367A1; DE102008059951B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle (1) für eine Batterie, wobei die Einzelzelle (1) aus einem Elektrodenstapel (6) gebildet ist, dessen einzelne Elektroden (6.1, 6.2) unterschiedlicher Polarität, vorzugsweise mit einem Anodenmaterial oder einem Kathodenmaterial beschichtete Elektrodenfolien, durch einen Separator (6.3), vorzugsweise eine Separatorfolie, voneineinander isolierend getrennt sind, wobei eine erste Lage und eine letzte Lage des Elektrodenstapels (6) durch den Separator (6.3) gebildet ist und Elektroden (6.1, 6.2) gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol (P1, P2) verbunden sind. Erfindungsgemäß sind die Pole (P1, P2) des Elektrodenstapels (6) jeweils elektrisch mit einer elektrisch leitfähigen Gehäuseseitenwand (3, 4) verbunden, wobei auf Innenseiten der Gehäuseseitenwände (3, 4) jeweils eine Zwischenschicht (7, 8) aufgebracht ist, welche bei einer elektrischen Verbindung der Gehäuseseitenwand (3) mit einem als Anode ausgebildeten Pol (P2) aus dem Anodenmaterial und bei einer elektrischen Verbindung der verbleibenden Gehäuseseitenwand (4) mit einem als Kathode ausgebildeten Pol (P1) aus dem Kathodenmaterial gebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle (1) für eine Batterie.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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.
Aus der DE 2 158 398 A1 ist eine Batterie bekannt, welche eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Zellen umfasst. Die Zellen weisen einen Elektrodenstapel auf, welcher aus abwechselnd übereinander gestapelten Elektrodenfolien unterschiedlicher Polarität und einer jeweils zwischen diesen angeordneten elektrisch isolierenden Trennschicht gebildet ist, wobei die Trennschicht einen Elektrolyten enthält und benachbarte Zellen eine für den Elektrolyten undurchlässige Zwischenzellen-Verbindungsschicht umfassen. Gegenüberliegende Flächen sämtlicher elektrisch leitender Schichten sind mittels elektrisch leitender Haftverbindungen elektrisch miteinander gekoppelt.
Weiterhin offenbart die EP 1 424 744 A1 eine gestapelte Batterie mit Elektrodenfolien, welche einen Stromkollektor umfassen, und einer Elektrolytschicht, welche zwischen den Elektrodenfolien angeordnet ist. Dabei ist ein Elektrodenstapel aus den übereinander gestapelten Elektrodenfolien und Elektrolytschichten gebildet, wobei die Elektrodenfolien die äußersten Schichten des Elektrodenstapels bilden, so dass die Stromkollektoren in Richtung der Stapelung nach außen gerichtet sind und als Anschlusselement der Batterie dienen. Weiterhin ist aus dieser Schrift eine zusammengesetzte Batterie bekannt, welche mehrere der gestapelten Batterien umfasst, bei welcher mehrere der gestapelten Batterien elektrisch seriell oder parallel verschaltet sind. Dabei sind die gestapelten Batterien beispielsweise mittels zweier Kollektorplatten elektrisch verschaltet, so dass die Kollektorplatten den positiven und den negativen Pol der Batterie, d. h. die Kathode und die Anode, bilden. Sowohl die gestapelte Batterie als auch die aus mehreren gestapelten Batterien zusammengesetzte Batterie sind insbesondere zu einer Verwendung in einem Fahrzeug vorgesehen.
Ferner ist aus der WO 2005/119813 A2 eine Batterie mit einem Batteriegehäuse bekannt, welche aus mehreren Einzelzellen gebildet ist. Dabei umfasst das Batteriegehäuse eine oder mehrere Trennwände, welche das Batteriegehäuse in mehrere Einzelzellkammern unterteilt, in welchen die Einzelzellen angeordnet sind. Die Einzelzellen beinhalten ein Elektrolyt und einen Elektrodenstapel, bei welchem Elektrodenfolien unterschiedlicher Polarität abwechselnd und mittels einer Separatorfolie getrennt übereinander gestapelt sind. Zur elektrischen Verschaltung der Einzelzellen untereinander umfassen diese beispielsweise Stromableiterfahnen, wobei diese zur elektrischen Verschaltung beispielsweise miteinander verschweißt sind. Die Batterie umfasst weiterhin elektrische Anschlusselemente, mittels welcher der positive und der negative Pol, d. h. die Kathode und die Anode, der aus den elektrisch verschalteten Einzelzellen gebildeten Batterie nach außen geführt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Einzelzelle für eine Batterie und ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zu deren Herstellung anzugeben.
Hinsichtlich der Einzelzelle wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Einzelzelle für eine Batterie ist aus einem Elektrodenstapel gebildet, dessen einzelne Elektroden unterschiedlicher Polarität, vorzugsweise mit einem Anodenmaterial oder einem Kathodenmaterial beschichtete Elektrodenfolien, durch einen Separator, vorzugsweise eine Separatorfolie, voneinander isolierend getrennt sind, wobei eine erste Lage und eine letzte Lage des Elektrodenstapels durch den Separator gebildet ist und Elektroden gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol verbunden sind. Erfindungsgemäß sind die Pole des Elektrodenstapels jeweils elektrisch mit einer elektrisch leitfähigen Gehäuseseitenwand verbunden, wobei auf Innenseiten der Gehäuseseitewände jeweils eine Zwischenschicht aufgebracht ist, welche bei einer elektrischen Verbindung der Gehäuseseitenwand mit einem als Anode ausgebildeten Pol aus dem Anodenmaterial und bei einer elektrischen Verbindung der verbleibenden Gehäuseseitenwand mit einem als Kathode ausgebildeten Pol aus dem Kathodenmaterial gebildet ist. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine Erhöhung der elektrischen Kapazität der Einzelzelle erreicht, da Innenseiten der Gehäuseseitenwand bzw. die auf diese aufgebrachte Zwischenschicht die Anode bzw. Kathode der Einzelzelle bilden.
Da es sich in einer Ausgestaltung der Erfindung bei der Einzelzelle insbesondere um eine Lithium-Ionen-Einzelzelle handelt, sind die Elektroden, deren Pol eine Anode des Elektrodenstapels bildet, vorzugsweise aus Aluminium und die Elektroden, deren Pol eine Kathode des Elektrodenstapels bildet, aus Kupfer gebildet.
Weiterhin ist die mit der Anode des Elektrodenstapels elektrisch verbundene Gehäuseseitenwand aus Kupfer mit einer aufgebrachten Zwischenschicht aus Anodenmaterial gebildet, so dass die Zwischenschicht die Anode bildet.
Die mit der Kathode des Elektrodenstapels elektrisch verbundene Gehäuseseitenwand ist dagegen aus Aluminium mit einer aufgebrachten Zwischenschicht aus Kathodenmaterial gebildet, so dass die Zwischenschicht eine Kathode bildet.
In besonderer Weise ist 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.
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.
Der Rahmen weist vorzugsweise zwei elektrisch voneinander isolierte und voneinander beabstandete Materialrücknahmen auf, in welchen jeweils die zu einem Pol des Elektrodenstapels zusammengefassten Stromableiterfahnen angeordnet sind. In sinnvoller Weise ist die in Richtung der Stapelung der Elektroden gemessene lichte Höhe einer Materialrücknahme kleiner oder gleich der entsprechenden Erstreckung der unbeeinflusst übereinander gestapelten zugehörigen Stromableiterfahnen und deren parallel zur Flachseite einer Elektrodenfolie gemessene Tiefe größer oder gleich der entsprechenden Erstreckung der zugehörigen Stromableiterfahnen. Hierdurch sind die Stromableiterfahnen sicher in den Materialrücknahmen gehaltert und können bei insbesondere dichter Verbindung zwischen dem Rahmen und den Gehäuseseitenwänden elektrisch leitend mit diesen verpresst sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Stromableiterfahnen bzw. die Pole alternativ oder zusätzlich mit den Gehäuseseitenwänden verschweißt. Durch die entstehende stoffschlüssige Verbindung wird eine elektrisch leitfähige Verbindung mit einem geringen Übergangswiderstand erzeugt, die eine hohe Strombelastbarkeit aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle für eine Batterie wird die Einzelzelle aus einem Elektrodenstapel gebildet, dessen einzelne Elektroden unterschiedlicher Polarität, vorzugsweise mit einem Anodenmaterial oder einem Kathodenmaterial beschichtete Elektrodenfolien, durch einen Separator, vorzugsweise eine Separatorfolie, voneinander isolierend getrennt werden, wobei als eine erste Lage und eine letzte Lage des Elektrodenstapels der Separator angeordnet wird und Elektroden gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol zusammengefasst werden. Erfindungsgemäß werden die Pole des Elektrodenstapels jeweils elektrisch mit einer elektrisch leitfähigen Gehäuseseitenwand verbunden, wobei auf Innenseiten der Gehäuseseitewände jeweils eine Zwischenschicht aufgebracht wird, welche bei einer elektrischen Verbindung der Gehäuseseitenwand mit einem als Anode ausgebildeten Pol aus dem Anodenmaterial und bei einer elektrischen Verbindung der verbleibenden Gehäuseseitenwand mit einem als Kathode ausgebildeten Pol aus dem Kathodenmaterial gebildet wird.
Um besonders dünne Schichten zu erzeugen und somit die Einzelzellen möglichst kleinbauend auszuführen, wird die Zwischenschicht in einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Gehäuseseiten aufgedruckt, aufgewalzt oder elektrochemisch aufgebracht.
Die Erzeugung der elektrisch leitfähigen Verbindung der Pole mit den Gehäuseseitenwänden kann insbesondere in einem Schweißverfahren oder einem Schweiß-Press-Füge-Verfahren erfolgen, 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Einzelzelle,
2 schematisch eine Explosionsdarstellung der Einzelzelle gemäß 1 in einer ersten Ansicht,
3 schematisch eine Explosionsdarstellung der Einzelzelle gemäß 1 in einer zweiten Ansicht,
4 schematisch eine Detaildarstellung eines Bereiches einer Anordnung eines Pols eines Elektrodenstapels an einer Gehäuseseitenwand,
5 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle gemäß 1, und
6 schematisch eine Detaildarstellung eines Bereiches einer Anordnung eines Pols eines Elektrodenstapels zwischen einem Rahmen und einer Gehäuseseitenwand.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine Einzelzelle 1, insbesondere eine Lithium-Ionen-Einzelzelle, dargestellt, deren Zellgehäuse 2 aus zwei Gehäuseseitenwänden 3 und 4 und einem zwischen diesen angeordneten, randseitig umlaufenden sowie elektrisch isolierenden Rahmen 5 gebildet ist.
Zur Herstellung einer nicht näher dargestellten Batterie sind mehrere der Einzelzellen 1 seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet. Zu einer Zellspannungsüberwachung der Einzelzellen 1 und/oder einem Zellspannungsausgleich zwischen diesen weist zumindest die Gehäuseseitenwand 4 eine fahnenartige Verlängerung 4.1 auf, wobei diese nach einem Zusammenfügen der Einzelzellen 1 zu der Batterie zu einer elektrischen Kopplung mit einem nicht näher dargestellten elektronischen Bauelement dient, welches insbesondere Mittel für die Zellspannungsüberwachung, den Zellspannungsausgleich und/oder elektrische Sicherungselemente umfasst.
Die aus den mehreren Einzelzellen 1 gebildete Batterie umfasst zusätzlich vorzugsweise eine Wärmeleitplatte, wobei die Einzelzellen 1 zu einer Ableitung einer während des Betriebes der Batterie, insbesondere während eines Lade- und Entladevorganges dieser, erzeugten Verlustwärme Wärme leitend mit der Wärmeleitplatte verbunden sind.
Da die Wärmeleitplatte vorzugsweise aus einem sehr gut wärmeleitfähigen und deshalb insbesondere aus einem metallischen Material gebildet ist, ist zwischen den Einzelzellen 1 und der Wärmeleitplatte 6 vorzugsweise ein elektrisch isolierendes und wärmeleitfähiges Material, beispielsweise eine Wärmeleitfolie, eingebracht.
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.
Zu einer sicheren Anordnung der Einzelzellen 1 zueinander und an der Wärmeleitplatte sind beispielsweise Spannelemente, insbesondere Spannbänder, vorgesehen, welche den aus den Einzelzellen 1 gebildeten Zellverbund sicher an der Wärmeleitplatte fixieren und einen Entfall eines zusätzlichen Batteriegehäuses ermöglichen.
Um ein Verschiebung der Spannelemente zu vermeiden, weisen die Rahmen 5 der Einzelzellen 1 zu den Spannelementen korrespondierende Materialausnehmungen 5.1 auf. Auch die nicht näher dargestellte Wärmeleitplatte weist vorzugsweise zu den Spannelementen korrespondierende Materialausnehmungen auf.
Weiterhin weisen die Gehäuseseitenwände 3 und 4 gemäß den 2 und 3 auf einer der Wärmeleitplatte zugewandten Seite jeweils ein zumindest abschnittsweise über die Länge der jeweiligen Einzelzelle 1 hinausgehendes Seitenwandelement 3.1 bzw. 4.2 auf, das gegenüber der jeweiligen Gehäuseseitenwand 3, 4 in Richtung zum Zelleninneren abgewinkelt ist. Dadurch ist eine verbesserte Wärmeabgabe an die Wärmeleitplatte erzeugbar.
In dem Zellgehäuse 2, insbesondere in dem Rahmen 5 der Einzelzelle 1, ist gemäß den 2 und 3 ein Elektrodenstapel 6 angeordnet, dessen einzelne Elektroden 6.1, 6.2 unterschiedlicher Polarität, vorzugsweise Elektrodenfolien, durch einen Separator 6.3, insbesondere eine Separatorfolie, isolierend getrennt sind. Dabei sind eine erste Lage und eine letzte Lage des Elektrodenstapels 6 durch den Separator 6.3 gebildet und somit gegenüber den Zellseitenwänden 3, 4 elektrisch isoliert.
Dabei sind die Elektroden 6.1, 6.2 jeweils mit einem elektrochemisch aktiven Anodenmaterial bzw. Kathodenmaterial beschichtet. Da es sich bei der Einzelzelle 1 insbesondere um eine Lithium-Ionen-Einzelzelle handelt, sind mögliche Anodenmaterialien beispielsweise Graphit, nanokristallines, amorphes Silizium oder Lithium-Titanat. Als Kathodenmaterialien sind u. a. Lithium-Cobalt-Oxid, Lithium-Nickel-Oxid oder Lithium-Eisen-Phosphat verwendbar. Die als Anode ausgebildeten Elektroden 6.1 sind vorzugsweise aus Aluminium und die als Kathode ausgebildeten Elektroden 6.2 vorzugsweise aus Kupfer gebildet.
Ein nach außerhalb des Elektrodenstapels 6 geführter Randbereich der jeweiligen Elektrode 6.1, 6.2 bzw. Elektrodenfolie bildet jeweils eine Stromableiterfahne 6.4, 6.5, wobei Stromableiterfahnen 6.4, 6.5 einer Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol P1 bzw. P2 verbunden sind. Der Bereich der Stromableiterfahnen 6.4, 6.5 ist dabei nicht mit Anodenmaterial bzw. Kathodenmaterial beschichtet.
Der Rahmen 5 weist zwei voneinander beabstandete Materialrücknahmen 5.2 auf, die dabei so ausgebildet sind, dass die aus den Stromableiterfahnen 6.4, 6.5 gebildeten Pole P1, P2 in den Materialrücknahmen 5.2 anordbar sind.
Diese Pole P1 und P2 des Elektrodenstapels 6 sind jeweils elektrisch mit einer Gehäuseseitenwand 3 bzw. 4 verbunden. Die Gehäuseseitenwände 3, 4 sind dabei elektrisch leitfähig und aus einem Metall gebildet.
Um eine elektrische Kapazität der Einzelzelle 1 zu erhöhen, ist auf die Innenseiten der Gehäuseseitenwände 3 und 4 jeweils eine Zwischenschicht 7 bzw. 8 aufgebracht, welche bei einer elektrischen Verbindung der Gehäuseseitenwand 3 mit dem als Anode ausgebildeten Pol P2 aus dem Anodenmaterial und bei einer elektrischen Verbindung der verbleibenden Gehäuseseitenwand 4 mit dem als Kathode ausgebildeten Pol P1 aus dem Kathodenmaterial gebildet ist. Somit wird ein zusätzliches elektrisches Element gebildet und die elektrische Kapazität der Einzelzelle 1 erhöht.
Diese Zwischenschichten 7 und 8 werden vorzugsweise aufgewalzt oder elektrochemisch auf die Gehäuseseitenwände 3 und 4 aufgebracht. Besonders geeignet ist auch ein Aufbringen mittels eines Druckverfahrens mit einer optionalen anschließenden Trocknung in einem Ofen.
Die Gehäuseseitenwände 3 und 4 werden zur Bildung des Zellgehäuses 2 stoff-, form- und/oder kraftschlüssig an dem Rahmen 5 befestigt. Aus dieser Befestigung resultiert neben der hohen Stabilität eine dichte Ausführung des Zellgehäuses 2, so dass keine Fremdstoffe in dieses eindringen können. Weiterhin ist sichergestellt, dass ein nach der Befestigung der Gehäuseseitenwände 3, 4 an dem Rahmen 5 eingefülltes Elektrolyt nicht austreten kann und ein Umfeld der aus den Einzelzellen 1 gebildeten, nicht näher dargestellten Batterie schädigt. Zur Einfüllung des Elektrolyts weist der Rahmen 5 vorzugsweise eine nicht näher dargestellte Einfüllöffnung auf, welche nach dem Einfüllen des Elektrolyts verschließbar ist.
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 3, 4 und dem Rahmen 5 zu erreichen.
Bei den Verbindungselementen handelt es sich insbesondere um Nieten, den Rahmen 5 zumindest randseitig umgreifende fahnenartige Verlängerungen der Gehäuseseitenwände 3, 4 und/oder an dem Rahmen 5 angeformte Halteelemente. Zur Erzeugung einer form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung weisen die Gehäuseseitenwände 3, 4 und/oder der Rahmen 5 vorzugsweise nicht näher dargestellte, zu den jeweiligen Verbindungselementen korrespondierende Formen oder Aussparungen auf.
Aus der stoff-, form- und/oder kraftschlüssigen Befestigung der Gehäuseseitenwände 3, 4 an dem Rahmen 5 resultiert neben der hohen Stabilität eine dichte Ausführung des Zellengehäuses, so dass keine Fremdstoffe in dieses eindringen können. Weiterhin ist sichergestellt, dass ein nach der Befestigung der Gehäuseseitenwände 3, 4 an dem Rahmen 5 eingefülltes Elektrolyt nicht austreten kann und ein Umfeld der aus den Einzelzellen 1 gebildeten, nicht näher dargestellten Batterie schädigt. Zur Einfüllung des Elektrolyts weist der Rahmen 5 vorzugsweise eine nicht näher dargestellte Einfüllöffnung auf, welche nach dem Einfüllen verschließbar ist.
Durch die Befestigung der Gehäuseseitenwände 3, 4 an dem Rahmen 5 sind die Pole P1 und P2 des Elektrodenstapels 6 vorzugsweise mit den Gehäuseseitenwänden 3, 4 verpresst, und somit ist eine elektrische Verbindung zwischen den Polen P1 und P2 und den zughörigen Gehäuseseitenwänden 3, 4 ausgebildet.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Pole P1 und P2 mit den Gehäuseseitenwänden 3, 4 zu verschweißen, wobei während des Schweißens eine oder mehrere Schweißnähte und/oder Schweißpunkte erzeugt werden. In bevorzugter Weise werden bei dem Schweißen die Gehäuseseitenwände 3, 4 sowie weiter in der Tiefe die die Pole P1, P2 bildenden Stromableiterfahnen 6.4, 6.5 des Elektrodenstapels 6 partiell aufgeschmolzen, so dass mit einer Schweißnaht und/oder einem Schweißpunkt alle die Pole P1, P2 bildenden Stromableiterfahnen 6.4, 6.5 sowie die entsprechende elektrisch leitende Gehäuseseitenwand 3 oder 4 insbesondere in einem Schritt miteinander verschweißt werden.
Gemäß einer nicht näher dargestellten Weiterführung der Erfindung werden die Stromableiterfahnen 6.4, 6.5 in einem gesonderten Verfahren vor der Erzeugung der elektrische leitfähigen Verbindung mit den Gehäuseseitenwänden 3, 4 zu den Polen P1, P2 verpresst und/oder verschweißt.
4 zeigt eine Detaildarstellung eines Bereiches einer Anordnung des als Kathode ausgebildeten Pols P1 des Elektrodenstapels 6 an der Gehäuseseitenwand 4 mit der aufgebrachten Zwischenschicht 8, welche aus dem Kathodenmaterial gebildet ist.
5 zeigt eine Schnittdarstellung der geschlossenen Einzelzelle 1 gemäß 1. Der Elektrodenstapel 6 ist in dem Rahmen 6 zwischen den Gehäuseseitenwänden 3 und 4 angeordnet und mit diesen elektrisch verbunden. Weiterhin sind die aus den Stromableiterfahnen 6.4, 6.5 gebildeten Pole P1 und P2 in den Materialrücknahmen 5.2 angeordnet. Dabei ist die lichte Höhe der Materialrücknahmen 5.2 ist derart ausgebildet, dass sie der entsprechenden Erstreckung der unbeeinflusst übereinander gestapelten Stromableiterfahnen 6.4, 6.5 entspricht oder geringer als diese ist. Die Tiefe der Materialrücknahmen 5.2 entspricht der entsprechenden Erstreckung der Stromableiterfahnen 6.4, 6.5 oder ist größer ausgebildet als diese.
6 zeigt eine Vergrößerung eines Randbereichs des in dem Rahmen 5 angeordneten Elektrodenstapels 6 mit den zwei an dem Rahmen 5 angeordneten Gehäuseseitenwände 3 und 4. Dabei ist die Gehäuseseitenwand 4, welche mit dem als Kathode ausgebildeten Pol P1 elektrisch verbunden ist, aus Kupfer gebildet und mit der aus Kathodenmaterial gebildeten Zwischenschicht 8 beschichtet. Die Gehäuseseitenwand 3, welche mit dem als Anode ausgebildeten Pol P2 elektrisch verbunden ist, ist aus Aluminium gebildet und mit der aus Anodenmaterial gebildeten Zwischenschicht 7 beschichtet.

1: Einzelzelle
2: Zellgehäuse
3: Zellseitenwand
3.1: Seitenwandelement
4: Zellseitenwand
4.1: Fahnenartige Verlängerung
4.2: Seitenwandelement
5: Rahmen
5.1: Materialausnehmung
5.2: Materialrücknahme
6: Elektrodenstapel
6.1: Elektrode
6.2: Elektrode
6.3: Separator
6.4: Stromableiterfahne
6.5: Stromableiterfahne
7: Zwischenschicht
8: Zwischenschicht
P1: Pol
P2: Pol

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2158398 A1 [0003]
- EP 1424744 A1 [0004]
- WO 2005/119813 A2 [0005]

Claims

Einzelzelle (1) für eine Batterie, wobei die Einzelzelle (1) aus einem Elektrodenstapel (6) gebildet ist, dessen einzelne Elektroden (6.1, 6.2) unterschiedlicher Polarität, vorzugsweise mit einem Anodenmaterial oder einem Kathodenmaterial beschichtete Elektrodenfolien, durch einen Separator (6.3), vorzugsweise eine Separatorfolie, voneinander isolierend getrennt sind, wobei eine erste Lage und eine letzte Lage des Elektrodenstapels (6) durch den Separator (6.3) gebildet ist und Elektroden (6.1, 6.2) gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol (P1, P2) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole (P1, P2) des Elektrodenstapels (6) jeweils elektrisch mit einer elektrisch leitfähigen Gehäuseseitenwand (3, 4) verbunden sind, wobei auf Innenseiten der Gehäuseseitenwände (3, 4) jeweils eine Zwischenschicht (7, 8) aufgebracht ist, welche bei einer elektrischen Verbindung der Gehäuseseitenwand (3) mit einem als Anode ausgebildeten Pol (P2) aus dem Anodenmaterial und bei einer elektrischen Verbindung der verbleibenden Gehäuseseitenwand (4) mit einem als Kathode ausgebildeten Pol (P1) aus dem Kathodenmaterial gebildet ist.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden (6.1), deren Pol (P2) die Anode des Elektrodenstapels (6) bilden, aus Aluminium und Elektroden (6.2), deren Pol (P1) die Kathode des Elektrodenstapels (6) bildet, aus Kupfer gebildet sind.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Anode des Elektrodenstapels (6) elektrisch verbundene Gehäuseseitenwand (3) aus Kupfer mit einer aufgebrachten Zwischenschicht (7) aus Anodenmaterial gebildet ist.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Kathode des Elektrodenstapels (6) elektrisch verbundene Gehäuseseitenwand (4) aus Aluminium mit einer aufgebrachten Zwischenschicht (8) aus Kathodenmaterial gebildet ist.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein nach außerhalb des Elektrodenstapels (6) geführter Randbereich der jeweiligen Elektrodenfolie (6.1, 6.2) eine Stromableiterfahne (6.4, 6.5) bildet, wobei die Stromableiterfahnen (6.4, 6.5) einer Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol (P1, P2) verbunden sind.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellgehäuse (2) zwei Gehäuseseitenwände (3, 4) umfasst, zwischen welchen ein randseitig umlaufender sowie elektrisch isolierender Rahmen (5) angeordnet ist.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (5) zwei elektrisch voneinander isolierte und voneinander beabstandete Materialrücknahmen (5.2) aufweist, in welchen jeweils die zu einem Pol (P1, P2) des Elektrodenstapels (6) zusammengefassten Stromableiterfahnen (6.4, 6.5) angeordnet sind.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole (P1, P2) des Elektrodenstapels (6) mit den Gehäuseseitenwänden (3, 4) verpresst und/oder verschweißt sind.
Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle (1) für eine Batterie, wobei die Einzelzelle (1) aus einem Elektrodenstapel (6) gebildet wird, dessen einzelne Elektroden (6.1, 6.2) unterschiedlicher Polarität, vorzugsweise mit einem Anodenmaterial oder einem Kathodenmaterial beschichtete Elektrodenfolien, durch einen Separator (6.3), vorzugsweise eine Separatorfolie, voneinander isolierend getrennt werden, wobei als eine erste Lage und eine letzte Lage des Elektrodenstapels (6) der Separator (6.3) angeordnet wird und Elektroden (6.1, 6.2) gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol (P1, P2) zusammengefasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole (P1, P2) des Elektrodenstapels (6) jeweils elektrisch mit einer elektrisch leitfähigen Gehäuseseitenwand (3, 4) verbunden werden, wobei auf Innenseiten der Gehäuseseitewände (3, 4) jeweils eine Zwischenschicht (7, 8) aufgebracht wird, welche bei einer elektrischen Verbindung der Gehäuseseitenwand (3) mit einem als Anode ausgebildeten Pol (P2) aus dem Anodenmaterial und bei einer elektrischen Verbindung der verbleibenden Gehäuseseitenwand (4) mit einem als Kathode ausgebildeten Pol (P1) aus dem Kathodenmaterial gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (7, 8) auf die Gehäuseseitenwände (3, 4) aufgedruckt, aufgewalzt oder elektrochemisch aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Verbindung der Gehäuseseitenwände (3, 4) und der Pole (P1, P2) in einem Schweißverfahren oder in einem kombinierten Schweiß-Press-Fügeverfahren erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellgehäuse (2) aus zwei elektrisch leitenden Gehäuseseitenwänden (3, 4) gebildet wird, wobei zwischen den Gehäuseseitenwänden (3, 4) ein randseitig umlaufender sowie elektrisch isolierender Rahmen (5) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseseitenwände (3, 4) form-, stoff- und/oder kraftschlüssig an dem Rahmen (5) befestigt sind.
Verwendung einer Einzelzelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer Batterie, wobei mehrere Einzelzellen (1) elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind.
Verwendung einer Einzelzelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer Batterie für ein Fahrzeug, wobei mehrere Einzelzellen (1) elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind, wobei das Fahrzeug insbesondere ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug ist.