DE102009033932A1

DE102009033932A1 - Galvanische Zelle

Info

Publication number: DE102009033932A1
Application number: DE102009033932A
Authority: DE
Inventors: Claus-Rupert Dr. Hohenthanner; Claudia Dr. Brasse; Torsten Schmidt; Heike Schöne
Original assignee: Li Tec Battery GmbH
Current assignee: Li Tec Battery GmbH
Priority date: 2009-07-20
Filing date: 2009-07-20
Publication date: 2011-01-27
Also published as: JP2012533858A; EP2457273A1; WO2011009595A1; BR112012001230A2; CN102549799A; US20120189909A1; KR20120083286A

Abstract

Aus dem Gehäuse einer galvanischen Zelle (301, 401) ragen an einigen Stellen elektrische Ableiter (302, 303, 402, 403) entgegen gesetzter elektrischer Polarität zur Ableitung der in der galvanischen Zelle gespeicherten Energie heraus. An anderen Stellen weist das Gehäuse eine Formgestaltung (304, 305, 306, 307) auf, die eine raumsparende Befestigung der Speicherzelle oder eine raumsparende Anordnung von Befestigungselementen (408, 409, 410, 411) zur Befestigung der Speicherzelle innerhalb einer Installation unterstützt.

Description

Die Erfindung betrifft eine galvanische Zelle. Solche galvanischen Zellen werden für unterschiedliche Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Technik benötigt und verwendet. Bei den meisten Anwendungen galvanischer Zellen geht es neben anderen Zielsetzungen auch darum, die raumbezogene Energiedichte, also die gespeicherte Energie bezogen auf das Volumen der galvanischen Zelle zu maximieren. Solchen Zellen eignen sich zum Aufbau von Batterien aus einer Mehrzahl solcher Zellen, weshalb solche Zellen gelegentlich auch als Batteriezellen bezeichnet werden.
Bekannt sind flach und rechteckig gebaute galvanische Zellen deren elektrochemisch wirksamer Inhalt von einer folienartigen Verpackung umgeben ist, durch die elektrische Anschlüsse in Blechform (”Ableiter”) geführt sind. Derart aufgebaute Batteriezellen werden häufig Pouch-Zellen bzw. Coffeebag-Zellen genannt. Die elektrische Spannung wird häufig durch form-, kraft- oder stoffschlüssig an die Ableiterbleche angebundene Kontaktelemente abgegriffen. Diese können ein- oder beidseitig an die Ableiter anschließen. Die Kontaktelemente sind bei Einzelzellen direkt oder indirekt mit den elektrischen Stromverbrauchern bzw. Stromquellen verbunden bzw. dienen bei Batterien oder Zellblöcken der elektrischen Reihen- oder Parallelschaltung der Zellen.
Einige bekannte Lösungen zur Befestigung der Zellen in einer Haltekonstruktion greifen nur an den Ableitern an. Andere umgeben den Zellenrand teilweise oder vollständig. Die erste Möglichkeit ist bei einigen Anwendungen mit dem Nachteil verbunden, dass ein zusätzlicher Bauraumbedarf durch teilweises bzw. vollständiges Überragen der Zelle durch Halteelemente in radialer Richtung entsteht. Die zweite Möglichkeit ist bei einigen Anwendungen mit dem Nachteil verbunden, dass die gesamte Konstruktion eine geringere Belastungsfähigkeit aufweist. Außerdem kann die Gefahr von Undichtigkeiten der Zelle durch Zug-/Schubspannung auf eine Ableiterdurchführung erhöht sein.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Beitrag zur Maximierung der raumbezogenen Energieeffizienz von Installationen solcher galvanischen Zellen zu leisten. Diese Aufgabe wird durch eine galvanische Zelle nach Anspruch 1 gelöst.
Bei dieser erfindungsgemäßen galvanischen Zelle mit einem Gehäuse und mindestens zwei elektrischen Ableitern entgegen gesetzter elektrischer Polarität zur Ableitung der in der galvanischen Zelle gespeicherten Energie, die an einigen ersten Stellen aus dem Gehäuse herausragen ist es vorgesehen, dass an einer anderen zweiten Stelle oder an anderen zweiten Stellen, an denen keine Ableiter aus dem Gehäuse der galvanischen Zelle herausragen, das Gehäuse eine Formgestaltung mit besonderen Formgestaltungselementen aufweist, die eine raumsparende Befestigung der Speicherzelle oder eine raumsparende Anordnung von Befestigungselementen zur Befestigung der Speicherzelle innerhalb einer Installation mit Hilfe dieser besonderen Formgestaltungselemente unterstützt.
Unter einer galvanischen Zelle im Sinne der vorliegenden Erfindung sind dabei elektrische Zellen aller Art zu verstehen, insbesondere auch elektrochemische Zellen, und bei letzteren insbesondere Primär- oder Sekundärzellen. Aus dem Gehäuse solcher galvanischer Zellen werden mindestens zwei Kontaktelemente oder Elektroden, die vom Fachmann gewöhnlich auch als Ableiter oder Ableiterbleche bezeichnet werden, nach außen geführt, die zur Ableitung der in der galvanischen Zelle gespeicherten Energie dienen. Diese Ableiter ragen häufig nur an einigen Stellen aus dem Gehäuse heraus. Die Erfindung sieht nun vor, das Gehäuse einer erfindungsgemäßen Zelle so zu gestalten, dass die nicht zur Herausführung der Ableiter benötigten oder verwendeten Stellen des Gehäuses eine raumsparende Anordnung von Befestigungselementen zur Befestigung der Speicherzelle innerhalb einer Installation unterstützen.
Dabei kann es sich um eine oder mehrere Stellen am Rand des Gehäuses handeln, die so ausgewählt sind, dass sie eine raumsparende Anordnung eines Befestigungselements oder mehrerer Befestigungselemente unterstützen.
In vielen Fällen sind diese Gehäuse im Wesentlichen flach und rechteckig geformt. Der elektrisch oder elektrochemisch wirksame Inhalt solcher Zellen ist häufig von einer folienartigen Verpackung umgeben. Diese Verpackung ist, unabhängig von der Gehäuseform, ein Bestandteil des Gehäuses der Zelle im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Unter einer raumsparenden Anordnung soll in diesem Zusammenhang jede Anordnung verstanden werden, die dazu beiträgt, dass der Energieinhalt bezogen auf das zu seiner Speicherung in der Installation effektiv benötigte Volumen maximiert wird. Das effektiv benötigte Volumen ist dabei das der jeweiligen Zelle zuzurechnende Teilvolumen der Installation, das nicht mehr anderweitig genutzt werden kann. Es umfasst das Volumen der galvanischen Zelle und die Summe der Volumina aller „Toträume” dieser galvanischen Zelle. Das effektiv benötigte Volumen hängt daher nicht nur vom Volumen der galvanischen Zelle selbst ab, sondern auch von der Einbautechnik und der Art und Anordnung der zum Einbau verwendeten Befestigungsmittel.
Unter einem Befestigungselement soll im Zusammenhang mit der Erfindung jede Einrichtung verstanden werden, die zur Befestigung der Zelle in der Installation, das heißt zur gegebenenfalls auch nur teilweisen Beschränkung ihrer Bewegungsfreiheit, geeignet ist.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung soll unter einer Formgestaltung, die eine raumsparende Befestigung der Speicherzelle oder eine raumsparende Anordnung von Befestigungselementen zur Befestigung der Speicherzelle innerhalb einer Installation unterstützt, jede Formgestaltung des Gehäuses einschließlich seiner ggf. vorhandenen Verpackung verstanden werden, die dazu beiträgt, dass der Energieinhalt bezogen auf das zu seiner Speicherung in der Installation effektiv benötigte Volumen maximiert wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bilden den Gegenstand von Unteransprüchen. Im Folgenden wir die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und mit Hilfe von Figuren näher beschrieben.
Dabei zeigt
1 eine typische galvanische Zelle am Beispiel einer flachen, rechteckigen „Pouch-Zelle”;
2 eine Pouch-Zelle wie in 1 mit hervorgehoben dargestellten Gehäusestellen, die nicht für die Herausführung von Ableiterblechen genutzt werden, aber zur Befestigung der Zelle dienen können;
3 eine galvanische Zelle mit Ausnehmungen im Gehäuse gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine galvanische Zelle mit Ausnehmungen im Gehäuse und mit durch diese Ausnehmungen hindurch geführten Befestigungselementen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine Draufsicht der in 4 gezeigten Anordnung.
6 eine Pouch-Zelle mit Verprägungen in der Verpackung, mit denen sich die Zelle in den Halteelementen verklammert, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 eine Speicherzelle mit Ableitern, die zur selben Gehäuseseite herausgeführt werden und mit Ausnehmungen an anderen Stellen des Gehäuses gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 1 dargestellt, haben galvanische Zellen häufig eine flache, im Wesentlichen rechteckige Form. Diese Form erleichtert den Zusammenbau einer Mehrzahl solcher galvanischen Zellen zu Batterien, in denen solche galvanischen Zellen elektrisch in Reihe oder parallel zusammengeschaltet sind. Die Erfindung wird zwar am Beispiel solcher „Pouch-Zellen” beschrieben, ist jedoch nicht auf solche Zellen beschränkt.
Typisch für solche Zellen 101 ist, dass der elektrisch oder elektrochemisch wirksame Teil dieser Zellen von einer folienartigen Verpackung umgeben ist, die am Rand der Zelle 104, 105, 106, 107 verschweißt, verklebt oder auf andere Weise zusammengefügt ist, und zwischen deren Schichten die Ableiterbleche 102, 103 nach außen geführt werden, um elektrisch mit Anschlüssen einer Installation kontaktiert werden zu können. Die folienartige Verpackung vergrößert dabei das kleinste einhüllende Reckeck, in dem das Galvanische Zelle untergebracht werden könnte. Damit vergrößert sich auch das beim Einbau der galvanischen Zelle in eine Installation benötigte und anderweitig nicht mehr verwertbare Volumen.
Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass die hiermit teilweise unvermeidbar einhergehenden Verluste an Energieeffizienz der Installation reduziert werden können, wenn man diese Volumenanteile doch noch nutzbar machen kann. Ein Blick auf 2 zeigt, dass das Gehäuse der in 1 beispielhaft gezeigten Speicherzelle Stellen 204, 205, 206, 207 (der Fachmann nennt sie auch „Toträume”) aufweist, die ungenutzt bleiben, wenn man sie nicht zur Befestigung der Zelle nutzt. Diese Erkenntnis macht sich die vorliegende Erfindung zunutze.
Diese Toträume liegen an anderen Stellen als die Ableiter 202, 203 der Zelle 201. Häufig aber nicht zwangläufig liegen sie an den Ecken des Gehäuses der galvanischen Zelle. Mit Blick auf 3 sieht man nun an einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie die Erfindung sich diese Toträume zunutze macht. Bei dieser Ausführungsform sind an den Ecken der Verpackung der galvanischen Zelle Ausnehmungen, beispielsweise Bohrungen 304, 305, 306, 307 vorgesehen, durch die Befestigungselemente 408, 409, 410, 411, 512, 513, 514, 515 zur Befestigung der Speicherzelle in einer Installation hindurchgeführt werden können, wie dies in den 4 und 5 gezeigt wird.
Vorteilhaft und deshalb bevorzugt ist auch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der auf einer Seite mindestens eines Ableiters mindestens ein Kontaktelement und auf der anderen Seite mindestens ein Isolations- oder Halteelement (das u. a. die Ableiter gegen das Kontaktelement pressen kann) angeordnet ist.
Allgemeiner ausgedrückt schlägt die vorliegende Erfindung vor, die Toträume, die dadurch entstehen, dass die Ableiter nicht die gesamte Lange einer Seitenkante der rechteckigen Zelle benötigen (siehe 2), für die bauraumneutrale Anordnung von Befestigungselementen zu verwenden. Die Zelle (bzw. die Verpackung) wird hierzu in diesen Bereichen beispielsweise mit Ausnehmungen, also mit Bohrungen etc., mit Aussparungen, also beispielsweise mit ausgeklinkten bzw. gefalteten Ecken, gezielten Umformungen, also beispielsweise mit Prägungen etc. oder mit aufgesetzten Teilen, also beispielsweise mit aufgeklebten Noppen etc., versehen, in welche die entsprechend ausgeformten Halteelemente eingreifen können.
Ein Ausführungsbeispiel mit derartigen Verprägungen in der Verpackung der Zelle zeigt 6. Die Ecken 204, 205, 206, 207 der Verpackung der Speicherzelle (siehe 2) weisen hier noppenförmige Strukturen 621, 622, 623, 624auf, die beispielsweise durch eine entsprechende Prägung der Folie oder durch Aufkleben angebracht werden können. In diese beispielsweise noppenartigen Strukturen können nun entsprechend geformte Befestigungselemente 631, 632, 633, 634, 641, 642, 643 eingreifen.
Die Ableiterbleche einer galvanischen Zelle (auch Speicherzelle genannt) müssen keineswegs immer auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses angebracht sein. Wie 7 zeigt, lässt sich durch eine einseitige Anordnung der Ableiterbleche in einigen Fällen besonders viel Bauraum sparen, weil die Gehäusekante an der gegenüberliegenden Seite, also in dem dargestellten Fall die Breite des Folienstreifens auf der den Ableiterblechen gegenüberliegenden Seite, besonders schmal ausfallen kann. In solchen Fällen ist es häufig besonders vorteilhaft, die erfindungsgemäß vorgesehenen Formgestaltungselemente des Gehäuses, also beispielsweise die Ausnehmungen, Aussparungen oder aufgesetzten Strukturen, wie in 7 gezeigt, auf der Seite anzubringen, auf der auch die Ableiterbleche angeordnet sind.

Claims

Galvanische Zelle (101, 201, 301, 401, 501, 601, 701) mit einem Gehäuse und mindestens zwei elektrischen Ableitern (102, 103, 201, 203, 302, 303, 402, 403, 502, 503, 602, 603, 702, 703) entgegen gesetzter elektrischer Polarität zur Ableitung der in der galvanischen Zelle gespeicherten Energie, die an einigen ersten Steilen aus dem Gehäuse herausragen dadurch gekennzeichnet, dass an einer anderen zweiten Stelle oder an anderen zweiten Stellen, an denen keine Ableiter aus dem Gehäuse der galvanischen Zelle herausragen, das Gehäuse eine Formgestaltung (304, 305, 306, 307, 621, 622, 623, 624) mit Formgestaltungselementen aufweist, die eine raumsparende Befestigung der Speicherzelle oder eine raumsparende Anordnung von Befestigungselementen (408, 409, 410, 411, 631, 632, 633, 634, 641, 642, 643) zur Befestigung der Speicherzelle innerhalb einer Installation mit Hilfe dieser Formgestaltungselemente unterstützt.
Galvanische Zelle nach Anspruch 1, deren Gehäuse an mindestens einer zweiten Stelle mit mindestens einer Ausnehmung (304, 305, 306, 307, 704, 705) versehen ist, durch den Befestigungselemente (408, 409, 410, 411, 512, 513, 514, 515) geführt werden können.
Galvanische Zelle nach Anspruch 1, deren Gehäuse an mindestens einer zweiten Stelle mit mindestens einem Formelement (621, 622, 623, 624) ausgestattet ist, in welches entsprechend ausgeformte Befestigungselemente (631, 632, 633, 634, 641, 642, 643) eingreifen können.
Galvanische Zelle nach Anspruch 1, deren Gehäuse an mindestens einer zweiten Stelle mit mindestens einer Aussparung versehen ist, die eine raumsparende Befestigung der Speicherzelle oder eine raumsparende Anordnung von Befestigungselementen zur Befestigung der Speicherzelle innerhalb einer Installation unterstützt.
Galvanische Zelle nach Anspruch 1, deren Gehäuse an mindestens einer zweiten Stelle mindestens eine Umformung aufweist, die eine raumsparende Befestigung der Speicherzelle oder eine raumsparende Anordnung von Befestigungselementen zur Befestigung der Speicherzelle innerhalb einer Installation unterstützt.