DE102009035490A1 - Electrode arrangement for a single battery cell - Google Patents

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Jens Dr.-Ing. Meintschel
Rainer Dr. Kaufmann
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Arnold Dr.-Ing. Lamm
Andreas Dr. Gutsch
Claudia Dr.Rer.Nat. Brasse
Claus-Rupert Dr.-Ing. Hohenthanner
Jörg Dipl.-Chem. Dr. Kaiser
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung (1) für eine Batterieeinzelzelle (5) in Lithium-Ionen-Technologie. Die Elektrodenanordnung (1) besteht aus abwechselnd gestapelten Anodenfolien (2) und Kathodenfolien (3). Diese sind jeweils durch einen Separator (4) elektrisch gegeneinander isoliert. Erfindungsgemäß ist dieser Separator (4) zumindest teilweise aus einem anorganischen Material ausgebildet. Die Erfindung umfasst ferner eine Batterieeinzelzelle (5) mit einer derartigen Elektrodenanordnung (1) sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Batterieeinzelzelle (5).The invention relates to an electrode arrangement (1) for a single battery cell (5) using lithium-ion technology. The electrode arrangement (1) consists of alternately stacked anode foils (2) and cathode foils (3). These are each electrically isolated from one another by a separator (4). According to the invention, this separator (4) is at least partially made of an inorganic material. The invention further comprises a single battery cell (5) with such an electrode arrangement (1) and a method for producing such a single battery cell (5).

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für eine Batterieeinzelzelle in Lithium-Ionen-Technologie, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung eine Batterieeinzelzelle mit einer derartigen Elektrodenanordnung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Batterieeinzelzelle. Zuletzt betrifft die Erfindung außerdem die Verwendung einer solchen Batterieeinzelzelle oder einer nach dem Verfahren erhaltenen Batterieeinzelzelle.The The invention relates to an electrode arrangement for a single battery cell in lithium-ion technology, according to the preamble of claim 1 further defined type. Furthermore, the invention relates a single battery cell with such an electrode assembly. Moreover, the invention relates to a method for manufacturing such a single battery cell. Finally, the invention relates also the use of such a single battery cell or a single battery cell obtained by the method.

Batterien in Lithium-Ionen-Technologie sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Diese Batterien weisen eine sehr hohe Leistungsdichte auf. Daher sind sie prädestiniert für Anwendungen, welche bei vergleichsweise geringem Bauraum und geringem tolerierbarem Gewicht der Batterie eine möglichst hohe Menge an elektrischer Leistung speichern sollen. Bevorzugte Anwendungen sind daher elektrische oder teilelektrische (hybridisierte) Antriebsstränge in Transportmitteln aller Art, insbesondere in Kraftfahrzeugen.batteries in lithium-ion technology are from the general state of Technique known. These batteries have a very high power density on. Therefore, they are predestined for applications, which with comparatively small space and low tolerable Weight of the battery the highest possible amount of electrical To save power. Preferred applications are therefore electrical or partially electric (hybridized) drive trains in Means of transport of all kinds, especially in motor vehicles.

Für derartige Batterien sind dabei im Wesentlichen zwei verschiedene Bautypen bekannt. Beide bestehen jeweils aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen. Einer der gebräuchlichen Bautypen weist die Batterieeinzelzellen als runde Batterieeinzelzellen auf, welche in einem becherförmigen Gehäuse angeordnet sind und üblicherweise im Deckelbereich des Gehäuses über die entsprechenden Anschlüsse verfügen. Beispielhaft soll bezüglich einer Batterie, welche aus derartigen Batterieeinzelzellen aufgebaut ist, auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2008 010 837.5 verwiesen werden. Die Anmeldung beschreibt eine derartige Batterie und beschäftigt sich insbesondere mit der Kühlung derselben. Da in Lithium-Ionen-Batterien große Mengen an Abwärme auftreten, spielt die Kühlung einer solchen Batterie im Allgemeinen eine nicht unerhebliche Rolle.For such batteries are essentially two different types known. Both consist of a large number of individual battery cells. One of the common types of construction has the battery individual cells as round battery individual cells, which are arranged in a cup-shaped housing and usually have in the lid region of the housing via the corresponding connections. By way of example, with respect to a battery which is composed of such individual battery cells, the non-prepublished German application with the file number DE 10 2008 010 837.5 to get expelled. The application describes such a battery and is particularly concerned with the cooling of the same. Since large amounts of waste heat occur in lithium-ion batteries, the cooling of such a battery generally plays a not insignificant role.

In einer alternativen Bauform sind die Batterieeinzelzellen prismatisch ausgebildet und können zur Batterie aufgestapelt werden. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform dieser Bauart sieht sogenannte bipolare Rahmenflachzellen vor, welche so konstruiert sind, dass auf der einen Seite eines elektrisch isolierenden Rahmens ein erstes Hüllblech liegt, welches mit dem ersten Pol der Batterie verbunden ist, und dass auf der anderen Seite des elektrisch isolierenden Rahmens ein weiteres Hüllblech liegt, welches mit dem anderen Pol der Batterie verbunden ist. Die Batterieeinzelzellen werden aufeinander gestapelt und typischerweise miteinander verspannt, sodass auf der einen Seite des Stapels der Batterieeinzelzellen der eine Batteriepol zu liegen kommt, während auf der anderen Seite des Stapels der Batterieeinzelzellen der andere Batteriepol liegt. Derartige Batterieeinzelzellen werden beispielsweise in der älteren deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2007 063 181.4 beschrieben. Die Batterieeinzelzellen weisen zwei metallische Hüllbleche auf, welche durch den elektrisch isolierenden Rahmen voneinander getrennt sind. Neben der Funktion der Hüllbleche als Pole der Batterieeinzelzelle werden die Hüllbleche auch als Wärmeleitbleche verwendet, welche in der Batterie entstehende Abwärme nach außerhalb der Batterieeinzelzelle leiten. Dort stehen die metallischen Hüllbleche mit einer Kühleinrichtung in Verbindung, beispielsweise einer auf zumindest einer Seite der Batterie bzw. des Stapels von Batterieeinzelzellen angeordneten Kühlplatte. Diese Kühleinrichtung wird typischerweise von einer Kühlflüssigkeit oder dem Klimakühlmittel einer Klimaanlage aktiv gekühlt.In an alternative design, the battery cells are prismatic and can be stacked to the battery. A particularly preferred embodiment of this type provides so-called bipolar Rahmenflachzellen, which are constructed so that on one side of an electrically insulating frame, a first cladding sheet, which is connected to the first pole of the battery, and that on the other side of the electrically insulating Frame another cover plate is connected, which is connected to the other pole of the battery. The battery cells are stacked and typically clamped together so that on one side of the stack of battery cells one battery pole comes to rest, while on the other side of the stack of battery cells the other battery is located. Such battery individual cells, for example, in the earlier German application with the file number DE 10 2007 063 181.4 described. The battery individual cells have two metallic cover plates, which are separated from one another by the electrically insulating frame. In addition to the function of the cladding as a pole of the single battery cell, the cladding sheets are also used as Wärmeleitbleche, which conduct waste heat arising in the battery to the outside of the battery single cell. There, the metallic cladding sheets are connected to a cooling device, for example a cooling plate arranged on at least one side of the battery or of the stack of individual battery cells. This cooling device is typically actively cooled by a cooling fluid or the air conditioning coolant of an air conditioning system.

Im Inneren der Batterieeinzelzelle, also zwischen den Hüllblechen und umgeben von dem elektrisch isolierenden Rahmen bei der prismatischen Zelle, in der oben dargelegten Bauform, oder im Inneren des becherförmigen Gehäuses bei der Rundzelle, sind die elektrochemisch wirksamen Materialien angeordnet. Diese bestehen aus einer Elektrodenanordnung. Die Elektrodenanordnung weist dabei Anoden- und Kathodenfolien auf, welche mit dazwischen angeordneten elektrisch isolierenden aber aufgrund ihrer Porosität für Ionen durchlässige Separatoren voneinander getrennt abwechselnd übereinander gestapelt sind. Bei Lithium-Ionen-Batterien bestehen die Anoden- bzw. Kathodenfolien typischerweise aus Kupfer- bzw. Aluminiumfolien, oder aus Folien von geeigneten Legierungen dieser Metalle. Die metallischen Folien des einen Pols stehen typischerweise an einer Seite über die Separatoren hinaus, während die metallischen Folien des anderen Pols dies an einer anderen Seite tun. Die so gestapelten Folien der Elektrodenanordnung können dann als Folienstapel in einer prismatischen Zelle oder als Folienwickel, üblicherweise um einen Kern aufgewickelt in einer becherförmigen bzw. runden Batterieeinzelzelle eingesetzt werden. Unabhängig von der Bauform der Batterieeinzelzelle kommt dann zu der Elektrodenanordnung in dem Gehäuse noch ein Elektrolyt, um den chemisch aktive Bereich der Batterieeinzelzelle fertig zu stellen und zu aktivieren.in the Inside the battery single cell, so between the Hüllblechen and surrounded by the electrically insulating frame in the prismatic cell, in the design set out above, or inside the cup-shaped Housing in the round cell, are the electrochemically effective Materials arranged. These consist of an electrode arrangement. The electrode assembly has anode and cathode foils, which with interposed electrically insulating but permeable to ions due to their porosity Separators separated from each other alternately one above the other are stacked. For lithium-ion batteries, the anode or cathode foils typically made of copper or aluminum foils, or from films of suitable alloys of these metals. The metallic one Slides of one pole typically overlap on one side the separators out while the metallic foils of the other pole doing this on another side. The stacked so Foils of the electrode assembly can then as a film stack in a prismatic cell or as a foil wrap, usually wrapped around a core in a cup-shaped or round battery single cell can be used. Independently from the design of the single battery cell then comes to the electrode assembly in the case an electrolyte to the chemically active To complete and activate the area of the single battery cell.

Um nun eine sichere und zuverlässige Verbindung der einzelnen Anodenfolien untereinander oder der einzelnen Kathodenfolien untereinander zu gewährleisten und gleichzeitig eine Verbindung der jeweiligen Folienpakete mit den entsprechenden Polen bzw. Stromableitern in der Batterie zu realisieren, werden sehr häufig Schweißverfahren eingesetzt, um diese Verbindungen herzustellen. Außerdem werden sehr häufig beim Verschluss der Gehäuse der Batterieeinzelzellen Verfahren mit Nutzung thermischer Energie, z. B. Heißpressverfahren, eingesetzt, beispielsweise ein Laserschweißen, um einen in das becherförmige Gehäuse einer Rundzelle eingepressten Deckel entsprechend mit dem Gehäuse zu verbinden, oder Heißpressverfahren, um beispielsweise die metallischen Hüllbleche mit einem aus thermoplastischem Material gefertigten elektrisch isolierenden Rahmen sicher und zuverlässig zu verbinden.In order to ensure a secure and reliable connection of the individual anode foils to one another or to the individual cathode foils with one another and at the same time to realize a connection of the respective foil packages with the corresponding poles or current conductors in the battery, welding processes are very often used to produce these connections. In addition, very often in the closure of the housing of the battery cells process with use ther mixer energy, z. B. hot pressing method, used, for example, a laser welding to connect a pressed into the cup-shaped housing of a round cell lid according to the housing, or hot pressing process, for example, to connect the metallic Hüllbleche with an electrically insulating frame made of thermoplastic material safely and reliably.

Nachteilig bei all diesen Fügeverfahren ist der mehr oder weniger große Wärmeeintrag in den Bereich der Batterieeinzelzelle, und hier insbesondere in den Bereich der Elektrodenanordnung. Extrem empfindlich sind dabei die aus einem Kunststoffmaterial bestehenden Separatoren. Die metallischen Anoden- und Kathodenfolien, welche üblicherweise noch über eine anorganische Beschichtung verfügen, sind zwar deutlich temperaturbeständiger, sie sind jedoch auch sehr gut wärmeleitend und leiten so die Temperatur aus dem Bereich des Gehäuses bzw. ihrer verschweißten Randbereiche in die Elektrodenanordnung. Bereits oberhalb von 130°C schmelzen die Materialien der konventionellen Separatoren aus organischem Material bzw. Kunststoff auf und verlieren dabei irreversibel ihre Porosität. Damit werden die gewünschten Strompfade für die Ionen blockiert. Im Allgemeinen ist dieser sogenannte „Shut-Down-Effekt” als Sicherheitsmechanismus gewünscht, um bei entsprechend hohen Temperaturen ein unkontrolliertes Aufschmelzen des Separators unter Bildung von Löchern zu verhindern. Dann käme es nämlich zu großflächigen Kurzschlüssen zwischen Anode und Kathode, welche einen Brand und gegebenenfalls eine Explosion der Batterieeinzelzelle zur Folge haben könnten. Da die Separaten bereits bei 130°C leicht aufschmelzen, ihre Porosität verlieren und so den Stromfluss blockieren, wird die Zelle früh irreversibel außer Betrieb gesetzt, sodass ein weiteres Aufschmelzen des Separators unter Bildung der besagten kritischen Löcher verhindert werden kann.adversely in all these joining methods it is more or less large heat input into the area of the single battery cell, and here in particular in the area of the electrode arrangement. Extremely sensitive are the separators made of a plastic material. The metallic anode and cathode foils, which are usually still have an inorganic coating, Although they are much more temperature-resistant, they are very good thermal conductivity and thus derive the temperature the area of the housing or its welded Edge regions in the electrode assembly. Already above 130 ° C the materials of conventional separators melt from organic Material or plastic on and irreversibly lose their Porosity. This will produce the desired rungs blocked for the ions. In general, this so-called "shut-down effect" is as Safety mechanism desired to be at correspondingly high Temperatures an uncontrolled melting of the separator under Prevent formation of holes. Then it would come namely to large-scale short circuits between anode and cathode, causing a fire and possibly could cause an explosion of single cell batteries. Since the separate melt easily at 130 ° C, lose their porosity and block the flow of electricity, the cell is irreversibly shut down early set, so that further melting of the separator under formation the said critical holes can be prevented.

Um nun in der Produktion der Batterieeinzelzelle bzw. beim Verbinden der jeweiligen Folien der Elektrodenanordnung dennoch Schweißverfahren einsetzen zu können, sind entsprechend große Abstände der Schweißstelle von dem Bereich der Elektrodenanordnung mit den Separatoren notwendig, oder es sind aufwendige Einrichtungen zur Kühlung vorzusehen. All dies erhöht den Fertigungsaufwand und insbesondere den Bauraumbedarf der jeweiligen Batterieeinzelzelle, sodass dies in einem nicht optimalen Leistungsvolumen der fertigen Batterie resultiert.Around now in the production of the single battery cell or when connecting nevertheless use welding processes of the respective foils of the electrode arrangement to be able to, are correspondingly large distances the weld of the area of the electrode assembly necessary with the separators, or they are complex facilities to provide for cooling. All this increases the manufacturing costs and in particular the space requirement of the respective battery single cell, so that this is done in a sub-optimal volume of output Battery results.

Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile zu vermeiden und eine Elektrodenanordnung vorzuschlagen, welche die Herstellung einer sicheren und zuverlässigen Batterieeinzelzelle mit einfachen und effizienten Fertigungsverfahren ermöglicht, und welche darüber hinaus den Bauraumbedarf der jeweiligen Batterieeinzelzelle bei gleich bleibender Leistung verringert.It Now is the object of the present invention, the above To avoid disadvantages and to propose an electrode arrangement, which is the production of a safe and reliable single battery cell with simple and efficient manufacturing processes, and which, moreover, the space requirements of the respective Single battery cell reduced while maintaining performance.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Elektrodenanordnung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst. Ebenso löst eine Batterieeinzelzelle mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 die Aufgabe. Die Aufgabe kann letztlich auch ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Batterieeinzelzelle mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 8 lösen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich ferner aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.According to the invention This object by an electrode assembly having the features in the characterizing Part of claim 1 solved. Likewise, a single battery cell triggers with the features in the characterizing part of claim 6 the task. The Ultimately, task can also be a process for producing a Such single battery cells with the features in the characterizing Part of claim 8 solve. Further advantageous embodiments The invention also results from the respective dependent Claims.

Dadurch, dass der Separator zumindest teilweise aus einem anorganischen Material besteht, kann bei der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung erreicht werden, dass diese eine weitaus höhere thermische Stabilität aufweist. Damit kann einerseits erreicht werden, dass beim Einsatz von entsprechenden Schweißverfahren oder anderen mit thermischer Energie arbeitenden Fertigungsverfahren eine Schädigung der Separatoren verhindert werden kann. Dies ermöglicht den Einsatz einfacher und effizienter Verfahren, auch in unmittelbarer Nähe zu der Elektrodenanordnung. Andererseits kann mit Separatoren, welche aufgrund der zumindest teilweisen Ausbildung aus anorganischen Materialien höheren Temperaturen standhalten, die Gefahr einer thermischen Zersetzung des Separators, welche zu großflächigen Kurzschlüssen, bis hin zu einem Brand oder einer Explosion der Batterieeinzelzelle führen könnte, vermieden werden können. Die thermisch gegenüber den bisher eingesetzten Separatoren deutlich stabileren Separatoren aus zumindest teilweise anorganischen Materialien erlauben damit sehr kompakte Batterieeinzelzellen, welche unter Nutzung einfacher und effizienter Fertigungsmethoden kostengünstig hergestellt werden können.Thereby, that the separator is at least partially made of an inorganic material can, in the electrode assembly according to the invention be achieved that this is a much higher thermal Stability. This can be achieved on the one hand that when using appropriate welding or other thermal energy manufacturing processes damage to the separators can be prevented. This allows the use of simple and efficient procedures, also in the immediate vicinity of the electrode assembly. On the other hand, with separators, which due to the at least partial training of inorganic materials higher temperatures withstand the risk of thermal decomposition of the separator, which cause large-scale short-circuits, up to a fire or an explosion of the single battery cell could be avoided. The thermal compared to the previously used separators clearly more stable separators of at least partially inorganic materials thus allow very compact single battery cells, which under use simple and efficient manufacturing methods cost-effective can be produced.

Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung ist der Separator aus einem Trägermaterial, insbesondere einem Gewebe oder einem Vlies, ausgebildet, welches mit keramischen Partikeln beschichtet ist.According to one particularly favorable development of the invention Electrode arrangement is the separator of a carrier material, in particular a fabric or a nonwoven fabric, which coated with ceramic particles.

Das Trägermaterial oder Vlies kann dabei beispielsweise auch aus Kunststofffasern oder anderen organischen Materialien ausgebildet sein. Durch die Beschichtung mit den anorganischen keramischen Partikeln entsteht dennoch eine vergleichsweise gute Temperaturbeständigkeit bei entsprechend hoher Widerstandsfähigkeit des Separators. Dieser bevorzugte Aufbau des Separators in der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung erlaubt es somit, einen einfachen, kostengünstig herzustellenden und dennoch leichten und temperaturbeständigen Separator in der Elektrodenanordnung einzusetzen, welcher außerdem eine ausreichend große Flexibilität aufweist, um die Elektrodenanordnung in verschieden Bauformen verwenden zu können, beispielsweise um die Elektrodenanordnung aufzuwickeln.The carrier material or fleece can be formed, for example, from plastic fibers or other organic materials. The coating with the inorganic ceramic particles nevertheless results in a comparatively good temperature resistance with correspondingly high resistance of the separator. This preferred construction of the separator in the electrode arrangement according to the invention thus makes it possible to produce a simple, inexpensive, yet lightweight and temperature-resistant Sepa In addition, to use in the electrode assembly, which also has a sufficiently large flexibility to use the electrode assembly in different designs, for example, to wind the electrode assembly.

Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Elektrodenanordnung so ausgebildet, dass die Anodenfolien und/oder die Kathodenfolien untereinander zu einem Anschlussbereich verschweißt sind.According to one Particularly favorable and advantageous development of Invention, the electrode assembly is formed so that the anode foils and / or the cathode foils welded together to form a connection area are.

Damit entsteht ein einfacher und kompakter Aufbau, welcher es erlaubt, die Elektrodenanordnung als eine Art Halbzeug herzustellen und durch das Verschweißen der Anodenfolien und/oder der Kathodenfolien untereinander die Anordnung der Folien und der Separatoren entsprechend zu sichern und damit einen einfachen und effizienten Einbau in eine Batterieeinzelzelle während ihrer Fertigung zu gewährleisten. Aufgrund der Temperaturbeständigkeit der erfindungsgemäßen Separatoren ist dieses Verschweißen problemlos auch in unmittelbarer Nähe zu den Separatoren möglich. Damit lassen sich sehr kompakte Elektrodenanordnungen und damit auch kompakte Batterieeinzelzellen mit einem hohen Leistungsvolumen realisieren. Auch ein späteres erneutes Aufschmelzen beim Einbau in eine Batterieeinzelzelle, beispielsweise indem die Anschlussbereiche an Stromableiter oder die entsprechenden Pole angeschweißt werden, ist beim erfindungsgemäßen Aufbau möglich, ohne dass eine Schädigung der Separatoren zu befürchten wäre.In order to creates a simple and compact structure, which allows make the electrode assembly as a kind of semi-finished and by the welding of the anode foils and / or the cathode foils among themselves the arrangement of the films and the separators accordingly secure and thus a simple and efficient installation in a single battery cell during their manufacture. by virtue of the temperature resistance of the invention This welding is also easy in separators Close proximity to the separators possible. This allows very compact electrode arrangements and thus also compact single battery cells with a high power volume realize. Also a later renewed melting at Installation in a single battery cell, for example by the connection areas Current conductor or the corresponding poles welded are possible in the structure according to the invention, without fear of damage to the separators would.

In Anspruch 6 ist eine Batterieeinzelzelle mit einer solchen erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung angegeben. Die Elektrodenanordnung der Batterieeinzelzelle ist dabei in einem Gehäuse angeordnet, wobei ein Teil des Gehäuses zumindest mit den Elektrodenfolien eines Pols der Elektrodenanordnung direkt oder über eine Anschlusselement verschweißt ist.In Claim 6 is a single battery cell with such inventive Electrode arrangement specified. The electrode arrangement of the single battery cell is arranged in a housing, wherein a part of Housing at least with the electrode films of a pole the electrode assembly directly or via a connection element is welded.

Die Batterieeinzelzelle weist dabei einen sehr einfachen und effizient zu fertigenden Aufbau auf. Einer der Pole ist auf einen Teil des Gehäuses gelegt oder wird über das Gehäuse geleitet, sodass auf zusätzliche Stromleiter, welche Bauraum und Gewicht benötigen würden, verzichtet werden kann. Durch die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung ist es möglich, diese mit dem entsprechenden Teil des Gehäuses zu verschweißen, ohne dabei besondere Maßnahmen beachten zu müssen oder eine entsprechende Kühlung vorzusehen, da auch ein Schweißen in unmittelbarer Nähe zu der Elektrodenanordnung den temperaturbeständigen Separatoren mit dem anorganischen Material nichts anhaben kann. Die erfindungsgemäße Batterieeinzelzelle lässt sich somit einfach und effizient herstellen und benötigt gegenüber herkömmlichen Zellen weniger Bauraum, sodass eine auf Basis dieser Batterieeinzelzellen aufgebaute Batterie ein hohes Leistungsvolumen zu erreichen vermag.The Single battery cell has a very simple and efficient to build up construction. One of the poles is on a part of the Housing is placed over the housing directed, so on additional power conductors, which space and weight would be waived can. By the electrode arrangement according to the invention it possible to do this with the appropriate part of the case to weld, without taking special measures have to pay attention or a corresponding cooling provide, as well as a welding in the immediate vicinity to the electrode assembly with the temperature-resistant separators the inorganic material can not harm. The inventive Battery single cell can thus be easily and efficiently produce and needed compared to conventional Cells less space, so one based on these battery cells built-up battery can reach a high power volume.

In Anspruch 8 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Batterieeinzelzelle mit der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung beschrieben.In Claim 8 is a method for producing a single battery cell with the electrode arrangement according to the invention described.

Bei diesem Herstellungsverfahren wird zuerst die Elektrodenanordnung in einem Gehäuse bzw. dem Teil eines Gehäuses der Batterie positioniert, wobei zumindest einer der Pole der Elektrodenanordnung direkt oder über ein Anschlusselement mit einem Teil des Gehäuses und/oder einem Polelement der Batterieeinzelzelle verschweißt ist.at This manufacturing method is first the electrode assembly in a housing or the part of a housing positioned the battery, wherein at least one of the poles of the electrode assembly directly or via a connection element with a part of Housing and / or a pole element of the single battery cell is welded.

Dieses erfindungsgemäße Herstellungsverfahren greift die oben bereits genannten Vorteile wieder auf. Durch ein Anordnen der Elektrodenanordnung in dem Gehäuse der Batterieeinzelzelle und dem anschließenden Verschweißen mit dem Gehäuse, entweder direkt oder über ein Anschlusselement bzw. mit einem durch das Gehäuse hindurchgeführten Pol, wird eine sehr einfache und effiziente Fertigung möglich. Dabei kann das Verschweißen ohne weitere Maßnahmen wie eine Kühlung oder das Setzen kurzer Schweißnähte mit vergleichsweise langen Pausen dazwischen realisiert werden. Die Herstellung der Batterieeinzelzelle ist somit auch sehr schnell und kostengünstig möglich.This inventive manufacturing process is effective the advantages already mentioned above again. By arranging the electrode assembly in the housing of the battery single cell and the subsequent welding to the housing, either directly or via a connecting element or with a pole passed through the housing, is a very simple and efficient production possible. Here, the welding without further action like cooling or setting short welds be realized with comparatively long breaks in between. The production of the single battery cell is therefore also very fast and cost-effective possible.

In einer besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Verschweißen durch ein Pressschweißverfahren erfolgt.In a particularly favorable embodiment of the invention Method, it is provided that the welding by a pressure welding process takes place.

Ein solches Pressschweißverfahren, insbesondere ein Ultraschallschweißen oder ein Punktschweißen, erfolgt dabei so, dass die zu verschweißenden Bauteile zwischen zwei Elektroden bzw. Sonotroden gelegt werden, durch welche dann ein Strom fließt oder welche mit Ultraschall bewegt werden. Zwischen den Bauteilen ergibt sich dadurch ein entsprechender Wärmefluss entweder durch den dem elektrischen Strom entgegengesetzten Widerstand oder die Reibung aufgrund der Ultraschallbewegung. Die Materialien schmelzen auf und verbinden sich beim Abkühlen miteinander. Der Vorteil derartiger Pressschweißverfahren liegt nun insbesondere darin, dass verschiedene Materialien miteinander verschweißt werden können, beispielsweise das Aluminium bzw. aluminiumhaltige Material der Kathodenfolie mit einem beispielsweise eisenbasierten Teil des Gehäuses der Batterieeinzelzelle. Ebenso können die aus Kupfer oder einem kupferhaltigen Material bestehenden Anodenfolien mit einem aluminiumhaltigen Teil des Batteriegehäuses zu verschweißen. Der Einsatz derartiger Pressschweißverfahren ist also besonders einfach und effizient, da er unabhängig von den Materialien zum Anschluss beider Pole gleichermaßen eingesetzt werden kann. Ferner ist man bei der Wahl der Materialien für das Gehäuse, die Polelemente und/oder evtl. Anschlusselemente relativ frei. Die Auswahl kann daher primär aus Gründen der Bestmöglichen und kostengünstigsten Herstellung der Einzelteile erfolgen. Damit wird die Herstellung einer derartigen Batterieeinzelzelle mit der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung weiter vereinfacht und hinsichtlich der Herstellungskosten optimiert.Such a pressure welding process, in particular ultrasonic welding or spot welding, takes place in such a way that the components to be welded are placed between two electrodes or sonotrodes, through which a current then flows or which are moved with ultrasound. Between the components, this results in a corresponding heat flow either by the opposite resistance to the electric current or the friction due to the ultrasonic movement. The materials melt and combine with each other during cooling. The advantage of such pressure welding processes lies in particular in the fact that different materials can be welded together, for example the aluminum or aluminum-containing material of the cathode foil with, for example, an iron-based part of the housing of the single cell battery. Likewise, the anode foils made of copper or a copper-containing material can be welded to an aluminum-containing part of the battery housing. The use of such pressure welding method is therefore particularly simple and efficient, since it is independent of the materials for connecting both poles can be used equally. Furthermore, one is relatively free in the choice of materials for the housing, the pole elements and / or possibly connecting elements. The selection can therefore be made primarily for the sake of the best possible and most cost-effective production of the items. Thus, the production of such a battery single cell with the electrode assembly according to the invention is further simplified and optimized in terms of manufacturing costs.

Die Möglichkeit auf diese Art einfach und kostengünstig Batterieeinzelzellen herzustellen und eine Vielzahl derartiger Batterieeinzelzellen zu einer großen Batterie zusammenzufügen ermöglicht es, mit geringem Aufwand und hohem Leistungsvolumen in einen verfügbaren Bauraum eine vergleichsweise kleine Batterie mit entsprechend hoher elektrischer Leistung einzusetzen. Diese Maßnahmen sowie die vergleichsweise kostengünstige Herstellung, welche hohe Stückzahlen ermöglicht, prädestiniert die Batterie bzw. die nach dem oben genannten Verfahren hergestellte Batterieeinzelzellen jeweils mit der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung zum Einsatz als Speicherbatterie zur Speicherung von Traktionsenergie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Transportmittel auf dem Land, im Wasser oder in der Luft.The Possibility in this way simple and inexpensive Produce single battery cells and a plurality of such battery cells to assemble a big battery it, with little effort and high performance in an available Space a comparatively small battery with a correspondingly high to use electrical power. These measures as well the comparatively inexpensive production, which high Numbers possible, predestined the battery or produced by the above method Single battery cells each with the inventive Electrode arrangement for use as storage battery for storage of traction energy for an at least partially electrical powered means of transportation on land, in water or in the Air.

Die so erhältlichen Hochleistungsbatterien können als vergleichsweise kostengünstige und ein hohes Leistungsvolumen aufweisende Batterien bevorzugt in Kraftfahrzeugen mit elektrischem Antrieb oder Hybrid-Antrieb bzw. Mild-Hybrid-Antrieb vorteilhaft eingesetzt werden, insbesondere auch deshalb, weil durch die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung ein sehr sicherer Aufbau entsteht, welcher auch im Falle einer Beschädigung der Batterie, wie er beispielsweise bei einem Crash des Fahrzeugs zu befürchten ist, die maximale Sicherheit bietet.The so available high performance batteries can as comparatively inexpensive and a high volume of services Batteries preferred in motor vehicles with electric Drive or hybrid drive or mild hybrid drive advantageous are used, in particular also because of the inventive Electrode arrangement creates a very secure structure, which is also in the Case of damage to the battery, such as in a crash of the vehicle is to be feared, the maximum Security offers.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen sowie aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert sind.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the remaining dependent claims and from the Embodiments, which hereinafter with reference to FIGS are explained in more detail.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 eine beispielhafte Elektrodenanordnung gemäß der Erfindung; 1 an exemplary electrode assembly according to the invention;

2 eine Batterieeinzelzelle in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung; 2 a single battery cell in a possible embodiment according to the invention;

3 eine Explosionsdarstellung einer Batterieeinzelzelle in einer weiteren Ausführungsform; 3 an exploded view of a single battery cell in another embodiment;

4 einen Ausschnitt einer Elektrodenanordnung gemäß der Erfindung; 4 a section of an electrode assembly according to the invention;

5 einen beispielhaften Aufbau zum Verschweißen einer Elektrodenanordnung mit einem Teil eines Gehäuses einer Batterieeinzelzelle; und 5 an exemplary structure for welding an electrode assembly with a part of a housing of a single battery cell; and

6 einen beispielhaften Aufbau einer Vorrichtung zum Verschließen der Batterieeinzelzelle gemäß 3. 6 an exemplary construction of a device for closing the battery single cell according to 3 ,

In der Darstellung der 1 ist eine Elektrodenanordnung 1 beispielhaft dargestellt. Die Elektrodenanordnung 1 besteht aus Anodenfolien 2 und Kathodenfolien 3, welche bei einer Lithium-Ionen-Batterie typischerweise aus Kupfer bzw. Aluminium oder geeigneten Legierungen mit Kupfer bzw. Aluminium bestehen. Außerdem können die Elektrodenfolien 2, 3 mit einer typischerweise anorganischen Beschichtung versehen werden. Die Anodenfolien 2 sind abwechselnd mit den Kathodenfolien 3 gestapelt, wobei zwischen den Folien unterschiedlicher Polarität jeweils ein Separator 4 angeordnet ist. Der Separator 4 hat die Aufgabe, die Anodenfolien 2 von den Kathodenfolien 3 elektrisch gegeneinander zu isolieren und dabei für Ionen durchlässig zu sein. Später wird in den Bereich der Anodenfolien 2 und der Kathodenfolien 3 dann ein Elektrolyt eingebracht, sodass der elektrochemisch aktive Aufbau der Elektrodenanordnung 1 funktionsfähig ist.In the presentation of the 1 is an electrode assembly 1 exemplified. The electrode arrangement 1 consists of anode foils 2 and cathode foils 3 which are typically made of copper or aluminum or suitable alloys with copper or aluminum in a lithium-ion battery. In addition, the electrode films can 2 . 3 be provided with a typically inorganic coating. The anode foils 2 are alternating with the cathode foils 3 stacked, wherein between the films of different polarity in each case a separator 4 is arranged. The separator 4 has the task, the anode foils 2 from the cathode foils 3 electrically isolate against each other while being permeable to ions. Later it will be in the range of anode foils 2 and the cathode foils 3 then introduced an electrolyte, so that the electrochemically active structure of the electrode assembly 1 is functional.

Der Separator 4 ist dabei in idealer Weise ebenfalls aus einem flexiblen Material ausgebildet, sodass er zusammen mit den Anodenfolien 2 und den Kathodenfolien 3 eine gewisse Flexibilität der Elektrodenanordnung 1 zulässt. Entgegen herkömmlicher Separatoren aus Kunststofffolien mit einer gewissen für das Funktionsprinzip erforderlichen Porosität, ist der hier vorliegende Separator 4 aus einem Trägermaterial in Form eines Vlieses oder eines Gewebes aufgebaut. Dieses Trägermaterial besteht ebenfalls aus organischen Kunststofffasern, welche entsprechend zu einem Gewebe oder besonders einfach und kostengünstig zu einem Vlies verbunden sind. Dieses Vlies als Trägermaterial des Separators 4 wird dann mit anorganischen Materialien beschichtet, insbesondere mit keramischen Partikeln. Der Separator 4 ist letztendlich also ein mit keramischen Partikeln beschichtetes Kunststoff-Vlies, welches eine direkte elektrische Trennung der Anodenfolien 2 und der Kathodenfolien 3 realisieren kann. Dabei kann über die Porosität des Separators 4 bzw. des Vlieses und den sich darin sammelnden Elektrolyt die Leitung von Ionen von der Anodenfolie 2 zur Kathodenfolie 3 in der gewünschten Art und Weise erfolgen, sodass eine funktionsfähige Elektrodenanordnung 1 für eine Lithium-Ionen-Batterie entsteht.The separator 4 is also ideally formed of a flexible material so that it together with the anode foils 2 and the cathode foils 3 a certain flexibility of the electrode arrangement 1 allows. Contrary to conventional separators made of plastic films with a certain porosity required for the functional principle, the present separator is 4 constructed of a carrier material in the form of a nonwoven or a fabric. This carrier material also consists of organic plastic fibers, which are connected to a fabric or particularly simple and inexpensive to a nonwoven fabric. This fleece as a carrier material of the separator 4 is then coated with inorganic materials, in particular with ceramic particles. The separator 4 Ultimately, therefore, is a coated with ceramic particles plastic fleece, which is a direct electrical separation of the anode foils 2 and the cathode foils 3 can realize. It can be about the porosity of the separator 4 or of the fleece and the electrolyte collecting therein, the conduction of ions from the anode foil 2 to the cathode foil 3 done in the desired manner, so that a functional electrode assembly 1 for a lithium-ion battery is created.

Der Aufbau mit dem erfindungsgemäßen Separator 4 aus zumindest teilweise anorganischem Material ist dabei besonders temperaturbeständig, da der Separator im Gegensatz zu einer reinen porösen Kunststofffolie vergleichsweise hohe Temperaturen ertragen kann. Anders als eine Kunststofffolie, welche ab ca. 130°C aufschmilzt und damit ihre Porosität verliert, kann der erfindungsgemäße Separator auch höheren Temperaturen standhalten, ohne die Porosität seines als Trägermaterial genutzten Vlieses zu verlieren. Da die Beschichtung mit keramischen Partikeln keine geschlossene Oberfläche bildet, sondern lediglich aus punktuell verteilten Partikeln besteht, kann nach wie vor die elektrische Leitung gewährleistet werden. Der erfindungsgemäße Separator 4 ist dabei besonders stabil und hält auch mechanischen Beeinträchtigungen sehr gut stand, sodass auch nach Extrembelastungen der Elektrodenanordnung 1 keine großflächigen Löcher oder dergleichen in dem Separator 4 zu befürchten sind, welche es erlauben würden, dass sich die Anodenfolien 2 und die Kathodenfolien 3 im Bereich eines solchen Lochs berühren und einen großflächigen Kurzschluss auslösen. Ein solcher großflächiger Kurzschluss ist in jedem Fall zu vermeiden, da er typischerweise einen Brand oder gar eine Explosion einer mit der Elektrodenanordnung 1 ausgerüsteten Batterieeinzelzelle 5, von welcher nachfolgend noch verschiedene Typen beschrieben werden, nach sich ziehen würde.The structure with the separator according to the invention 4 made of at least partially inorganic material is particularly temperature resistant, since the separator, in contrast to a pure porous plastic film comparatively high temperature can endure. Unlike a plastic film, which melts from about 130 ° C and thus loses its porosity, the separator according to the invention can withstand higher temperatures, without losing the porosity of its used as a substrate nonwoven. Since the coating with ceramic particles does not form a closed surface, but consists only of selectively distributed particles, the electrical conduction can still be ensured. The separator according to the invention 4 is particularly stable and also withstands mechanical damage very well, so even after extreme loads on the electrode assembly 1 no large holes or the like in the separator 4 are to be feared, which would allow that the anode foils 2 and the cathode foils 3 in the area of such a hole and trigger a large-area short circuit. Such a large-area short circuit must be avoided in any case, since it typically causes a fire or even an explosion with the electrode arrangement 1 equipped single battery cells 5 , of which subsequently different types are described, would entail.

Der Separator 4 ist dabei so flexibel, dass die Elektrodenanordnung 1 eine hohe Flexibilität als Ganzes aufweist. So kann die Elektrodenanordnung 1 beispielsweise um einen Kern 6 aufgewickelt werden, wie dies in der Darstellung einer möglichen Batterieeinzelzelle 5 in der 2 zu erkennen ist. Die Batterieeinzelzelle 5 gemäß 2 dabei den typischen Aufbau für eine runde Batterieeinzelzelle 5 mit einem im Wesentlichen becherförmigen Gehäuseteil 7 und einem Deckel 8. Im Inneren des becherförmigen Gehäuseteils 7 ist die Elektrodenanordnung 1 zu erkennen. Sie besteht dabei aus einem Stapel der Elektroden analog der Darstellung in 1, welcher um den Kern 6 entsprechend aufgewickelt wurde. In Richtung des Deckelelements 8 stehen dabei die Anodenfolien 2 entsprechend über und sind über einen schlangenförmig gefalteten Stromableiter 9 mit einem ersten Polelement 10 der Batterieeinzelzelle 5 verbunden. Dieses Polelement 10 ist mittels elektrisch isolierender Materialien 11 durch den Deckel 8 entsprechend hindurchgeführt. Auf der anderen Seite der aufgewickelten Elektrodenanordnung 1 stehen dementsprechend die Kathodenfolien 3 über die Elektrodenanordnung 1 über und sind über einen Stromableiter 12 mit dem Boden des becherförmigen Gehäuseteils 7 verbunden. Das becherförmige Gehäuseteil 7 ist ebenfalls aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Aluminium hergestellt. Durch die Verbindung der Kathodenfolien 3 über den Stromableiter 12 mit dem becherförmigen Gehäuseteil 7 bildet dieses den zweiten Batteriepol der Batterieeinzelzelle 5. Der Strom kann dann über das becherförmige Gehäuseteil 7 und den Deckel 8 in das zweite Polelement 13 fließen, welches fest mit dem Deckel 8 verbunden ist.The separator 4 is so flexible that the electrode arrangement 1 has high flexibility as a whole. So can the electrode assembly 1 for example, around a core 6 be wound up, as in the representation of a possible battery single cell 5 in the 2 can be seen. The single battery cell 5 according to 2 while the typical structure for a round single battery cell 5 with a substantially cup-shaped housing part 7 and a lid 8th , Inside the cup-shaped housing part 7 is the electrode assembly 1 to recognize. It consists of a stack of electrodes analogous to the representation in 1 which is around the core 6 was wound up accordingly. In the direction of the cover element 8th stand thereby the anode foils 2 according to and over a snake-shaped current collector 9 with a first pole element 10 the battery single cell 5 connected. This pole element 10 is by means of electrically insulating materials 11 through the lid 8th passed accordingly. On the other side of the wound electrode assembly 1 are accordingly the cathode foils 3 via the electrode arrangement 1 over and over a current conductor 12 with the bottom of the cup-shaped housing part 7 connected. The cup-shaped housing part 7 is also made of an electrically conductive material, such as aluminum. By the connection of the cathode foils 3 over the current conductor 12 with the cup-shaped housing part 7 This forms the second battery pole of the single battery cell 5 , The current can then via the cup-shaped housing part 7 and the lid 8th in the second pole element 13 flow, which firmly with the lid 8th connected is.

Die Elektrodenanordnung bzw. der Elektrodenwickel 1 in der Batterieeinzelzelle 5 gemäß 2 ist nun in der oben genannten Art mit den Separatoren 4 aus zumindest teilweise anorganischem Material aufgebaut. Der Elektrodenwickel 1 ist daher vergleichsweise resistent gegen den Eintrag von Wärme. Daher können die beiden Stromableiter 9, 12 einfach und kostengünstig mit dem Elektrodenwickel 1 und dem becherförmigen Gehäuseteil 7 bzw. dem Polelement 10 verschweißt werden. Der gesamte Aufbau aus becherförmigem Gehäuseteil 9 und Deckel 8 kann dann nach dem Einpressen des Deckels 8 ebenfalls durch Schweißen, beispielsweise durch Laserschweißen, im Bereich des Überlapps zwischen dem becherförmigen Gehäuseteil 7 und dem Deckel 8 sicher und zuverlässig verschlossen werden. Obwohl über das becherförmige Gehäuseteil 7 dann Wärme in den Bereich des Elektrodenwickels 1 eingeleitet wird, muss während des Schweißens keine Kühlung des Gehäuseteils 7 oder dergleichen vorgesehen werden, da die Elektrodenanordnung 1, wie oben bereits ausgeführt, durch den Einsatz der Separatoren aus zumindest teilweise anorganischem Material vergleichsweise temperaturbeständig ist.The electrode arrangement or the electrode winding 1 in the battery single cell 5 according to 2 is now in the above mentioned way with the separators 4 composed of at least partially inorganic material. The electrode winding 1 is therefore relatively resistant to the entry of heat. Therefore, the two current conductors 9 . 12 simple and inexpensive with the electrode winding 1 and the cup-shaped housing part 7 or the pole element 10 be welded. The entire construction of cup-shaped housing part 9 and lid 8th can then after pressing the lid 8th also by welding, for example by laser welding, in the region of the overlap between the cup-shaped housing part 7 and the lid 8th be securely and reliably closed. Although over the cup-shaped housing part 7 then heat into the area of the electrode coil 1 is introduced, no cooling of the housing part during welding must 7 or the like, since the electrode assembly 1 , as stated above, by the use of separators made of at least partially inorganic material is relatively temperature resistant.

In 3 ist eine alternative Ausführungsform eine Batterieeinzelzelle 5 in einer Explosionsdarstellung zu erkennen. Die Batterieeinzelzelle 5 gemäß 3 ist dabei sehr einfach und mit vergleichsweise wenigen Bauteilen aufgebaut. Sie ist damit entsprechend kompakt und kann mit minimalem Aufwand und damit zu vergleichsweise günstigen Kosten hergestellt werden. Der Aufbau der Batterieeinzelzelle 5 gemäß 3 ist eine sogenannte Rahmenflachzelle. Die Batterieeinzelzelle 5 besteht aus einem elektrisch isolierenden Rahmen 14, welcher bevorzugt aus einem thermoplastischen Material aufgebaut ist oder zumindest Teilbereiche aus thermoplastischem Material aufweist. Dieser Rahmen 14 bildet zusammen mit zwei Hüllblechen 15, 16 das Gehäuse der Batterieeinzelzelle 5. Hierzu werden die beiden Hüllbleche 15, 16 einfach mit dem Rahmen 14 verbunden. Dazwischen kommt die Elektrodenanordnung 1 zu liegen, welche in diesem Fall typischerweise als Stapel von Elektrodenfolien 2, 3 und Separatoren 4 ausgebildet ist. Die Batterieeinzelzelle 5 ist dabei als sogenannte bipolare Batterieeinzelzelle 5 aufgebaut, was bedeutet, dass beide Pole auf gegeneinander isolierte Bereiche des Gehäuses gelegt sind. In dem hier dargestellten Aufbau ist es nun so, dass die Elektrodenanordnung 1 in ihren Randbereichen jeweils Anschlussbereiche 17 aufweist. Diese Anschlussbereiche 17 sind aus den zueinander geführten und miteinander verbundenen Folien 2, 3 des jeweiligen Pols gebildet.In 3 an alternative embodiment is a single battery cell 5 to recognize in an exploded view. The single battery cell 5 according to 3 is very simple and constructed with comparatively few components. It is therefore compact and can be produced with minimal effort and thus at relatively low cost. The construction of the single battery cell 5 according to 3 is a so-called frame flat cell. The single battery cell 5 consists of an electrically insulating frame 14 , which is preferably constructed of a thermoplastic material or at least portions of thermoplastic material. This frame 14 forms together with two cladding sheets 15 . 16 the housing of the single battery cell 5 , For this purpose, the two envelopes 15 . 16 easy with the frame 14 connected. In between comes the electrode arrangement 1 which in this case is typically a stack of electrode foils 2 . 3 and separators 4 is trained. The single battery cell 5 is a so-called bipolar battery single cell 5 which means that both poles are placed on mutually insulated areas of the housing. In the structure shown here, it is now so that the electrode assembly 1 in their peripheral areas each connection areas 17 having. These connection areas 17 are from the mutually guided and interconnected slides 2 . 3 formed of the respective pole.

In der Darstellung der 4 ist dies an einer Ausschnittsvergrößerung für einen der Pole dargestellt. Auch hier sind wieder die entsprechenden Separatoren 4 zu erkennen, von welchen hier nur einige beispielhaft mit einem Bezugszeichen versehen sind. Zwischen den Separatoren liegen abwechselnd gestapelt die Anodenfolien 2 und die Kathodenfolien 3. In dem in 4 dargestellten Beispiel sind nun die Kathodenfolien 3 auf der einen Seite der Elektrodenanordnung 1 aus dem Stapel herausgeführt. Analog dazu werden auf der anderen Seite der Elektrodenanordnung 1 die Anodenfolien 2 entsprechend herausgeführt. Die herausgeführten Kathodenfolien 3 sind dann im Bereich außerhalb der Separatoren 4 zu dem Anschlussbereich 17 der Elektrodenanordnung 1 miteinander verbunden, insbesondere verpresst und gegebenenfalls verschweißt. Der Aufbau der Elektrodenanordnung 1, wie er in 3 dargestellt ist, bildet durch die zumindest verpressten Elektrodenfolien 2, 3 in den Anschlussbereichen 17 einen in sich abgeschlossenen Aufbau, welcher vergleichsweise einfach gehandhabt werden kann. Dieser Aufbau der Elektrodenanordnung 1 wird nun in den Rahmen 14 und zwischen die beiden Hüllbleche 15, 16 entsprechend eingelegt. Jeweils einer der Anschlussbereiche 17 wird mit jeweils einem der Hüllbleche 15, 16 verschweißt. Sofern die Elektrodenfolien 2, 3 bisher nur miteinander verpresst sind, werden diese bei diesem Herstellungsschritt ebenfalls mit verschweißt und entsprechend sicher miteinander verbunden, sodass im Sinne der Vereinfachung der Fertigung auf ein Schweißen außerhalb der Batterieeinzelzelle 5 verzichtet werden kann.In the presentation of the 4 This is an enlarged detail for one of the poles darge provides. Again, the corresponding separators are again 4 to recognize, of which only a few are exemplarily provided with a reference numeral. The anode foils are stacked alternately between the separators 2 and the cathode foils 3 , In the in 4 Example shown are now the cathode foils 3 on one side of the electrode assembly 1 led out of the stack. Similarly, on the other side of the electrode assembly 1 the anode foils 2 led out accordingly. The led out cathode foils 3 are then in the area outside the separators 4 to the connection area 17 the electrode assembly 1 interconnected, in particular pressed and optionally welded. The structure of the electrode assembly 1 as he is in 3 is represented by the at least compressed electrode films 2 . 3 in the connection areas 17 a self-contained structure, which can be handled comparatively easy. This structure of the electrode assembly 1 is now in the frame 14 and between the two covers 15 . 16 inserted accordingly. One each of the connection areas 17 comes with one of the cover plates 15 . 16 welded. If the electrode foils 2 . 3 So far, only pressed together, these are also welded in this manufacturing step with and accordingly securely connected to each other, so that in terms of simplifying the production of a welding outside of the single cell battery 5 can be waived.

In der Darstellung der 3 sind außerdem abgekantete Bereiche 18, 19 an den jeweiligen Hüllblechen 15, 16 zu erkennen. Diese Abkantungen 18, 19 kommen dabei bei der komplettierten Zelle unterhalb des Rahmens 14 zu liegen. Da die beiden Hüllbleche 15, 16 unterschiedliche Polarität aufweisen, ist dafür zu sorgen, dass die Abkantungen 18, 19 sich unterhalb des Rahmens 14 nicht berühren, da dies einem Kurzschluss der Zelle gleichkommt. Die Funktionalität der Abkantungen 18, 19 ist nun die, dass durch die Hüllbleche 15, 16 in der Batterieeinzelzelle 5 entstehende Wärme abgeleitet wird. Um mit minimalem Aufwand an Bauraum eine effiziente Kühlung der Batterieeinzelzelle 1 zu erreichen, werden mehrere Batterieeinzelzellen 5 zu der Gesamtbatterie gestapelt. Auf der Seite mit den Abkantungen 18, 19 kann dann eine Kühlplatte oder dergleichen über eine wärmeleitende jedoch elektrisch isolierende Folie oder Vergussmasse angebracht werden. Durch die Abkantungen 18, 19 entsteht eine vergleichsweise große Fläche, um die Wärme aus dem Bereich der Hüllbleche 15, 16 in eine solche Kühleinrichtung zu übertragen.In the presentation of the 3 are also beveled areas 18 . 19 at the respective cladding sheets 15 . 16 to recognize. These bends 18 . 19 arrive at the completed cell below the frame 14 to lie. Because the two cladding 15 . 16 have different polarity, is to ensure that the bends 18 . 19 below the frame 14 Do not touch, as this equates to a cell short circuit. The functionality of the bends 18 . 19 is now the one through the cladding 15 . 16 in the battery single cell 5 resulting heat is dissipated. With minimal effort in terms of space efficient cooling of the battery cell 1 To achieve this, several battery cells will be used 5 stacked to the total battery. On the side with the bends 18 . 19 Then, a cooling plate or the like via a thermally conductive but electrically insulating film or potting compound can be attached. By the folds 18 . 19 creates a comparatively large area to the heat from the area of Hüllbleche 15 . 16 to be transferred to such a cooling device.

Die Befestigung der Anschlussbereiche 17 der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung 1 erfolgt also, wie oben bereits ausgeführt, durch Verschweißen. Da zumindest zwischen einem der Hüllbleche 15, 16 und einem der Anschlussbereiche 17 ein Unterschied in den Materialien vorliegt, beispielsweise Kupfer bei den Anodenfolien 2 und Aluminium oder Eisen bei dem entsprechenden Hüllblech 15, 16, werden als Schweißverfahren bevorzugt Pressschweißverfahren, wie beispielsweise ein Punktschweißen, eingesetzt. Die besonders bevorzugte Ausführungsform sieht ein Ultraschallschweißen als geeignetes Pressschweißverfahren vor. In einer entsprechenden Ausschnittsvergrößerung ist in 5 das Verschweißen des einen Anschlussbereichs 17 mit einem der Hüllbleche 15,16, hier beispielsweise dem Hüllblech 15, nochmals dargestellt. Das erste Hüllblech 15 ist hier hinter dem Rahmen 14 angeordnet. Im Inneren des Rahmens 14 und auf dem Hüllblech 15 befindet sich die Elektrodenanordnung 1, und zwar so, dass der Anschlussbereich 17 auf der in Richtung des Hüllblechs 15 unteren Kante der Elektrodenanordnung 1 zu liegen kommt. Dieser Anschlussbereich 17 wird zusammen mit dem Hüllblech 15 zwischen einem Amboss 20 und einer Sonotrode 21 einer an sich bekannten Ultraschallschweißvorrichtung eingespannt. Durch die Ultraschallbewegung der Sonotrode 21 wird das Material zwischen Sonotrode 21 und dem Gegenelement des Ambosses 20 aufgeheizt, sodass das Hüllblech 15 mit dem Anschlussbereich 17 der Elektrodenanordnung 1 entsprechend verschweißt. Falls die einzelnen Elektrodenfolien, beispielsweise die Anodenfolien 2, untereinander noch nicht verschweißt sind, werden diese im Bereich zwischen der Sonotrode 21 und dem Amboss 20 ebenfalls miteinander verschweißt. Der in 5 dargestellte Aufbau wird dann typischerweise drei bis fünf Schweißstellen entlang der Höhe des Anschlusselements 17 setzen. Alternativ dazu wären jedoch auch andere Verfahren, wie beispielsweise ein Rollschweißen oder ein Laserschweißen im Überlapp des Anschlussbereichs 17 mit dem Hüllblech 15 denkbar.The attachment of the connection areas 17 the electrode assembly according to the invention 1 takes place, as already stated above, by welding. Because at least between one of the cover plates 15 . 16 and one of the connection areas 17 There is a difference in the materials, for example, copper in the anode foils 2 and aluminum or iron on the corresponding cladding 15 . 16 , Welding preferably press welding methods, such as a spot welding, are used. The particularly preferred embodiment provides for ultrasonic welding as a suitable pressure welding method. In a corresponding enlargement is in 5 the welding of one connection area 17 with one of the cover plates 15 . 16 , here for example the cladding 15 , shown again. The first cover sheet 15 is here behind the frame 14 arranged. Inside the frame 14 and on the cladding 15 is the electrode assembly 1 , in such a way that the connection area 17 on the in the direction of the cladding 15 lower edge of the electrode assembly 1 to come to rest. This connection area 17 is together with the cover plate 15 between an anvil 20 and a sonotrode 21 clamped a known ultrasonic welding device. By the ultrasonic movement of the sonotrode 21 the material is between sonotrode 21 and the counter element of the anvil 20 heated so that the cladding 15 with the connection area 17 the electrode assembly 1 welded accordingly. If the individual electrode films, such as the anode foils 2 , are not yet welded together, they are in the area between the sonotrode 21 and the anvil 20 also welded together. The in 5 The construction shown will then typically be three to five welds along the height of the terminal 17 put. Alternatively, however, would be other methods, such as a roll welding or laser welding in the overlap of the connection area 17 with the cover plate 15 conceivable.

Augrund der Temperaturbeständigkeit der Separatoren 4 und der ohnehin vorhandenen Temperaturbeständigkeit der Elektrodenfolien 2, 3 kann die Schweißstelle dabei sehr dicht bei den Separatoren 4 angeordnet werden, ohne diese zu schädigen. Damit wird erreicht, dass der Anschlussbereich 17 in Richtung der flächigen Ausdehnung der Batterieeinzelzelle 5 vergleichsweise klein ausgeführt werden kann, da es nicht nötig ist, die Schweißstellen entsprechend weit von den Separatoren 4 zu beabstanden. Damit wird kein Bauraum im Aktiven Bereich der Elektrodenanordnung 1 verschenkt, Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren lässt sich somit eine sehr kompakte Batterieeinzelzelle 5 mit hohem Leistungsvolumen realisieren.Due to the temperature resistance of the separators 4 and the already existing temperature resistance of the electrode films 2 . 3 The weld can be very close to the separators 4 be arranged without damaging them. This ensures that the connection area 17 in the direction of the flat extension of the single battery cell 5 can be made comparatively small, since it is not necessary, the welds correspondingly far from the separators 4 to space. Thus, no space in the active area of the electrode assembly 1 As a result of the manufacturing method according to the invention, it is therefore possible to produce a very compact individual battery cell 5 realize with high performance volume.

In der Darstellung der 6 ist abschließend eine beispielhafte Möglichkeit zum Verschließen einer derartigen Batterieeinzelzelle 5 gezeigt. Die Elektrodenanordnung 1 kann mit ihren jeweiligen Anschlussbereichen 17 mit den jeweiligen Hüllblechen 15, 16 verschweißt sein, wobei der Rahmen 14 sich ebenfalls zwischen den Hüllblechen 15 und 16 befindet, spätestens bevor der zweite Anschlussbereich 17 mit dem entsprechenden Hüllblech verschweißt wird. Aufgrund der Flexibilität der Elektrodenfolien 2, 3 am Übergang vom Anschlussbereich 17 in den Stapel der Elektrodenanordnung 1 können die beiden Hüllbleche noch gegeneinander bewegt werden, insbesondere zusammen mit der Elektrodenanordnung 1 in der Art eines Z aufgeklappt werden. In dieser Phase kann dann durch die entstehende Öffnung beispielsweise der Elektrolyt eingefüllt werden. Außerdem lässt die Flexibilität eine exakte Positionierung der Hüllbleche 15, 16 gegenüber dem Rahmen 14 zu. Danach werden die beiden Hüllbleche 15, 16 über beheizte Stempel 22 gegeneinander und damit gegen den Rahmen 14 gepresst. Bei diesem Heißpressverfahren mittels der beheizten Stempel 22, welches in 6 beispielhaft angedeutet ist, kann der Verschluss der Batterieeinzelzelle 5 erfolgen. Dabei wird das thermoplastische Material des Rahmens 14 zumindest partiell aufgeschmolzen und verbindet sich sicher, fest und dicht mit den beiden Hüllblechen 15, 16. Auch hierbei eingetragene Wärme, welche ja unmittelbar in die mit der Elektrodenanordnung 1 wärmeleitend verbundnen Hüllbleche 15,16 eingetragen wird, kann die Elektrodenanordnung 1 aufgrund der hierfür geeigneten Separatoren 4 nicht schädigen. Alternativ zum Einfüllen des Elektrolyten vor dem Heißverpressen der Hüllbleche 15, 16 und des Rahmens 14 wäre es auch denkbar, den Elektrolyt nach der Fertigstellung der Zelle über eine Öffnung in dem Rahmen 14 entsprechend einzubringen und diese Öffnung beispielsweise durch einen Stopfen oder dergleichen wieder zu verschließen.In the presentation of the 6 is finally an exemplary way to close such a single battery cell 5 shown. The electrode arrangement 1 can with their respective An circuit areas 17 with the respective cladding sheets 15 . 16 be welded, the frame 14 also between the cladding sheets 15 and 16 at the latest before the second connection area 17 is welded to the corresponding Hüllblech. Due to the flexibility of the electrode films 2 . 3 at the transition from the connection area 17 in the stack of the electrode assembly 1 the two cladding sheets can still be moved against each other, in particular together with the electrode assembly 1 be unfolded in the manner of a Z. In this phase can then be filled through the resulting opening, for example, the electrolyte. In addition, the flexibility allows an exact positioning of the cladding sheets 15 . 16 opposite the frame 14 to. After that, the two envelopes 15 . 16 over heated stamp 22 against each other and thus against the frame 14 pressed. In this hot pressing process by means of the heated punch 22 which is in 6 is indicated by way of example, the closure of the single battery cell 5 respectively. This is the thermoplastic material of the frame 14 at least partially melted and connects securely, firmly and tightly with the two cladding sheets 15 . 16 , Also in this case registered heat, which yes directly into the with the electrode assembly 1 thermally conductive cladding sheets 15 . 16 is entered, the electrode assembly 1 due to the separators suitable for this purpose 4 do not harm. Alternatively to filling the electrolyte before the hot pressing of the Hüllbleche 15 . 16 and the frame 14 it would also be conceivable, the electrolyte after the completion of the cell via an opening in the frame 14 introduce accordingly and close this opening, for example, by a plug or the like again.

Alles in allem entsteht so ein Aufbau, welcher die Herstellung einer solchen Batterieeinzelzelle in Lithium-Ionen-Technologie sehr einfach und kostengünstig ermöglicht und eine Batterieeinzelzelle 5 mit hohem Leistungsvolumen erlaubt.All in all, such a structure, which allows the production of such a single cell battery in lithium-ion technology very simple and inexpensive and a single battery cell 5 with high performance volume allowed.

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Claims (14)

Elektrodenanordnung für eine Batterieeinzelzelle in Lithium-Ionen-Technologie, wobei die Elektroden als abwechselnd gestapelte Anoden- und Kathodenfolien ausgebildet sind, welche jeweils von einem Separator elektrisch gegeneinander isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (4) zumindest teilweise aus einem anorganischen Material besteht.Electrode arrangement for a battery single cell in lithium-ion technology, wherein the electrodes are formed as alternately stacked anode and cathode foils, which are each electrically isolated from each other by a separator, characterized in that the separator ( 4 ) consists at least partially of an inorganic material. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (4) aus einem Trägermaterial, insbesondere einem Gewebe oder einem Vlies, besteht, welches mit keramischen Partikeln beschichtet ist.Electrode arrangement according to Claim 1, characterized in that the separator ( 4 ) consists of a carrier material, in particular a fabric or a non-woven, which is coated with ceramic particles. Elektrodenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial aus organischen Fasern, insbesondere Kunststofffasern, besteht.Electrode arrangement according to Claim 2, characterized that the carrier material of organic fibers, in particular Plastic fibers, consists. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenfolien (3) aus Aluminium oder einem aluminiumhaltigen Material, und die Anodenfolien (2) aus Kupfer oder einem kupferhaltigen Material ausgebildet sind.Electrode arrangement according to Claim 1, 2 or 3, characterized in that the cathode foils ( 3 ) made of aluminum or an aluminum-containing material, and the anode foils ( 2 ) are formed of copper or a copper-containing material. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenfolien (2) und/oder die Kathodenfolien (3) untereinander zu einem Anschlussbereich (17) verschweißt sind.Electrode arrangement according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the anode foils ( 2 ) and / or the cathode foils ( 3 ) with each other to a connection area ( 17 ) are welded. Batterieeinzelzelle mit einer Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (1) in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei ein Teil des Gehäuses (7, 15, 16) direkt oder über ein Anschlusselement (12) mit zumindest einem Pol der Elektrodenfolien (2, 3) der Elektrodenanordnung (1) verschweißt ist.Single battery cell with an electrode arrangement according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the electrode arrangement ( 1 ) is arranged in a housing, wherein a part of the housing ( 7 . 15 . 16 ) directly or via a connecting element ( 12 ) with at least one pole of the electrode films ( 2 . 3 ) of the electrode assembly ( 1 ) is welded. Batterieeinzelzelle nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch, ihre Ausbildung als Rahmenflachzelle, wobei zwei leitende Hüllbleche (15, 16) durch einen elektrisch isolierenden Rahmen (14) voneinander getrennt sind, wobei die Elektrodenanordnung (1) als Elektrodenstapel ausgebildet ist, und wobei die Anodenfolien (2) mit dem einen Hüllblech (15) und die Kathodenfolien (3) mit dem anderen Hüllblech (16) verschweißt sind.A single battery cell according to claim 6, characterized by its design as a frame flat cell, wherein two conductive cover plates ( 15 . 16 ) by an electrically insulating frame ( 14 ) are separated from each other, wherein the electrode arrangement ( 1 ) is formed as an electrode stack, and wherein the anode foils ( 2 ) with the one cover plate ( 15 ) and the cathode foils ( 3 ) with the other cover plate ( 16 ) are welded. Verfahren zum Herstellen einer Batterieeinzelzelle mit einer Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (1) in einem Gehäuse der Batterieeinzelzelle (5) positioniert wird, wobei zumindest einer der Pole der Elektrodenanordnung (1) direkt oder über ein Anschlusselement (12) mit einem Teil des Gehäuses (7, 15, 16) und/oder einem Polelement (10) der Batterieeinzelzelle (5) verschweißt wird.Method for producing a single battery cell with an electrode arrangement according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the electrode arrangement ( 1 ) in a housing of the single battery cell ( 5 ) is positioned, wherein at least one of the poles of the electrode assembly ( 1 ) directly or via a connecting element ( 12 ) with a part of the housing ( 7 . 15 . 16 ) and / or a pole element ( 10 ) of the single battery cell ( 5 ) is welded. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschweißen ein Pressschweißverfahren eingesetzt wird.Method according to claim 8, characterized in that that for welding a pressure welding process is used. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschweißen ein Ultraschallschweißen eingesetzt wird.Method according to claim 8 or 9, characterized that for welding an ultrasonic welding is used. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse der Batterieeinzelzelle (5) nach dem Einbringen der Elektrodenanordnung (1) zumindest teilweise durch Schweißen verschlossen wird.A method according to claim 8, 9 or 10, characterized in that the housing of the battery single cell ( 5 ) after insertion of the electrode assembly ( 1 ) is at least partially closed by welding. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse der Batterieeinzelzelle (5) nach dem Einbringen der Elektrodenanordnung (1) zumindest teilweise durch Heißpressen verschlossen wird.Method according to one of claims 8 to 11, characterized in that the housing of the battery single cell ( 5 ) after insertion of the electrode assembly ( 1 ) is at least partially closed by hot pressing. Verwendung einer Batterieeinzelzelle nach Anspruch 6 oder 7 oder erhältlich nach einem der Ansprüche 8 bis 12 in einer Speicherbatterie zur Speicherung von Traktionsenergie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Transportmittel auf dem Land, im Wasser oder in der Luft.Use of a single battery cell according to claim 6 or 7 or obtainable according to one of the claims 8 to 12 in a storage battery for storing traction energy for an at least partially electrically powered transport on land, in the water or in the air. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherbatterie für ein Kraftfahrzeug mit elektrischem oder teilelektrischem Antriebsstrang eingesetzt wird.Use according to claim 13, characterized that the storage battery for a motor vehicle with electric or part-electric drive train is used.
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