DE102009035499A1 - Einzelzelle für eine Batterie - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle (1) für eine Batterie, umfassend eine erste Gehäuseplatte (1.1) und eine zweite Gehäuseplatte (1.2), die durch einen isolierenden Gehäuserahmen (1.3) elektrisch voneinander getrennt sind, wobei zwischen der ersten Gehäuseplatte (1.1) und der zweiten Gehäuseplatte (1.2) in dem Gehäuserahmen (1.3) ein Elektrodenfolienstapel (2) angeordnet ist, wobei mindestens einer Oberflächenseite einer Gehäuseplatte (1.1, 1.2) wenigstens ein Kompensationselement (5) zugeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine Batterie, umfassend eine erste Gehäuseplatte und eine zweite Gehäuseplatte, die durch einen isolierenden Gehäuserahmen elektrisch voneinander getrennt sind, wobei zwischen der ersten Gehäuseplatte und der zweiten Gehäuseplatte in dem Gehäuserahmen ein Elektrodenfolienstapel angeordnet ist.
  • Aus 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.
  • Eine Einzelzelle, die als Rahmenflachzelle für eine solche Hochvolt-Batterie ausgeführt ist, weist wie aus dem Stand der Technik bekannt, zwei als planar ausgebildete Gehäuseteile, die durch einen Gehäuserahmen, wie zum Beispiel einen Kunststoffrahmen, elektrisch sowie räumlich voneinander getrennt sind, auf.
  • Die mit elektrochemisch wirksamen Materialien beschichteten Elektrodenfolien sind im Gehäuserahmen zu einem Elektrodenfolienstapel zusammengefasst angeordnet, wobei die einzelnen Elektrodenfolien durch einen Separator voneinander getrennt sind. Die Gehäuseteile bestehen im Allgemeinen aus Metall und leiten die durch Laden und Entladen der Einzelzelle entstehende Wärme an eine mit einem Wärmeleitmedium oder einem Klimakühlmittel durchströmte Wärmeleitplatte ab. Die Wärmeleitplatte besteht ebenfalls aus Metall und ist durch ein Isolationsmedium vom entsprechenden Gehäuseteil getrennt. Die Enden der Elektrodenfolien sind als ein nach außen geführter Randbereich in Form einer Stromableiterfahne elektrisch leitend ausgeführt. Dabei sind die Stromableiterfahnen der Elektrodenfolien, z. B. durch Schweißung, elektrisch leitend zu einem Pol miteinander verbunden, wobei dieser wiederum mit dem metallischen Gehäuseteil elektrisch leitend verbunden ist. Das Laden und Entladen der Einzelzelle sowie eine auf diese wirkende Temperatur kann zur Volumenzunahme des Elektrodenfolienstapels, insbesondere aufgrund von Ausdehnung führen, wodurch ein Gehäuse der Einzelzelle zerstört werden kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einzelzelle einer Batterie anzugeben, bei der eine Lebensdauer der Einzelzelle bei hohen Temperaturen erhöht und eine mechanische Stabilität der Einzelzelle und somit der Batterie verbessert ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Einzelzelle umfasst eine erste Gehäuseplatte und eine zweite Gehäuseplatte, die durch einen isolierenden Gehäuserahmen elektrisch und räumlich voneinander getrennt sind, wobei zwischen der ersten Gehäuseplatte und der zweiten Gehäuseplatte in dem Gehäuserahmen ein Elektrodenfolienstapel angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist mindestens einer Oberflächenseite einer Gehäuseplatte ein Kompensationselement zugeordnet.
  • Das Kompensationselement ist insbesondere angeordnet, um in Gewinn bringender Weise eine Volumenzunahme des Elektrodenfolienstapels zu kompensieren, wobei die Volumenzunahme des Elektrodenfolienstapels insbesondere bei Laden und Entladen der Einzelzelle sowie bei auf die Einzelzelle wirkenden hohen Temperaturen auftreten kann.
  • Durch die Zuordnung von mindestens einem Kompensationselement ist eine Stabilität der Einzelzelle bei Ausdehnung des Elektrodenfolienstapels sichergestellt. Das Kompensationselement kompensiert die Volumenzunahme, wodurch eine Gefahr eines Austritts von Elektrolyt durch ein beschädigtes Gehäuse der Einzelzelle in vorteilhafter Weise verringert ist.
  • Darüber hinaus ändert sich eine Längsausdehnung eines aus Einzelzellen gebildeten Zellenverbundes nicht, da die Einzelzellen die Volumenzunahme durch das wenigstens eine Kompensationselement in vorteilhafter Weise selbst kompensieren.
  • In einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einzelzelle ist das Kompensationselement zwischen einer inneren Oberflächenseite der ersten Gehäuseplatte und dem Elektrodenfolienstapel und/oder zwischen einer inneren Oberflächenseite der zweiten Gehäuseplatte und dem Elektrodenfolienstapel angeordnet.
  • Dabei ist das Kompensationselement zum Ausgleich der Volumenzunahme, d. h. der Ausdehnung des Elektrodenfolienstapels infolge von Wärme, in vorteilhafter Weise elastisch ausgeführt, wobei das Kompensationselement als eine Kompensationsmatte ausgeführt sein kann. Beispielsweise können eine Kompensationsmatte oberhalb und eine weitere Kompensationsmatte unterhalb des Elektrodenfolienstapels angeordnet sein.
  • Insbesondere ist das Kompensationselement in Form der Kompensationsmatte aus Schaumstoff, Vlies und/oder einem anderen geeigneten Material gebildet. Die Kompensationsmatte weist insbesondere eine zum Ausgleich der Volumenzunahme geeignete Stauchhärte bzw. Eindruckhärte auf, wobei sich die die Kompensationsmatte bei Verringerung des Volumens wieder in ihren ursprünglichen Zustand ausdehnt.
  • Die Kompensationsmatte weist in vorteilhafter Weise Abmessungen auf, die weitestgehend den Abmessungen einer Elektrodenfolie entspricht. Dabei schützt die Kompensationsmatte gleichzeitig die entsprechende Gehäuseplatte vor einer Kontaktierung mit einer Elektrodenfolie anderer Polarität, wodurch ein Risiko eines Kurzschlusses innerhalb der Einzelzelle reduziert ist.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einzelzelle ist das Kompensationselement in die erste Gehäuseplatte und/oder die zweite Gehäuseplatte integriert.
  • Hierzu kann das Kompensationselement in Form einer rinnenförmigen Vertiefung in die erste Gehäuseplatte und/oder die zweite Gehäuseplatte eingebracht sein, wodurch die jeweilige Gehäuseplatte elastisch ausgeführt ist. Die rinnenförmige Vertiefung ist insbesondere manuell und/oder maschinell in die entsprechende Gehäuseplatte einbringbar.
  • Insbesondere ist das Kompensationselement in Form der rinnenförmigen Vertiefung in die erste Gehäuseplatte und/oder die zweite Gehäuseplatte einen jeweiligen Randbereich dieser umlaufend eingebracht.
  • Dabei wirkt die rinnenförmige Vertiefung vergleichsweise wie eine barometrische Dose (Vidie-Dose). Durch die rinnenförmige Vertiefung kann sich die entsprechende Gehäuseplatte bzw. können sich die Gehäuseplatten bei Zunahme des Volumens des Elektrodenfolienstapels nach außen wölben.
  • Sind die Einzelzellen zu einem Zellenverbund zusammengefasst, sind die Einzelzellen nur im Bereich des Gehäuserahmens aufeinander gestapelt, d. h. dass die Einzelzellen nur im Bereich der Gehäuserahmen aufeinander aufliegen.
  • Durch die Wölbung der Gehäuseplatte oder der Gehäuseplatten im Fall einer Volumenzunahme des Elektrodenfolienstapels ist eine Kontaktsicherheit bei elektrisch in Reihe verschalteter Einzelzellen erhöht, da eine Flächenpressung zwischen den Einzelzellen, insbesondere den Gehäuseplatten bei Zunahme des Volumens des Elektrodenfolienstapels vergrößert ist.
  • Insbesondere ist die rinnenförmige Vertiefung als Kompensationselement vorzugsweise derart in den jeweiligen Randbereich eingebracht, dass die rinnenförmige Vertiefung einen vorgebbaren Abstand zu dem Elektrodenfolienstapel sowie zu dem Gehäuserahmen aufweist.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist das Kompensationselement in Form wenigstens einer Ausformung in die erste Gehäuseplatte und/oder die zweite Gehäuseplatte eingebracht. Dabei sind die Ausformungen insbesondere noppenartig ausgebildet.
  • Beispielsweise sind die noppenartigen Ausformungen sich gegenüberliegend in einem Eckbereich der ersten Gehäuseplatte und/oder der zweiten Gehäuseplatte eingebracht, wobei die noppenartigen Ausformungen an der ersten und/oder der zweiten Gehäuseplatten bzw. Gehäuseplatte im Bezug auf eine äußere Oberflächenseite nach außen gerichtet ausgebildet sind.
  • Dabei sind die noppenartigen Ausformungen in einem vorgebbaren Abstand zumindest zu dem Elektrodenfolienstapel angeordnet.
  • Bei dieser Ausführungsform ist eine Ausdehnung des Elektrodenfolienstapels wie bei der rinnenförmigen Vertiefung zulässig, da die noppenartigen Ausformungen eine Verformung der entsprechenden Gehäuseplatte kompensieren, wodurch sich eine Abmessung einer Längsausdehnung von zu einem Zellverbund zusammengefassten Einzelzellen nicht ändert. Sind die Einzelzellen des Zellverbundes in Reihe miteinander verschaltet, ist die elektrische Kontaktierung über die noppenartigen Ausformungen realisiert. Die durch die Wölbung der ersten und/oder der zweiten Gehäuseplatte erhöhte Flächenpressung erhöht wiederum die Kontaktsicherheit zwischen den Einzelzellen.
  • Wie bereits oben beschrieben, können die Einzelzellen zu einem Zellverbund zusammengefasst werden, wobei der Zellverbund eine vorgebbare Anzahl von elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Einzelzellen aufweist. Beispielsweise sind die zu einem Zellenverbund zusammengefassten Einzelzellen über Druckplatten und/oder Spannbänder miteinander verpressbar. Hierzu können die Druckbleche planparallel zu den Einzelzellen angeordnet sein, wobei die Spannbänder jeweils eine Längsseite des Zellenverbundes randseitig umgeben können.
  • Die Batterie eignet sich insbesondere als Fahrzeugbatterie, insbesondere als Hochvolt-Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch eine Explosionsdarstellung einer Einzelzelle mit zwischen einer ersten Gehäuseplatte und einem Elektrodenfolienstapel und zwischen einer zweiten Gehäuseplatte und dem Elektrodenfolienstapel angeordneten Kompensationselement in Form einer Kompensationsmatte,
  • 2 schematisch eine Schnittdarstellung einer Ausschnittsvergrößerung einer Einzelzelle mit erfindungsgemäß angeordnetem Kompensationselement,
  • 3 schematisch einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Einzelzelle gemäß den 1 und 2,
  • 4 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Einzelzelle gemäß 1 im zusammengesetzten Zustand,
  • 5 schematisch eine Explosionsdarstellung einer Einzelzelle mit in eine erste und/oder eine zweite Gehäuseplatte integriertem Kompensationselement,
  • 6 schematisch eine Schnittdarstellung einer Ausschnittsvergrößerung einer Einzelzelle mit wenigstens einem in eine erste und ein zweite Gehäuseplatte eingebrachtem Kompensationselement,
  • 7 schematisch einen Längsschnitt einer gemäß in 5 und 6 dargestellten Einzelzelle,
  • 8 schematisch eine perspektivische Ausschnittsvergrößerung einer Einzelzelle mit in eine Gehäuseplatte eingebrachtem Kompensationselement ohne zweite Gehäuseplatte und ohne Gehäuserahmen,
  • 9 schematisch eine perspektivische Ansicht einer in den 5 bis 8 gezeigten Einzelzelle,
  • 10 schematisch eine Schnittdarstellung von zu einem Zellenverbund zusammengefassten Einzelzellen ohne Elektrodenfolienstapel,
  • 11 schematisch eine perspektivische Ansicht mit zumindest an einer Gehäuseplatte ausgebildeten noppenartigen Ausformungen als Kompensationselement,
  • 12 schematisch eine Explosionsdarstellung der in 11 gezeigten Einzelzelle,
  • 13 schematisch eine Schnittdarstellung einer Ausschnittvergrößerung einer erfindungsgemäßen Einzelzelle mit noppenartigen Ausformungen, die in eine erste und eine zweite Gehäuseplatte eingebracht sind,
  • 14 schematische eine Schnittdarstellung einer in den 11 bis 13 gezeigten erfindungsgemäßen Einzelzelle mit in eine erste und eine zweite Gehäuseplatte eingebrachten noppenartigen Ausformungen, und
  • 15 schematisch eine Schnittdarstellung von zu einem Zellenverbund zusammengefassten Einzelzellen ohne Elektrodenfolienstapel, wobei an jeweiligen Gehäuseplatten noppenartige Ausformungen ausgebildet sind.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist eine Explosionsdarstellung einer Einzelzelle 1, die als Rahmenflachzelle, im Weiteren als Rahmenflachzelle 1 bezeichnet, dargestellt. Die Rahmenflachzelle 1 ist insbesondere für eine Hochvolt-Batterie, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt.
  • Die Rahmenflachzelle 1 weist eine erste Gehäuseplatte 1.1, eine zweite Gehäuseplatte 1.2 und einen Gehäuserahmen 1.3 auf, wobei diese Bestandteile als Gehäuse zusammengefasst werden können.
  • Die erste Gehäuseplatte 1.1 und die zweite Gehäuseplatte 1.2 sind insbesondere aus einem Metall gebildet und durch den Gehäuserahmen 1.3 elektrisch sowie räumlich voneinander getrennt. Hierzu ist der Gehäuserahmen 1.3 vorzugsweise aus einem Kunststoff gebildet.
  • Im Zellinneren der Rahmenflachzelle 1 sind elektrochemisch aktive Elektrodenfolien 2.1, die in 2 näher dargestellt sind, zu einem Elektrodenfolienstapel 2 zusammengefasst, angeordnet. Zwischen den einzelnen Elektrodenfolien 2.1 sind Separatoren 3 angeordnet, wodurch die Elektrodenfolien 2.1 elektrisch voneinander getrennt sind.
  • Sich gegenüberliegende Enden der Elektrodenfolien 2.1 sind als ein nach außen geführter erster Randbereich und ein nach außen geführter zweiter Randbereich in Form einer ersten und einer zweiten Stromableiterfahne elektrisch leitend ausgeführt. Dabei ist die jeweilige Stromableiterfahne der Elektrodenfolien 2.1 einer Polarität, z. B. durch Schweißung, elektrisch leitend zu einem Pol 4 miteinander verbunden, wobei der jeweilige Pol 4 mit einer entsprechenden metallischen Gehäuseplatte 1.1, 1.2, elektrisch leitend verbunden ist. Dadurch sind die erste Gehäuseplatte 1.1 sowie die zweite Gehäuseplatte 1.2 der Rahmenflachzelle 1 Spannung führend ausgeführt.
  • Erfindungsgemäß ist mindestens an einer Oberflächenseite 1.1.1 der ersten Gehäuseplatte 1.1 und/oder an einer Oberflächenseite 1.2.1 der zweiten Gehäuseplatte 1.2 wenigstens ein Kompensationselement 5 angeordnet.
  • Dabei dient das Kompensationselement 5 einer Kompensation einer Ausdehnung, insbesondere einer Zunahme einer Dicke des Elektrodenfolienstapels 2, wobei eine Volumenzunahme des Elektrodenfolienstapels 2 bei Laden und Entladen und/oder bei einer hohen Temperatur, die auf die Rahmenflachzelle wirkt 1, auftreten kann. Hierzu ist das Kompensationselement 5 in vorteilhafter Weise elastisch ausgebildet.
  • Die Ausdehnung des Elektrodenfolienstapels 2 beruht auf einer Tatsache, dass beispielsweise beim Laden und Entladen der Rahmenflachzelle 1 Lithium-Atome in ein so genanntes nicht näher dargestelltes Kristallgitter des aktiven elektrochemischen Elektrodenmaterials ein- bzw. austritt. So werden beim Ladevorgang die Lithium-Atome in Graphitanoden zwischen einzelne Schichten des Kristallgitters eingelagert (interkaliert), wodurch eine Aufweitung von Schichtabständen und somit eine Volumenzunahme der Graphitanode nach sich zieht. Dieser Vorgang ist reversibel, d. h. dass sich beim Austrag der Lithium-Atome aus dem Kristallgitter die ursprünglichen Schichtabstände innerhalb des Elektrodenfolienstapels 2 wieder einstellen.
  • In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind als Kompensationselemente 5 eine erste Kompensationsmatte 5.1 zwischen einer inneren Oberflächenseite 1.1.1 der ersten Gehäuseplatte 1.1 und dem Elektrodenfolienstapel 2 und eine zweite Kompensationsmatte 5.2 zwischen einer inneren Oberflächenseite 1.2.1 der zweiten Gehäuseplatte 1.2 und dem Elektrodenfolienstapel 2 angeordnet. Durch die Anordnung der Kompensationselemente 5 in Form der ersten Kompensationsmatte 5.1 und der zweiten Kompensationsmatte 5.2 wird in vorteilhafter Weise eine Volumenzunahme des Elektrodenfolienstapels 2 kompensiert.
  • Das elastisch ausgebildete Kompensationselement 5 in Form der Kompensationsmatten 5.1, 5.2 ist hierzu insbesondere aus Vlies, Schaumstoff und/oder einem anderen geeigneten Material ausgeführt. Insbesondere weist das Vlies, der Schaumstoff und/oder das andere geeignete Material eine zum Ausgleich der Volumenzunahme des Elektrodenfolienstapels 2 geeignete Stauchhärte bzw. Eindruckhärte auf.
  • Zusätzlich kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung ein Material zur Ausführung der ersten und/oder der zweiten Kompensationsmatte 5.1, 5.2 gewählt werden, mittels welchem eine effiziente Abführung einer in der Rahmenflachzelle 1 bei Laden und Entladen entstehenden Wärme realisierbar ist.
  • Die jeweilige Kompensationsmatte 5.1, 5.2 weist insbesondere Abmessungen auf, die weitestgehend den Abmessungen einer Elektrodenfolie 2.1 entsprechen. Dabei sind die Abmessungen derart gewählt, dass die jeweilige Kompensationsmatte 5.1, 5.2 nicht zwischen dem jeweiligen Pol 4 und der entsprechenden inneren Oberflächenseite 1.1.1, 1.2.1 der Gehäuseplatten 1.1, 1.2 angeordnet ist und der jeweilige Pol 4 somit elektrisch leitend mit der entsprechenden Gehäuseplatte 1.1, 1.2 verbunden ist, wie in 2 im Detail gezeigt.
  • Vorzugsweise kompensiert das Kompensationselement 5 in Form der ersten und der zweiten Kompensationsmatte 5.1, 5.2 einerseits die Volumenzunahme des Elektrodenfolienstapels 2 und andererseits ist die jeweilige Gehäuseplatte 1.1, 1.2 vor einer Kontaktierung mit einer Elektrodenfolie 2.1 anderer Polarität geschützt, wodurch zusätzlich ein Schutz vor einem Kurzschluss innerhalb der Rahmenflachzelle 1 realisiert ist.
  • 2 zeigt eine Vergrößerung eines Ausschnittes der Rahmenflachzelle 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Bestandteile der Rahmenflachzelle 1 detailliert dargestellt sind.
  • Insbesondere ist zwischen der jeweiligen Kompensationsmatte 5.1, 5.2 und dem Elektrodenfolienstapel 2 vorzugsweise ein Separator 3 angeordnet, wodurch bei Beschädigung der jeweiligen Kompensationsmatte 5.1, 5.2 besonders bevorzugt eine elektrische Trennung zwischen der entsprechenden Gehäuseplatte 1.1, 1.2 und dem Elektrodenfolienstapel 2 sichergestellt ist.
  • Darüber hinaus ist zwischen der ersten Gehäuseplatte 1.1 und der zweiten Gehäuseplatte 1.2, der dem jeweiligen Pol 4 gegenüberliegenden Seitenwand, und der entsprechenden Kompensationsmatte 5.1, 5.2 ein Spalt 6 zwischen der jeweiligen Kompensationsmatte 5.1, 5.2 und dem Gehäuserahmen 1.3 freigelassen, um beispielsweise die in der Rahmenflachzelle 1 entstehende Wärme abzuführen.
  • 3 zeigt eine Schnittdarstellung, insbesondere einen Längsschnitt, der erfindungsgemäßen Rahmenflachzelle 1.
  • In 4 ist die in 1 in der Explosionsdarstellung gezeigte Rahmenflachzelle 1 mit erfindungsgemäß angeordneten elastischen Kompensationselementen 5 in Form der ersten und der zweiten Kompensationsmatte 5.1, 5.2 im zusammengesetzten Zustand dargestellt.
  • In den 5 bis 9 ist die erfindungsgemäße Rahmenflachzelle 1 gezeigt, wobei das Kompensationselement 5 in einer alternativ zu der als Kompensationsmatte 5.1, 5.2 ausgeführten Form in die erste und/oder in die zweite Gehäuseplatte 1.1, 1.2 integriert ist.
  • Im Detail ist in 5 eine Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Rahmenflachzelle 1 mit einer rinnenförmigen Vertiefung 5.3 als Kompensationselement 5 dargestellt. Dabei ist die rinnenförmige Vertiefung 5.3 sowohl in die erste Gehäuseplatte 1.1 als auch in die zweite Gehäuseplatte 1.2 eingebracht, wodurch diese in vorteilhafter Weise elastisch ausgeführt sind.
  • Insbesondere ist die rinnenförmige Vertiefung 5.3 einen Randbereich der entsprechenden Gehäuseplatte 1.1, 1.2 umlaufend in diesen eingebracht und weist einen vorgebbaren ersten Abstand a1 zu den als Pol 4 miteinander verbundenen Stromableiterfahnen der Elektrodefolien 2.1 gleicher Polarität der Rahmenflachzelle 1 auf, wie in 6 gezeigt ist.
  • Ebenso weist die rinnenförmige Vertiefung 5.3 im Bereich der Pole 4 einen vorgebbaren Abstand zu dem Gehäuserahmen 1.3 auf.
  • Das Kompensationselement 5 in Form der in die erste und die zweite Gehäuseplatte 1.1, 1.2 eingebrachten rinnenförmigen Vertiefung 5.3 wirkt dabei nach dem Prinzip einer barometrischen Dose, die auch als Vidie-Dose bekannt ist.
  • Dehnt sich der Elektrodenfolienstapel 2 aus, können bzw. kann sich die erste Gehäuseplatte 1.1 und/oder die zweite Gehäuseplatte 1.2 entsprechend der Volumenzunahme des Elektrodenfolienstapels 2 durch die rinnenförmigen Vertiefung 5.3 nach außen wölben. Hierzu ist die entsprechende Gehäuseplatte 1.1, 1.2 derart ausgeführt, dass ein vorgebbarer zweiter Abstand a2 der Gehäuseplatten 1.1, 1.2 zueinander, insbesondere im Bereich des Elektrodenfolienstapels 2, kleiner gewählt ist als ein vorgebbarer dritter Abstand a3 der Gehäuseplatten 1.1, 1.2 im Bereich des Gehäuserahmens 1.3.
  • Dadurch, dass der vorgebbare zweite Abstand a2 der Gehäuseplatten 1.1, 1.2 kleiner gewählt ist, ändert sich bei Wölbung der ersten Gehäuseplatte 1.1 und/oder der zweiten Gehäuseplatte 1.2 im Bereich des Elektrodenfolienstapels 2 in besonders vorteilhafter Weise eine maximale Dicke 7 der Rahmenflachzelle 1 nicht. Dabei entspricht die maximale Dicke 7 der Rahmenflachzelle 1 dem dritten Abstand a3 der Gehäuseplatten 1.1, 1.2, insbesondere im Bereich des Gehäuserahmens 1.3 zuzüglich einer Dicke der jeweiligen Gehäuseplatte 1.1, 1.2.
  • Die rinnenförmige Vertiefung 5.3 ist beispielsweise in die erste Gehäuseplatte 1.1 und/oder die zweite Gehäuseplatte 1.2 manuell und/oder maschinell durch Verformung einbringbar.
  • 7 zeigte eine Schnittdarstellung, insbesondere einen Längsschnitt, der erfindungsgemäßen Rahmenflachzelle 1 mit als Kompensationselement 5 in die erste und die zweite Gehäuseplatte 1.1, 1.2 eingebrachten rinnenförmigen Vertiefungen 5.3.
  • In 8 ist ein vergrößerter Ausschnitt der erfindungsgemäßen Rahmenflachzelle 1 gemäß den 5 bis 7 ohne zweite Gehäuseplatte 1.2 und ohne Gehäuserahmen 1.3 dargestellt.
  • 9 zeigt die in 5 in der Explosionsdarstellung gezeigte Rahmenflachzelle 1 im zusammengesetzten Zustand.
  • In 10 ist ein Zellenverbund 8 dargestellt, der aus aufeinander gestapelten Rahmenflachzellen 1, gemäß den 5 bis 9, gebildet ist. Der Zellenverbund 8 ist insbesondere wesentlicher Bestandteil einer Batterie, insbesondere einer Hochvolt-Batterie, beispielsweise einer Lithium-Ionen-Batterie.
  • Die Batterie ist eine Fahrzeugbatterie, welche insbesondere in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb oder in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug einsetzbar ist.
  • Dabei sind die den Zellenverbund 8 bildenden Rahmenflachzellen 1 parallel und/oder seriell miteinander verschaltet.
  • Beim Aufeinanderstapeln der Rahmenzellen 1 liegen diese mit deren Gehäuseplatten 1.1, 1.2 nur im Bereich des Gehäuserahmens 1.3 aufeinander, um eine elektrische Kontaktierung herzustellen. Dadurch erhöht sich eine Kontaktsicherheit, insbesondere bei in Reihe verschalteter Rahmenflachzellen 1 durch Erhöhung einer Flächenpressung bei Ausdehnung des im Zellinneren der Rahmenflachzelle 1 angeordneten Elektrodenfolienstapels 2, der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht dargestellt ist.
  • Aus der Volumenzunahme des Elektrodenfolienstapels 2 resultiert besonders vorteilhaft keine Änderung einer Höhe h des Zellenverbundes 8, da sich die im Bereich des Elektrodenfolienstapels 2.1 zurückgesetzten Gehäuseplatten 1.1, 1.2 aufgrund der als Kompensationselement 5 ausgebildeten Vertiefung 5.3 wölbenförmig ausdehnen können.
  • Die 11 bis 14 zeigen eine weitere alternative Ausführungsform des Kompensationselementes 5 der erfindungsgemäßen Rahmenflachzelle 1. Das Kompensationselement 5 ist dabei als noppenartige Ausformung 5.4 ausgeführt, die wie die rinnenförmigen Vertiefungen 5.3 ebenfalls in die erste Gehäuseplatte 1.1 und/oder die zweite Gehäuseplatte 1.2 eingebracht ist.
  • Beispielsweise sind die noppenartigen Ausformungen 5.4 als Kompensationselement 5 sich gegenüberliegend in einem jeweiligen Eckbereich der ersten Gehäuseplatte 1.1 und/oder der zweiten Gehäuseplatte 1.2 eingebracht.
  • Auch bei dieser Ausführungsform des Kompensationselementes 5 ist eine Ausdehnung der ersten Gehäuseplatte 1.1 und/oder der zweiten Gehäuseplatte 1.2 der Rahmenflachzelle 1 zulässig.
  • Beispielsweise weisen die noppenförmigen Ausformungen 5.4 als Kompensationselement 5 Abmessungen bezüglich eines Durchmessers auf, die größer gewählt sind als eine Breite des Gehäuserahmens 1.3.
  • 12 zeigt die in 11 dargestellte Rahmenflachzelle 1 in einer Explosionsdarstellung.
  • In 13 ist ein Ausschnitt der erfindungsgemäßen Rahmenflachzelle 1, insbesondere der noppenförmigen Ausformungen 5.4, dargestellt.
  • Die noppenförmigen Ausformungen 5.4 sind dabei derart an der entsprechenden Gehäuseplatte 1.1, 1.2 ausgeformt bzw. in dieses eingebracht, dass eine die noppenförmige Ausformung 5.4 umlaufende rinnenartige Umrandung 5.4.1 eine Tiefe t aufweist, die in Richtung Zellinneres ausgebildet ist. Die Tiefe t der rinnenartigen Umrandung 5.4.1 entspricht dabei etwa einem Viertel einer Dicke 7 der Rahmenflachzelle 1.
  • Eine Oberseite 5.4.2 der noppenförmigen Ausformung 5.4 ragt über eine äußere Oberflächenseite 1.1.2, 1.2.2 der entsprechenden Gehäuseplatte 1.1, 1.2 hinaus, wobei eine Abmessung eines überstehenden Teiles 5.4.3 der noppenförmigen Ausformung 5.4 ca. einem Zehntel der maximalen Dicke 7 der Rahmenflachzelle 1 entspricht.
  • Darüber hinaus weist die rinnenartige Umrandung 5.4.1 der noppenförmigen Ausformung 5.4 einen vorgebbaren vierten Abstand a4 zu dem Elektrodenfolienstapel 2 und einen vorgebbaren fünften Abstand a5 zu dem Gehäuserahmen 1.3 der Rahmenflachzelle 1 auf.
  • In 14 ist eine Schnittdarstellung, insbesondere ein Längsschnitt der in den 11 bis 13 dargestellten erfindungsgemäßen Rahmenflachzelle 1 dargestellt.
  • 15 zeigt einen Zellenverbund 8, der aus Rahmenflachzellen 1 gebildet ist, die jeweils in deren Eckbereich sich gegenüberliegend noppenförmige Ausformungen 5.4 aufweisen. Sind die Rahmenflachzellen 1 aufeinander gestapelt, liegen die Rahmenflachzellen 1 zur elektrischen Kontaktierung nur mit den noppenförmigen Ausformungen 5.4, insbesondere deren Oberseiten 5.4.2, aufeinander auf.
  • Durch die vergrößerte Flächenpressung bei Ausdehnung der Rahmenflachzelle 1 durch Zunahme des Volumens des Elektrodenfolienstapels 2 erhöht sich vorteilhaft eine Kontaktsicherheit, insbesondere bei in Reihe verschalteter Rahmenflachzellen 1.
  • Aus der Volumenzunahme des im Zellinneren der Rahmenflachzelle 1 angeordneten Elektrodenfolienstapels 2 ändert sich die Höhe h des Zellenverbundes 8 nicht, da sich das Kompensationselement 5 (auch elastische Element genannt) in Form der noppenförmigen Ausformungen 5.4 unter Wirkung von Kraft, beispielsweise durch die Kraft, die durch nicht näher dargestellte Druckplatten zur Vorspannung des Zellenverbundes 8 aufgebracht wird, verformt, d. h. in Richtung Zellinneres gedrückt wird.
  • Dadurch, dass die erfindungsgemäße Rahmenflachzelle 1 wenigstens ein elastisches Kompensationselement 5 aufweist, wodurch eine Volumenzunahme des Elektrodenfolienstapels 2 kompensierbar ist, ist in Gewinn bringender Weise eine Lebensdauer sowie eine mechanische Stabilität der Rahmenflachzelle 1 und somit auch des Zellenverbundes 8 und insbesondere der Batterie erhöht.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Einzelzelle
    1.1
    erste Gehäuseplatte
    1.1.1
    innere Oberflächenseite
    1.1.2
    äußere Oberflächenseite
    1.2
    zweite Gehäuseplatte
    1.2.1
    innere Oberflächenseite
    1.2.2
    äußere Oberflächenseite
    1.3
    Gehäuserahmen
    2
    Elektrodenfolienstapel
    2.1
    Elektrodenfolie
    3
    Separator
    4
    Pol
    5
    elastisches Element
    5.1
    erste Kompensationsmatte
    5.2
    zweite Kompensationsmatte
    5.3
    rinnenförmige Vertiefung
    5.4
    noppenförmige Ausformung
    5.4.1
    rinnartige Umrandung
    5.4.2
    Oberseite
    5.4.3
    überstehender Teil
    6
    Spalt
    7
    maximale Dicke
    8
    Zellenverbund
    a1
    vorgebbarer erster Abstand
    a2
    vorgebbarer zweiter Abstand
    a3
    vorgebbarer dritter Abstand
    a4
    vorgebbarer vierter Abstand
    a5
    vorgebbarer fünfter Abstand
    h
    Höhe Zellenverbund
    t
    Tiefe

Claims (15)

  1. Einzelzelle (1) für eine Batterie, umfassend eine erste Gehäuseplatte (1.1) und eine zweite Gehäuseplatte (1.2), die durch einen isolierenden Gehäuserahmen (1.3) elektrisch voneinander getrennt sind, wobei zwischen der ersten Gehäuseplatte (1.1) und der zweiten Gehäuseplatte (1.2) in dem Gehäuserahmen (1.3) ein Elektrodenfolienstapel (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer Oberflächenseite einer Gehäuseplatte (1.1, 1.2) wenigstens ein Kompensationselement (5) zugeordnet ist.
  2. Einzelzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (5) zwischen einer inneren Oberflächenseite (1.1.1, 1.2.1) der Gehäuseplatte (1.1, 1.2) und dem Elektrodenfolienstapel (2) angeordnet ist.
  3. Einzelzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (5) elastisch ausgebildet ist.
  4. Einzelzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (5) eine Kompensationsmatte (5.1, 5.2) ist.
  5. Einzelzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsmatte (5.1, 5.2) aus Schaumstoff, Vlies und/oder einem anderen geeigneten Material gebildet ist.
  6. Einzelzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsmatte (5.1, 5.2) Abmessungen aufweist, die weitestgehend den Abmessungen einer Elektrodenfolie (2.1) entsprechen.
  7. Einzelzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (5) in die erste Gehäuseplatte (1.1) und/oder die zweite Gehäuseplatte (1.2) integriert ist.
  8. Einzelzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (5) in Form von rinnenförmigen Vertiefungen (5.3) in die erste Gehäuseplatte (1.1) und/oder die zweite Gehäuseplatte (1.2) eingebracht ist.
  9. Einzelzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die rinnenförmige Vertiefung (5.3) in die erste Gehäuseplatte (1.1) und/oder die zweite Gehäuseplatte (1.2) einen jeweiligen Randbereich der ersten Gehäuseplatte (1.1) und/oder der zweiten Gehäuseplatte (1.2) umlaufend eingebracht sind bzw. ist.
  10. Einzelzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die rinnenförmige Vertiefung (5.3) derart in den jeweiligen Randbereich eingebracht ist, dass die rinnenförmige Vertiefung (5.3) in einem vorgebbaren ersten Abstand (a1) zu einem jeweiligen Pol (4) des Elektrodenfolienstapels (2) eingebracht ist.
  11. Einzelzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (5) in Form mindestens einer Ausformung (5.4) in die erste Gehäuseplatte (1.1) und/oder die zweite Gehäuseplatte (1.2) eingebracht ist.
  12. Einzelzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformung (5.4) noppenartig ausgebildet ist.
  13. Einzelzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformungen (5.4) sich gegenüberliegend in einem Eckbereich der ersten Gehäuseplatte (1.1) und/oder der zweiten Gehäuseplatte (1.2) eingebracht sind.
  14. Zellenverbund (8) mit einer vorgebbaren Anzahl von elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Einzelzellen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13 für eine Batterie.
  15. Batterie mit einem Zellenverbund (8) nach Anspruch 14 mit Einzelzellen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug ist.
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