DE102009037726A1

DE102009037726A1 - Galvanische Zelle mit Rahmen und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102009037726A1
Application number: DE102009037726A
Authority: DE
Inventors: Tim Schäfer; Andreas Dr. Gutsch
Original assignee: Li Tec Battery GmbH
Current assignee: Li Tec Battery GmbH
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2011-02-24
Also published as: JP2013502672A; CN102484223A; WO2011020546A1; BR112012002771A2; KR20120083287A; US20120214055A1; EP2467885A1

Abstract

Ein Rahmen für eine galvanische Zelle aus einem Elektrodenstapel mit einer folienartigen Verpackung, aus der wenigstens zwei Ableiter herausgeführt sind, ist so ausgestaltet, dass er mit der Verpackung der Zelle bei der Herstellung der Zelle fest verbunden werden kann. Bei der Herstellung einer solchen galvanischen Zelle wird beim Verschließen der Verpackung ein Rahmen fest mit der Verpackung verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine galvanische Zelle, mit einem Rahmen und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Bekannt sind flach und rechteckig gebaute Zellen (Batteriezellen, Kondensatoren, etc.), deren elektrochemisch wirksamer Inhalt von einer folienartigen Verpackung, beispielsweise einer dünnen Aluminiumfolie, die beidseitig kunststoffbeschichtet ist, umgeben ist, durch die elektrische Anschlüsse in Blechform (sog. „Ableiter”) geführt sind. Im Unterschied zu anderen Zellbauformen ist die Verpackung solcher Zellen nicht spannungsführend, da die Ableiter isoliert durch die Verpackung geführt werden. Derart aufgebaute Batteriezellen werden auch als Pouch- oder auch als Coffeebag-Zellen bezeichnet.
Bei verschiedenen Anwendungen, z. B. in Elektro- oder Hybridfahrzeugen, sind einzelne galvanische Zellen in Reihe und bzw. oder parallel geschaltet und befinden sich häufig mit einer dazugehörigen Elektronik in einem Gehäuse. Wegen der häufig nicht sehr hohen mechanischen Belastbarkeit der in eine Folie eingeschweißten Pouchzellen können diese häufig nicht direkt ins Batteriegehäuse eingebaut werden, sondern müssen zunächst durch geeignete Stützkonstruktionen mechanisch stabilisiert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anwendung und die Behandlung galvanischer Zellen zu erleichtern und die mit der Empfindlichkeit ihrer Verpackungsfolie verbundenen Probleme zu entschärfen oder möglichst zu lösen. Diese Aufgabe wird durch ein Erzeugnis bzw. ein Verfahren nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Erfindungsgemäß ist ein Rahmen für eine galvanische Zelle vorgesehen. Die Zelle besteht dabei im Wesentlichen aus einem Elektrodenstapel und einer folienartigen Verpackung aus der wenigstens zwei Ableiter herausgeführt sind. Der Rahmen ist so ausgestaltet, dass er mit der Verpackung der Zelle bei der Herstellung der Zelle fest verbunden werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer galvanischen Zelle wird beim Verschließen der Verpackung ein Rahmen fest mit der Verpackung verbunden.
Im Folgenden werden einige Begriffe erläutert, die in der weiteren Beschreibung in der Erfindung verwendet werden.
Der Begriff Elektrodenstapel wird als Bezeichnung für den elektrochemisch wirksamen Inhalt einer galvanischen Zelle jedweder Bauart verwendet. Im Gegensatz dazu wird unter der Verpackung einer Zelle das nicht an der elektrochemischen Reaktion beteiligte Material verstanden, das den Elektrodenstapel von der Umwelt abschließt.
Wenn in diesem Zusammenhang von einer folienartigen Verpackung die Rede ist, dann sollen darunter alle Arten von Verpackungen oder Einschlüssen verstanden werden, die den Zweck erfüllen, den Elektrodenstapel mit einem vorzugsweise geringen Materialeinsatz wirkungsvoll gegen die Umgebung abzuschirmen und abzuschließen. Der Abschluss soll dabei gegen einen Transfer von Materie und von elektrischen Strömen wirken. Unter diesen Begriff fallen auch aber nicht ausschließlich Folien im üblichen Sinn, insbesondere auch kunststoffbeschichtete Metallfolien.
Als Ableiter werden im Sinne der vorliegenden Erfindung elektrische Leiter bezeichnet, die durch die Verpackung nach außen geführt werden, damit ein Transport von elektrischer Ladung in die Zelle oder aus der Zelle stattfinden kann.
Unter einem Rahmen im Sinne der vorliegenden Erfindung soll jede konstruktive Einrichtung verstanden werden, die geeignet ist, die Zelle mechanisch gegen Umwelteinflüsse zu stabilisieren und die bei der Herstellung der Zelle mit der Verpackung der Zelle fest verbunden werden kann. Wie die Wortwahl bereits andeutet, ist ein Rahmen vorzugsweise eine im Wesentlichen rahmenförmige Einrichtung, deren Funktion im Wesentlichen darin besteht, einer galvanischen Zelle mechanische Stabilität zu verleihen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und mithilfe von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigt
1 eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zelle mit integriertem Rahmen von vorn;
2 eine Ansicht des gleichen Ausführungsbeispiels von hinten;
3 eine Explosionsdarstellung dieser Zelle von vorn und
4 eine Explosionsdarstellung dieser Zelle von hinten;
5 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Rahmen mit der nach außen verlängerten Innenseite der Verpackungsfolie verschweißt ist;
6 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Rahmen mit der Außenseite der Verpackungsfolie im Bereich der Siegelung der beiden Folien verschweißt ist;
7 den prinzipiellen Aufbau einer typischen Verpackungsfolie galvanischer Zellen;
8 den Aufbau eines Zellenblocks aus galvanischen Zellen nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 eine Ansicht einer galvanischen Zelle gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung mit einem Rahmen mit Löchern für einen Zuganker und Ableitern, die teilweise um den Rahmen gebogen und kraftschlüssig kontaktiert sind;
10 eine Explosionsdarstellung der in 9 gezeigten Zelle;
11 die Ansicht eines Zellenblocks aus einzelnen Zellen, wobei der Zuganker nicht dargestellt wurde;
12 eine Schnittdarstellung des in 11 gezeigten Zellenblocks;
13 die Ansicht einer erfindungsgemäßen Zelle nach einem weiteren Ausführungsbeispiels bei dem die Ableiter parallel zur Schweißung der Folie herausgeführt und kraftschlüssig kontaktiert sind;
14 eine Explosionsdarstellung der in 13 gezeigten Zelle;
15 eine weitere Explosionsdarstellung dieser Zelle;
16 verschiedene Schnittbilder durch eine galvanische Zelle nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und eine Schnittführungsskizze;
17 eine Schnittdarstellung durch eine Zelle nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Vergrößerung des Rahmenbereichs;
18 einen Zellenblock aus zellengemäß 13;
19 eine Schnittführungsskizze zur Erläuterung der Schnittführung bei der Erzeugung des in 20 dargestellten Schnitts und eine weitere Schnittführungsskizze zur Erläuterung der Schnittführung bei der Erzeugung der in 16 dargestellten Schnitte.
20 eine Schnittdarstellung durch den in 18 dargestellten Zellenblock
21 einen vergrößerten Ausschnitt der Darstellung in 20;
22 die Verschweißung des Randes einer Pouchzelle zwischen 2 Siegelbalken (Stand der Technik)
23 eine schematische Darstellung der Verschweißung einer Pouchzelle mit einem Rahmen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Verbindung der Außenseite der Verpackungsfolie der Zelle mit dem Rahmen gleichzeitig mit Verschluss der Zelle vorgenommen wird;
24 eine schematische Darstellung der Verschweißung einer Pouchzelle mit einem Rahmen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Verbindung der Innenseite der Verpackungsfolie der Zelle mit dem Rahmen vorgenommen wird, nachdem die Zelle bereits vorher zugeschweißt wurde;
25 eine schematische Darstellung der Verschweißung einer Pouchzelle mit einem Rahmen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Verbindung der Außenseite der Verpackungsfolie der Zelle mit dem Rahmen vorgenommen wird, nachdem die Zelle bereits vorher zugeschweißt wurde;
26a das Ergebnis der in 23 dargestellten Verschweißung der Innenseite der überstehenden Verpackungsfolie der Zelle mit dem Rahmen, wobei die Schweißnaht parallel zur Zelle verläuft, in einer Schrägansicht;
26b eine Ausschnittsvergrößerung der 26a;
27 einen Schnitt durch den Rahmenbereich des in 26a dargestellten Ausführungsform;
28 eine Explosionsdarstellung der in 26a gezeigten Ausführungsform;
29a eine Darstellung der in 26a gezeigten Ausführungsform mit schraffierter Darstellung der Fügefläche zum Rahmen;
29b eine Ausschnittsvergrößerung der 29a;
30a das Ergebnis der in 24 dargestellten Verschweißung der Innenseite der überstehenden Verpackungsfolie der Zelle mit dem Rahmen, wobei die Schweißnaht senkrecht zur Zelle verläuft, in einer Schrägansicht;
30b eine Ausschnittsvergrößerung der 30a;
31 einen Schnitt durch den Rahmenbereich des in 30a dargestellten Ausführungsform;
32 eine Explosionsdarstellung der in 26a gezeigten Ausführungsform;
33a eine Darstellung der in 30a gezeigten Ausführungsform mit schraffierter Darstellung der Fügefläche zum Rahmen;
und
33b eine Ausschnittsvergrößerung der 33a.
Die Erfindung geht von einer galvanischen Zelle aus, die im Wesentlichen aus einem Elektrodenstapel mit einer folienartigen Verpackung besteht, aus der wenigstens zwei Ableiter herausgeführt sind. Eine solche galvanische Zelle wird erfindungsgemäß durch einen Rahmen stabilisiert, der so ausgestaltet ist, dass er mit der Verpackung der Zelle bei der Herstellung der Zelle fest verbunden werden kann. Bei entsprechender Ausgestaltung einiger Ausführungsformen der Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die galvanischen Zellen nicht erst beim Einbau in eine Batterie durch eine dann herzustellende Verbindung mit einem Rahmen oder einem Gestell stabilisiert werden, sondern dass die Zelle bereits vor dem Einbau in einen Zellenblock durch den erfindungsgemäßen Rahmen stabilisiert ist. Das erfindungsgemäße Verfahren, demzufolge der Rahmen bereits beim Verschließen der Verpackung mit der Zelle verbunden wird hat ferner den Vorteil, dass die Zelle bereits im weiteren Fertigungsprozess, d. h. bei ihrer Füllung, bei der Formierung, beim planmäßigen Altern („aging”) oder beim sog. „grading” bereits gegen mechanische Einflüsse geschützt ist.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Rahmenverbindung der Zelle eignen sich je nach Anwendungszweck insbesondere stoffschlüssige Verfahren wie z. B. Klebungen oder ähnliche Verfahren. Vorzugsweise kann der Rahmen auch durch eine Heißpressung oder Heißsiegelung, die vorzugsweise durch ein partielles Aufschmelzen einer zwischen den Fügepartnern befindlichen thermoplastischen Schicht mit nachfolgender Erkaltung unter Druckkraft ausgeführt wird, mit der Verpackungsfolie verbunden werden, die häufig ohnehin mit einer entsprechenden, hierfür geeigneten Beschichtung versehen ist.
Unter dem Begriff Heißsiegeln versteht man ein Verfahren zum Verbinden thermoplastischer Schmelzschichten von Verpackungsmaterialien (z. B. Verbundfolien), vorzugsweise durch Heißpressen. Das Heißsiegeln ist in der Verpackungstechnologie ein bedeutendes Verfahren zum Verschweißen von Folien. Man unterscheidet im Wesentlichen die folgenden beiden Varianten:

a) Siegeln mit Heizstab oder Heizlineal zwischen Siegelbacken, auch als Kontaktsiegeln bezeichnet, und
b) Impulssiegeln.

Bei der ersten Variante trägt eine vorzugsweise bewegliche Siegelbacke einen beheizten Stab. Eine vorzugsweise feststehende untere Siegelbacke ist häufig mit einer Oberfläche aus elastischem Material ausgerüstet, um Unebenheiten in der Siegelnaht auszugleichen. Siegelelemente dieser Art werden in vielen marktgängigen Maschinen zur Herstellung und zum Verschließen von Beuteln und in Form-, Füll-, und Verschließmaschinen eingesetzt.
Bei sehr langen Siegelnähten müssen die Heizstäbe häufig äußerst maßgenau und ohne jede Abweichung gearbeitet sein, um einen gleichmäßigen Druck über die gesamte Siegelfläche zu gewährleisten. Um saubere Siegelnähte zu erzielen, werden die Folien vor Eintritt in das Siegelwerkzeug häufig mit Hilfe von Streckvorrichtungen flachgelegt. Eine andere Möglichkeit ist die Anwendung von Heizstäben mit sägeartiger Siegelfläche, jedoch besteht dann die Gefahr der Lochbildung.
Für die federnde Oberfläche der feststehenden, kalten Siegelbacke hat sich Silikongummi bewährt. Oft gibt man diesem Gegendruckbalken eine leicht gewölbte Form. Beim Siegelvorgang wird zunächst in der Mitte der Siegelnaht ein Druck aufgebaut, der sich beim Schließen des Werkzeugs zu den Rändern hin ausbreitet. So soll eine optimale Siegelnaht erzeugt werden. Außerdem sollen kleine Flüssigkeitströpfchen aus dem Siegelbereich herausgedrückt werden, die durch Entstehung von Wasserdampf die Siegelnaht zerstören würden.
Beim Impulssiegeln wird die Temperatur der Siegelbalken nur für einen eher kurzen Moment und nicht über den gesamten Siegelzyklus aufrechterhalten. Die nötige Wärme wird durch zwei kleine Widerstandselemente auf beiden Siegelbacken erzeugt.
Sobald das Siegelwerkzeug über der zu siegelnden Folie geschlossen ist, wird durch einen kurzen Stromstoß die Verschweißung durchgeführt. Im Vergleich zu den Heizstabsiegeln ist die Zeit der Wärmeeinwirkung kürzer und die überschüssige Wärme wird sofort abgeleitet. Die Siegelfläche des Werkzeugs kann noch durch eine dünne, isolierende Folie aus hitzebeständigem Material abgedeckt sein, um ein Festkleben des gesiegelten Materials zu verhindern.
Durch eine großflächige Anbindung der Verpackungsfolie an den Rahmen lassen sich mechanische Spannungsspitzen, die bei der Belastung der Konstruktion ansonsten leicht entstehen könnten, weitgehend vermeiden. Die Verbindung zum Rahmen kann an der Innenseite der Verpackungsfolie vorgenommen werden, die häufig mit Polypropylen beschichtet ist. 5 zeigt eine solche Verbindung des Rahmens mit der Innenseite der Verpackungsfolie.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es auch möglich, den Rahmen mit der Außenseite der Verpackung zu verbinden, die häufig mit Polyamid beschichtet ist. Eine solche Ausführungsform der Erfindung ist in 6 dargestellt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, den Verschluss der Zelle, d. h. die Verbindung der beiden Teile der Verpackungsfolie und die Verbindung mit dem Rahmen in einem Arbeitsschritt vorzunehmen.
Zur Vereinfachung des Aufbaus eines Zellenblocks aus erfindungsgemäßen galvanischen Zellen ist es vorteilhaft und deshalb bevorzugt, den Rahmen mit entsprechenden Formelementen wie z. B. Nasen oder Senkungen zu versehen die auf beispielsweise zwei Seiten des Rahmens so angeordnet sind, dass die entsprechenden Formelemente ineinander passend eingreifen können und so den Zusammenbau des Zellenbocks durch eine Förderung der bestimmungsgemäßen Ausrichtung der Zellen unterstützen.
Die erfindungsgemäßen Rahmen können an geeigneten Stellen vorzugsweise mit Bohrungen oder anderen Durchbrüchen versehen sein, durch die Zuganker eingebracht werden können, die den Zellenblock zusammenhalten.
Die 1 bis 4 zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welcher der Rahmen vorzugsweise aus Kunststoff ausgeführt ist und mit der Innenseite der Verpackungsfolie über eine Heißpressung verbunden. Die mit dem Rahmen verbundene Hälfte der Verpackungsfolie besteht bei diesem Ausführungsbeispiel über die andere Hälfte umlaufend über, wie dies in 5 dargestellt ist.
1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Zelle nach diesem Ausführungsbeispiel mit einem integrierten Rahmen 102, der mit der Verpackung der Zelle 103 verbunden ist. Aus der Verpackung heraus ragen die Ableiter 101 der Zelle. 2 zeigt die gleiche Zelle von der anderen Seite. Entsprechend bezeichnen die Bezugszeichen 201, 202 und 203 den Ableiter, den Rahmen und die Verpackung der Zelle. Eine Explosionsdarstellung dieser Zelle mit intergriertem Rahmen zeigt 3. Der Zellenstapel 301, mit dem der Zellenkopf mit seinen beiden Elektrodenbündeln 304, 305 elektrisch verbunden ist, und an dem die Ableiter 302, 303 angebracht sind, wird von beiden Seiten von einer Verpackungsfolie mit Teilen 306 und 307 verschlossen, die mechanisch durch einen Rahmen 308 stabilisiert wird. Eine entsprechende Explosionsdarstellung von der anderen Seite zeigt 4. Auch hier wird der Elektrodenstapel 401 mit den Elektrodenbündeln 404, 405 und den daran angebrachten Ableitern 402, 403 von den beiden Teilen 406, 407 der Folienverpackung umhüllt und eingeschlossen und durch den Rahmen 408 stabilisiert.
Den prinzipiellen Aufbau einer typischen Verpackungsfolie für galvanische Zellen zeigt 7. Eine Aluminiumfolie 702 ist von der einen Seite mit einem Polyamid 701 und von der anderen Seite mit einem Polypropylen 703 beschichtet. Andere Folien mit anderen Materialien, Schichtungen oder Beschichtungen sind selbstverständlich möglich.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Zellenblocks aus erfindungsgemäßen galvanischen Zellen mit integriertem Rahmen zeigt 8. Ein kompletter Zellenblock 801 wird aufgebaut, indem einem im Aufbau befindlichen Zellenblock 802 weitere Zellen, wie z. B. die mit dem Bezugszeichen 803 versehene Zelle mit Rahmen hinzugefügt werden. Die Zelle 803 besteht aus der eigentlichen Zelle 804 mit Ableitern 805, 806 die kraftschlüssig mit einem Rahmen 807 verbunden ist. Zur Stabilisierung des gesamten Zellenblocks werden Zuganker 808, 809, 810 und 811 durch entsprechende Bohrungen in den Rahmen hindurchgeführt.
Sind die Rahmen so ausgeführt, dass sie mit Strukturen wie z. B. Nasen oder Nuten versehen sind, die eine Zentrierung oder Ausrichtung der Zellen erleichtern, dann wird auch die Durchführung der Zuganker durch die Bohrungen erheblich erleichtert. In dieser Ausführungsform sind die Ableiter gewichtssparend um die Rahmen herumgelegt oder herumgebogen, wodurch eine massive Kontaktleiste entbehrlich wird.
9 zeigt eine detaillierte Darstellung einer solchen Zelle mit Ableitern die um die Rahmen herumgelegt sind. Die Zelle 901 hat einen Ableiter 904 der um den Rahmen 902 herumgelegt ist. Der Rahmen ist mit einem Loch 903 zur Durchführung von Zugankern versehen. 10 zeigt die gleiche Zelle in einer Explosionsdarstellung. Anders als in der Figur dargestellt, wird der Ableiter 1004 erst nach dem Anbringen des Rahmens 1002 um den Rahme herum gebogen. 11 zeigt einen Zellenblock aus galvanischen Zellen dieser Ausführungsform.
12 zeigt eine Schnittdarstellung des in 11 gezeigten Zellenblocks. An dem Zellenkopf 1202 einer Zelle 1201 ist ein Ableiter 1204 angebracht, der um den Rahmen 1205 gebogen ist und mit einem Ableiter der angrenzenden Zelle elektrisch kontaktiert. Der gegenüberliegende Ableiter der Zelle 1201 ist nicht um den Rahmen 1205 gebogen und deshalb von dem Ableiter 1206 der angrenzenden Zelle elektrisch isoliert, welcher wiederum mit einem Ableiter der nächst angrenzenden Zelle elektrisch kontaktiert. Auf diese Weise ist es möglich, eine bestimmungsgemäße elektrische Verschaltung der Ableiter beim Zellenblockaufbau praktisch ohne weitere Hilfsmittel zu erreichen.
Noch weniger Raum benötigt eine Ausführungsform der Erfindung die in 13 gezeigt ist. Die Ableiter 1304 der Zelle 1301 sind parallel zur Schweißung aus der Verpackung herausgeführt und kraftschlüssig kontaktiert. Der Rahmen 1302 weist eine Bohrung 1303 zur Durchführung eines Zugankers auf. Eine Explosionsdarstellung dieser Ausführungsform zeigt 14. Die Verpackung der Zelle 1401 weist an ihren Ecken spezielle Flächen 1405 auf, die für eine Heißpressung mit dem Rahmen 1402 geeignet sind. Die Ableiter 1404 der Zelle werden hierbei so platziert, dass eine bestimmungsgemäße Kontaktierung automatisch erfolgt. Die Verpackungsecken der Zelle können ferner mit Löchern 1406 zur Durchführung eines Zugankers versehen sein, die deckungsgleich mit entsprechenden Durchbrüchen 1403 im Rahmen 1402 platziert sind. Eine Explosionsdarstellung dieses Ausführungsbeispiels zeigt 15. Der Elektrodenstapel 1501 mit Ableitern 1502, 1503 wird zwischen einem Oberteil 1506 der Verpackung, einem Rahmen 1508 und einem Unterteil 1507 der Verpackung eingeschlossen. Oberteil und Unterteil der Verpackung sind mit in 15 dargestellten Formelementen ausgestattet, die eine automatische bestimmungsgemäße Kontaktierung der Ableiter unterstützen.
16 zeigt drei verschiedene Schnittführungen 16a, 16b und 16c durch eine im unteren Teil von 19 dargestellte galvanische Zelle. Hierbei zeigt 16a die den Schnitt gemäß der Schnittführung entlang der Linie 1907, 16b den Schnitt gemäß der Schnittführung entlang der Linie 1906 und 16c den Schnitt gemäß der Schnittführung entlang der Linie 1905. 16a zeigt den Zellenstapel 1601 mit den Zellenköpfen 1602 und 1603, 16b zeigt den Durchbruch 1605 durch den Rahmen 1604 und 16c zeigt den zu 16a senkrecht geführten Schnitt durch die Zelle.
17 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung des Rahmenbereichs dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dargestellt sind der Rahmen 1704, der verbunden ist mit beiden Teilen der Verpackungsfolie 702, 703 der Zelle 701. 18 zeigt einen Zellenstapel aus Zellen gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung. 20 zeigt einen Schnitt durch den Zellenblock mit der im oberen Teil von 19 dargestellten Schnittführung. 19 zeigt eine Vergrößerung eines Auschnitts aus dieser Schnittdarstellung, in der deutlicher als in 20 erkennbar ist, dass bei dieser Ausführungsform der Erfindung der Raum noch etwas effizienter genutzt wird. Durch im oberen Teil von 21 erkennbare spezielle Formgestaltung des Ableiters 2107, der elektrisch mit dem Ableiter 2108 der angrenzenden Zelle kontaktiert, wird ein nahezu spaltenfreier Aufbau des Zellenblocks ermöglicht. Erkennbar sind der Zellenstapel 2104, die Unterseite der Verpackung 2105, die Oberseite der Verpackung 2106, der Rahmen 2101 bzw. 2103 mit dem Durchbruch 2102.
Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen galvanischen Zelle werden vorzugsweise der Rahmen und die Verpackung, vorzugsweise die Verpackungsfolie, übereinandergelegt und beispielsweise durch beheizbare Stempel oder Siegelbalken miteinander verpresst, d. h. durch Einwirken äußerer Kräfte miteinander vorzugsweise heißversiegelt oder auf andere Weise stoffschlüssig miteinander verbunden. Diese Vorgehensweise führt vorzugsweise zum partiellen Aufschmelzen der an der Verpackungsfolie vorzugsweise befindlichen thermoplastischen Schicht und bzw. oder zum partiellen Aufschmelzen der Oberfläche des Rahmens. Zu diesem Zweck ist der Rahmen beispielsweise an der Fügestelle vorzugsweise ebenfalls aus einem thermoplastischen Material gefertigt.
Thermoplaste, die auch als Plastomere bezeichnet werden, sind Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich unter Wäremeinwirkung verformen lassen. Diese Verformung kann häufig umgekehrt werden, d. h. sie kann durch Wiedererwärmung beispielsweise bis in den schmelzflüssigen Zustand nach einer Abkühlung wiederholt werden, so lange nicht durch eine Überhitzung eine thermische Zersetzung des Materials einsetzt. In dieser Eigenschaft unterscheiden sich Thermoplaste von sog. Duroplasten oder Elastomeren. Ein weiteres Charakteristikum von Thermoplasten ist die Schweißbarkeit dieser Materialien.
Thermoplaste lassen sich bei Einwirkung von Wärme und Druck verschweißen. Die zu verschweißenden Werkstoffe werden dabei über ihre Schmelztemperatur hinaus erwärmt und in einen fließfähigen Zustand gebracht.
Nach der Erwärmung der beteiligten Komponenten kann die Erkaltung dieser Materialien vorzugsweise durch einen aktiv kühlbaren Siegelbalken oder einen aktiv kühlbaren Stempel beschleunigt werden. Solche aktiv kühlbaren Stempel werden beispielsweise in der US 4,145,485 beschrieben. Die in dieser Schrift beschriebenen Stempel sind allerdings nur in einem Teilbereich kühlbar, in dem die elektrochemisch aktiven Teile der Zelle bei dem Vorgang der Heißversiegelung vor Überhitzung zu schützen sind.
Die in dieser Publikation beschriebenen Stempel oder Siegelbalken sind nicht in dem Bereich kühlbar, in dem bei der Heißversiegelung die Erwärmung stattfindet. Um eine effiziente Kühlung der Siegelbalken in der Phase des Erkaltens auch im Bereich der Heißversiegelung zu ermöglichen, sieht die vorliegende Erfindung gemäß einem Ausführungsbeispiel vor, die Siegelbalken beispielsweise mit heißer Luft zu beheizen und beispielsweise mit kühler oder gekühlter Luft zu kühlen. Durch ein zeitlich aufeinander folgendes Einblasen von heißer oder kalter Luft in Kühlkanäle im Stempel oder Siegelbalken lässt sich eine rasche zeitliche Folge von Temperaturen in den Stempeln oder Siegelbalken erreichen. Anstelle von Luft können auch andere Wärmetransportmittel, wie beispielsweise Wasser oder andere Fluide, welche zum Wärmetransport besonders geeignet sind, verwendet werden.
Die zeitlich aufeinander folgende Erwärmung und anschließende Abkühlung einzelner Stellen eines zur Heißversiegelung verwendeten Werkzeugs kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auch kombiniert werden mit der in der US 4,145,485 beschriebenen permanenten Kühlung im flächigen Bereich der flächigen galvanischen Zelle zu dem Zweck, die elektrochemisch aktiven Teile der Zelle vor Überhitzung zu schützen.
Die Verschweißung bzw. die Heißversiegelung der Verpackung mit dem Rahmen erfolgt vorzugsweise ausschließlich unter Wärmeeinwirkung und Einwirkung äußerer Druckkräfte ohne weitere Zusatzstoffe. Durch eine großflächige Anbindung der Verpackungsfolie an den Rahmen lässt sich die Entstehung von mechanischen Spannungspitzen bei einer mechanischen Belastung der Konstruktion vermeiden. Die Verbindung der Folie zum Rahmen kann vorzugsweise an der Innenseite 703, 2309, 2310, 2409, 2410, 2509, 2510 der Verpackungsfolie vorgenommen werden, die häufig mit Polypropylen beschichtet ist. Vorzugsweise steht eine Seite der Verpackungsfolie zu diesem Zweck – beispielsweise wie in den 24 oder 25 gezeigt – über.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, die Außenseite 701, 2308, 2311, 2408, 2411, 2508, 2511 der Verpackungsfolie zur Verbindung mit dem Rahmen zu bringen, der häufig mit Polyamid beschichtet ist. Vorzugsweise ist die Außenseite 701, 2308, 2311, 2408, 2411, 2508, 2511 der Verpackungsfolie ebenfalls mit Polypropylen oder einem anderen geeigneten Thermoplastischen Werkstoff beschichtet, der im Heißsiegelungsprozess eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Rahmen eingeht.
Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung ist es vorgesehen, den Rahmen 2312, 2412, 2512 metallisch auszuführen. Durch eine geeignete Modifizierung der Kunststoffbeschichtung ist es auch in diesem Fall möglich, eine stoffschlüssige Verbindung mit der Verpackung herbeizuführen. Vorzugsweise wird dies in einem einzigen Arbeitsschritt erfolgen, in dem gleichzeitig die verschiedenen Teile der Verpackungsfolie untereinander und diese mit dem Rahmen stoffschlüssig verbunden werden.
Zur Vereinfachung des Aufbaus bzw. der Bildung eines Zellblocks aus mehreren galvanischen Zellen sieht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vor, die Rahmen mit Nasen, Senkungen oder Ausnehmungen oder anderen Formgestaltungselementen so zu versehen, dass die galvanischen Zellen bei der Bildung eines Zellblocks seitlich gegeneinander versetzt ausgerichtet werden. Bevorzugt ist es ferner, in die Rahmen Bohrungen für durchgehende Zuganker einzubringen, welche die Zellen und die Rahmen bei der Montage ausrichten und nach einer Verspannung den Zellblock zusammenhalten.
22 zeigt eine schematische Darstellung der Verschweißung der Verpackungsfolie der galvanischen Zelle an ihrem Rand zwischen zwei Siegelbalken 2201, 2202. Unter dem Einfluss der Druckkräfte 2205, 2206 und einer gleichzeitigen Erwärmung pressen die Siegelbalken 2201, 2202 die beiden Blätter der Verpackungsfolie gegeneinander. Die Verpackungsfolie besteht dabei vorzugsweise aus einer mittleren Schicht 2203, 2204, die vorzugsweise aus Alufolie besteht, und zwei äußeren Schichten 2208, 2209, 2210, 2211, die vorzugsweise aus Polyamid 2208, 2211 bzw. vorzugsweise aus Polypropylen 2209, 2210 bestehen. In der Fügezone 2207 wird das Polypropylen durch die Wärmeeinwirkung teilweise aufgeschmolzen, wodurch die stoffschlüssige Verbindung der beiden Teile der Zellenverpackung erfolgt. Diese Art der Zellenversiegelung ist grundsätzlich bekannt.
23 zeigt in schematischer Weise ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verschweißung der Verpackungsfolie mit dem Rahmen bei gleichzeitigem Verschluss der Verpackung der Zelle, vorzugsweise in einem einzigen Arbeitsschritt. Die Siegelbalken oder Stempel 2301, 2302 pressen mithilfe der Druckkräfte 2305, 2306 und unter Wärmeeinwirkung die beiden Blätter der Verpackungsfolie 2308, 2309, 2303, 2304, 2310, 2311 zusammen und drücken auch den Rahmen 2312 gegen die Außenseite 2311 der Verpackungsfolie. Unter Einwirkung der Druckkräfte und der Wärme erfolgt in der Fügezone 2307 zwischen den beiden Blättern der Verpackungsfolie und der Fügezone 2313 zwischen der Verpackungsfolie und dem Rahmen ein teilweises Aufschmelzen der dort befindlichen thermoplastischen Werkstoffe, was zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Blättern der Verpackungsfolie einerseits und zwischen einem Blatt der Verpackungsfolie und dem Rahmen andererseits in einem Arbeitsschritt führt. Anstelle eines beheizten Siegelbalkens 2302 auf der Seite des Rahmens kann auch ein einfacher Gegenhalter an dieser Stelle vorgesehen sein.
Bei dem in 24 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden die beiden Blätter 2403, 2404 der Verpackungsfolie in einem ersten Schritt an ihren Innenseiten 2409, 2410 zugeschweißt oder auf andere Weise stoffschlüssig miteinander verbunden. In einem zweiten Schritt erfolgt die stoffschlüssige Verbindung mit dem Rahmen 2412, vorzugsweise durch Heißversiegelung mithilfe von Siegelbalken 2401, 2402, die unter Anwendung äußerer Kräfte 2405, 2406 und unter Einwirkung von Wärme die innere Schicht 2409 des überstehenden Blattes der Verpackungsfolie der Zelle gegen den Rahmen 2412 presst und die Schicht 2409 in der Fügezone 2413, vorzugsweise durch partielles Aufschmelzen thermoplastischer Werkstoffe mit dem Rahmen 2412 verschweißt oder auf andere Weise stoffschlüssig verbindet.
In 24 nicht dargestellt ist eine Kombination der in 23 und 24 dargestellten Ausführungsbeispiele. Bei dieser vorteilhaften Kombination wird die Beschichtung 2411 der Verpackungsfolie 2404 ebenfalls in der zwischen der Schicht 2411 und dem Rahmen 2412 befindlichen Fügezone unterhalb der Fügezone 2407 stoffschlüssig mit dem Rahmen verbunden. Hierdurch ist eine weitere mechanische Stabilisierung der galvanischen Zelle mithilfe des Rahmens erzielbar.
25 zeigt in schematischer Weise ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das untere Blatt 2504 der Verpackungsfolie über das obere Blatt 2503 übersteht und in einem ersten Arbeitsschritt mit diesem oberen Arbeitsblatt stoffschlüssig verbunden wurde. In ähnlicher Weise wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen erfolgt nun die stoffschlüssige Verbindung des unteren Blatts 2504 der Verpackungsfolie mit dem Rahmen 2512 in der Fügezone 2513, indem die Stempel 2501, 2502 unter Einwirkung größerer Kräfte 2505, 2506 unter Wärmeeinwirkung das überstehende Blatt 2504 gegen den Rahmen 2512 pressen. Hierbei wird die äußere Folie 2511 und vorzugsweise auch eine entsprechende thermoplastische Schicht am Rahmen 2512 in der Fügezone 2513 teilweise aufgeschmolzen wodurch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Folie und dem Rahmen entsteht.
Auch dieses Ausführungsbeispiel kann wieder mit dem in 23 gezeigten Ausführungsbeispiel in einer hier in den Figuren nicht gezeigten Weise kombiniert werden, wobei eine stoffschlüssige Verbindung auch in einer unterhalb der Fügezone 2517 liegenden weiteren Fügezone erreicht werden kann.
26a zeigt als Ergebnis der beschriebenen Verfahrensschritte eine galvanische Zelle 2601 und einen vergrößerten Ausschnitt 2602 in 26b. Erkennbar ist die Verschweißung der Innenseite der überstehenden Verpackungsfolie 2604 mit dem Rahmen 2605 sowie die Kante 2603 in der Verpackung, die durch den Überstand der oberen Verpackungsfolie über die untere Verpackungsfolie zustande kommt.
27 zeigt eine Schnittdarstellung im Rahmenbereich dieses Ausführungsbeispiels, bei dem die beiden Blätter der Verpackungsfolie mit den jeweiligen Schichten 2708, 2709, 2710, 2711 in der Fügezone 2707 miteinander stoffschlüssig verbunden und in der Fügezone 2713 mit dem Rahmen 2712 stoffschlüssig verbunden sind. Vorzugsweise kann auch im Bereich der Fügezone 2707 unterhalb des unteren Blattes der Folie 2710, 2711 eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Rahmen vorliegen, wobei dies vorzugsweise durch eine Kombination in 23 und 24 gezeigten Ausführungsbeispiele erfolgt.
28 zeigt in schematischer Weise eine Explosionsdarstellung dieses Ausführungsbeispiels mit der galvanischen Zelle 2801, ihren Ableitern 2803, 2804 und dem Rand der Verpackungsfolie 2806. Der Rahmen 2802 weist besondere Strukturelemente 2805 auf, beispielsweise in Form von Ausnehmungen im Rahmen, welche in ihrer Lage der Anordnung der Ableiter 2803, 2804 entsprechen, so dass eine bestimmungsgemäße Kontaktierung dieser Ableiter erfolgen kann.
29a zeigt eine Schrägansicht der Rückseite einer galvanischen Zelle gemäß diesem Ausführungsbeispiel, in der die Fügefläche zum Rahmen schraffiert dargestellt ist. 29b zeigt eine Ausschnittsvergrößerung der unteren Ecke dieser galvanischen Zelle 2901 mit den schraffiert dargestellten Fügeflächen 2905, 2906, 2907 zum Rahmen. Die Ableiter 2903, 29094 dieser Zelle 2901 ragen teilweise aus der Verpackungsfolie 2902 heraus.
30a zeigt das Ergebnis des in 24 verdeutlichten Herstellungsverfahrens in Form einer galvanischen Zelle 3001 und der Ausschnittsvergrößerung 3002 in 30b. Erkennbar sind der Rahmen 3005 und die Kanten 3003, 3004 der beiden Blätter der Verpackungsfolie.
31 zeigt eine Schnittdarstellung im Rahmenbereich des in 30a und 30b gezeigten Ausführungsbeispiels. Die beiden Blätter der Verpackungsfolie mit den inneren bzw. äußeren Schichten 3108, 3109 bzw. 3110, 3111 der galvanischen Zelle 3101 sind in der Fügezone 3107 miteinander stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise heißversiegelt. Das Blatt mit den Schichten 3108, 3109 steht über das andere Blatt hinaus und ist in der Fügezone 3113 mit dem Rahmen 3112 stoffschlüssig verbunden.
32 zeigt eine Explosionsdarstellung dieses Ausführungsbeispiels mit der galvanischen Zelle 3201, ihren Ableitern 3203, 3204, der teilweise Verpackungsfolie 3206, dem Rahmen 3202 und den am Rahmen 3205 vorzugsweise vorgesehenen Strukturen, die eine sachgerechte Verwendung der Ableiter 3203, 3204 unterstützen sollen.
Die 33a zeigt eine Schrägdarstellung dieses Ausführungsbeispiels, in der die Fügefläche zum Rahmen schraffiert dargestellt ist. 33b zeigt eine Ausschnittsvergrößerung der unteren Ecke der in 33A dargestellten galvanischen Zelle 3301, den Ableitern 3303, 3304, der Verpackungsfolie 3302 und den überstehenden Rändern der Verpackungsfolie 3305, die in ihrer Fügezone 3306, 3307 schraffiert dargestellt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4145485 [0075, 0077]

Claims

Rahmen für eine galvanische Zelle, die im Wesentlichen aus einem Elektrodenstapel mit einer folienartigen Verpackung besteht, aus der wenigstens zwei Ableiter herausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen so ausgestaltet ist, dass er mit der Verpackung der Zelle bei der Herstellung der Zelle fest verbunden werden kann.
Rahmen nach Anspruch 1, der so ausgestaltet ist, dass er mit der Verpackung der Zelle bei der Herstellung der Zelle stoffschlüssig verbunden werden kann.
Rahmen nach Anspruch 2, der so ausgestaltet ist, dass er mit der Verpackung der Zelle bei der Herstellung der Zelle – ohne eine Zugabe zusätzlicher Stoffe – durch einen Heißsiegelvorgang stoffschlüssig verbunden werden kann.
Rahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der Strukturen aufweist, die eine bündige Ausrichtung von mit diesem Rahmen ausgestatteten Zellen beim Aufbau eines Zellenblocks unterstützen.
Rahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der Strukturen aufweist, die eine seitlich versetzte Ausrichtung von mit diesem Rahmen ausgestatteten Zellen beim Aufbau eines Zellenblocks unterstützen.
Rahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Durchbrüchen für die Durchführung von Zugankern beim Aufbau eines Zellenblocks.
Galvanische Zelle mit einem Rahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Galvanische Zelle nach Anspruch 7, bei deren Verpackung an ihrer Innenseite mit dem Rahmen verbunden ist.
Galvanische Zelle nach Anspruch 7, bei deren Verpackung an ihrer Außenseite mit dem Rahmen verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung einer galvanischen Zelle, bei dem ein Elektrodenstapel in eine folienartige Verpackung, aus der wenigstens zwei Ableiter herausgeführt werden, eingeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verschließen der Verpackung ein Rahmen fest mit der Verpackung verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Rahmen stoffschlüssig mit der Verpackung verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Rahmen mit der Verpackung der Zelle bei der Herstellung der Zelle – ohne eine Zugabe zusätzlicher Stoffe – durch einen Heißsiegelvorgang stoffschlüssig verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, bei dem der Rahmen und die Verpackung der Zelle übereinandergelegt und durch beheizbare Stempel miteinander verpresst werden.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die anschließende Erkaltung durch einen aktiv gekühlten Siegelbalken beschleunigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, bei dem das Verschließen der Verpackung und das Verbinden der Verpackung mit dem Rahmen in einem Arbeitschritt erfolgt.
Verfahren zum Aufbau eines Blocks aus einer Mehrzahl von galvanischen Zellen mit einem Rahmen nach Anspruch 4, bei dem die Zellen mit Hilfe von Strukturen des Rahmens bündig ausgerichtet werden.
Verfahren zum Aufbau eines Blocks aus einer Mehrzahl von galvanischen Zellen mit einem Rahmen nach Anspruch 5, bei dem die Zellen mit Hilfe von Strukturen des Rahmens seitlich versetzt ausgerichtet werden.
Verfahren zum Aufbau eines Blocks aus einer Mehrzahl von galvanischen Zellen mit einem Rahmen nach Anspruch 6, bei dem der Block mit Hilfe von Zugankern stabilisiert wird, die durch Durchbrüche in den Rahmen der Zellen hindurchgeführt werden.
Verfahren zum Aufbau eines Blocks aus einer Mehrzahl von galvanischen Zellen mit den Merkmalen der Ansprüche 16 und 18.