DE102010005083A1

DE102010005083A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer von einem Einzelzellengehäuse umgebenen, elektrochemischen Einzelzelle

Info

Publication number: DE102010005083A1
Application number: DE102010005083A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Dürr (FH)
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2010-08-12

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Herstellung einer von einem Einzelzellengehäuse umgebenen, elektrochemischen Einzelzelle weist das Einzelzellengehäuse in einer Einzelzellengehäusewand (4) eine Einfüllöffnung (3) auf. Eine Fixierhilfe ist aus zumindest zwei gegeneinander verschiebbaren Halterungselementen (1, 2) gebildet. Dabei liegt ein erstes Halterungselement (1) mit zumindest einer äußeren Auflagefläche (1.1) auf einer Außenseite (4.1) der Einzelzellengehäusewand (4) auf. Ein zweites Halterungselement (2) ist in das erste Halterungselement (1) derart einsetzbar, dass dieses durch das erste Halterungselement (1) und durch die Einfüllöffnung (3) hindurchgeführt ist. Das zweite Halterungselement (2) ist auf einer der Außenseite (4.1) gegenüberliegenden Innenseite (4.2) der Einzellengehäusewand (4) indirekt fixierbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer von einem Einzelzellengehäuse umgebenen, elektrochemischen Einzelzelle.
Üblicherweise werden für Fahrzeuganwendungen Hochvolt-Batterien, wie beispielsweise Lithium-Ionen Batterien verwendet, die insbesondere aus mehreren elektrisch in Reihe und/oder parallel verschalteten Einzellzellen bestehen. Des Weiteren ist es bei bipolaren Einzellzellen üblich, zumindest einen elektrischen Polkontakt auf einen Teil des Einzelzellengehäuses einer Einzellzelle zu legen.
Aus der DE 10 2008 010 810 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Einzelzelle bekannt, in der ein Elektrodenstapel innerhalb eines Einzelzellengehäuses angeordnet ist. Dabei werden Stromableiterfahnen einer Polarität zu einem Polkontakt des Elektrodenstapels zusammengefasst. Zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung des Polkontakts mit einer Einzelzellengehäusewand werden die den Polkontakt bildenden Stromableiterfahnen des Elektrodenstapels mit der Einzelzellengehäusewand miteinander verschweißt. Insbesondere wird hier ein Verfahren angewendet, bei dem die elektrisch leitfähige Verbindung in einem geöffneten Zustand der Einzelzelle erzeugt wird.
Zudem werden üblicherweise Verfahren angewendet, bei denen die zu verschweißenden Teile bereits vor dem Schweißvorgang innerhalb des Einzelzellengehäuses angeordnet werden. Eine flächige elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Polkontakt und Einzelzellengehäuse wird dabei durch die Erzeugung eines oder mehrerer Schweißpunkte und/oder Schweißnähte erzielt. Dabei kommen verschiedene bekannte Schweißverfahren zum Einsatz, insbesondere erfolgt die Schweißung mittels eines Lasers. Die Erzeugung der stoffschlüssigen Verbindung erfolgt insbesondere von außen durch das Material des Einzelzellengehäuses mit einer bestimmten Länge und einen bestimmten geometrischen Verlauf.
In einem darauf folgenden Verfahrensschritt werden die Einzelzellen dann typischer Weise mit einer Elektrolytlösung mittels einer Einfüllöffnung des Einzelzellengehäuses befüllt. Anschließend wird diese Einfüllöffnung durch einen Niet verschlossen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die genannten Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik zu verbessern, so dass eine Herstellung von qualitativ hochwertigen elektrochemischen Einzelzellen ermöglicht wird, die Kosten der Herstellung durch Vermeidung von Ausschuss reduziert sind und der Produktionsausstoß erhöht ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 4.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einer Vorrichtung zur Herstellung einer von einem Einzelzellengehäuse umgebenen, elektrochemischen Einzelzelle weist das Einzelzellengehäuse in einer Einzelzellengehäusewand eine Einfüllöffnung auf. Erfindungsgemäß ist eine Fixierhilfe aus zumindest zwei gegeneinander verschiebbaren Halterungselementen gebildet. Dabei liegt ein erstes Halterungselement mit zumindest einer äußeren Auflagefläche auf einer Außenseite der Einzelzellengehäusewand auf. Ein zweites Halterungselement ist in das erste Halterungselement derart einsetzbar, dass dieses durch das erste Halterungselement und durch die Einfüllöffnung hindurchgeführt ist. Das zweite Halterungselement ist auf einer der Außenseite gegenüber liegenden Innenseite der Einzellengehäusewand indirekt fixierbar.
Diese Fixierungshilfe wird dazu verwendet, um ein im Einzelzellengehäuse angeordnetes Verbindungselement in einen flächigen Auflagekontakt mit einer Einzelzellengehäusewand zu bringen.
Ein solcher flächiger Auflagekontakt, der insbesondere einen guten thermischen Kontakt zwischen einem zumindest zum Teil aus metallischen Material gefertigten Verbindungselement und einer zumindest zum Teil aus metallischen Material gefertigten Einzelzellengehäusewand sicherstellt, ist Vorraussetzung für eine qualitativ hochwertige stoffschlüssige Verbindung zwischen Verbindungselement und Einzelzellengehäusewand.
Ein solcher flächiger Auflagekontakt, der darüber hinaus einen guten thermischen Kontakt der zur stoffschlüssigen Verbindung bestimmten Teile aufweist, kann selbst bei einer mangelhaften Zugänglichkeit der im Einzelzellengehäuse angeordneten, zur stoffschlüssigen Verbindung bestimmten Teile durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sichergestellt werden.
Die qualitativ hochwertige stoffschlüssige Verbindung zeichnet sich insbesondere durch eine gute elektrische Leitfähigkeit aus und kann durch eine Laserschweißung von außen durch das Material des Einzelzellengehäuse erfolgen. Dadurch können die zu verschweißenden Teile bereits vor dem Schweißvorgang innerhalb des Einzelzellengehäuses angeordnet und fixiert werden. Dies ist fertigungstechnisch vorteilhaft, so dass ein hoher Produktionsausstoß ermöglicht wird.
Des Weiteren wird die zusätzlich zur Fixierung verwendete Einfüllöffnung im Einzelzellengehäuse von kritischen Stellen, die insbesondere Fügespalte, Dichtungen und/oder Poldurchführungen umfassen, räumlich entfernt platziert. Dadurch kann beim Befüllen des Einzelzellengehäuses mit einer Elektrolytflüssigkeit eine Benetzung dieser kritischen Stellen mit einer hochkorrosiven Elektrolytflüssigkeit vermieden werden. Korrosionsbedingte Folgeschäden der Einzelzellen und damit auch Spätausfälle der Einzelzellen und/oder der Batterie sind so vermeidbar und durch Herstellungsfehler verursachte Garantie- und Kulanzkosten können reduziert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 schematisch eine Schnittdarstellung einer elektrochemischen Einzelzelle mit einer Vorrichtung zur Herstellung der elektrochemischen Einzelzelle.
Einander entsprechende Teile sind in der einzigen Figur mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung einer elektrochemischen Einzelzelle mit einer Vorrichtung zur Herstellung der elektrochemischen Einzelzelle, die zumindest zwei gegeneinander verschiebbare Halterungselemente 1, 2 umfasst.
Dabei wird das erste Halterungselement 1 nahe einer Einfüllöffnung 3 der Einzelzelle derart angeordnet, dass zumindest eine äußere Auflagefläche 1.1 des ersten Halterungselements 1 auf einer Außenseite 4.1 einer Einzelzellengehäusewand 4 aufliegt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Halterungselement 1 im Wesentlichen als offener, länglicher Hohlzylinder ausgebildet, der einen Innendurchmesser aufweist, der geringfügig größer ist als der Innendurchmesser der Einfüllöffnung 3. Dieser Hohlzylinder wird gegenüber der Einfüllöffnung 3 derart platziert, dass die Einfüllöffnung 3 einer Öffnung des Hohlzylinders konzentrisch gegenüber liegt und der Hohlzylinder mit einer Stirnseite auf der Außenseite 4.1 der Einzelzellengehäusewand 4 aufliegt.
Ein zweites Halterungselement 2 wird in das erste Halterungselement 1 eingesetzt und in die Einfüllöffnung 3 eingeführt. Durch eine relativ zwischen dem ersten Halterungselement 1 und dem zweiten Halterungselement 2 einwirkende Kraft sind die Halterungselemente 1, 2 in der Einfüllöffnung 3 mittels der auf der Außenseite 4.1 aufliegenden äußeren Auflagefläche 1.1 und einer auf einer Innenseite 4.2 der Einzelzellengehäusewand 4 aufliegenden inneren Auflagefläche 2.1 des zweiten Halterungselements 2 kraftschlüssig fixierbar.
Ein in dem Einzelzellengehäuse angeordnetes Verbindungselement 5 weist eine Öffnung 5.1 auf, die der Einfüllöffnung 3 konzentrisch gegenüber liegt. Dieses Verbindungselement 5 ist im Inneren des Einzelzellengehäuses mit den Polkontakten eines Elektrodenstapels 6 oder Elektrodenfolienwickels einer Polarität elektrisch leitfähig verbunden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Verbindungselement 5 als eine im Wesentlichen U-förmige Spannklemme ausgebildet. Dabei ist die Spannklemme derart in das Einzelzellengehäuse zwischen der Einzelzellgehäusewand 4 und einer Kontaktseite des Elektrodenstapels 6 oder Elektrodenfolienwickels angeordnet, dass die Komponenten wie der Elektrodenstapel 6 und die Spannklemme im Einzelzellengehäuse vorfixiert sind.
Das zweite Halterungselement 2 wird in beide konzentrisch gegenüber liegende Öffnungen, der Einfüllöffnung 3 und der Öffnung 5.1 des Verbindungselements 5 eingeführt, so dass das zweite Halterungselement 2 durch beide Öffnungen hindurch greift. Die innere Auflagefläche 2.1 des zweiten Halterungselements 2 ist gehäuseinnenseitig in einen Auflagekontakt mit dem Verbindungselement 5 bringbar, so dass das Verbindungselement 5 durch eine relativ zwischen dem ersten Halterungselement 1 und dem zweiten Halterungselement 2 wirkende Kraft an die Innenseite 4.2 der Einzelzellengehäusewand 4 angepresst wird. Dadurch wird ein flächiger Auflagekontakt und thermischer Kontakt zwischen Verbindungselement 5 und Einzelzellengehäusewand 4 sichergestellt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite Halteelement 2 als eine Anordnung ausgebildet, die eine Mehrzahl von Spreizbacken und/oder Spreizzapfen umfasst. Diese Anordnung ist in eine erste radiale Position positionierbar, in der sie insbesondere innerhalb des beispielsweise als länglicher Hohlzylinder ausgebildeten ersten Halterungselements 1 in axialer Richtung einführbar und hin- und her bewegbar ist. Des Weiteren ist diese Anordnung in eine zweite radiale Position positionierbar, so dass zumindest ein äußerer radialer Randbereich zumindest einer Spreizbacke und/oder eines Spreizzapfens gegenüber dem Außendurchmesser des länglichen Hohlzylinders in radialer Richtung hervorsteht. Dieser hervorstehende Randbereich der Spreizbacke bildet in dieser Ausführungsform der Erfindung die innere Auflagefläche 2.1.
Das Verbindungselement 5 und die Einzelzellengehäusewand 4 werden in eine stoffschlüssige Verbindung gebracht, die insbesondere eine gute elektrische Leitfähigkeit beinhaltet. Dazu wird beispielsweise das Verbindungselement 5 von außen durch das Material der Einzelzellengehäusewand 4 an die Einzelzellengehäusewand 4 mittels einer Laserschweißung verbunden. Dabei wird zumindest ein Schweißpunkt und/oder eine Schweißnaht S erzeugt, die einen vorgebbare Länge und geometrischen Verlauf aufweist.
Einer möglichen Ausführungsform der Erfindung zufolge wird eine ringförmige Schweißnaht S um die Einfüllöffnung 3 herum erzeugt.
Die insbesondere mittels der oben beschriebenen Fixierhilfe zur Fixierung des Verbindungselements 5 an die Einzelzellengehäusewand 4 verwendete Einfüllöffnung 3 wird im Einzelzellengehäuse von kritischen Stellen räumlich entfernt platziert. Diese kritischen Stellen sind dadurch charakterisiert, dass eine Verunreinigung dieser Stellen mit einer hochkorrosiven Flüssigkeit, insbesondere einer Elektrolytflüssigkeit, schwerwiegende Defekte der Einzelzelle verursacht. Insbesondere sind Fügespalte, Dichtungen und/oder Poldurchführungen als kritische Stellen charakterisiert.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Einfüllöffnung 3 in der der Polseite oder -durchführung gegenüber liegenden Seite einer zylindrischen Einzelzelle angeordnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102008010810 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Herstellung einer von einem Einzelzellengehäuse umgebenen, elektrochemischen Einzelzelle, wobei das Einzelzellengehäuse in einer Einzelzellengehäusewand (4) eine Einfüllöffnung (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus zumindest zwei gegeneinander verschiebbaren Halterungselementen (1, 2) gebildete Fixierhilfe vorgesehen ist, wobei ein erstes Halterungselement (1) mit zumindest einer äußeren Auflagefläche (1.1) auf einer Außenseite (4.1) der Einzelzellengehäusewand (4) aufliegt und ein zweites Halterungselement (2) in das erste Halterungselement (1) derart einsetzbar ist, dass dieses durch das erste Halterungselement (1) und durch die Einfüllöffnung (3) hindurchgeführt ist und auf einer der Außenseite (4.1) gegenüber liegenden Innenseite (4.2) der Einzellengehäusewand (4) indirekt fixierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Einzelzellengehäuse ein Verbindungselement (5) mit einer Öffnung (5.1) derart angeordnet ist, dass die Öffnung (5.1) des Verbindungselements (5) der Einfüllöffnung (3) des Einzelzellengehäuses konzentrisch gegenüber liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Halterungselement (2) in die Einfüllöffnung (3) und in die Öffnung (5.1) des Verbindungselements (5) derart einbringbar ist, dass zumindest eine innere Auflagefläche (2.1) des zweiten Halterungselements (2) in einen Auflagekontakt mit dem Verbindungselement (5) bringbar ist und das Verbindungselement (5) durch eine relativ zwischen dem ersten Halterungselement (1) und dem zweiten Halterungselement (2) wirkende Kraft in einen flächigen Auflagekontakt mit der Einzelzellengehäusewand (4) bringbar ist.
Verfahren zur Herstellung einer von einem Einzelzellengehäuse umgebenen, elektrochemischen Einzelzelle, wobei das Einzelzellengehäuse in einer Einzelzellengehäusewand (4) eine Einfüllöffnung (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Einzelzellengehäuse ein Verbindungselement (5) mit einer Öffnung (5.1) derart angeordnet wird, dass die Öffnung (5.1) des Verbindungselements (5) der Einfüllöffnung (3) des Einzelzellengehäuses konzentrisch gegenüber liegt, das Verbindungselement (5) in einen flächigen Auflagekontakt mit der Einzelzellengehäusewand (4) mittels einer in die Einfüllöffnung (3) und in die Öffnung (5.1) des Verbindungselements (5) eingeführten Fixierhilfe gebracht wird, der flächige Auflagekontakt einen thermischen Kontakt sicherstellt und das Verbindungselement (5) in eine elektrisch leitfähige, stoffschlüssige Verbindung mit der Einzelzellengehäusewand (4) gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aus zumindest zwei gegeneinander verschiebbaren Halterungselementen (1, 2) gebildete Fixierhilfe in die Einfüllöffnung (3) derart eingeführt wird, dass ein erstes Halterungselement (1) mit zumindest einer äußeren Auflagefläche (1.1) auf einer Außenseite (4.1) der Einzelzellengehäusewand (4) aufliegt und nachfolgend ein zweites Halterungselement (2) in das erste Halterungselement (1) derart eingesetzt wird, dass dieses durch das erste Halterungselement (1), durch die Einfüllöffnung (3) und teilweise durch das Verbindungselement (5) hindurchgeführt ist und auf einer der Außenseite (4.1) gegenüberliegenden Innenseite (4.2) der Einzellengehäusewand (4) indirekt fixiert ist, wobei zumindest eine innere Auflagefläche (2.1) des zweiten Halterungselements (2) in einen Auflagekontakt mit dem Verbindungselement (5) gebracht wird.