DE102010018289A1

DE102010018289A1 - Energiespeicherzelle

Info

Publication number: DE102010018289A1
Application number: DE201010018289
Authority: DE
Inventors: Dr. Birke Peter; Michael Schiemann; Dr. Böse Olaf; Hans-Georg Schweiger; Michael Keller
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2011-10-27
Also published as: US20130095368A1; CN103069634B; US9105882B2; KR20130093517A; EP2564460A1; WO2011134792A1; DE202010018323U1; KR101873861B1; CN103069634A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle mit einem in einer Erstreckungsfläche flächig ausgedehnten Zellenkörper (5), einer ersten (1) und einer zweiten (2) Ableitelektrode, wobei der Zellenkörper (5) vier entlang eines Umfanges der Erstreckungsfläche angeordnete Seitenflächen (4) aufweist, von denen jeweils zwei parallel zueinander liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (1) und die zweite Ableitelektrode (2) an einer der Seitenflächen (4) symmetrisch in Richtung des Umfangs der Erstreckungsfläche zu einer Mitte (9) der entsprechenden Seitenfläche (4) angeordnet sind und ein Berührungspunkt (7) einer der Mitte (9) zugewandten Kante der Ableitelektroden (1, 2) mit der entsprechenden Seitenfläche (4) mit der besagten Mitte (9) der Seitenfläche einen Winkel λ um einen Mittelpunkt (10) der Erstreckungsfläche von 10° < λ < 36° einschließt und/oder dass ein Berührungspunkt (8) einer der Mitte abgewandten Kante der Ableitelektroden (1, 2) mit der entsprechenden Seitenfläche (4) mit der besagten Mitte (9) einen Winkel β um den Mittelpunkt (10) der Erstreckungsfläche von 8° < β < 45° einschließt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle, die insbesondere in Kraftfahrzeugen aller Art zur Anwendung kommen kann. Besonders geeignet ist die Energiespeicherzelle für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge.
Als Hybrid- bzw. Elektrofahrzeug bezeichnet man Fahrzeuge, die prinzipbedingt ganz oder teilweise durch elektrische Energie angetrieben werden.
Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine, eine elektrische Maschine und einen oder mehrere elektrochemische/elektrische Energiespeicher auf. Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen weisen allgemein zumindest eine Brennstoffzelle zur Energiewandlung, einen Tank für flüssige oder gasförmige Energieträger, einen elektrochemischen/elektrischen Energiespeicher und eine elektrische Maschine für den Antrieb auf.
Die elektrische Maschine des Hybridfahrzeuges ist in der Regel als Starter/Generator und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter/Generator ersetzt sie den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Ausführung als elektrischer Antrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, d. h. ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeugs von der elektrischen Maschine beigetragen werden. Als Generator ermöglicht sie eine Rekuperation von Bremsenergie und Bordnetzversorgung.
Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch eine elektrische Maschine bereitgestellt. Beiden Fahrzeugtypen, Hybrid- und Elektrofahrzeug, ist gemein, dass große Mengen elektrischer Energie bereitgestellt und transferiert werden müssen.
Die Steuerung des Energieflusses erfolgt über eine Elektronik, allgemein Hybrid-Controller genannt. Er regelt unter anderem, ob und in welcher Menge dem Energiespeicher Energie entnommen oder zugeführt werden soll.
Die Energieentnahme aus dem Energiespeicher dient allgemein zur Darstellung von Antriebsleistung und zur Versorgung des Fahrzeugbordnetzes. Die Energiezuführung dient der Aufladung des Speichers bzw. zur Wandlung von Bremsenergie in elektrische Energie, d. h. dem regenerativen Bremsen.
Der Energiespeicher für Hybridanwendungen kann während des Fahrbetriebs wieder aufgeladen werden. Die hierfür benötigte Energie stellt der Verbrennungsmotor bereit.
Energiespeicherzellen können beispielsweise Bleibatterien, Doppelschichtkondensatoren, Nickel-Zink-, Nickel-Metallhydrid- und/oder Lithium-Ionen-Zellen sein.
Die Lithium-Ionen-Zellen sind in den meisten Fällen in einem gasdichten Metallgehäuse untergebracht. Eine spezielle Möglichkeit der Ausführung bei Lithium-Ionen-Zellen besteht in Form eines Softpacks. Dieser weist eine Batteriezelle auf, welche von einer Folie, typischerweise einer Aluminiumverbundfolienverpackung, umgeben ist.
Zur Anwendbarkeit in Kraftfahrzeugen sollten Energiespeicherzellen insbesondere drei Bedingungen genügen. Zum einen sollte die Stromtragfähigkeit der gesamten Zelle, insbesondere über innere und äußere Ableitungselektroden, hinreichend groß sein, denn es können Spitzenströme von über 400 A auftreten, je nach Fahrzeuggröße und Leistungsanforderungen. Darüber hinaus sollte eine effiziente Kühlung/Wärmeabführung der Zelle sichergestellt sein und die Zellen außerdem kompakt anzuordnen sein, wobei insbesondere die Verwendbarkeit in bestehenden Standard-Bauräumen in Kraftfahrzeugen für Anlasserbatterien (H7, H8) von Vorteil ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Energiespeicherzelle anzugeben, die die oben genannten Bedingungen erfüllt, d. h. einerseits eine hohe Stromtragfähigkeit ermöglicht und andererseits effektiv kühlbar ist und kompakt anzuordnen ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Energiespeicherzelle nach Anspruch 1, die Energiespeicherzelle nach Anspruch 3 und die Batterie nach Anspruch 11. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Energiespeicherzellen an.
Eine erfindungsgemäße Energiespeicherzelle weist einen Zellenkörper auf, der sich in einer Erstreckungsfläche flächig ausdehnt. Ein solcher flacher Zellenkörper weist also eine Vorderseitenfläche und eine Rückseitenfläche auf, welche beide als die Erstreckungsfläche angesehen werden können, in denen sich der Zellenkörper flächig ausdehnt. Die Vorderseitenfläche und die Rückseitenfläche des Zellenkörpers weisen normalerweise identische Umrisse bzw. Formen auf und sind parallel übereinander angeordnet. Zwischen der Vorderseitenfläche und der Rückseitenfläche sind entlang den Rändern der Vorderseitenfläche und der Rückseitenfläche Seitenflächen angeordnet. Vorderseitenfläche, Rückseitenfläche und die Seitenflächen schließen das Innere des Zellenkörpers ein. Vorteilhafterweise schließen die genannten Flächen das Innere des Zellenkörpers flüssigkeitsdicht und/oder gasdicht ab, wobei gegebenenfalls Durchlässe für Ableitelektroden vorgesehen sein können, die entsprechend auch flüssigkeitsdicht und gasdicht von den Seitenflächen umschlossen werden.
Vorzugsweise sind die Vorderseitenfläche und die Rückseitenfläche, also auch jene Fläche, in der sich der Zellenkörper flächig erstreckt, rechteckig, wobei eine solche Form als rechteckig angesehen werden soll, die zwei zueinander senkrechte Paare von parallelen gegenüber liegenden Kanten aufweist, wobei jedoch die Ecken des Rechtecks abgerundet oder abgeschrägt sein können.
Dass sich der Zellenkörper flächig ausdehnt, bedeutet hier, dass die Kantenlänge der Vorderseitenfläche und der Rückseitenfläche deutlich größer ist als der Abstand der Vorderseitenfläche von der Rückseitenfläche. Bei einem quaderförmigen Zellenkörper verlaufen jeweils zwei Kanten jeder Seitenfläche entlang von Kanten der Vorderseitenfläche oder Rückseitenfläche. Die hierzu senkrechten Kanten der entsprechenden Seitenflächen haben dann gerade die Länge der Breite des Zellenkörpers.
Für den Fall, dass der Zellenkörper an seinen senkrecht zur Vorderseitenfläche und zur Rückseitenfläche stehenden Kanten abgerundet oder abgeschrägt ist, folgen die Seitenflächen im Bereich der abgerundeten Kanten dem abgerundeten bzw. abgeschrägten Verlauf der Kanten der Vorderseitenfläche oder Rückseitenfläche. Sofern im Folgenden auf die entsprechenden senkrecht zur Vorderseitenfläche und Rückseitenfläche stehenden Kanten Bezug genommen wird, so ist bezüglich der Lage dieser Kanten im Falle von abgerundeten Kanten die Mitte der Rundung bzw. Schräge zu verstehen.
Die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle weist zumindest eine erste und zumindest eine zweite Ableitelektrode auf, wobei normalerweise eine der Elektroden eine positive Elektrode ist und eine der Elektroden eine negative Elektrode. Erfindungsgemäß sind die Ableitelektroden an einer Seitenfläche des Zellenkörpers oder an zwei gegenüber liegenden parallelen Seitenflächen des Zellenkörpers angeordnet. Bevorzugterweise haben die Ableitelektroden (in einem Querschnitt parallel zur Vorderseitenfläche oder Rückseitenfläche des Zellenkörpers) eine rechteckige Form. Mit einer Kante grenzen sie dann an die entsprechende Seitenfläche der Energiespeicherzelle. Sofern sich der Elektrodenkörper durch die entsprechende Seitenwand in das Innere des Zellenkörpers hindurch erstreckt, soll im Folgenden bevorzugt, soweit auf die Geometrie der Ableitelektroden Bezug genommen wird, nur jener Teil der Elektroden gemeint sein, welcher sich außerhalb des Zellenkörpers befindet.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind nun die erste und die zweite Ableitelektrode an der gleichen Seitenfläche des Zellenkörpers angeordnet. In diesem Fall sind die Ableitelektroden symmetrisch zu einer Mitte der entsprechenden Seitenfläche in Richtung des Umfanges des Zellenkörpers, welcher parallel zu den Kanten der Vorderseitenfläche und der Rückseitenfläche verläuft, angeordnet. Die Mitte der Seitenfläche ist also jener Punkt, welcher die entsprechende Seitenfläche entlang ihrer zur Vorderseitenfläche und Rückseitenfläche parallelen Kanten halbiert.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die oben genannten Aufgaben besonders vorteilhaft durch geeignete geometrische Anordnung und Ausgestaltung der Ableitelektroden und des Zellenkörpers verwirklicht werden können. Erfindungsgemäß sind die Ableitelektroden in der Ausführungsform mit zwei an einer Seitenfläche angeordneten Ableitelektroden so angeordnet und ausgestaltet, dass ein Berührungspunkt jener Seitenkante der ersten und der zweiten Ableitelektrode, welche der Mitte zugewandt ist, mit der Mitte der entsprechenden Seitenfläche einen Winkel λ um einen Mittelpunkt der Fläche, in welcher sich der Zellenkörper flächig ausdehnt, d. h. der Vorderseitenfläche oder der Rückseitenfläche, von 10° < λ < 36° einschließt. Bevorzugt ist λ ≥ 15°, besonders bevorzugt ≥ 20° und/oder bevorzugt ist λ ≤ 30°, besonders bevorzugt ≤ 25°.
Sofern hier und im Folgenden beschrieben wird, dass ein erster Punkt und ein zweiter Punkt einen Winkel um einen dritten Punkt einschließen, so bedeutet dies, dass eine Verbindungsstrecke zwischen dem ersten Punkt und dem dritten Punkt mit einer Verbindungsstrecke des zweiten Punktes mit dem dritten Punkt diesen Winkel einschließt.
Gleichzeitig oder zusätzlich ist ein Winkel β, den der Berührungspunkt der Seitenkante der ersten und der zweiten Ableitelektrode, welche der Mitte der Seitenfläche abgewandt ist, mit der Mitte der Seitenfläche um den Mittelpunkt der Erstreckungsfläche, in der sich der Zellenkörper erstreckt, einschließt, 8° < β < 45°. Bevorzugt ist β ≥ 15°, besonders bevorzugt ≥ 25° und/oder bevorzugt ist β ≤ 40°, besonders bevorzugt ≤ 30°.
Die genannten Winkelbereiche führen zu einer besonders guten Stromtragfähigkeit, wobei eine hohe Wärmeableitfähigkeit realisiert wird, die zur effektiven Kühlung beiträgt. Derart ausgestaltete Zellen lassen sich außerdem gut zu einem Zellenpaket (Batterie) mit effizienter Kühlung verschalten.
Bevorzugterweise ist ein Verhältnis der doppelten Strecke zwischen dem Berührungspunkt jener der Mitte zugewandten Kante mit der entsprechenden Stirnfläche und dem Berührungspunkt der der Mitte abgewandten Kante mit der entsprechenden Seitenfläche (also der Breite der Ableitelektrode) zu der Länge der entsprechenden Seitenfläche zwischen 1:2 und 4:5, bevorzugt 2:3. Sofern die Ableitelektroden in ihrer Fläche parallel zur Erstreckungsfläche des Zellenkörpers rechteckig sind, ist also die Breite der Ableitelektrode parallel zu jener Seitenfläche, an welcher sie angeordnet sind, so gewählt, dass das Verhältnis des Doppelten der Breite zur Länge der entsprechenden Seitenfläche entlang der Kante der Erstreckungsfläche zwischen 1:2 und 4:5 liegt und bevorzugt 2:3 ist. Es ist im Wesentlichen der Zahlenwert des Verhältnisses von Bedeutung. Dieser wird so gewählt, das gute Stromtragfähigkeiten und hohe Wärmeableitfähigkeiten erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die erste und die zweite Ableitelektrode an gegenüber liegenden Seitenflächen des Zellenkörpers angeordnet. Dabei erstrecken sich die Ableitelektroden symmetrisch zur Mitte der Seitenfläche, an welcher sie angeordnet sind, wobei die Mitte der Seitenfläche wie oben beschrieben definiert ist. Die Ableitelektroden sind hierbei rechteckig in einer Fläche parallel zur Erstreckungsfläche des Zellenkörpers, wobei zwei Kanten parallel zur entsprechenden Seitenfläche verlaufen und zwei Kanten senkrecht hierzu stehen. Die Ableitelektroden sind nun so angeordnet und ausgestaltet, dass jene Berührungspunkte von zur entsprechenden Seitenfläche senkrechten Seitenkanten der Ableitelektroden mit der entsprechenden Seitenfläche einerseits und der Mitte der entsprechenden Seitenfläche andererseits um die Mitte der Erstreckungsfläche des Zellenkörpers einen Winkel λ einschließen, mit λ ≥ 20°, vorzugsweise ≥ 30°, besonders bevorzugt ≥ 40° und/oder ≤ 60°, vorzugsweise ≤ 50°.
Alternativ oder zusätzlich schließen jene Kanten der Ableitelektroden, die der entsprechenden Seitenfläche abgewandt sind, die also nicht an der entsprechenden Seitenfläche angeordnet sind, und die außerdem nicht parallel zum Umfang der Erstreckungsfläche liegen (also im Normalfall senkrecht zur Erstreckungsfläche), mit der Mitte der entsprechenden Seitenfläche einen Winkel γ um den Mittelpunkt der Erstreckungsfläche von γ ≥ 25°, vorzugsweise ≥ 35° und/oder ≤ 55°, vorzugsweise ≤ 45° ein. Das bedeutet also, dass eine zur Erstreckungsfläche parallele Strecke zwischen dem Mittelpunkt der Erstreckungsfläche und der entsprechenden Kante mit einer Strecke zwischen dem Mittelpunkt der Erstreckungsfläche und der Mitte der entsprechenden Seitenflächen den entsprechenden Winkel γ einschließt.
In dieser Ausführungsform wird ein Winkel β zwischen jenen Ecken der Erstreckungsfläche, welche jene die Ableitelektroden aufweisenden Seitenflächen begrenzen, und der Mitte der entsprechenden Seitenfläche vorzugsweise 40° < β < 60° gewählt. Bevorzugt ist β ≥ 45° und/oder ≤ 55°.
Vorzugsweise liegt in dieser Ausführungsform ein Verhältnis der Breite der Ableitelektroden, also ihrer Ausdehnung, in Richtung parallel zur Länge der zur Seitenfläche, an welcher sie angeordnet sind, zur Länge der entsprechenden Seitenfläche in paralleler Richtung, also in Richtung parallel des Umfanges der Erstreckungsfläche der Energiespeicherzelle, zwischen 2:10 und 9:10 und ist bevorzugt 2:3.
Eine Energiespeicherzelle kann im Inneren des Zellenkörpers eine Vielzahl von inneren Ableitern aufweisen, mit welchen Strom aus der Energiespeicherzelle ableitbar ist. Dabei können alle Ableiter einer bestimmten Polung mit der entsprechenden äußeren Ableitelektrode gleicher Polung verbunden sein. Bevorzugt ist es in diesem Falle, wenn eine Querschnittsfläche der Ableitelektroden senkrecht zur Stromflussrichtung eines Stromes, welcher aus der Energiespeicherzelle durch die entsprechende Ableitelektrode abgeleitet wird, und/oder die Stärke dieser Ableitelektrode, größer oder gleich der Summe der Querschnittsflächen bzw. der Stärken der mit dieser Ableitelektrode verbundenen inneren Ableiter ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Elektrode (äußerer Ableiter) die gleichen Stromstärken leiten kann, wie die inneren Ableiter zusammen.
Eine der Ableitelektroden kann eine positive Ableitelektrode sein, die Aluminium aufweist oder daraus besteht. Die andere Ableitelektrode kann eine negative Ableitelektrode sein, die Kupfer, vorzugsweise vernickeltes Kupfer, aufweist oder daraus besteht. Die spezifischen Leitfähigkeiten von Aluminium und Kupfer stehen im Verhältnis von ungefähr 1:1,6. Es ist daher bevorzugt, wenn die Ableitstärken der Ableitelektroden zur optimalen Wärmeabfuhr und Stromableitung so ausgelegt sind, dass die Aluminium-Ableitelektrode eine größere Ableiterstärke und/oder Ableiterbreite als die Kupfer-Ableitelektrode besitzt. Es kann hierbei also insbesondere die Querschnittsfläche der Aluminium-Ableitelektrode in Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung größer sein als die entsprechende Querschnittsfläche der Kupfer-Ableitelektrode. Besonders bevorzugt ist es, wenn die entsprechenden Querschnittsflächen der Aluminium-Ableitelektrode zur Kupfer-Ableitelektrode im Verhältnis 1,6:1 stehen.
Wenn die Energiespeicherzelle wie oben beschrieben eine Vielzahl von inneren Ableitern aufweist, wobei die inneren Ableiter einer bestimmten Polung mit der Ableitelektrode der entsprechenden Polung verbunden sind, dann ist es bevorzugt, wenn die Summe der Gewichte, d. h. der Massen, der inneren Ableiter zum Gewicht, also zur Masse, des entsprechenden äußeren Ableiters im Verhältnis 5:1 bis 15:1, bevorzugt im Verhältnis 10:1 steht. Es liegt das genannte Verhältnis also zwischen Masse an Aluminium bzw. Kupfer innerhalb der Zelle und Masse an Aluminium bzw. Kupfer außerhalb der Zelle vor.
Die Ableitelektroden gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können vorteilhafterweise quaderförmig sein. Sie weisen also 12 Kanten auf, die senkrecht zueinander stehen. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn jene Kanten der Ableitelektroden, die senkrecht auf der Seitenfläche stehen, an welcher die Ableitelektrode angeordnet ist, gefasst sind. Es ergibt sich hierdurch ein Querschnitt der Ableitelektroden parallel zur entsprechenden Seitenfläche, der sechseckig oder achteckig ist. Diese Fassung wird gemacht, um ein Durchdrücken der metallischen Ableiterkanten durch die Siegelschicht und damit einen Kurzschluss über die Ableiter zu unterbinden.
Es ist bevorzugt, wenn der Zellenkörper in jener Fläche, in welcher er sich flächig erstreckt, näherungsweise quadratisch ist. Dabei liegt ein Verhältnis einer Länge des Zellenkörpers zu einer Breite des Zellenkörpers in dieser Fläche im Bereich zwischen 0,85:1 und 1:1,15. Dabei wird die Zellenlänge an jener Kante der Erstreckungsfläche gemessen, an welcher die Ableitelektroden angeordnet sind, und die Zellenbreite an den hierzu senkrechten Kanten. Alternativ oder gleichzeitig kann die Erstreckungsfläche der Zelle so gewählt sein, dass ein Verhältnis eines Winkels ε um den Mittelpunkt der Erstreckungsfläche zwischen jenen die lange Seite begrenzenden Kanten zu einem Winkel δ um den Mittelpunkt zwischen jenen die breite Seite begrenzenden Kanten zwischen 80°:100° und 100°:80° liegt. Auch quadratische Zellen können umfasst sein.
In den Ausführungsformen der Erfindung ist es bevorzugt, wenn die Energiespeicherzellen so ausgelegt sind, dass sie in einem Gehäuse anordenbar sind, dessen Seitenfläche, die bei Anordnung der Energiespeicherzellen in dem Gehäuse parallel zur Erstreckungsfläche liegt, eine Kantenlänge zwischen 100 mm und 175 mm aufweist und für die andere Kantenlänge 100 mm bis 190 mm. Auf diese Weise lassen sich die für die Installation einer Anlasserbatterie vorhandenen Bauraumabmessungen vollständig ausnutzen. Die Abmessungen der Zelle in jener Fläche, in welcher sich der Zellenkörper erstreckt, sind also für die kürzere Seite ≥ 100 mm, besonders bevorzugt ≥ 150, besonders bevorzugt ≥ 175 mm und für die längere Seite ≥ 100 mm, besonders bevorzugt ≥ 140 mm, besonders bevorzugt ≥ 170, besonders bevorzugt ≥ 190 mm.
Eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Energiespeicherzellen kann zu einem Energiespeicher gestapelt und miteinander verbunden werden. Sie können hierzu in einem Gehäuse, wie dem vorstehend beschriebenen angeordnet sein. Sie liegen dabei vorzugsweise mit parallelen Erstreckungsflächen übereinander.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden.
Es zeigt
1 ein Beispiel einer Energiespeicherzelle mit zwei an einer Seitenfläche angeordneten Ableitelektroden;
2 die genaue Platzierung der Ableitelektroden im in 1 gezeigten Beispiel;
3 eine Ausführungsform der Erfindung mit zwei an gegenüber liegenden Seitenflächen angeordneten Ableitelektroden; und
4 eine gefasste Ableitelektrode.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Energiespeicherzelle mit einer ersten Ableitelektrode 1 und einer zweiten Ableitelektrode 2, die an einer Seite 4 eines Zellenkörpers 5 angeordnet sind. Die Figur zeigt hierbei eine Sicht auf eine Erstreckungsfläche des Zellenkörpers 5, die durch die Seitenflächen 4, die senkrecht zur Figurenebene stehen, begrenzt wird. Die Energiespeicherzelle erstreckt sich in der Zeichenebene flächig und ist in der Zeichenebene deutlich weiter ausgedehnt als senkrecht hierzu. Der Zellenkörper ist also im Wesentlichen plattenförmig.
Die Erstreckungsfläche ist hierbei näherungsweise ein Quadrat, wobei ein Verhältnis des Winkels ε zwischen den Kanten, welche jene die Ableitelektroden 1, 2 aufweisenden Seitenflächen begrenzen und eines Winkels δ zwischen den Kanten der hierzu senkrechten Seitenflächen liegt zwischen 80°:100° und 100°:80°, bevorzugt zwischen 90°:100° und 100°:90°. Das Verhältnis der Länge jener die Ableitelektroden 1, 2 aufweisenden Seitenfläche Z_L zu der Länge Z_B der hierzu senkrechten Seitenflächen liegt z. B. zwischen 0,85:1 und 1:1,15.
2 zeigt eine der in 1 gezeigten Energiespeicherzelle entsprechende Energiespeicherzelle. Gleiche Bezugszeichen entsprechen hierbei gleichen oder entsprechenden Merkmalen.
Die Elektroden 1 und 2 sind hierbei rechteckig ausgestaltet. Die Elektroden 1, 2 sind so dimensioniert und angeordnet, dass ein Berührungspunkt 7 einer Kante der Elektrode 1, 2, die dem Mittelpunkt 9 jener Seitenfläche 4 an welcher die Ableitelektroden 1 und 2 angeordnet sind, zugewandt ist, mit dem Mittelpunkt 9 um einen Mittelpunkt 10 der Erstreckungsfläche einen Winkel λ einschließt, der zwischen 10° und 36° liegt. Darüber hinaus beträgt ein Winkel β zwischen einem Berührungspunkt 8 einer dem Mittelpunkt 9 der Seitenfläche 4 abgewandten Kante der Ableitelektroden 1 und 2 mit der Seitenfläche und dem Mittelpunkt 9 der Seitenfläche um den Mittelpunkt 10 der Erstreckungsfläche zwischen 8° und 45°.
In den in 1 und 2 gezeigten Beispielen sind die Ecken 6a, 6b, 6c, 6d der Erstreckungsfläche abgerundet. In den abgerundeten Bereichen folgen die Seitenflächen 4 dem Verlauf der Kanten der Erstreckungsfläche.
3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle, bei welcher die Ableitelektroden 1 und 2 an gegenüber liegenden Seitenflächen 4 des Zellenkörpers 5 angeordnet sind. Die Ableitelektroden 1 und 2 sind wiederum rechteckig ausgestaltet und symmetrisch um eine Mitte 9 jener Seitenfläche 4 angeordnet, an welcher sie angeordnet sind, so dass eine Mitte der Ableitelektrode in Richtung deren Breite mit der Mitte 9 der Seitenfläche zusammenfällt. Die Ableitelektroden 1 und 2 sind darüber hinaus so dimensioniert und angeordnet, dass ein Winkel λ um den Mittelpunkt 10 der Erstreckungsfläche zwischen einem Berührungspunkt der senkrecht auf der entsprechenden Seitenfläche stehenden Kanten mit der entsprechenden Seitenfläche und dem Mittelpunkt 9 der entsprechenden Seitenfläche zwischen 20° und 60° liegt. Darüber hinaus schließen jene der Seitenfläche 4 abgewandten Kanten 11 der Ableitelektroden mit dem Mittelpunkt 9 der entsprechenden Seitenflächen einen Winkel γ um den Mittelpunkt 10 der Erstreckungsfläche ein, der zwischen 25° und 55° liegt. Es sind darüber hinaus jene die Ableitelektroden 1 und 2 aufweisenden Seitenflächen 4 des Zellenkörpers 5 so dimensioniert, dass ein Winkel β um den Mittelpunkt 10 der Erstreckungsfläche zwischen jener die Seitenfläche in Richtung des Umfangs der Erstreckungsfläche begrenzenden Kante und dem Mittelpunkt 9 der entsprechenden Seitenfläche 4 zwischen 40° und 60° liegt.
Die Längen der Seitenflächen 4 in den in 1, 2 und 3 gezeigten Beispielen können bevorzugt so gewählt sein, dass die Zellen in bestehende Batteriegehäuse einsetzbar sind. Hierbei kann eine kurze Seitenfläche 4 beispielsweise zwischen 120 und 170 mm lang sein und eine lange Seitenfläche zwischen 100 und 200 mm. Eine Dicke des Zellenkörpers in Richtung senkrecht zur Zeichenebene kann z. B. zwischen 3 und 8 mm betragen, besonders bevorzugt zwischen 5 und 7 mm.
Im in 1 und 2 gezeigten Fall, dass die Ableitelektroden an einer gemeinsamen Seitenfläche angeordnet sind, kann die Breite der Ableitelektroden 1 und 2 so gewählt sein, dass die doppelte Breite einer der Ableitelektroden 1/2 bis 4/5, bevorzugt 2/3 der Länge der entsprechenden Seitenfläche einnimmt. Für den Fall, dass, wie in 3, die Ableitelektroden auf gegenüber liegenden Seitenflächen angeordnet sind, kann die Breite der Ableitelektroden so gewählt werden, dass sie 2/10 bis 9/10, bevorzugt 2/3 der Länge der entsprechenden Seitenflächen einnehmen.
4 zeigt eine einzelne Ableitelektrode 1, die mit einer Fläche 12 an einer Seitenfläche 4 eines Zellenkörpers 5 anordenbar ist. Jene zur Seitenfläche 4 senkrechten Kanten 13a, 13b, 13c, 13d sind hierbei gefasst.
Die Ableitelektroden können beispielsweise Kupfer aufweisen oder daraus bestehen und/oder Aluminium aufweisen oder daraus bestehen.
Die Energiespeicherzellen können eine Mehrzahl von inneren Ableitern aufweisen, mit welchen Ströme aus der Energiespeicherzelle ableitbar sind. Ableiter einer Polarität können dann mit der entsprechenden Ableitelektrode gleicher Polarität elektrisch gekoppelt sein. Dabei entspricht vorzugsweise die Querschnittsfläche der Ableitelektrode in Richtung senkrecht zum Stromfluss durch die Ableitelektrode der Summe der Querschnittsflächen der inneren Ableiter in Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung durch die entsprechenden inneren Ableiter. Sind z. B. 30 innere Ableiter negativer Polarität in einer inneren Kupfer-Ableiter-Folie mit einer Dicke von 10 μm vorgesehen, so ergibt sich für die negative Ableitelektrode eine Dicke von 300 μm. Bevorzugt ist die Ableitelektrode aus vernickeltem Kupfer ausgeführt. Für 30 positive innere Ableiter mit einer Dicke einer inneren Aluminium-Ableiter-Folie von ca. 15 bis 18 μm ergibt sich für die positive Ableitelektrode eine Dicke von 450 μm bis 540 μm. Die positive Ableitelektrode ist vorzugsweise aus oberflächenbehandeltem Aluminium ausgeführt, was eine bessere Haftung zum und eine bessere Dichtigkeit mit dem Batteriegehäuse ermöglicht.
Die genannten Werte können beispielsweise um 50 nach oben und unten schwanken. Hierbei kann insbesondere der Art der Kühlung der Zelle Rechnung getragen werden. Durch die beschriebene Auslegung wird eine optimale Ableitung der in der Zelle umgesetzten Leistung mit entsprechend guter Wärmeableitung gewährleistet, was eine optimale Kühlung des Gesamtsystems ermöglicht. Eine gute Wärmeableitung und Kühlung verhindert außerdem auch die Bildung von lokalen Überhitzungspunkten („hot spots”) und wirkt entsprechend dem Arrhenius-Gesetz lebensdauerverlängernd auf das Gesamtsystem.

Claims

Energiespeicherzelle mit einem in einer Erstreckungsfläche flächig ausgedehnten Zellenkörper (5), einer ersten (1) und einer zweiten (2) Ableitelektrode, wobei der Zellenkörper (5) vier entlang eines Umfanges der Erstreckungsfläche angeordnete Seitenflächen (4) aufweist, von denen jeweils zwei parallel zueinander liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (1) und die zweite Ableitelektrode (2) an einer der Seitenflächen (4) symmetrisch in Richtung des Umfangs der Erstreckungsfläche zu einer Mitte (9) der entsprechenden Seitenfläche (4) angeordnet sind und ein Berührungspunkt (7) einer der Mitte (9) zugewandten Kante der Ableitelektroden (1, 2) mit der entsprechenden Seitenfläche (4) mit der besagten Mitte (9) der Seitenfläche einen Winkel λ um einen Mittelpunkt (10) der Erstreckungsfläche von 10° < λ < 36° einschließt und/oder dass ein Berührungspunkt (8) einer der Mitte abgewandten Kante der Ableitelektroden (1, 2) mit der entsprechenden Seitenfläche (4) mit der besagten Mitte (9) einen Winkel β um den Mittelpunkt (10) der Erstreckungsfläche von 8° < β < 45° einschließt.
Energiespeicherzelle nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des doppelten einer parallel zum Umfang der Erstreckungsfläche im Bereich der entsprechenden Seitenfläche (4) gemessenen Breite der ersten (1) und/oder der zweiten (2) Ableitelektrode zu der Länge der entsprechenden Seitenfläche (4) in Richtung entlang des Umfangs der Erstreckungsfläche zwischen 1:2 und 4:5 liegt, bevorzugt 2:3 ist.
Energiespeicherzelle mit einem in einer Erstreckungsfläche flächig ausgedehnten Zellenkörper (5), sowie einer ersten (1) und einer zweiten (2) rechteckigen Ableitelektrode, wobei der Zellenkörper (5) vier entlang eines Umfangs der Erstreckungsfläche angeordnete Seitenflächen (4) aufweist, von denen jeweils zwei parallel zueinander liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (1) und die zweite Ableitelektrode (2) an zwei gegenüber liegenden der Seitenflächen (4) angeordnet sind, wobei die Ableitelektroden jeweils symmetrisch in Richtung des Umfangs um eine Mitte (9) der entsprechenden Seitenfläche angeordnet sind und wobei die Berührungspunkte (8) von Seitenkanten der Ableitelektroden mit der entsprechenden Seitenfläche (4) mit der Mitte (9) der entsprechenden Seitenfläche für eine oder beide Ableitelektroden einen Winkel λ um einen Mittelpunkt (10) der Erstreckungsfläche von 20° < λ < 60° einschließen und/oder wobei von der entsprechenden Seitenfläche (4) abgewandten Kanten (11) der Ableitelektroden, die nicht parallel zum Umfang der Erstreckungsfläche verlaufen, mit der Mitte (9) der entsprechenden Seitenflächen für eine oder beide Ableitelektroden (1, 2) einen Winkel γ um den Mittelpunkt (10) der Erstreckungsfläche von 25° < γ < 55° einschließen, wobei ein Winkel β zwischen einer Verbindungslinie jener die die Ableitelektroden aufweisenden Seitenflächen (4) in Richtung des Umfangs begrenzenden Kanten (6a, 6b, 6c, 6d) der Seitenflächen (4) und dem Mittelpunkt (10) der Erstreckungsfläche einerseits und einer Verbindungslinie zwischen der Mitte (9) dieser Seitenfläche (4) und dem Mittelpunkt (10) der Erstreckungsfläche andererseits 40° < β < 60° beträgt.
Energiespeicherzelle nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Ausdehnung der Ableitelektroden (1, 2) in Richtung des Umfanges der Erstreckungsfläche im Bereich der entsprechenden Seitenfläche (4) zur Länge der entsprechenden Seitenfläche (4) in Richtung des Umfangs zwischen 2:10 und 9:10 liegt, bevorzugt 2:3 ist.
Energiespeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche der Ableitelektroden (1, 2) senkrecht zur Fließrichtung eines durch die entsprechende Ableitelektrode aus der Energiespeicherzelle abgeleiteten Stromes jeweils größer oder gleich der Summe von Querschnittsflächen mehrerer innerer Ableiter in der Energiespeicherzelle ist, mit welchen die entsprechende Ableitelektrode elektrisch verbunden ist.
Energiespeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ableitelektrode (1) eine positive Ableitelektrode ist, die Aluminium aufweist oder daraus besteht und dass die zweite Ableitelektrode (2) eine negative Ableitelektrode ist, die Kupfer aufweist oder daraus besteht, wobei das Verhältnis der Querschnittsfläche der ersten positiven Ableitelektrode (1) senkrecht zur Fließrichtung eines durch diese Ableitelektrode aus der Energiespeicherzelle abgeleiteten Stromes zur entsprechenden Querschnittsfläche der zweiten negativen Ableitelektrode (2) größer als 1 ist, vorzugsweise 1,6:1 beträgt.
Energiespeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Masse zumindest einer der Ableitelektroden (1, 2) zu der Summe der Massen aller mit der entsprechenden Ableitelektrode (1, 2) verbundenen Innenableiter der Energiespeicherzelle zwischen 1:5 und 1:15 liegt, vorzugsweise 10:1 beträgt.
Energiespeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jene Kanten der Ableitelektroden (1, 2), die senkrecht auf der entsprechenden Seitenfläche stehen, gefasst sind.
Energiespeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Längen des einen Paares von parallelen Seitenflächen (4) in Richtung des Umfangs der Erstreckungsfläche zu den Längen des anderen Paares von parallelen Seitenflächen (4) in Richtung des Umfanges der Erstreckungsfläche zwischen 0,85:1 und 1:1,15 liegt und/oder dass ein Verhältnis des Winkels ε, den jene das eine Paar von parallelen Seitenflächen (4) in Richtung des Umfanges begrenzenden Kanten (6a, 6b) um den Mittelpunkt der Erstreckungsfläche einschließen, zu dem Winkel δ, den jene das andere Paar von parallelen Seitenflächen in Richtung des Umfanges begrenzenden Kanten (6a, 6d) um den Mittelpunkt (10) der Erstreckungsfläche einschließen, zwischen 80°:100° und 100°:80° liegt, wobei die Ableitelektroden (1, 2) an einer oder zwei Seitenflächen (4) des einen Paares von parallelen Seitenflächen angeordnet sind.
Energiespeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen (4) des einen und/oder des anderen Paares von parallelen Seitenflächen (4) eine Länge in Richtung des Umfanges der Erstreckungsfläche von ≥ 100 mm, vorzugsweise ≥ 120 mm und/oder < 200 mm, bevorzugt < 190 mm, besonders bevorzugt ≤ 175 mm, besonders bevorzugt ≤ 170 mm ist, und/oder dass eine Dicke des Zellkörpers in Richtung senkrecht zur Erstreckungsfläche ≥ 3 mm, vorzugsweise ≥ 5 mm und/oder ≤ 8 mm, vorzugsweise ≤ 7 mm ist.
Batterie mit zumindest einer Energiespeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.