DE102010021148A1

DE102010021148A1 - Beutelzellenbatterieanordnung und entsprechendes Herstellungsverfahren und Verwendung

Info

Publication number: DE102010021148A1
Application number: DE201010021148
Authority: DE
Inventors: Dirk Lappe; Ralf Bauer; Dr. Chodura Hartmut; Dr. Chew Guan
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2011-11-24
Also published as: JP5395845B2; US20110287295A1; CN102255101B; US9048463B2; CN102255101A; JP2011249327A; FR2960345A1; FR2960345B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Beutelzellenbatterieanordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren sowie deren Verwendung. Die Beutelzellenbatterieanordnung weist einen Überzug aus einem Schrumpfschlauch (50) auf, welcher den Beutel (22) zumindest bereichsweise formschlüssig umgibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beutelzellenbatterieanordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren sowie deren Verwendung.
Obwohl prinzipiell auf beliebige Beutelzellenbatterieanordnungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand einer Lithiumionen-Beutelzellenbatterieanordnung erläutert.
Lithiumionen-Batterien müssen in einer im Wesentlichen feuchtigkeits- und sauerstoffundurchlässigen Weise abgedichtet sein, um unerwünschte Reaktionen mit einem Elektrolyt zu vermeiden. Deshalb werden die Zellen einer Lithiumionen-Batterien üblicherweise in einem Folienbeutel verpackt.
Obwohl die derart abgedichteten Beutelzellenbatterien zahlreiche Vorteile aufweisen, werden sie leichter beschädigt als Zellen, die in einer starren Hülle eingeschlossen sind.
Weiterhin besteht bei derartigen Beutelzellenbatterien das Problem, dass die äußeren Randbereiche bzw. Kanten des Beutels elektrisch nicht ausreichend isoliert sind. Zudem erschwert die unebene Beuteloberfläche eine gleichmäßige Abführung der beim Betrieb entstehenden Wärme.
Aus der DE 600 04 254 T2 ist eine Beutelzellenbatterieanordnung bekannt, wobei eine den Beutel umgebende starre äußere Abdeckung als zusätzliche Isolation vorgesehen ist. Dies führt zu einer erheblichen Volumenvergrößerung einer derartigen Beutelzellenbatterieanordnung im Vergleich zur Beutelzellenbatterie selbst.
Die DE 10 2006 061 270 A1 offenbart ein Batteriepack mit elektrochemischen Zellen, wobei stirnseitig ein Zellverbinder zum elektrischen Verbinden der Zellen vorgesehen ist.
Die US 2005/0210662 A1 offenbart eine Anordnung beutelförmiger Lithiumzellen, zwischen denen zur Kühlung hohle Metallplatten oder Rohre angeordnet sind.
Die US 5,227,260 offenbart eine Anordnung beutelförmiger Batteriezellen in einem Rahmenelement.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Beutelzellenbatterieanordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren zu schaffen, welche eine einfach herstellbare wirkungsvolle Isolation aufweist.
Die erfindungsgemäße Beutelzellenbatterieanordnung nach Anspruch 1 und das entsprechende Herstellungsverfahren nach Anspruch 7 weisen gegenüber den bekannten Lösungsansätzen den Vorteil auf, dass der Überzug leicht und kostengünstig herstellbar und gegebenenfalls leicht austauschbar ist.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt in der Verwendung von wärmeschrumpfbarem Material für die Sekundärumhüllung.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist der Beutel eine im wesentlichen rechteckige Gestalt auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind stirnseitig am Beutel Elektrodenanschlussbereiche vorgesehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die der Beutelzellenbatterie abgewandte Seite des Schrumpfschlauch zumindest bereichsweise mit einer Ausgleichsmasse belegt, wodurch ein im Wesentlichen ebener Oberflächenbereich geschaffen ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung liegt die Dicke des Überzugs aus dem Schrumpfschlauch im Bereich 0,2 bis 1 mm.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung steht der Überzug aus dem Schrumpfschlauch, welcher den Beutel zumindest bereichsweise formschlüssig umgibt, mit einer Kühlplatteneinrichtung in Kontakt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es illustrieren:
1a, b bis 3a, b schematische Ansichten jeweils (a) in Draufsicht und (b) im Querschnitt entlang der Linie A-A zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beutelzellenbatterieanordnung und deren Herstellung;
4 einen Querschnitt entlang der Linie A-A zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beutelzellenbatterieanordnung und deren Herstellung; und
5 einen Querschnitt entlang der Linie A-A zur Erläuterung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beutelzellenbatterieanordnung und deren Herstellung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
1a, b bis 3a, b sind schematische Ansichten jeweils (a) in Draufsicht und (b) im Querschnitt entlang der Linie A-A zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beutelzellenbatterieanordnung und deren Herstellung.
In 1a, b bezeichnet Bezugszeichen 10 eine Beutelzellenbatterie, welche einen im Wesentlichen rechteckigen Beutel 22 aus einem biegsamen Kunststofffolienmaterial aufweist, an dessen Stirnseite Elektrodenanschlussbereiche 10a, 10b vorgesehen sind.
Wie aus 1b ersichtlich, ist der Beutel 22 an seinen Seitenrändern durch Klebungen oder Schweißnähte 2 zusammengefügt. Die gegenüberliegenden Hauptoberflächen H des Beutels 22 weisen eine gewellte unregelmäßige Gestalt auf. Mit Bezugszeichen 12 angedeutet ist eine innerhalb des Beutels 22 vorgesehene Elektrodenanordnung, welche von einem nicht dargestellten Elektrolyt umgeben ist.
Wie in 2a, b dargestellt, wird ein Schrumpfschlauch 50 aus einem nicht leitenden wärmeschrumpfbaren Material mit relativ hohem Gummigehalt um die Hauptflächen H und verklebten bzw. verschweißten dazwischen liegenden Seitenflächen gelegt, wobei vorzugsweise die Rückseite und die gegenüberliegende Stirnseite mit den Elektrodenanschlussbereichen 10a, 10b freigelassen werden.
In einem folgenden Prozessschritt, welcher in 3a, b dargestellt ist, erfolgt nun eine Wärmebehandlung des Schrumpfschlauchs 50, so dass dieser schrumpft und, wie in 3a, b dargestellt, sich im Wesentlichen formschlüssig den Hauptflächen H bzw. den dazwischen liegenden Seitenflächen anpasst, so dass die Beutelzellenbatterie 10 einen Überzug aus dem geschrumpften Schrumpfschlauch 50 erhält, der den Beutel 22 formschlüssig umgibt. Der Schrumpfschlauch 50' weist dabei eine Materialdicke von typischerweise 0,2 mm bis 1 mm auf.
Der so gebildete Überzug aus dem geschrumpften Schrumpfschlauch 50' isoliert die Seitenränder, um unerwünschte Zellentladungen zu verhindern, schützt die scharfen Seitenkanten vor Scheuerungen und glättet die Welligkeit der Hauptflächen H. Weiterhin bietet der Überzug die Möglichkeit einer besseren thermischen Anbindung an eine Kühleinrichtung und macht die Beutelzellenbatterieanordnung insgesamt mechanisch widerstandsfähiger. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen mit einer sekundären Hüllung ist der Überzug gemäß der beschriebenen Ausführungsform leicht und kostengünstig herstellbar und gegebenenfalls leicht austauschbar.
4 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beutelzellenbatterieanordnung und deren Herstellung.
Bei der in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform wird im Anschluss an den in 3a, b gezeigten Prozesszustand auf dem Überzug aus Schrumpfschlauch 50' auf den Hauptflächen H zumindest bereichsweise eine Ausgleichsmasse 60 aufgetragen, welche typischerweise auf Silikon basiert. Somit ist es möglich, die über den Hauptflächen H liegende Umhüllung aus Schrumpfschlauch 50' und Ausgleichsmasse 60 mit einer im Wesentlichen ebenen Oberfläche O zu versehen.
Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht eine noch effizientere thermische Anbindung bzw. eine regelmäßige Konturierung, welche ein Stapeln bzw. dichtes Packen erleichtert.
5 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A zur Erläuterung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beutelzellenbatterieanordnung und deren Herstellung.
Bei der dritten Ausführungsform gemäß 5 ist die Beutelzellenbatterieanordnung gemäß 4 beiderseits von einer Kühlplatteneinrichtung mit zwei Kühlplatten 70a, b umgeben, um von den Hauptflächen H ausgehende Wärme effektiv abzutransportieren. Beispielsweise sind die Kühlplatten 70a, 70b von nicht dargestellten Kühlrohren durchsetzt, wobei durch letztere ein Transportmedium, wie zum Beispiel Wasser, geführt wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auch in anderer Weise ausführbar.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Lithiumionen-Batterien erläutert wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern prinzipiell für beliebige Beutelzellenbatterien anwendbar.
Auch sind die oben genannten Materialien für Beutel, Schrumpfschlauch und Ausgleichsmasse nur beispielhaft und durch andere Materialien mit entsprechenden Eigenschaften ersetzbar.
Weiterhin ist die Einbettung der Beutelzellenbatterieanordnung zwischen den Kühlplatten 70a, 70b nicht auf die Ausführungsform gemäß 4 beschränkt, sondern bei entsprechender Oberflächenwelligkeit auch für die Anordnung gemäß 3b anwendbar.
Eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Beutelzellenbatterieanordnung liegt im Kfz-Bereich, wo der Überzug aus Schrumpfschlauch derart gewählt werden sollte, dass er eine Temperaturbeständigkeit zwischen –55°C und 150°C aufweist. Diese Anwendung ist jedoch nicht einschränkend und es sind mannigfaltige weitere Anwendungen vorstellbar, wie zum Beispiel im Haushaltsbereich, im Telekommunikationsbereich, im Energieanlagenbereich etc.
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 60004254 T2 [0006]
DE 102006061270 A1 [0007]
US 2005/0210662 A1 [0008]
US 5227260 [0009]

Claims

Beutelzellenbatterieanordnung mit: einer Beutelzellenbatterie (10), welche eine in einem Beutel (22) verpackte Elektrodenanordnung (12) aufweist; und einem Überzug aus einem Schrumpfschlauch (50'), welcher den Beutel (22) zumindest bereichsweise formschlüssig umgibt.
Beutelzellenbatterieanordnung nach Anspruch 1, wobei der Beutel (22) eine im wesentlichen rechteckige Gestalt aufweist.
Beutelzellenbatterieanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei stirnseitig am Beutel (22) Elektrodenanschlussbereiche (10a, 10b) vorgesehen sind.
Beutelzellenbatterieanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die der Beutelzellenbatterie (10) abgewandte Seite des Schrumpfschlauch (50') zumindest bereichsweise mit einer Ausgleichsmasse (60) belegt ist, wodurch ein im Wesentlichen ebener Oberflächenbereich (O) geschaffen ist.
Beutelzellenbatterieanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke des Überzugs aus dem Schrumpfschlauch (50') im Bereich 0,2 bis 1 mm liegt.
Beutelzellenbatterieanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Überzug aus dem Schrumpfschlauch (50'), welcher den Beutel (22) zumindest bereichsweise formschlüssig umgibt, mit einer Kühlplatteneinrichtung (70a, b) in Kontakt steht.
Verfahren zum Herstellen einer Beutelzellenbatterieanordnung mit den Schritten: zumindest bereichsweises Überziehen eines Beutels (22) einer Beutelzellenbatterie (10) mit einem Schrumpfschlauch (50); und thermisches Schrumpfen des Schrumpfschlauch (50) zum Bilden von einem Überzug aus dem Schrumpfschlauch (50'), welcher den Beutel (22) zumindest bereichsweise formschlüssig umgibt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die der Beutelzellenbatterie (10) abgewandte Seite des Überzugs aus dem Schrumpfschlauch (50') zumindest bereichsweise mit einer Ausgleichsmasse (60) belegt wird, wodurch ein im wesentlichen ebener Oberflächenbereich (O) geschaffen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Ausgleichsmasse (60) auf Silikon basiert.
Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei Überzug aus dem Schrumpfschlauch (50') eine Temperaturbeständigkeit im Bereich zwischen –55 und 150°C aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Dicke des Überzugs aus dem Schrumpfschlauch (50) im Bereich 0,2 bis 1 mm liegt.
Verwendung der Beutelzellenbatterieanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem Kraftfahrzeug.