DE102010050046A1

DE102010050046A1 - Elektrochemiche Zelle und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102010050046A1
Application number: DE102010050046A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hohenthanner Claus-Rupert
Original assignee: Li Tec Battery GmbH
Current assignee: Li Tec Battery GmbH
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2012-05-03
Also published as: US20130266850A1; WO2012055559A2; EP2633571A2; WO2012055559A3; JP2013545229A; CN103190014A; KR20140052917A

Abstract

Eine elektrochemische Zelle (100) weist mindestens einen Elektrodenstapel (150) mit mindestens einer Ableitereinrichtung (110) und mindestens eine Umhüllung (130) auf. Die Umhüllung (130) umhüllt den Elektrodenstapel (150) zumindest teilweise und weist mindestens eine Durchtrittsstelle (140) vom Inneren zum Äußeren der Umhüllung für die mindestens eine Ableitereinrichtung (110) auf. An dieser Durchtrittsstelle (140) ist mindestens eine Schutzeinrichtung (120) zum Aufrechterhalten einer im Wesentlichen fluiddichten Eigenschaft der Umhüllung (130) im Bereich dieser Durchtrittsstelle (140), d. h. zum Minimieren einer Gefahr einer Beschädigung der Umhüllung (130) und/oder deren Siegelnaht im Bereich dieser Durchtrittsstelle (140) angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, welche einen Elektrodenstapel mit Ableitereinrichtung und mindestens eine Umhüllung, durch welche die Ableitereinrichtung hindurchtritt, aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrochemischen Zelle.
Ein wichtiger Aspekt beim Betrieb von elektrochemischen Zellen, insbesondere Batteriezellen oder Sekundärbatteriezellen, insbesondere von Hochleistungsbatteriezellen von z. B. Traktions-, Hybrid- oder Starterbatterien für Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge, Batterien für die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) und Solarbatterien, und insbesondere im Fall von Sekundärbatteriezellen auf Lithium-Basis, besteht darin, dass für eine bestimmte Batterielebensdauer ein verlässlicher Batteriebetrieb gewährleistet werden muss. Solch eine Batterie ist beispielsweise aus der EP 1 394 874 B1 bekannt.
Allerdings muss auch unter widrigen Betriebsbedingungen, wie beispielsweise bei starken „mechanischen” Belastungen, ein fehlerfreies Funktionieren der Batterien gewährleistet sein. Unter solchen Betriebsbedingungen kann es passieren, dass die aus der Umhüllung hervorstehende Ableitereinrichtung die Umhüllung beschädigt, wodurch beispielsweise Elektrolytflüssigkeit austreten kann, oder es einen Kurzschluss mit der Umhüllung geben kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte elektrochemische Zelle bereitzustellen.
Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist, wie im Folgenden ausführlich beschrieben, eine elektrochemische Zelle vorgesehen, welche mindestens einen Elektrodenstapel mit mindestens einer Ableitereinrichtung und mindestens eine Umhüllung aufweist. Die Umhüllung umhüllt den Elektrodenstapel zumindest teilweise und weist eine Durchtrittsstelle – vom Inneren zum Äußeren der Umhüllung – der mindestens einen Ableitereinrichtung auf. Gemäß der Erfindung ist die elektrochemische Zelle dadurch gekennzeichnet, dass an der Durchtrittsstelle mindestens eine Schutzeinrichtung zum Aufrechterhalten einer im Wesentlichen fluiddichten Eigenschaft der Umhüllung im Bereich dieser Durchtrittsstelle angeordnet ist.
Die Schutzeinrichtung weist vorzugsweise mindestens ein Polymer, vorzugsweise Polypropylen und/oder Polyethylenterephthalat auf. Der Vorteil dabei besteht darin, dass die Schutzeinrichtung einfach und kostengünstig bereitgestellt werden kann.
Ein Vorteil dabei ist, dass sich das Polymer aufgrund seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften besonders einfach in die elektrochemische Zelle integrieren lässt. Beispielsweise liegt der Schmelzpunkt von Polypropylen, in Abhängigkeit von seinem Kristallisationsgrad, zwischen 130°C und 171°C. Dies kann man sich bei der Herstellung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle zu Nutze machen, und die Schutzeinrichtung oder deren Polypropylen aufweisenden Abschnitte nachträglich thermisch umformen. Dadurch ist es möglich, die Schutzeinrichtung zumindest teilweise an der Durchtrittsstelle von Ableitereinrichtung durch die Umhüllung – vom Inneren zum Äußeren der Umhüllung – anzuordnen, und beispielsweise danach durch thermische Behandlung umzuformen, beispielsweise zwischenzeitlich teilweise oder ganz zu schmelzen. Dadurch ist es möglich, die Schutzeinrichtung ganz oder teilweise mit beispielsweise der Umhüllung zu verbinden. Außerdem lassen sich Schutzeinrichtungen, welche ganz oder teilweise aus Polypropylen bestehen, kostengünstig und komfortabel fertigen, da sich Polypropylen beispielsweise durch Spritzgießen oder Umformtechniken einfach bearbeiten lässt.
Auch Polyethylenterephthalat lässt sich aufgrund seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften besonders einfach in die elektrochemische Zelle integrieren. Beispielsweise liegt der Schmelzpunkt von Polyethylenterephthalat, in Abhängigkeit von seinem Kristallisationsgrad und Polymerisationsgrad, zwischen 235°C und 260°C. Dies kann man sich bei der Herstellung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle zu Nutze machen, und die Schutzeinrichtung oder deren Polyethylenterephthalat aufweisenden Abschnitte in Form von Fasern oder Vlies oder Folien ausbilden und thermisch umformen. Dadurch ist es möglich, die Schutzeinrichtung zumindest teilweise an der Durchtrittsstelle von Ableitereinrichtung durch die Umhüllung – vom Inneren zum Äußeren der Umhüllung – anzuordnen, und beispielsweise danach durch thermische Behandlung umzuformen, beispielsweise zwischenzeitlich teilweise oder ganz zu schmelzen. Dadurch ist es auch möglich, die Schutzeinrichtung ganz oder teilweise mit beispielsweise der Umhüllung zu verbinden. Außerdem lassen sich Schutzeinrichtungen, welche ganz oder teilweise aus Polyethylenterephthalat bestehen, kostengünstig und komfortabel fertigen.
Ein weiterer Vorteil dabei ist, dass man durch die Verwendung von Polyethylenterephthalat, ausgebildet als Vlies, mit vorzugsweise durch Extrudieren eingebrachtem Polypropylen ein Material erhält, welches nach Umformung stabil ist, insbesondere formstabil ist, und mit beispielsweise der Umhüllung, welche beispielsweise eine Schicht aufweist, welche Polypropylen aufweist, verschmolzen oder verschweißt werden kann. Hierbei kann vor allem der Polypropylenteil der Schutzeinrichtung mit der Polypropylen aufweisenden Schicht der Umhüllung verbunden, insbesondere verschmolzen oder verschweißt werden, und so für eine insbesondere dichte Versiegelung der Umhüllung vor allem an der Durchtrittsstelle der Ableitereinrichtung durch die Umhüllung sorgen, während der Polyethylenterephthalatteil der Schutzeinrichtung vor allem für den Schutz der Umhüllung vor Beschädigung, insbesondere durch die Ableitereinrichtung, sorgt.
Unter elektrochemischer Zelle ist jede Art von Einrichtung zur elektrischen Speicherung von Energie zu verstehen. Der Begriff definiert damit insbesondere elektrochemische Zellen vom primären oder sekundären Typ, aber auch andere Formen von Energiespeichern wie beispielsweise Kondensatoren.
Ein Elektrodenstapel weist wenigstens eine Kathode, eine Anode und einen Separator mit Elektrolyt auf. Unter einem Elektrodenstapel ist außerdem eine Einrichtung zu verstehen, welche als Baugruppe einer elektrochemischen Zelle auch der Speicherung chemischer Energie und zur Abgabe elektrischer Energie dient. Dazu weist der Elektrodenstapel mehrere plattenförmige Elemente auf, wenigstens zwei Elektroden, Anode und Kathode, und einen Separator, welcher den Elektrolyt wenigstens teilweise aufnimmt. Vorzugsweise sind wenigstens eine Anode, ein Separator und eine Kathode übereinander gelegt bzw. gestapelt, wobei der Separator wenigstens teilweise zwischen Anode und Kathode angeordnet ist. Diese Abfolge von Anode, Separator und Kathode kann sich innerhalb des Elektrodenstapels beliebig oft wiederholen. Die plattenförmigen Elemente können auch zu einem Elektrodenwickel aufgewickelt sein. Der Begriff Elektrodenstapel kann auch für Elektrodenwickel verwendet werden. Vor der Abgabe elektrischer Energie wird gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie gewandelt. Während des Ladens wird die dem Elektrodenstapel bzw. der galvanischen Zelle zugeführte elektrische Energie in chemische Energie gewandelt und abgespeichert. Vorzugsweise weist der Elektrodenstapel mehrere Elektrodenpaare und Separatoren auf. Besonders bevorzugt sind einige Elektroden untereinander insbesondere elektrisch verbunden. Die Verwendung des Begriffes Elektrodenstapel im Singular schließt nicht aus, dass mehrere Elektrodenstapel gemeint sein können.
Unter Umhüllung ist eine zumindest teilweise Begrenzung zu verstehen, welche den/die Elektrodenstapel nach außen hin abgrenzt. Die Umhüllung ist vorzugsweise fluiddicht, d. h. gas- und flüssigkeitsdicht, sodass ein Materialaustausch mit der Umgebung nicht stattfinden kann. Die Elektrodenstapel sind innerhalb der Umhüllung angeordnet. Dabei ist mit dem Ausdruck Inneres der Umhüllung vorzugsweise die dem Elektrodenstapel zugewandte Seite der Umhüllung gemeint, und ist mit dem Ausdruck Äußeres der Umhüllung vorzugsweise die dem Elektrodenstapel abgewandte Seite der Umhüllung gemeint.
Eine Ableitereinrichtung kann zumindest einen Stromableiter und/oder zumindest eine Ableiterfahne aufweisen oder daraus bestehen. Eine Ableitereinrichtung dient zur Leitung von Strom zwischen zwei beabstandeten Punkten, beispielsweise einer elektrochemischen Zelle und einem Verbraucher. Die Ableitereinrichtung ist vorzugsweise mit dem Elektrodenstapel in Kontakt. Vorzugsweise erstreckt sich die Ableitereinrichtung vom Elektrodenstapel aus in die Umgebung. Befindet sich zumindest eine teilweise Umhüllung um den Elektrodenstapel, so kann die Ableitereinrichtung die Umhüllung durchtreten, vorzugsweise in der Richtung vom Inneren der Umhüllung zum Äußeren der Umhüllung.
Ein Stromableiter ist ein Element, welches aus einem stromleitenden Material hergestellt ist. Es dient zur Leitung von Strom zwischen zwei geometrisch voneinander getrennten Punkten. Vorliegend ist unter einem Stromableiter auch eine Einrichtung zu verstehen, welche den Fluss von Elektronen aus einer Elektrode in Richtung eines elektrischen Verbrauchers ermöglicht. Der Stromableiter wirkt auch in entgegengesetzter Stromrichtung. Ein Stromableiter kann elektrisch mit einer Elektrode bzw. einer aktiven Elektrodenmasse oder mit der/den Ableiterfahne(n) der Elektroden des Elektrodenstapels und weiter mit einem Anschlusskabel verbunden sein. Die Gestalt des Stromableiters ist an die Gestalt der elektrochemischen Zelle bzw. des Elektrodenstapels angepasst. Vorzugsweise ist ein Stromableiter plattenförmig oder folienartig ausgebildet. Bevorzugt weist jede Elektrode oder jede Ableiterfahne des Elektrodenstapels einen eigenen Stromableiter auf bzw. Elektroden oder Ableiterfahnen gleicher Polarität sind mit einem gemeinsamen Stromableiter verbunden. Ein Stromableiter kann eine leitfähige Verbindung zwischen zwei Elektrodenstapeln bilden. Vorzugsweise ist die wenigstens ein Stromableiter mit einer Ableiterfahne auch wärmeleitend verbunden. Vorzugsweise kann der Stromableiter eine wärmeleitende und/oder elektrisch leitende Verbindung zu mindestens einer Ableiterfahne aufweisen.
Eine Ableiterfahne ist mit einem Elektrodenstapel verbunden. Insbesondere ist die Ableiterfahne dabei mit allen gleichartigen Elektroden eines Elektrodenstapels verbunden, d. h. entweder mit den Kathoden oder mit den Anoden. Es ist selbstverständlich, dass eine Ableiterfahne nicht mit den Kathoden und Anoden eines Elektrodenstapels gleichzeitig verbunden ist, da dies zu einem Kurzschluss führen würde. Jedoch kann eine Ableiterfahne mit unterschiedlichen Elektroden von unterschiedlichen Elektrodenstapeln verbunden sein, so z. B. bei einer Reihenschaltung der beiden Elektrodenstapel. Die Ableiterfahne kann mit einer oder mehreren Elektroden einstückig ausgebildet sein. Eine Abgrenzung zwischen Ableiterfahne und Elektrode kann darin gesehen werden, dass die Ableiterfahne insbesondere nicht mit aktivem Elektrodenmaterial beschichtet ist. Die Ableiterfahne kann aus einem strom- und/oder wärmeleitenden Material, vorzugsweise Aluminium oder Kupfer, einstückig oder mehrstückig bzw. einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet sein.
Die Schutzeinrichtung ist vorzugsweise zumindest teilweise zwischen Umhüllung und Ableitereinrichtung angeordnet. Vorteilhafterweise wird durch diese Anordnung die Beschädigung der Umhüllung durch die Ableitereinrichtung reduziert, vorzugsweise minimiert, vorzugsweise verhindert.
Vorteilhaft weist der Elektrodenstapel eine Mehrzahl, mindestens zwei Kathoden, Anoden und Separatoren auf. Weiter vorzugsweise weist der Elektrodenstapel eine Vielzahl, mindestens 10 Anoden, Kathoden und Separatoren auf. Weiterhin bevorzugt weist der Elektrodenstapel 30 Kathoden und Anoden, und 60 Separatoren auf. Kathode(n), Anode(n) und Separator(en) sind jeweils plattenförmig ausgebildet.
Eine Ableitereinrichtung weist vorzugsweise zumindest teilweise stromleitendes, vorzugsweise strom- und wärmeleitendes Material auf, insbesondere Kupfer und/oder Aluminium. Vorzugsweise ist die Ausgestaltung der Ableitereinrichtung an die Ausgestaltung der elektrochemischen Zelle bzw. des Elektrodenstapels angepasst. Bevorzugt wird eine folien- oder plattenartige Ausgestaltung der Ableitereinrichtung, oder dass die Ableitereinrichtung zumindest teilweise platten- oder folienförmige Elemente aufweist. Vorzugsweise ist die Ableitereinrichtung mehrteilig aufgebaut, vorzugsweise aufweisend Ableiterfahne(n) und daran angebrachter, vorzugsweise durch Ultraschallschweißen angebrachter, Stromableiter. Die Ableitereinrichtung kann vorzugsweise aber auch einteilig aufgebaut sein. Vorzugsweise weist die Ableitereinrichtung Teile innerhalb und/oder außerhalb der Umhüllung auf. Vorzugsweise weist die Ableitereinrichtung Teile zwischen einer ersten Umhüllung und einer zweiten Umhüllung auf.
Vorzugsweise ist die Schutzeinrichtung zumindest teilweise oder vollständig folienartig ausgebildet, vorzugsweise als Klebefolie ausgebildet. Insbesondere liegt die Klebefolie als wenigstens ein Klebestreifen vor. Dabei ist wenigstens ein Klebestreifen zumindest teilweise an der Ableitereinrichtung und/oder der Umhüllung und/oder zwischen Ableitereinrichtung und Umhüllung angeordnet, insbesondere stoff-, kraft- und/oder formschlüssig, insbesondere an der Durchtrittstelle der Ableitereinrichtung durch die Umhüllung. Bei einem Klebestreifen kann ein Klebstoff auf einem Träger aufgebracht sein. Der Träger weist bevorzugt Polypropylen und/oder Polyethylenterephthalat. Weiterhin bevorzugt weist der Träger zumindest teilweise Polyethylenterephthalat auf, welches vorzugsweise zumindest teilweise als Vlies ausgestaltet ist, und welches vorzugsweise Polypropylen aufweist, welches vorzugsweise in das Polyethylenterephthalat eingebracht ist. Vorzugsweise kann das Einbringen durch Extrudieren erfolgen. Es können aber auch andere, dafür geeignete Verfahren verwendet werden. Als Klebstoff wird bevorzugt Acrylatkleber oder Silikonkleber verwendet. Der Kleber kann auf einer oder auf beiden Seiten des Trägers aufgebracht werden. Vorteilhafterweise wird der Klebestreifen so angeordnet, dass die mit Klebstoff beschichtete Seite des Trägers der Ableitereinrichtung zugewandt ist. Die mit Klebstoff beschichtete Seite kann aber vorzugsweise auch der Umhüllung zugewandt sein.
Vorteilhaft ist die Schutzeinrichtung als wenigstens ein Klebepunkt ausgebildet. Ein Klebepunkt ist vorzugsweise ein plattenartiges Element, dessen Oberfläche im Vergleich zu Oberfläche des Elektrodenstapels sehr klein ist, insbesondere um einen Faktor 50, 100, 200 oder 500 kleiner als die Oberfläche des Elektrodenstapels. Ein Klebepunkt ist einfach und an wohl definierten Stellen anzubringen und bietet auch einen entsprechenden Schutz vor Beschädigung der Umhüllung. Vorzugsweise sind mehrere Klebepunkte entlang der Durchtrittsstelle der Ableitereinrichtung durch die Umhüllung angebracht. Ein Klebepunkt ist bevorzugt zumindest teilweise als Körper ausgebildet, welcher vorzugsweise zumindest teilweise, vorzugsweise größtenteils, vorzugsweise vollständig aus Polyethylenterephthalat und/oder Polypropylen aufgebaut ist, und welcher auf der Oberfläche zumindest teilweise mit einem Klebstoff, vorzugsweise Acrylatkleber oder Silikonkleber, beschichtet sein kann. Weiterhin bevorzugt weist der Klebepunkt zumindest teilweise Polyethylenterephthalat auf, welches vorzugsweise zumindest teilweise als Vlies ausgestaltet ist, und welches vorzugsweise Polypropylen aufweist, welches vorzugsweise in das Polyethylenterephthalat eingebracht ist. Vorzugsweise kann das Einbringen durch Extrudieren erfolgen. Es können aber auch andere, dafür geeignete Verfahren verwendet werden.
Vorteilhaft ist die Schutzeinrichtung als Kleberaupe ausgebildet. Eine Kleberaupe ist vorzugsweise ein langgestrecktes, plattenartiges Bauteil, dessen Länge um mindestens einen Faktor 2, 5, 10, 50 oder 100 größer ist als seine Breite. Vorzugsweise ist die Kleberaupe zumindest teilweise an der Ableitereinrichtung und/oder an der Umhüllung, vorzugsweise zumindest teilweise zwischen Ableitereinrichtung und Umhüllung angeordnet, insbesondere an der Durchtrittsstelle der Ableitereinrichtung durch die Umhüllung. Eine Kleberaupe ist bevorzugt zumindest teilweise als Körper ausgebildet, welcher vorzugsweise zumindest teilweise, vorzugsweise größtenteils, vorzugsweise vollständig aus Polyethylenterephthalat und/oder Polypropylen aufgebaut ist, und welcher auf der Oberfläche zumindest teilweise mit einem Klebstoff, vorzugsweise Acrylatkleber oder Silikonkleber, beschichtet sein kann. Weiterhin bevorzugt weist der Klebepunkt zumindest teilweise Polyethylenterephthalat auf, welches vorzugsweise zumindest teilweise als Vlies ausgestaltet ist, und welches vorzugsweise Polypropylen aufweist, welches vorzugsweise in das Polyethylenterephthalat eingebracht ist. Vorzugsweise kann das Einbringen durch Extrudieren erfolgen. Es können aber auch andere, dafür geeignete Verfahren verwendet werden.
Vorzugsweise kann die Schutzeinrichtung einteilig oder mehrteilig ausgestaltet sein. Vorteilhaft können mehrere Teile mindestens einer Schutzeinrichtung oder mehrerer Schutzeinrichtungen voneinander beabstandet sein. Vorteilhaft können mehrere Teile mindestens einer Schutzeinrichtung oder mehrerer Schutzeinrichtungen miteinander in Kontakt stehen, insbesondere form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Vorteilhaft ist die Schutzeinrichtung flexibel oder starr ausgebildet, oder kann flexible und/oder starre Teile aufweisen. Die Schutzeinrichtung weist vorzugsweise zumindest teilweise ein Polymer auf, vorzugsweise Polypropylen und/oder Polyethylenterephthalat. Weiterhin bevorzugt weist die Schutzeinrichtung zumindest teilweise Polyethylenterephthalat auf, welches vorzugsweise zumindest teilweise als Vlies ausgestaltet ist, und welches vorzugsweise Polypropylen aufweist, welches vorzugsweise in das Polyethylenterephthalat eingebracht ist. Vorzugsweise kann das Einbringen durch Extrudieren erfolgen. Es können aber auch andere, dafür geeignete Verfahren verwendet werden. Vorteilhafterweise kann dadurch die Schutzeinrichtung vorzugsweise zumindest teilweise mit der Umhüllung und/oder mit der Ableitereinrichtung formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden werden, insbesondere stoffschlüssig verbunden werden, vorzugsweise durch Verschmelzen. Vorzugsweise kann die Schutzeinrichtung zumindest teilweise elektrisch leitende Teile aufweisen, beispielsweise aus Metall, oder elektrisch leitenden Kohlenstoff.
Vorteilhaft weist eine elektrochemische Zelle einen Elektrodenstapel, eine Umhüllung bzw. Verpackung des Elektrodenstapels und elektrische Anschlüsse, insbesondere mindestens eine Ableitereinrichtung bzw. Stromableiter und/oder Ableiterfahnen zu den Elektroden auf. Die Umhüllung trennt auch den Elektrodenstapel von der Umgebung und verhindert den Austritt von Elektrolyt. Wenn die elektrochemische Zelle zwei Elektrodenstapel aufweist, die miteinander in Reihe geschaltet sind, so können zwei Ableitereinrichtungen unterschiedlicher Elektrodenstapel miteinander verbunden sein.
Vorzugsweise weist die Umhüllung wenigstens zwei Hüllenteile, ein erstes Hüllenteil und eine zweites Hüllenteil, auf. Das erste Hüllenteil kann das zweite Hüllenteil vorzugsweise vollständig, vorzugsweise teilweise umhüllen. Vorzugsweise können das erste und das zweite Hüllenteil aneinander angrenzen. Das erste Hüllenteil und das zweite Hüllenteil können vorzugsweise form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig zumindest teilweise miteinander verbunden sein, um den Elektrodenstapel zumindest teilweise zu umgeben. Vorzugsweise schmiegen sich die Hüllenteile wenigstens teilweise an mindestens einen Elektrodenstapel an. Die Hüllenteile können vorzugsweise die gleichen oder unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, beispielsweise kann das erste Hüllenteil gute Wärmeleitfähigkeitseigenschaften aufweisen, und das zweite Hüllenteil kann gute isolierende Eigenschaften aufweisen. Die Hüllenteile können zumindest teilweise gleiche oder unterschiedliche Materialien aufweisen oder daraus aufgebaut sein. Die Umhüllung kann zumindest teilweise folienartig ausgebildet sein. Vorzugsweise besteht die Umhüllung zumindest teilweise aus Verbundmaterial.
Vorzugsweise ist die Umhüllung insbesondere einteilig ausgebildet. Vorzugsweise besteht das Innere der Umhüllung zumindest teilweise aus Verbundmaterial, welches mindestens ein Polymer, vorzugsweise Polypropylen aufweist. Es soll nicht ausgeschlossen sein, dass das Innere der Umhüllung nur ein Material aufweist, oder nur einteilig aufgebaut ist. Vielmehr ist es vorzugsweise auch möglich, dass das Innere der Umhüllung mehrteilig ausgestaltet ist, was auch eine mehrschichtige Ausgestaltung, wie beispielsweise bei einem Verbundmaterial, mit einschließt, und dass das Innere der Umhüllung mindestens zwei Materialien aufweist, beispielsweise mindestens zwei Polymere, oder mindestens ein Polymer und mindestens ein Metall. Vorzugsweise besteht das Äußere der Umhüllung zumindest teilweise aus Verbundmaterial. Es soll nicht ausgeschlossen sein, dass das Äußere der Umhüllung nur ein Material aufweist, oder nur einteilig aufgebaut ist. Vielmehr ist es vorzugsweise auch möglich, dass das Äußere der Umhüllung mehrteilig ausgestaltet ist, was auch eine mehrschichtige Ausgestaltung, wie beispielsweise bei einem Verbundmaterial, mit einschließt, und dass das Äußere der Umhüllung mindestens zwei Materialien aufweist, beispielsweise mindestens zwei Polymere, oder mindestens ein Polymer und mindestens ein Metall. Vorzugsweise bestehen das Innere und das Äußere der Umhüllung aus dem gleichen Material, vorzugsweise aus einem Verbundmaterial.
Wenigstens eine Ableitereinrichtung, insbesondere zwei Ableitereinrichtungen erstrecken sich vorzugsweise aus dem Inneren der Umhüllung hinaus zum Äußeren der Umhüllung. Die nach außen sich erstreckenden Ableitereinrichtungen können dabei vorzugsweise die elektrischen Anschlüsse, z. B. den Pluspolanschluss und den Minuspolanschluss der elektrochemischen Zelle bzw. Batterie darstellen. Jedoch können sich auch mehrere Ableitereinrichtungen aus der Umhüllung erstrecken, insbesondere vier Ableitereinrichtungen.
Erfindungsgemäß ist auch das Verfahren zum Zusammenbau der elektrochemischen Zelle, welches folgende bevorzugte optionale Verfahrenschritte aufweist, welche in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden können:
Vorzugsweise wird die Schutzeinrichtung an der Ableitereinrichtung angeordnet. Die Anordnung kann durch stoff- und/oder form- und/oder kraftschlüssige Verbindung der Ableitereinrichtung mit der Schutzeinrichtung erfolgen. Insbesondere eine stoffschlüssige Verbindung ist bevorzugt. Insbesondere ist eine Klebeverbindung ebenfalls bevorzugt. Es ist auch vorteilhaft, dass die Oberfläche der Ableitereinrichtung behandelt wird, beispielsweise durch Aufrauen der Oberfläche oder Anbringen einer Vertiefung oder Öffnung in der Oberfläche, um eine bessere Verbindung mit der Schutzeinrichtung zu ermöglichen. Vorzugsweise wird die Schutzeinrichtung an der Umhüllung angeordnet. Die Anordnung kann durch stoff- und/oder form- und/oder kraftschlüssige Verbindung der Umhüllung mit der Schutzeinrichtung erfolgen. Insbesondere eine stoffschlüssige Verbindung ist bevorzugt, insbesondere durch Verschweißen oder Verschmelzen.
Es ist auch vorteilhaft, dass die Oberfläche der Umhüllung behandelt wird, beispielsweise durch Aufrauen der Oberfläche oder Anbringen einer Vertiefung in der Oberfläche, um eine bessere Verbindung mit der Schutzeinrichtung zu ermöglichen. Vorzugsweise wird die Schutzeinrichtung nach der Anordnung an der Ableitereinrichtung mit der Umhüllung stoff- und/oder kraft- und/oder formschlüssig, insbesondere stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise durch Verschmelzen bzw. Verschweißen, sodass die Schutzeinrichtung danach zumindest teilweise zwischen Ableitereinrichtung und Umhüllung angeordnet ist, insbesondere an der Durchtrittsstelle der Ableitereinrichtung durch die Umhüllung, insbesondere mit beiden stoffschlüssig verbunden ist. Vorzugsweise wird die Schutzeinrichtung nach der Anordnung an der Umhüllung mit der Ableitereinrichtung stoff- und/oder kraft- und/oder formschlüssig, insbesondere stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise durch Verschmelzen oder Verschweißen, sodass die Schutzeinrichtung danach zumindest teilweise zwischen Ableitereinrichtung und Umhüllung angeordnet ist, insbesondere an der Durchtrittsstelle der Ableitereinrichtung durch die Umhüllung, insbesondere mit beiden stoffschlüssig verbunden ist.
Vorzugsweise schließt die Umhüllung dadurch den enthaltenen Elektrodenstapel fluiddicht, besonders bevorzugt hermetisch gegen die Umwelt ab. Mit hermetisch ist gemeint, dass zerstörungsfrei kein Stoff- bzw. Gasaustausch zwischen Umhüllung und dem Inhalt der Umhüllung, beispielsweise dem Elektrodenstapel und/oder Elektrolyt, stattfinden kann. Dies wird vorzugsweise durch eine dichte Versiegelung des Elektrodenstapels durch die Umhüllung, auch um die Ableitereinrichtung herum, erreicht. Dies wird vorzugsweise durch die Verwendung einer Schutzeinrichtung, welche mindestens ein Polymer, vorzugsweise ein Polyterephthalatvlies mit einextrudierten Polypropylen aufweist, und einer Umhüllung, deren, der Schutzeinrichtung zugewandten Seite, mindestens ein Polymer, vorzugsweise Polypropylen aufweist. Dies bietet den Vorteil, dass Umhüllung und Schutzeinrichtung insbesondere stoffschlüssig miteinander verschweißt und/oder verschmolzen werden können.
Die Schutzeinrichtung kann in fester Form, beispielsweise als fertig geformte Schutzeinrichtung, beispielsweise als Klebeband, an der Ableitereinrichtung und/oder Umhüllung angeordnet werden. Es ist aber auch möglich, die Schutzeinrichtung in nicht fester Form, beispielsweise als Vorstufe der fertig geformten Schutzeinrichtung, beispielsweise als Flüssigkeit, welche noch aushärten oder trocknen muss, an der Ableitereinrichtung und/oder der Umhüllung angeordnet werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Darin zeigen:
1a eine schematische Aufsicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle;
1b einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle;
2a eine schematische Aufsicht einer Vergrößerung des Bereiches X aus 1a eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle;
2b einen schematischen Querschnitt einer Vergrößerung des Bereiches X aus 1b eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle;
3a eine schematische Aufsicht einer Vergrößerung des Bereiches X aus 1a eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle;
3b einen schematischen Querschnitt einer Vergrößerung des Bereiches X aus 1b eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle;
4a eine schematische Aufsicht einer Vergrößerung des Bereiches X aus 1a eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle;
4b einen schematischen Querschnitt einer Vergrößerung des Bereiches X aus 1b eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle;
5 den schematischen Querschnitt einer Vergrößerung des Bereiches X aus 1b eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle; und
6 eine schematische Aufsicht einer Vergrößerung des Bereiches X aus 1a auf ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle.
Gemäß 1a und 1b weist ein Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Zelle 100 einen Elektrodenstapel 150, eine Umhüllung 130, Ableitereinrichtung 110 und eine Schutzeinrichtung 120 auf. Die Ableitereinrichtung 110 tritt an einer Durchtrittsstelle 140 durch die Umhüllung 130. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht der Durchtrittsbereich 140 dem Bereich X, welcher in den nachfolgenden 2a/b bis 5 vergrößert dargestellt wird. Im Falle der dargestellten schematischen Querschnitte der 2b, 3b und 4b der Ausführungsbeispiele entspricht die Blickrichtung wie in 1b angezeigt.
Gemäß 2a und 2b weist ein Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Zelle 200 eine Ableitereinrichtung 210 auf, an deren Kanten eine Schutzeinrichtung 220 angeordnet. Die Umhüllung 230 bedeckt die Schutzeinrichtung 220 nur teilweise. Die Umhüllung 230 kann aber die Schutzeinrichtung 220 auch vollständig bedecken.
Gemäß 3a und 3b weist ein Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Zelle 300 eine Umhüllung 330 und eine Ableitereinrichtung 310 auf, an deren Seite eine Schutzeinrichtung 320 angeordnet, welche die Ableitereinrichtung 310 umwickelt. Die Schutzeinrichtung 320 kann beispielsweise dort, wo die Schutzeinrichtung 320 die Kanten der Ableitereinrichtung 310 berührt ein anderes Material aufweisen, beispielsweise mit Metall verstärkt sein.
Gemäß 4a und 4b weist ein Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Zelle 400 eine Umhüllung 430 und eine Ableitereinrichtung 410 auf, deren Kanten sich verjüngen und die so beispielsweise eine trapezoidale Form aufweist. Die Schutzeinrichtung 420 kann aus zwei Teilen bestehen, wobei sich ein erster Teil entlang der Basis-Grundseite der trapezoidal ausgebildeten Ableitereinrichtung 410 erstreckt, und ein zweiter Teil der Schutzeinrichtung 420 sich entlang der Seiten und der zweiten Grundlinie der trapezoidal ausgebildeten Ableitereinrichtung 410 erstreckt, und auf Höhe der Basis-Grundlinie sich mit dem ersten Teil vereinigt.
Gemäß 5 weist ein Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Zelle 500 einen Durchtrittsbereich 540 einer Ableitereinrichtung 510 durch die Umhüllung 530 auf, welcher eine Schutzeinrichtung 520 aufweist. Die Schutzeinrichtung 520 kann teilweise zwischen Ableitereinrichtung 510 und Umhüllung 530 angeordnet sein.
Gemäß 6 weist ein Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Zelle 600 einen Elektrodenstapel 650, eine Ableitereinrichtung 610 und Schutzeinrichtungen 620 auf, die an der Umhüllung 630 angeordnet sind. Der Bereich, in dem die Schutzeinrichtungen 620 an der Umhüllung 530 angeordnet sind, definiert den Durchtrittsbereich 640 der Ableitereinrichtung 610 durch die Umhüllung 630. Es ist auch möglich, dass nur eine Schutzvorrichtung an der Umhüllung angebracht ist, und diese dann später von der Ableitereinrichtung durchstoßen wird. Das in 6 gezeigte Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Zelle 600 zeigt eine mögliche Momentaufnahme während des Zusammenbaus der elektrochemischen Zelle 600, zu dem ein Teil der Umhüllung 631 noch nicht den Elektrodenstapel 650 und die Ableitereinrichtung 610 bedeckt.
Bezugszeichenliste

100, 200, 300, 400, 500, 600: Elektrochemische Zelle
110, 210, 310, 410, 510, 610: Ableitereinrichtung
120, 220, 320, 420, 520, 620: Schutzeinrichtung
130, 230, 330, 430, 530, 630: Umhüllung
631: Teil der Umhüllung
140, 540, 640: Durchtrittsstelle
150, 650: Elektrodenstapel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1394874 B1 [0002]

Claims

Elektrochemische Zelle (100; 200; 300; 400; 500; 600), aufweisend mindestens einen Elektrodenstapel (150; 650) mit mindestens einer Ableitereinrichtung (110; 210; 310; 410; 510; 610), und mindestens eine Umhüllung (130; 230; 330; 430; 530; 630), welche den Elektrodenstapel zumindest teilweise umhüllt und welche mindestens eine Durchtrittsstelle (140; 540; 640) aufweist, durch welche die mindestens eine Ableitereinrichtung vom Inneren zum Äußeren der Umhüllung tritt, dadurch gekennzeichnet, dass an der mindestens einen Durchtrittsstelle (140; 540; 640) mindestens eine Schutzeinrichtung (120; 220; 320; 420; 520; 620) zum Aufrechterhalten einer im Wesentlichen fluiddichten Eigenschaft der Umhüllung (130; 230; 330; 430; 530; 630) im Bereich der Durchtrittsstelle (140; 540; 640) angeordnet ist.
Elektrochemische Zelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (120; 220; 320; 420; 520; 620) zumindest teilweise folienartig, vorzugsweise als Klebeband ausgebildet ist.
Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (120; 220; 320; 420; 520; 620) zumindest teilweise zwischen Umhüllung (130; 230; 330; 430; 530; 630) und Ableitereinrichtung (110; 210; 310; 410; 510; 610) angeordnet ist.
Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (120; 220; 320; 420; 520; 620) zumindest teilweise mit der Ableitereinrichtung (110; 210; 310; 410; 510; 610) verklebt ist.
Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (120; 220; 320; 420; 520; 620) mindestens ein Polymer aufweist.
Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (120; 220; 320; 420; 520; 620) mindestens Polypropylen und/oder Polyethylenterephthalat aufweist.
Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (120; 220; 320; 420; 520; 620) Polyethylenterephthalat, welches als Vlies ausgebildet ist, und Polypropylen, welches in das Polyethylenterephthalat eingebracht ist, aufweist.
Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (130; 230; 330; 430; 530; 630) zumindest teilweise ein Verbundmaterial aufweist, welches mindestens eine der Schutzeinrichtung (120; 220; 320; 420; 520; 620) am nächsten liegende Schicht aufweist, welche zumindest teilweise aus Polypropylen besteht.
Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (120; 220; 320; 420; 520; 620) mit der Umhüllung (130; 230; 330; 430; 530; 630) zumindest teilweise stoff- und/oder kraft- und/oder formschlüssig verbunden ist.
Elektrochemische Zelle gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (120; 220; 320; 420; 520; 620) mit der Umhüllung (130; 230; 330; 430; 530; 630) stoffschlüssig verbunden ist, indem das Polypropylen der Schutzeinrichtung mit der der Schutzeinrichtung am nächsten liegende Schicht der Umhüllung verschweißt oder verschmolzen ist.
Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle aufweisend mindestens einen Elektrodenstapel (150; 650) mit mindestens einer Ableitereinrichtung (110; 210; 310; 410; 510; 610) und mindestens eine Umhüllung (130; 230; 330; 430; 530; 630), welche den Elektrodenstapel zumindest teilweise umhüllt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den Schritt aufweist: Anordnen mindestens einer Schutzeinrichtung (120; 220; 320; 420; 520; 620) an einer Durchtrittsstelle (140; 540; 640), durch welche eine Ableitereinrichtung (110; 210; 310; 410; 510; 610) vom Innen zum Äußern der Umhüllung (130; 230; 330; 430; 530; 630) tritt, wobei die mindestens eine Schutzeinrichtung (120; 220; 320; 420; 520; 620) zum Aufrechterhalten einer im Wesentlichen fluiddichten Eigenschaft der Umhüllung (130; 230; 330; 430; 530; 630) im Bereich dieser Durchtrittsstelle (140; 540; 640) geeignet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schutzeinrichtung (120; 220; 320; 420; 520; 620) im Bereich der Durchtrittsstelle (140; 540; 640) zumindest teilweise mit der Ableitereinrichtung (110; 210; 310; 410; 510; 610) verklebt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schutzeinrichtung (120; 220; 320; 420; 520; 620) im Bereich der Durchtrittsstelle (140; 540; 640) zumindest teilweise mit der Umhüllung (130; 230; 330; 430; 530; 630) stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig verbunden wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schutzeinrichtung (120; 220; 320; 420; 520; 620) im Bereich der Durchtrittsstelle (140; 540; 640) zumindest teilweise mit der Umhüllung (130; 230; 330; 430; 530; 630) verschweißt oder verschmolzen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schutzeinrichtung (120; 220; 320; 420; 520; 620) gemäß einem der Ansprüche 2, 3, 5, 6 oder 7 ausgebildet bzw. angeordnet ist.