DE102010055598A1

DE102010055598A1 - Einzelzelle für eine Batterie und Verfahren zu deren Herstellung

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Publication number: DE102010055598A1
Application number: DE102010055598A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Hohenthanner Claus-Rupert; Dr. Kaufmann Rainer; Dipl.-Ing. Lieb Silvio; Dr.-Ing. Meintschel Jens; Dipl.-Ing. Dr. Schröter Dirk
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-06-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle (1) für eine Batterie, umfassend ein erstes Gehäuseteil (1.1) und ein zweites Gehäuseteil (1.2), die durch einen isolierenden Gehäuserahmen (1.3), welcher zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Material (1.3.1) besteht, elektrisch voneinander getrennt sind, und einen zwischen dem ersten Gehäuseteil (1.1) und dem zweiten Gehäuseteil (1.2) im Gehäuserahmen (1.3) angeordneter Elektrodenfolienstapel (2). Dabei ist vorgesehen, dass in den Gehäuserahmen (1.3) eine Einlage (1.3.2) integriert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine Batterie, umfassend ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil, die durch einen isolierenden Gehäuserahmen, welcher zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Material besteht, elektrisch voneinander getrennt sind, und einen zwischen dem ersten Gehäuseteil und zweiten Gehäuseteil im Gehäuserahmen angeordneten Elektrodenfolienstapel.
Batterien für ein Fahrzeug bestehen aus einer Anzahl in Reihe und/oder parallel geschalteten Einzelzellen, die sich mit einer zugehörigen Elektronik und Kühlung in einem gemeinsamen Gehäuse befinden. Üblicherweise sind die Einzelzellen als bipolare Rahmenflachzellen ausgebildet und weisen einen Elektrodenstapel auf, welcher von zwei metallischen Hüllblechen umhüllt wird. Die Hüllbleche sind durch einen isolierenden Rahmen elektrisch voneinander getrennt und dienen sowohl als Polplatte als auch als Wärmeleitblech. Zum Verschluss der bipolaren Rahmenflachzelle wird beispielsweise ein Heißpressverfahren (= Versiegelung) angewendet. Dafür besteht der Rahmen mindestens im Bereich einer Siegelnaht aus einem thermoplastischen Material. In einer beheizten Presse werden die Hüllbleche auf den Rahmen gepresst, wobei dieser partiell aufschmilzt und sich beim anschließenden Erkalten stoffschlüssig mit den Hüllblechen verbindet. Die Verlustwärme der bipolaren Rahmenflachzelle wird über die Hüllbleche nach außen abgeleitet und an eine metallische Kühlplatte abgegeben, die von Klimakühlmittel oder einer Kühlmittelflüssigkeit durchströmt wird. Zur elektrischen Isolation von Hüllblech und der Kühlplatte ist zwischen diesen eine Wärmeleitfolie angeordnet. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs sind die Hüllbleche im Bereich der Kühlplatte parallel zu dieser um einen Winkel von 90° abgekantet. Zur mechanischen Bildung eines Zellverbundes und zur elektrischen Reihenschaltung werden die bipolaren Rahmenflachzellen nebeneinander gestapelt und durch die Polplatten in axialer Richtung, d. h. vertikal zum Elektrodenstapel, verpresst.
Um eine zuverlässige Versiegelung für eine Batterie zu ermöglichen, offenbart die DE 602 04 366 T2 eine folienversiegelte, nicht-wässrige Elektrolytbatterie mit: einem Batterieelement, das einen nicht-wässrigen Elektrolyten enthält, und einem Foliengehäuse mit mindestens einer versiegelnden Polymerharzschicht zum Versiegeln des Batterieelements. Für die versiegelnde Polymerharzschicht sind thermoplastische Harze als Basismaterial verfügbar, z. B. Polyethylen, Polypropylen, Ionomer, säuredenaturiertes Polyethylen wie etwa säuredenaturiertes Polyethylenemaleat, säuredenaturiertes Polypropylen wie etwa säuredenaturiertes Polypropylenmaleat, Polyethylenterephthalat (PET), Polyethy-lennaphthalat (PEN), Polyethylenisophthalat (PEI), eine Mischung aus PET und PEN, eine Mischung aus PET und PEI, Polyamidharze, eine Mischung aus einem Polyamidharz und PET und eine Mischung aus einer Xyloleinheit, die Polyamid und PET enthält. Diese Harze können jeweils einzeln oder in Kombinationen verwendet werden, um eine mehrschichtige Struktur der versiegelnden Polymerharzschicht zu bilden. Diese Mehrfachschichten können wahlweise durch ein Klebemittel geklebt sein. Das Versiegeln des Batterieelementes wird mit einem Wärmeversiegelungsverfahren durchgeführt, wobei eine Heizvorrichtung eine Wärme erzeugt und dadurch der Versieglungsbereich des Batterieelementes gepresst werden kann. Ferner umfasst das Batterieelement mindestens eine Anschlussleitung, die sich von dem Batterieelement aus erstreckt und aus dem Foliengehäuse hervorragt, und eine Anschlussleitung mit einer Oberfläche, die eine Kontaktfläche aufweist, die mit der versiegelnden Polymerharzschicht in direktem Kontakt ist, und wobei mindestens die Kontaktfläche der Oberfläche der Anschlussleitung mit einem Antikorrosionsbeschichtungsfilm beschichtet ist, wobei der Antikorrosionsbeschichtungsfilm Folgendes umfasst: (A) ein Polymer aus Struktureinheiten einer phenolischen Verbindung, wobei mindestens ein Teil der Struktureinheiten einen Substituenten enthält, der eine Aminogruppe oder eine substituierte Aminogruppe enthält; (B) eine Phosphatverbindung; und (C) eine Titanfluorverbindung.
Die US 2007/0037058 A1 offenbart eine Dichtungsvorrichtung für eine aktive Metallanode, welche in einer Anodenvorrichtung angeordnet ist. Die Dichtungsvorrichtung verhindert, dass die Metallanode mit der äußeren Umgebung der Anodenvorrichtung, welche beispielsweise Wasser, Luftfeuchtigkeit und/oder andere korrosive Materialien enthält, wechselwirkt. Die Dichtungsvorrichtung umfasst dabei eine flexible Mehrschichtoberfläche, welche eine Dicke von über 120 Mikrometer aufweist. Die Mehrschichtoberfläche wird mittels Heißpressen versiegelt und besteht ferner aus einer oberen Schicht aus Polyethylenterephthalat, einer mittleren Schicht aus einer Aluminiumfolie und einer unteren Schicht aus Polyethylen mit einer niedrigeren Dichte als die der oberen Schicht. Die Dichtungsvorrichtung ist ferner unempfindlich gegenüber Anolyten, Katholyten, im Elektrolyten gelöste Teile, und Luftfeuchtigkeit und ist nachgiebig in Bezug auf eine Volumenänderung der Anodenvorrichtung ausgebildet, so dass eine physische Kontinuität zwischen der Anodenvorrichtung und einer Anodenrückseite beibehalten wird. Die Anodenvorrichtung kann in einem Verbund von Anodenvorrichtungen und in Batterien mit verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einzelzelle für eine Batterie anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik eine erhöhte Sicherheit aufweist.
Hinsichtlich der Einzelzelle wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Einzelzelle für eine Batterie umfasst ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil, die durch einen isolierenden Gehäuserahmen, welcher zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Material besteht, elektrisch voneinander getrennt sind, und einen zwischen dem ersten Gehäuseteil und zweiten Gehäuseteil im Gehäuserahmen angeordneten Elektrodenfolienstapel.
Das thermoplastische Material des Gehäuserahmens wirkt als Diffusionssperre, so dass zur Vermeidung eines Elektrolytverlustes der Einzelzelle der Gehäuserahmen, insbesondere dessen Dicke, reduziert werden. Dabei besteht allerdings die Gefahr, dass bei Verschluss der Einzelzelle, was vorzugsweise mittels eines Heißpress-Verfahrens geschieht, der Gehäuserahmen partiell vollständig aufgeschmolzen wird und ein daraus resultierendes widerstandsloses Berühren der ersten und zweiten Gehäuseteile zu einem Spannungsabfall und einem Kurzschluss führen kann.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass in den Gehäuserahmen eine Einlage integriert ist, welche beim Verschluss der Einzelzelle ein vollständiges Aufschmelzen des Gehäuserahmens verhindert. Da die Einlage vollständig in den Gehäuserahmen integriert ist, können eine Erhöhung der Kosten, des Bauraums und des Gewichts der Einzelzelle vermieden werden.
Darüber hinaus kann sowohl die Sicherheit als auch die Lebensdauer der Einzelzelle erhöht werden, da Spannungsabfälle und Kurzschlüsse beim Verschluss der Einzelzelle verhindert werden. Zudem kann der Gehäuserahmen weiterhin möglichst dünn gestaltet und damit ein Elektrolytverlust weitgehend verhindert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 perspektivisch eine Explosionsdarstellung einer als Rahmenflachzelle ausgebildete Einzelzelle,
2A schematisch eine perspektivische Darstellung der Rahmenflachzelle gemäß 1 im zusammengesetzten Zustand,
2B schematisch eine weitere perspektivische Darstellung der Rahmenflachzelle gemäß 1 im zusammengesetzten Zustand,
3A schematisch eine Schnittdarstellung einer Rahmenflachzelle vor einem Verschluss,
3B schematisch eine Schnittdarstellung der Rahmenflachzelle gemäß 3A nach dem Verschluss,
4A schematisch eine Ausschnittsvergrößerung einer Schnittdarstellung einer Rahmenflachzelle vor einem Verschluss,
4B schematisch eine Ausschnittsvergrößerung einer Schnittdarstellung der Rahmenflachzelle gemäß 4A nach dem Verschluss mittels Druckplatten,
5 schematisch eine Schnittdarstellung eines Gehäuserahmens einer Rahmenflachzelle, und
6 schematisch eine Schnittdarstellung eines alternativen Gehäuserahmens einer Rahmenflachzelle.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine Explosionsdarstellung einer Einzelzelle 1 dargestellt, die als Rahmenflachzelle ausgebildet ist und im Weiteren als Rahmenflachzelle 1 bezeichnet wird.
Die Rahmenflachzelle 1 ist insbesondere für eine Hochvolt-Batterie, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie, ausgeführt.
Die Rahmenflachzelle 1 weist ein erstes Gehäuseteil 1.1, ein zweites Gehäuseteil 1.2 und einen Gehäuserahmen 1.3 auf, wobei diese Bestandteile als Gehäuse zusammengefasst werden können.
Das erste Gehäuseteil 1.1 und das zweite Gehäuseteil 1.2 sind insbesondere aus einem Metall gebildet. Dabei dient beispielsweise das erste Gehäuseteil 1.1 als Anode und das zweite Gehäuseteil 1.2 als Kathode.
Um eine Diffusion von Stoffen außerhalb der Rahmenflachzelle 1, wie beispielsweise Wasserdampf, in ein Inneres I der Rahmenflachzelle 1 sowie eine Diffusion von Elektrolyt aus der Rahmenflachzelle 1 heraus weitgehend zu vermeiden, wird ein möglichst großer Teil des Gehäuses metallisch ausgeführt. Dazu sind bei mindestens einem der Gehäuseteile 1.1, 1.2, im Ausführungsbeispiel beim zweiten Gehäuseteil 1.2, alle Seiten des zweiten Gehäuseteils 1.2 in einem Winkel von mindestens 90° abgewinkelt. Das zweite Gehäuseteil 1.2 ist somit in Art einer Schale (= schalenförmiges Gehäuseteil) und das erste Gehäuseteil 1.1 planar in einer Art Platte (= plattenförmiges Gehäuseteil) ausgeführt.
Zur elektrischen und räumlichen Trennung des ersten und zweiten Gehäuseteils 1.1, 1.2 voneinander ist zwischen diesen der Gehäuserahmen 1.3 umlaufend angeordnet, welcher vorzugsweise zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Material 1.3.1, besteht. Eine nähere Darstellung des Gehäuserahmens 1.3 ist in den 5, 6 zu finden.
Im Inneren I der Rahmenflachzelle 1 sind elektrochemisch aktive Elektrodenfolien 2.1, welche zu einem Elektrodenfolienstapel 2 zusammengefasst sind, angeordnet. Zwischen den einzelnen Elektrodenfolien 2.1 sind nicht näher dargestellte Separatoren angeordnet, wodurch die Elektrodenfolien 2.1 elektrisch voneinander getrennt sind.
Sich gegenüberliegende Enden der Elektrodenfolien 2.1 sind als ein nach außen geführter erster Randbereich und ein nach außen geführter zweiter Randbereich in Form einer ersten und einer zweiten Stromableiterfahne elektrisch leitend ausgeführt. Dabei ist die jeweilige Stromableiterfahne der Elektrodenfolien 2.1 einer Polarität, z. B. durch Schweißung, elektrisch leitend zu einem Pol 3 miteinander verbunden, wobei der jeweilige Pol 3 mit einem entsprechenden metallischen ersten und zweiten Gehäuseteil 1.1, 1.2, elektrisch leitend verbunden ist. Dadurch sind das erste Gehäuseteil 1.1 sowie das zweite Gehäuseteil 1.2 der Rahmenflachzelle 1 Spannung führend ausgeführt.
Die 2A und 2B zeigen jeweils die in 1 in der Explosionsdarstellung gezeigte Rahmenflachzelle 1 im zusammengesetzten Zustand. Wobei 2A eine Vorderansicht des ersten Gehäuseteils 1.1 und 2B eine Rückansicht des zweiten Gehäuseteils 1.2 zeigt.
Die 3A und 3B zeigen jeweils eine Schnittdarstellung, insbesondere einen Querschnitt, der Rahmenflachzelle 1.
Dabei zeigt die 3A die Rahmenflachzelle 1 vor ihrem Verschluss, wobei das erste Gehäuseteil 1.1, der Gehäuserahmen 1.3, der Elektrodenstapel 2 mit den Elektrodenfolien 2.1 und den Polen 3 sowie das zweite Gehäuseteil 1.3 voneinander beabstandet sind.
3B zeigt die Rahmenflachzelle 1 nach ihrem Verschluss, wobei einer der Pole 3 mit dem ersten Gehäuseteil 1.1 und der andere der Pole 3 mit dem zweiten Gehäuseteil 1.2 stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt sind und der Gehäuserahmen 1.3 mit dem ersten und zweiten Gehäuseteil 1.1, 1.2 verbunden, insbesondere verpresst ist.
Das Verpressen des Gehäuserahmens 1.3 mit dem ersten und zweiten Gehäuseteil 1.1, 1.2 ist in den 4A und 4B näher beschrieben.
Dabei zeigen die 4A und 4B eine Ausschnittsvergrößerung einer Schnittdarstellung, insbesondere einen Querschnitt der Rahmenflachzelle 1, wobei insbesondere ein Randbereich der Rahmenflachzelle 1 näher dargestellt ist.
Um einen wie bereits in 1 beschriebenen Elektrolytverlust der Rahmenflachzelle 1 weitgehend zu vermeiden, ist ein möglichst großer Teil des Gehäuses metallisch zu gestalten. Dazu muss der Gehäuserahmen 1.3 möglichst dünn gestaltet sein, da das thermoplastische 1.3.1 Material nur eine geringe Diffusionssperrung aufweist.
Dabei besteht allerdings die Gefahr, dass beim Verpressen des Gehäuserahmens 1.3 mit dem ersten und zweiten Gehäuseteil 1.1, 1.2, was vorzugsweise mit einem in 4B beschriebenen Heißpress-Verfahren geschieht, der Gehäuserahmen 1.3 partiell vollständig aufgeschmolzen wird und ein daraus resultierendes widerstandsloses Berühren der ersten und zweiten Gehäuseteile 1.1, 1.2 zu einem Spannungsabfall und Kurzschluss führen kann.
Daher wird der Gehäuserahmen 1.3 mit einer elektrisch isolierenden Einlage 1.3.2 versehen, dessen Schmelzpunkt höher ist als der des thermoplastischen Materials 1.3.1. Die Einlage 1.3.2 ist beispielsweise als eine Kunststofffolie aus Polyethylen (= PET) ausgebildet.
Vorzugsweise ist die Einlage 1.3.2 im Gehäuserahmen 1.3 mittig angeordnet, so dass sie von dem thermoplastischen Material 1.3.1 beidseitig umschlossen wird.
Damit wird ein Heißpress-Verfahren ermöglicht, ohne dass der Gehäuserahmen 1.3 und die Rahmenflachzelle 1 beschädigt werden.
Bei dem Heißpress-Verfahren werden das erste und das zweite Gehäuseteil 1.1, 1.2 mittels beheizter Druckplatten 4 einer nicht dargestellten Heißpresse auf den Gehäuserahmen 1.3 gepresst. Dazu ist eine der Druckplatten 4 an dem ersten Gehäuseteil 1.1 und die andere der Druckplatten 4 an dem zweiten Gehäuseteil 1.2 angeordnet.
Durch die Wärme der beheizten Druckplatten 4 schmilzt der Gehäuserahmen 1.3 partiell auf, d. h. das thermoplastische Material 1.3.1 des Gehäuserahmens 1.3 schmilzt auf, während die Einlage 1.3.2 mechanisch stabil bleibt. Beim anschließenden Erkalten des Gehäuserahmens 1.3 verbindet sich das thermoplastische Material 1.3.1 stoffschlüssig mit dem ersten und zweiten Gehäuseteil 1.1, 1.2.
Eine nähere Darstellung eines Aufbaus des Gehäuserahmens 1.3 zeigen die 5 und 6.
Dabei zeigt 5 den Gehäuserahmen 1.3 in Schnittdarstellung, insbesondere einen Querschnitt, mit der Einlage 1.3.2 in Folienform, die beidseitig von dem thermoplastischen Material 1.3.1 umgeben ist.
6 zeigt eine alternative Ausführungsform des Gehäuserahmens 1.3 in Schnittdarstellung, insbesondere einen Querschnitt.
Dabei ist die Einlage 1.3.2 in Form von Partikeln in das thermoplastische Material 1.3.1 des Gehäuserahmens 1.3 eingebettet, wobei das Material, aus denen die Partikel bestehen, einen höheren Schmelzpunkt aufweist als der des thermoplastischen Materials. Die Einlage 1.3.2 besteht hier beispielsweise aus Polyethylenpartikel.
Alternativ dazu sind weitere organische und anorganische Partikel oder Fasern, wie beispielsweise Glasfaser, Aramidfaser und weitere denkbar.
Da die Einlage 1.3.2 gemäß den 5 und 6 in den Gehäuserahmen 1.3 integriert ist, wird dadurch eine kostengünstige, bauraum- und gewichtssparende Möglichkeit sichergestellt, die Sicherheit der Rahmenflachzelle 1 und deren Lebensdauer zu erhöhen.
Bezugszeichenliste

1: Einzelzelle, Rahmenflachzelle
1.1: erstes Gehäuseteil
1.2: zweites Gehäuseteil
1.3: Gehäuserahmen
1.3.1: thermoplastisches Material
1.3.2: Einlage
2: Elektrodenfolienstapel
2.1: Elektrodenfolien
3: Pole
4: Druckplatten
I: Inneres

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60204366 T2 [0003]
US 2007/0037058 A1 [0004]

Claims

Einzelzelle (1) für eine Batterie, umfassend ein erstes Gehäuseteil (1.1) und ein zweites Gehäuseteil (1.2), welche durch einen isolierenden Gehäuserahmen (1.3), der zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Material (1.3.1) besteht, elektrisch voneinander getrennt sind, und einen zwischen dem ersten Gehäuseteil (1.1) und zweiten Gehäuseteil (1.2) im Gehäuserahmen (1.3) angeordneten Elektrodenfolienstapel (2), dadurch gekennzeichnet, dass in den Gehäuserahmen (1.3) eine Einlage (1.3.2) integriert.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (1.3.2) aus einem Material gebildet ist, dessen Schmelzpunkt höher ist als der Schmelzpunkt des thermoplastischen Materials (1.3.1).
Einzelzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (1.3.2) folienartig ausgebildet ist und mittig im Gehäuserahmen (1.3) angeordnet ist, so dass die Einlage (1.3.2) beidseitig von dem thermoplastischen Material (1.3.1) umgeben ist.
Einzelzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (1.3.2) partikel- oder faserförmig ausgebildet und in das thermoplastische Material (1.3.1) eingebettet ist.