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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Lithium-Ionen-Batterien und insbesondere die Schutzmaßnahmen zur Verhinderung einer elektrochemischen Kontaktkorrosion.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Abdeckung für elektrische Zellenverbindungen von aus mehreren Batteriezellen gebildete Batteriemodulen und daraus in Nebeneinander- oder/und Übereinanderanordnung zusammengefassten Lithium-Ionen-Batterien.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Stapelung von aus mehreren Batteriezellen bestehenden Lithium-Ionen-Batteriemodulen.
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Die Erfindung ist anwendbar bei der Herstellung und Verwendung von Batteriemodulen für Kraftfahrzeuge.
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Die Notwendigkeit des Einsatzes von Kupfer und Aluminium für die Elektroden der Lithium-Ionen-Batterien erfordert die Auseinandersetzung mit der Neigung zur elektrochemischen Kontaktkorrosion infolge der unterschiedlichen Position dieser Metalle in der elektrochemischen Spannungsreihe.
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Es sind schon verschiedene Vorschläge bekannt, die Auswirkungen dieses Sachverhaltes zu reduzieren, wie die Plattierung der Verbindungslasche aus Aluminium mit Kupfer oder die Entfernung der Kupferschicht an der Verbindungsstelle zur Aluminiumelektrode.
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Diese Maßnahmen beseitigen jedoch die Gefahr einer elektrolytischen Kontaktkorrosion nicht vollständig.
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Die Kontaktkorrosion setzt ein Medium voraus, über welches der Transport von Ionen vom Metall mit dem höheren Spannungspotential zum Metall mit dem niedrigeren Spannungspotential möglich wird – einen Elektrolyten.
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Grundsätzlich gilt für die elektrochemische Kontaktkorrosion: Eine Kontaktkorrosion kann nur bei Vorhandensein eines Elektrolyten auftreten, über den ein Ionentransport erfolgt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die außerhalb der Batteriezelle liegenden Verbindungselemente eines Batteriemoduls mit einfachen Mitteln effektiv zu schützen und langzeitig stabil die Kontaktkorrosion zu verhindern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale in den Ansprüchen 1 und 6. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Die Schutzwirkung der Erfindung basiert darauf, dass durch ein pastöses Material eine Kapselung der Zellenverbindung erfolgt und ein dauerhafter hermetischer Abschluss der Kontaktstelle Kupfer – Aluminium gegenüber Sauerstoff bewirkt wird.
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Das als Kapselungsmittel vorgeschlagene pastöse Material ist ein Calcium-Lithium-Seifenfett, welches im Temperaturbereich von minus 40°C bis plus 130°C beständig ist und dessen Konsistenz durch Mischung mit einem nichtleitenden Pulver wie beispielsweise Siliziumdioxid für den vorgesehenen Zweck eingestellt werden kann.
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Die Erfindung sieht weiter vor, dass Abdeckungen über den elektrischen Zellenverbindungen von aus mehreren Batteriezellen gebildeten Batteriemodule und daraus in Nebeneinander- oder/und Übereinanderanordnung zusammengefassten Lithium-Ionen-Batterien angeordnet sind, welche Aufnahmekammern aufweisen, die ganz oder teilweise mit einem Kapselungsmittel gefüllt oder füllbar ausgebildet sind und die elektrische Zellenverbindung, bestehend aus Kupferelektrode, Aluminiumelektrode und Zellenverbinder, luftdicht kapseln.
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In einer speziellen Ausführungsform sieht die Erfindung vor, dass in der Decke der Aufnahmekammern über den Kupferterminals eine mit der Kupferelektrode korrespondierende Öffnung angeordnet ist, durch die Verbindungselemente in Form von Mutter-Gewindebolzen oder Inbus-Verbindungselemente geführt werden, und die im Zusammenwirken mit der Kupferelektrode eine kraftschlüssige Befestigung der Abdeckung am Batteriemodul realisieren.
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Die Mutter-Gewindebolzen können aus Metall sein, wenn eine Messung der Batteriespannung erforderlich ist, oder aus Nichtmetall wenn sich keine spannungsführenden Teile außerhalb der Abdeckungen befinden sollen. Im letzteren Fall soll der Mutter-Gewindebolzen eine solche Festigkeit aufweisen, dass das vorgeschriebene Anzugs drehmoment übertragbar ist. Dann könnte dieses Teil als obere Befestigungsmutter dienen.
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Die Abdeckung kann mit Dichtungen zusammenwirken, die zur Abdichtung der Aufnahmepfannen dienen.
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Zur Anordnung der Abdeckung auf mit einem Bördelrand versehenen Batteriezellen können am umlaufenden Rand der Aufnahmekammer und an zwischen den Aufnahmekammern angeordneten Verstärkungsrippen Nuten vorgesehen sind, die den Bördelrand aufnehmen oder dass zur Anordnung auf glatten Oberflächen der Batteriezellen. Dichtungen angeordnet sind, die eine Abdichtung der Aufnahmekammern bewirken.
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Nach der erfindungsgemäßen Lösung sind die ganz oder teilweise mit dem pastösen Material vorkonfektioniert gefüllten Aufnahmekammern an ihren nach unten offenen Rändern mit einer abziehbaren oder durchstoßfähigen Folie versehen.
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Die bei der Montage der Abdeckungen sowie beim Stapeln der Batteriemodule erfolgende Verteilung des als pastöses Material eingesetzten Kapselungsmittels im gesamten Raum der Aufnahmekammern bewirkt eine totale Kapselung oder Versiegelung, welche einen Ionentransport und damit eine elektrochemische Kontaktkorrosion dauerhaft verhindert. Das Kapselungsmittel kann ein Gemisch aus Calcium-Lithium-Seifenfett und einem nichtmetallischen Pulver, beispielsweise Siliziumdioxid (SiO2), sein.
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Zur Stapelung von Batteriemodulen unter Verwendung der erfindungsgemäßen Abdeckung ist vorgesehen, dass die Batteriemodule in Bodenplatten eingesetzt werden, die je nach Ausführung der Befestigungsvariante mit Ausnehmungen oder Noppen versehen sind, wobei die Ausnehmungen und Noppenanordnungen eine zentrierende Funktion haben.
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Das Verfahren zur Stapelung von aus mehreren Batteriezellen bestehenden Lithium-Ionen-Batteriemodulen basiert darauf, dass zwischen den Batteriemodulen die Abdeckung mit den Aufnahmekammern angeordnet wird, die Aufnahmekammern ganz oder teilweise mit dem Kapselungsmittel gefüllt sind oder gefüllt werden, und die elektrische Zellenverbindung hierdurch luftdicht gekapselt wird.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1: einen Querschnitt durch eine Aufnahmekammer,
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2: einen Querschnitt durch eine dreiteilige Anordnung der Aufnahmekammern,
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3: eine Draufsicht auf ein Batteriemodul mit Abdeckung,
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4: eine Prinzipdarstellung einer Stapelung von 3 Batteriemodulen,
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5: einen Mutter-Gewindebolzen,
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6: ein Inbus-Verbindungselement,
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7: den Querschnittsbereich der Kupferelektrode mit Mutter-Verbindungsbolzen,
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8: den Querschnittsbereich der Kupferelektrode mit Inbus-Verbindungselement.
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In 1 ist der Querschnitt durch eine Aufnahmekammer 1 gezeigt, in welcher sich die elektrische Zellenverbindung 2 befindet mit den Bestandteilen Kupferelektrode 3, Aluminiumelektrode 4, Zellenverbinder 5, untere Befestigungsmuttern 6 und obere Befestigungsmuttern 7.
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Der Innenraum 25 der Aufnahmekammer 1 ist vorkonfektioniert mit dem Kapselungsmittel 26 ganz oder teilweise gefüllt und die unten offenen umlaufenden Ränder 15 der Aufnahmekammern 1 sind durch eine abziehbare oder durchstoßfähige Folie 27 verschlossen.
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In der Decke 8 der Aufnahmekammer 1 befindet sich eine mit der Kupferelektrode 3 korrespondierende Öffnung 9, über die mittels spezieller Ausgestaltungen eine kraftschlüssige Befestigung der Abdeckung 19 am Batteriemodul 28 erfolgt und die ebenfalls mit einer abziehbaren oder durchstoßfähigen Folie 27 verschlossen ist.
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Die Aufnahmekammer 1 überdeckt die zur Batteriezelle 16 gehörende Kupferelektrode 3 und die zur Batteriezelle 17 gehörende Aluminiumelektrode 4.
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In 2 ist der Querschnitt einer Abdeckung 19 dargestellt, welche wie in 3 gezeigt, ein Batteriemoduls 28 überdeckt. Das aus 6 Batteriezellen 16, 17 bestehende Batteriemodul 28 verfügt über eine zweiteilige und eine dreiteilige Anordnung der Aufnahmekammern 1, die erforderlichenfalls über Verstärkungsrippen 22 miteinander verbunden sind.
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Zur kraftschlüssigen Verbindung der Abdeckung 19 mit dem Batteriemodul 28 wird beispielsweise der in 5 dargestellte Mutter-Gewindebolzen 10 oder das Inbus-Verbindungselement 31, welches in 6 skizziert ist, auf der Kupferelektrode 3 angebracht.
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In 7 ist der Querschnittsbereich der Kupferelektrode 3 mit der Anwendung des Mutter-Gewindebolzens 10 als Verbindungs- und Befestigungselement erläutert. Dabei wird davon ausgegangen dass die Batteriezellen 16, 17 am oberen Rand mit einer Bördelung versehen sind und die umlaufenden Ränder 15 der Aufnahmekammer 1 eine Nut 23 besitzen, welche die Bördelung aufnimmt. Des Weiteren wird hier dargestellt, dass die obere Befestigungsmutter 7 als Flachmutter ausgeführt ist, so dass die Gewindelänge an der Kupferelektrode 3 ausreicht um einen Mutter-Gewindebolzen 10 aufzuschrauben. Der Mutter-Gewindebolzen 10 hat im Gewindebolzen 12 ein vom Gewinde des Mutterteiles 11 abweichenden Durchmesser.
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Die Öffnung 9 in der Decke 8 der Aufnahmekammer 1 entspricht dieser Abmessung, und die äußere Befestigungsmutter 13 ist entsprechend klein ausgeführt.
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Wird die in 7 dargestellte Aufnahmekammer zur Stapelung von Batteriemodulen 28 eingesetzt, so ist an den Batteriemodulen 28 eine Bodenplatte 29 z. B. durch Kleben befestigt, in welche eine zylindrische Öffnung eingebracht ist, die die äußere Befestigungsmutter 13 aufnimmt. Durch die Anordnung der Bodenplatte 29 ist keine die äußere Befestigungsmutter 13 aufnehmende Maßnahme an der Batteriezelle 16 erforderlich.
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In 8 ist die Anwendung des Inbus-Verbindungselements 31 gezeigt. Dabei wird die Öffnung 9 in der Decke 8 der Aufnahmekammer 1 mit einer Einsenkung versehen, welche den Bund am Inbusteil 32 aufnimmt, wodurch eine ebene glatte Oberfläche der Abdeckung 1 erreicht wird.
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Bei Verwendung derartig ausgeführter Batteriemodule 28 zur Anordnung in Stapelform werden an den Böden der Batteriemodule 28 Bodenplatten 29 angebracht die mit Noppen 24 versehen sind, die zentrierend in die Vertiefung 30 am Inbusteil 32 greifen.
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In 8 ist weiter gezeigt, dass zur Verhinderung des Austretens von apselungsmittel 26 eine Dichtung 18 angeordnet ist, die aus einem elastischen Material besteht, in welches die Ränder 15 der Aufnahmekammern 1 beim Festziehen des Inbus-Verbindungselement 31 gedrückt werden.
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Der prinzipielle Aufbau einer Stapelung von Batteriemodulen 28 ist in 4 gezeigt. Auf den Batteriemodulen 28 sind die Abdeckungen 19 angeordnet und an ihren Böden sind Bodenplatten 29 befestigt, die je nach Ausführung der Befestigungsvariante mit Ausnehmungen oder Noppen versehen sind. Die Ausnehmungen und Noppenanordnungen haben dabei eine zentrierende Funktion.
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Bei der Montage des Batteriemoduls 28 nach 7 wird auf die Kupferelektrode 3 der Mutter-Gewindebolzen 10 geschraubt. Die Abdeckung 19 wird gemäß der Erfindung so über die elektrische Zellenverbindung 2 gestülpt, dass die den Boden und die. Öffnung 9 bedeckenden Folien 27 durchstoßen werden. Der Gewindebolzen 12 wird durch die Öffnung 9 geführt. Der Gewindebolzen 12 hat ein vom Mutterteil 11 abweichendes Gewinde, so dass die äußere Befestigungsmutter 13 klein gehalten werden kann.
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Die am Boden der Batteriemodule 28 festgeklebte Bodenplatte 29 hat eine zylindrische Öffnung, die dem Eckmaß der äußeren Befestigungsmutter 13 entspricht.
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Bei der Montage des Batteriemoduls 28 nach 8 wird zunächst eine Dichtung 18 angebracht, die durch die Abdeckung 19 festgedrückt wird, indem auf die Kupferelektrode 3 ein Inbus-Verbindungselement 31 geschraubt wird. Das Inbusteil 32 ist in die Decke 8 der Aufnahmekammer 10 mit einem Bund eingelassen, so dass die Oberfläche der Abdeckung 19 eben ist.
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Die am Boden des Batteriemoduls 28 angeklebte Bodenplatte 29 ist mit Noppen versehen, welche zentrierend in die Vertiefung 30 vom Inbusteil 32 greifen.
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Die beschriebenen Varianten können also jeweils für die gesamte Anordnung der Stapelung anwendet werden, je nach der ausgewählten Ausführung.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist es möglich, durch Variation der genannten Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aufnahmekammer
- 2
- Elektrische Zellenverbindung
- 3
- Kupferelektrode
- 4
- Aluminiumelektrode
- 5
- Zellenverbinder
- 6
- Untere Befestigungsmuttern
- 7
- Obere Befestigungsmuttern
- 8
- Decke der Aufnahmekammer
- 9
- Öffnung in der Aufnahmekammer
- 10
- Mutter-Gewindebolzen
- 11
- Mutterteil
- 12
- Gewindebolzen
- 13
- Äußere Befestigungsmutter
- 14
- Zellenoberfläche
- 15
- Rand der Aufnahmekammer
- 16
- Batteriezelle mit Kupferelektrode
- 17
- Batteriezelle mit Aluminiumelektrode
- 18
- Dichtung
- 19
- Abdeckung
- 20
- Zweiteilige Anordnung der Aufnahmekammer
- 21
- Dreiteilige Anordnung der Aufnahmekammer
- 22
- Verstärkungsrippe
- 23
- Nut
- 24
- Noppen
- 25
- Innenraum der Aufnahmepfanne 1
- 26
- Kapselungsmittel
- 27
- Folie
- 28
- Batteriemodul
- 29
- Bodenplatte
- 30
- Vertiefung
- 31
- Inbus-Verbindunggselement
- 32
- Inbusteil
