DE102011003741A1

DE102011003741A1 - Batteriezelle, Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, Batteriezellenmodul und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011003741A1
Application number: DE102011003741A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wöhrle; Markus Kohlberger
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-02-08
Filing date: 2011-02-08
Publication date: 2012-08-09

Abstract

Es wird eine Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, beschrieben, mit einem Gehäuse und einer Mehrzahl von Elektroden, die im Gehäuse in einem Wickel angeordnet sind, wobei der Wickel wenigstens einen metallischen unbeschichteten Bereich aufweist, wobei zwischen dem metallischen unbeschichteten Bereich (80) und dem Gehäuse (10) wenigstens eine Materialschicht (100) angeordnet ist, die den metallischen unbeschichteten Bereich (80) zumindest abschnittsweise bedeckt, und die Durchschlagfestigkeit des die Materialschicht (100) ausbildenden Materials zwischen 40 kV/mm und 180 kV/mm beträgt. Ferner werden Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle vorgeschlagen, sowie ein Batteriezellenmodul und ein Kraftfahrzeug.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, sowie ein Batteriezellenmodul.
Ferner werden Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle vorgeschlagen, sowie ein Batteriezellenmodul und ein Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Batteriezellen dienen zur Speicherung sowie Freisetzung von elektrischer Energie. Insbesondere zum Antrieb von Kraftfahrzeugen setzt sich zunehmend der Einsatz von Lithium-Ionen-Batteriezellen auf Grund der relativ hohen Kapazität der Batteriezellen bei relativ geringem Volumen und geringer Masse sowie der geringen Selbstentladung durch. Derartige Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen mindestens eine positive und eine negative Elektrode auf, über die Lithium-Ionen reversibel bei einer so genannten Interkalation eingelagert werden können oder bei einer so genannten Deinterkalation ausgelagert werden können. Dadurch, dass die Lithium-Ionen-Batteriezellen insbesondere bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden sollen, werden an sie hohe Anforderungen bezüglich der Sicherheit und Energiedichte gestellt. Dabei wird die Nenn-Kapazität einer Zelle von den so genannten Aktivmaterialien bestimmt. Neben diesen Aktivmaterialien sind in einer Lithium-Ionen-Batteriezelle auch so genannte Passivmaterialien vorhanden, die zum Beispiel elektrisches Leitmaterial (Leitruß), Elektronenbinder, Separatoren, metallische Ableiterfolien, metallische Kollektoren, metallische Terminals und das Zellgehäuse aufweisen. Die genannten Kollektoren sind dabei zwischen den unbeschichteten metallischen Ableiterfolien sowie den nach außen ragenden Terminals, diese kontaktierend, angeordnet, wie es zum Beispiel in 4 gezeigt ist.
Eine derartige Konfektionierung ist zum Beispiel aus der US 20008/0107961 A1 bekannt, in der ein Kollektor als ein Funktionsteil beschrieben ist, der zwischen jeweils einer Elektrode und einem Terminal angeordnet ist. In Batteriezellen mit einem solchen Aufbau werden bevorzugt Aluminiumkollektoren zur Kontaktierung der positiven Elektrodenseite und Kupferkollektoren zur Kontaktierung der negativen Elektrodenseite eingesetzt.
Es ist weiterhin bekannt, dass Lithium-Ionen-Batteriezellen in unterschiedlichen konstruktiven Ausführungen vorliegen können. Es sind zum Beispiel so genannte Stapelzellen bekannt, bei denen Elektroden und Separatoren gestapelt sind.
Weiterhin sind Lithium-Ionen-Batteriezellen bekannt, bei denen die Elektroden gewickelt sind. Dabei sind mindestens eine positive Elektrode und mindestens eine negative Elektrode sowie mindestens ein dazwischen angeordneter Separator zu einem so genannten Zell-Wickel aufgerollt.
Das Gehäuse beziehungsweise die Verpackung für einen derartigen Lithium-Ionen-Wickel kann zum Beispiel feste Gehäusewände aufweisen, die vorzugsweise aus Aluminium oder einer geeigneten Aluminiumlegierung gefertigt sind und in herkömmlicher Ausführung eine Wandstärke von mehr als 0,2 mm aufweisen. Alternativ kann die Verpackung des Lithium-Ionen-Wickels durch ein so genanntes Softpack realisiert sein, welches auch als Pouch bezeichnet wird. Dieses Softpack ist bevorzugt aus hochveredelten Aluminium-Verbundfolien hergestellt. Diese Verbundfolien umfassen eine mittige Aluminium-Folie, auf die beidseitig Kunststofffolien konfektioniert sind. Die jeweiligen äußeren Kunststofffolien bestehen meistens auf einer Seite aus Polyolefin (wie zum Beispiel Polypropylen), und auf der anderen Seite aus Polyester oder Polyamid. Die Aluminium-Verbundfolie weist im Durchschnitt eine Dicke von zirka 0,08 mm bis 0,20 mm auf; die häufig in Endprodukten für den privaten Gebrauch eingesetzte Aluminium-Verbundfolie ist dabei etwa 0,11 mm bis 0,13 mm dick.
Eine herkömmliche Wickelzelle ist zum Beispiel in der bereits genannten US 2008/0107961 A1 beschrieben. Zur Verbindung der Lithium-Ionen-Wickel mit den äußeren Terminals sind an unbeschichteten Stellen im Wickel Kollektoren auf den metallischen Ableiterfolien angeschweißt sowie mit den äußeren Terminals kontaktiert. Zur Verhinderung eines Kurzschlusses eines Kollektors und/oder einer Ableiterfolie mit dem umgebenden Gehäuse ist im Gehäuse eine elektrisch isolierende Isolatorfolie vorgesehen. Eine solche Isolatorfolie ist in bevorzugter Ausführungsform eine Polyolefin-Folie, insbesondere aus Polyethylen bestehend. Derartige Folien sind innerhalb einer Lithium-Ionen-Batteriezelle chemisch und elektrochemisch äußerst stabil. Bei den so genannten Softpacks weisen die die Verpackung realisierenden Aluminium-Verbundfolien die genannte ins Zell-Innere weisende Polyolefin-Schicht auf. Diese ist bevorzugt zwischen 0,03 mm und 0,06 mm dick.
Der Verbund des Wickels mit geschweißten Kollektoren bzw. Terminals bildet meist seitlich metallische unbeschichtete Bereiche aus. Diese metallischen unbeschichteten Bereiche können Abrieb bzw. Verschleiß der Isolationsfolie im Inneren des Gehäuses bewirken, so dass es im schlimmsten Fall zu Kurzschlüssen zwischen den beiden Elektroden über das Gehäuse kommt. Ein Kurzschluss wiederum kann zur Folge haben, dass sich die Batteriezelle tief entlädt und sich dabei erwärmt. Diese Situation kann insbesondere dann auftreten, wenn die Batteriezelle einem äußeren Druck ausgesetzt ist, wie er zum Beispiel zur Positionierung bzw. Fixierung einer Batteriezelle je nach Einsatzzweck notwendig ist. Eine damit einhergehende Zerstörung bzw. Beschädigung der Isolationsschicht hat außerdem den Nachteil, dass dadurch gegebenenfalls Aluminium beziehungsweise eine Aluminiumlegierung des Gehäuses freigelegt wird, welches in Kombination mit Kupfer einer Elektrode und in Anwesenheit des Flüssigelektrolyten, wie zum Beispiel Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆) in organische Carbonate wie zum Beispiel Ethylencarbonat (EC) oder Diethylcarbonat (DEC) korrodiert. Dies kann zu einem Leck des Gehäuses führen sowie dazu, dass sich die Batteriezelle tief entlädt und sich dabei auf Grund von Erwärmung unbrauchbar wird.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, mit einem Gehäuse und einer Mehrzahl von Elektroden zur Verfügung gestellt, wobei die Elektroden und der Separator im Gehäuse in einem Wickel angeordnet sind und der Wickel wenigstens einen unbeschichteten metallischen Bereich aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen dem unbeschichteten metallischen Bereich und dem Gehäuse wenigstens eine Materialschicht angeordnet ist, die den metallischen unbeschichteten Bereich zumindest abschnittsweise bedeckt, wobei die Durchschlagfestigkeit des die Materialschicht ausbildenden Materials zwischen 40 kV/mm und 180 kV/mm beträgt.
Die Erfindung ist somit ein galvanisches Lithium-Ionen-Element, bei dem die Elektroden in einem Wickel vorliegen. Das Gehäuse ist vorzugsweise aus Wänden aus festem Material gefertigt.
Im Sinne der Erfindung umfasst der Wickel auch an die Elektroden angrenzende Leitermaterialien, die nicht mit Elektrodenmaterial beschichtet sind oder aus diesem bestehen, wie z. B. Kollektoren.
Die aufgebrachte Materialschicht ist elektrisch nicht leitfähig. Mit dem metallischen unbeschichteten Bereich, der mit der zusätzlichen Materialschicht bedeckt ist, ist vorzugsweise eine Kante in Form einer Verbindungslinie zwischen zwei winklig zueinander angeordneten Flächen des Wickels gemeint, die im Bereich des Zusammentreffens der Flächen einen Radius von weniger als 5 mm, insbesondere weniger als 3 mm aufweist. Das heißt, dass die Beschichtung vorzugsweise an Bereichen des Wickels anzubringen ist, die eine Keilwirkung entfalten können. Der Vorteil der Bedeckung des metallischen unbeschichteten Bereiches mit einem Material mit relativ hoher Durchschlagfestigkeit und mechanischer Durchstoßfestigkeit und/oder hoher Scherfestigkeit liegt in der Verhinderung eines Kurzschlusses zwischen einer Elektrode und dem Gehäuse, da selbst bei Abrieb bzw. Beschädigung einer Isolationsfolie im Gehäuse durch die zusätzliche Materialschicht ein Isolationseffekt bewirkt wird. Dadurch wird ebenfalls ausgeschlossen, dass eine Kupferelektrode den Aluminiumwerkstoff des Gehäuses kontaktiert, so dass eine auf dem elektrochemischen Spannungspotential beruhende Korrosion und daraus resultierende Beschädigung des Zell-Gehäuses verhindert wird.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Durchschlagfestigkeit des die Materialschicht ausbildenden Materials zwischen 40 kV/mm und 140 kV/mm, so dass relativ kostengünstig erhältliche Kunststoffe als Material für die zusätzliche Materialschicht eingesetzt werden können. Die Durchschlagfestigkeit ist in DIN IEC60243-2 definiert. Zudem wird mit der erfindungsgemäßen Schicht eine ausreichende mechanische Durchstoßfestigkeit bzw. mechanische Scherfestigkeit erreicht.
Das den metallischen unbeschichteten Bereich bedeckende Material hat vorzugsweise eine Dicke von 10 bis 3000 μm, wobei sich insbesondere Dicken von 25 bis 1000 μm und in besonders bevorzugter Ausgestaltung Dicken von 35 bis 400 μm in Versuchen als ausreichend und zuverlässig herausgestellt haben.
Die Materialschicht zwischen dem metallischen unbeschichteten Bereich und dem Gehäuse ist vorzugsweise ein Polyolefin, ein Polyester, ein Polyvinylchlorid, ein Polyethylennaphthalat oder ein Polyimid und ist insbesondere als ein Materialfilm ausgestaltet.
Das Gehäuse der erfindungsgemäßen Batteriezelle kann dabei als ein Gehäuse mit festen Wänden ausgeführt sein oder als so genanntes Soft-Pack bzw. Pouch, also als eine Verpackung aus Folien.
In bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Materialschicht an dem metallischen unbeschichteten Bereich befestigt ist. Bei Ausführung des metallischen unbeschichteten Bereiches als Kante ist die Materialschicht selbstverständlich nicht nur an der Linie der Kante ausgebildet, sondern auch auf durch die Linie begrenzten Flächenbereichen. In alternativer oder zusätzlicher Ausführung kann die Materialschicht auch an der Innenseite des Gehäuses befestigt sein und zwar derart, dass sie am metallischen unbeschichteten Bereich anliegt, wenn der Elektroden-Wickel in das Gehäuse eingefügt ist.
In weiterer bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Innenseite des Gehäuses zumindest bereichsweise mit einer Isolationsfolie beschichtet ist. Diese Isolationsfolie ist insbesondere im Bereich des metallischen unbeschichteten Bereiches angeordnet, um, wie oben bereits beschrieben, einen Kurzschluss zwischen einer Elektrode und dem Gehäuse zu vermeiden. Das heißt, dass in dieser Ausführungsform an an den metallischen unbeschichteten Bereich angrenzenden Flächen zwei Schichten vorhanden sind, nämlich die den metallischen unbeschichteten Bereich abdeckende Materialschicht und die Isolationsfolie.
Dabei ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Anordnung der Isolationsfolie eingeschränkt, sondern es kann auch vorgesehen sein, dass im Inneren des Gehäuses keine Isolationsfolie angeordnet ist, da die Materialschicht auf dem kritischen metallischen Bereich bzw. auf dessen Kanten, insofern sie eine ausreichende Dicke und/oder Scherfestigkeit, Durchstoßfestigkeit und/oder Durchschlagfestigkeit aufweist, bereits einen ausreichenden Schutz gegen eine Kurzschlussbildung zwischen einer Elektrode und dem Gehäuse bildet.
Bei Anordnung einer Isolationsfolie sollte die Scherfestigkeit des die Materialschicht ausbildenden Materials größer sein als die Scherfestigkeit der Isolationsfolie.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist das den metallischen unbeschichteten Bereich bedeckende Material ein Klebeband. Dieses Klebeband kann entweder selbstklebend sein oder auch ein Materialstreifen, welcher mit einem Kleber versehen wird und anschließend auf den metallischen unbeschichteten Bereich aufgeklebt wird. Das feste Material des Klebebandes sollte eine Durchschlagfestigkeit zwischen 40 kV/mm und 180 kV/mm, vorzugsweise zwischen 40 kV/mm und 140 kV/mm aufweisen.
Ein derartiges Klebeband kann als Materialbestandteil des festen Bandes Polyimid aufweisen oder als Polyesterfolie ausgeführt sein. Im Fall der Ausführung aus Polyimid lässt sich der als Kapton^TM bekannte Kunststoff verwenden, der eine Durchschlagfestigkeit von zirka 120 kV/mm aufweist. Eine Polyesterfolie hat eine Durchschlagfestigkeit von zirka 80 kV/mm. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere Polysiloxan- oder Acrylate-basierte Kleber eine zuverlässige Verbindung herstellen können. Alternativ lassen sich auch auf Kautschuk basierende Kleber verwenden. Die Dicke des Klebebandes sollte zwischen 0,02 mm bis 0,1 mm betragen, bevorzugt zwischen 0,030 mm und 0,08 mm. Die Dicke des Streifens aus festem Material beträgt vorzugsweise zwischen 0,01 mm und 0,075 mm.
In alternativer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das den metallischen unbeschichteten Bereich bedeckende Material eine mittels Urformen aufgebrachte Materialschicht ist. Diese Materialschicht lässt sich zum Beispiel durch An- bzw. durch Umspritzen des metallischen unbeschichteten Bereiches aufbringen. Es ist dabei bevorzugt vorgesehen, dass diese Materialschicht Polyolefine wie zum Beispiel Polyethylen oder Polypropylen oder auch Polyurethan umfasst. Dadurch wird eine Durchschlagfestigkeit des Beschichtungsmaterials von zirka 60 kV/mm gewährleistet.
Alternativ oder hinzukommend kann vorgesehen sein, dass die den metallischen unbeschichteten Bereich bedeckende Materialschicht einen Radius aufweist, der größer ist als der des metallischen unbeschichteten Bereiches. Der sich daraus ergebende Vorteil ist, dass die Gefahr der Beschädigung einer im Gehäuse angeordneten Isolationsfolie verringert wird. Der Radius des metallischen unbeschichteten Bereiches ist dabei ein Krümmungsradius, der in einer Ebene senkrecht zum metallischen unbeschichteten Bereich gemessen wird. Dieser metallische unbeschichtete Bereichsradius kann zum Beispiel an einem Elektrodenwickel zwischen einer Umfangsfläche und einer Deck- bzw. Grundfläche vorhanden sein. Der metallische unbeschichtete Bereich oder auch der mit der Materialschicht bedeckte Bereich muss dabei nicht vollständig gerundet vorliegen, sondern der Wert des Radius kann sich auch auf eine Interpolationskurve beziehen, die durch Endpunkte einer Vielzahl von winklig zueinander verlaufenden und miteinander verbundenen linearen Bereichen verläuft, oder auch durch die Mittelpunkte dieser linearen Bereiche. Dadurch, dass das den metallischen unbeschichteten Bereich bedeckende Material an seiner Außenseite einen größeren Radius aufweist als der metallische unbeschichtete Bereich selbst, wird eine starke Pressung zwischen dem metallischen unbeschichteten Bereich und der Isolationsfolie auf Grund der Vergrößerung der Druck ausübenden Fläche vermieden. Bei Ausführung des metallischen unbeschichteten Bereichs als Kante wird somit eine Flächenlast anstatt einer Streckenlast auf die Isolationsfolie aufgebracht, und derart eine Verringerung der Druckspannung sowie der Scherbeanspruchung der Isolationsfolie erreicht. Vorzugsweise ist dabei die gesamte Kante mit der Materialbedeckung versehen, um die Keilwirkung der Kante aufzuheben.
Weiterhin kann in einer alternativen oder hinzukommenden Ausführungsform vorgesehen sein, dass das den metallischen unbeschichteten Bereich bedeckende Material zusammen mit dem Material der Isolationsfolie einen geringeren Reibfaktor aufweist, als eine Kombination der Isolationsfolie mit einer unbeschichteten metallischen Ableiterfolie. Auf Grund der sich dadurch einstellenden geringeren Reibkräfte wird ein geringerer Verschleiß und damit ein geringerer Abrieb der Isolationsfolie erreicht, wodurch sich die Lebensdauer der Batteriezelle erhöhen lässt.
Es wird außerdem erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, bei der das den metallischen unbeschichteten Bereich bedeckende Material ein Klebeband ist, zur Verfügung gestellt. Dieses Verfahren umfasst die Schritte der Anordnung einer Mehrzahl von Elektroden in einem Wickel, wobei der Wickel wenigstens einen metallischen unbeschichteten Bereich aufweist, sowie die Bedeckung des metallischen unbeschichteten Bereiches zumindest abschnittsweise mit einem Klebeband, wobei die Durchschlagfestigkeit des festen Materials des Klebebandes zwischen 40 kV/mm und 180 kV/mm beträgt.
Zur Herstellung einer Batteriezelle, bei der das den metallischen unbeschichteten Bereich bedeckende Material eine mittels Urformen aufgebrachte Materialschicht ist, ist vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Elektroden in einem Wickel angeordnet wird, wobei der Wickel wenigstens einen metallischen unbeschichteten Bereich aufweist, und der metallische unbeschichtete Bereich zumindest abschnittsweise mit einem Material in einem Urformvorgang bedeckt wird, wobei die Durchschlagfestigkeit des im Urformvorgang aufgebrachten Materials nach Aushärtung zwischen 40 kV/mm und 180 kV/mm beträgt. Mit dem Urformvorgang ist zum Beispiel ein An- oder Umspritzen des metallischen unbeschichteten Bereiches gemeint. Das derart aufgebrachte Material härtet je nach Ausführungsform unter Wärmezufuhr oder auch bei gleichbleibenden Temperaturen aus und bildet somit eine feste Materialschicht auf dem metallischen unbeschichteten Bereich aus.
Vor Durchführung der genannten Schritte zur Herstellung der Batteriezelle mit Klebeband oder mit urgeformter Materialschicht können die Elektroden mit Terminals verbunden werden. Nach der Durchführung der genannten Schritte kann, gegebenenfalls nach Ausführung weiterer Konfektionierungen, der mit der zusätzlichen Materialschicht versehene Elektroden-Wickel in das Gehäuse eingesetzt werden und dieses verschlossen werden.
Die Erfindung ergänzend wird außerdem ein Batteriezellenmodul bzw. -pack zur Verfügung gestellt, welches mehrere der erfindungsgemäßen Batteriezellen umfasst. Das Batteriezellenmodul bzw. das Batteriezellenpack kann dabei eine komplette Batterie ausbilden oder ein Bestandteil einer Batterie sein. Eine solche Batterie bzw. Batteriezellenmodul oder -pack kann ein Bestandteil eines Batteriezellensystems sein.
Weiterhin wird ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches insbesondere ein elektromotorisch angetriebenes Kraftfahrzeug sein kann, und welches ebenfalls wenigstens eine erfindungsgemäße Batteriezelle oder wenigstens ein erfindungsgemäßes Batteriezellenmodul aufweist.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen herkömmlichen Elektrodenwickel,
2 herkömmliche plattenförmige Elektroden,
3 ein Flussschaubild zur Verdeutlichung der Herstellung einer herkömmlichen Batteriezelle,
4 Verfahrensschritte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit Klebeband, und
5 Verfahrensschritte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle im Urformprozess.
In den 1 und 2 sind herkömmliche Anordnungen von Katoden 40, Anoden 50 sowie Separatoren 60 dargestellt. 1 zeigt dabei einen Elektrodenwickel 20, bei dem zwischen der Katode 40 und der Anode 50 ein Separator 60 angeordnet ist und diese zusammen aufgewickelt werden. Deutlich ersichtlich ist, dass sich dadurch metallische unbeschichtete Bereiche 80, vorzugsweise an Kanten, ausbilden.
In 2 ist zur Verdeutlichung des unterschiedlichen konstruktiven Aufbaus eine weitere Bauart einer Batteriezelle dargestellt, bei der Elektroden, die zu einem Stapel 30 zusammengefügt werden, derart angeordnet sind, dass zwischen einer Katode 40 und einer Anode 50 der Separator 60 positioniert ist. Mehrere dieser Einheiten werden zu einem Stapel 30 angeordnet. Dieser Stapel 30 weist mehrere metallische unbeschichtete Bereiche 80 auf.
In 3 ist in einem Flussschaubild die Herstellung einer herkömmlichen Batteriezelle dargestellt, bei der die Elektroden in einem Wickel 20 angeordnet sind. Ersichtlich ist, dass ein Gehäuse 10 an seiner Innenseite 11 mit einer Isolationsfolie 12 versehen wird, wobei die Isolationsfolie 12 bereits entsprechend dem inneren Volumen des Gehäuses 10 ausgestaltet sein kann. Der aus den Elektroden hergestellte Wickel 20 weist an zwei gegenüberliegenden Seiten Bereiche mit unbeschichteten Ableiterfolien 70 auf. Mit diesen unbeschichteten Ableiterfolien 70 werden Kollektoren 14, die mit Terminals 15 mittels Verschraubungen 16 und einem Verbindungselement 17 verbunden sind, elektrisch leitfähig verbunden.
Die dadurch hergestellte Einheit von Wickel 20 und Kollektoren 14 sowie Terminals 15 wird in das mit der Isolationsfolie 12 ausgekleidete Gehäuse 10 eingesetzt. Danach wird das Gehäuse 10 mit einem Deckel 13 verschlossen, so dass die Terminals 15 von außen zugänglich bleiben.
Insbesondere aus einer Zusammenschau der 1 und der 3 ist ersichtlich, dass die metallischen unbeschichteten Bereiche 80 am Wickel 20 bei Anordnung des Wickels 20 im Gehäuse 10 und insbesondere bei Ausübung einer äußeren Druckkraft auf das Gehäuse 10 und/oder bei Schwingungen gegebenenfalls die Isolationsfolie 12 berühren und diese beschädigen können. Das bewirkt, wie oben bereits beschrieben, gegebenenfalls einen Kurzschluss und/oder ein Leck des Gehäuses 10.
Um dies zu verhindern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass an der unbeschichteten Ableiterfolie 70 im metallischen unbeschichteten Bereich 80 ein Klebeband 90 aufgebracht wird, wie es in 4 dargestellt ist, oder mittels Urformen eine Materialschicht 100 aufgebracht wird, wie es in 5 dargestellt ist.
Die in den 4 und 5 dargestellten Herstellungsschritte sind somit in das herkömmliche Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle gemäß 3 zu integrieren.
Wie in 4 dargestellt ist, wird an der unbeschichteten Ableiterfolie 70 insbesondere und zumindest abschnittsweise am metallischen unbeschichteten Bereich 80, sowie zur Gewährleistung einer ausreichend festen Verbindung auch an benachbarten Flächen 81 des metallischen unbeschichteten Bereiches 80 ein Klebeband 90 aufgebracht. Das Material des Klebebandes 90 weist eine Durchschlagfestigkeit von 40 kV/mm bis 180 kV/mm auf.
Das Klebeband 90 kann dabei derart angeordnet werden, dass es lediglich eine Materialschicht ausbildet, oder es kann mehrlagig oder überlappend aufgebracht werden.
In alternativer Ausführung kann die unbeschichtete Ableiterfolie 70 am metallischen unbeschichteten Bereich 80 mittels Urformen, zum Beispiel in einer Schmelzbeschichtung, mit einer Materialschicht 100 versehen werden. Diese Materialschicht 100 kann zum Beispiel durch Spritzdüsen 110 aufgebracht werden. Nach Aushärtung der aufgebrachten Materialschicht weist diese ebenfalls eine Durchschlagfestigkeit zwischen 40 kV/mm und 180 kV/mm auf.
Durch die zusätzliche Materialschicht wird die Bildung eines Kurzschlusses zwischen einer Elektrode bzw. der unbeschichteten Ableiterfolie 70 und dem Gehäuse 10 verhindert.
Das Aufbringen der Materialschicht im Umformprozess wird bevorzugt derart durchgeführt, dass nach Anschweißung der Kollektoren der Wickel in ein Spritzwerkzeug eingelegt wird, welches zumindest im Bereich der Aufnahme des Elektrodenwickels über eine Kühlung verfügt, mit der insbesondere der Separator 60 zwischen der Katode 40 und der Anode 50 sowie gegebenenfalls auch weitere Bestandteile der Batteriezelle während des Urformprozesses gekühlt werden können. Der zu beschichtende Bereich des Wickels 20 ist dabei nicht vom Werkzeug abgedeckt, so dass eine Anlagerung eines zu spritzenden Polymers in einer Schicht, die typischerweise zwischen 0,3 mm und 2 mm dick ist, ermöglicht wird. Insbesondere lassen sich derart so genannte hot melts, das heißt Heißschmelzkleber, applizieren.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren sowie durch die erfindungsgemäße Konstruktion der Batteriezelle wird trotz Einsatz einer Schutzmaterialschicht die Energiedichte der erfindungsgemäßen Batteriezelle sowohl volumetrisch als auch gravimetrisch nicht nennenswert gesenkt. Die in einer Ausgestaltungsvariante zu verwendenden Klebebänder 90 sind relativ kostengünstig und ermöglichen eine einfache Anbringung. Die Aufbringung der zusätzlichen Materialschicht im Urformprozess ist insbesondere bei hohen Stückzahlen kostengünstig realisierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20008/0107961 A1 [0004]
US 2008/0107961 A1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN IEC60243-2 [0014]

Claims

Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, mit einem Gehäuse und einer Mehrzahl von Elektroden, die im Gehäuse in einer Elektroden-Separator-Einheit in Form eines Wickels angeordnet sind, wobei der Wickel wenigstens einen metallischen unbeschichteten Bereich aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem metallischen unbeschichteten Bereich (80) und dem Gehäuse (10) wenigstens eine Materialschicht (100) angeordnet ist, die den metallischen unbeschichteten Bereich (80) zumindest abschnittsweise bedeckt, wobei die Durchschlagfestigkeit des die Materialschicht (100) ausbildenden Materials zwischen 40 kV/mm und 180 kV/mm beträgt.
Batteriezelle nach Anspruch 1, bei der die Materialschicht (100) an dem metallischen unbeschichteten Bereich (80) befestigt ist.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei der die Innenseite (11) des Gehäuses (10) zumindest bereichsweise mit einer Isolationsfolie (12) beschichtet ist.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die den metallischen unbeschichteten Bereich (80) bedeckende Materialschicht (100) ein Klebeband (90) ist.
Batteriezelle nach Anspruch 4, bei der das feste Material des Klebebandes (90) ein Polyimid aufweist, oder bei der das feste Material des Klebebandes (90) eine Polyesterfolie ist.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die den metallischen unbeschichteten Bereich (80) bedeckende Materialschicht (100) eine mittels Urformen aufgebrachte Materialschicht (100) ist.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle gemäß Anspruch 4, umfassend die folgenden Schritte: – Anordnung einer Mehrzahl von Elektroden in einem Wickel, wobei der Wickel wenigstens einen metallischen unbeschichteten Bereich (80) aufweist, – Bedeckung des metallischen unbeschichteten Bereiches (80) zumindest abschnittsweise mit einem Klebeband (90), wobei die Durchschlagfestigkeit des festen Materials des Klebebandes (90) zwischen 40 kV/mm und 180 kV/mm beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle gemäß Anspruch 6, umfassend die folgenden Schritte: – Anordnung einer Mehrzahl von Elektroden in einem Wickel, wobei der Wickel wenigstens einen metallischen unbeschichteten Bereich (80) aufweist, – Bedeckung des metallischen unbeschichteten Bereiches (80) zumindest abschnittsweise mit einer Materialschicht (100) in einem Urfomvorgang, wobei die Durchschlagfestigkeit der im Urfomvorgang aufgebrachten Materialschicht (100) nach Aushärtung zwischen 40 kV/mm und 180 kV/mm beträgt.
Batteriezellenmodul, welches mehrere der Batteriezellen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.
Kraftfahrzeug, insbesondere elektromotorisch angetriebenes Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens eine Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder wenigstens ein Batteriezellenmodul nach Anspruch 9.