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Die vorliegende Erfindung betrifft eine wiederaufladbare elektrochemische Energiespeicherzelle, nachfolgend Sekundärzelle genannt, für eine Batterie. Die Erfindung wird im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien Zur Versorgung von KFZ-Antrieben beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch unabhängig von der Chemie der Sekundärzelle oder unabhängig von der Art des versorgten Antriebs Verwendung finden kann.
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Aus dem Stand der Technik sind Batterien mit mehreren Sekundärzellen zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern, insbesondere von KFZ-Antrieben bekannt. Die Sekundärzellen weisen jeweils ein Gehäuse, eine Elektrodenbaugruppe zum Bereitstellen elektrischer Energie und zumeist zwei Stromableiter auf. Die Stromableiter erstrecken sich zumindest teilweise aus dem Gehäuse in die Umgebung der Sekundärzelle. Innerhalb des Gehäuses sind die Elektrodenbaugruppe und die Stromableiter elektrisch leitend miteinander verbunden.
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Die unzureichende Lebensdauer einiger Bauarten von Batterien bereitet mitunter Probleme.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Batterien mit erhöhter Lebensdauer zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe wird durch eine elektrochemische Energiespeichereinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Anspruch 10 beschreibt eine Batterie mit zumindest zwei erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen. Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Herstellverfahren gemäß Anspruch 11 für eine elektrochemische Energiespeichereinrichtung. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeichereinrichtung, nachfolgend Sekundärzelle genannt, weist eine Elektrodenbaugruppe auf. Die Elektrodenbaugruppe hat wenigstens einen Separator und zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität. Der Separator ist zwischen zwei Elektroden angeordnet. Die Elektrodenbaugruppe ist vorgesehen, zumindest zeitweise elektrische Energie zur Verfügung zu stellen. Weiter weist die Sekundärzelle einen, zwei oder mehrere Stromableiter auf. Ein Stromableiter ist vorgesehen, zumindest mittelbar mit der Elektrodenbaugruppe insbesondere elektrisch leitend verbunden zu sein, vorzugsweise mit einer der Elektroden, vorzugsweise mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, besonders bevorzugt mittels einer Schweißverbindung. Weiter weist die Sekundärzelle wenigstens zwei insbesondere metallische Gehäuseformteile auf. Die Gehäuseformteile sind zur Begrenzung der Elektrodenbaugruppe gegenüber der Umgebung der Sekundärzelle vorgesehen. Auch sind die Gehäuseformteile zur insbesondere formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Verbindung miteinander vorgesehen, wobei vorzugsweise die verbundenen Gehäuseformteile ein Gehäuse um die Elektrodenbaugruppe ausbilden. Wenigstens ein, vorzugsweise zwei Stromableiter sind mit einem Gehäuseformteil insbesondere kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise mit demselben Gehäuseformteil. Wenigstens eines der Gehäuseformteile ist vorgesehen, die Elektrodenbaugruppe insbesondere formschlüssig und/oder kraftschlüssig aufzunehmen.
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Bei erfindungsgemäßer Ausbildung der Sekundärzelle sind deren Stromableiter von einem Gehäuseformteil derart gehalten, dass einer unerwünschten Relativbewegung zwischen Stromableiter und Gehäuseformteil entgegengewirkt ist. Weiter ist die Elektrodenbaugruppe von einem der Gehäuseformteile derart gehalten, dass einer unerwünschten Relativbewegung der Elektrodenbaugruppe bezüglich des Stromableiter bzw. des Gehäuses entgegengewirkt ist. Wenn eine erfindungsgemäße Sekundärzelle insbesondere im Betriebszustand Vibrationen und/oder Stößen ausgesetzt ist, dann wirkt die erfindungsgemäße Ausbildung der Sekundärzelle einer mechanischen Beanspruchung der elektrischen Verbindungen von Elektrodenbaugruppe und Stromableitern entgegen. Diese Ausbildung bietet den Vorteil, dass einem Altern der elektrischen Verbindungen von Elektrodenbaugruppe und Stromableitern insbesondere infolge mechanischer Beanspruchung bzw. Wechselbeanspruchung begegnet wird. So wird die Lebensdauer einer Sekundärzelle erhöht und die zugrunde liegende Aufgabe gelöst.
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Unter einer Elektrodenbaugruppe im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere zum Bereitstellen elektrischer Energie dient. Dazu weist die Elektrodenbaugruppe wenigstens zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität auf, wobei die Elektroden von einem Separator beanstandet sind. Die Elektrodenbaugruppe ist entladbar und wiederaufladbar, wobei Ionen des Leitsalzes des Elektrolyts durch den Separator wandern. Beim Laden der Sekundärzelle erfolgt in der Elektrodenbaugruppe eine Wandlung zugeführter elektrische Energie in chemische Energie. Beim Entladen wird chemische Energie in der Elektrodenbaugruppe in elektrische Energie gewandelt. Die Elektrodenbaugruppe weist wenigstens eine sog. Mantelfläche auf, wobei die Mantelfläche die Elektrodenbaugruppe zur Umgebung bzw. zu einem Gehäuseformteil hin begrenzt.
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Eine Elektrode weist eine insbesondere metallische Kollektorfolie auf. Eine aktive Elektrodenmasse ist auf die Kollektorfolie aufgetragen. Vorzugsweise bleibt ein Bereich der Kollektorfolie frei von der aktiven Elektrodenmasse. Dieser Bereich, nachfolgend auch Ableiterfahne genannt, dient insbesondere zur elektrischen Verbindung mit einem Stromableiter. Vorzugsweise erstreckt sich die Ableiterfahne über einen benachbarten Separator hinaus. Vorzugsweise weist eine Kollektorfolie eine im Wesentlichen rechteckige Gestalt auf.
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Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Sekundärzelle Lithium-Ionen auf. Diese Ausführung bietet den Vorteil einer erhöhten Energiedichte der Sekundärzelle, insbesondere einer Energiedichte von wenigstens 40 Wh/kg.
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In einer weiteren Ausführungsform weist wenigstens eine Elektrode der Elektrodenbaugruppe, besonders bevorzugt wenigstens eine Kathode, eine Verbindung mit der Formel LIMPO4 auf, wobei M wenigstens ein Übergangsmetallkation der ersten Reihe des Periodensystems der Elemente ist. Das Übergangsmetallkation ist vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Mn, Fe, Ni und Ti oder einer Kombination dieser Elemente gewählt. Die Verbindung weist vorzugsweise eine Olivinstruktur auf, vorzugsweise übergeordnetes Olivin, wobei Fe besonders bevorzugt ist. Dieser Ausführungsform bietet den Vorteil einer erhöhten Zahl ertragbarer Ladungswechsel der Elektrode.
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In einer weiteren Ausführungsform weist vorzugsweise wenigstens eine Elektrode der Elektrodenbaugruppe, besonders bevorzugt wenigstens eine Kathode, ein Lithiummanganat, vorzugsweise LiMn2O4 vom Spinell-Typ, ein Lithiumkobaltat, vorzugsweise LiCoO2, oder ein Lithiumnickelat, vorzugsweise LiNiO2, oder ein Gemisch aus zwei oder drei dieser Oxide, oder ein Lithiummischoxid, welches Mangan, Kobalt und Nickel enthält, auf.
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Ein Separator dient insbesondere zum Beanstanden zweier benachbarter Elektroden unterschiedlicher Polarität. Der Separator blockiert Elektronen, ist aber für Ionen durchlässig. Der Elektrolyt bzw. das Leitsalz sind zumindest teilweise von Separator aufgenommen. Vorzugsweise ist der Separator als dünne Folie ausgebildet, besonders bevorzugt mit im Wesentlichen rechteckiger Gestalt.
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Vorzugsweise wird ein Separator verwendet, welcher nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist, und welcher aus einem zumindest teilweise stoffdurchlässigen Träger besteht. Der Träger ist vorzugsweise auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet. Als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Träger wird vorzugsweise ein organisches Material verwendet, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist. Das organische Material, welches vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt ein Polyethylenterephthalat (PET) umfasst, ist mit einem anorganischen, vorzugsweise ionenleitenden Material beschichtet, welches weiter vorzugsweise in einem Temperaturbereich von –40°C bis 200°C ionenleitend ist. Das anorganische Material umfasst bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate mit wenigstens einem der Elemente Zr, Al, Li, besonders bevorzugt Zirkonoxid. Bevorzugt weist das anorganische, ionenleitende Material Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm auf. Ein solcher Separator wird beispielsweise unter dem Handelsnamen ”Separion” von der Evonik AG in Deutschland vertrieben.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Elektrodenbaugruppe weist mehrere positive Elektroden und mehrere negative Elektroden auf, wobei benachbarte Elektroden unterschiedlicher Polarität durch je einen Separator getrennt sind. Die Elektroden und die Separatoren sind im Wesentlichen als rechteckige Blätter ausgebildet und entsprechend einem Stapel von Spielkarten übereinander gestapelt, wobei diese Anordnung nachfolgend Elektrodenstapel genannt wird. Im Elektrodenstapel trennt ein Separatorblatt je zwei Elektrodenblätter unterschiedlicher Polarität. Über das Separatorblatt hinaus erstrecken sich die Ableiterfahnen der benachbarten Elektroden. Die Ableiterfahnen einer Polarität sind elektrisch leitend mit einem der Stromableiter verbunden, vorzugsweise verschweißt.
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Einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Elektrodenbaugruppe weist eine positive Elektrode und eine negative Elektrode auf, wobei benachbarte Elektroden unterschiedlicher Polarität durch je einen Separator getrennt sind. Die Elektroden und der Separator sind im Wesentlichen als rechteckige Streifen ausgebildet und übereinander gelegt. Diese Anordnung ist aufgewickelt zu einem im Wesentlichen zylindrischen sog. Elektrodenwickel. Über den Separator hinaus erstrecken sich die Ableiterfahnen der beiden Elektroden. Die Ableiterfahnen einer Polarität sind mit einem der Stromableiter elektrisch leitend verbunden, vorzugsweise verschweißt. Vorzugsweise ist der zunächst im Wesentlichen zylindrische Elektrodenwickel zu einem sog. Elektrodenflachwickel verformt, wobei der Elektrodenflachwickel eine im Wesentlichen quaderförmige bzw. prismatische Gestalt annimmt. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass für den Elektrodenflachwickel ein quaderförmiges Gehäuse verwendet werden kann, wobei das quaderförmige Gehäuse besonders zur benachbarten Anordnung zweier Sekundärzellen in einer Batterie geeignet ist.
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Unter einem Stromableiter im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere der elektrischen Kontaktierung der Elektrodenbaugruppe und insbesondere zur Verbindung mit einem zu versorgenden Verbraucher dient. Vorzugsweise ist der Stromableiter metallisch ausgebildet, besonders bevorzugt mit Kupfer und/oder Aluminium. Der Stromableiter ist zumindest mittelbar elektrisch leitend mit der Elektrodenbaugruppe verbunden, vorzugsweise mit einer Elektrode der Elektrodenbaugruppe. Vorzugsweise erstreckt sich der Stromableiter zumindest teilweise aus einem Gehäuseformteil in die Umgebung der Sekundärzelle. Vorzugsweise weist der Stromableiter einen Zuleitungskontaktbereich auf, welcher sich zumindest teilweise außerhalb eines Gehäuseformteils erstreckt. Der Zuleitungskontaktbereich ist zur Verbindung mit einer Zuleitung ausgestaltet, insbesondere einer Stromschiene. Besonders bevorzugt ist ein Zuleitungskontaktbereich im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weist ein Außengewinde auf. Eine Öse bzw. ein Haken am Ende eines Stromkabels können den Zuleitungskontaktbereich umgreifen und mit einer aufzuschraubenden Mutter gesichert werden. Vorzugsweise weist der Stromableiter einen im Wesentlichen plattenförmigen Elektrodenkontaktbereich auf, welcher insbesondere zur Kontaktierung der Elektrodenbaugruppe bzw. einer Elektrode dient, vorzugsweise über die Ableiterfahnen. Die Ableiterfahnen bzw. die Elektroden einer Polarität sind mit dem Elektrodenkontaktbereich bevorzugt stoffschlüssig verbunden, besonders bevorzugt verschweißt. Vorzugsweise ist der Elektrodenkontaktbereich im Inneren des Gehäuses angeordnet. Vorzugsweise ist eine im Wesentlichen rechteckige Begrenzungsfläche des Elektrodenkontaktbereichs im Wesentlichen parallel zu einer Wandung eines Gehäuseformteils, nachfolgend Formteilwandung genannt, angeordnet. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass ein Verbinden, insbesondere ein Verschweißen der Ableiterfahnen mit dieser Begrenzungsfläche erleichtert ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Stromableiters weist einen im Wesentlichen als zylindrischer Stift bzw. Bolzen insbesondere mit Außengewinde ausgebildeten Zuleitungskontaktbereich auf. Weiter weist diese Ausführungsform einen im Wesentlichen plattenförmigen Elektrodenkontaktbereich mit im Wesentlichen rechteckiger Begrenzungsfläche innerhalb des Gehäuses auf. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Anzahl der Materialübergänge im Strompfad von der Elektrode bis zum Verbraucher verringert ist, indem die Ableiterfahne unmittelbar mit dem Stromableiter verbunden ist. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht in der verbesserten Abdichtung des Gehäuses, indem eine ggf. mehrteilige Dichteinrichtung über den Bolzen geschoben und gesichert werden kann. Sofern der Zuleitungskontaktbereich als Bolzen mit Außengewinde, nachfolgend Gewindebolzen genannt, ausgebildet ist, kann eine aufgeschobene Zuleitung mit einer Mutter gesichert werden. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass gleichzeitig eine Dichteinrichtung bzw. Isoliereinrichtung gesichert werden können.
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Unter einem Gehäuseformteil im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere dazu dient:
- • die Elektrodenbaugruppe gegenüber der Umgebung der Sekundärzelle zu begrenzen,
- • die Elektrodenbaugruppe insbesondere formschlüssig und/oder kraftschlüssig aufzunehmen, vorzugsweise die Elektrodenbaugruppe zu verspannen,
- • Wärmeenergie mit der Elektrodenbaugruppe auszutauschen, vorzugsweise Wärmeenergie aus der Elektrodenbaugruppe abzuführen,
- • mit wenigstens einem weiteren Gehäuseformteil insbesondere formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden zu werden,
- • einen Stromableiter der Sekundärzelle gegenüber der Elektrodenbaugruppe im Wesentlichen unverrückbar zu halten, insbesondere bei Stößen oder Vibrationen,
- • den Austritt eines Bestandteils Elektrodenbaugruppe in die Umgebung der Sekundärzelle zu behindern, vorzugsweise zu unterbinden, und/oder
- • das Eindringen eines Stoffs aus der Umgebung der Sekundärzelle in die Elektrodenbaugruppe zu behindern, vorzugsweise den Eintritt von Feuchtigkeit zu unterbinden.
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Unter „formschlüssigem Aufnehmen der Elektrodenbaugruppe” im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass das Gehäuseformteil insbesondere zeitgleich an wenigstens einer, vorzugweise mehreren Mantelflächen der Elektrodenbaugruppe anliegt.
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Unter „kraftschlüssigem Aufnehmen der Elektrodenbaugruppe” im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass das Gehäuseformteil insbesondere eine Normalkraft auf die Elektrodenbaugruppe ausübt, insbesondere auf wenigstens eine Mantelfläche der Elektrodenbaugruppe. Aus der Normalkraft auf die Mantelfläche und der Haftreibung zwischen der die Elektrodenbaugruppe berührende Wand bzw. Formteilwandung folgt eine Kraft, insbesondere eine Reibkraft in der Ebene der Mantelfläche, wodurch insbesondere im Betrieb einer Relativbewegung zwischen Elektrodenbaugruppe und Gehäuseformteil begegnet wird. So wird einer mechanischen Beanspruchung und somit einer Alterung der elektrischen Verbindung von Elektrodenbaugruppe und Stromableiter entgegengewirkt.
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Unter „Verspannen der Elektrodenbaugruppe” im Sinne der Erfindung ist insbesondere zu verstehen, dass das Gehäuseformteil eine Normalkraft auf die Elektrodenbaugruppe ausübt, insbesondere auf wenigstens eine Mantelfläche der Elektrodenbaugruppe. Aus Normalkraft auf die Mantelfläche und der Haftreibung zwischen der die Elektrodenbaugruppe berührenden Wand bzw. Formteilwandung einerseits und der Elektrodenbaugruppe andererseits folgt eine Kraft in der Ebene der Mantelfläche, mit einer Relativbewegung zwischen Elektrodenbaugruppe und Gehäuseformteil begegnet wird. So wird einer mechanischen Beanspruchung der elektrischen Verbindung von Elektrodenbaugruppe und Stromableiter entgegengewirkt. Durch Verspannen der Elektrodenbaugruppe wirkt auch deren Desintegration bzw. Zerlegen im Betrieb entgegengewirkt.
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Vorzugsweise weist ein Gehäuseformteil wenigstens ein Metall auf, besonders bevorzugt ein Metall der nachfolgenden Gruppe, welche Aluminium, Kupfer, Eisen, Stahl beinhaltet. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass das Gehäuseformteil einen mindesten Schutz der Elektrodenbaugruppe vor schädigenden mechanischen Einflüssen bietet, insbesondere gegen das Eindringen eines Fremdkörpers in die Elektrodenbaugruppe. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Gehäuseformteil den Zusammenhalt der Elektrodenbaugruppe unterstützt, indem das Gehäuseformteil eine Normalkraft auf die Elektrodenbaugruppe ausübt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Gehäuseformteil insbesondere aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit von mindestens 40 W m–1 K–1 zur Wärmeabfuhr aus der Elektrodenbaugruppe befähigt ist.
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Vorzugsweise ist ein Gehäuseformteil mit einem Hohlraum, nachfolgend Formteilinnenraum genannt, und einer Formteilöffnung ausgebildet, besonders bevorzugt becherförmig oder schalenförmig. Der Formteilinnenraum ist von einer Formteilwandung umgeben. Die Formteilwandung weist zumindest zwei Wandungselemente auf, deren Normalvektoren bevorzugt zueinander mit einem Winkel von im Wesentlichen 90° angeordnet sind. Vorzugsweise ist das Gehäuseformteil mit einer im Wesentlichen prismatischen, quaderförmigen oder zylindrischen Gestalt ausgebildet. Dabei ist die Gestalt des Gehäuseformteils an die Gestalt der Elektrodenbaugruppe angepasst, insbesondere ist ein Gehäuseformteil abhängig von einem Soll-Maß der Elektrodenbaugruppe bemessen. Vorzugsweise ist die Formteilwandung derart bemessen, dass zumindest zwei Wandungselemente die Elektrodenbaugruppe berühren, besonders bevorzugt eine Normalkraft auf eine Mantelfläche der Elektrodenbaugruppe ausüben. Diese Gestaltung bietet den Vorteil, dass die Elektrodenbaugruppe im Wesentlichen unverrückbar in dem Gehäuseformteil aufgenommen ist.
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Vorzugsweise ist ein Gehäuseformteil aus einem im Wesentlichen plattenförmigen Vormaterial hergestellt, besonders bevorzugt aus einem metallischen plattenförmigen Vormaterial. Vorzugsweise ist das Gehäuseformteil mittels eines Umformverfahrens, eines Trennverfahrens und/oder eines Fügeverfahrens hergestellt. Besonders bevorzugt ist das Gehäuseformteil mittels Tiefziehen, Pressen, Prägen, Kaltumformen, Kaltfließpressen, Abkanten, Hochstellen, Bördeln, Stanzen, Feinschneiden, Schweißen, Widerstandsschweißen, Rollnahtschweißen, Mittelfrequenzschweißen, Kondensatorentladungsschweißen, Ultraschallschweißen, Löten, Hartlöten, Weichlöten, Kleben und/oder Kombinationen dieser Verfahren hergestellt. Diese Herstellweise bietet den Vorteil, dass das Gehäuseformteil weitgehend automatisiert und wiederholgenau mit geringen Abweichungen von den Sollmaßen herstellbar ist.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist ein Gehäuseformteil mit einem Hohlraum, nachfolgend Formteilinnenraum genannt, und einer ersten Formteilöffnung ausgebildet, besonders bevorzugt becherförmig oder schalenförmig. Vorzugsweise ist das Gehäuseformteil mit einem hochgestellten Rand ausgebildet. Dieses Gehäuseformteil, insbesondere dessen Formteilinnenraum dient insbesondere zur Aufnahme der Elektrodenbaugruppe. Nachfolgend wird ein gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform ausgebildetes Gehäuseformteil „aufnehmendes Gehäuseformteil” genannt. Die Formteilöffnung dient insbesondere als Zugang zum Formteilinnenraum, wobei die Elektrodenbaugruppe durch die Formteilöffnung in den Formteilinnenraum einsetzbar ist. Der Formteilinnenraum ist von einer ersten Formteilwandung umgeben, wobei die erste Formteilwandung mehrere Wandungselemente mit je einem Normalvektor aufweist. Zumindest zwei Normalvektoren sind zueinander mit einem Winkel von im Wesentlichen 90° angeordnet. Vorzugsweise ist das Gehäuseformteil prismatisch, besonders bevorzugt im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet. Eine derartige Ausbildung eines Gehäuseformteil bietet den Vorteil, dass eine Elektrodenbaugruppe insbesondere formschlüssig aufgenommen werden können. Vorzugsweise ist das Gehäuseformteil, insbesondere dessen Formteilwandung so bemessen, dass gegenüberliegende Mantelflächen der Elektrodenbaugruppe im Formteilinnenraum je mit einer Normalkraft beaufschlagt sind. Diese Ausbildung bietet den Vorteil, dass die Elektrodenbaugruppe kraftschlüssig (s. o.) mit einer Reibkraft vom Gehäuseformteil gehalten ist.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist ein Gehäuseformteil mit einem Hohlraum, nachfolgend Formteilinnenraum genannt, einer zweiten Formteilöffnung und einem Formteilführungsbereich vorzugsweise becherförmig oder schalenförmig ausgebildet. Vorzugsweise ist das Gehäuseformteil mit einem hochgestellten Rand ausgebildet. Insbesondere dient dieses Gehäuseformteil zum:
- • Verschließen einer Formteilöffnung eines anderen Gehäuseformteils,
- • bereichsweisen Umgeben der ersten Formteilwandung eines anderen Gehäuseformteils, insbesondere mittels des Formteilführungsbereiches
- • Verbinden mit einem anderen Gehäuseformteil, vorzugsweise stoffschlüssig.
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Nachfolgend wird ein gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform ausgebildetes Gehäuseformteil „verschließendes Gehäuseformteil” genannt. Vorzugsweise ist der Formteilführungsbereich angrenzend an die zweite Formteilöffnung angeordnet. Der Formteilinnenraum ist von einer ersten Formteilwandung umgeben, wobei die erste Formteilwandung mehrere Wandungselemente mit je einem Normalvektor aufweist. Zumindest zwei Normalvektoren sind zueinander mit einem Winkel von im Wesentlichen 90° angeordnet. Vorzugsweise ist das Gehäuseformteil prismatisch, besonders bevorzugt im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet. Vorzugsweise entspricht die Gestalt dieses Gehäuseformteils der Gestalt eines anderen Gehäuseformteils der Sekundärzelle. Vorzugsweise weist dieses Gehäuseformteil ein Metall auf, wie zuvor dargelegt. Vorzugsweise ist die zweite Formteilwandung, insbesondere deren Formteilführungsbereich so bemessen, dass eine erste Formteilwandung mit einem vorbestimmten Spalt aufgenommen werden kann, besonders bevorzugt formschlüssig. Vorzugsweise ist die zweite Formteilwandung so bemessen, dass sich eine Übergangspassung oder eine geringe Spielpassung zwischen dem aufnehmenden Gehäuseformteil und dem verschließenden Gehäuseformteil einstellt, wenn das aufnehmende Gehäuseformteil in den Formteilführungsbereich eingesetzt ist. Diese Bemessung der zweiten Formteilwandung bzw. deren Formteilführungsbereich bietet den Vorteil, dass ein stoffschlüssiges Verbinden im Wesentlichen ohne maßkorrigierende Vorbereitungen ausgeführt werden kann. Besonders bevorzugt ist die zweite Formteilwandung so bemessen, dass sich ein Spalt einstellt, welcher einen verflüssigten Zusatzwerkstoff insbesondere beim Löten ansaugt.
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Vorzugsweise sind ein erstes Gehäuseformteil und ein zweites Gehäuseformteil miteinander zumindest bereichsweise insbesondere stoffschlüssig verbunden. Das bietet den Vorteil, dass die Verbindung zur Aufnahme von Kräften aus der Elektrodenbaugruppe insbesondere während verschiedener Ladezustände befähigt ist. Im verbundenen Zustand bilden die Gehäuseformteile ein Gehäuse der Sekundärzelle, insbesondere für die Elektrodenbaugruppe. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der ersten oder zweiten bevorzugte Ausführungsform eines Gehäuseformteils dient dieses Gehäuseformteil zusätzlich:
- • zum Halten wenigstens eines Stromableiters, und/oder
- • dazu, einen Stromableiter im Betrieb im Wesentlichen unverrückbar an seinem Ort bezüglich der Elektrodenbaugruppe zu halten.
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Vorzugsweise weist diese Weiterbildung eines Gehäuseformteils eine Ableiterausnehmung auf, welche dazu dient, einen Stromableiter aufzunehmen. Der Stromableiter ist durch die Ableiterausnehmung geführt und erstreckt sich teilweise aus dem Gehäuseformteil in die Umgebung der Sekundärzelle. Diese Weiterbildung bietet den Vorteil einer verminderten Zahl von elektrischen Übergangswiderständen.
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Vorzugsweise ist ein Stromableiter mit diesem Gehäuseformteil stoffschlüssig verbunden, besonders bevorzugt mittels einer Schweiß- oder Lötverbindung. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass der Stromableiter von dem Gehäuseformteil im Wesentlichen unverrückbar gehalten ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein guter elektrischer Kontakt zwischen Stromableiter und Gehäuseformteil gegeben ist.
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Vorzugsweise ist ein Stromableiter kraftschlüssig mit diesem Gehäuseformteil verbunden, wobei besonders bevorzugt eine Reibkraft den Stromableiter in Position bezüglich des Gehäuseformteils hält. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass der Stromableiter von dem Gehäuseformteil im Wesentlichen unverrückbar gehalten ist. Weiter bietet diese Ausführungsform den Vorteil, dass der Stromableiter gegenüber dem Gehäuseformteil isoliert ist.
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Vorzugsweise weist die Sekundärzelle eine Elektrodenbaugruppenspanneinrichtung auf, welche:
- • vorgesehen ist, eine Normalkraft auf die Elektrodenbaugruppe auszuüben, und
- • im Gehäuse angeordnet ist.
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Die Elektrodenbaugruppenspanneinrichtung ist zumindest zeitweise in einen Formteilinnenraum eingesetzt vorzugsweise in das verschließende Gehäuseformteil. Vorzugsweise weist die Elektrodenbaugruppenspanneinrichtung eine Anlageeinrichtung auf, welche vorgesehen ist, zumindest zeitweise insbesondere flächig an der Elektrodenbaugruppe anzuliegen. Die Anlageeinrichtung ist im Wesentlichen plattenförmig oder schalenförmig ausgebildet und liegt zumindest zeitweise an einer Mantelfläche der Elektrodenbaugruppe an.
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Vorzugsweise weist die Elektrodenbaugruppenspanneinrichtung einen Normalkraftsteller auf, welcher vorgesehen ist, die Anlageeinrichtung in Richtung der Elektrodenbaugruppe zu drängen bzw. die Anlageeinrichtung mit einer Kraft in Richtung der Elektrodenbaugruppe zu beaufschlagen, zumindest zeitweise. Die Kraftbeaufschlagung der Anlageeinrichtung dient dazu, die elektrochemische Wechselwirkung der Bestandteile der Elektrodenbaugruppe zu fördern. Der Normalkraftsteller ist vorzugsweise ausgestaltet, aus einem entspannten Zustand in einen gespannten Zustand überführt zu werden. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass der Normalkraftsteller im entspannten Zustand ein einfaches Einsetzen der Elektrodenbaugruppenspanneinrichtung in ein Gehäuseformteil gemeinsam mit der Elektrodenbaugruppe ermöglicht. Mit Überführung des Normalkraftstellers in den gespannten Zustand drängt dieser die Anlageeinrichtung in Richtung der Elektrodenbaugruppe bzw. Übt eine Normalkraft auf die Anlageeinrichtung aus, worauf insbesondere die Bewegungsfreiheit der Elektrodenbaugruppe eingeschränkt ist. Vorzugsweise ist der Normalkraftsteller mit einer Feder ausgebildet, besonders bevorzugt mit einer Elastomerfeder, Tellerfeder, Spiralfeder, Blattfeder, Gasdruckfeder.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung dehnt sich der Normalkraftsteller mit Überführung und den gespannten Zustand aus und bewegt die Anlageeinrichtung innerhalb des Gehäuses in Richtung der Elektrodenbaugruppe. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass auch eine Elektrodenbaugruppe, welche den ersten Formteilinnenraum nicht gänzlich ausfüllt, gegen die insbesondere erste Formteilwandung gedrückt und durch Reibkräfte im Wesentlichen unverrrückbar gehalten wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Normalkraftsteller zumindest im gespannten Zustand elastisch ausgebildet, besonders bevorzugt mit einer Feder. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass eine Maßänderung der Elektrodenbaugruppe insbesondere infolge veränderten Ladezustands der Elektrodenbaugruppe durch den Normalkraftsteller ausgleichbar ist, indem die Elektrodenbaugruppe unverändert gegen eine, vorzugsweise die erste Formteilwandung gedrängt wird.
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Vorzugsweise weist ein Gehäuseformteil wenigstens eine Ableiterausnehmung auf. insbesondere dient die Ableiterausnehmung der Aufnahme eines Stromableiters, wobei der Stromableiter durch das Gehäuseformteil geführt ist. Vorzugsweise ist der Stromableiter formschlüssig und/oder kraftschlüssig in der Ableiterausnehmung gehalten, besonders bevorzugt mit einer Dichteinrichtung bzw. einer Isoliereinrichtung. Vorzugsweise sind die Dichteinrichtung bzw. die Isoliereinrichtung mit einem elektrisch isolierenden Werkstoff ausgebildet, besonders bevorzugt aus einem Polymer oder Elastomer. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass der Stromableiter elektrisch isoliert und im Wesentlichen unverrückbar gegenüber dem Gehäuseformteil gehalten ist. Vorzugsweise sind die Dichteinrichtung bzw. die Isoliereinrichtung mehrteilig und jeweils mit einer Ausnehmung für einen im Wesentlichen langgestreckten Bereich eines Stromableiters ausgebildet. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass eine Montage der Dichteinrichtung bzw. der Isoliereinrichtung vereinfacht ist.
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Nachfolgend werden zu bevorzugende Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Sekundärzelle beschrieben.
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A9 Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Sekundärzelle ausgebildet, zumindest zeitweise einen Strom von wenigstens 50 A, 100 A, 200 A, 500 A oder mehr abzugeben. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die Sekundärzelle zur Versorgung eines elektrischen Hauptantriebsmotors eines Kraftfahrzeugs insbesondere während einer Beschleunigungsfahrt oder einer Fahrt bergauf geeignet ist.
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Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Sekundärzelle eine Nennladekapazität von wenigstens, 5 Ah, 10 Ah, 20 Ah, 50 Ah, 100 Ah oder mehr auf. Besonders bevorzugt weist die erfindungsgemäße Sekundärzelle eine Nennladekapazität von wenigstens 20 Ah auf. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die Sekundärzelle insbesondere im Verbund einer Batterie zur Versorgung eines elektrischen Hauptantriebsmotors eines Kraftfahrzeugs über eine Strecke von wenigstens 50 km geeignet ist.
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Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Sekundärzelle zum Betrieb zwischen –40°C und +100°C vorgesehen. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die Sekundärzelle insbesondere im Verbund einer Batterie zur Versorgung eines Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs, zum Betrieb im Freien oder einem nicht temperieren Raum geeignet ist.
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Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Sekundärzelle in einem Kraftfahrzeug montiert und zur Bereitstellung elektrischer Energie für einen Verbraucher des Kraftfahrzeugs ausgestaltet, vorzugsweise für einen Elektromotor des Kraftfahrzeugs, besonders bevorzugt für einen Elektromotor, welcher zumindest mittelbar ein Rad des Kraftfahrzeugs antreibt. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die Lebensdauer der Sekundärzelle Verstößen und/oder Vibrationen aus dem Betrieb des Kraftfahrzeugs erhöht ist.
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Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Sekundärzelle weist eine Elektrodenbaugruppe, zwei Stromableiter, ein aufnehmendes Gehäuseformteil sowie ein verschließendes Gehäuseformteil auf Das aufnehmende Gehäuseformteil ist im Wesentlichen als Schale mit hochgestelltem Rand ausgebildet. Die Elektrodenbaugruppe ist im Formteilinnenraum aufgenommen und wird darin von der Formteilwandung insbesondere formschlüssig und/oder kraftschlüssig gehalten. So ist die Elektrodenbaugruppe im Gehäuseformteil im Wesentlichen unverrückbar gehalten. Auch weist das aufnehmende Gehäuseformteil je Stromableiter eine Stromableiterausnehmung auf.
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Zwei Stromableiter, insbesondere deren Elektrodenbaugruppenkontaktbereiche, sind mit Elektroden verschiedener Polarität der Elektrodenbaugruppe elektrisch leitend verbunden, vorzugsweise stoffschlüssig verbunden, besonders bevorzugt mittels Ultraschall verschweißt. Zuleitungskontaktbereiche der Stromableiter erstrecken sich teilweise aus dem aufnehmenden Gehäuseformteil in die Umgebung der Sekundärzelle. Der insbesondere als Gewindebolzen ausgebildete Zuleitungskontaktbereich eines Stromableiters ist durch die Ableiterausnehmung geführt und insbesondere mittels einer Dichtungseinrichtung insbesondere formschlüssig und/oder kraftschlüssig in der Ableiterausnehmung gehalten. Diese Gestaltung bietet den Vorteil, dass ein Stromableiter im Wesentlichen unverrückbar bezüglich des Gehäuseformteils und der Elektrodenbaugruppe gehalten ist. Vorzugsweise ist eine Mutter zur Verbindung von Stromableiter, ableiterhaltendem Gehäuseformteil und Dichteinrichtung auf dem Gewindebolzen aufgeschraubt.
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Das verschließende Gehäuseformteil, insbesondere dessen Formteilführungsbereich nimmt das aufnehmende Gehäuseformteil zumindest teilweise auf. Mehrere Wandungselemente jeweils des verschließenden Gehäuseformteils und des aufnehmenden Gehäuseformteils sind parallel zueinander angeordnet, vorzugsweise berühren sich die Wandungselemente flächig. Dort ist ein Überlappungsbereich gebildet, welcher insbesondere dazu dient, eine Abweichung eines Ist-Maßes der Elektrodenbaugruppe von einem Soll-Maß für die Elektrodenbaugruppe auszugleichen. Im Überlappungsbereich oder angrenzend sind das aufnehmende Gehäuseformteil und das verschließende Gehäuseformteil miteinander stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verlötet oder verschweißt, besonders bevorzugt mit einer umlaufenden Verbindungsnaht.
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Die verbundenen Gehäuseformteile üben eine Normalkraft auf wenigstens eine Mantelfläche der Elektrodenbaugruppe aus. Eine resultierende Reibkraft hält die Elektrodenbaugruppe im Wesentlichen unverrückbar bezüglich der Stromableiter. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass mechanischen Belastungen der elektrisch leitenden Verbindungen von Elektrodenbaugruppe und Stromableitern aus Relativbewegungen im Betrieb entgegengewirkt ist, wodurch einer Alterung der elektrisch leitenden Verbindungen begegnet ist. Weiter bietet diese Ausführungsform durch den Überlappungsbereich den Vorteil, dass Elektrodenbaugruppen verschiedener Abmessungen mit denselben Gehäuseformteilen umgeben werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der ersten Ausführungsform ist die Verbindungsnaht als umlaufende, elastische Dickschichtklebung ausgebildet. Die elastische Dickschichtklebung gestattet eine Dehnung des Gehäuses zum Ausgleich einer Dickenänderung der Elektrodenbaugruppe infolge eines veränderten Ladezustands. Vorzugsweise ist die Dickschichtklebung auf Scherung belastet. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass die Reibkraft zwischen Elektrodenbaugruppe und den Gehäuseformteilen im Betrieb aufrechterhalten werden kann.
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Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Sekundärzelle weist eine Elektrodenbaugruppe, zwei Stromableiter, ein aufnehmendes Gehäuseformteil sowie ein verschließendes Gehäuseformteil auf.
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Das aufnehmende Gehäuseformteil ist im Wesentlichen als Schale mit hochgestelltem Rand ausgebildet. Die Elektrodenbaugruppe ist im Formteilinnenraum aufgenommen und wird darin von der Formteilwandung insbesondere formschlüssig und/oder kraftschlüssig gehalten. So ist die Elektrodenbaugruppe im Gehäuseformteil im Wesentlichen unverrückbar gehalten. Auch weist das aufnehmende Gehäuseformteil je Stromableiter eine Stromableiterausnehmung auf.
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Zwei Stromableiter, insbesondere deren Elektrodenbaugruppenkontaktbereiche, sind mit Elektroden verschiedener Polarität der Elektrodenbaugruppe elektrisch leitend verbunden, vorzugsweise stoffschlüssig verbunden, besonders bevorzugt mittels Ultraschall verschweißt. Zuleitungskontaktbereiche der Stromableiter erstrecken sich teilweise aus dem aufnehmenden Gehäuseformteil in die Umgebung der Sekundärzelle. Der insbesondere als Gewindebolzen ausgebildete Zuleitungskontaktbereich eines Stromableiters ist durch die Ableiterausnehmung geführt und insbesondere mittels einer Dichtungseinrichtung insbesondere formschlüssig und/oder kraftschlüssig in der Ableiterausnehmung gehalten. Diese Gestaltung bietet den Vorteil, dass ein Stromableiter im Wesentlichen unverrückbar bezüglich des Gehäuseformteils und der Elektrodenbaugruppe gehalten ist. Vorzugsweise ist eine Mutter zur Verbindung von Stromableiter, ableiterhaltendem Gehäuseformteil und Dichteinrichtung auf dem Gewindebolzen aufgeschraubt.
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Das verschließende Gehäuseformteil, insbesondere dessen Formteilführungsbereich nimmt das aufnehmende Gehäuseformteil zumindest teilweise auf. Mehrere Wandungselemente jeweils des verschließenden Gehäuseformteils und des aufnehmenden Gehäuseformteils sind parallel zueinander angeordnet, vorzugsweise berühren sich die Wandungselemente flächig. Dort ist ein Überlappungsbereich gebildet, welcher insbesondere dazu dient, eine Abweichung eines Ist-Maßes der Elektrodenbaugruppe von einem Soll-Maß für die Elektrodenbaugruppe auszugleichen. Im Überlappungsbereich sind das aufnehmende Gehäuseformteil und das verschließende Gehäuseformteil miteinander stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verlötet oder verschweißt, besonders bevorzugt mit einer umlaufenden Verbindungsnaht.
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In das verschließende Gehäuseformteil ist eine Elektrodenbaugruppenspanneinrichtung mit Anlageeinrichtung und Normalkraftsteller eingesetzt. Der Normalkraftsteller drängt im gespannten Zustand die Anlageeinrichtung gegen eine Mantelfläche der Elektrodenbaugruppe. Der Normalkraftsteller ist als Gasdruckfeder ausgebildet, wobei der Gasdruck mit Übergang in den gespannten Zustand erhöht wird, vorzugsweise mittels eines von außerhalb der Sekundärzelle zugänglichen Einlassventils, welches besonders bevorzugt in einer Außenwand eines der Gehäuseformteile angeordnet ist. Der Normalkraftsteller stützt sich an der Formteilwandung des verschließenden Gehäuseformteils ab.
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Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass mechanischen Belastungen der elektrisch leitenden Verbindungen von Elektrodenbaugruppe und Stromableitern aus Relativbewegungen im Betrieb entgegengewirkt ist, wodurch einer Alterung der elektrisch leitenden Verbindungen begegnet ist. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass einer mechanischen Belastung der elektrisch leitenden Verbindungen von Elektrodenbaugruppe und Stromableitern aus nicht fluchtender Positionierung von Elektrodenbaugruppe und Stromableitern infolge von Ungenauigkeiten bei der Fertigung, insbesondere beim Verbinden von aufnehmendem Gehäuseformteil und verschließendem Gehäuseformteil, begegnet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der zweiten Ausführungsform ist die Gasdruckfeder mit einem Druckentlastungsventil und/oder einer Bersteinrichtung ausgebildet, wobei Druckentlastungsventil und/oder Bersteinrichtung besonders bevorzugt in einer Außenwand eines der Gehäuseformteile angeordnet sind. Vorzugsweise kann die elektrochemische Wechselwirkung der Elektroden der Elektrodenbaugruppe mit Senken der Normalkraft verringert werden. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass der von der Elektrodenbaugruppe abgegebene elektrische Strom verringert werden kann.
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Das erfindungsgemäße Herstellverfahren für eine erfindungsgemäße Sekundärzelle ist gekennzeichnet durch das Bereitstellen eines ersten, insbesondere metallischen Gehäuseformteils, nachfolgend Schritt S1 genannt, wobei das Gehäuseformteil eine erste Formteilwandung, einen Formteilinnenraum und zumindest eine erste Formteilöffnung aufweist.
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Anschließend wird eine vorbereitete Elektrodenbaugruppe mit zumindest zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität und einem Separator durch die erste Formteilöffnung in den ersten Formteilinnenraum des ersten Gehäuseformteils eingesetzt, nachfolgend Schritt S2 genannt, worauf vorzugsweise die Elektrodenbaugruppe von der ersten Formteilwandung formschlüssig und/oder kraftschlüssig gehalten ist.
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Anschließend wird ein zweites insbesondere metallisches Gehäuseformteils bereitgestellt, nachfolgend Schritt S3 genannt, wobei das zweite Gehäuseformteil eine zweite Formteilwandung, eine zweite Formteilöffnung und die zweite Formteilwandung einen Formteilführungsbereich insbesondere angrenzend an die zweite Formteilöffnung aufweist.
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Anschließend wird das erste Gehäuseformteil in das zweite Gehäuseformteil, insbesondere in dessen Formteilführungsbereich zumindest teilweise eingesetzt, nachfolgend Schritt S4 genannt, insbesondere durch die zweite Formteilöffnung, worauf der Formteilführungsbereich die erste Formteilwandung zumindest bereichsweise umgibt. Das Einsetzen erfolgt insbesondere derart, dass ein Überlappungsbereich entsteht, mittels welchem eine Abweichung eines Ist-Maßes der Elektrodenbaugruppe von einem Soll-Maß der Elektrodenbaugruppe ausgeglichen wird. Somit können zwei aufeinander abgestimmte Gehäuseformteile für Elektrodenbaugruppen insbesondere mit verschiedenen Dicken verwendet werden.
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Vorzugsweise wird zumindest eines der Gehäuseformteile mit einer Kraft in Richtung des anderen Gehäuseformteils beaufschlagt, nachfolgend Schritt S5 genannt, insbesondere derart, dass eine Normalkraft auf die Elektrodenbaugruppe wirkt. Diese Normalkraft dient insbesondere der Erzeugung einer Reibkraft in Verbindung mit der ersten Formteilwandung. Die Reibkraft dient insbesondere dazu, die Elektrodenbaugruppe im Wesentlichen unverrückbar bezüglich zumindest eines Stromableiters zu halten. Diese Ausführung des Herstellverfahrens bietet des Vorteil, dass einer Alterung der Verbindung von Stromableiten und Ableiterfahnen begegnet wird. Vorzugsweise endet Schritt S5 erst nach Schritt S6. Diese Weiterbildung bietet den Vorteil, dass die Normalkraft bis nach Erzeugen der Verbindung der Gehäuseformteile von außen aufgebracht wird.
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Anschließend wird zumindest bereichsweise die erste Formteilwandung mit der zweiten Formteilwandung verbunden, nachfolgend Schritt S6 genannt, vorzugsweise stoffschlüssig, besonders bevorzugt mittels wenigstens eines Verfahrens aus der folgenden Gruppe, welche Schweißen, Rollnahtschweißen, Widerstandsschweißen, Mittelfrequenzschweißen, Kondensatorentladungsschweißen, Hartlöten, Weichlöten, Kleben und/oder Kombinationen dieser Verfahren beinhaltet. Besonders bevorzugt erfolgt das Verbinden mit einer elastischen Dickschichtklebung, welche eine Maßänderung der Elektrodenbaugruppe infolge eines veränderten Ladezustands begrenzt ausgleichen kann.
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Dieses Herstellverfahren bietet die Vorteile, dass
- • einer unerwünschten Relativbewegung von Stromableiter und Elektrodenbaugruppe im Betrieb der Sekundärzelle begegnet wird, insbesondere durch die im Betrieb vorliegende Normalkraft auf eine Mantelfläche der Elektrodenbaugruppe,
- • einer Schädigung der Elektrodenbaugruppe bei unnachgiebigen Gehäuse begegnet wird, insbesondere durch die elastische Dickschichtklebung, und/oder
- • eine Verwendung von Gehäuseformteilen für Elektrodenbaugruppen verschiedener Abmessungen, insbesondere verschiedener Dicken ermöglicht wird, insbesondere durch den Überlappungsbereich.
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Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens weist Schritt S11 auf, wonach ein Stromableiter mit zumindest einer Ableiterfahne, vorzugsweise mit mehreren Ableiterfahnen derselben Polarität verbunden wird, besonders bevorzugt stoffschlüssig mittels Schweißen, Rollnahtschweißen, Widerstandsschweißen, Mittelfrequenzschweißen, Kondensatorentladungsschweißen, Ultraschallschweißen, Hartlöten, Weichlöten, Kleben und/oder Kombinationen dieser Verfahren. Dabei entsteht eine elektrische Verbindung zwischen dem Stromableiter und der Ableiterfahne. Diese Weiterbildung bietet den Vorteil, dass die elektrische Verbindung automatisiert und mit hoher Wiederholgenauigkeit erzeugt werden kann.
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Vorzugsweise wird Schritt S11 vor Schritt S2 durchgeführt. Diese Weiterbildung bietet den Vorteil einer vereinfachten Montage der Sekundärzelle, insbesondere einer vereinfachten Durchführung von Schritt S4.
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Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens weist Schritt S9 auf, wonach ein Stromableiter durch eine Ableiterausnehmung geführt wird.
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Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens weist Schritt S10 auf, wonach ein Stromableiter mit einem Gehäuseformteil, vorzugsweise mit einem aufnehmenden Gehäuseformteil verbunden wird. Damit wird einer unerwünschten Relativbewegung von Stromableiter und Gehäuseformteil sowie einer unerwünschten Relativbewegung von Stromableiter und Elektrodenbaugruppe bzw. Stromableiter begegnet. Diese Weiterbildung bietet den Vorteil, dass einer Alterung der elektrischen Verbindung zwischen Stromableiter und der Ableiterfahne vorgebeugt wird. Vorzugsweise erfolgt Schritt S10 vor Schritt S6, besonders bevorzugt vor Schritt S4. Diese Weiterbildung bietet den Vorteil einer vereinfachten Montage.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens weist Schritt S7 auf, wonach eine Elektrodenbaugruppenspanneinrichtung in das erste Gehäuseformteil eingesetzt wird, wobei die Elektrodenbaugruppen spanneinrichtung eine Anlageeinrichtung und einen Normalkraftsteller aufweist. Vorzugsweise ist der Normalkraftsteller dabei entspannt. Vorzugsweise wir die Elektrodenbaugruppenspanneinrichtung zeitgleich mit der Elektrodenbaugruppe in ein Gehäuseformteil eingesetzt. Insbesondere im Anschluss an Schritt S6 folgt Schritt S8, wonach der Normalkraftsteller in seinen gespannten Zustand überführt wird. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass bei einfacher Montage auf Schritt S5 verzichtet werden kann. Diese Ausgestaltung bietet den weiteren Vorteil, dass zumindest eines der Maße der Elektrodenbaugruppe bei Abweichung vom Soll-Maß mit dem Normalkraftsteller ausgeglichen werden kann.
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Diese bevorzugte Ausgestaltung ist vorzugsweise mit den Weiterbildungen, Schritte S9 bis S11, kombinierbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt:
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1 schematisch einen Schnitt durch eine Baugruppe für eine erfindungsgemäße Sekundärzelle gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform,
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2 schematisch einen Schnitt durch eine Sekundärzelle gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform unter Verwendung der Baugruppe der 1,
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3 schematisch einen Schnitt durch eine Baugruppe für eine erfindungsgemäße Sekundärzelle gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform,
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4 schematisch einen Schnitt durch eine Baugruppe für eine Sekundärzelle gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform sowie diese Sekundärzelle.
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1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Baugruppe für eine erfindungsgemäße Sekundärzelle gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform, mit einem ersten Gehäuseformteil 4, einem zweiten Gehäuseformteil 5, sowie einem Elektrodenflachwickel 2.
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Der Elektrodenflachwickel 2 ist von einer nicht dargestellten Polymerfolie zur elektrischen Isolation gegenüber den metallischen Gehäuseformteilen umgeben.
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Alternativ könnten die Innenseiten der Gehäuseformteile elektrisch isolierend beschichtet sein.
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Das erste Gehäuseformteil 4 ist aus einem Metallblech zu einer Schale mit rechteckiger Grundfläche und mit einem hochgestellten Rand tiefgezogen. In das erste Gehäuseformteil 4 sind Ableiterausnehmungen 10, 10a gestanzt. Der Elektrodenflachwickel 2 ist durch die erste Formteilöffnung 9 in den ersten Formteilinnenraum 8 eingesetzt.
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Das zweite Gehäuseformteil 5 ist aus einem Metallblech zu einer Schale und mit einem hochgestellten Rand tiefgezogen. Das zweite Gehäuseformteil 5 weist eine zweite Formteilwandung 7a, einen zweiten Formteilinnenraum 8a, eine zweite Formteilöffnung 9a sowie einen Formteilführungsbereich 20 auf. Der Formteilführungsbereich 20 ist Teil der zweiten Formteilwandung 7a und ist benachbart zur zweiten Formteilöffnung 9a angeordnet.
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Das erste Gehäuseformteil 4 ist durch die zweite Formteilöffnung 9a teilweise in den Formteilführungsbereich 20 eingesetzt. Dadurch ist der Überlappungsbereich 18 gebildet in welchem die hochgestellten Ränder der Gehäuseformteile 4, 5 zueinander parallel angeordnet sind. Der Formteilführungsbereich 20 der zweiten Formteilwandung 7a umgibt Teile der ersten Formteilwandung 7. Die zweite Formteilwandung 7a ist im Formteilführungsbereich 20 so bemessen, dass mit der ersten Formteilwandung 7 ein Schweißspalt oder Lötspalt gebildet ist. Die Gehäuseformteile 4, 5 sind mittels der Kraft F um den Elektrodenflachwickel 2 verspannt. In diesem Zustand ist die Baugruppe bereit für Schritt S6.
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Der Elektrodenflachwickel 2 weist einen Separator aus „Separion” auf. Auch weist der Elektrodenflachwickel 2 eine Kathode mit LiFePO4 auf.
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2 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Sekundärzelle gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform unter Verwendung der Baugruppe der 1. Die Gehäuseformteile 4, 5 bzw. deren Formteilwandungen 7, 7a sind miteinander umlaufend verschweißt, was durch die schwarz gefüllten Dreiecke 31, 32 angedeutet ist. Damit wird ein Gehäuse 14 vum den Elektrodenflachwickel 2 gebildet.
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Der schematisch dargestellte Stromableiter 3 weist einen als Gewindebolzen 11 ausgebildeten Zuleitungskontaktbereich sowie einen Elektrodenkontaktbereich 12 auf. Auf den Gewindebolzen 11 ist eine Stromschiene oder eine Zuleitung aufschiebbar. Der Elektrodenkontaktbereich 12 dient der elektrischen Verbindung mit den Elektroden des Elektrodenflachwickels 2, insbesondere mit den nicht dargestellten Ableiterfahnen der Elektroden. Der Gewindebolzen 11 des Stromableiters 3 ist durch die Ableiterausnehmung 10 geführt. Der Gewindebolzen 11 ist gegenüber dem Gehäuseformteil 4 mittels einer nicht dargestellten Dichteinrichtung abgedichtet sowie elektrisch isoliert. Mittels der Dichteinrichtung, welche je durch eine ebenfalls nicht dargestellten Mutter auf dem Gewindebolzen 11 befestigt ist, ist der Gewindebolzen 11 mit einer Reibkraft im Wesentlichen unverrückbar in einer Ableiterausnehmung 10 gehalten.
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3 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Baugruppe für eine erfindungsgemäße Sekundärzelle gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform, mit einem ersten Gehäuseformteil 4, einem zweiten Gehäuseformteil 5, einem Elektrodenstapel 2 sowie einer Elektrodenbaugruppenspanneinrichtung 15.
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Die Gehäuseformteile 4, 5 entsprechen im Wesentlichen denen der 1.
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Die Elektrodenbaugruppenspanneinrichtung 15 weist eine Anlageplatte 16 sowie eine Feder 17 auf. Die Anlageplatte 16 liegt an einer Mantelfläche des Elektrodenstapels 2 an. Die Feder 17 ist vorgesehen, sich an der zweiten Formteilwandung 7a abzustützen und die Anlageplatte 16 mit einer Normalkraft gegen den Elektrodenstapel 2 zu drängen. Das ist möglich, wenn die Gehäuseformteile 4, 5 bzw. deren Formteilwandungen 7, 7a verbunden sind.
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4 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Baugruppe für eine Sekundärzelle gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform sowie diese Sekundärzelle.
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4a zeigt schematisch eine Baugruppe für eine Sekundärzelle gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform. Die Baugruppe entspricht im Wesentlichen der Baugruppe der 3, die Elektrodenbaugruppenspanneinrichtung 15 ist mit Gasdruckfedern 17a, 17b als Normalkraftsteller ausgebildet. Die Gasdruckfedern 17a, 17b, welche vorgesehen sind, sich an der Anlageplatte 16 und der zweiten Formteilwandung 7a abzustützen, sind entspannt. Die Gehäuseformteile 4, 5 sind noch nicht miteinander verbunden. Dargestellt ist die Baugruppe nach Schritt S4.
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Der schematisch dargestellte Stromableiter 3 weist einen als Gewindebolzen 11 ausgebildeten Zuleitungskontaktbereich sowie einen Elektrodenkontaktbereich 12 auf. Auf den Gewindebolzen 11 ist eine Stromschiene oder eine Zuleitung aufschiebbar. Der Elektrodenkontaktbereich 12 dient der elektrischen Verbindung mit den Elektroden des Elektrodenflachwickels 2, insbesondere mit den nicht dargestellten Ableiterfahnen der Elektroden. Der Gewindebolzen 11 des Stromableiters 3 ist durch die Ableiterausnehmung 10 geführt. Der Gewindebolzen 11 ist gegenüber dem Gehäuseformteil 4 mittels einer nicht dargestellten Dichteinrichtung abgedichtet sowie elektrisch isoliert. Mittels der Dichteinrichtung, welche je durch eine ebenfalls nicht dargestellten Mutter auf dem Gewindebolzen 11 befestigt ist, ist der Gewindebolzen 11 mit einer Reibkraft im Wesentlichen unverrückbar in einer Ableiterausnehmung 10 gehalten.
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4b zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Sekundärzelle gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform unter Verwendung der Baugruppe gemäß 3.
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Die Gehäuseformteile 4, 5 bzw. deren Formteilwandungen 7, 7a sind miteinander umlaufend verschweißt, was durch die schwarz gefüllten Dreiecke 31, 32 angedeutet ist. Damit wird ein Gehäuse 14 um den Elektrodenstapel 2 gebildet.
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Die Gasdruckfedern 17a, 17a sind bereits in ihren gespannten Zustand überführt worden. Die Gasdruckfedern 17a, 17a stützen sind an der Anlageplatte 16 und der zweiten Formteilwandung 7a ab. Mit den verbundenen Gehäuseformteilen 4, 5 übt die Elektrodenbaugruppenspanneinrichtung 15 eine Normalkraft auf den Elektrodenstapel 2 aus. Die Normalkraft bewirkt eine Reibkraft, welche die Elektrodenbaugruppe im Wesentlichen unverrückbar bezüglich des Gehäuseformteils 4 und den Stromableitern 3 hält.