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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Energiespeichervorrichtungen weisen mindestens eine elektrochemische Energiespeicherzelle, die auch als elektrochemische Zelle oder galvanische Zelle bezeichnet wird, in Form eines Elektrodenstapels oder Elektrodenwickels auf, welcher in der Regel von einem Gehäuse umgeben ist. Der Elektrodenstapel weist meist mehrere aus jeweils zwei Elektroden sowie einer dazwischenliegenden Separatorschicht, die einen Elektrolyten aufnehmen kann, zusammengesetzte Elektrodengruppen auf, die nebeneinander bzw. übereinander angeordnet bzw. gestapelt sind. Bei einem Elektrodenwickel wird mindestens eine Elektrodengruppe zu einem sog. Wickel aufgewickelt. Die Elektroden der Elektrodengruppen gleicher Polarität werden jeweils mit einem Stromableiter elektrisch verbunden, über welchen die in der Zelle erzeugte elektrische Spannung von außen abgegriffen werden kann.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Energiespeichervorrichtungen kann nicht in jedem Fall eine hohe Funktionssicherheit bei gleichzeitig einfachem Aufbau gewährleistet werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energiespeichervorrichtung anzugeben, welche bei einfachem Aufbau eine erhöhte Funktionssicherheit aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Energiespeichervorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass an mindestens einer Außenwand der Energiespeicherzelle, insbesondere an mindestens einer äußeren Wand des Elektrodenstapels bzw. Elektrodenwickels, eine äußere Funktionsschicht vorgesehen ist, die eine zumindest teilweise stoffdurchlässige Trägerschicht aufweist.
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Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, den Elektrodenstapel bzw. Elektrodenwickel zumindest teilweise mit einer zumindest teilweise stoffdurchlässigen Funktionsschicht zu umgeben, welche insbesondere überschüssige Elektrolytflüssigkeit, die aus den zwischen den Anoden- und Kathodenschichten der Stapel- bzw. Wickelschichten befindlichen Separatorschichten austreten kann, zumindest temporär aufnehmen oder binden kann. Ein Aufstauen überschüssiger Elektrolytmengen in dem üblicherweise in einem flüssigkeitsdichten Behälter befindlichen Elektrodenstapel bzw. -wickel kann dadurch auf einfache Weise verhindert werden, da in der zwischen dem Elektrodenstapel bzw. -wickel und der Behälterwand befindlichen Funktionsschicht zusätzlich Platz zur Aufnahme von Elektrolytflüssigkeit vorhanden ist. Ein Austreten von Elektrolytflüssigkeit aus der Zelle kann dadurch auf einfache Weise verhindert werden. Die Funktionsfähigkeit und -sicherheit der Energiespeichervorrichtung wird dadurch deutlich erhöht.
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Darüber hinaus erlaubt die äußere Funktionsschicht eine mechanische Fixierung der Stapelschichten des Elektrodenstapels bzw. des Elektrodenwickels, so dass eine zusätzliche Fixierung der Stapelschichten bzw. der gewickelten Wickelschicht, beispielsweise durch Kleben oder Laminieren, entfallen kann. Außerdem wird durch die äußere Funktionsschicht die Widerstandsfähigkeit der Zelle gegen mechanische Beanspruchung, z. B. durch Erschütterungen, und thermische Belastung, beispielsweise durch während des Ladens bzw. Entladens auftretende Temperaturerhöhungen, verbessert, was insgesamt lebensdauerverlängernd wirkt.
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Des Weiteren kann die Funktionsschicht als Vorrat für Leitsalz dienen, welches in der Funktionsschicht aufgenommen und bei Bedarf an die Elektrolytflüssigkeit, in welcher Leitsalz in einem Lösungsmittel gelöst ist, abgegeben werden kann. Auf diese Weise kann die Leitsalzkonzentration im Elektrolyten, insbesondere in den Separatorschichten, auf der erforderlichen Höhe gehalten werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Funktionsschicht auch als Vorrat für Radikalfänger dienen, welche vorzugsweise der Elektrolytflüssigkeit zugesetzt werden und zusammen mit dieser von der Funktionsschicht aufgenommen werden. Radikalfänger verhindern, dass bei höheren Temperaturen in der Zelle Radikale freigesetzt werden, die eine Explosion der Zelle verursachen können.
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Insgesamt wird durch die Erfindung eine erhöhte Funktionssicherheit bei vereinfachtem Aufbau bzw. einfacher Herstellung gewährleistet.
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Eine Funktionsschicht im Sinne der Erfindung ist hierbei eine Schicht aus einem sog. Funktionsmaterial. Funktionsmaterialien sind Materialien, deren Struktur und/oder Eigenschaften zielgerichtet für eine bestimmte Anwendung gewählt werden. In der vorliegenden Erfindung ist die Funktionsschicht u. a. dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest teilweise stoffdurchlässig ist und daher unter anderem Elektrolytflüssigkeit aufnehmen kann.
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Unter einer Energiespeichervorrichtung wird im Sinne der Erfindung eine Einrichtung verstanden, die in der Lage ist, insbesondere elektrische Energie aufzunehmen, zu speichern und wieder abzugeben, insbesondere unter Ausnutzung elektrochemischer Prozesse.
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Als eine Energiespeicherzelle wird im Sinne der Erfindung eine in sich abgeschlossene Funktionseinheit der Energiespeichervorrichtung verstanden, die für sich genommen ebenfalls in der Lage ist, elektrische Energie aufzunehmen, zu speichern und wieder abzugeben, insbesondere unter Ausnutzung elektrochemischer Prozesse. Eine Energiespeichervorrichtung im Sinne der Erfindung kann eine Energiespeicherzelle oder mehrere Energiespeicherzellen aufweisen.
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Eine Energiespeicherzelle kann beispielsweise, aber nicht nur, eine galvanische Primär- oder Sekundärzelle (im Rahmen dieser Anmeldung werden Primär- oder Sekundärzellen unterschiedslos als Batteriezellen und eine daraus aufgebaute Energiespeichervorrichtung auch als Batterie bzw. Batterieanordnung bezeichnet), eine Brennstoffzelle, ein Hochleistungskondensator oder eine Energiespeicherzelle anderer Art sein. Insbesondere soll in diesem Zusammenhang unter einer Energiespeicherzelle eine elektrochemische Energiespeicherzelle verstanden werden, die Energie in chemischer Form speichern, in elektrischer Form an einen Verbraucher abgeben und vorzugsweise auch in elektrischer Form aus einer Ladeeinrichtung aufnehmen kann. Wichtige Beispiele für solche elektrochemische Energiespeicher sind galvanische Zellen und Brennstoffzellen.
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Der Elektrolyt der Energiespeicherzelle enthält vorzugsweise Lithium-Ionen. Ein üblicherweise die Zelle umgebender Behälter ist stellt eine Einrichtung dar, welche geeignet ist, den Austritt von Chemikalien aus dem Elektrodenstapel in die Umgebung zu verhindern und die Bestandteile des Elektrodenstapels vor schädigenden äußeren Einflüssen zu schützen. Der Behälter kann aus einem oder aus mehreren Formteilen und/oder folienartig ausgebildet sein. Weiter kann der Behälter einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein. Der Behälter ist vorzugsweise aus einem gasdichten und elektrisch isolierenden Werkstoff oder Schichtverbund gebildet.
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Vorzugsweise ist die zumindest teilweise stoffdurchlässige Trägerschicht mindestens auf einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet. Dadurch kann eine hohe thermische und chemische Stabilität der Funktionsschicht und folglich eine hohe Funktionssicherheit der Energiespeichervorrichtung, insbesondere bei während des Ladens bzw. Entladens auftretenden Temperaturerhöhungen, erzielt werden.
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Hierbei ist bevorzugt, dass das anorganische Material, insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen –40°C und +200°C, ionenleitend ist. Auf diese Weise eignet sich die Funktionsschicht in einem großen Temperaturbereich besonders gut zur zumindest temporären Aufnahme von Elektrolytflüssigkeit.
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Es ist außerdem bevorzugt, dass das anorganische Material wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate mit wenigstens einem der Elemente Zr, Al, Li, insbesondere Zirkoniumoxid, aufweist. Hierdurch wird eine hohe Stabilität der Funktionalität der Zeile, insbesondere über einen großen Temperaturbereich, erzielt.
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Vorzugsweise weist das anorganische Material Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm auf. Durch die damit erreichte Nanoporosität der Funktionsschicht sind deren Eigenschaften besonders ausgeprägt. Insbesondere wird hierbei die Aufnahmefähigkeit und Durchlässigkeit für Elektrolytflüssigkeit besonders günstig beeinflusst, was sich wiederum positiv auf die Funktionalität der Zelle auswirkt.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die zumindest teilweise stoffdurchlässige Trägerschicht aus einem organischen Material, insbesondere einem Polymer, insbesondere Polyethylenterephthalat (PET), hergestellt. Hierdurch lässt sich auf einfache und kostengünstige Weise eine Trägerschicht für die Funktionsschicht bereitstellen, was die Herstellung und den Aufbau der Energiespeichervorrichtung insgesamt vereinfacht.
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Die zumindest teilweise stoffdurchlässige Trägerschicht ist vorzugsweise als Vlies ausgestaltet. Dies stellt eine besonders kostengünstige Variante einer geeigneten Trägerschicht dar. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Trägerschicht als Gewebe auszugestalten.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist die Funktionsschicht nicht oder nur geringfügig elektronenleitend. Dadurch wird erreicht, dass die Funktionsschicht, sofern sich keine Elektrolytflüssigkeit darin aufgenommen ist, zuverlässig elektrisch isolierend ist, so dass keine elektrischen Ströme zwischen einem ggf. metallischen Behälter der Zelle und der Zelle selbst fließen können.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die mindestens eine äußere Funktionsschicht die Form einer Schale, insbesondere einer Halbschale, aufweist, welche zumindest einen Teil der Energiespeicherzelle umgibt. Hierdurch kann auf besonders einfache Weise eine Umkleidung oder Umhüllung der Zelle erreicht werden. Durch eine geeignete Befestigung der beiden Schalen aneinander und/oder an einer Wand der Energiespeicherzelle werden die einzelnen Stapelschichten bzw. die aufgewickelte Wickelschicht der Zelle durch die beiden Schalen zusammengehalten, so dass eine zusätzliche Fixierung, beispielsweise durch Laminieren der Stapelschichten bzw. Wickelschicht, entfallen kann.
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Es ist außerdem bevorzugt, die äußere Funktionsschicht derart auszugestalten, dass diese unter Wärmeeinwirkung schrumpfbar ist, und zumindest einen Teil der Energiespeicherzelle von einer geschrumpften äußeren Funktionsschicht zu umgeben. Bei dieser Ausführung wird der für eine ausreichende Fixierung der Stapelschichten bzw. gewickelten Wickelschicht erforderliche Druck auf den Stapel bzw. Wickel durch die Schrumpfung der Funktionsschicht selbst erzeugt, ohne dass diese noch zusätzlich mit Klebebändern oder Ähnlichem fixiert werden müsste. Hierdurch werden Aufbau und Herstellung der Energiespeichervorrichtung stark vereinfacht.
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Bei beiden vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungen werden die Stapelschichten des Elektrodenstapels bzw. die Wickelung des Elektrodenwickels mit Hilfe der äußeren Funktionsschicht auf einfache Weise zusammengehalten, was neben der Aufnahmefähigkeit für Elektrolytflüssigkeit einen weiteren besonderen Vorteil der äußeren Funktionsschicht darstellt.
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Vorzugsweise weist die Energiespeichervorrichtung einen Behälter auf, welcher zur Aufnahme der Energiespeicherzelle ausgebildet ist und insbesondere nach dem Einbringen des Elektrodenstapels bzw. -wickels durch einen Deckel verschlossen werden kann. Vorzugsweise hat der Behälter die Form eines einseitig offenen Hohlkörpers, welcher insbesondere quaderförmig oder quaderförmig mit zwei nach außen gewölbten Stirnflächen ausgebildet ist. Vorzugsweise wird der Hohlkörper durch Fließpressen, insbesondere durch Kaltfließpressen, oder Tiefziehen eines metallischen Blechzuschnitts erhalten. Auf diese Weise lässt sich eine mechanisch und chemisch stabile Umhüllung der Zelle einfach und kostengünstig realisieren, über welche in der Zelle entstehende Wärme effizient nach außen abgeführt werden kann.
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Zusätzlich zur Fixierung des Elektrodenstapels bzw. -wickels mit Hilfe der äußeren Funktionsschicht können die einzelnen Stapelschichten bzw. Wickelschicht zumindest teilweise durch Lamination miteinander verbunden sein. Hierbei werden die einzelnen Stapelschichten zumindest in Teilbereichen mittels eines Klebers aneinander geklebt. Vorzugsweise ist der Kleber ein sog. Heißkleber, welcher bei Zimmertemperatur im Wesentlichen fest ist und erst bei Erwärmung flüssig wird und seine Klebewirkung entfaltet. Entsprechend werden die Stapelschichten vorzugsweise durch Verpressen und/oder Walzen unter Wärmeeinwirkung miteinander verklebt. Durch eine oder mehrere dieser Maßnahmen wird eine besonders hohe mechanische Stabilität des Elektrodenstapels erreicht, wobei die Stapelschichten darüber hinaus thermisch gut miteinander gekoppelt werden, so dass eine Ableitung von in der Zelle entstehender Wärme in Richtung der Behälterwand begünstigt wird.
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Eine Batterieanordnung weist mehrere erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtungen auf, an welchen Kontaktelemente vorgesehen sind, die miteinander elektrisch verbunden, insbesondere in Reihe und/oder parallel geschaltet, sind. Auf diese Weise werden die bei der jeweiligen Anwendung erforderlichen Spannungen bzw. Leistungen der Batterieanordnung realisiert.
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Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung oder die Batterieanordnung wird vorteilhafterweise zur Versorgung eines Elektroantriebs oder Hybridantriebs eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie verwendet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen:
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1 ein Beispiel für den Aufbau einer Energiespeichervorrichtung;
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2 einen Ausschnitt aus einem Beispiel für den Aufbau eines Elektrodenstapels mit inneren Funktionsschichten;
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3 einen Ausschnitt aus einem Beispiel für eine Wickelschicht eines Elektrodenwickels sowie eine verkleinerte, schematische Darstellung einer um einen Wickelkern gewickelten Wickelschicht;
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4 einen Querschnitt durch einen Elektrodenstapel mit Funktionsschichten;
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5 einen Querschnitt durch einen Elektrodenwickel mit Funktionsschichten;
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6 ein Beispiel für eine schalenförmige äußere Funktionsschicht an einem Elektrodenstapel;
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7 ein weiteres Beispiel für eine äußere Funktionsschicht an einem Elektrodenstapel; und
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8 ein Beispiel für eine schalenförmige äußere Funktionsschicht an einem Elektrodenwickel.
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1 zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer Energiespeichervorrichtung mit einem im Wesentlichen quaderförmigen Behälter 1, welcher vorzugsweise aus Metall geformt ist und zu einer schmalen Seite hin offen ist. Der Behälter 1 kann beispielsweise mittels Fließpressen, insbesondere Kaltfließpressen, oder Tiefziehen eines entsprechenden Ausgangswerkstücks, insbesondere eines Blechs, hergestellt werden. Durch die offene Seite des Behälters 1 wird ein Elektrodenstapel 2 oder ein Elektrodenwickel (nicht dargestellt) in den Behälter 1 eingeführt.
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Die Elektrodenschichten des Elektrodenstapels 2 bzw. Elektrodenwickels gleicher Polarität, d. h. Anoden- bzw. Kathodenschichten, werden mit Kontaktfahnen 3 bzw. 5 elektrisch kontaktiert. Die Kontaktfahnen 3 und 5 werden mit Hilfe weiterer Kontaktelemente 4 bzw. 6 durch ein Isolationselement 7 hindurch mit dem Deckel 8 der Energiespeichervorrichtung kontaktiert bzw. mittels weiterer, nicht dargestellter Kontaktelemente durch eine Öffnung 9 im Deckel 8 hindurch aus der Energiespeichervorrichtung herausgeführt.
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Vor dem Einführen in den Behälter 1 wird der Elektrodenstapel 2 bzw. Elektrodenwickel mit einer äußeren Funktionsschicht 10 versehen, welche diesen an den beiden Breit- und/oder Stirnseiten und/oder an der Bodenseite des quaderförmigen Elektrodenstapels 2 bzw. quaderähnhichen Elektrodenwickels umgibt. Die äußere Funktionsschicht 10 ragt im dargestellten Beispiel an den Seiten über die Höhe des Elektrodenstapels 2 hinaus, kann aber auch nur bis zur Höhe der Seiten des Elektrodenstapels 2 reichen oder auch niedriger sein, d. h. nur einen Teil der Seitenbereiche des Elektrodenstapels 2 bedecken.
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Die äußere Funktionsschicht 10 ist nicht oder nur geringfügig elektronenleitend und weist einen zumindest teilweise stoffdurchlässigen Träger auf. 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. Schichten mit solchen Eigenschaften werden beispielsweise unter dem Handelsnamen ”Separion” von der Evonik AG in Deutschland vertrieben.
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Im Bereich der Mitte des Elektrodenstapels 2 ist mindestens eine innere Funktionsschicht 40 vorgesehen, die sich vorzugsweise über eine gesamte Stapelebene des Elektrodenstapels 2 erstreckt. Bezüglich der Eigenschaften der inneren Funktionsschicht 40 gelten die vorstehenden Ausführungen zur äußeren Funktionsschicht 10 entsprechend. Dies bedeutet, dass für die inneren Funktionsschichten 40 vorzugsweise ebenfalls „Separion”-Schichten verwendet werden.
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Die zumindest teilweise stoffdurchlässige äußere Funktionsschicht 10, die den Elektrodenstapel 2 bzw. Elektrodenwickel zumindest teilweise umgibt, kann insbesondere überschüssige Elektrolytflüssigkeit, die aus den zwischen den Anoden- und Kathodenschichten der Stapel- bzw. Wickelschichten befindlichen Separatorschichten austreten kann, zumindest temporär aufnehmen bzw. binden. Ein Aufstauen ausgetretener Elektrolytflüssigkeit im flüssigkeitsdichten Behälter 1 kann dadurch auf einfache Weise verhindert werden, da in der zwischen dem Elektrodenstapel 2 bzw. -wickel und der Behälterwand befindlichen äußeren Funktionsschicht 10 zusätzlich Platz zur Aufnahme von Elektrolytflüssigkeit vorhanden ist. Ein Austreten von Elektrolytflüssigkeit aus der Energiespeichervorrichtung kann dadurch auf einfache Weise verhindert werden. Die Funktionsfähigkeit und -sicherheit der Energiespeichervorrichtung wird dadurch deutlich erhöht.
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Die im Inneren eines Elektrodenstapels 2 oder Elektrodenwickels vorgesehenen zumindest teilweise stoffdurchlässig inneren Zusatzschichten 40 können ebenfalls insbesondere überschüssige Elektrolytflüssigkeit, die aus den zwischen den Anoden- und Kathodenschichten der Stapel- bzw. Wickelschichten befindlichen Separatorschichten austreten kann, zumindest temporär aufnehmen oder binden. Ein Aufstauen überschüssiger Elektrolytmengen in dem üblicherweise in einem flüssigkeitsdichten Behälter 1 befindlichen Elektrodenstapel 2 bzw. Elektrodenwickel kann dadurch auf einfache Weise verhindert werden, da in den im Inneren des Elektrodenstapels 2 bzw. -wickels befindlichen Funktionsschichten 40 zusätzlich Platz zur Aufnahme von Elektrolytflüssigkeit vorhanden ist. Ein Austreten von Elektrolytflüssigkeit aus der Zelle kann dadurch auf einfache Weise verhindert werden. Die Funktionsfähigkeit und Funktionssicherheit der Energiespeichervorrichtung wird dadurch deutlich erhöht. Durch die zumindest teilweise stoffdurchlässige innere Funktionsschicht 40 wird außerdem die Widerstandsfähigkeit der Zelle gegen mechanische Beanspruchung, z. B. aufgrund von Erschütterungen, und thermische Belastung, beispielsweise durch während des Ladens bzw. Entladens auftretende Temperaturerhöhungen, verbessert, was insgesamt lebensdauerverlängernd wirkt. Dies wird insbesondere dadurch begünstigt, dass die im Inneren zusätzlich vorhandenen inneren Funktionsschichten 40 eine gewisse Elastizität besitzen, durch welche in der Mitte des Stapels 2 bzw. im Wickelkern des Wickels ein Dehnungsraum geschaffen wird, durch welchen eine Ausdehnung oder Schrumpfung des Stapels 2 bzw. Wickels innerhalb gewisser Grenzen kompensiert werden kann, ohne dass der Stapel 2 bzw. Wickel selbst und/oder der Behälter 1 zu stark beansprucht würden.
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2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Beispiel für den Aufbau eines Elektrodenstapels 2 aus mehreren, insbesondere aus einer Vielzahl von, nebeneinander angeordneten bzw. übereinander gestapelten Stapelschichten 20, welche jeweils eine Anodenschicht 21, eine Kathodenschicht 22, eine dazwischen angeordnete Separatorschicht 23 zur Aufnahme eines Elektrolyten sowie eine an der Anodenschicht 21 und/oder Kathodenschicht 22 vorgesehene Isolationsschicht 24 umfassen. Im Bereich der Mitte des Elektrodenstapels 2 sind mehrere – in diesem Fall drei – innere Funktionsschichten 40 vorgesehen, die von zwei Stapelschichten 20 eingeschlossen werden. Die inneren Funktionsschichten 40 liegen im gezeigten Beispiel zwischen etwa gleich vielen Stapelschichten 20 zu beiden Seiten. Die inneren Funktionsschichten 40 können alternativ aber auch zu einer Seite des Elektrodenstapels 2 hin versetzt, d. h. außermittig, angeordnet sein.
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3 zeigt einen Ausschnitt (linker Teil der Figur) aus einem Beispiel einer Wickelschicht 30 eines Elektrodenwickels 12' sowie eine verkleinerte, schematische Darstellung (rechter Teil) einer um einen Wickelkern 40 gewickelten Wickelschicht 30. Die Wickelschicht 30 umfasst eine Anodenschicht 31, eine Kathodenschicht 32, eine dazwischen befindliche Separatorschicht 33 zur Aufnahme eines Elektrolyten sowie eine an der Anodenschicht 31 und/oder Kathodenschicht 32 vorgesehene Isolationsschicht 34.
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Bei dem im rechten Teil der 3 schematisch dargestellten sog. Rundwickel 12' wurde die Wickelschicht 30 um einen im Wesentlichen runden Wickelkern 13 herum gewickelt, welcher durch eine oder mehrere innere Funktionsschichten 40 gebildet wird. Nach dem Wickeln wird der Rundwickel 12' – beispielsweise durch Zusammendrücken in Richtung der in der Figur eingezeichneten Pfeile – in eine annähernd quaderförmige oder prismatische Form, einem sog. Flachwickel 12 (vgl. 5), gebracht, damit dieser in den quaderförmigen Behälter 1 passt.
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Vorzugsweise handelt es sich sowohl bei der an den Außenwänden des Elektrodenstapels 2 bzw. Elektrodenwickels vorgesehenen äußeren Funktionsschicht 10 als auch bei den innerhalb des Elektrodenstapels 2 bzw. Elektrodenwickels vorgesehenen inneren Funktionsschichten 40 um Schichten aus „Separion”. Darüber hinaus können als Separatorschichten 23, 33 und/oder als Isolationsschichten 24, 34 im Elektrodenstapel 2 bzw. im Elektrodenwickel ebenfalls in vorteilhafter Weise „Separion”-Schichten eingesetzt werden.
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4 zeigt einen Querschnitt durch einen Elektrodenstapel 2, welcher von einer äußeren Funktionsschicht 10 umschlossen ist. Die äußere Funktionsschicht 10 ist in diesem Beispiel als sogenannte Schrumpfschicht ausgestattet, welche sich unter Wärmeeinwirkung zusammenziehen kann. Bei der Herstellung des Elektrodenstapels 2 werden dabei die übereinander gestapelten Stapelschichten 20, in deren Mitte sich gegebenenfalls mindestens eine innere Funktionsschicht 40 befindet, bereitgestellt und mit der noch nicht geschrumpften äußeren Funktionsschicht 10 ummantelt. Anschließend wird die Ummantelung erwärmt, beispielsweise durch Bestrahlung mit Infrarotstrahlung oder durch Heißluft, so dass sich diese zusammenzieht und den aus den Stapelschichten 20 gebildeten Stapel eng umschließt. Die einzelnen Stapelschichten 20 sowie die gegebenenfalls zusätzlich vorgesehene innere Funktionsschicht 40 werden hierbei auf einfache und schnelle Weise zu einem stabilen Stapel fixiert, ohne dass eine zusätzliche Fixierung der einzelnen Stapelschichten 20 bzw. der inneren Funktionsschicht 40 erforderlich ist, was die Herstellung des Elektrodenstapels 2 deutlich vereinfacht.
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5 zeigt einen Querschnitt durch einen flachen Elektrodenwickel 12, bei welchem eine Wickelschicht 30 mehrmals um einen Wickelkern 13 herumgewickelt ist. Im Wickelkern 13 ist mindestens eine innere Funktionsschicht 40 vorgesehen. Der äußere Bereich des Elektrodenwickels 12 ist von einer äußeren Funktionsschicht 10 umgeben. Die Herstellung eines solchen sogenannten Flachwickels 12 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Wickelschicht 30 um einen zunächst im Wesentlichen kreisförmigen Wickelkern herumgewickelt wird (vgl. 3). In dem kreisförmigen Wickelkern sind vorzugsweise mehrere Lagen, insbesondere mehrere Wickellagen, der inneren Funktionsschicht 40 enthalten. Dieser sogenannte Rundwickel wird anschließend so zusammengepresst, dass ein Flachwickel mit im Wesentlichen parallelen Seitenwänden, wie in 5 dargestellt, erhalten wird. Der Flachwickel 12 wird dann – wie bereits im Zusammenhang mit 4 erläutert – vorzugsweise mit einer schrumpfbaren äußeren Funktionsschicht 10 umgeben und nach einer Schrumpfung der äußeren Funktionsschicht 10 schließlich in der gewünschten Form gehalten. Entsprechend der Fixierung der Stapelschichten 20 bei dem in 4 gezeigten Beispiel wird durch die Umschrumpfung des Elektrodenwickels 12 auch bei dem in 5 gezeigten Beispiel eine Fixierung der einzelnen Wickelschichten 30 einschließlich der im Wickelkern 13 befindlichen inneren Funktionsschichten 40 erreicht, so dass auf eine zusätzliche Fixierung der einzelnen Wickelschichten 30 und/oder der inneren Funktionsschichten 40, beispielsweise durch Laminieren, verzichtet werden kann.
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Zusätzlich oder alternativ zur Fixierung mittels der äußeren Funktionsschicht 10 ist es möglich, die einzelnen Stapelschichten 20 des Elektrodenstapels 2 bzw. die Wickelschicht 30 des Elektrodenwickels 12 zumindest im Bereich eines Teils ihrer Berührungsfläche miteinander zu verbinden, vorzugsweise mittels eines Klebers. Hierbei ist es bevorzugt, einen Klebstoff zu wählen, welcher bei Zimmertemperatur fest ist und erst durch Erwärmung schmilzt und seine Klebewirkung entfaltet. In diesem Fall werden die mit einem entsprechenden Klebstoff versehenen Stapelschichten 20 bzw. Wickelschicht 30 durch eine sogenannte Heißlamination miteinander verbunden, indem diese beispielsweise unter Wärmeeinwirkung verpresst und/oder gewalzt werden. Durch die beschriebene, zumindest teilweise, Verbindung der einzelnen Stapelschichten 20 bzw. Wickelschicht 30 wird eine besonders hohe mechanische Stabilität des Stapels 2 bzw. Wickels 12, insbesondere im Fall einer Beschädigung des Behälters 1 von außen, erreicht.
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Bei den in den 4 und 5 gezeigten Beispielen ist die äußere Funktionsschicht 10 jeweils als Schrumpfschicht ausgestaltet. Alternativ können die äußeren Funktionsschichten 10 aber auch auf andere Weise im Bereich der Außenwände des Elektrodenstapels 2 bzw. des Elektrodenwickels 12 angebracht werden. Dies wird anhand der in den 6 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Bei dem in 6 gezeigten Beispiel wird der im Wesentlichen quaderförmige Elektrodenstapel 2 durch zwei schalenartige äußere Funktionsschichten 10a und 10b umschlossen. Aufgrund der Halbschalenform der beiden äußeren Funktionsschichten 10a und 10b bedecken diese jeweils eine Seitenfläche des Elektrodenstapels 2 vollständig sowie die vordere und hintere Stirnfläche sowie die Bodenfläche des Elektrodenstapels 2 jeweils zur Hälfte. Die beiden schalenförmigen äußeren Funktionsschichten 10a und 10b sind vorzugsweise so dimensioniert, dass ihre stirn- und bodenseitigen Kanten jeweils auf Stoß liegen, wenn die Schalen 10a und 10b den Elektrodenstapel 2 umschließen. Im Bereich der Stoßkanten werden die beiden Schalen 10a und 10b durch ein geeignetes Fixiermittel, beispielsweise ein umlaufendes Klebeband 11, fixiert.
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Bei dem in 7 gezeigten Beispiel hat die äußere Funktionsschicht 10 zunächst die Form eines im Wesentlichen reckeckigen Bogens, auf welchem mittig der Elektrodenstapel 2 mit seiner Bodenfläche gesetzt wird. Im Bereich der jeweiligen Stirnseite des Elektrodenstapels 2 sind in der bogenförmigen äußeren Zusatzschicht 10 Ausschnitte 15 und 16 vorgesehen. Die beiden Flügel der bogenförmigen Funktionsschicht 10 werden sodann hochgeklappt und kommen an den jeweiligen Seitenflächen des Elektrodenstapels 2 zu liegen. Die im Bereich der jeweiligen Stirnseiten überstehenden Abschnitte 17 und 18 der Funktionsschicht 10 werden jeweils zur Stirnseite des Stapels 2 hin umgeklappt und – entsprechend dem in 6 gezeigten Beispiel – mit Hilfe eines geeigneten Fixiermittels, insbesondere eines Klebebandes, fixiert.
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Bei dem in 8 gezeigten Beispiel wird ein Elektrodenwickel 12 in Form eines Flachwickels ebenfalls von zwei schalenförmigen äußeren Funktionsschichten 10a und 10b umkleidet. Die Ausführungen im Zusammenhang mit dem in 6 gezeigten Beispiel gelten entsprechend.
