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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung, insbesondere eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung, und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Energiespeichervorrichtung.
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Elektrochemische Energiespeichervorrichtungen weisen üblicherweise wenigstens eine elektrochemische Energiespeicherzelle (häufig auch als elektrochemische oder galvanische Zelle bezeichnet), wenigstens einen Stromableiter, ein Gehäuse zum Aufnehmen der Energiespeicherzelle und des Stromableiters sowie wenigstens ein Kontaktelement auf. Herkömmlicherweise weist eine elektrochemische Energiespeicherzelle einen Elektrodenstapel mit einer Anordnung aus wenigstens zwei Elektroden und einem dazwischen angeordneten Elektrolyten auf, der von einer Umhüllung zumindest teilweise umschlossen ist. Die zwei Elektroden bzw. Elektrodengruppen des Elektrodenstapels sind jeweils elektrisch leitend mit einem Stromableiter verbunden, welcher zum Transport elektrischer Energie in die Energiespeicherzelle oder aus der Energiespeicherzelle heraus dient. Die Stromableiter sind wiederum jeweils mit einem elektrisch leitenden Kontaktelement verbunden, welches dem elektrischen Anschluss der Energiespeichervorrichtung zum Beispiel innerhalb einer Batterieanordnung mit mehreren Energiespeichervorrichtungen dient.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Energiespeichervorrichtung bereitzustellen, insbesondere eine verbesserte Energiespeichervorrichtung mit einer kompakten Anbindung des Kontaktelements an den Stromableiter.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Energiespeichervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die obige Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeichervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
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Die Energiespeichervorrichtung der Erfindung weist eine Energiespeicherzelle mit einem Elektrodenstapel und einer Umhüllung; wenigstens einen Stromableiter, welcher einen mit dem Elektrodenstapel der Energiespeicherzelle elektrisch leitend verbundenen ersten Kontaktabschnitt und einen zumindest teilweise außerhalb der Umhüllung der Energiespeicherzelle angeordneten zweiten Kontaktabschnitt aufweist; und wenigstens ein Kontaktelement, welches einen mit dem zweiten Kontaktabschnitt des Stromableiters elektrisch leitend verbundenen ersten Kontaktabschnitt und einen zweiten Kontaktabschnitt zum elektrischen Kontaktieren der Energiespeichervorrichtung aufweist, auf. Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kontaktabschnitt und der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
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Bei der Energiespeichervorrichtung der Erfindung ist der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters, welcher mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements elektrisch leitend verbunden ist, im Wesentlichen parallel zum ersten Kontaktabschnitt des Stromableiters, welcher mit dem Elektrodenstapel der Energiespeicherzelle elektrisch leitend verbunden ist, ausgerichtet. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Verbindung zwischen dem Stromableiter und dem Kontaktelement einfach und kompakt auszubilden. Die erfindungsgemäße Konstruktion der Energiespeichervorrichtung kann insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Energiespeichervorrichtungen mit Stromableitern, deren Kontaktabschnitte im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen, wesentlich kompakter ausgestaltet werden, da der Abstand zwischen dem Kontaktelement, insbesondere dessen zweitem Kontaktabschnitt zur Energiespeicherzelle kleiner und damit platzsparender werden kann.
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Unter einer (elektrochemischen) 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. 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 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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Eine elektrochemische Energiespeicherzelle weist vorzugsweise einen aktiven Bereich oder aktiven Teil, in welchem elektrochemische Umwandlungs- und Speicherungsprozesse stattfinden, und eine Umhüllung zur Kapselung des aktiven Teils von der Umgebung auf. Der aktive Teil weist vorzugsweise einen Elektrodenstapel auf, der aus einer Elektrodenanordnung aus Elektroden, aktiven Schichten, Separatorschichten und einem von den Separatorschichten aufgenommen Elektrolyten gebildet ist. Die Elektroden sind vorzugsweise plattenförmig oder folienartig ausgebildet und bevorzugt im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet (prismatische Energiespeicherzellen). Die Elektrodenanordnung kann auch gewickelt sein und eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt besitzen (zylindrische Energiespeicherzellen). Der Begriff Elektrodenstapel soll auch derartige Elektrodenwickel beinhalten. Die aktiven Schichten und Separatorschichten können wenigstens teilweise als eigenständige Folienzuschnitte oder als Beschichtungen der Elektroden vorgesehen sein. Der Elektrolyt der Energiespeicherzelle enthält vorzugsweise Lithium-Ionen. Die Umhüllung ist in diesem Zusammenhang eine Einrichtung, 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. Die Umhüllung kann aus einem oder aus mehreren Formteilen und/oder folienartig ausgebildet sein. Weiter kann die Umhüllung einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein. Die Umhüllung ist vorzugsweise aus einem gasdichten und elektrisch isolierenden Werkstoff oder Schichtverbund gebildet.
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Eine elektrochemische Energiespeicherzelle ist vorzugsweise mit wenigstens zwei Stromableitern versehen oder verbunden, die als elektrische Pole der Energiespeicherzelle dienen. Diese Stromableiter sind jeweils mit Elektroden des Elektrodenstapels der Energiespeicherzelle elektrisch leitend verbunden oder durch diese selbst gebildet. Unter einem Stromableiter soll im Rahmen der Erfindung sowohl ein separates Bauteil, welches mit den Elektroden der Energiespeicherzelle, vorzugsweise mit aus der Umhüllung heraus ragenden Abschnitten der Elektroden elektrisch leitend verbunden ist, als auch ein durch die Elektroden selbst, vorzugsweise ein durch die aus der Umhüllung heraus ragenden Abschnitte der Elektroden selbst gebildeter Stromableiter verstanden werden. Der Stromableiter kann als Komponente der Energiespeicherzelle angesehen werden oder als eine von dieser verschiedene Komponente. Die wenigstens zwei Stromableiter sind vorzugsweise auf der gleichen Seite der Energiespeicherzelle angeordnet; sie können aber auch auf verschiedenen Seiten, bevorzugt auf einander gegenüber liegenden Seiten der Energiespeicherzelle angeordnet sein.
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Die Stromableiter der Energiespeichervorrichtung weisen jeweils einen ersten Kontaktabschnitt auf, welcher mit dem Elektrodenstapel der Energiespeicherzelle elektrisch leitend verbunden ist. Dieser erste Kontaktabschnitt des Stromableiters kann sich vollständig innerhalb der Umhüllung, teilweise innerhalb und teilweise außerhalb der Umhüllung, oder vollständig außerhalb der Umhüllung der Energiespeicherzelle erstrecken. Die Stromableiter weisen ferner jeweils einen außerhalb der Umhüllung der Energiespeicherzelle angeordneten zweiten Kontaktabschnitt auf. Dieser zweite Kontaktabschnitt ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet. Der plattenförmige zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters hat vorzugsweise eine im Wesentlichen konstante Dicke bzw. Materialstärke. Der zweite Kontaktabschnitt dient der elektrisch leitenden Verbindung mit dem Kontaktelement der Energiespeichervorrichtung. Zumindest der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters ist wenigstens teilweise außerhalb der Umhüllung der Energiespeicherzelle angeordnet.
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Die Energiespeicherzelle und die Stromableiter der Energiespeichervorrichtung sind vorzugsweise in einem Gehäuse aufgenommen. Ein Gehäuse ist in diesem Zusammenhang jede konstruktive Vorrichtung, die geeignet ist, die Energiespeicherzelle und den/die Stromableiter darin aufzunehmen und diese mechanisch zu stabilisieren und/oder einen Stofftransport zwischen den Bestandteilen der elektrochemischen Energiespeicherzelle und ihrer Umwelt zu verhindern oder zu erschweren. Die Stabilisierung ist insbesondere, aber nicht ausschließlich während des Fertigungsprozesses einer Batterieanordnung mit mehreren Energiespeichervorrichtungen von Vorteil. Der Begriff Gehäuse soll sowohl Vorrichtungen, welche die Energiespeicherzelle und den Stromableiter im Wesentlichen vollumfänglich umschließen, als auch Vorrichtungen, welche diese Komponenten nur teilweise stützen (entsprechend einem Rahmen), beinhalten. Das Gehäuse kann bevorzugt einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Gehäuse auch dazu geeignet und bestimmt, einen unerwünschten Energieaustausch der Energiespeichervorrichtung mit ihrer Umwelt zu verhindern oder zu erschweren, insbesondere dann, wenn hierbei Energie, insbesondere auch in nicht elektrischer Form, in unerwünschter Weise ausgetauscht würde, beispielsweise Wärmeenergie oder mechanische Energie.
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Als ein Kontaktelement wird im Sinne der Erfindung jede Vorrichtung verstanden, welche geeignet ist, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Umgebung der Energiespeichervorrichtung und einem Stromableiter der Energiespeichervorrichtung (im inneren des Gehäuses) herzustellen. Über diese elektrisch leitende Verbindung kann die Energiespeichervorrichtung elektrische Energie in ihre Energiespeicherzelle aufnehmen (Ladevorgang) und elektrische Energie aus ihrer Energiespeicherzelle an einen Verbraucher abgeben (Entladevorgang). Die Anzahl der Kontaktelemente der Energiespeichervorrichtung entspricht der Anzahl der Stromableiter der Energiespeichervorrichtung. Vorzugsweise weist die Energiespeichervorrichtung zwei Stromableiter mit jeweils einem damit verbundenen Kontaktelement auf.
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Die Kontaktelemente der Energiespeichervorrichtung weisen jeweils einen ersten Kontaktabschnitt auf, welcher der elektrisch leitenden Verbindung mit einem Stromableiter der Energiespeichervorrichtung dient. Dieser erste Kontaktabschnitt ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet. Der plattenförmige erste Kontaktabschnitt des Kontaktelements hat bevorzugt eine im Wesentlichen konstante Dicke bzw. Materialstärke. Form und Größe des ersten Kontaktabschnitts des Kontaktelements sind vorzugsweise an jene des zweiten Kontaktabschnitts des Stromableiters angepasst. Außerdem weisen die Kontaktelemente der Energiespeichervorrichtung jeweils einen zweiten Kontaktabschnitt auf. Dieser zweite Kontaktabschnitt ist vorzugsweise im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Der zweite Kontaktabschnitt dient als Pol der Energiespeichervorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung mit der Umgebung der Energiespeichervorrichtung zum Beispiel innerhalb einer Batterieanordnung. Der erste Kontaktabschnitt und der zweite Kontaktabschnitt des Kontaktelements sind vorzugsweise integral bzw. einstückig miteinander ausgebildet. Alternativ können der erste und der zweite Kontaktabschnitt des Kontaktelements auch als separate Bauteile gefertigt und elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Der erste Kontaktabschnitt des Kontaktelements ist bevorzugt zumindest teilweise innerhalb des oben genannten Gehäuses der Energiespeichervorrichtung angeordnet. Der zweite Kontaktabschnitt des Kontaktelements ist bevorzugt zumindest teilweise außerhalb des oben genannten Gehäuses der Energiespeichervorrichtung angeordnet.
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Der erste und der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters verlaufen gemäß der Erfindung im Wesentlichen parallel zueinander. Diese parallele Ausrichtung der Kontaktabschnitte des Stromableiters bezieht sich auf den fertig hergestellten und zusammengebauten Zustand der Energiespeichervorrichtung, nicht jedoch auch auf alle Phasen während des Fertigungsprozesses. Unter dem im Wesentlichen parallelen Verlauf sollen in diesem Zusammenhang eine exakt parallele Ausrichtung der Kontaktabschnitte des Stromableiters und auch in einem Winkelbereich bis zu etwa ±10°, bevorzugter bis zu etwa ±5° zueinander angestellte Kontaktabschnitte des Stromableiters verstanden werden. Diese parallele Anordnung der Kontaktabschnitte des Stromableiters soll sich in diesem Zusammenhang ferner bevorzugt auf die durch ihre Hauptausdehnungsrichtungen definierten Ebenen beziehen.
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Die beiden Kontaktabschnitte des Stromableiters sind vorzugsweise integral bzw. einstückig miteinander ausgebildet. Alternativ können sie auch als separate Bauteile gefertigt und elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Der erste und der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters sind vorzugsweise unmittelbar oder über einen Verbindungsabschnitt miteinander verbunden.
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Der erste Kontaktabschnitt und der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters sind bevorzugt mit Abstand zueinander angeordnet. Der Zwischenraum zwischen den beiden parallelen Kontaktabschnitten ist vorzugsweise leer bzw. mit Luft gefüllt. Alternativ kann in dem Zwischenraum zwischen den im Wesentlichen parallelen Kontaktabschnitten des Stromableiters ein elektrisch isolierend es Material angeordnet sein. In einer alternativen Ausgestaltung sind die Kontaktabschnitte des Stromableiters im Wesentlichen ohne Abstand zueinander bzw. sich flächig kontaktierende angeordnet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erste Kontaktabschnitt des Stromableiters oder der gesamte Stromableiter durch aus der Umhüllung der Energiespeicherzelle heraus ragende Abschnitte von Elektroden des Elektrodenstapels gebildet. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, den ersten Kontaktabschnitt des Stromableiters als separates Bauteil mit aus der Umhüllung der Energiespeicherzelle herausragenden Abschnitten von Elektroden des Elektrodenstaates elektrisch leitend zu verbinden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der erste Kontaktabschnitt und der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters über einen Verbindungsabschnitt elektrisch leitend miteinander verbunden, der im Wesentlichen U-förmig gebogen ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der erste Kontaktabschnitt und der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters über einen Verbindungsabschnitt elektrisch leitend miteinander verbunden, der in Bezug auf den ersten Kontaktabschnitt des Stromableiters und/oder in Bezug auf eine Stapelrichtung des Elektrodenstapels der Energiespeicherzelle außermittig, vorzugsweise randseitig angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements verschweißt, vorzugsweise mit Ultraschall verschweißt. Besonders bevorzugt ist der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters dabei mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements im Wesentlichen flächig verschweißt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters zusammen mit einem Opferblech auf der dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements abgewandten Seite des zweiten Kontaktabschnitts des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements verschweißt. Durch ein solches Opferblech kann der Stromableiter bzw. sein zweiter Kontaktabschnitt beim Verschweißen mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements vor einer Beschädigung, insbesondere einer mechanischen Beschädigungen geschützt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Kontaktabschnitt des Kontaktelements im Wesentlichen mittig zum ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements angeordnet. Die relativ zum ersten Kontaktabschnitt mittige Anordnung des zweiten Kontaktabschnitts des Kontaktelements ermöglicht eine einfache Ausgestaltung und Herstellung des Kontaktelements. Die mittige Anordnung bezieht sich vorzugsweise auf die Ebene senkrecht zur Verbindungsrichtung zwischen dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements und dem zweiten Kontaktabschnitt des Stromableiters.
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Vorzugsweise ist der zweite Kontaktabschnitt des Kontaktelements im Wesentlichen senkrecht zum zweiten Kontaktabschnitt des Stromableiters ausgebildet und angeordnet.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Batterieanordnung mit mehreren erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtungen, deren Kontaktelemente elektrisch miteinander verbunden sind. Die Verbindung der Kontaktelemente der mehreren Energiespeichervorrichtungen erfolgt über die zweiten Kontaktabschnitte der Kontaktelemente. Die elektrische Verbindung der Kontaktelemente kann wahlweise in Form einer Parallelschaltung oder einer Reihenschaltung erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung bzw. die Batterieanordnung mit mehreren solchen Energiespeichervorrichtungen wird vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug mit einem Elektroantrieb oder einem Hybridantrieb eingesetzt.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeichervorrichtung, bei welchem ein Stromableiter, welcher einen mit einem Elektrodenstapel einer Energiespeicherzelle elektrisch leitend verbundenen ersten Kontaktabschnitt und einen zumindest teilweise aus einer Umhüllung der Energiespeicherzelle heraus ragenden zweiten Kontaktabschnitt aufweist, mit einem ersten Kontaktabschnitt eines Kontaktelements zum elektrischen Kontaktieren der Energiespeichervorrichtung elektrisch leitend verbunden wird. Dabei ist der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters vor und während dem Verbinden mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements im Wesentlichen senkrecht zum ersten Kontaktabschnitt des Stromableiters ausgerichtet und wird nach dem Verbinden mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements derart umgebogen, dass der erste Kontaktabschnitt und der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
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Dieses Verfahren ist insbesondere zur Herstellung der oben beschriebenen Energiespeichervorrichtung gemäß der Erfindung einsetzbar. Vorteile, Begriffsdefinitionen und bevorzugte Ausführungsformen zu diesem Herstellungsverfahren entsprechen jenen in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung.
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Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kann zudem in einfacher Weise eine kompakte Anbindung der Kontaktelemente an die Stromableiter der Energiespeichervorrichtung erzielt werden. Des zweiten Kontaktabschnitts des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements in elektrisch leitender Weise kann relativ einfach durchgeführt werden, da der Verbindungsbereich aufgrund der im Wesentlichen senkrechten Orientierung zwischen den beiden Kontaktabschnitten des Stromableiters gut zugänglich ist.
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Nach dem erfolgten Verbindungsvorgang wird der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements so umgebogen, dass die beiden Kontaktabschnitte des Stromableiters im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und so die oben in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung erläuterte kompakte Bauweise erzielt werden kann.
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Unter dem Umbiegen der miteinander verbundenen Kontaktabschnitte des Stromableiter und des Kontaktelements wird in diesem Zusammenhang jede Art von Umformung verstanden, die eine plastische, d. h. wenn dauerhafte Verformung oder eine elastische Verformung eines Bauteils bewirkt. Bei diesem Umbiegen wird vorzugsweise nur der Stromableiter bzw. ein Teil des Stromableiters verformt. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann neben dem Stromableiter bzw. einem Teil des Stromableiters auch das Kontaktelement bzw. ein Teil des Kontaktelements verformt werden.
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Die sich durch das Umbiegen ergebende, im Wesentlichen parallele Orientierung der beiden Kontaktabschnitte des Stromableiters soll in diesem Zusammenhang jener entsprechen, die oben in Zusammenhang mit der erfindungsgemaßen Energiespeichervorrichtung zusammen mit verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert worden ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements verschweißt, vorzugsweise mit Ultraschall verschweißt.
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Vorzugsweise wird der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements im Wesentlichen flächig verschweißt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters zusammen mit einem Opferblech auf der dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements abgewandten Seite des zweiten Kontaktabschnitts des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements verschweißt.
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Der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters und der erste Kontaktabschnitt des Kontaktelements sind beim Verschweißen vorzugsweise im Wesentlichen horizontal oder im Wesentlichen vertikal ausgerichtet.
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Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den Figuren. Darin zeigen:
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1 eine schematische Perspektivansicht einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische, vergrößerte Seitenansicht einer Verbindung eines Stromableiters mit einem Kontaktelement der Energiespeichervorrichtung von 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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3A–C schematische Perspektivansichten zur Erläuterung der Herstellung der Energiespeichervorrichtung von 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die 1 und 2 zeigen Teile einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Lithium-Ionen-Batterie zur Versorgung und zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs.
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Die Energiespeichervorrichtung weist eine elektrochemische Energiespeicherzelle 10 auf, die in an sich bekannter Weise einen flachen Elektrodenstapel mit einer Umhüllung enthält. Ein Abschnitt der Elektroden des Elektrodenstapels ist jeweils aus der Umhüllung der Energiespeicherzelle 10 nach oben herausgeführt. Die aus der Umhüllung herausgeführten Elektrodenabschnitte der anodischen Elektroden sind mit einem ersten Stromableiter 12 elektrisch leitend verbunden und die aus der Umhüllung herausgeführten Elektrodenabschnitte der kathodischen Elektroden des Elektrodenstapels sind mit einem zweiten Stromableiter 12 elektrisch leitend verbunden. Die beiden Stromableiter 12 und deren weitere Anbindungen sind im Wesentlichen identisch ausgeführt.
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Die Stromableiter 12 sind in der Stapelrichtung bzw. Dickenrichtung der Energiespeicherzelle 10 bzw. des Elektrodenstapels (Rechts/Links-Richtung in 2) im Wesentlichen mittig angeordnet. Die Stromableiter 12 weisen jeweils einen ersten Kontaktabschnitt 12a auf, der mit anodischen oder kathodischen Elektroden des Elektrodenstapels der Energiespeicherzelle 10 elektrisch leitend verbunden, zum Beispiel verlötet oder verschweißt ist oder alternativ einstückig mit diesen ausgebildet ist. Weiter weisen die Stromableiter 12 jeweils einen zweiten Kontaktabschnitt 12b auf, der mit einem Kontaktelement 14 elektrisch leitend verbunden ist.
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Im fertig hergestellten Zustand der Energiespeichervorrichtung sind der erste und der zweite Kontaktabschnitt 12a, 12b des Stromableiters 12 im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet (innerhalb eines Winkelbereichs von etwa ±5°), wie insbesondere in 2 zu erkennen. Dabei sind die beiden Kontaktabschnitte 12a, 12b voneinander beanstandet, wobei der Zwischenraum leer gelassen ist oder alternativ mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt werden könnte, und über einen Verbindungsabschnitt 12c miteinander verbunden. Zusammen mit dem Verbindungsabschnitt 12c sind die beiden Kontaktabschnitte 12a, 12b des Stromableiters 12 etwa U-förmig ausgebildet. Der zweite Kontaktabschnitt 12b des Stromableiters 12 kann auch als Ableiterfahne bezeichnet werden.
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Der Verbindungsabschnitt 12c des Stromableiters 12 ist in Bezug auf den ersten Kontaktabschnitt 12a des Stromableiters 12 und auch in Bezug auf die Stapelrichtung des Elektrodenstapels der Energiespeicherzelle 10 (Rechts/Links-Richtung in 2) im Bereich des Randes der Energiespeicherzelle 10, d. h. randseitig angeordnet. Wahlweise kann der Verbindungsabschnitt 12c auch vom Randbereich der Energiespeicherzelle 10 zur Mitte der Energiespeicherzelle hin versetzt sein. Wie in 1 dargestellt, sind die beiden Stromableiter 12 der Energiespeichervorrichtung, die mit dem Elektrodenstapel der Energiespeicherzelle 10 verbunden sind, asymmetrisch zueinander angeordnet. D. h. die Verbindungsabschnitte 12c der beiden Stromableiter 12 befinden sich an den zueinander abgewandten Randbereichen der Energiespeicherzelle 10.
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Wie in 2 veranschaulicht, ist der Stromableiter 12 mit seinen Abschnitten 12a–c einstückig aus einem elektrisch leitenden Material (z. B. Metall) gefertigt.
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Durch die im Wesentlichen parallele Anordnung der beiden Kontaktabschnitte 12a, 12b des Stromableiters 12 ist das Kontaktelement 14 relativ nah an der Energiespeicherzelle 10 angeordnet. Dies führt zu einer kompakten und platzsparenden Bauweise der Energiespeichervorrichtung.
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Der zweite Kontaktabschnitt 12b des Stromableiters 12 ist im Wesentlichem plattenförmig ausgebildet und dient der elektrisch leitenden Verbindung mit dem bereits erwähnten Kontaktelement 14, welches als ein Pol der Energiespeichervorrichtung dient und weiter unten in mehr Einzelheiten beschrieben ist.
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Die Anordnung aus Energiespeicherzelle 10 und Stromableitern 12 ist von einer elektrisch isolierenden, ein- oder mehrteiligen Isolierfolie 16 zum Beispiel aus PET seitlich und bodenseitig (unten in 1) umschlossen. Die von dieser Isolierfolie 16 umgebene Konstruktionseinheit ist ferner in einem die Einheit stabilisierenden Gehäuse (nicht dargestellt) aufgenommen. Dieses Gehäuse weist zum Beispiel einen Zellbecher auf, der tiefgezogen oder kaltfließgepresst ist und aus einem metallischen Material gebildet ist. An der oberen Seite des Zellbechers ist dieser mit einem Zelldeckel dicht verschlossen, wobei der Zelldeckel mit dem Zellbecher zum Beispiel verschweißt oder verlötet wird.
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Durch eine Öffnung im Zelldeckel werden die Kontaktelemente 14 aus der Energiespeichervorrichtung herausgeführt. Diese Kontaktelemente 14 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material, zum Beispiel einem Metall gebildet. Zum Zwecke der elektrischen Isolierung und einer vorzugsweise gasdichten Abdichtung des Gehäuses ist in der Durchführungsöffnung des Zelldeckels zwischen den Kontaktelementen 14 und dem Zelldeckel jeweils ein zum Beispiel ringförmiges Dichtungselement aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet. Zudem kann unterhalb des Zelldeckels ein weiteres Isolationselement aus einem elektrisch isolierenden Material vorgesehen sein.
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Die Kontaktelemente 14 weisen jeweils einen ersten Kontaktabschnitt 14a und einen zweiten Kontaktabschnitt 14b auf. Der erste Kontaktabschnitt 14a des Kontaktelements 14 ist im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet und dient der mechanischen und elektrisch leitenden Verbindung mit dem zweiten Kontaktabschnitt 12b des Stromableiters 12. Der zweite Kontaktabschnitt 14b des Kontaktelements 14 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und dient als Pol der Energiespeichervorrichtung zum Beispiel zur (seriellen oder parallelen) Verschaltung mit weiteren Energiespeichervorrichtungen einer Batterieanordnung. Der erste und der zweite Kontaktabschnitt 14a, 14b des Kontaktelements 14 sind direkt miteinander verbunden bzw. integral/einstückig miteinander ausgebildet.
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Der erste Kontaktabschnitt 14a des Kontaktelements 14 wird mit dem zweiten Kontaktabschnitt 12b des Stromableiters 12 mit Ultraschall im Wesentlichen flächig verschweißt, wie weiter unten in mehr Einzelheiten erläutert.
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Wie in 2 dargestellt, wird für das Verschweißen des zweiten Kontaktabschnitts 12b des Stromableiters 12 mit dem ersten Kontaktabschnitt 14a des Kontaktelements 14 zusätzlich ein so genanntes Opferblech 18 eingesetzt. Dieses Opferblech 18 ist auf der dem ersten Kontaktabschnitt 14a des Kontaktelements 14 abgewandten Seite des zweiten Kontaktabschnitts 12b des Stromableiters 12 angeordnet, um den zweiten Kontaktabschnitt 12b des Stromableiters 12 beim Schweißvorgang vor Beschädigungen (zum Beispiel Einreißen) durch die Ultraschall-Schweißvorrichtung zu schützen.
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Bezug nehmend auf die 3A, 3B und 3C wird nun ein Teil des Herstellungsverfahrens der Energiespeichervorrichtung näher beschrieben. Dabei sind die gleichen Komponenten der Energiespeichervorrichtung mit den gleichen Zeichen wie in den 1 und 2 gekennzeichnet.
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Wie in den 3A–C dargestellt, sind die Stromableiter 12 zunächst so ausgebildet, dass ihre beiden Kontaktabschnitte 12a, 12b im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen. Entweder sind die Elektrodenfolien so aus der Energiespeicherzelle 10 herausgeführt und zusammengefasst oder es wird ein entsprechend vorgefertigter Stromableiter mit dem Elektrodenstapel der Energiespeicherzelle 10 verbunden.
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Die zweiten Kontaktabschnitte 12b der Stromableiter 12 werden dann jeweils mit einem Kontaktelement 14 und einem Opferblech 18 auf abgewandten Seiten der zweiten Kontaktabschnitte 12b zusammengebracht (vgl. 3A, 3B). Anschließend werden die zweiten Kontaktabschnitte 12b der Stromableiter 12 jeweils mit einem ersten Kontaktabschnitt 14a eines Kontaktelements 14 und einem Opferblech 18 flächig verschweißt.
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Diese Schweißvorgänge werden beispielsweise mit einer Ultraschall-Schweißvorrichtung durchgeführt, wie sie dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist. Wie in 3C angedeutet, weist eine solche Ultraschall-Schweißvorrichtung insbesondere einen Generator (nicht dargestellt), welcher die Netzspannung in Hochfrequenz umwandelt, einen Konverter (nicht dargestellt), welcher die Hochfrequenz-Leistung zum Beispiel mittels piezoelektrischem oder magneto-striktivem Effekt hat in Ultraschall umwandelt, ein Amplitudentransformationsstück 20, welches die mechanischen Schwingungen auf eine Sonotrode 22 überträgt, die Sonotrode 22 selbst und einen Amboss 24, welcher die zu verschweißenden Werkstücke 12, 14, 18 zwischen sich und der Sonotrode 22 vorzugsweise mit Druck aufnimmt, auf. Das Verschweißen der plattenförmigen Werkstück(teil)e 12b, 14a, 18 erfolgt durch eine Reibung der Moleküle, die durch mechanische Schwingungen verursacht wird, welche von der Sonotrode 22 auf die unter Druck zusammenstehenden Werkstückteile 12b, 14a, 18 übertragen werden. Diese Reibung der Moleküle erzeugt Wärme, welche wiederum das Material der Werkstücke erweicht bzw. aufschmilzt.
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Wie in 3C dargestellt, erfolgt der Ultraschall-Schweißvorgang mit im Wesentlichen horizontal ausgerichteter Schweißvorrichtung 22, 24. Das heißt der zweite Kontaktabschnitt 12b des Stromableiters 12, der erste Kontaktabschnitt 14a des Kontaktelements 14 und das Opferblech 18 sind während des Verschweißens jeweils im Wesentlichen vertikal ausgerichtet.
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Nach dem so beschriebenen Verschweißen der Kontaktelemente 14 mit den Stromableitern 12 der Energiespeichervorrichtung werden die zweiten Kontaktabschnitte 12b der Stromableiter 12 zusammen mit den daran angeschweißten ersten Kontaktabschnitten 14a und den Opferblechen 18 so umgebogen (vgl. Pfeil in 2), dass die beiden Kontaktabschnitte 12a, 12b der Stromableiter 12 jeweils die gewünschte, im Wesentlichen parallele Ausrichtung zueinander haben, wie oben anhand von 2 erläutert.
