DE102012018049A1

DE102012018049A1 - Elektrochemischer Energiespeicher und Verfahren zum Verschließen einer Einfüllöffnung zum Einfüllen einer elektrochemischen Substanz

Info

Publication number: DE102012018049A1
Application number: DE201210018049
Authority: DE
Inventors: Jens Meintschel; Dirk Schröter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2014-03-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher (1), welcher ein Zellgehäuse (3), in welchem eine Elektrodenfolienanordnung (4) angeordnet ist, und einen das Zellgehäuse (3) verschließenden Zelldeckel (6) umfasst, in welchem eine Einfüllöffnung (6.1) zum Einfüllen einer elektrochemischen Substanz eingebracht ist. Erfindungsgemäß weist das Zellgehäuse (3) zumindest eine laschenförmige Verlängerung (3.1) auf, welche in Richtung einer Oberseite des Zelldeckels (6) umgebogen ist, die Einfüllöffnung (6.1) dichtend abdeckt und mit dem Zelldeckel (6) kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher, welcher ein Zellgehäuse, in welchem eine Elektrodenfolienanordnung angeordnet ist, und einen das Zellgehäuse verschließenden Zelldeckel, in welchem eine Einfüllöffnung zum Einfüllen einer elektrochemischen Substanz eingebracht ist, umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verschließen einer in einen Zelldeckel oder in ein Zellgehäuse eines elektrochemischen Energiespeichers eingebrachten Einfüllöffnung.
Aus der US 2010/0304213 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers für eine medizinische Vorrichtung bekannt, wobei der Energiespeicher eine Anordnung von Zellen umfasst, die in einem Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse weist eine Einfüllöffnung auf, welche eine innere Oberfläche aufweist, die Bestandteil des Gehäuses ist. Das Verfahren sieht vor, dass ein Elektrolyt durch die Einfüllöffnung in das Gehäuse eingefüllt wird und die Einfüllöffnung hermetisch abgedichtet wird, wobei eine erste Dichtung für die Einfülldichtung ohne zusätzliches Dichtmaterial gebildet wird. Ferner sieht das Verfahren vor, dass die erste Dichtung zur Abdichtung der Befüllöffnung mittels eines Dichtelementes als zweite Dichtung hermetisch abgedichtet wird. Weiterhin ist in der Offenlegungsschrift ein solcher Energiespeicher beschrieben.
Darüber hinaus ist aus der EP 0 714 142 A1 eine abgedichtete elektrische Einheit mit einer unitären Einfüllöffnung und einer Polkonstruktion bekannt. Die abgedichtete elektrische Einheit umfasst eine Flüssigkeit sowie einen metallischen Behälter, der an einem Ende offen ist und eine elektrische Anordnung enthält. Der Behälter ist als ein erster elektrischer Pol ausgeführt, wobei eine metallische Abdeckung zur Abdichtung des offenen Endes des Behälters vorgesehen ist. Die unitäre Einfüllöffnung ist an einer äußeren Fläche der elektrischen Einheit ausgebildet, wobei die äußere Fläche einen zweiten elektrischen Pol der elektrischen Einheit bildet. Dabei ist die elektrische Anordnung zu der Abdeckung des Behälter beabstandet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten elektrochemischen Energiespeicher mit einer Einfüllöffnung für ein elektrochemisch aktives Material und ein Verfahren zur Abdichtung der Einfüllöffnung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Energiespeichers durch die in Anspruch 1 oder durch die in Anspruch 2 und hinsichtlich der Abdichtung durch die in Anspruch 5 oder durch die in Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein elektrochemischer Energiespeicher umfasst ein Zellgehäuse, in welchem eine Elektrodenfolienanordnung angeordnet ist, und einen das Zellgehäuse verschließenden Zelldeckel, in welchem eine Einfüllöffnung zum Einfüllen einer elektrochemischen Substanz eingebracht ist. Erfindungsgemäß weist das Zellgehäuse zumindest eine laschenförmige Verlängerung auf, welche in Richtung einer Oberseite des Zelldeckels umgebogen ist, die Einfüllöffnung dichtend abdeckt und mit dem Zelldeckel kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden ist.
Dadurch, dass die Einfüllöffnung mittels der laschenförmigen Verlängerung des Zellgehäuses dichtend abgedeckt ist, ist in besonders vorteilhafter Weise kein separates Bauteil zum Verschließen erforderlich. Die laschenförmige Verlängerung ist in Richtung der Oberseite des Zelldeckels umgebogen, so dass die laschenförmige Verlängerung zur kraft-, form- und/oder stoffschlüssigen Befestigung derselben mit dem Zelldeckel bereits vorfixiert ist.
Ist die Einfüllöffnung für die elektrochemische Substanz in das Zellgehäuse eingebracht, kann vorgesehen sein, dass der Zelldeckel und/oder ein Bodenelement des Energiespeichers eine laschenförmige Verlängerung zum Verschließen der Einfüllöffnung aufweist, die in Richtung der Einfüllöffnung, d. h in Richtung einer Außenseite des Zellgehäuses umgebogen und mit dem Zellgehäuse kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch in einer perspektivischen Ansicht einen elektrochemischen Energiespeicher nach dem Stand der Technik,
2 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung des Energiespeichers gemäß 1,
3 schematisch eine perspektivische Ansicht des Energiespeichers gemäß 1 und 2 mit geöffneter Einfüllöffnung,
4 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Einfüllöffnung im verschlossenen Zustand nach dem Stand der Technik,
5 schematisch eine perspektivische Ansicht eines vergrößerten Ausschnittes eines Energiespeichers vor einem Verschließen der Einfüllöffnung,
6 schematisch eine perspektivische Ansicht eines vergrößerten Ausschnittes eines Energiespeichers nach einem Verschließen der Einfüllöffnung,
7 schematisch eine perspektivische Ansicht eines vergrößerten Ausschnittes eines Energiespeichers nach einem Verschließen und Verschweißen der Einfüllöffnung,
8 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Einfüllöffnung vor dem Verschließen,
9 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Einfüllöffnung nach dem Verschließen und
10 eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Einfüllöffnung nach dem Verschließen und Verschweißen.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 bis 4 zeigen einen als Rundzelle ausgeführten elektrochemischen Energiespeicher 1 nach dem Stand der Technik. Dabei zeigt 1 eine perspektivische Ansicht des Energiespeichers 1, 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung, wobei in 3 der Energiespeicher 1 mit Blindniet 2 in einer Explosionsdarstellung und in 4 eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes des Energiespeichers 1 dargestellt ist.
Der Energiespeicher 1 ist Bestandteil einer nicht gezeigten Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug, wobei der Energiespeicher 1 bevorzugt eine Lithium-Ionen-Zelle ist.
Eine solche Batterie weist eine Mehrzahl solcher Energiespeicher 1 auf, die elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind. Zudem sind eine Batterieelektronik und eine Kühlung vorgesehen, die in einem Gehäuse der Batterie angeordnet sind.
Der Energiespeicher 1 weist ein metallisches Zellgehäuse 3 auf, welches im Querschnitt eine Kreisform aufweist und in dem eine in 2 dargestellte Elektrodenfolienanordnung 4, beispielsweise in Form eines Elektrodenfolienwickels, angeordnet ist. Die Elektrodenfolienanordnung 4 ist mittels Lagen von Kathodenfolien und Anodenfolien gebildet, wobei die einzelnen Lagen mittels sogenannter Separatoren voneinander elektrisch isoliert sind. Die Kathodenfolien und Anodenfolien sind zumindest in einem Randbereich unbeschichtet und ragen aus dem Elektrodenfolienwickel heraus. Mittels eines in 2 dargestellten Kollektors 5 ist die Elektrodenfolienanordnung 4 mit elektrischen Polen 1.1 des als Rundzelle ausgeführten Energiespeichers 1 verbunden.
Das Zellgehäuse 3 ist mittels eines Zelldeckels 6, durch welchen die elektrischen Pole 1.1 des Energiespeichers 1 ebenfalls elektrisch isoliert hindurchgeführt sind, verschlossen. Insbesondere wird der Zelldeckel 6 mittels eines Schmelzschweißverfahrens an dem Zellgehäuse 3 befestigt.
Der Zelldeckel 6 weist eine u. a. in 2 gezeigte Einfüllöffnung 6.1 auf, durch welche eine nicht dargestellte elektrochemische Substanz, insbesondere ein Elektrolyt in das Zellgehäuse 3 eingefüllt wird. Nach dem Einfüllen sowie gegebenenfalls nach einem Ausgasen, z. B. bei einem erstmaligen Aufladen des Energiespeichers 1 und/oder einer Formierung, wird die Einfüllöffnung 6.1 verschlossen.
Hierzu wird gemäß dem Stand der Technik ein separates Bauteil in Form des Blindnietes 2 zum kraft- und formschlüssigen Verschließen verwendet.
Alternativ zum formschlüssigen Verschließen der Einfüllöffnung 6.1 wird ein Stopfen, ein Plättchen, eine Kugel und/oder ähnliches verwendet, wobei zum kraft- und formschlüssigen Verschließen eine Schraube mit einer Unterlegscheibe, ein Klemmkonus oder ein anderes Teil eingesetzt wird.
Da die Einfüllöffnung 6.1 des Energiespeichers 1 mittels eines separaten zusätzlichen Bauteiles verschlossen wird, sind die Kosten eines solchen Energiespeichers 1 vergleichsweise hoch und ein Montageaufwand erhöht.
Um den Einsatz eines zusätzlichen Bauteiles, beispielsweise des Blindnietes 2, im Wesentlichen zu vermeiden und dadurch die Kosten des Energiespeichers 1 verringern zu können, ist vorgesehen, die in den Zelldeckel 6 eingebrachte Einfüllöffnung 6.1 durch einen Teil des Zellgehäuses 3 abzudecken und stoffschlüssig mit dem Zelldeckel 6 zu verbinden.
Dazu ist an dem Zellgehäuse 3 eine laschenförmige Verlängerung 3.1 desselben ausgebildet, die vor dem Verschließen in vertikaler Richtung von einem oberen Rand des Zellgehäuses 3 abragt, wie in einem vergrößerten Ausschnitt eines oberen Bereiches des Energiespeichers 1 in 5 dargestellt ist.
Die laschenförmige Verlängerung 3.1 des Zellgehäuses 3 weist eine Form und derartige Abmessungen auf, dass dieselbe nach einem in Richtung einer Oberseite des Zelldeckels 6, also in Richtung der Einfüllöffnung 6.1 umgebogenen Zustand, die Einfüllöffnung 6.1 vollständig und dichtend abdeckt, wie in 6 näher gezeigt ist.
Zusätzlich ist vorgesehen, die laschenförmige Verlängerung 3.1 mittels Schmelzschweißens, vorzugsweise Strahlschweißens, z. B. Laserschweißen und/oder Elektrodenstrahlschweißen, gegebenenfalls auch Widerstandspunktschweißen, an dem Zelldeckel 6 zu befestigen. Dabei erfolgt die stoffschlüssige Befestigung derart, dass eine die laschenförmige Verlängerung 3.1 mit dem Zelldeckel 6 verbindende Schweißnaht S die Einfüllöffnung 6.1 vollständig umläuft, wie in 7 dargestellt ist, so dass die Schweißnaht S eine Kreisform aufweist.
Ist die Einfüllöffnung 6.1 alternativ in das Zellgehäuse 3 eingebracht, weist der Zelldeckel 6 und/oder ein nicht dargestelltes Bodenelement des Energiespeichers 1, welcher auch eine andere Form aufweisen kann, eine solche laschenförmige Verlängerung 3.1 auf, mittels der die Einfüllöffnung 6.1 verschließbar ist.
Mittels der laschenförmigen Verlängerung 3.1, insbesondere des Zellgehäuses 3, ist die Einfüllöffnung 6.1 in dem Zelldeckel 6 ohne Einsatz eines zusätzlichen Bauteiles, beispielsweise eines Blindnietes 2, weitestgehend fluiddicht verschließbar, wodurch ein Aufwand beim Verschließen der Einfüllöffnung 6.1 verringert werden kann.
Zudem ist das stoffschlüssige Verbinden der laschenförmigen Verlängerung 3.1 mit dem Zelldeckel 6 vereinfacht, da dieselbe nach dem Umbiegen in Richtung der Einfüllöffnung 6.1 bereits vorfixiert ist.
Die 8 und 9 zeigen jeweils eine Schnittdarstellung eines oberen Bereiches des Energiespeichers 1, wobei die laschenförmige Verlängerung 3.1 in 8 vor dem Umbiegen und in 9 nach dem Umbiegen und Verschweißen dargestellt ist.
In 10 ist eine mögliche Ausführungsform des Energiespeichers 1 mit mittels einer laschenförmigen Verlängerung 3.1 verschlossener Einfüllöffnung 6.1 in einer Schnittdarstellung gezeigt.
Bei dieser Ausführungsform ist ein die Einfüllöffnung 6.1 unmittelbar abdichtender Bereich der laschenförmigen Verlängerung 3.1 als Art Überdruckventil ausgebildet. Dazu ist in die laschenförmige Verlängerung 3.1 eine kreisförmige umlaufende lokale Schwächung B in Form einer umlaufenden Kerbe eingebracht, wobei die lokale Schwächung B als Sollbruchstelle dient.
In weiteren alternativen Ausführungsformen kann die lokale Schwächung B eine X-Form oder eine gespiegelte Y-Form aufweisen.
Die lokale Schwächung B wird in dem die Einfüllöffnung 6.1 unmittelbar abdeckenden Bereich der laschenförmigen Verlängerung 3.1 mittels Prägung bei der Herstellung des Zelldeckels 6, des Bodenelementes oder des Zellgehäuses 3 eingebracht.
Entsteht in dem Energiespeicher 1, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses und/oder einer Überladung, ein unzulässig hoher Innendruck, welcher einen vorgegebenen Wert überschreitet, bricht die als lokale Schwächung B ausgebildete Sollbruchstelle in der laschenförmigen Verlängerung 3.1 des Zellgehäuses 3 auf, so dass dieser erhöhte Innendruck gezielt abgebaut werden kann. Somit ist es möglich, das Risiko einer exothermen Kettenreaktion der Zellchemie und/oder einer Explosion des Energiespeichers 1 zumindest zu verringern.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeicher
1.1: elektrische Pole
2: Blindniet
3: Zellgehäuse
3.1: laschenförmige Verlängerung
4: Elektrodenfolienanordnung
5: Kollektor
6: Zelldeckel
6.1: Einfüllöffnung
B: lokale Schwächung
S: Schweißnaht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2010/0304213 A1 [0002]
EP 0714142 A1 [0003]

Claims

Elektrochemischer Energiespeicher (1), umfassend ein Zellgehäuse (3), in welchem eine Elektrodenfolienanordnung (4) angeordnet ist und einen das Zellgehäuse (3) verschließenden Zelldeckel (6), in welchem eine Einfüllöffnung (6.1) zum Einfüllen einer elektrochemischen Substanz eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellgehäuse (3) zumindest eine laschenförmige Verlängerung (3.1) aufweist, welche in Richtung einer Oberseite des Zelldeckels (6) umgebogen ist, die Einfüllöffnung (6.1) dichtend abdeckt und mit dem Zelldeckel (6) kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden ist.
Elektrochemischer Energiespeicher (1), umfassend ein Zellgehäuse (3), in welchem eine Elektrodenfolienanordnung (4) angeordnet ist und einen das Zellgehäuse (3) verschließenden Zelldeckel (6) und/oder ein das Zellgehäuse verschließendes Bodenelement, wobei in das Zellgehäuse (3) eine Einfüllöffnung (6.1) zum Einfüllen einer elektrochemischen Substanz eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zelldeckel (6) und/oder das Bodenelement zumindest eine laschenförmige Verlängerung (3.1) aufweisen bzw. aufweist, welche in Richtung einer Außenseite des Zellgehäuses (3) umgebogen ist, die Einfüllöffnung dichtend abdeckt und mit dem Zellgehäuse (3) kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden ist.
Elektrochemischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die laschenförmige Verlängerung (3.1) mit dem Zelldeckel (6) oder dem Zellgehäuse (3) verschweißt ist.
Elektrochemischer Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die laschenförmige Verlängerung (3.1) eine Ventingöffnung integriert ist, die sich bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes eines Innendruckes öffnet.
Verfahren zum Verschließen einer in einen Zelldeckel (6) eines elektrochemischen Energiespeichers (1) eingebrachten Einfüllöffnung (6.1) für eine elektrochemisch aktive Substanz, wobei der Energiespeicher (1) ein Zellgehäuse (3), in welchem eine Elektrodenfolienanordnung (4) angeordnet ist, aufweist und welches mittels des Zelldeckels (6) verschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Zellgehäuse (3) eine laschenförmige Verlängerung (3.1) ausgebildet wird, welche zum Verschließen der Einfüllöffnung (6.1) in Richtung einer Oberseite des Zelldeckels (6) umgebogen wird, dichtend mit der Einfüllöffnung (6.1) und kraft-, form- und/oder stoffschlüssig mit dem Zelldeckel (6) verbunden wird.
Verfahren zum Verschließen einer in ein Zellgehäuse (3) eines elektrochemischen Energiespeichers (1) eingebrachten Einfüllöffnung (6.1) für eine elektrochemisch aktive Substanz, wobei der Energiespeicher (1) das Zellgehäuse (3), in welchem eine Elektrodenfolienanordnung (4) angeordnet ist, aufweist, welches mittels des Zelldeckels (6) und/oder eines Bodenelementes verschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Zelldeckel (6) und/oder Bodenelement eine laschenförmige Verlängerung (3.1) ausgebildet wird, welche zum Verschließen der Einfüllöffnung (6.1) in Richtung einer Außenseite des Zellgehäuses (3) umgebogen wird, dichtend mit der Einfüllöffnung (6.1) und kraft-, form- und/oder stoffschlüssig mit dem Zellgehäuse (3) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die laschenförmige Verlängerung (3.1) mit dem Zelldeckel (6) oder dem Zellgehäuse (3) verschweißt wird.