DE102012018128A1

DE102012018128A1 - Einzelzelle, Batterie und Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle

Info

Publication number: DE102012018128A1
Application number: DE201210018128
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 eine Einzelzelle (1) für eine Batterie (B), umfassend ein Zellgehäuse (5), in welchem eine Elektrodenfolienanordnung (3) und zumindest ein elastisches Element (2) angeordnet sind, wobei durch das zumindest eine elastische Element (2) die Elektrodenfolienanordnung (3) gegen zumindest eine Gehäusewand (5.1) des Zellgehäuses (5) gepresst ist. Erfindungsgemäß ist das zumindest eine elastische Element (2) als ein fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper (6) ausgebildet oder weist zumindest einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper (6) auf. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie (B) und ein Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8 und ein Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der DE 33 21 129 A1 beschrieben, eine Nichtwässrigelektrolytbatterie vom elliptischen Säulentyp bekannt. Die Batterie umfasst eine Spiralelektrodenanordnung vom elliptischen Säulentyp, welche durch Wickeln von positiven und negativen Elektrodenplatten, die mittels eines Trenners getrennt sind, ausgebildet wird. Des Weiteren umfasst die Batterie ein elastisches Teil, das im Zentrum der Elektrodenanordnung positioniert ist und diese Elektrodenanordnung normalerweise vom Zentrum her nach den Auswärtsrichtungen der Teile von größerem und kleinerem Radius ausspannt, indem es beim Wickeln der spiralförmigen Elektrodenanordnung elastisch zusammengedrückt wird, so dass es letztere nach dem Wickeln durch seine elastische Rückstellkraft nach allen Radialrichtungen des Spiralquerschnitts nach außen drückt.
In der DE 30 00 469 C2 wird ein zylindrisches elektrochemisches Element beschrieben. Die positive Elektrode dieses elektrochemischen Elementes steht mit der Außenwand in Verbindung und ist von der negativen Elektrode durch einen porösen Separator getrennt. Die negative Elektrode besteht aus einer um einen Stromkollektor herumgewickelte Metallfolie mit einem stark negativen Potential. Der Kollektor weist die Form eines Rohres auf, das parallel zur Achse aufgeschnitten und elastisch verformbar ist. Mindestens die beiden in der Nähe der Schnittlinie liegenden Rohrteile des Kollektors sind komplementär ausgeschnitten, so dass sie ineinandergreifen, indem die vorspringenden Bereiche des einen Rohrteiles in die Einschnittbereiche des anderen Rohrteiles zu liegen kommen. Die Metallfolie, welche die negative Elektrode bildet, ist durch mindestens einen parallel zur Zylinderachse verlaufenden Schnitt in mindestens zwei Teile unterteilt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Einzelzelle für eine Batterie, eine verbesserte Batterie und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle für eine Batterie anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Einzelzelle für eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und ein Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle für eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Einzelzelle für eine Batterie, d. h. für einen elektrochemischen Energiespeicher und/oder Energiewandler, umfasst ein Zellgehäuse, in welchem eine Elektrodenfolienanordnung und zumindest ein elastisches Element angeordnet sind, wobei durch das zumindest eine elastische Element die Elektrodenfolienanordnung gegen zumindest eine Gehäusewand des Zellgehäuses gepresst ist.
Erfindungsgemäß ist das zumindest eine elastische Element als ein fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper ausgebildet oder weist zumindest einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper auf.
Die Elektrodenfolienanordnung ist durch Lagen aus Kathodenfolien und Anodenfolien, d. h. bei einer Lithium-Ion-Zellchemie aus Lagen beschichteter Aluminiumfolien und Kupferfolien, gebildet, die jeweils durch Lagen eines Separators getrennt sind. Dabei sind beispielsweise einzelne Blätter aus Kathodenfolien, Anodenfolien und Separatoren gestapelt oder es sind Bänder aus diesen gewickelt, vorzugsweise flachgewickelt, oder ein bandförmig ausgebildeter Separator ist in Z-Form gefaltet und die Kathodenfolienblätter bzw. Anodenfolienblätter sind seitlich in sich durch die Z-Form bildende Taschen eingeschoben. Die Anodenfolien und Kathodenfolien sind an mindestens einem Rand unbeschichtet und ragen aus der Elektrodenfolienanordnung in Form von Stromableiterfahnen heraus, die mit entsprechenden Bauteilen zur Stromabgabe bzw. -einleitung an einer Gehäuseaußenseite verbunden sind.
Für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Einzelzelle ist die Elektrodenfolienanordnung mit einer vorgegebenen Kraft zu verpressen, damit beispielsweise ein erforderlicher Abstand der Kathodenfolien, Anodenfolien und Separatoren zueinander in der Elektrodenfolienanordnung eingestellt ist. Bei einem Befüllen der Einzelzelle mit einem Elektrolyt, bei einer Formierung der Einzelzelle sowie in Abhängigkeit von einem Ladezustand und einem Alterungszustand der Einzelzelle sowie in Abhängigkeit von einer Temperatur der Einzelzelle ändert sich eine Dicke der Elektrodenfolienanordnung.
Durch das zumindest eine elastische Element, welches als ein fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper ausgebildet ist oder zumindest einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper aufweist, sind derartige Dickenänderungen der Elektrodenfolienanordnung auf einfache und kostengünstige Weise zu kompensieren. Das elastische Element verpresst die Elektrodenfolienanordnung in der Einzelzelle auf vorgegebene Weise nach dem Prinzip einer Gasfeder oder Luftfeder. Dabei ist eine Federrate und eine Dicke des elastischen Elementes und dadurch eine Presswirkung auf die Elektrodenfolienanordnung durch eine entsprechende Ausbildung des elastischen Elementes und/oder durch eine Befüllung des elastischen Elementes mit einer vorgegebenen Menge eines Gases, beispielsweise Luft, getrocknete Luft oder ein Inertgas, zum Beispiel Stickstoff oder Argon, vorzugeben und dadurch auf einfache Weise hinreichend genau einzustellen. Dabei ist für das derart ausgebildete elastische Element nur ein sehr geringer Bauraum in der Einzelzelle erforderlich, so dass die Einzelzelle gegenüber anderen, aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen kompakter auszubilden ist.
Das elastische Element ermöglicht im Vergleich zu anderen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, beispielsweise elastischen Zellgehäusen, welche jedoch nur bei relativ geringen Dickenänderungen der Elektrodenfolienanordnung und nur bei flachen Einzelzellen einsetzbar sind, einen Ausgleich auch größerer Dickenänderungen der Elektrodenfolienanordnung in der Einzelzelle. Eine andere aus dem Stand der Technik bekannte Lösung ist ein Einsatz eines Vlieses. Diese Vliese führen jedoch zu einem wesentlich höheren Bauraumbedarf als bei der erfindungsgemäßen Lösung, da nur ein Teil einer Dicke des Vlieses zur Kompensation der Dickenänderungen der Elektrodenfolienanordnung zur Verfügung steht, denn ein möglicher Kompensationsweg des Vlieses entspricht der Differenz aus einer Dicke des Vlieses in einem unverpressten Zustand und einer Dicke des Vlieses in einem vollständig verpressten Zustand. Derartige Vliese neigen zudem unter Einwirkung einer Druckkraft zum Setzen, d. h. zu einer plastischen Verformung, woraus eine Reduzierung einer von dem Vlies auf die Elektrodenfolienanordnung einwirkenden Presskraft resultiert. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Lösung mit dem elastischen Element, welches zumindest einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper aufweist oder als ein derartiger fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper ausgebildet ist, nicht der Fall. Des Weiteren saugen sich derartige aus dem Stand der Technik bekannte Vliese mit Elektrolyt voll, so dass eine größere Menge Elektrolyt in der Einzelzelle erforderlich ist. Dies führt zu einem höheren Gewicht der aus dem Stand der Technik bekannten Einzelzelle gegenüber der erfindungsgemäß ausgebildeten Einzelzelle.
Die geschilderten Nachteile des Standes der Technik bezüglich der plastischen Verformung des elastischen Elementes im Verlauf einer Lebensdauer der Einzelzelle mit einem daraus resultierenden Presskraftverlust auf die Elektrodenfolienanordnung, bezüglich des Hineinlaufens von Elektrolyt in einen von dem elastischen Element umschlossenen Innenraum, welches dann nicht effektiv von der Einzelzelle zur elektrochemischen Energiespeicherung und/oder -wandlung zu nutzen ist und ein höheres Gewicht der Einzelzelle bedeutet, sowie bezüglich eines großen erforderlichen Bauraums treffen auch auf das aus dem Stand der Technik bekannte, als gebogenes Metallteil ausgebildete elastische Element zu.
Die Einzelzelle ist vorteilhafterweise als eine Flachzelle ausgebildet, beispielsweise als eine so genannte Hardcase-Zelle, bei welcher ein elektrochemisch aktiver Inhalt, d. h. insbesondere die Elektrodenfolienanordnung und ein Elektrolyt, von einem im Wesentlichen starren und größtenteils metallischen Zellgehäuse umgeben ist. Diese Hardcase-Zellen können beispielsweise als bipolare Rahmenflachzellen oder als so genannte prismatische Hardcase-Zellen ausgebildet sein.
Zweckmäßigerweise ist das zumindest eine elastische Element aus Kunststoff ausgebildet, insbesondere aus einem elektrolytbeständigen Kunststoff, beispielsweise aus Polypropylen (PP) oder Polyethylenterephthalat (PET). Dadurch ist eine Beschädigung des elastischen Elementes durch den Elektrolyten vermieden, so dass die durch das elastische Element auf die Elektrodenfolienanordnung wirkende Presskraft über eine gesamte Lebensdauer der Einzelzelle sichergestellt ist.
Das elastische Element ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform als ein kissenartiger Hohlkörper ausgebildet. Dies ist eine besonders Bauraum sparende Lösung. Das elastische Element ist in dieser Ausführungsform beispielsweise aus einem Schlauch ausgebildet, welcher eine geringe Wandstärke aufweist. Nach dem Befüllen mit dem Gas sind Enden des Schlauchs stoff-, form- und/oder kraftschlüssig zu verschließen, bevorzugt zu verschweißen. Auf diese Weise ist das elastische Element einteilig ausgebildet und weist lediglich zwei Verschlussstellen auf, welche vorzugsweise durch Verschweißen zu verschließen sind. Dies ermöglicht ein besonders stabiles und fluiddichtes elastisches Element. Alternativ ist das elastische Element in dieser Ausführungsform beispielsweise durch zwei aufeinander angeordnete und an umlaufenden Seitenrändern stoff-, form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbundene, bevorzugt miteinander verschweißte Folien auszubilden, wobei ein vollständiger Verschluss natürlich erst nach dem Befüllen mit dem Gas erfolgt. Eine weitere Möglichkeit der Ausbildung des elastischen Elementes dieser Ausführungsform ist ein gezieltes Falten einer Folie derart, dass diese einen Hohlraum umschließt. Diese gefaltete Folie ist dann an drei Seiten stoff-, form- und/oder kraftschlüssig zu verschließen, beispielsweise durch verschweißen. Eine vierte Seite ist durch das Falten der Folie bereits verschlossen. Das vollständige Verschließen erfolgt natürlich auch hier erste nach dem Befüllen mit dem Gas. Auch dieses elastische Element ist einteilig ausgebildet, so dass ein besonders stabiles und fluiddichtes elastisches Element ermöglicht ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das zumindest eine elastische Element aus einem geschlossenporigen Schaumstoff ausgebildet. Bei diesem Schaumstoff bilden dessen geschlossene Poren oder Blasen, in welchen jeweils ein Gas eingeschlossen ist, jeweils einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper, d. h. das elastische Element weist dann eine Mehrzahl fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper auf. Der geschlossenporige Schaumstoff ist zweckmäßigerweise ein aufgeschäumter und dadurch elastischer Kunststoff, beispielsweise Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polyurethan (PU) oder Polystyrol (PS). Das Gas in den Poren oder Blasen des Schaumstoffs bildet sich bereits während einer Herstellung des Schaumstoffs, d. h. während eines Aufschäumens des Kunststoffs, durch eine chemische Reaktion und/oder wird dem Kunststoff während der Herstellung des Schaumstoffs zugesetzt, um den Kunststoff aufzuschäumen.
Vorzugsweise entspricht eine flächige Ausdehnung des zumindest einen elastischen Elementes im Wesentlichen einer flächigen Ausdehnung zumindest von Anoden und/oder Kathoden der Elektrodenfolienanordnung oder einer flächigen Ausdehnung der gesamten Elektrodenfolienanordnung, d. h. auch von Bereichen, welche nicht als Anoden oder Kathoden verwendet werden. Auf diese Weise deckt das elastische Element eine gesamte Fläche der Elektrodenfolienanordnung oder zumindest eine gesamte Fläche der Anoden und/oder Kathoden ab, so dass eine gleichmäßige vollflächige Presswirkung des elastischen Elementes auf die Elektrodenfolienanordnung erreicht ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass vorgegebene Abstände zwischen den Lagen der Anodenfolien, Kathodenfolien und Separatoren während einer gesamten Lebensdauer der Einzelzelle einhaltbar sind und über eine gesamte flächige Ausdehnung der Elektrodenfolienanordnung konstant sind. Dies ermöglicht eine optimale Funktion der Einzelzelle.
Bevorzugt ist das zumindest eine elastische Element in der Elektrodenfolienanordnung angeordnet. Es ist zwar auch möglich, das zumindest eine elastische Element zwischen dem Zellgehäuse und der Elektrodenfolienanordnung anzuordnen, insbesondere bei Einzelzellen, bei welchen das Zellgehäuse oder zumindest Teile des Zellgehäuses metallisch ausgebildet sind und aufgrund einer daraus resultierenden guten Wärmeleitfähigkeit einer Temperierung der Einzelzelle dienen, d. h. einer Kühlung und/oder Beheizung der Einzelzelle, ist die Ausführungsform, in welcher das zumindest eine elastische Element in der Elektrodenfolienanordnung angeordnet ist, jedoch besonders vorteilhaft, da bei dieser Ausführungsform die Elektrodenfolienanordnung möglichst großflächig mittels des elastischen Elementes gegen das Zellgehäuse, d. h. gegen eine oder mehrere Gehäusewände des Zellgehäuses gepresst ist, so dass dadurch eine Wärmeübertragung von der Elektrodenfolienanordnung auf das Zellgehäuse, um Wärme aus der Einzelzelle abzuführen, oder vom Zellgehäuse auf die Elektrodenfolienanordnung, um Wärme aufzunehmen, optimiert ist.
Da das elastische Element in der Elektrodenfolienanordnung und nicht zwischen der Elektrodenfolienanordnung und dem Zellgehäuse angeordnet ist, sind keine Bereiche des Zellgehäuses durch das elastische Element verdeckt, d. h. es ist kein Bereich des Zellgehäuses durch das elastische Element gegenüber der Elektrodenfolienanordnung thermisch isoliert. Um mittels des zumindest einen elastischen Elementes eine optimal verteilte Presskraft auf die Elektrodenfolienanordnung auszuüben, ist das zumindest eine elastische Element vorzugsweise mittig in der Elektrodenfolienanordnung angeordnet, so dass in alle Richtungen oder zumindest in den Richtungen von Normalenvektoren von durch die Anoden und Kathoden aufgespannten Flächen, d. h. senkrecht zu diesen Flächen und in Richtung des Zellgehäuses, die gleiche Presskraft auf die Anodenfolien, Kathodenfolien und Separatoren einwirkt und diese gleichmäßig in Richtung des Zellgehäuses verpresst.
Vorzugsweise weist eine Hülle des zumindest einen elastischen Elementes eine Diffusionssperrschicht auf. Die Diffusionssperrschicht ist zweckmäßigerweise aus Metall ausgebildet, zum Beispiel als eine Metallbeschichtung oder eine Metallfolie, beispielsweise aus Aluminium, welche in die Hülle eingebracht oder auf die Hülle aufgebracht ist, d. h. auf eine Innenseite und/oder Außenseite der Hülle. Bei der Ausführungsform des als kissenartiger Hohlkörper ausgebildeten elastischen Elementes ist beispielsweise die Metallfolie, zum Beispiel Aluminiumfolie, in eine Kunststofffolie zur Ausbildung des kissenartigen Hohlkörpers einlaminiert und/oder auf eine Innenseite oder Außenseite der Kunststofffolie auflaminiert oder die Kunststofffolie ist auf der Innenseite und/oder Außenseite mit Metall beschichtet. Bei der Ausführungsform des aus dem geschlossenporigen Schaumstoff ausgebildeten elastischen Elementes kann beispielsweise eine äußere Oberfläche des elastischen Elementes mit Metall beschichtet sein oder mit einer Metallfolie umhüllt sein. Auch Diffusionssperrschichten aus einem anderen Material sind möglich.
Vorteilhafterweise ist ein Innendruck im Zellgehäuse geringer als ein Umgebungsdruck der Einzelzelle. D. h. ein Zellinneres der Einzelzelle weist einen Unterdruck auf. Dies ist beispielsweise durch ein so genanntes Evakuieren der Einzelzelle vor einem fluiddichten, insbesondere gasdichten Verschließen des Zellgehäuses zu erreichen. Hierbei sind Gase, beispielsweise Luft, aus Hohlräumen der Einzelzelle abzusaugen, welche nach einem Befüllen des Gehäuses mit allen Bestandteilen, d. h. insbesondere mit der Elektrodenfolienanordnung und dem Elektrolyt, zunächst noch in der Einzelzelle verbleiben. Durch diesen Unterdruck bzw. durch einen Überdruck in der äußeren Umgebung der Einzelzelle ist ein Gegendruck durch das Zellgehäuse ermöglicht, welcher dem durch das zumindest eine elastische Element ausgeübten Druck bzw. der Presskraft des zumindest einen elastischen Elementes auf die Elektrodenfolienanordnung entgegenwirkt, so dass die Elektrodenfolienanordnung auf vorgegebene Weise verpresst ist.
Der Unterdruck im Zellgehäuse bzw. der Überdruck in der Umgebung des Zellgehäuses gegenüber einem Innenraum im Zellgehäuse zieht bzw. drückt Gehäusewände des Zellgehäuses nach innen, in Richtung der Elektrodenfolienanordnung, und erhöht auf diese Weise deren Steifigkeit. Dieses Evakuieren der Einzelzelle ist besonders vorteilhaft, wenn das Zellgehäuse nicht ausreichend steif ist, so dass es sich durch die Presskraft des zumindest einen elastischen Elementes plastisch und/oder elastisch verformen würde, d. h. der Presskraft nachgeben würde und sich nach außen verformen würde. Einer derartigen Verformung nach außen wirkt der Unterdruck im Zellgehäuse und der daraus resultierende Überdruck einer äußeren Umgebung des Zellgehäuses, welcher auf das Zellgehäuse einwirkt, entgegen, so dass sich das Zellgehäuse nicht verformt oder sich nach innen verformt, in Richtung der Elektrodenfolienanordnung.
Eine erfindungsgemäße Batterie, d. h. ein erfindungsgemäßer elektrochemischer Energiespeicher und/oder Energiewandler, umfasst zumindest einen Zellverbund mit einer Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter derartiger Einzelzellen. Die Batterie ist vorzugsweise eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Batterie für ein Hybridfahrzeug, für ein Brennstoffzellenfahrzeug oder für ein Elektrofahrzeug. Die Batterie ist zweckmäßigerweise eine so genannte Hochvoltbatterie. Die zur erfindungsgemäßen Einzelzelle geschilderten Vorteile treffen, da die Batterie eine Mehrzahl derartiger Einzelzellen aufweist, ebenfalls auf die Batterie zu. Insbesondere ist durch die Einzelzellen, welche jeweils zumindest ein derartiges elastisches Element aufweisen, eine Gewichtsreduktion und Größenreduktion der Batterie sowie eine verbesserte Funktion der Batterie erreicht.
Vorzugsweise sind die Einzelzellen im Zellverbund miteinander verspannt oder verpresst. Dies kann beispielsweise mittels Spannbändern, Zugankern und/oder anderer Spanneinrichtungen erfolgen. Zu einem optimalen Verspannen weist der Zellverbund beispielsweise Druckbrillen an dessen Stirnseiten auf, welche dann mittels derartiger Spannbänder, Zuganker und/oder anderer Spannmittel gegeneinander zu verspannen sind, wodurch die dazwischen angeordneten Einzelzellen des Zellverbundes miteinander verpresst sind. Dabei stützen sich die Einzelzellen beispielsweise entweder direkt oder über Zwischenwände und/oder Abstandshalter, so genannte Spacer, an benachbarten Einzelzellen ab. Auf diese Weise ist, analog zu dem Unterdruck in der Einzelzelle und dem daraus resultierenden Überdruck einer äußeren Umgebung auf die Einzelzelle, eine Abstützung der Zellgehäuse der Einzelzellen gegen eine plastische und/oder elastische Verformung nach außen erreicht, so dass die Zellgehäuse der Presskraft des zumindest einen elastischen Elementes in der jeweiligen Einzelzelle nicht nachgeben und eine optimale Presswirkung auf die Elektrodenfolienanordnung erreicht ist.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer derartigen Einzelzelle werden eine Elektrodenfolienanordnung und zumindest ein elastisches Element, welches als ein fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper ausgebildet ist oder zumindest einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper aufweist, in einem Zellgehäuse derart angeordnet, dass durch das zumindest eine elastische Element die Elektrodenfolienanordnung gegen zumindest eine Gehäusewand des Zellgehäuses gepresst wird.
Die Elektrodenfolienanordnung wird durch Lagen aus Kathodenfolien und Anodenfolien, d. h. bei einer Lithium-Ion-Zellchemie aus Lagen beschichteter Aluminiumfolien und Kupferfolien, gebildet, die jeweils durch Lagen eines Separators getrennt werden. Dabei werden beispielsweise einzelne Blätter aus Kathodenfolien, Anodenfolien und Separatoren gestapelt oder es werden Bänder aus diesen gewickelt, vorzugsweise flachgewickelt, oder ein bandförmig ausgebildeter Separator wird in Z-Form gefaltet und die Kathodenfolienblätter bzw. Anodenfolienblätter werden seitlich in sich durch die Z-Form bildende Taschen eingeschoben. Die Anodenfolien und Kathodenfolien werden an mindestens einem Rand unbeschichtet belassen und derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass sie aus der Elektrodenfolienanordnung in Form von Stromableiterfahnen herausragen, die mit entsprechenden Bauteilen zur Stromabgabe bzw. -einleitung an einer Gehäuseaußenseite verbunden werden.
Für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Einzelzelle wird die Elektrodenfolienanordnung mit einer vorgegebenen Kraft verpresst, so dass beispielsweise ein erforderlicher Abstand der Kathodenfolien, Anodenfolien und Separatoren zueinander in der Elektrodenfolienanordnung eingestellt wird. Bei einem Befüllen der Einzelzelle mit einem Elektrolyt, bei einer Formierung der Einzelzelle sowie in Abhängigkeit von einem Ladezustand und einem Alterungszustand der Einzelzelle sowie in Abhängigkeit von einer Temperatur der Einzelzelle ändert sich eine Dicke der Elektrodenfolienanordnung.
Durch das zumindest eine elastische Element, welches als ein fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper ausgebildet ist oder zumindest einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper aufweist, sind derartige Dickenänderungen der Elektrodenfolienanordnung auf einfache und kostengünstige Weise zu kompensieren. Das elastische Element verpresst die Elektrodenfolienanordnung in der Einzelzelle auf vorgegebene Weise nach dem Prinzip einer Gasfeder oder Luftfeder. Dabei wird eine Federrate und eine Dicke des elastischen Elementes und dadurch eine Presswirkung auf die Elektrodenfolienanordnung durch eine entsprechende Ausbildung des elastischen Elementes und/oder durch eine Befüllung des elastischen Elementes mit einer vorgegebenen Menge eines Gases, beispielsweise Luft, getrocknete Luft oder ein Inertgas, zum Beispiel Stickstoff oder Argon, vorgegeben und dadurch auf einfache Weise hinreichend genau eingestellt. Diese Befüllung des elastischen Elementes mit dem Gas muss mit einer geeigneten Einrichtung durchgeführt werden, um die in dem zumindest einen Hohlkörper des elastischen Elementes eingeschlossene Gasmenge und dadurch die Federrate und Dicke des elastischen Elementes hinreichend genau vorzugeben. Die Einrichtung, beispielsweise ein Kompressor oder ein Druckgasbehälter, muss zumindest eine Füllmengen- und/oder Druckermittlungseinheit zur Ermittlung einer Menge und/oder eines Drucks des Gases im Hohlkörper aufweisen. Für das derart ausgebildete elastische Element ist nur ein sehr geringer Bauraum in der Einzelzelle erforderlich, so dass die Einzelzelle gegenüber anderen, aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen kompakter ausgebildet werden kann.
Das elastische Element ermöglicht im Vergleich zu anderen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, beispielsweise elastischen Zellgehäusen, welche jedoch nur bei relativ geringen Dickenänderungen der Elektrodenfolienanordnung und nur bei flachen Einzelzellen einsetzbar sind, einen Ausgleich auch größerer Dickenänderungen der Elektrodenfolienanordnung in der Einzelzelle. Eine andere aus dem Stand der Technik bekannte Lösung ist ein Einsatz eines Vlieses. Diese Vliese führen jedoch zu einem wesentlich höheren Bauraumbedarf als bei der erfindungsgemäßen Lösung, da nur ein Teil einer Dicke des Vlieses zur Kompensation der Dickenänderungen der Elektrodenfolienanordnung zur Verfügung steht, denn ein möglicher Kompensationsweg des Vlieses entspricht der Differenz aus einer Dicke des Vlieses in einem unverpressten Zustand und einer Dicke des Vlieses in einem vollständig verpressten Zustand. Derartige Vliese neigen zudem unter Einwirkung einer Druckkraft zum Setzen, d. h. zu einer plastischen Verformung, woraus eine Reduzierung einer von dem Vlies auf die Elektrodenfolienanordnung einwirkenden Presskraft resultiert. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Lösung mit dem elastischen Element, welches zumindest einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper aufweist oder als ein derartiger fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper ausgebildet ist, nicht der Fall. Des Weiteren saugen sich derartige aus dem Stand der Technik bekannte Vliese mit Elektrolyt voll, so dass eine größere Menge Elektrolyt in der Einzelzelle erforderlich ist. Dies führt zu einem höheren Gewicht der aus dem Stand der Technik bekannten Einzelzelle gegenüber der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildeten Einzelzelle.
Die geschilderten Nachteile des Standes der Technik bezüglich der plastischen Verformung des elastischen Elementes im Verlauf einer Lebensdauer der Einzelzelle mit einem daraus resultierenden Presskraftverlust auf die Elektrodenfolienanordnung, bezüglich des Hineinlaufens von Elektrolyt in einen von dem elastischen Element umschlossenen Innenraum, welches dann nicht effektiv von der Einzelzelle zur elektrochemischen Energiespeicherung und/oder -wandlung zu nutzen ist und ein höheres Gewicht der Einzelzelle bedeutet, sowie bezüglich eines großen erforderlichen Bauraums treffen auch auf das aus dem Stand der Technik bekannte, als gebogenes Metallteil ausgebildete elastische Element zu.
Zweckmäßigerweise wird das zumindest eine elastische Element vor dem Anordnen im Zellgehäuse aus Kunststoff ausgebildet, insbesondere aus einem elektrolytbeständigen Kunststoff, beispielsweise aus Polypropylen (PP) oder Polyethylenterephthalat (PET). Dadurch wird eine Beschädigung des elastischen Elementes durch den Elektrolyten vermieden, so dass die durch das elastische Element auf die Elektrodenfolienanordnung wirkende Presskraft über eine gesamte Lebensdauer der Einzelzelle sichergestellt wird.
Das elastische Element wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform als ein kissenartiger Hohlkörper ausgebildet. Dies ist eine besonders Bauraum sparende Lösung. Das elastische Element wird in dieser Ausführungsform beispielsweise aus einem Schlauch ausgebildet, welcher eine geringe Wandstärke aufweist. Nach dem Befüllen mit dem Gas werden Enden des Schlauchs stoff-, form- und/oder kraftschlüssig verschlossen, bevorzugt verschweißt. Auf diese Weise wird das elastische Element einteilig ausgebildet und weist lediglich zwei Verschlussstellen auf, welche vorzugsweise durch Verschweißen verschlossen werden. Dies ermöglicht ein besonders stabiles und fluiddichtes elastisches Element. Alternativ wird das elastische Element in dieser Ausführungsform beispielsweise durch zwei aufeinander angeordnete Folien ausgebildet, welche an umlaufenden Seitenrändern stoff-, form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden werden, bevorzugt miteinander verschweißt werden, wobei ein vollständiger Verschluss natürlich erst nach dem Befüllen mit dem Gas erfolgt. Eine weitere Möglichkeit der Ausbildung des elastischen Elementes dieser Ausführungsform ist es, eine Folie derart gezielt zu falten, dass diese einen Hohlraum umschließt. Diese gefaltete Folie wird dann an drei Seiten stoff-, form- und/oder kraftschlüssig verschlossen, beispielsweise verschweißt. Eine vierte Seite wird bereits durch das Falten der Folie verschlossen. Das vollständige Verschließen erfolgt natürlich auch hier erst nach dem Befüllen mit dem Gas. Auch dieses elastische Element wird einteilig ausgebildet, so dass ein besonders stabiles und fluiddichtes elastisches Element ermöglicht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das zumindest eine elastische Element aus einem geschlossenporigen Schaumstoff ausgebildet. Bei diesem Schaumstoff bilden dessen geschlossene Poren oder Blasen, in welchen jeweils ein Gas eingeschlossen ist, jeweils einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper, d. h. das elastische Element weist dann eine Mehrzahl fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper auf. Der geschlossenporige Schaumstoff ist zweckmäßigerweise ein aufgeschäumter Kunststoff, beispielsweise Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polyurethan (PU) oder Polystyrol (PS). Das Gas in den Poren oder Blasen des Schaumstoffs bildet sich bereits während einer Herstellung des Schaumstoffs, d. h. während eines Aufschäumens des Kunststoffs, durch eine chemische Reaktion und/oder wird dem Kunststoff während der Herstellung des Schaumstoffs zugesetzt, um den Kunststoff aufzuschäumen.
Bevorzugt wird das zumindest eine elastische Element in der Elektrodenfolienanordnung angeordnet. Es ist zwar auch möglich, das zumindest eine elastische Element zwischen dem Zellgehäuse und der Elektrodenfolienanordnung anzuordnen, insbesondere bei Einzelzellen, bei welchen das Zellgehäuse oder zumindest Teile des Zellgehäuses metallisch ausgebildet sind und aufgrund einer daraus resultierenden guten Wärmeleitfähigkeit einer Temperierung der Einzelzelle dienen, d. h. einer Kühlung und/oder Beheizung der Einzelzelle, ist die Ausführungsform, in welcher das zumindest eine elastische Element in der Elektrodenfolienanordnung angeordnet wird, jedoch besonders vorteilhaft, da bei dieser Ausführungsform die Elektrodenfolienanordnung möglichst großflächig mittels des elastischen Elementes gegen das Zellgehäuse, d. h. gegen eine oder mehrere Gehäusewände des Zellgehäuses gepresst wird, so dass dadurch eine Wärmeübertragung von der Elektrodenfolienanordnung auf das Zellgehäuse, um Wärme aus der Einzelzelle abzuführen, oder vom Zellgehäuse auf die Elektrodenfolienanordnung, um Wärme aufzunehmen, optimiert wird.
Da das elastische Element in der Elektrodenfolienanordnung und nicht zwischen der Elektrodenfolienanordnung und dem Zellgehäuse angeordnet wird, werden keine Bereiche des Zellgehäuses durch das elastische Element verdeckt, d. h. es wird kein Bereich des Zellgehäuses durch das elastische Element gegenüber der Elektrodenfolienanordnung thermisch isoliert. Um mittels des zumindest einen elastischen Elementes eine optimal verteilte Presskraft auf die Elektrodenfolienanordnung auszuüben, wird das zumindest eine elastische Element vorzugsweise mittig in der Elektrodenfolienanordnung angeordnet, so dass in alle Richtungen oder zumindest in den Richtungen von Normalenvektoren von durch die Anoden und Kathoden aufgespannten Flächen, d. h. senkrecht zu diesen Flächen und in Richtung des Zellgehäuses, die gleiche Presskraft auf die Anodenfolien, Kathodenfolien und Separatoren einwirkt und diese gleichmäßig in Richtung des Zellgehäuses verpresst.
Vorzugsweise wird auf und/oder in einer Hülle des zumindest einen elastischen Elementes eine Diffusionssperrschicht angeordnet oder ausgebildet. Die Diffusionssperrschicht wird zweckmäßigerweise aus Metall ausgebildet, zum Beispiel als eine Metallbeschichtung oder eine Metallfolie, beispielsweise aus Aluminium, welche in die Hülle eingebracht oder auf die Hülle aufgebracht wird, d. h. auf eine Innenseite und/oder Außenseite der Hülle. Bei der Ausführungsform des als kissenartiger Hohlkörper ausgebildeten elastischen Elementes wird beispielsweise die Metallfolie, zum Beispiel Aluminiumfolie, in eine Kunststofffolie zur Ausbildung des kissenartigen Hohlkörpers einlaminiert und/oder auf eine Innenseite oder Außenseite der Kunststofffolie auflaminiert oder die Kunststofffolie wird auf der Innenseite und/oder Außenseite mit Metall beschichtet. Bei der Ausführungsform des aus dem geschlossenporigen Schaumstoff ausgebildeten elastischen Elementes kann beispielsweise eine äußere Oberfläche des elastischen Elementes mit Metall beschichtet werden oder mit einer Metallfolie umhüllt werden. Auch Diffusionssperrschichten aus einem anderen Material sind möglich.
Vorteilhafterweise wird die Einzelzelle vor einem fluiddichten, insbesondere gasdichten, Verschließen des Zellgehäuses evakuiert, so dass ein Innendruck im Zellgehäuse geringer als ein Umgebungsdruck der Einzelzelle ist. D. h. ein Zellinneres der Einzelzelle weist dann einen Unterdruck auf. Hierbei werden Gase, beispielsweise Luft, aus Hohlräumen der Einzelzelle abgesaugt, welche nach einem Befüllen des Gehäuses mit allen Bestandteilen, d. h. insbesondere mit der Elektrodenfolienanordnung und dem Elektrolyt, zunächst noch in der Einzelzelle verblieben sind. Durch diesen Unterdruck bzw. durch einen Überdruck in der äußeren Umgebung der Einzelzelle wird ein Gegendruck durch das Zellgehäuse erzeugt, welcher dem durch das zumindest eine elastische Element ausgeübten Druck bzw. der Presskraft des zumindest einen elastischen Elementes auf die Elektrodenfolienanordnung entgegenwirkt, so dass die Elektrodenfolienanordnung auf vorgegebene Weise verpresst wird. Der Unterdruck im Zellgehäuse bzw. der Überdruck in der Umgebung des Zellgehäuses gegenüber einem Innenraum im Zellgehäuse zieht bzw. drückt Gehäusewände des Zellgehäuses nach innen, in Richtung der Elektrodenfolienanordnung, und erhöht auf diese Weise deren Steifigkeit. Dieses Evakuieren der Einzelzelle ist besonders vorteilhaft, wenn das Zellgehäuse nicht ausreichend steif ist, so dass es sich durch die Presskraft des zumindest einen elastischen Elementes plastisch und/oder elastisch verformen würde, d. h. der Presskraft nachgeben würde und sich nach außen verformen würde. Einer derartigen Verformung nach außen wirkt der Unterdruck im Zellgehäuse und der daraus resultierende Überdruck einer äußeren Umgebung des Zellgehäuses, welcher auf das Zellgehäuse einwirkt, entgegen, so dass sich das Zellgehäuse nicht verformt oder sich nach innen verformt, in Richtung der Elektrodenfolienanordnung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Explosionsdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Einzelzelle für eine Batterie,
2 schematisch eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Einzelzelle für eine Batterie,
3 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Elektrodenfolienanordnung einer ersten Ausführungsform einer Einzelzelle für eine Batterie,
4 schematisch eine Querschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Einzelzelle für eine Batterie,
5 schematisch eine Längsschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Einzelzelle für eine Batterie,
6 schematisch eine Ausschnittvergrößerung einer Längsschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Einzelzelle für eine Batterie im Bereich von Stromableiterfahnen einer Polarität,
7 schematisch eine perspektivische Darstellung eines elastischen Elementes,
8 schematisch eine Querschnittdarstellung eines elastischen Elementes,
9 schematisch eine Längsschnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Einzelzelle für eine Batterie,
10 schematisch eine Ausschnittvergrößerung einer Längsschnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Einzelzelle für eine Batterie im Bereich von Stromableiterfahnen einer Polarität,
11 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Elektrodenfolienanordnung und eines elastischen Elementes,
12 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Elektrodenfolienanordnung und eines darin angeordneten elastischen Elementes,
13 schematisch eine Längsschnittdarstellung einer Elektrodenfolienanordnung und eines darin angeordneten elastischen Elementes,
14 schematisch eine Querschnittdarstellung einer Elektrodenfolienanordnung und eines darin angeordneten elastischen Elementes,
15 schematisch eine Ausschnittvergrößerung einer Längsschnittdarstellung einer Elektrodenfolienanordnung und eines darin angeordneten elastischen Elementes im Bereich von Stromableiterfahnen einer Polarität, und
16 schematisch eine Batterie.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 und 2, 4 bis 6 sowie 9 und 10 zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer Einzelzelle 1 einer Batterie B, d. h. eines elektrochemischen Energiespeichers und/oder Energiewandlers. Die 7 und 8 zeigen ein elastisches Element 2 für derartige Einzelzellen 1 der Batterie B, die 11 zeigt ein derartiges elastisches Element 2 vor einem Anordnen in einer Elektrodenfolienanordnung 3 einer derartigen Einzelzelle 1 und die 3 sowie 12 bis 15 zeigen Elektrodenfolienanordnungen 3, in welchen jeweils ein elastisches Element 2 angeordnet ist. Eine Batterie B mit einem Zellverbund Z aus einer Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen 1 ist schematisch in 16 dargestellt.
Die Batterie B, in welcher derartige Einzelzellen 1 eingesetzt sind, ist insbesondere eine Fahrzeugbatterie, beispielsweise eine Batterie B für ein Hybridfahrzeug, ein Brennstoffzellenfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug. Derartige Fahrzeugbatterien, welche insbesondere Antriebszwecken des Fahrzeugs dienen, werden auch als Hochvoltbatterien bezeichnet.
Solche Hochvoltbatterien für Fahrzeuganwendungen weisen eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen 1 auf, die sich mit einer dazugehörenden Elektronik und Kühlung in einem gemeinsamen Gehäuse befinden. Die Einzelzellen 1 sind beispielsweise als so genannte Hardcase-Zellen ausgebildet, bei denen ein elektrochemisch aktiver Inhalt von einer im Wesentlichen starren und größtenteils metallischen Hülle umgeben ist. Diese Einzelzellen 1 sind beispielsweise, wie in den 1 und 2, 4 bis 6 sowie 9 und 10 dargestellt, als so genannte bipolare Rahmenflachzellen ausgebildet, bei welchen elektrische Pole durch Zellwände gebildet sind, oder als so genannte prismatische Hardcasezellen mit Polen ausgebildet. Die hier nicht dargestellten prismatischen Hardcasezellen bestehen aus einem Metallgehäuse mit rechteckförmigem Querschnitt, durch das die stromführenden elektrischen Pole isoliert hindurchgeführt sind. Des Weiteren ist auch eine Ausführungsform möglich, bei welcher ein elektrischer Pol durch das metallische Gehäuse direkt gebildet ist und der andere elektrische Pol isoliert aus dem Gehäuse herausgeführt ist, d. h. eine so genannte polare Zelle.
Die Einzelzelle 1 weist die Elektrodenfolienanordnung 3 auf, auch als Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel bezeichnet. Die Elektrodenfolienanordnung 3 ist durch Lagen aus Kathodenfolien und Anodenfolien, d. h. bei einer Lithium-Ion-Zellchemie aus Lagen beschichteter Aluminiumfolien und Kupferfolien, gebildet, die jeweils durch Lagen eines Separators getrennt sind. Dabei sind beispielsweise, wie in den 1 bis 6 sowie 9 und 10 dargestellt, einzelne Blätter aus Kathodenfolien, Anodenfolien und Separatoren gestapelt oder ein bandförmig ausgebildeter Separator ist in Z-Form gefaltet und die Kathodenfolienblätter bzw. Anodenfolienblätter sind seitlich in sich durch die Z-Form bildende Taschen eingeschoben oder es sind, wie in den 11 bis 15 dargestellt, Bänder aus den Anodenfolien, Kathodenfolien und dazwischen angeordneten Separatoren gewickelt, vorzugsweise flach gewickelt.
Die Anodenfolien und Kathodenfolien sind an mindestens einem Rand unbeschichtet und ragen aus der Elektrodenfolienanordnung 3 in Form von Stromableiterfahnen 4 heraus, die mit entsprechenden Bauteilen zur Stromabgabe bzw. -einleitung an einer Gehäuseaußenseite eines Zellgehäuses 5 der Einzelzelle 1 elektrisch verbunden sind.
Das Zellgehäuse 5 der Einzelzelle 1 ist, wie in 1 näher dargestellt aus zwei metallischen schalenförmigen Gehäusewänden 5.1 ausgebildet, welche durch jeweils eine Isolationsschale 5.2 aus Kunststoff von der Elektrodenfolienanordnung 3 elektrisch isoliert sind. Die beiden Gehäusewände 5.1 dienen gleichzeitig als Zellpole der Einzelzelle 1 zum elektrischen Kontaktieren der Einzelzelle 1, d. h. zum Einleiten bzw. zur Entnahme einer elektrischen Leistung, und sind durch die Isolationsschalen 5.2, die sich in einen Flanschbereich der Gehäusewände 5.1 erstrecken, elektrisch voneinander isoliert. Die elektrische Anbindung der Elektrodenfolienanordnung 3 an die Gehäusewände 5.1 erfolgt durch Verschweißung der Stromableiterfahnen 4 der Anodenfolien bzw. Kathodenfolien mit Innenseiten der Gehäusewände 5.1. Die mittels der Isolationsschalen 5.2 aus Kunststoff elektrisch isolierten Gehäusewände 5.1 sind im Bereich von Schweißstellen, an welchen die Stromableiterfahnen 4 mit jeweils einer Gehäusewand 5.1 durch Verschweißen elektrisch und mechanisch verbunden sind, mit Durchbrüchen versehen. Eine Verlustwärme der Einzelzelle 1 ist über die entsprechend aufgedickten Gehäusewände 5.1 an Schmalseiten der Einzelzelle 1 ableitbar und dort an zumindest eine nicht näher dargestellte Kühlplatte der Batterie B abzugeben. Vorzugsweise sind in der Batterie B an gegenüberliegenden Schmalseiten der Einzelzellen 1 jeweils eine Kühlplatte angeordnet. Die Kühlplatten weisen Kanäle auf und sind von einem Temperiermedium, beispielsweise von einem Klimakühlmittel oder einer Kühlflüssigkeit, durchströmt.
Zur elektrischen Isolation der Zellgehäuse 5 der Einzelzellen 1 in der Batterie B gegenüber der jeweiligen metallischen Kühlplatte ist zwischen den Einzelzellen 1 und der jeweiligen Kühlplatte zweckmäßigerweise eine Wärmeleitfolie angeordnet. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs sind die Gehäusewände 5.1 der Einzelzellen 1 im Bereich der Kühlplatte parallel zu dieser um im Wesentlichen 90° abgekantet. Dies wird auch als Kühlfahne 5.3 bezeichnet. Über einen dadurch ausgebildeten Wärmeleitpfad ist des Weiteren bei Bedarf auch eine Heizung der Einzelzelle 1 möglich, zum Beispiel bei niedrigen Außentemperaturen. Hierzu wird die jeweilige metallische Kühlplatte zum Beispiel von einem warmen Fluid durchströmt.
Zum Verschluss der Einzelzelle 1 wird in einem Verfahren zur Herstellung der Einzelzellen 1 vorzugsweise ein Heißpressverfahren eingesetzt, auch als Siegelung bezeichnet. Hierbei wird der im Flanschbereich befindliche thermoplastische Kunststoff der Isolationsschalen 5.2 in einer Heißpresse partiell aufgeschmolzen. Durch Erstarrung des Kunststoffs bei fallender Temperatur und unter Druck werden die beiden mit den Isolationsschalen 5.2 aus Kunststoff elektrisch isolierten Gehäusewände 5.1 miteinander verbunden.
Für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Einzelzelle 1 ist die Elektrodenfolienanordnung 3 mit einer vorgegebenen Kraft zu verpressen, damit beispielsweise ein erforderlicher Abstand der Kathodenfolien, Anodenfolien und Separatoren zueinander in der Elektrodenfolienanordnung 3 eingestellt ist. Bei einem Befüllen der Einzelzelle 1 mit einem Elektrolyt, bei einer Formierung der Einzelzelle 1 sowie in Abhängigkeit von einem Ladezustand und einem Alterungszustand der Einzelzelle 1 sowie in Abhängigkeit von einer Temperatur der Einzelzelle 1 ändert sich eine Dicke der Elektrodenfolienanordnung 3.
Um eine Kompensation dieser Dickenänderungen zu erreichen, weist die Einzelzelle 1 das elastische Element 2 auf, durch welches die Elektrodenfolienanordnung 3 gegen zumindest eine Gehäusewand 5.1 des Zellgehäuses 5 gepresst ist, in den dargestellten Ausführungsbeispielen gegen beide Gehäusewände 5.1 des Zellgehäuses 5. Diese Presswirkung, d. h. eine durch das elastische Element 2 auf die Elektrodenfolienanordnung 3 einwirkende Presskraft, ist in den 4 bis 6 sowie 10 und 15 durch Pfeile P dargestellt. Dieses elastische Element 2 ist, wie in den 1 bis 8 und 11 bis 15 dargestellt, als ein fluiddichter, insbesondere gasdichter, und gasgefüllter Hohlkörper 6 ausgebildet oder weist, wie in den 9 und 10 dargestellt, zumindest einen fluiddichten, insbesondere gasdichten, und gasgefüllten Hohlkörper 6 auf. In dem in 9 und 10 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das elastische Element 2 eine Mehrzahl derartiger fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper 6 auf, wie später noch näher beschrieben wird.
Das elastische Element 2 verpresst die Elektrodenfolienanordnung 3 in der Einzelzelle 1 auf vorgegebene Weise nach dem Prinzip einer Gasfeder oder Luftfeder. Die Kraftwirkung des elastischen Elementes 2 ist zusätzlich verstärkt, wenn das Zellgehäuse 5 unter Unterdruck gesetzt ist, d. h. evakuiert ist. D. h. zur Verbesserung der Wirkung des elastischen Elementes 2 und zum Aufbauen einer Gegenkraft ist ein Innenraum der Einzelzelle 1 evakuiert. Dadurch ist ein nötiger Gegendruck aufgebaut. Der Unterdruck zieht die Gehäusewände 5.1 nach innen und erhöht somit deren Steifigkeit.
Das elastische Element 2 deckt eine komplette Fläche der Elektrodenfolienanordnung 3 oder zumindest eine Fläche der Anoden und/oder Kathoden ab, so dass eine gleichmäßige vollflächige Presswirkung des elastischen Elementes 2 auf die Elektrodenfolienanordnung 3 erreicht ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass vorgegebene Abstände zwischen den Lagen der Anodenfolien, Kathodenfolien und Separatoren während einer gesamten Lebensdauer der Einzelzelle 1 einhaltbar sind und über eine gesamte flächige Ausdehnung der Elektrodenfolienanordnung 3 konstant sind. Dies ermöglicht eine optimale Funktion der Einzelzelle 1.
Des Weiteren sind die Einzelzellen 1 in dem Zellverbund Z in der Batterie B vorzugsweise miteinander verspannt oder verpresst. Dies kann beispielsweise mittels hier nicht näher dargestellter Spannbänder, Zuganker und/oder anderer Spanneinrichtungen erfolgen. Zu einem optimalen Verspannen weist der Zellverbund Z beispielsweise Druckbrillen an dessen Stirnseiten auf, welche dann mittels derartiger Spannbänder, Zuganker und/oder anderer Spannmittel gegeneinander zu verspannen sind, wodurch die dazwischen angeordneten Einzelzellen 1 des Zellverbundes Z miteinander verpresst sind. Dabei stützen sich die Einzelzellen 1 beispielsweise entweder direkt oder über Zwischenwände und/oder Abstandshalter, so genannte Spacer, an benachbarten Einzelzellen 1 ab. Auf diese Weise ist, analog zu dem Unterdruck in der Einzelzelle 1, eine Abstützung der Zellgehäuse 5 der Einzelzellen 1 gegen eine plastische und/oder elastische Verformung nach außen erreicht, so dass die Zellgehäuse 5 der Presskraft des zumindest einen elastischen Elementes 2 in der jeweiligen Einzelzelle 1 nicht nachgeben können und eine optimale Presswirkung auf die Elektrodenfolienanordnung 3 erreicht ist.
Da das metallische Zellgehäuse 5 in der Regel durch seine gute Wärmeleitfähigkeit der Temperierung der Einzelzelle 1 dient, wie bereits beschrieben, ist das elastische Element 2 vorzugsweise innerhalb der Elektrodenfolienanordnung 3 angeordnet, vorzugsweise mittig, wie in den dargestellten Ausführungsbeispielen, und presst deren Hälften an die Gehäusewände 5.1, so dass eine gute thermische Anbindung der Elektrodenfolienanordnung 3 an das Zellgehäuse 5 der Einzelzelle 1 und dadurch eine gute Wärmeübertragung ermöglicht ist.
Das in den 1 bis 8 und 11 bis 15 dargestellte elastische Element 2, d. h. der hier dargestellte fluiddichte gasgefüllte Hohlkörper 6, besteht aus einer fluiddichten, insbesondere gasdichten Umhüllung mit Gasfüllung. Derartige kissenförmige Hohlkörper 6 sind besonders Bauraum sparend. Diese Ausführungsform des elastischen Elementes 2 wird im Verfahren zur Herstellung der Einzelzelle 1 zum Beispiel aus einem Kunststoffschlauch geringer Wandstärke mit zugeschweißten Enden, aus zwei umlaufend verschweißten Folien oder aus einer zusammengeklappten und an drei Seiten verschweißten Folie ausgebildet. Eine Wandung des Hohlkörpers 6 besteht vorzugsweise aus einem elektrolytbeständigen Kunststoff, beispielsweise aus Polypropylen (PP) oder Polyethylenterephthalat (PET), in dem als Diffusionssperre beispielsweise eine Metalleinlage, zum Beispiel eine dünne Aluminiumfolie ein- oder auflaminiert ist. Der Verschluss des derart ausgebildeten elastischen Elementes 2 erfolgt durch ein Folienschweißverfahren. Befüllt wird der Hohlkörper 6 zum Beispiel mit einer vorgegebenen Menge Luft, getrockneter Luft oder einem inerten Gas, zum Beispiel Stickstoff oder Argon. Da die eingeschlossene Gasmenge eine Federrate und Dicke des Hohlkörpers 6 vorgeben, muss diese durch eine geeignete Einrichtung hinreichend genau eingestellt werden.
Anstelle des kissenartigen Hohlkörpers 6 kann auch, wie in den 9 und 10 dargestellt, ein geschlossenporiger Schaumstoff verwendet werden, der durch das in den Poren oder Blasen eingeschlossene Gas über ähnliche Eigenschaften verfügt. D. h. in dieser in den 9 und 10 dargestellten Ausführungsform ist das elastische Element 2 aus einem geschlossenporigen Schaumstoff gebildet, d. h. aus einer Matte aus einem geschlossenporigen Schaumstoff. Bei diesem Schaumstoff bilden dessen geschlossene Poren oder Blasen, in welchen jeweils ein Gas eingeschlossen ist, jeweils einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper 6, d. h. das elastische Element 2 weist dann eine Mehrzahl fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper 6 auf. Der geschlossenporige Schaumstoff ist zweckmäßigerweise ein aufgeschäumter und ausgehärteter Kunststoff, welcher aufgrund des Aufschäumens elastisch ist, beispielsweise Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polyurethan (PU) oder Polystyrol (PS). Das Gas in den Poren oder Blasen des Schaumstoffs bildet sich bereits während einer Herstellung des Schaumstoffs, d. h. während eines Aufschäumens des Kunststoffs, durch eine chemische Reaktion und/oder wird dem Kunststoff während der Herstellung des Schaumstoffs zugesetzt, um den Kunststoff aufzuschäumen.
Bezugszeichenliste

1: Einzelzelle
2: elastisches Element
3: Elektrodenfolienanordnung
4: Stromableiterfahne
5: Zellgehäuse
5.1: Gehäusewand
5.2: Isolationsschale
5.3: Kühlfahne
6: Hohlkörper
B: Batterie
P: Pfeil
Z: Zellverbund

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

DE 3321129 A1 [0002]
DE 3000469 C2 [0003]

Claims

Einzelzelle (1) für eine Batterie (B), umfassend ein Zellgehäuse (5), in welchem eine Elektrodenfolienanordnung (3) und zumindest ein elastisches Element (2) angeordnet sind, wobei durch das zumindest eine elastische Element (2) die Elektrodenfolienanordnung (3) gegen zumindest eine Gehäusewand (5.1) des Zellgehäuses (5) gepresst ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine elastische Element (2) als ein fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper (6) ausgebildet ist oder zumindest einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper (6) aufweist.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine elastische Element (2) aus Kunststoff ausgebildet ist.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine elastische Element (2) aus einem geschlossenporigen Schaumstoff ausgebildet ist.
Einzelzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine flächige Ausdehnung des zumindest einen elastischen Elementes (2) im Wesentlichen einer flächigen Ausdehnung zumindest von Anoden und/oder Kathoden der Elektrodenfolienanordnung (3) entspricht.
Einzelzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine elastische Element (2) in der Elektrodenfolienanordnung (3) angeordnet ist.
Einzelzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hülle des zumindest einen elastischen Elementes (2) eine Diffusionssperrschicht aufweist.
Einzelzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innendruck im Zellgehäuse (5) geringer ist als ein Umgebungsdruck der Einzelzelle (1).
Batterie (B), umfassend zumindest einen Zellverbund (Z) mit einer Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Batterie (B) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (1) im Zellverbund (Z) miteinander verspannt sind.
Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Elektrodenfolienanordnung (3) und zumindest ein elastisches Element (2), welches als ein fluiddichter gasgefüllter Hohlkörper (6) ausgebildet ist oder zumindest einen fluiddichten gasgefüllten Hohlkörper (6) aufweist, in einem Zellgehäuse (5) derart angeordnet werden, dass durch das zumindest eine elastische Element (2) die Elektrodenfolienanordnung (3) gegen zumindest eine Gehäusewand (5.1) des Zellgehäuses (5) gepresst wird.