DE102012018130A1

DE102012018130A1 - Einzelzelle für eine Batterie und Verfahren zur Herstellung einer solchen Einzelzelle

Info

Publication number: DE102012018130A1
Application number: DE201210018130
Authority: DE
Inventors: Andrew Cowell; John Stamford; René-Christopher Wollmann
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 ein Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle (1) für eine Batterie, umfassend ein Zellengehäuse, in welchem mehrere Elektrodenfolien zu einem Elektrodenstapel zusammengefasst sind, und Elektrodenfolien einer Polarität mit einem elektrischen Polkontakt (4) elektrisch leitend verbunden sind. Erfindungsgemäß ist das Zellengehäuse zumindest teilweise aus einem elastischen Material gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine Batterie, umfassend ein Zellengehäuse, in welchem Elektrodenfolien zu einem Elektrodenstapel zusammengefasst sind, und Elektrodenfolien einer Polarität mit einem elektrischen Pol elektrisch leitend verbunden sind.
Aus dem Stand der Technik sind flache, rechteckige Speicherelemente für elektrische Energie wie beispielsweise Einzelzellen und Kondensatoren bekannt. Dabei ist ein elektrochemisch wirksamer Inhalt dieser Speicherelemente von einer folienartigen und elektrisch isolierenden Verpackung umgeben, durch die die elektrisch leitfähigen Anschlüsse, die als blechförmige Ableiterelemente ausgebildet sind, durchführbar sind. Ein Pol der Einzelzelle ist mit jeweils einem Ableiterelement elektrisch leitfähig verbunden und bildet einen Polkontakt der Einzelzelle.
Eine derartig ausgebildete Einzelzelle wird üblicher Weise als Pouch- oder Coffeebag-Zelle bezeichnet. Zur Bildung einer Batterie und insbesondere einer Hochvolt-Batterie sind die jeweiligen Ableiterelemente einer Vielzahl solcher Einzelzellen miteinander elektrisch leitfähig verbunden und miteinander in Reihe und/oder parallel verschaltet. Dabei ist die Vielzahl von Einzelzellen nebeneinander zur Bildung eines Zellverbunds angeordnet, der mit einer Kühlung und gegebenenfalls mit einer elektronischen Schaltanordnung versehen und in einem Batteriegehäuse angeordnet ist.
Aus der US 2007/0154799 A1 ist eine Vorrichtung zum Herstellen einer Sekundärbatterie durch die Ausführung einer Einlagespritzgusstechnik in Bezug auf einen Abschnitt einer Batteriezelle bekannt, wobei die Batteriezelle in einer Form angeordnet ist, worin die Vorrichtung ein Paar obere und untere Formen umfasst, bei welcher die Formgebung der Batteriezelle entspricht. Die oberen und unteren Formen sind an der Innenfläche mit Dichtungselementen hierfür versehen, und diese elastischen Teile sind in einer Struktur aufgebaut, in welche diese den Zellkörper einer Batteriezelle umgeben und einen nicht Formbereich von einem Formbereich trennen, wobei die Batteriezelle in den oberen und unteren Formen angebracht ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen einer Sekundärbatterie ermöglicht es die Beschädigung am Batteriegehäuse zu verhindern, verursacht durch den Kontakt zwischen dem Batteriegehäuse und der Form, wenn diese während der Umspritzgusstechnik in engen Kontakt mit dem Zellkörper der Batteriezelle gebracht wird, um einen Formkörper in einem bestimmten Bereich der Sekundärbatterie zu bilden, und um das Einfließen eines Materials, das durch die Einlagespritzgusstechnik in den Formbereich gespritzt wird, in den nicht Formbereich zu verhindern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Einzelzelle für eine Batterie und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer solchen Einzelzelle anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Einzelzelle durch die in Anspruch 1 und hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung einer Einzelzelle durch die in Anspruch 8 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Einzelzelle für eine Batterie umfasst ein Zellengehäuse, in welchem mehrere Elektrodenfolien zu einem Elektrodenstapel zusammengefasst sind, wobei die Elektrodenfolien einer Polarität mit einem elektrischen Polkontakt elektrisch leitend verbunden sind. Erfindungsgemäß ist das Zellengehäuse zumindest teilweise oder vollständig aus einem elastischen Material gebildet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer solchen Einzelzelle für eine Batterie wird durch die Verwendung einer Spritzgusstechnik, bei welcher ein elastisches Material auf einen Elektrodenstapel aufgebracht wird, ein Gehäuse gebildet.
Bei Verwendung einer Mehrzahl solcher Einzelzellen in einer Batterie, insbesondere Rund- oder Flachzellen, sind die Einzelzellen unmittelbar nebeneinander angeordnet, wobei ein permanenter Kontakt zwischen den Gehäuseseitenwänden solcher Einzelzellen besteht.
Die Einzelzellen sind durch diesen permanenten Kontakt zwischen den nebeneinander angeordneten Einzelzellen beziehungsweise Gehäuseseitenwänden eines Zellengehäuses starken Beanspruchungen, insbesondere Vibrationen, Reibungen und/oder Erschütterungen, ausgesetzt. Solche Beanspruchungen können auch zur Verformung, Beschädigung am Zellengehäuse und somit zu einer verminderten Lebensdauer der Einzelzellen führen.
Um die Einzelzellen gegenüber den genannten Beanspruchungen und daraus resultierenden Beschädigungen zu schützen, ist das Zellengehäuse einer solchen Einzelzelle zumindest teilweise oder vollständig aus dem elastischen Material gebildet. Solch ein elastisches Material wird erfindungsgemäß mittels einer Spritzgusstechnik zumindest abschnittsweise auf das Zellengehäuse beziehungsweise auf zumindest einer Seite eines Zellengehäuses der Einzelzelle aufgebracht.
In einer möglichen Ausgestaltung ist das Zellengehäuse zumindest teilweise aus Gummi, Harz und/oder Kunststoff gebildet. Dies ermöglicht einen besonders leichten und kostengünstigen Aufbau der Einzelzelle.
In weiterer Ausgestaltung ist ein elektrisch isolierender Rahmen randseitig zumindest teilweise das Zellengehäuse umlaufend vorgesehen. Der Rahmen ist bevorzugt aus einem Werkstoff, insbesondere Kunststoff, gebildet.
Durch die vibrationsdämpfende Eigenschaft des elastischen Materials wird die Belastbarkeit und Stabilität der Einzelzellen, insbesondere während des Betriebs im fahrenden Fahrzeug, verstärkt. Hierdurch sind die Einzelzellen der Batterie gegenüber möglichen Vibrationen, Reibungen und/oder Erschütterungen, welche eine Verformung und/oder Beschädigung am Zellengehäuse beziehungsweise Zellinneren verursachen, weitgehend geschützt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Einzelzelle mit Gehäuse, Rahmen und Polkontakte,
2 schematisch einen vergrößerten Ausschnitt einer perspektivischen Ansicht der Einzelzelle und
3 schematisch einen weiteren vergrößerten Ausschnitt einer perspektivischen Ansicht der Einzelzelle.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 stellt eine als Rahmenflachzelle ausgeführte Einzelzelle 1 dar. Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Rahmenflachzelle beschrieben. Die Erfindung kann aber auch für Rundzellen angewendet werden.
Die Einzelzelle 1, welche eine flache, quadratische Form aufweist, umfasst einen nicht näher dargestellten in einem Zellengehäuse angeordneten Elektrodenstapel.
Der Elektrodenstapel ist aus mehreren nicht dargestellten Elektrodenfolien zusammengefasst, wobei Elektrodenfolien einer Polarität mit einem elektrischen Polkontakt 4 elektrisch leitend verbunden sind.
Der Elektrodenstapel ist dabei insbesondere aus nicht näher dargestellten aufeinander liegenden elektrochemisch aktiven Elektrodenfolien gebildet, wobei in einem mittleren Bereich des Elektrodenstapels Elektrodenfolien unterschiedlicher Polarität, insbesondere Aluminium- und/oder Kupferfolien und/oder Folien aus einer Metalllegierung, übereinander gestapelt und mittels eines nicht näher dargestellten Separators, insbesondere einer Separatorfolie, elektrisch voneinander isoliert sind.
Das Zellengehäuse ist aus zwei Gehäuseseitenwänden 2, insbesondere plattenförmigen Elementen gebildet, die zueinander korrespondieren. Zwischen den Gehäuseseitenwänden 2 ist randseitig ein umlaufender sowie elektrisch isolierender Rahmen 3 angeordnet.
Eine der Gehäuseseitenwände 2 sowie der randseitig umlaufende Rahmen 3 weisen im Bezug auf die Längsachse auf einer Stirnseite abragende Verlängerungen 2.1 und 3.1 auf, die den umlaufenden Rahmen 3 überragen. Die Verlängerungen 3.1 des Rahmens 3 liegen an dieser Stirnseite einander gegenüber.
An der Einzelzelle 1 sind Polkontakte 4 aus dem nicht dargestellten Zelleninneren der Einzelzelle 1 als fahnenartige Verlängerungen auf der Stirnseite der Einzelzelle 1 analog zu den Verlängerungen 3.1 und der verlängerten Gehäuseseitenwand 2.1 herausgeführt. Die Polkontakte 4 sind elektrisch voneinander isoliert.
Bei einer nicht näher dargestellten Verwendung einer Mehrzahl solcher Einzelzellen 1 in einer nicht gezeigten Batterie sind deren nicht näher gezeigten Polkontakte 4 in Abhängigkeit von einer gewünschten Betriebsspannung und -leistung elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschaltet, wobei die verschalteten Einzelzellen 1 einen Zellverbund bilden.
Hierbei sind die Einzelzellen 1 unmittelbar nebeneinander angeordnet, wobei ein permanenter Kontakt zwischen den Einzelzellen 1, insbesondere den Gehäuseseitenwänden 2 benachbarter Einzelzellen 1, besteht.
Darüber hinaus können die Einzelzellen 1 im eingebauten Zustand zusätzlich durch ein elektrisch nicht leitfähiges Beschichtungsmaterial oder ein anderes geeignetes Isolationsmaterial elektrisch voneinander isoliert sein. Die Polkontakte 4 unterschiedlicher Polarität sind durch die elektrisch isolierende Ausführung des Rahmens 3 elektrisch voneinander isoliert.
Um die Beanspruchungen, insbesondere Vibrationen, Reibungen und/oder Erschütterungen an einer Einzelzelle 1 zu reduzieren oder zu vermeiden, wird in einer Ausführungsform mittels einer Spritzgusstechnik das Zellengehäuse mit einem elastischen Material, insbesondere Gummi, Harz und/oder Kunststoff be- oder umspritzt. Dabei wird oder werden zumindest eine der bzw. beide Gehäuseseitenwände 2 mit dem elastischen Material beschichtet, insbesondere außenseitig bespritzt.
Alternativ kann der innere Elektrodenstapel vollständig mit dem elastischen Material, wie Gummi, Harz und/oder Kunststoff, umspritzt werden.
Durch das Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle 1 mit einem solchen Zellengehäuse ist der Materialverbrauch und -einsatz zweckmäßig gering, um einen optimalen Toleranzausgleich bei gleichzeitig geringem Gewicht der Einzelzelle 1 zu ermöglichen.
Durch die vibrationsdämpfende Eigenschaft des elastischen Materials wird die Belastbarkeit und Stabilität der Einzelzellen 1, insbesondere während des Betriebes der Batterie während der Fahrt, verstärkt. Insbesondere sind die Einzelzellen 1 der Batterie gegenüber möglichen Beanspruchungen, welche eine Verformung und/oder Beschädigung am Zellengehäuse beziehungsweise Zellinneren verursachen können, weitgehend geschützt.
Alternativ oder zusätzlich zu der oben beschriebenen Isolation der Polkontakte 4 können diese elektrisch und thermisch durch die aus dem elastischen Material gebildete Gehäuseseitenwand 2.1 (bei teilweiser Bespritzung) oder das aus dem elastischen Material gebildete Zellengehäuse (bei vollständiger Umspritzung des Elektrodenstapels) isoliert werden.
Durch die Verwendung des elastischen Materials wird ferner die Lebensdauer der Einzelzelle 1 durch die vorteilhaften Eigenschaften, insbesondere die Vibrationsdämpfung und/oder die Temperatur- beziehungsweise Wärmebeständigkeit, verlängert.
Mit einer solchen Isolationsbeschichtung und/oder zumindest teilweisen Bildung eines Zellengehäuses aus dem elastischen Material kann eine hinreichende thermische Isolierung der Batterie realisiert werden. Dabei wird die Einzelzelle 1 bei unterschiedlichen Betriebszuständen in einem konstanten Zustand gehalten, insbesondere zur Vermeidung oder Reduzierung einer zu schnellen Zellheizung und/oder einer zu schnellen Zellauskühlung. Durch Verlangsamen dieser Zustandsänderungen wird die Lebensdauer verlängert, da die häufig wechselnden Betriebszustände die Einzelzellen 1 stark beanspruchen.
Wiederholte Kontraktionen der Einzelzellen 1 beim Auf- und Entladen der Batterie können zu einer Trennung thermisch verbundener Bereiche einer Einzelzellanordnung führen. Um diese Folgen zu vermeiden, wird das elastische Material auf das Zellengehäuse aufgebracht, so dass eine erhöhte mechanische Festigkeit einer Einzelzelle 1 erreicht wird.
Durch das Aufbringen des elastischen Materials auf die Einzelzelle 1 mittels der erfindungsgemäßen Spritzgusstechnik wird der Montageaufwand gering gehalten und die Herstellung ist dadurch kostensparend. Durch niedrige Verarbeitungstemperaturen und/oder niedrigen Druck werden mögliche Beschädigungen infolge von Beanspruchungen durch zu hohe Wärme und/oder Druck vermieden.
Zusätzlich weist ein aus dem elastischen Material gebildetes Zellengehäuse ein geringes Gewicht auf, wodurch das Gewicht und auch die Größe der Einzelzellanordnung gering beziehungsweise klein gehalten werden kann. Bei geringem Gewicht und gleichzeitig verbessertem Wärmemanagement wird eine erhöhte Packungsdichte erreicht.
2 stellt einen vergrößerten Ausschnitt einer als Rahmenflachzelle ausgeführten Einzelzelle 1 dar.
Die Polkontakte 4 sind aus einer verlängerten Gehäuseseitenwand 2.1 zwischen einer Verlängerung 3.1 des randseitig, zumindest teilweise umlaufenden Rahmens 3 herausgeführt. Die verlängerte Gehäuseseitenwand 2.1 ist mit einem elastischen Material beschichtet.
Die Eigenschaften des verwendeten elastischen Materials, insbesondere Wärmebeständigkeit, Vibrationsdämpfung und/oder Bruchfestigkeit, schützen die Polkontakte 4 vor äußeren Beanspruchungen. Diese Eigenschaften isolieren insbesondere vor hohen Temperaturen, schneller Zellauskühlung und/oder reduzieren Beanspruchungen infolge externer Vibrationen und reduzieren daraus resultierende Beschädigungen an den Polkontakten 4.
3 stellt einen vergrößerten Ausschnitt einer als Rahmenflachzelle ausgeführten Einzelzelle 1 dar.
Bezugszeichenliste

1: Einzelzelle
2: Gehäuseseitenwand
2.1: Verlängerte Gehäuseseitenwand
3: Rahmen
3.1: Verlängerte Rahmenkante
4: Polkontakt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007/0154799 A1 [0004]

Claims

Einzelzelle (1) für eine Batterie, umfassend ein Zellengehäuse, in welchem Elektrodenfolien zu einem Elektrodenstapel zusammengefasst sind, und Elektrodenfolien einer Polarität mit einem elektrischen Polkontakt (4) elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellengehäuse zumindest teilweise aus einem elastischen Material gebildet ist.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellengehäuse zumindest teilweise aus einem Gummi, Harz und/oder Kunststoff als elastisches Material gebildet ist.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Material mittels Spritzgusstechnik zumindest abschnittsweise auf das Zellengehäuse aufgebracht ist.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenstapel vollständig vom elastischen Material umspritzt ist.
Einzelzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellengehäuse randseitig zumindest teilweise von einem Rahmen (3) umgeben ist.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (3) aus einem Werkstoff, insbesondere Kunststoff, gebildet ist.
Batterie gebildet aus einer Mehrzahl von Einzelzellen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Einzelzellen (1) parallel und/oder seriell miteinander verschaltet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Elektrodenstapel ein elastisches Material derart aufgebracht wird, dass es ein Zellengehäuse bildet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenstapel in einem Spritzgussverfahren mit einem elastischen Material abschnittsweise bespritzt oder vollständig umspritzt wird.