DE102012102016B4

DE102012102016B4 - Verbesserte Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102012102016B4
Application number: DE102012102016.7A
Authority: DE
Inventors: Ha-young Lee; Jun-ho Kim; Sang-Hyun Bae; Ji-Eun Kang
Original assignee: LS Mtron Ltd
Current assignee: LS Materials Co Ltd
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2019-01-31
Anticipated expiration: 2032-03-10
Also published as: CN102684312B; US9064641B2; DE102012102016A1; US20140268496A1; CN102684312A; US8773842B2; US20120229954A1

Abstract

Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie, umfassend ein Metallgehäuse (130) zur Aufnahme einer Rohzelle und erste und zweite Anschlüsse (132, 141), die den jeweiligen Elektroden der Rohzelle entsprechend außerhalb des Metallgehäuses angeordnet sind, wobei die Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie Folgendes umfasst:
ein plattenförmiges Element (140) an zumindest einem der Anschlüsse;
einen Innenanschluss (110), der mit dem plattenförmigen Element in Kontakt steht, um zwischen dem Innenanschluss und dem plattenförmigen Element eine Grenze zu bilden; und
einen lasergeschweißten Abschnitt (170), der entlang der Grenze zwischen dem Innenanschluss und dem plattenförmigen Element ausgebildet ist, um das plattenförmige Element mit dem Innenanschluss zu verbinden,
dadurch gekennzeichnet, dass
der lasergeschweißte Abschnitt aus einer Vielzahl von Schweißpunkten besteht, die entlang der Grenze zwischen dem plattenförmigen Element und dem Innenanschluss wiederholt ausgebildet sind, und
ein Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Schweißpunkte innerhalb des Durchmessers der Schweißpunkte liegt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Technisches Gebiet
Beispielhafte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie und ein Verfahren zur Herstellung derselben, und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie mit einer verbesserten Verbindungsstruktur zwischen einem Außenanschluss und einem Innenanschluss sowie ein Herstellungsverfahren derselben.
Beschreibung des Standes der Technik
Eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie ist aus der US 2010 / 0 079 927 A1 bekannt.
Ein Ultrakondensator, auch bekannt als Superkondensator, ist allgemein eine Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie, deren Eigenschaften eine Mischung aus den Eigenschaften eines Elektrolytkondensators und einer Sekundärbatterie sind. Da ein Ultrakondensator einen hohen Wirkungsgrad und eine relativ lange Lebensdauer hat, wird der Ultrakondensator als Energiespeichervorrichtung der nächsten Generation betrachtet, die parallel zu oder als Ersatz für eine Sekundärbatterie verwendet werden kann.
Ein Ultrakondensator kann auch als Ersatz für eine Speicherbatterie in Anwendungsfällen eingesetzt werden, bei denen die Wartung nicht leicht durchführbar und eine lange Lebensdauer erforderlich ist. Da ein Ultrakondensator Schnellladungs- bzw. Entladungseigenschaften aufweist, ist der Ultrakondensator als Zentral- oder Hilfsstromversorgung für elektrische Fahrzeuge, Straßenbeleuchtungen oder ununterbrochene Stromversorgungen (USVs), die eine hohe Kapazität erfordern, sowie als Hilfsstromversorgung von mobilen Kommunikationsinformationseinrichtungen, beispielsweise Mobiltelefone, Laptop-Computer oder Personal Digital Assistants (PDAs), besonders geeignet, und findet somit in Form dieser Anwendungen breiten Einsatz.
Wie in der 1 dargestellt, weist ein Ultrakondensator für Verkleinerungszwecke im Wesentlichen eine Zylinderform auf.
Unter Bezugnahme auf die 1 umfasst ein zylinderförmiger Ultrakondensator ein Innengehäuse 10 zur Aufnahme einer Rohzelle, die aus einer Kathode, einer Anode, einem Separator und einem Elektrolyt besteht, ein Metallgehäuse 40 zur Aufnahme des Innengehäuses 10, Innenanschlüsse 20 und 30, die an den oberen und unteren Abschnitten des Metallgehäuses 40 angeordnet sind, um mit der Anode beziehungsweise mit der Kathode der Rohzelle verbunden zu werden, und einen Anodenaußenanschluss 51 und einen Kathodenaußenanschluss 45, die an der Oberseite beziehungsweise am Boden des Metallgehäuses 40 angeordnet sind.
In dem zylinderförmigen Ultrakondensator ist der Anodeninnenanschluss 20 gegenüber dem Metallgehäuse 40 durch ein Isolierelement 60 elektrisch isoliert und mit dem Anodenaußenanschluss 51, der in der Mitte eines plattenförmigen Elements 50 angeordnet ist, elektrisch verbunden, und der Kathodeninnenanschluss 30 mit dem Metallgehäuse 40 elektrisch verbunden.
Die Verbindungen zwischen dem Anodeninnenanschluss 20 und dem plattenförmigen Element 50 sowie zwischen dem Kathodeninnenanschluss 30 und dem Metallgehäuse 40 werden herkömmlicherweise mithilfe eines Bolzens 70 hergestellt. Eine Verbindung zwischen einem Innenanschluss und einem Außenanschluss mithilfe des Bolzens 70 beinhaltet allerdings die Nachteile eines komplizierten Montageverfahrens und einer geringen Verbindungsstabilität.
Insbesondere aufgrund der Ausbildung eines Elektrolyteinspritzlochs in der Mitte des Anodenaußenanschlusses 51 und Komponenten, beispielsweise ein Sicherheitsventil und dergleichen, ist die Anbringung eines Bolzens an dem Anodenaußenanschluss 51 nicht leicht zu bewerkstelligen.
Zur Lösung dieses Problems wird vorgeschlagen, die Oberfläche des plattenförmigen Elements 50, das mit dem Anodenaußenanschluss 51 und der entsprechenden Oberfläche des Anodeninnenanschlusses 20 versehen ist, mittels Warmpressen zu verschweißen. Dieser Vorgang umfasst allerdings ein kompliziertes Schweißverfahren, und da der verbundene Teil zwischen dem Anodenaußenanschluss 51 und dem Anodeninnenanschluss 20 gegenüber externen Erschütterungen gering widerstandsfähig ist, können sich der Anodenaußenanschluss 51 und der Anodeninnenanschluss 20 leicht voneinander lösen, wodurch die Kontaktwiderstandseigenschaften verschlechtert werden.
Andererseits, da der Kathodeninnenanschluss 30 das Metallgehäuse 40 direkt kontaktiert, ist es sehr wichtig, den Kontaktwiderstand zwischen dem Kathodeninnenanschluss 30 und dem Metallgehäuse 40 zu verringern, und den dazwischen hergestellten Kontaktzustand zu stabilisieren, um die elektrischen Eigenschaften des Ultrakondensators zu verbessern.
Dabei kann in dem Berührungsbereich zwischen dem Elektrolyt und der Elektrode des Ultrakondensators bei Raumtemperatur unter anormalen Bedingungen eine Nebenreaktion auftreten, beispielsweise Überladung, Überentladung, Überspannung und dergleichen, wodurch Gas erzeugt wird. Wenn sich Gas in dem Ultrakondensator ansammelt, steigt der Innendruck des Metallgehäuses 40 und weitet das Metallgehäuse 40 schließlich aus. In einigen Fällen, wenn Gas abrupt durch eine Schwachstelle des Metallgehäuses 40 austritt, kann das Metallgehäuse 40 explodieren.
Das Metallgehäuse 40 weitet sich insbesondere an der Seite und am Boden des Metallgehäuses 40 nahe dem Kathodeninnenanschluss 30 stärker aus als in der Umgebung des Anodeninnenanschlusses 20.
Da das Metallgehäuse 40 einen gebogenen Abschnitt 41 aufweist, der auf seiner Oberseite nahe dem Anodeninnenanschluss 20 ausgebildet ist, ist es einfach möglich, die Druckwiderstandsfähigkeit der Seite des Metallgehäuses 40 nahe dem Anodeninnenanschluss 20 durch Steuerung eines Biegungsgrades zu verstärken. Da ein gebogenen Abschnitt nicht in der Umgebung des Kathodenaußenanschlusses 45 ausgebildet ist, ist es nicht einfach möglich, die Druckwiderstandsfähigkeit der Seite des Metallgehäuses 40 nahe dem Kathodenaußenanschluss 45 zu verstärken.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der vorstehenden Probleme entwickelt, so dass es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie mit verbesserter Verbindungsfestigkeit und verbesserten Widerstandseigenschaften durch Präzisionsschweißen zwischen einem Außenanschluss und einem Innenanschluss sowie ein Herstellungsverfahren derselben bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie mit verbesserten Widerstandseigenschaften durch Vergrößerung des Kontaktbereichs und Erhöhung der Kontaktstabilität zwischen einem Metallgehäuse und einem Innenanschluss sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie mit einer verbesserten Druckwiderstandseigenschaft durch Optimierung einer Dickenverteilung des Metallgehäuses bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgaben der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie bereitgestellt, die mit einem Metallgehäuse zur Aufnahme einer Rohzelle und erster und zweiter Anschlüsse ausgestattet ist, die den jeweiligen Elektroden der Rohzelle entsprechend außerhalb des Metallgehäuses angeordnet sind, umfassend ein plattenförmiges Element, das an zumindest einem der ersten und zweiten Anschlüsse vorgesehen ist, einen Innenanschluss, der mit dem plattenförmigen Element in Kontakt steht, um zwischen dem Innenanschluss und dem plattenförmigen Element eine Grenze zu bilden, und einen lasergeschweißten Abschnitt, der entlang der Grenze zwischen dem Innenanschluss und dem plattenförmigen Element ausgebildet ist, um das plattenförmige Element mit dem Innenanschluss zu verbinden.
Der lasergeschweißte Abschnitt besteht aus einer Vielzahl von Schweißpunkten, die entlang der Grenze zwischen dem plattenförmigen Element und dem Innenanschluss wiederholt ausgebildet sind, und ein Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Schweißpunkte innerhalb des Durchmessers der Schweißpunkte liegt.
Entlang des Außenumfangs des Innenanschlusses kann eine Bördelnut ausgebildet sein, und das Metallgehäuse kann einen Bördelabschnitt aufweisen, der mit der Bördelnut in innigem Kontakt steht.
Zwischen dem Boden und der Seite des Metallgehäuses kann eine abgerundete Kante ausgebildet sein, um den Innendruck zu regeln, und ein abgeschrägter Abschnitt kann dem Innenanschluss der Kante des Metallgehäuses entsprechend ausgebildet sein.
Der Innenanschluss kann jeweils dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss entsprechend vorgesehen sein, und einer der Innenanschlüsse kann dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss entsprechend den Bördelabschnitt mit einem dazwischen angeordneten Isolierelement innig kontaktieren und der andere Innenanschluss kann den Bördelabschnitt unmittelbar kontaktieren.
Das Metallgehäuse kann entlang seiner Seite einen solchen Dickenverlauf aufweisen, dass die Dicke eines Abschnitts nahe dem zweiten Anschluss größer ist als die Dicke eines Abschnittes nahe dem ersten Anschluss.
Die Seite des Metallgehäuses weist vorzugsweise einen Abschnitt auf, der mit der Höhe des Innenanschlusses zumindest dem zweiten Anschluss entsprechend korrespondiert, mit einer Dicke, die größer ist als die Dicke des anderen Abschnitts.
Das Verhältnis der Dicke des Abschnitts nahe dem zweiten Anschluss zur Dicke des Abschnitts nahe dem ersten Anschluss beträgt vorzugsweise 120 bis 150%.
In der Mitte von zumindest einem Anschluss des Metallgehäuses kann ein Vorsprung für die Konzentrizität ausgebildet sein.
Der Vorsprung für die Konzentrizität kann einstückig mit dem Körper des Metallgehäuses ausgebildet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie bereitgestellt, die mit einem Metallgehäuse zur Aufnahme einer Rohzelle und erster und zweiter Anschlüsse ausgestattet ist, die außerhalb des Metallgehäuses den jeweiligen Elektroden der Rohzelle entsprechend angeordnet sind, wobei das Verfahren umfasst: (a) Vorbereiten eines Werkstücks für den Schweißvorgang durch Kontaktierung eines Innenanschlusses mit einem plattenförmigen Element, das auf zumindest einem der ersten Anschlüsse und der zweiten Anschlüsse vorgesehen ist, (b) Ausrichten des Werkstücks gegenüber einer Abstrahleinrichtung eines Laserschweißgeräts, so dass ein Laserstrahl auf die Grenze zwischen dem plattenförmigen Element und dem Innenanschluss gerichtet wird, und (c) Durchführung des Laserschweißvorgangs an der Grenze entlang des Außenumfangs des Werkstücks, wobei entweder das Werkstück oder die Abstrahleinrichtung relativ zueinander bzw. zu dem anderen bewegt wird/werden.
Der Schritt (c) umfasst das wiederholte Ausbilden einer Vielzahl von Laserschweißpunkten entlang des Außenumfangs des Werkstücks, wobei das Werkstück mit einer vorgegebenen Drehzahl relativ gegenüber der Laserabstrahleinrichtung gedreht wird.
Ein Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Schweißpunkte liegt innerhalb des Durchmessers der Schweißpunkte.
Entlang des Außenumfangs des Innenanschlusses kann eine Bördelnut ausgebildet sein.
Das Verfahren kann ferner das Einsetzen des Innenanschlusses in das Metallgehäuse und ein Bördeln eines Abschnitts des Metallgehäuses, der dem Innenanschluss entspricht, umfassen, so dass ein Bördelabschnitt ausgebildet wird, der mit der Bördelnut des Innenanschlusses in innigem Kontakt steht.
Entlang des Umfangsrandes des Innenanschlusses kann ein abgeschrägter Abschnitt ausgebildet sein.
Der Innenanschluss kann so in das Metallgehäuse eingesetzt sein, dass der abgeschrägte Abschnitt der Kante zwischen dem Boden und der Seite des Metallgehäuses gegenüberliegt.
Figurenliste
Die beiliegenden Zeichnungen zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und dienen in Verbindung mit der vorangehenden Offenbarung zur weiteren Verdeutlichung des technischen Konzepts der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung ist allerdings nicht auf die Zeichnung beschränkt auszulegen.

1 ist eine Teilschnittdarstellung, die einen herkömmlichen Ultrakondensator zeigt;
2 ist eine Perspektivdarstellung, die eine Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist eine Teilschnittdarstellung gemäß 2;
4 ist eine teilweise vergrößerte Seitenansicht gemäß 2, die eine Verbindungsstruktur zwischen einem plattenförmigen Element zeigt, das mit einem Anodenaußenanschluss und einem Anodeninnenanschluss ausgestattet ist;
5 ist eine schematische Draufsicht, die einen Anschlussschweißvorgang gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist eine teilweise vergrößerte Seitenansicht gemäß 3, die einen Kathodeninnenanschluss entsprechend einem Kathodenaußenanschluss zeigt;
7 ist eine Teilschnittdarstellung, die eine Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist eine Draufsicht, die den Boden der Innenseite eines Metallgehäuses gemäß 7 zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die vorliegende Erfindung soll nachfolgend im Detail unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden. Vor der Beschreibung wird darauf hingewiesen, dass die in der Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen verwendeten Ausdrücke und Begriffe nicht auf Grundlage ihrer gebräuchlichen und aus dem Wörterbuch bekannten Bedeutungen auszulegen sind, sondern ihre Bedeutungen und Konzepte vielmehr entsprechend dem technischen Gedanken der vorliegenden Erfindung auf Grundlage des Prinzips zu interpretieren sind, dass der Erfinder die Bedeutungen der Ausdrücke und Begriffe entsprechend definiert, so dass seine eigene Erfindung möglichst eindeutig beschrieben ist.
2 ist eine Perspektivdarstellung, die eine Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 3 ist eine Teilschnittdarstellung gemäß 2.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 umfasst eine Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Metallgehäuse 130 zur Aufnahme einer Rohzelle (nicht dargestellt), einen ersten Anschluss oder Anodenaußenanschluss 141, der außerhalb des Metallgehäuses 130 einer Anode der Rohzelle entsprechend angeordnet ist, einen zweiten Anschluss oder Kathodenaußenanschluss 132, der außerhalb des Metallgehäuses 130 einer Kathode der Rohzelle entsprechend angeordnet ist, und einen Anodeninnenanschluss 110 und einen Kathodeninnenanschluss 120, die jeweils mit der Anode und der Kathode der Rohzelle in dem Metallgehäuse 130 verbunden sind.
Die Rohzelle umfasst eine Kathode, eine Anode, einen Separator und ein Elektrolyt, und stellt eine elektrochemische Energiespeicherfunktion bereit.
Der Anodeninnenanschluss 110 und der Kathodeninnenanschluss 120 sind jeweils mit der Anode und der Kathode der Rohzelle verbunden. Jeder Anodeninnenanschluss 110 und Kathodeninnenanschluss 120 weist eine kreisförmige Plattenform mit einem kreisförmigen Außenumfang auf, der dem Innenumfang des Metallgehäuses 130 entspricht.
Der Anodeninnenanschluss 110 ist gegenüber dem Metallgehäuse 130 durch ein Isolierelement 150 elektrisch isoliert und kontaktiert gleichzeitig das plattenförmige Element 140 und ist mit dem Anodenaußenanschluss 141 verbunden, der in der Mitte eines plattenförmigen Elements 140 angeordnet ist, und der Kathodeninnenanschluss 120 kontaktiert das Metallgehäuse 130 und ist mit dem Kathodenaußenanschluss 132 verbunden, der in der Mitte des Bodens des Metallgehäuses 130 angeordnet ist.
Das Metallgehäuse 130 weist einen zylinderförmigen Körper mit einem Innenraum auf, in dem die Rohzellen nach ihrer Einbettung in einem Innengehäuse 100 aufgenommen ist. Das Metallgehäuse 130 weist vorzugsweise eine Zylinderform aus Aluminium auf. Obwohl nicht dargestellt, weist das Metallgehäuse 130 vorzugsweise eine abgerundete Kante zwischen dem Boden 142 und seiner Seite 131 auf, so dass die Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Innendruck verbessert wird.
Ein Vorsprung 133 für die Konzentrizität ist in der Mitte des Bodens 142 des Metallgehäuses 130 ausgebildet und erstreckt sich einstückig von der Seite 131 des Metallgehäuses 130, und der Kathodenaußenanschluss 132 erstreckt sich nach unten nach außerhalb der Mitte des Bodens 142 des Metallgehäuses 130.
Ein gebogener Abschnitt 160 ist auf der Oberseite des Metallgehäuses 130 nahe dem Anodeninnenanschluss 110 zur Maximierung der Verbindungs- und Dichtigkeitseigenschaften ausgebildet. Die Druckwiderstandsfähigkeit der Seite 131 des Metallgehäuses 130 nahe dem Anodeninnenanschluss 110 kann durch Regelung des Biegungsgrades des gebogenen Abschnitts 160 einfach gesteuert werden.
Zusätzlich können Bördelabschnitte 135 und 136 auf der Seite 131 des Metallgehäuses 130 ausgebildet sein, um den Kathodeninnenanschluss 120 beziehungsweise den Anodeninnenanschluss 110 an dem Metallgehäuse 130 zu fixieren.
In der vorliegenden Erfindung wird die Verbindung zwischen dem plattenförmigen Element 140, das mit dem Anodenaußenanschluss 141 und dem Anodeninnenanschluss 110 ausgestattet ist, durch Laserschweißen hergestellt.
4 zeigt eine Anschlussverbindungsstruktur der Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf die 4 ist das plattenförmige Element 140, das mit dem Anodenaußenanschluss 141 ausgestattet ist, mit dem Anodeninnenanschluss 110, der eine Plattenform aufweist, kontaktiert, und ein lasergeschweißter Abschnitt 170 ist in Kreisform an der Grenze entlang des Außenumfangs zwischen dem plattenförmigen Element 140 und dem Anodeninnenanschluss 110 ausgebildet. Die Grenze befindet sich hier an der Stelle, wo der Laserschweißvorgang durchzuführen ist, und umfasst einen Mikrospalt zwischen dem plattenförmigen Element 140 und dem Anodeninnenanschluss 110 und kreisförmige Umfangsränder des plattenförmigen Elements 140 und den Anodeninnenanschluss 110 benachbart zu dem Mikrospalt.
Der lasergeschweißte Abschnitt 170 besteht aus einer Vielzahl von Laserschweißpunkten, die wiederholt entlang der Grenze zwischen dem plattenförmigen Element 140 und dem Anodeninnenanschluss 110 ausgebildet sind. Vorzugsweise überlappen sich eine Vielzahl der Laserschweißpunkte, so dass eine im Wesentlichen durchgängige Schweißnaht gebildet wird. Für diesen Zweck sollte ein Abstand D zwischen den Mittelpunkten benachbarter Schweißpunkte innerhalb des Durchmessers der Schweißpunkte liegen.
5 ist eine schematische Draufsicht, die ein Anschlussschweißverfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Unter Bezugnahme auf die 5 umfasst der Anschlussschweißvorgang gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Vorbereitung eines Werkstücks für den Schweißvorgang, die Ausrichtung des Werkstücks gegenüber einem Laserschweißgerät und die Durchführung des Laserschweißvorgangs entlang des Außenumfangs des Werkstücks.
In dem Vorbereitungsschritt wird das plattenförmige Element 140, das mit dem Anodenaußenanschluss ausgestattet ist, auf den Anodeninnenanschluss 110 aufgesetzt.
In dem Ausrichtungsschritt wird die Seite des Werkstücks gegenüber einer Laserabstrahleinrichtung 200 des Laserschweißgeräts ausgerichtet, so dass ein Laserstrahl auf die kreisförmige Grenze gerichtet wird, die entlang des Außenumfangs durch die Kontaktierung zwischen dem plattenförmigen Element 140 und dem Anodeninnenanschluss 110 gebildet ist.
In dem Laserschweißvorgang werden das plattenförmige Element 140 und der Anodeninnenanschluss 110 unter Durchführung eines Laserschweißvorgangs entlang des Außenumfangs des Werkstücks miteinander verschweißt, während das Werkstück relativ zu der Laserabstrahleinrichtung 200 mit einer vorgegebenen Drehzahl gedreht wird. In diesem Fall wird der Laserschweißvorgang wiederholt durchgeführt, so dass sich eine Vielzahl der Schweißpunkte mit einem vorgegebenen Abstand entlang des Außenumfangs des Werkstücks überlappen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie durch den lasergeschweißten Abschnitt 170 zwischen dem Außenanschluss und dem Innenanschluss eine hohe Verbindungsfestigkeit sowie Verbesserungen der Widerstandseigenschaften infolge der innigen Verbindung zwischen dem Außenanschluss und dem Innenanschluss bereitstellen.
Unter erneuter Bezugnahme auf die 3 ist der Bördelabschnitt 135 an einem Abschnitt des Metallgehäuses 130 entsprechend zumindest dem Kathodeninnenanschluss 120 ausgebildet und erstreckt sich in Kreisform entlang des Innenumfangs des Metallgehäuses 130. Der Bördelabschnitt 135 steht mit dem Außenumfang des Kathodeninnenanschlusses 120 in innigem Kontakt.
Wie in der 6 dargestellt, ist entlang des Außenumfangs des Kathodeninnenanschlusses 120 eine kreisförmige Bördelnut 121 ausgebildet. Die Bördelnut 121 dient zur Aufnahme des Bördelabschnitts 135 des Metallgehäuses 130. Die Bördelnut 121 kann den Seitenflächenbereich des Kathodeninnenanschlusses 120 wirksam vergrößern.
Ein abgeschrägter Abschnitt 122 ist vorzugsweise entlang des Umfangsrandes des Kathodeninnenanschlusses 120 ausgebildet und entspricht der abgerundeten Kante des Metallgehäuses 130 zur Reglung des Innendrucks. Der abgeschrägte Abschnitt 122 verhindert eine Erhöhung des Kontaktwiderstands, der durch den Versatz des Kathodeninnenanschlusses 120 aufgrund der Überlagerung zwischen dem Kathodeninnenanschluss 120 und der abgerundeten Kante des Metallgehäuses 130 zur Regelung des Innendruckes verursacht wird.
Der Anodeninnenanschluss 110 weist vorzugsweise ebenso wie der Kathodeninnenanschluss 120 eine Bördelnut auf, die entlang seines Außenumfangs zur Verbesserung der Verbindung mit dem Metallgehäuse 130 ausgebildet ist, und das Metallgehäuse 130 weist den Bördelabschnitt 136 entsprechend der Bördelnut des Anodeninnenanschlusses 110 auf. Der Bördelabschnitt 136 des Metallgehäuses 130 kontaktiert vorzugsweise die Bördelnut des Anodeninnenanschlusses 110 mit dem dazwischen angeordneten Isolierelement 150.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie kann durch ein Verfahren, umfassend Elektrodenplattenherstellung, Elektrodenplattenmontage und Gehäusemontage, hergestellt werden.
Bei der Elektrodenplattenherstellung und der Elektrodenplattenmontage wird eine Elektrodenplatte durch Vorbereitung eines elektrodenaktiven Materials mit anschließendem Mischen, Beschichten, Walzen und Schlitzen in dieser Reihenfolge und Aufwickeln der Elektrodenplatte zusammen mit einem Separator zur Herstellung einer Rohzelle hergestellt.
In der Gehäusemontage wird die Rohzelle unter Vakuum getrocknet und anschließend in dem Metallgehäuse 130 aufgenommen und dann der Schweißvorgang zwischen dem plattenförmigen Element 140 und dem Anodeninnenanschluss 110 durchgeführt, wobei die Verarbeitung des Metallgehäuses 130 Bördeln und Biegen und die Elektrolyteinspritzung in das Metallgehäuse 130 sowie die Elektrolytimprägnierung umfasst.
Beim Bördeln des Metallgehäuses 130 wird die Bördelnut 121 entlang des Außenumfangs des Kathodeninnenanschlusses 120 ausgebildet und der abgeschrägte Abschnitt 122 entlang des Umfangsrandes des Kathodeninnenanschlusses 120 ausgebildet. Anschließend wird der Kathodeninnenanschluss 120 so in das Metallgehäuse 130 eingesetzt, dass der abgeschrägte Abschnitt 122 der Kante zwischen dem Boden und der Seite des Metallgehäuses 130 gegenüberliegt. Anschließend wird der Bördelabschnitt 135 durch Anlegen von Druck an der Seite des Metallgehäuses 130 entsprechend dem Kathodeninnenanschluss 120 ausgebildet, während eine Bördelvorrichtung von einer Bördelmaschine entlang des Außenumfangs des Metallgehäuses 130 bewegt wird. Somit steht der auf der Seite des Metallgehäuses 130 entsprechend dem Kathodeninnenanschluss 120 ausgebildete Bördelabschnitt 135 in Eingriff bzw. in innigem Kontakt mit der Bördelnut 121 des Kathodeninnenanschlusses 120.
In diesem Fall wird der auf der Seite des Metallgehäuses 130 entsprechend dem Anodeninnenanschluss 110 ausgebildete Bördelabschnitt 136 mit dem Anodeninnenanschluss 110 in Eingriff gebracht und stellt zwischen dem Anodeninnenanschluss 110 und dem dazwischen angeordneten Isolierelement 150 einen innigen Kontakt her.
Außerdem steht der Bördelabschnitt 135 des Metallgehäuses 130 mit der Bördelnut 121 des Kathodeninnenanschlusses 120 in innigem Kontakt, ohne dazwischen einen Spalt auszubilden, wodurch ein größerer Kontaktbereich als bisher möglich zuverlässig hergestellt werden kann, wodurch verbesserte Widerstandseigenschaften erzielt werden.
7 ist eine Teilschnittdarstellung, die eine Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Unter Bezugnahme auf die 7, weist die Seite 131 des Metallgehäuses 130 einen solchen Dickenverlauf auf, dass die Dicke der Seite 131 des Metallgehäuses 130 in der Umgebung des Kathodeninnenanschlusses 120 größer ist als die Dicke in der Umgebung des Anodeninnenanschlusses 110. Das heißt, dass die Seite 131 des Metallgehäuses 130 eine Dicke eines Abschnitts B nahe dem Kathodeninnenanschluss 120 aufweist, die größer ist als die Dicke eines Abschnitts A nahe dem Anodeninnenanschluss 110.
Der Dickenverlauf ist vorzugsweise so gewählt, dass die Dicke des Abschnitts, die zumindest der Höhe h des Kathodeninnenanschlusses 120 von dem Boden 142 des Metallgehäuses 130 entspricht, größer ist als die Dicke des Abschnitts A nahe dem Anodeninnenanschluss 110. Die Struktur gleicht einen Dickenverlust aus, der an der Seite 131 des Metallgehäuses 130 entsprechend dem Kathodeninnenanschluss 120 auftreten kann, wenn das Bördeln an der Seite 131 des Metallgehäuses 130 durchgeführt wird, um eine innige Verbindung zwischen dem Metallgehäuse 130 und dem Kathodeninnenanschluss 120 herzustellen, wodurch eine Verschlechterung der Druckwiderstandseigenschaften verhindert wird.
In der vorliegenden Erfindung ist ein relativ dicker Abschnitt auf der Seite 131 des Metallgehäuses 130 nicht auf einen Abschnitt beschränkt, der der Höhe h des Kathodeninnenanschlusses 120 entspricht, und kann sich mit einem vorgegebenen Abstand in die Richtung erstrecken, die von dem Kathodeninnenanschluss 120 wegweist. Der Dickenverlauf über die Seite 131 des Metallgehäuses 130 kann auch scharf definiert oder stufenartig verlaufen.
Der Dickenverlauf ist vorzugsweise so gewählt, dass das Verhältnis der Dicke des Abschnitts B nahe dem Kathodeninnenanschluss 120 zu der Dicke des Abschnitts A nahe dem Anodeninnenanschluss 110 120 bis 150% beträgt. Wenn das Verhältnis weniger als das Minimum beträgt, ist die Wirkung der Verstärkung der Umgebung des Kathodeninnenanschlusses 120 unzureichend, und wenn das Verhältnis das Maximum übersteigt, ist es nicht leicht, die internen Komponenten, beispielsweise die Rohzelle und dergleichen, zu montieren, und einen Bördelvorgang durchzuführen, wodurch der Kontaktzustand zwischen den Anschlüssen 110 und 120 und dem Metallgehäuse 130 instabil wird, was zu einem erhöhten elektrischen Widerstand führt.
Wie in der 8 dargestellt, ist der Vorsprung 133 für die Konzentrizität in der Mitte des Bodens 142 des Metallgehäuses 130 ausgebildet. Da der Vorsprung 133 für die Konzentrizität in der Mitte des Kathodeninnenanschlusses 120 angeordnet ist, ermöglicht der Vorsprung 133 für die Konzentrizität die exakte Anordnung des Kathodeninnenanschlusses 120 in der Mitte des Metallgehäuses 130. Wenn der Vorsprung 133 für die Konzentrizität einstückig mit der Seite 131 und dem Boden 142 des Metallgehäuses 130 ausgebildet ist, wird das Metallgehäuse 130 verstärkt und weist anschließend Verbesserungen hinsichtlich der Verformungs-Verhinderungseigenschaften auf.
Wie vorstehend beschrieben, kann die Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie gemäß der vorliegenden Erfindung die Seite 131 des Metallgehäuses 130 nahe dem Kathodeninnenanschluss 120, die aufgrund des Dickenverlaufs der Seite 131 des Metallgehäuses 130 gegenüber dem Innendruck weniger widerstandsfähig ist als in der Umgebung des Anodeninnenanschlusses 110, wirksam verstärken, wodurch die Druckwiderstandseigenschaften verbessert werden.
Dementsprechend können durch die vorliegende Erfindung die elektrischen Eigenschaften und die Stabilität der Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie, zum Beispiel einem Ultrakondensator, verbessert und das Herstellungsverfahren vereinfacht sowie die Herstellungskosten gesenkt werden.
Entsprechend der vorstehenden Beschreibung kann die Verbindung zwischen dem Außenanschluss und dem Innenanschluss durch den lasergeschweißten Abschnitt verbessert und dazwischen ein inniger Kontakt hergestellt werden, wodurch sich verbesserte Kontaktwiderstandseigenschaften ergeben. Es ist außerdem möglich, die Größe oder den Abstand der Schweißpunkte präzise zu steuern, wodurch es einfacher ist, die Zugfestigkeit des geschweißten Abschnitts zu steuern.
Der Bördelabschnitt des Metallgehäuses steht außerdem mit der Bördelnut des Innenanschlusses in Eingriff bzw. in innigem Kontakt, wodurch ein großer Kontaktbereich und ein stabiler Kontakt erzielt werden, wodurch sich eine einfache Montage des Metallgehäuses und des Innenanschlusses sowie verbesserte Widerstandseigenschaften ergeben. Zudem kann der abgeschrägte Abschnitt des Innenanschlusses einen Versatz des Innenanschlusses verhindern, wenn das Metallgehäuse kontaktiert wird, wodurch der Kontaktwiderstand stabil aufrechterhalten bleibt.
Zudem kann die Seite des Metallgehäuses nahe dem Anschluss, der gegenüber dem Innendruck relativ gering widerstandsfähig ist, verstärkt und somit widerstandsfähig gegenüber Verformungen gemacht werden, und die Druckwiderstandsfähigkeit ist durch Einstellung des Dickenverlaufs der Seite des Metallgehäuses einfach steuerbar.
Der Vorsprung für die Konzentrizität, der auf dem Metallgehäuse ausgebildet ist, ermöglicht außerdem die exakte Anordnung des Innenanschlusses in der Mitte des Metallgehäuses und verstärkt das Metallgehäuse, wodurch die Verformungs-Verhinderungseigenschaften verbessert werden.

Claims

Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie, umfassend ein Metallgehäuse (130) zur Aufnahme einer Rohzelle und erste und zweite Anschlüsse (132, 141), die den jeweiligen Elektroden der Rohzelle entsprechend außerhalb des Metallgehäuses angeordnet sind, wobei die Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie Folgendes umfasst: ein plattenförmiges Element (140) an zumindest einem der Anschlüsse; einen Innenanschluss (110), der mit dem plattenförmigen Element in Kontakt steht, um zwischen dem Innenanschluss und dem plattenförmigen Element eine Grenze zu bilden; und einen lasergeschweißten Abschnitt (170), der entlang der Grenze zwischen dem Innenanschluss und dem plattenförmigen Element ausgebildet ist, um das plattenförmige Element mit dem Innenanschluss zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass der lasergeschweißte Abschnitt aus einer Vielzahl von Schweißpunkten besteht, die entlang der Grenze zwischen dem plattenförmigen Element und dem Innenanschluss wiederholt ausgebildet sind, und ein Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Schweißpunkte innerhalb des Durchmessers der Schweißpunkte liegt.
Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie nach Anspruch 1, wobei entlang des Außenumfangs des Innenanschlusses eine Bördelnut ausgebildet ist, und das Metallgehäuse einen Bördelabschnitt aufweist, der mit der Bördelnut in innigem Kontakt steht.
Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei zwischen dem Boden und der Seite des Metallgehäuses eine abgerundete Kante ausgebildet ist, um den Innendruck zu regeln, und an dem Innenanschluss der Kante des Metallgehäuses entsprechend ein abgeschrägter Abschnitt ausgebildet ist.
Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 2 bis 3 mit zwei Innenanschlüssen (110, 120) jeweils entsprechend dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss, und wobei einer der Innenanschlüsse dem ersten Anschluss oder dem zweiten Anschluss entsprechend den Bördelabschnitt mit einem dazwischen angeordneten Isolierelement innig kontaktiert und der andere Innenanschluss den Bördelabschnitt unmittelbar kontaktiert.
Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Metallgehäuse entlang seiner Seite einen solchen Dickenverlauf aufweist, dass die Dicke eines Abschnitts nahe dem zweiten Anschluss größer ist als die Dicke eines Abschnittes nahe dem ersten Anschluss.
Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie nach Anspruch 5, wobei die Seite des Metallgehäuses einen Abschnitt, der mit der Höhe des Innenanschlusses zumindest dem zweiten Anschluss entsprechend korrespondiert, mit einer Dicke aufweist, die größer ist als die Dicke des anderen Abschnitts.
Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 5 bis 6 wobei das Verhältnis der Dicke des Abschnitts nahe dem zweiten Anschluss zur Dicke des Abschnitts nahe dem ersten Anschluss 120 bis 150% beträgt.
Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Vorsprung für die Konzentrizität in der Mitte von zumindest einem Anschluss des Metallgehäuses ausgebildet ist.
Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie nach Anspruch 8, wobei der Vorsprung für die Konzentrizität einstückig mit dem Körper des Metallgehäuses ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie, umfassend ein Metallgehäuse (130) zur Aufnahme einer Rohzelle und erste und zweite Anschlüsse (132, 141), die außerhalb des Metallgehäuses den jeweiligen Elektroden der Rohzelle entsprechend angeordnet sind, wobei das Verfahren umfasst: (a) Vorbereiten eines Werkstücks für den Schweißvorgang durch Kontaktierung eines Innenanschlusses (110) mit einem plattenförmigen Element (140) an zumindest einem der Anschlüsse; (b) Ausrichten des Werkstücks gegenüber einer Abstrahleinrichtung eines Laserschweißgeräts, so dass ein Laserstrahl auf die Grenze zwischen dem plattenförmigen Element und dem Innenanschluss gerichtet wird; und (c) Durchführung eines Laserschweißvorgangs an der Grenze entlang des Außenumfangs des Werkstücks, wobei entweder das Werkstück oder die Abstrahleinheit relativ zu einander oder zu dem anderen bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (c) das wiederholte Ausbilden einer Vielzahl von Laserschweißpunkten entlang des Außenumfangs des Werkstücks umfasst, wobei das Werkstück mit einer vorgegebenen Drehzahl relativ gegenüber der Laserabstrahleinrichtung gedreht wird, und wobei ein Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Schweißpunkte innerhalb des Durchmessers der Schweißpunkte liegt.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie nach Anspruch 10, wobei eine Bördelnut entlang des Außenumfangs des Innenanschlusses ausgebildet ist, das Verfahren ferner das Einsetzen des Innenanschlusses in das Metallgehäuse und ein Bördeln eines Abschnitts des Metallgehäuses, der dem Innenanschluss entspricht, umfasst, so dass ein Bördelabschnitt ausgebildet ist, der mit der Bördelnut des Innenanschlusses in innigem Kontakt steht.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei ein abgeschrägter Abschnitt entlang des Umfangsrandes des Innenanschlusses ausgebildet wird; und der Innenanschluss so in das Metallgehäuse eingesetzt ist, dass der abgeschrägte Abschnitt der Kante zwischen dem Boden und der Seite des Metallgehäuses gegenüberliegt.