DE102012204595A1 - Arrangement for passing a current path through a housing of a battery cell, battery cell and method for the production thereof - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Hindurchführen eines Strompfades durch ein Gehäuse einer Batteriezelle. Die Anordnung weist einen Stromkollektor auf, der dafür ausgebildet ist, mit einer innerhalb des Gehäuses angeordneten Elektrode der Batteriezelle elektrisch leitend verbunden zu werden. Ferner weist die Anordnung ein Anschlussbauteil auf, das dafür eingerichtet ist, einen elektrischen Anschluss der Batteriezelle auf einer Außenseite des Gehäuses zu ermöglichen. Die Erfindung sieht vor, dass der Stromkollektor und das Anschlussbauteil in einem Fügebereich zumindest abschnittsweise miteinander ultraschallverschweißt oder reibverschweißt sind. Hierdurch sind der Stromkollektor und das Anschlussbauteil mechanisch sowie elektrisch leitend miteinander verbunden. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Batteriezelle mit einem Gehäuse, mit einer innerhalb des Gehäuses angeordneten ersten Elektrode und mit einer ersten derartigen Anordnung zum Hindurchführen eines ersten Strompfades durch das Gehäuse. Der Stromkollektor der ersten Anordnung ist hierbei mit der ersten Elektrode elektrisch leitend verbunden. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Batteriezelle vorgeschlagen.The invention relates to an arrangement for passing a current path through a housing of a battery cell. The arrangement has a current collector which is designed to be electrically conductively connected to an electrode of the battery cell arranged within the housing. Furthermore, the arrangement has a connection component, which is configured to allow an electrical connection of the battery cell on an outer side of the housing. The invention provides that the current collector and the connection component are ultrasonically welded or friction-welded together at least in sections in a joining region. As a result, the current collector and the connection component are mechanically and electrically connected to each other. Furthermore, the invention relates to a battery cell having a housing, having a first electrode disposed within the housing and having a first such arrangement for passing a first current path through the housing. The current collector of the first arrangement is in this case electrically conductively connected to the first electrode. Furthermore, a method for producing such a battery cell is proposed.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Hindurchführen eines Strompfades durch ein Gehäuse einer Batteriezelle sowie eine Batteriezelle mit einer derartigen Anordnung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle.The invention relates to an arrangement for passing a current path through a housing of a battery cell and a battery cell with such an arrangement. Furthermore, the invention relates to a method for producing a battery cell.
Wenngleich sich die Erfindung bei Batteriezellen verschiedenster Art als nützlich erweisen kann, soll die Erfindung nachfolgend am Beispiel einer Zelle eines Lithium-Ionen-Akkumulators, wie er beispielsweise als Traktionsbatterie für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug verwendet werden kann, näher beschrieben werden.Although the invention may prove useful in battery cells of various kinds, the invention will be described below using the example of a cell of a lithium-ion battery, as it can be used for example as a traction battery for an electrically powered motor vehicle, in more detail.
Lithium-Ionen-Akkumulatorzellen weisen üblicherweise positive und negative Elektroden auf, welche innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind. Zur Herstellung einer prismatischen Lithium-Ionen-Zelle können zum Beispiel eine Anodenschicht aus Kupfer und eine Kathodenschicht aus Aluminium zusammen mit einer Separatorschicht zu einem als Wickel ausgeführten Zellkern gewickelt werden, wie etwa in der
Die Erfindung schafft eine Anordnung zum Hindurchführen eines Strompfades durch ein Gehäuse einer Batteriezelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Batteriezelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.The invention provides an arrangement for passing a current path through a housing of a battery cell having the features of patent claim 1, a battery cell having the features of
Die erfindungsgemäße Anordnung zum Hindurchführen eines Strompfades durch ein Gehäuse einer Batteriezelle weist auf:
- – einen Stromkollektor, welcher dafür ausgebildet ist, mit einer innerhalb des Gehäuses angeordneten Elektrode der Batteriezelle elektrisch leitend verbunden zu werden; und
- – ein Anschlussbauteil, welches dafür eingerichtet ist, einen elektrischen Anschluss der Batteriezelle auf einer Außenseite des Gehäuses zu ermöglichen.
- A current collector adapted to be electrically connected to an electrode of the battery cell disposed within the housing; and
- - A connection component, which is adapted to allow an electrical connection of the battery cell on an outer side of the housing.
Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Stromkollektor und das Anschlussbauteil in einem Fügebereich zumindest abschnittsweise miteinander ultraschallverschweißt oder reibverschweißt sind. Durch das Fügen mittels Ultraschallschweißung oder Reibschweißung ist der Stromkollektor mit dem Anschlussbauteil sowohl mechanisch als auch elektrisch leitend verbunden.In this case, it is provided according to the invention that the current collector and the connection component are ultrasonically welded or friction-welded together at least in sections in a joining region. By joining by ultrasonic welding or friction welding, the current collector is connected to the terminal component both mechanically and electrically conductive.
Eine erfindungsgemäße Batteriezelle weist ein Gehäuse, eine innerhalb des Gehäuses angeordnete erste Elektrode sowie eine derartige Anordnung zum Hindurchführen eines ersten Strompfades durch das Gehäuse auf. Hierbei ist der Stromkollektor der ersten Anordnung mit der ersten Elektrode elektrisch leitend verbunden. A battery cell according to the invention has a housing, a first electrode disposed within the housing and such an arrangement for passing a first current path through the housing. In this case, the current collector of the first arrangement is electrically conductively connected to the first electrode.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung einer Batteriezelle mit einem Strompfad, welcher durch ein Gehäuse der Batteriezelle hindurchgeführt ist, und weist die Schritte auf:
- – Bereitstellen eines Stromkollektors, welcher dafür eingerichtet ist, mit einer innerhalb des Gehäuses angeordneten Elektrode der Batteriezelle elektrisch leitend verbunden zu werden;
- – Bereitstellen eines Anschlussbauteils, welches dafür eingerichtet ist, einen elektrischen Anschluss der Batteriezelle auf einer Außenseite des Gehäuses zu ermöglichen; und
- – Fügen des Stromkollektors und des Anschlussbauteils in einem Fügebereich zumindest abschnittsweise mittels Ultraschallschweißen oder Reibschweißen derart, dass der Stromkollektor und das Anschlussbauteil mechanisch sowie elektrisch leitend verbunden werden.
- - Providing a current collector, which is adapted to be electrically conductively connected to a disposed within the housing electrode of the battery cell;
- - Providing a connection component, which is adapted to allow an electrical connection of the battery cell on an outer side of the housing; and
- - Joining the current collector and the connection component in a joining region at least in sections by means of ultrasonic welding or friction welding such that the current collector and the connection component are mechanically and electrically connected.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, den Stromkollektor mit dem Anschlussbauteil mittels eines Fügeverfahrens – namentlich einem Ultraschallschweißverfahren oder einem Reibschweißverfahren – zu fügen, welches auch dann, wenn der Stromkollektor und das mit diesem zu verbindende Anschlussbauteil aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen gefertigt sind, eine zuverlässige elektrische und mechanische Verbindung dieser Komponenten gewährleistet. The idea on which the present invention is based is to add the current collector to the connection component by means of a joining method, namely an ultrasonic welding method or a friction welding method, which is also produced when the current collector and the connection component to be connected thereto are made of different metallic materials. ensures a reliable electrical and mechanical connection of these components.
Auf diese Weise kann das Anschlussbauteil aus einem kostengünstigen metallischen Werkstoff – zum Beispiel Aluminium oder einer Aluminiumlegierung – gefertigt werden, während der Stromkollektor, der üblicherweise mit einem Elektrolyt innerhalb des Gehäuses in Kontakt kommt, aus dem unter elektrochemischen Gesichtspunkten geeigneten metallischen Werkstoff – für die negative Elektrode zum Beispiel aus Kupfer oder einer Kupferlegierung – ausgebildet werden kann. Gerade bei Akkumulatoranordnungen mit einer größeren Zahl einzelner Batteriezellen kann eine kostengünstigere Ausführung der dann in großer Anzahl gebrauchten Anschlussbauteile zu einer erheblichen Kostensenkung führen.In this way, the terminal member made of a low cost metallic material - for example, aluminum or an aluminum alloy - are manufactured, while the current collector, which usually comes into contact with an electrolyte within the housing, from the electrochemically viewpoint suitable metallic material - for the negative Electrode, for example, made of copper or a copper alloy - can be formed. Especially with accumulator arrangements with a larger number of individual battery cells, a more cost-effective design of the then used in large numbers connection components can lead to a significant cost reduction.
Die gute mechanische Verbindung von Stromkollektor und Anschlussbauteil ermöglicht eine vorteilhafte Aufnahme von auf das Anschlussbauteil aufgebrachten mechanischen Kräften und dadurch die Bereitstellung einer robusten Batteriezelle. Ferner ermöglicht die stoffschlüssige, elektrisch leitende Verbindung von Stromkollektor und Anschlussbauteil durch Ultraschallschweißen oder durch Reibschweißen einen zuverlässig über lange Zeit geringen Durchgangswiderstand, und der Stromfluss entlang des durch das Gehäuse hindurchgeführten Strompfades wird nicht beeinträchtigt. Darüber hinaus kann das Fügen mittels des Ultraschall- oder Reibschweißverfahrens sehr schnell erfolgen, was sich wiederum günstig auf Fertigungszeit und Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Batteriezelle auswirken kann. The good mechanical connection of the current collector and the connection component allows an advantageous absorption of mechanical forces applied to the connection component and thereby the provision of a robust battery cell. Furthermore, the cohesive, electrically conductive connection of current collector and connection component by ultrasonic welding or by friction welding allows reliable over a long time low volume resistance, and the flow of current along the current passed through the housing current path is not affected. In addition, the joining by means of the ultrasonic or friction welding can be done very quickly, which in turn can have a favorable effect on production time and manufacturing costs of the battery cell according to the invention.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.Advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims and from the description with reference to the figures of the drawing.
In einer Ausgestaltung ist der Stromkollektor als ein durch Umformen eines Blechzuschnittes hergestelltes Bauteil ausgeführt. Insbesondere kann der Stromkollektor als ein Stanzbiegeteil ausgebildet sein. In one embodiment, the current collector is designed as a component produced by forming a sheet metal blank. In particular, the current collector may be formed as a stamped and bent part.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist das Anschlussbauteil als ein spanend durch Drehen hergestelltes Bauteil ausgeführt. Insbesondere kann das Anschlussbauteil spanend durch Drehen mittels eines Drehautomaten als ein Automatendrehteil ausgebildet werden. Ein derart hergestelltes Anschlussbauteil ist dann vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet. Als Automatendrehteil kann das Anschlussbauteil mit Vorteil kostengünstig hergestellt werden.In a preferred development, the connection component is designed as a component produced by machining by turning. In particular, the connection component can be made by machining by turning by means of a lathe as an automatic lathe part. A connection component produced in this way is then preferably rotationally symmetrical. As an automatic rotating part, the connection component can advantageously be produced inexpensively.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Anschlussbauteil einen Abschnitt auf, welcher durch eine Öffnung in einer Wandung des Gehäuses hindurchführbar ist. Hierbei weist das Anschlussbauteil eine Stirnseite auf, welche bei der fertigen Batteriezelle einem Innenraum des Gehäuses zugewandt ist. Bei dieser Ausgestaltung ist der Fügebereich an der Stirnseite des Anschlussbauteils angeordnet. Dies vereinfacht das Fügen mittels Ultraschall- oder Reibschweißen.In a further embodiment, the connection component has a section which can be guided through an opening in a wall of the housing. In this case, the connection component has an end face, which faces an interior of the housing in the finished battery cell. In this embodiment, the joining region is arranged on the end face of the connection component. This simplifies the joining by means of ultrasonic or friction welding.
In einer bevorzugten Variante kann der Fügebereich bei der vorstehenden Ausgestaltung bei der fertigen Batteriezelle innerhalb des Gehäuses angeordnet sein.In a preferred variant, the joining region can be arranged in the above embodiment in the finished battery cell within the housing.
Bei einer anderen Ausgestaltung weist der Stromkollektor einen Abschnitt auf, welcher durch eine Öffnung in einer Wandung des Gehäuses hindurchführbar ist. Bei dieser Ausgestaltung weist der Abschnitt des Stromkollektors eine Stirnseite auf, welche bei der fertigen Batteriezelle von einem Innenraum des Gehäuses abgewandt ist. Der Fügebereich ist hierbei an der Stirnseite des Abschnitts des Stromkollektors angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung kann das Anschlussbauteil noch einfacher und kostengünstiger gestaltet sein.In another embodiment, the current collector has a portion which can be passed through an opening in a wall of the housing. In this embodiment, the portion of the current collector on an end face, which faces away from an interior of the housing in the finished battery cell. The joining region is in this case arranged on the end face of the section of the current collector. In this embodiment, the connection component can be made even simpler and cheaper.
In einer Variante der vorstehenden Ausgestaltung kann der Fügebereich bei der fertiggestellten Batteriezelle auf einer Außenseite des Gehäuses angeordnet sein.In a variant of the preceding embodiment, the joining region in the finished battery cell can be arranged on an outer side of the housing.
In einer Weiterbildung der Batteriezelle ist vorgesehen, dass die Batteriezelle eine innerhalb des Gehäuses angeordnete zweite Elektrode sowie eine zweite erfindungsgemäße Anordnung zum Hindurchführen eines zweiten Strompfades durch das Gehäuse aufweist. Hierbei ist der Stromkollektor der zweiten Anordnung mit der zweiten Elektrode elektrisch leitend verbunden.In a development of the battery cell, it is provided that the battery cell has a second electrode arranged inside the housing and a second arrangement according to the invention for passing a second current path through the housing. In this case, the current collector of the second arrangement is electrically conductively connected to the second electrode.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Batteriezelle sind die Anschlussbauteile der ersten Anordnung und der zweiten Anordnung jeweils aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet. Ferner ist hierbei der Stromkollektor der ersten Anordnung aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet. Der Stromkollektor der zweiten Anordnung ist bei dieser Ausgestaltung hingegen aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung ausgebildet. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Anschlussbauteile, von denen beispielsweise bei einer Akkumulatoranordnung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit einer größeren Anzahl von Lithium-Ionen-Batteriezellen ein recht große Anzahl benötigt wird, einheitlich mit dem vergleichsweise kostengünstigen Aluminium ausgebildet werden können und Kosten für teures Kupfer zur Herstellung dieses Teil der Gesamtzahl der Anschlussbauteile vermieden werden können.In a further embodiment of the battery cell, the connection components of the first arrangement and the second arrangement are each formed from aluminum or from an aluminum alloy. Further, in this case, the current collector of the first arrangement is made of aluminum or of an aluminum alloy. The current collector of the second arrangement is formed in this embodiment, however, made of copper or a copper alloy. This embodiment has the advantage that the connection components, of which a fairly large number are required, for example, in the case of an accumulator arrangement for an electrically operated vehicle having a larger number of lithium-ion battery cells, can be formed uniformly with the comparatively inexpensive aluminum and costs for expensive copper for making this part of the total number of connecting components can be avoided.
Insbesondere bildet hierbei die erste Elektrode eine positive Elektrode der Batteriezelle, während die zweite Elektrode eine negative Elektrode der Batteriezelle bildet.In particular, in this case, the first electrode forms a positive electrode of the battery cell, while the second electrode forms a negative electrode of the battery cell.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Batteriezelle ist die Batteriezelle als eine Zelle eines Lithium-Ionen-Akkumulators ausgebildet, wobei der Lithium-Ionen-Akkumulator beispielsweise für einen Einsatz als Traktionsbatterie in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug vorgesehen sein kann. In a preferred embodiment of the battery cell, the battery cell is formed as a cell of a lithium-ion battery, wherein the lithium-ion battery may be provided, for example, for use as a traction battery in an electrically powered vehicle.
Die Elektroden sind in einer bevorzugten Ausgestaltung der Batteriezelle mit zu einem Wickel gerollten Folien ausgebildet. Der Wickel kann zusätzlich eine Separatorfolie aufweisen.The electrodes are formed in a preferred embodiment of the battery cell with rolled into a roll films. The winding may additionally have a Separatorfolie.
Die obigen Ausgestaltungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.The above embodiments can, if appropriate, combine arbitrarily. Further possible refinements, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention which have not been explicitly mentioned above or described below with regard to the exemplary embodiments. In particular, the expert is also individual aspects as improvements or additions to the add to respective basic form of the present invention.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments indicated in the schematic figures of the drawing. Hereby show:
Die beiliegenden Figuren der Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.The accompanying figures of the drawings are intended to convey a further understanding of the embodiments of the invention. They illustrate embodiments and, together with the description, serve to explain principles and concepts of the invention. Other embodiments and many of the stated advantages will become apparent with reference to the drawings. The elements of the drawings are not necessarily shown to scale to each other.
In den Figuren der Zeichnungen sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts anderes ausgeführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures of the drawings are the same, functionally identical and same-acting elements, features and components - unless otherwise stated - each provided with the same reference numerals.
Eine Anordnung
Innerhalb des Gehäuses der Batteriezelle sind eine erste und eine zweite Elektrode angeordnet. Die erste Elektrode bildet eine positive Elektrode, die zweite Elektrode bildet eine negative Elektrode. Die beiden Elektroden können als in geeigneter Weise beschichtete Metallfolien ausgebildet sein, die zusammen mit als Diaphragmen dienenden Kunststofffolien zu einem flachen Wickel gerollt werden. Dabei wird bevorzugt die positive Elektrode mit einer Aluminiumfolie, die negative Elektrode mit einer Kupferfolie ausgebildet. Der Wickel wird in das Gehäuse der Batteriezelle eingebracht, und das Gehäuse wird dann mit einem geeigneten Elektrolyten befüllt. Within the housing of the battery cell, a first and a second electrode are arranged. The first electrode forms a positive electrode, the second electrode forms a negative electrode. The two electrodes may be formed as suitably coated metal foils which are rolled into a flat roll together with plastic films serving as diaphragms. In this case, the positive electrode is preferably formed with an aluminum foil, the negative electrode with a copper foil. The coil is inserted into the housing of the battery cell, and the housing is then filled with a suitable electrolyte.
Bei der Bildung des Wickels werden die folienförmigen Elektroden entlang einer Wickelachse versetzt aufeinandergelegt. An Schmalseiten des Wickels wird dann die jeweilige positive bzw. negative Spannung mittels jeweils eines mit der jeweiligen Folie dauerhaft, zum Beispiel durch Verschweißen, elektrisch leitend verbundenen Stromkollektors
Der Stromkollektor
Ein mit der positiven Elektrode der Batteriezelle für den Lithium-Ionen-Akkumulator elektrisch leitend verbundener erster Stromkollektor
Das Anschlussbauteil
Der Stromkollektor
Im Zustand der
Der Fügebereich
In dem montierten Zustand der
Auch bei der in
Der in einem Innenraum
Auch bei der Anordnung
Hierbei kann der Abschnitt
Der Abschnitt
Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Anschlussbauteil
Hingegen ist der Stromkollektor
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern kann auf vielfältige Art und Weise modifiziert werden.Although the present invention has been fully described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto, but may be modified in a variety of ways.
Beispielsweise könnte auch bei dem dritten Ausführungsbeispiel ein spanend bearbeitetes Anschlussbauteil vorgesehen sein, etwa ein Automatendrehteil. For example, a machined connecting component could also be provided in the third exemplary embodiment, for example an automatic turning part.
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