DE102012205813A1

DE102012205813A1 - Hartschalenzellgehäuse mit Temperiereinrichtung

Info

Publication number: DE102012205813A1
Application number: DE201210205813
Authority: DE
Inventors: Thomas Woehrle; Joachim Fetzer; Ralf Angerbauer; Holger Fink; Andreas Ruehle; Marke Cicero
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2013-10-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hartschalenzellgehäuse für eine einzelne Alkalimetallzelle, wobei das Hartschalenbatteriegehäuse einen Gehäusegrundkörper (1) mit einem Innenraum zur Aufnahme der Zellkomponenten (30) einer einzelnen Alkalimetallzelle und einen Gehäusedeckel (2) zum Verschließen des Innenraums des Gehäusegrundkörpers (1) umfasst, wobei der Gehäusegrundkörper (1) zumindest im Wesentlichen aus Kunststoff ausgebildet ist und wobei in dem Gehäusegrundkörper (1) ein Temperiermittelkanal (3) ausgebildet ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine derartige galvanische Zelle, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie ein mit einer derartigen galvanischen Zelle ausgestattetes mobiles oder stationäres System.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hartschalenzellgehäuse, eine damit ausgestattete galvanische Zelle, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie ein mit einer derartigen galvanischen Zelle ausgestattetes mobiles oder stationäres System.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft bei stationären Anwendungen, beispielsweise bei Solar- und Windkraftanlagen, bei mobilen Anwendungen, beispielsweise bei Fahrzeugen, wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen, und im Consumer-Bereich, beispielsweise bei Laptops und Mobiltelefone, vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an welche sehr hohe Anforderungen bezüglich der Sicherheit, Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
Ein wichtiger Parameter der Leistungsfähigkeit ist die Energiedichte, welche beispielsweise in Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) angegeben wird. Die Kapazität einer Alkalimetallzelle wird durch die sogenannten aktiven beziehungsweise elektrochemisch aktiven Materialien bestimmt. Neben diesen Materialien weisen Alkalimetallzellen auch sogenannten Passivmaterialien, wie Separatoren, Isolatoren, Elektrodenbinder und Gehäuse- beziehungsweise Verpackungselemente auf, deren Gewicht ebenso wie das Gewicht der Aktivmaterialien einen Einfluss auf die Energiedichte hat.
Prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet sind insbesondere Lithiumionenzellen, da sich diese unter anderem durch hohe Energiedichten der aktiven Materialien und eine äußerst geringe Selbstentladung auszeichnen. Lithiumionenzellen weisen eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode) auf. Das aktive Material der negativen Elektrode (Anode) einer Lithiumionenzelle ist dabei dazu ausgelegt Lithiumionen (Li⁺) reversibel einzulagern (Interkalation) oder wieder auszulagern (Deinterkalation) und wird daher auch als Interkalationsmaterial bezeichnet. Herkömmlicherweise wird Graphit auf der Anodenseite als Interkalationsmaterial eingesetzt.
Ein weiteres attraktives System sind wiederaufladbare Zellen, welche ebenfalls eine positive Elektrode (Kathode) und negative Elektrode (Anode) aufweisen, bei denen das Aktivmaterial der negativen Elektrode (Anode) jedoch kein lithiuminterkalierendes Material, sondern metallisches Lithium oder eine Lithiumlegierung ist. Die positive Elektrode (Kathode) kann dabei beispielsweise auf einem Übergangsmetalloxid mit Schichtstruktur, wie Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO₂), basieren.
Um eine hohe mechanische Stabilität zu erzielen und hohe Sicherheitsanforderungen, beispielsweise bei Fahrzeugen, zu erfüllen, werden Lithiumionenzellen und Lithiumzellen mit metallischer Lithiumanode für derartige Anwendungen herkömmlicherweise durch rein metallische Hartschalenzellgehäuse, so genannte Hardcase-Gehäuse, vor Umwelteinflüssen, insbesondere vor einem Eintritt von Feuchtigkeit in das Zellinnere geschützt. Derzeit werden derartige Hartschalenzellgehäuse meist aus Aluminium durch kalte Tiefziehverfahren hergestellt. Neben einem mechanischen Schutz, schützen metallische Hartschalenzellgehäuse die Komponenten der darin eingehausten Zelle auch vor Feuchtigkeit, da das metallische Gehäusematerial auch als Feuchtigkeits- beziehungsweise Dampfsperre dient.
Lithiumionenzellen und Lithiumzellen mit einer metallischen Lithiumanode weisen einen definierten Temperaturbereich auf, in dem sie optimal betrieben werden können. Um eine Temperatur innerhalb dieses optimalen Betriebstemperaturbereiches einzustellen, können die Zellen an ein Thermomanagementsystem angeschlossen werden, welches die Zellen, beispielsweise nach einem Start an einem kalten Tag, erwärmt oder, beispielsweise während des Betriebes, kühlt. Dabei können die Zellen mit ihrer Unterseite fest an eine so genannte Kühlplatte thermisch und mechanisch angebunden sein, welche die Zellen temperiert und so eine optimale Arbeitsumgebung für die Zellen schafft.
Die Druckschrift DE 10 2009 046 402 A1 beschriebt ein Batteriesystem mit erhöhter Durchstoßfestigkeit.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Hartschalenzellgehäuse für eine einzelne Alkalimetallzelle, insbesondere Lithiumzelle, welches

– einen Gehäusegrundkörper mit einem Innenraum zur Aufnahme der Zellkomponenten einer einzelnen Alkalimetallzelle, insbesondere Lithiumzelle, und
– einen Gehäusedeckel zum Verschließen des Innenraums des Gehäusegrundkörpers

Unter einer Alkalimetallzelle kann insbesondere eine galvanische Zelle verstanden werden, welche als elektrochemisch aktives Material, beispielsweise Anodenmaterial, ein Alkalimetall, wie Lithium oder Natrium, umfasst.
Unter den Zellkomponenten einer Alkalimetallzelle können insbesondere die elektrochemisch aktiven Komponenten einer Alkalimetallzelle, wie die Anode, die Kathode, der Elektrolyt und/oder das Leitsalz, sowie elektrische Komponenten, wie elektrische Ableiter, elektrische Isolatoren und/oder Separatoren innerhalb der Alkalimetallzelle verstanden werden.
Dadurch, dass in dem Gehäusegrundkörper ein Temperiermittelkanal ausgebildet ist kann eine optimale Temperierung der darin aufgenommen Alkalizelle gewährleistet und ein Wärmeaustausch sichergestellt werden. Insbesondere kann durch eine Integration eines Temperiermittelkanals in das Hartschalenzellgehäuse ein thermischer Kontakt zwischen der darin aufgenommenen Alkalizelle und dem Temperiermittel sicher gestellt werden, was bei herkömmlichen Batterien, bei denen mehrere einzelne Alkalizellen auf einer Kühlplatte angeordnet sind, problematisch sein kann. Bei derartigen herkömmlichen Batterien müssen die Zellen nämlich mit einem geringen Toleranzbereich eng verbaut werden, wobei während der Fertigung und des Betriebes einzelne Zellen den thermischen Kontakt zu der Kühlplatte, beispielsweise aufgrund von Fehlpositionierung, Dehnung, Bewegung und/oder Verschiebung der Zellen, verlieren können und Luftspalte zwischen den Zellen und der Kühlplatte entstehen können, welche zu hohen Verlusten der Temperierwirkung beziehungsweise der Heiz- und/oder Kühlwirkung führen können. Durch die Integration des Temperiermittelkanals in das Hartschalenzellgehäuse kann hingegen vorteilhafterweise ein Kontaktverlust, eine Überhitzung und damit ein Ausfall der Zelle vermieden und eine höhere Lebens- beziehungsweise Funktionszeit der Zelle erzielt werden. Zudem kann durch einen Stoffschluss von Bauteilen mit Gehäuse- und Temperierfunktion ein verbesserter Temperaturausgleich erzielt werden.
Dadurch, dass der Gehäusegrundkörper im Wesentlichen aus Kunststoff und nicht wie bei herkömmlichen Hartschalenzellgehäusen aus Metall ausgebildet ist, kann vorteilhafterweise das Gehäusegewicht sowie dessen Material- und Herstellungskosten deutlich verringert werden. Zudem kann vorteilhafterweise auf eine schwere, üblicherweise aus Metall ausgebildete Kühlplatte verzichtet werden und so das Gesamtgewicht weiter reduziert werden. Durch ein verringertes Gewicht kann wiederum vorteilhafterweise die spezifische gravimetrische Energie auf Zellebene deutlich verbessert werden, welche insbesondere beim Einsatz in mobilen Anwendungen von besonderem Interesse ist.
Darüber hinaus kann die Montage beschleunigt werden, da ein Einbau eines separaten Kühlsystems entfallen kann. Insgesamt kann so ferner vorteilhafterweise eine funktionellere Einheit mit einem integrierten Thermosystem und wenigen Anschlüssen, beispielsweise für Strom, Steuerung/Diagnose und Temperierung, bereitgestellt werden, bei deren Montage insbesondere Arbeitsschritte im Hochvoltbereich minimiert werden können.
Da die Materialmenge zur Ausbildung des Gehäusedeckels geringer als die Materialmenge zur Ausbildung des Gehäusegrundkörpers ist, wirkt sich das Materialgewicht des Gehäusedeckels weniger stark auf das Gesamtgewicht des Hartschalenzellgehäuses aus als das Materialgewicht des Gehäusegrundkörpers.
Daher ist es grundsätzlich möglich den Gehäusedeckel aus Metall auszugestalten.
Im Rahmen einer Ausführungsform sind jedoch der Gehäusegrundkörper und der Gehäusedeckel zumindest im Wesentlichen aus Kunststoff ausgebildet.
Dadurch, dass der Gehäusegrundkörper und der Gehäusedeckel im Wesentlichen aus Kunststoff und nicht wie bei herkömmlichen Hartschalenzellgehäusen aus Metall ausgebildet sind, kann vorteilhafterweise das Gehäusegewicht sowie dessen Material- und Herstellungskosten weiter verringert werden und damit die spezifische gravimetrische Energie auf Zellebene weiter verbessert werden.
Zudem weist Kunststoff elektrisch isolierende Eigenschaften auf und ist im Gegensatz zu Metallen nicht elektrisch leitend. Dies bietet den Vorteil einer vereinfachten elektrischen Isolation und einer Vermeidung von im Hochvoltbereich ansonsten auftretenden Isolationsproblemen.
Dadurch, dass der Gehäusegrundkörper durch den Gehäusedeckel verschließbar ist, liegt die darin aufgenommene Zelle sowie beispielsweise Verschaltungselemente zur elektrischen Verschaltung der Zelle zudem vorteilhafterweise nicht offen, wird nach Außen elektrisch isoliert und kann durch das Hartschalenzellgehäuse gut gegen das Einwirken von äußeren mechanische Kräften geschützt werden. Zudem kann, da das Gehäuse im Wesentlichen aus Kunststoff ausgebildet ist, beispielsweise im Fall eines Unfalls, die Gefahr verringert werden, dass metallische Gehäusebruchstücke in die Zelle gelangen, welche gegebenenfalls zu einem internen Kurzschluss führen könnten. So kann insbesondere die Sicherheit erhöht werden. Dies ist insbesondere beim Einsatz in mobilen Anwendungen, beispielsweise in einem Fahrzeug, von Vorteil.
Zudem bietet eine Ausbildung des Gehäuses aus Kunststoff gegenüber einer Ausbildung des Gehäuses aus Metall den Vorteil einer freieren Formgebung des Gehäuses. So kann zum Beispiel eine bessere Anpassung des Gehäuses an die Form des Wickels erfolgen. Beispielsweise können im Innenraum des Gehäuses Rundung gestaltet werden, welche zum Beispiel die Zellkomponentenpackung, insbesondere Wickelpackung, einer ideal prismatischen Form angleicht. Weiterhin kann so eine bessere mechanische Halterung der Zellkomponenten im Gehäuse erzielt und so genannte Retainer zur Positionshaltung der Zelle eingespart werden. Darüber hinaus kann durch eine optimierte Gehäusegestaltung Leerraum und freier Flüssigelektrolyt im Zellinneren eingespart, thermische Übergänge verbessert, eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erzielt und die Lebensdauer der galvanischen Zelle verlängert werden. Weiterhin ermöglicht eine Ausbildung des Gehäuses aus Kunststoff eine Verringerung von Vibrationen, was sich wiederum vorteilhaft auf die Lebensdauer von elektrischen Kontakten, beispielsweise zwischen Terminals und/oder Kollektoren und zellverbindenden Ableiterelementen auswirkt.
Beispielsweise kann die Alkalimetallzelle eine Lithiumzelle sein. Unter einer Lithiumzelle kann insbesondere eine Alkalimetallzelle verstanden werden, welche als elektrochemisch aktives Material, beispielsweise Anodenmaterial, Lithium umfasst. Dabei kann unter einer Lithiumzelle sowohl eine Alkalimetallzelle mit einer metallischen lithiumhaltigen Anode, wie eine Lithiumsauerstoffzelle, als auch eine Alkalimetallzelle mit einer lithiuminterkalierenden Anode, wie eine Lithiumionenzelle, verstanden werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform ist die Alkalimetallzelle eine Lithiumionenzelle.
Eine Lithiumionenzelle stellt eine spezielle Lithiumzellenform dar und weist keine metallische Lithiumanode, sondern eine Anode aus einem so genannten Interkalationsmaterial, beispielsweise Graphit, auf, in welches Lithiumionen reversibel eingelagert (interkaliert) und wieder ausgelagert (deinterkaliert) werden können. Lithiumionenzellen unterscheiden sich weiterhin von Lithiumzellen mit metallischer Lithiumanode dadurch, dass Lithiumionenzellen in der Regel äußerst feuchtigkeitsempfindliche Leitsalze, beispielsweise Lithiumhexafluorophospat (LiPF₆), enthalten, welche unter Umständen in Gegenwart von Wasser bis hin zu Fluorwasserstoff (HF) hydrolysieren können.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Innenraum des Gehäusegrundkörpers zur Aufnahme eines einzelnen Zellwickels, insbesondere Lithiumionenzellwickels, ausgelegt.
Unter einem Zellwickel (englisch: „jelly roll“) kann insbesondere eine spezielle, nämlich wickelförmige, Anordnung der Zellkomponenten einer Alkalimetallzelle verstanden werden. Ein Zellwickel kann zum Beispiel ein wickelförmiges Bauteil sein, welches neben den elektrochemisch aktiven Komponenten einer Alkalimetallzelle, elektrische Ableiterelemente, wie Ableiterfolien, sowie elektrische Isolationselemente, wie eine oder mehrere Isolationsfolien und/oder eine oder mehrere Separatorfolien, umfasst.
Im Rahmen einer Ausführungsform weist der Gehäusegrundkörper eine doppelte Wand mit einem äußeren Wandabschnitt und einem inneren Wandabschnitt auf, insbesondere wobei der Temperiermittelkanal zwischen dem äußeren Wandabschnitt und dem inneren Wandabschnitt ausgebildet ist. Beispielsweise können eine Seitenwand und/oder mehrere Seitenwände und/oder der Boden des Gehäusegrundkörpers als doppelte Wände ausgestaltet sein.
Im Rahmen einer speziellen Ausführungsform weist der Gehäusegrundkörper einen doppelten Boden mit einem äußeren Bodenabschnitt und einem inneren Bodenabschnitt auf, insbesondere wobei der Temperiermittelkanal zwischen dem äußeren Bodenabschnitt und dem inneren Bodenabschnitt ausgebildet ist. Eine Ausbildung des Temperiermittelkanals in Form eines doppelten Bodens des Gehäusegrundkörpers hat den Vorteil, dass die Hydraulik einfacher ausgestaltet werden kann und weniger anfällig gegenüber Störungen, beispielsweise durch gegebenenfalls in dem Temperiermittel enthaltene Gasblasen, ist.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem äußeren Wandabschnitt, insbesondere Bodenabschnitt, und dem inneren Wandabschnitt, insbesondere Bodenabschnitt, mindestens ein Zwischenwandabschnitt ausgebildet. Beispielsweise können zwischen dem äußeren Wandabschnitt, insbesondere Bodenabschnitt, und dem inneren Wandabschnitt, insbesondere Bodenabschnitt, mehrere Zwischenwandabschnitte ausgebildet sein. Der oder die Zwischenwandabschnitte können insbesondere dazu ausgelegt sein, die Strömungsrichtung des Temperiermittelkanals zu ändern beziehungsweise die Strömungsrichtung des Temperiermittelkanals kann um den oder die Zwischenwandabschnitte umlenkbar sein. So kann vorteilhafterweise eine gleichmäßigere Temperierung der Zelle erzielt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Temperiermittelkanal, insbesondere mittels eines oder mehrerer Zwischenwandabschnitte, mäanderförmig ausgebildet. So kann vorteilhafterweise eine besonders gleichmäßige Temperierung der Zelle erzielt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der Gehäusegrundkörper einen, insbesondere von Außen zugänglichen, Zuleitungsanschluss (hydraulische Schnittstelle) zum Anschließen einer Temperiermittel zuführenden Leitung an den Temperiermittelkanal und einen, insbesondere von Außen zugänglichen, Ableitungsanschluss (hydraulische Schnittstelle) zum Anschließen einer Temperiermittel ableitenden Leitung an den Temperiermittelkanal auf. Der Zuleitungsanschluss und der Ableitungsanschluss können dabei auf der gleichen Seite des Gehäusegrundkörpers oder jeweils auf entgegengesetzten Seiten des Gehäusegrundkörpers oder jeweils auf zueinander benachbarten Seiten des Gehäusegrundkörpers ausgebildet sein. Der Zuleitungsanschluss und der Ableitungsanschluss können dabei sowohl zum Anschließen jeweils einer Temperiermittelzuleitung und einer Temperiermittelableitung an ein Hartschalenzellgehäuse als auch zum in Reihe und/oder parallel Schalten von Temperiermittelzuleitungen und Temperiermittelableitungen von zwei oder mehr (ähnlichen) Hartschalenzellgehäusen ausgebildet sein.
Es hat sich herausgestellt, dass die (Wasser-)Dampfdurchlässigkeit von Kunststoffen von der chemischen und physikalischen Beschaffenheit des Kunststoffes abhängt. Um auch bei einem ansonsten dampfdurchlässigen Kunststoff eine hohe Dampfdichtigkeit zu erzielen, insbesondere welche den Maßstäben für Alkalimetallzellen und insbesondere für Lithiumionenzellen entspricht, kann eine Dampfsperrschicht vorgesehen werden, welche ein Eindingen von Feuchtigkeit durch eine Permeation von Wasserdampf durch den ansonsten dampfdurchlässigen Kunststoff verhindert und so eine geeignete Feuchtigkeits- beziehungsweise Dampfdichtigkeit gewährleistet. Es hat sich gezeigt, dass derartige Dampfsperrschichten sogar so sperrend gegen Wassermoleküle sein können, wie herkömmlicherweise eingesetzte gewalzte Aluminiumfolie. Durch die Dampfsperrschicht kann so vorteilhafterweise ein Eindringen von Feuchtigkeit, insbesondere in Form von Wasserdampf, durch den Kunststoff in das Gehäuseinnere verhindert und beispielsweise im Fall einer Lithiumionenzelle eine Hydrolyse des Leitsalzes vermieden werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst daher der Gehäusegrundkörper beziehungsweise der Gehäusegrundkörper und der Gehäusedeckel mindestens eine Dampfsperrschicht. Insbesondere kann die Dampfsperrschicht direkt auf das Material des Gehäusegrundkörpers oder des Gehäusegrundkörpers und des Gehäusedeckels aufgebracht sein. So kann vorteilhafterweise auf zusätzliche Schichten wie Haft- beziehungsweise Klebeschichten verzichtet und Gewicht, Kosten und Raumbedarf weiter reduziert werden.
Im Rahmen einer später im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen galvanischen Element erläuterten, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform sind die Zellkomponenten der Alkalimetallzelle in einer mit einer Dampfsperrschicht ausgestatteten Kunststoffverpackungsfolie verpackt.
Durch eine Kombination dieser beiden Ausführungsformen, insbesondere durch mindestens eine im Hartschalenzellgehäuse vorgesehene Dampfsperrschicht und mindestens eine in der Kunststoffverpackungsfolie vorgesehene Dampfsperrschicht, können die Zellkomponenten der Alkalimetallzelle vorteilhafterweise besonders verlässlich vor einem Feuchtigkeitseintritt geschützt werden.
Unter einer Dampfsperrschicht kann insbesondere eine Schicht aus einem Material verstanden werden, welches einen hohen Wasserdampfdiffusionswiderstand aufweist. Vorzugsweise besitzt das Material der Dampfsperrschicht einen höheren Wasserdampfdiffusionswiderstand als der Kunststoff aus dem der Gehäusegrundkörper beziehungsweise der Gehäusedeckel ausgebildet ist. Der Wasserdampfdiffusionswiderstand des Materials der Dampfsperrschicht kann insbesondere deutlich höher, beispielsweise um einen Faktor ≥ 5, beispielsweise um einen Faktor ≥ 10 oder sogar um einen Faktor ≥ 50 oder ≥ 90 oder gegebenenfalls sogar um einen Faktor ≥ 1.000, größer sein als der Wasserdampfdiffusionswiderstand des der Kunststoffes aus dem der Gehäusegrundkörper beziehungsweise der Gehäusedeckel ausgebildet ist. Beispielsweise kann das Material der Dampfsperrschicht eine Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl von ≥ 10.000, insbesondere von ≥ 100.000, beispielsweise von ≥ 500.000 oder von ≥ 900.000 oder sogar von um etwa 1.000.000, aufweisen.
Durch eine Ausstattung des Hartschalenzellgehäuses mit einer Dampfsperrschicht kann vorteilhafterweise ein Schutz vor Umwelteinflüssen, wie Salznebel, Kondenswasser, gewährleistet werden. Zudem kann durch eine Dampfsperrschicht gegebenenfalls ein Abdiffundieren von Elektrolytlösungsmittelmolekülen verhindert werden.
Durch die Kombination von Kunststoff und Dampfsperrschicht ist es daher vorteilhafterweise möglich ein Hartschalenzellgehäuse mit geringem Gewicht bereitzustellen, welches ähnlich oder sogar genauso mechanisch stabil und dampfsperrend sein kann wie herkömmliche metallische Hartschalenzellgehäuse und damit insbesondere für galvanische Elemente mit feuchtigkeitsempfindlichen Komponenten, wie Alkalimetallzellen, beispielsweise Lithiumzellen, geeignet ist und es ermöglicht bisherige metallische Gehäuse für galvanische Elemente zu ersetzen.
Unter einem zumindest im Wesentlichen aus Kunststoff ausgebildeten Gehäusegrundkörper beziehungsweise Gehäusedeckel kann insbesondere verstanden werden, dass das Materialvolumen des Gehäusegrundkörpers beziehungsweise Gehäusedeckels, welches durch Kunststoff eingenommen wird, insbesondere zumindest mehr als 75 Prozent des Gesamtmaterialvolumens des Gehäusegrundkörpers beziehungsweise Gehäusedeckels beträgt. Beispielsweise kann das Materialvolumen des Gehäusegrundkörpers beziehungsweise Gehäusedeckels, welches durch Kunststoff eingenommen wird, dabei ≥ 90 Prozent des Gesamtmaterialvolumens des Gehäusegrundkörpers beziehungsweise Gehäusedeckels betragen. Insbesondere können dabei zumindest die tragenden Abschnitte des Gehäusegrundkörpers beziehungsweise Gehäusedeckels aus Kunststoff ausgebildet sein. Daneben kann ein zumindest im Wesentlichen aus Kunststoff ausgebildeter Gehäusegrundkörper beziehungsweise Gehäusedeckel Abschnitte aus anderen Materialien aufweisen. Zum Beispiel kann der Gehäusegrundkörper beziehungsweise Gehäusedeckel Abschnitte aufweisen, welche eine nichtkunststoffbasierte Dampfsperrschicht und/oder metallische Elemente, wie elektrische Schnittstellen, so genannte (äußere) Terminals und/oder hydraulische Schnittstellen (Zuleitungsanschluss/Ableitungsanschluss) und/oder Schnittstellendurchführungen, umfassen. Bezogen auf das Gesamtmaterialvolumen des Gehäusegrundkörpers beziehungsweise Gehäusedeckels können die Abschnitte des Gehäusegrundkörpers beziehungsweise Gehäusedeckels, welche aus anderen Materialien als Kunststoff ausgebildet sind, beispielsweise in Summe ein Materialvolumen von < 75 %, beispielsweise von < 10 %, einnehmen.
Es ist möglich, dass der Gehäusegrundkörper beziehungsweise der Gehäusedeckel ausschließlich oder fast ausschließlich aus Kunststoff hergestellt sind. Im Fall des Einsatzes einer kunststoffbasierten Dampfsperrschicht, kann der Gehäusegrundkörper beziehungsweise der Gehäusedeckel beispielsweise ausschließlich aus Kunststoff ausgebildet sein. Da zum Erreichen eines dampfsperrenden Effektes nur wenig Material benötigt wird, kann im Fall des Einsatzes einer, beispielsweise metallischen Dampfsperrschicht, der Gehäusegrundkörper beziehungsweise der Gehäusedeckel beispielsweise immer noch als fast ausschließlich aus Kunststoff ausgebildet bezeichnet werden, auch wenn der Gehäusegrundkörper beziehungsweise der Gehäusedeckel eine geringe Menge an Metall oder Halbmetall umfasst.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Dampfsperrschicht eine metallische, organische, polymere oder gläserne Schicht. Mit derartigen Schichten kann vorteilhafterweise ein dampfsperrender Effekt erzielt werden.
Die Dampfsperrschicht kann beispielsweise eine Schichtdicke von ≥ 1 μm bis ≤ 20 μm aufweisen.
Die Dampfsperrschicht kann beispielsweise durch Aufdampfen, durch Sputtern, durch galvanisches Beschichten, durch Sprühen, durch Tauchen und/oder durch Walzplatieren, insbesondere durch Aufdampfen, durch Sputtern, durch galvanisches Beschichten und/oder durch Walzplatieren, aufgebracht. Diese Auftragtechniken haben sich zum Aufbringen der Dampfsperrschicht als vorteilhaft erwiesen. Dabei kann die Dampfsperrschicht in einem Verfahrensschritt auf den Gehäusegrundkörper und den Gehäusedeckel aufgebracht sein. Gegebenenfalls kann der Untergrund, insbesondere der Kunststoff des Gehäusegrundkörpers beziehungsweise des Gehäusedeckels vor dem Aufbringen der Dampfsperrschicht einer Plasma- und/oder Korona-Behandlung unterzogen werden. So kann vorteilhafterweise die Haftung der Dampfsperrschicht an dem Untergrund verbessert werden.
Die Dampfsperrschicht kann zum Beispiel eine metallische Schicht sein. Insbesondere kann die die Dampfsperrschicht Aluminium und/oder Chrom und/oder Silicium und/oder Eisen umfassen. Insbesondere kann die Dampfsperrschicht aus Aluminium und/oder Chrom und/oder Silicium und/oder Edelstahl ausgebildet sein. Eine metallische Dampfsperrschicht kann beispielsweise durch Aufdampfen, durch Sputtern oder durch galvanisches Beschichten aufgebracht sein.
Gegebenenfalls kann die metallische Dampfsperrschicht eine superhydrophobe, nanostrukturierte Schicht sein. Die superhydrophoben Eigenschaften können dabei insbesondere analog zum so genannten Lotuseffekt durch eine Strukturierung, insbesondere im Nanometerbereich, erzielt werden. Zum Beispiel kann die metallische Dampfsperrschicht mindestens ein nanostrukturiertes Halbmetall, insbesondere nanostrukturiertes Silicium, umfassen. Insbesondere kann die Dampfsperrschicht aus mindestens einem nanostrukturiertes Halbmetall, beispielsweise nanostrukturiertem Silicium, ausgebildet sein.
Insofern die Dampfsperrschicht eine metallische Schicht ist, ist es möglich auf zumindest einen Teil der Dampfsperrschicht, beispielsweise den an den Innenraum angrenzenden Teil eine Isolationsschicht aus einem elektrisch isolierenden Material aufzutragen. Eine elektrische Isolation kann jedoch auch durch andere Maßnahmen, beispielsweise durch das später erläuterte Verpacken von Zellkomponenten in Kunststoffverpackungsfolien erzielt werden.
Die Dampfsperrschicht kann jedoch ebenso eine organische Schicht sein. Insbesondere kann die Dampfsperrschicht Parylen umfassen oder daraus ausgebildet sein.
Insbesondere kann die Dampfsperrschicht eine polymere Schicht sein. Beispielsweise kann die Dampfsperrschicht Parylen und/oder mindestens ein nanostrukturiertes Polyolefin umfassen oder daraus ausgebildet sein.
Eine organische beziehungsweise polymere Dampfsperrschicht kann beispielsweise durch Sprühen oder Tauchen, insbesondere Sprühen, aufgebracht sein.
Insbesondere kann die organische beziehungsweise polymere Dampfsperrschicht eine superhydrophobe, nanostrukturierte Schicht sein. Die superhydrophoben Eigenschaften können dabei insbesondere analog zum so genannten Lotuseffekt durch eine Strukturierung, insbesondere im Nanometerbereich, erzielt werden, Zum Beispiel kann die Dampfsperrschicht mindestens ein nanostrukturiertes Polyolefin, insbesondere nanostrukturiertes Polypropylen (PP) und/oder Polyethylen (PE), umfassen. Insbesondere kann die Dampfsperrschicht aus mindestens einem nanostrukturierten Polyolefin, beispielsweise nanostrukturiertes Polypropylen (PP) und/oder Polyethylen (PE), ausgebildet sein.
Die Dampfsperrschicht kann jedoch ebenso eine gläserne Schicht sein. Beispielsweise kann die Dampfsperrschicht Siliciumdioxid umfassen.
Insbesondere kann die Dampfsperrschicht aus mindestens einem nanostrukturierten Polyolefin, beispielsweise nanostrukturiertes Polypropylen (PP) und/oder Polyethylen (PE), und/oder mindestens einem nanostrukturiertes Halbmetall, beispielsweise nanostrukturiertem Silicium, ausgebildet sein.
Diese superhydrophoben Materialen haben den Vorteil, dass sie – auch wenn sie im unmittelbaren Kontakt mit elektrochemisch aktiven Zellkomponenten, wie den organischen Carbonaten und/oder Lithium-Leitsalz, stehen – einen hohe chemische und elektrochemische Langzeitstabilität aufweisen können. Besonders gute Ergebnisse konnten vorteilhafterweise mit nanostrukturiertem Poylpropylen (PP) erzielt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind zumindest die im geschlossenen Zustand des Gehäuses innen liegenden und/oder den Innenraum begrenzenden Flächen des Gehäusegrundkörpers beziehungsweise des Gehäusegrundkörpers und des Gehäusedeckels, insbesondere im Wesentlichen vollständig, mit einer Dampfsperrschicht bedeckt.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Dampfsperrschicht in den Kunststoff des Gehäusegrundkörpers beziehungsweise des Gehäusegrundkörpers und des Gehäusedeckels integriert. Insbesondere kann dabei die Dampfsperrschicht derart in den Kunststoff des Gehäusegrundkörpers beziehungsweise des Gehäusedeckels integriert sein, dass die Dampfsperrschicht den Gehäuseinnenraum im geschlossenen Zustand des Gehäuses im Wesentlichen vollständig umgibt.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind der Gehäusegrundkörper beziehungsweise der Gehäusegrundkörper und der Gehäusedeckel zumindest im Wesentlichen aus einem Kunststoff ausgebildet, welcher mindestens ein Polymer umfasst, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyolefinen, Polyphenylensulfiden und Kombinationen davon. Beispielsweise können der Gehäusegrundkörper und der Gehäusedeckel aus Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polypropylen-Polyethylen-Copolymer (PP/PE) oder Polyphenylensulfid (PPS) ausgebildet sein. Diese Kunststoffe weisen vorteilhafterweise eine ausreichende Temperaturbeständigkeit, eine gute Chemikalienbeständigkeit und eine gute mechanische Stabilität auf.
Der Gehäusegrundkörper beziehungsweise der Gehäusedeckel kann beispielsweise eine Wandstärke von > 100 μm aufweisen.
Der Gehäusegrundkörper beziehungsweise der Gehäusegrundkörper und der Gehäusedeckel können beispielsweise durch ein Tiefziehverfahren oder Spritzgussverfahren, insbesondere Spritzgussverfahren, insbesondere aus Kunststoff, hergestellt sein. Durch den Einsatz dieser Verfahren für Kunststoffe sind viele Formen realisierbar, welche es ermöglichen, Batterien optimaler, beispielsweise in Fahrzeugen, unterzubringen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weisen der Gehäusegrundkörper und der Gehäusedeckel Verbindungselemente auf, welche dazu ausgelegt sind beim Verschließen des Gehäuses eine Nut-Feder-Steckverbindung auszubilden. Insbesondere können die Verbindungselemente zum Ausbilden der Nut-Feder-Steckverbindung die Innenraumöffnung des Gehäusegrundkörpers, insbesondere vollumfänglich beziehungsweise lückenlos, umlaufen. So kann vorteilhafterweise ein luftdichtes Schließen des Hartschalenzellgehäuses und eine gute Dichtwirkung beim Verschließen des Gehäuses erzielt werden. Insbesondere kann auf den Stirnseiten der, die Öffnung des Gehäusegrundkörperinnenraums begrenzenden Wandungen des Gehäusegrundkörpers mindestens ein nutförmiges und/oder federförmiges Verbindungselement ausgebildet sein, insbesondere wobei der Gehäusedeckel dazu korrespondierendes Verbindungselemente zum Ausbilden einer Nut-Feder-Steckverbindung aufweist.
Um die Dichtwirkung im Rahmen dieser Ausführungsform weiter zu verbessern sind vorzugsweise auch die Verbindungselemente zum Ausbilden der Nut-Feder-Steckverbindung teilweise oder vollständig mit einer Dampfsperrschicht bedeckt beziehungsweise mit einer darin integrierten Dampfsperrschicht versehen. Insbesondere können beim Verschließen des Gehäuses beziehungsweise beim Ausbilden der Nut-Feder-Steckverbindung die Verbindungselemente bedeckende Dampfsperrschichten aneinander anlegbar, beispielsweise anpressbar, sein. So kann vorteilhafterweise ein Eintritt von Feuchtigkeit besonders effektiv verhindert werden und die Feuchtigkeits- beziehungsweise Dampfdichtigkeit weiter gesteigert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind daher die Verbindungselemente zum Ausbilden der Nut-Feder-Steckverbindung teilweise oder vollständig mit einer Dampfsperrschicht bedeckt beziehungsweise mit einer darin integriertem Dampfsperrschicht versehen. Insofern eine Isolationsschicht ohne dampfsperrende Eigenschaften vorgesehen ist, ist die Dampfsperrschicht vorzugsweise im Bereich der Verbindungselemente zum Ausbilden der Nut-Feder-Steckverbindung nicht mit der Isolationsschicht bedeckt.
Weiterhin kann das Hartschalenzellgehäuse mindestens zwei, insbesondere von Außen zugängliche, elektrische Schnittstellen (Terminals) aufweisen, über welche die Alkalimetallzelle im Inneren des Gehäuses elektrisch kontaktiert werden kann.
Hinsichtlich weiterer Ausführungsformen und Vorteile des erfindungsgemäßen Hartschalenzellgehäuses wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen galvanischen Zelle, dem erfindungsgemäßen Verfahren und den Figuren verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine galvanische Zelle, welche ein erfindungsgemäßes Hartschalenzellgehäuse umfasst. Insbesondere können dabei im Innenraum des Gehäusegrundkörpers des Hartschalenzellgehäuses die Zellkomponenten einer (einzelnen) Alkalimetallzelle angeordnet sein. Insbesondere kann dabei im Innenraum des Gehäusegrundkörpers des Hartschalenzellgehäuses ein (einzelner) Zellwickel, beispielsweise (Lithiumionen-)Zellwickel, angeordnet sein.
Bei der Alkalimetallzelle kann es sich insbesondere um Lithiumzelle handeln. Insbesondere kann es sich bei der Alkalimetallzelle um eine Lithiumionenzelle handeln. Im Rahmen einer Ausgestaltung ist im Innenraum des Gehäusegrundkörpers ein einzelner (Alkalimetall-)Zellwickel angeordnet. Insbesondere kann im Innenraum des Gehäusegrundkörpers ein einzelner Lithiumionenzellwickel angeordnet sein.
Eine als Lithiumionenzelle ausgestaltete Alkalimetallzelle kann insbesondere eine Anode aus einem so genannten Interkalationsmaterial umfassen, in welches Lithiumionen reversibel interkalierbar und deinterkalierbar sind. Beispielsweise kann die Anode einer Lithiumionenzelle ein kohlenstoffbasiertes Interkalationsmaterial, wie Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Hardcarbons, Softcarbons und/oder Silicium-Kohlenstoff-Blends umfassen. Als Kathodenmaterial kann eine Lithiumionenzelle beispielsweise Übergangsmetalloxide mit Schichtstruktur, wie Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO₂) und/oder Lihium-Nickel-Cobalt-Manganoxid (NCM), umfassen. Weiterhin kann eine Lithiumionenzelle insbesondere mindestens ein Leitsalz, beispielsweise Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆) und/oder Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), und gegebenenfalls mindestens ein Lösungsmittel, beispielsweise Ethylencarbonat (EC) und/oder Dimethylcarbonat (DMC), umfassen. Zwischen der Anode und der Kathode kann eine Lithiumionenzelle insbesondere einen Separator umfassen. Zur elektrischen Kontaktierung der Anode und Kathode kann eine Lithiumionenzelle insbesondere elektrische Ableiterfolien umfassen. Die anodische Ableiterfolie kann beispielsweise aus Kupfer und die kathodische Ableiterfolie aus Aluminium ausgebildet sein.
Im Rahmen einer Ausführungsform sind die Zellkomponenten der Alkalimetallzelle, insbesondere der Zellwickel, in einer Kunststoffverpackungsfolie verpackt, insbesondere wobei die in der Kunststoffverpackungsfolie verpackten Zellkomponenten, beispielsweise der Zellwickel, in dem Gehäusegrundkörper angeordnet sind.
Durch die Kunststoffverpackungsfolie können die Zellkomponenten, insbesondere der Zellwickel, vorteilhafterweise, insbesondere ohne einen weiteren Verfahrensschritt, elektrisch isoliert und/oder vor Feuchtigkeit geschützt werden.
Zudem kann durch die Kunststoffverpackungsfolie ein definierter Druck auf die Zellkomponenten, insbesondere Zellwickel, aufgebracht werden, welcher vorteilhaft für eine ordnungsgemäße Funktion der Zelle sein kann.
Dadurch, das die in Kunststoffverpackungsfolie verpackten Zellkomponenten in dem durch den Gehäusedeckel verschließbaren Innenraum des Gehäusegrundkörpers des Hartschalenzellgehäuses angeordnet sind und nicht offen verbaut sind, kann vorteilhafterweise ein Schutz vor mechanischen Einwirkungen gewährleistet werden, welcher insbesondere beim Einsatz in mobilen Anwendungen, wie in Fahrzeugen, vorteilhaft ist.
Insgesamt kann durch diese Ausführungsform vorteilhafterweise auf ein metallische Gehäuse verzichtet und das Gewicht sowie die Material- und Herstellungskosten weiter minimiert werden.
Die Kunststoffverpackungsfolie kann beispielsweise mindestens ein polar modifiziertes, insbesondere gepfropftes, Polyolefin, beispielsweise Polypropylen, zum Beispiel Maleinsäure gepfropftes Polypropylen. Insbesondere können die Kunststoffverpackungsfolien aus mindestens einem polar modifizierten, insbesondere gepfropften, Polyolefin, beispielsweise Polypropylen, zum Beispiel Maleinsäure gepfropftem Polypropylen, ausgebildet sein.
Polar modifizierten Polyolefine können vorteilhafterweise eine äußerst hohe Haftung gegenüber Metallen aufweisen. So kann vorteilhafterweise eine gute Dichtwirkung zwischen Kunststoffverpackungsfolien und metallischen Ableiterelementen, beispielsweise Ableiterstiften, so genannten Kollektoren, zum Beispiel aus Kupfer, Aluminium oder Nickel, erzielt werden.
Die Zellkomponenten, insbesondere der Zellwickel, der einzelnen Alkalimetallzelle können beispielsweise in der Kunststoffverpackungsfolie eingeschweißt sein.
Die Kunststoffverpackungsfolie kann vorteilhafterweise dünn ausgestaltet werden und zum Beispiel eine Folienstärke von ≥ 20 μm bis ≤ 100 µm aufweisen.
Die Kunststoffverpackungsfolie kann mit mindestens einer Dampfsperrschicht ausgestattet sein. Insbesondere kann es sich dabei um die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Hartschalenzellgehäuse erläuterten Arten von Dampfsperrschichten handeln. Die Dampfsperrschicht kann in den Kunststoff der Verpackungsfolie integriert sein und/oder die Außenseite und/oder Innenseite der Verpackungsfolie bedecken. Insofern die Kunststoffverpackungsfolie eine metallische Dampfsperrschicht aufweist, kann diese durch eine oder mehr, beispielsweise innen liegende, Isolationsschichten beziehungsweise Kunststofffolienschichten der Verpackungsfolie von den Zellekomponenten oder anderen elektrisch leitenden Komponenten elektrisch isoliert werden.
Eine elektrische Kontaktierung der im Innenraum angeordneten Alkalimetallzelle kann insbesondere über die mindestens zwei, insbesondere von Außen zugänglichen, elektrischen Schnittstellen (Terminals) erfolgen.
Hinsichtlich weiterer Ausführungsformen und Vorteile der erfindungsgemäßen galvanischen Zelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Hartschalenzellgehäuse, dem erfindungsgemäßen Verfahren und den Figuren verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer, insbesondere erfindungsgemäßen, galvanischen Zelle, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

a) Ausbilden/Bereitstellen eines Gehäusegrundkörpers aus Kunststoff derart, dass der Gehäusegrundkörper einen Innenraum zur Aufnahme der Zellkomponenten einer einzelnen Alkalimetallzelle sowie einen in den Gehäusegrundkörper integrierten Temperiermittelkanal aufweist, und gegebenenfalls Ausbilden/Bereitstellen eines Gehäusedeckels zum Verschließen des Innenraums des Gehäusegrundkörpers aus Kunststoff,
b) Einbringen der Zellkomponenten einer einzelnen Alkalimetallzelle, insbesondere mindestens eines (Lithiumionen-)Zellwickels, in den Innenraum des Gehäusegrundkörpers, und
c) Verschließen, insbesondere luftdichtes Verschließen, des Innenraums des Gehäusegrundkörpers mit dem Gehäusedeckel.

Dabei kann in Verfahrensschritt a) und/oder in einem nach Verfahrensschritt c) erfolgenden Verfahrensschritt d) der Kunststoff des Gehäusegrundkörpers oder der Kunststoff des Gehäusegrundkörpers und des Gehäusedeckels, beispielsweise durch eine im Rahmen des erfindungsgemäßen Hartschalenzellgehäuses genannte Auftragtechnik, mit mindestens einer Dampfsperrschicht versehen beziehungsweise beschichtet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann in Verfahrensschritt a) mindestens eine Dampfsperrschicht in den Kunststoff des Gehäusegrundkörpers oder in den Kunststoff des Gehäusegrundkörpers und des Gehäusedeckels integriert werden.
Alternativ oder zusätzlich können in Verfahrensschritt b) die Zellkomponenten der Alkalimetallzelle in Kunststoffverpackungsfolien verpackt in den Innenraum des Gehäusegrundkörpers eingebracht werden, wobei die Kunststoffverpackungsfolie mit mindestens einer Dampfsperrschicht ausgestattet ist.
Zwischen den Verfahrensschritten c) und d) kann das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt c1) stoffschlüssiges Verbinden, insbesondere durch Schweißen, beispielsweise Plasmaschweißen, des Gehäusedeckels mit dem Gehäusegrundkörper. Insbesondere kann dabei eine durchgängiger, insbesondere lückenloser und/oder umlaufender, stoffschlüssiger Verbindungsbereich, beispielsweise in Form einer umlaufenden Schweißnaht, geschaffen werden. So kann vorteilhafterweise die Dampfdichtigkeit weiter verbessert werden. Bei einem nachfolgenden Verfahrensschritt d) kann der stoffschlüssige Verbindungsbereich vorteilhafterweise ebenfalls mit der mindestens einen Dampfsperrschicht beschichtet werden.
Um die Haftung einer Dampfsperrschicht auf dem Kunststoff des Gehäusegrundkörpers und Gehäusedeckels zu verbessern, kann es vorteilhaft sein die Kunststoffoberfläche des Gehäusegrundkörpers und Gehäusedeckels vor dem Aufbringen der Dampfsperrschicht einer Plasma- und/oder Korona-Behandlung zu unterziehen.
Das Verpacken der Zellkomponenten, insbesondere eines Zellwickels, kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Zellkomponenten, insbesondere der Zellwickel, mit einer Kunststoffverpackungsfolie ummantelt werden und deren Öffnungen anschließend, beispielsweise durch Schweißen, verschlossen werden. Insbesondere können die Zellkomponenten, insbesondere der Zellwickel, in eine taschenförmig ausgestaltete Kunststoffverpackungsfolie eingebracht werden, deren Öffnung anschließend, beispielsweise durch Schweißen, verschlossen wird. Wie bereits erläutert kann dabei die Kunststoffverpackungsfolie mit mindestens einer Dampfsperrschicht ausgestattet sein.
Zur elektrischen Kontaktierung der Zellkomponenten können insbesondere elektrische Ableiterelemente vorgesehen sein. Diese können beispielsweise in Form von Ableiterfolien, Ableiterstiften (Kollektoren), Ableiterkabeln und Ableiterblechen ausgebildet sein.
Bei einem Zellwickel können beispielsweise in die Wicklung integrierte elektrische Ableiterfolien dadurch elektrisch kontaktiert werden, dass zwei elektrische Ableiterstifte (Kollektoren) an Positionen in den Zellwickel eingesteckt werden, an denen diese jeweils eine der Ableiterfolien (kathodische beziehungsweise anodische Ableiterfolie) elektrisch kontaktieren. Die Ableiterstifte (Kollektoren) können insbesondere jeweils aus dem gleichen Material ausgebildet sein, wie die damit zu kontaktierende Ableiterfolie. Zum Beispiel kann eine kathodische Ableiterfolie aus Aluminium mit einem Ableiterstift (Kollektoren) aus Aluminium und eine anodische Ableiterfolie aus Kupfer mit einem Ableiterstift (Kollektoren) aus Kupfer elektrisch kontaktiert werden. Die Einsteckrichtung der Ableiterstifte (Kollektoren) kann dabei beispielsweise parallel zur Wicklungsachse sein.
Das Einstecken der Ableiterstifte (Kollektoren) kann grundsätzlich sowohl vor als auch nach dem Verpacken der Zellkomponenten einer Alkalimetallzelle, insbesondere eines Zellwickels, in einer Kunststoffverpackungsfolie erfolgen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte galvanische Zelle.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mobiles oder stationäres System, welches mindestens eine erfindungsgemäße galvanische Zelle umfasst. Beispielsweise kann es sich bei dem mobilen oder stationären System um ein Fahrzeug, wie ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV), ein Plug-in-Hydrid-Elektrofahrzeug (PHEV), ein Elektrofahrzeug (EV) oder ein Mikrohybrid-Fahrzeug, ein Energiespeichersystem, zum Beispiel für ein Gebäude oder eine Anlage oder ein Gerät zur Telekommunikation und/oder Datenverarbeitung, wie ein Mobiltelefon, ein MP3-Player, oder ein Werkzeug, handeln.
Hinsichtlich weiterer Ausführungsformen und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, der damit hergestellten galvanischen Zelle und des erfindungsgemäßen mobilen oder stationären Systems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Hartschalenzellgehäuse, der erfindungsgemäßen galvanischen Zelle, dem erfindungsgemäßen Verfahren und den Figuren verwiesen.
Zeichnungen und Beispiele
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 eine schematische, angeschnittene perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Hartschalenzellgehäuses mit einem Gehäusegrundkörper mit integriertem Temperiermittelkanal;
2 eine schematische, perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten Hartschalenzellgehäuses;
3a–c schematische Querschnitte zur Veranschaulichung von unterschiedlichen Temperiermittelkanaldurchflusskonzepten; und
4 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Hartschalenzellgehäuses, in welcher der Gehäusegrundkörper und der Gehäusedeckel mit Verbindungselementen zur Ausbildung einer Nut-Feder-Steckverbindung zum luftdichten Verschließen des Gehäuses ausgestattet sind.
1 zeigt ein Hartschalenzellgehäuse mit einem Gehäusegrundkörper 1, welcher zumindest im Wesentlichen aus Kunststoff ausgebildet ist. 1 zeigt, dass der Gehäusegrundkörper 1 einen Innenraum aufweist, welcher zur Aufnahme der Zellkomponenten 30 einer einzelnen Alkalimetallzelle, beispielsweise einer Lithiumzelle, ausgelegt ist. Die Zellkomponenten 30 der Alkalimetallzelle können dabei insbesondere in Form eines Zellwickels ausgebildet sein. Darüber hinaus weist das Hartschalenbatteriegehäuse einen Gehäusedeckel 2 zum Verschließen des Innenraums des Gehäusegrundkörpers 1 auf, welcher im Wesentlichen aus Kunststoff ausgebildet sein kann. 1 veranschaulicht, dass dabei die im gezeigten geschlossenen Zustand des Gehäuses innen liegenden, den Innenraum begrenzenden Flächen des Gehäusegrundkörpers 1 und des Gehäusedeckels 2 dabei mit einer Dampfsperrschicht 4 bedeckt sind.
1 zeigt, dass in dem Gehäusegrundkörper 1 ein Temperiermittelkanal 3 ausgebildet ist. Der Temperiermittelkanal 3 dient dabei als eine Art Rohrsystem, durch welches ein Temperiermittel, eine so genannte Thermoflüssigkeit, zur Temperierung der in dem Hartschalengehäuse aufgenommenen Alkalimetallzelle geleitet werden kann. Als Temperiermittel kann zum Beispiel Wasser oder Glysantin eingesetzt werden. In der gezeigten Ausführungsform ist der Temperiermittelkanal 3 durch eine doppelte Wand, insbesondere einen doppelten Boden, 1a, 1b realisiert. 1 veranschaulicht, dass der doppelte Boden 1a, 1b des Gehäusegrundkörpers 11 einen äußeren Bodenabschnitt 1a und einen inneren Bodenabschnitt 1b aufweist, wobei der Temperiermittelkanal 3 zwischen dem äußeren Bodenabschnitt 1a und dem inneren Bodenabschnitt 1b ausgebildet ist. Der Temperiermittelkanal 3 wird dabei insbesondere durch einen Hohlraum zwischen dem äußeren 1a und inneren 1b Bodenabschnitt ausgebildet. Durch diesen Hohlraum 3 unterhalb der Zelle 30 kann Temperiermittel beziehungsweise Kühlmittel geleitet werden.
1 zeigt weiterhin, dass das Hartschalenzellgehäuse von Außen zugängliche, durch den Gehäusedeckel 2 durchgeführte, elektrische Schnittstellen 5, 6, so genannte Terminals, aufweist, über welche die Alkalimetallzelle im Innenraum des Gehäusegrundkörpers elektrisch kontaktiert werden kann.
2 zeigt, dass der Gehäusegrundkörper 1 einen Zuleitungsanschluss 3a zum Anschließen einer Temperiermittel zuführenden Leitung an den Temperiermittelkanal 3 und einen Ableitungsanschluss 3b zum Anschließen einer Temperiermittel ableitenden Leitung an den Temperiermittelkanal 3 aufweist. Der Zuleitungsanschluss 3a und der Ableitungsanschluss 3b sind dabei auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäusegrundkörpers 1 ausgebildet. 2 illustriert, dass das Hartschalenzellgehäuse weiterhin ein Sicherheitsventil 7 aufweist, welches in den Gehäusedeckel 2 integriert ist.
Die 3a bis 3c zeigen schematische Querschnitte durch unterschiedliche Ausführungsformen eines Gehäusegrundkörpers 1 und dienen der Veranschaulichung von unterschiedlichen Durchflusskonzepten des Temperiermittelkanals 3. Dabei zeigen die 3a bis 3c Querschnitte durch die doppelte Wand beziehungsweise den doppelten Boden, welche parallel zwischen dem äußeren 1a und dem inneren 1b Wandabschnitt beziehungsweise Bodenabschnitt der doppelten Wand beziehungsweise des doppelten Bodens liegen. Die 3a bis 3c veranschaulichen, dass zwischen dem äußeren Wandabschnitt beziehungsweise Bodenabschnitt 1a und dem inneren Wandabschnitt beziehungsweise Bodenabschnitt (1b, in Querschnittsansichten nicht dargestellt) jeweils mindestens ein Zwischenwandabschnitt 1c ausgebildet ist, welcher dazu ausgelegt ist, die Strömungsrichtung des Temperiermittelkanals 3 zu ändern.
In der in 3a gezeigten Ausführungsform sind der Zuleitungsanschluss 3a und der Ableitungsanschluss 3b auf der gleichen Seite des Gehäusegrundkörpers 1 ausgebildet. Dabei ist ein Zwischenwandabschnitt 1c ausgebildet, um welchen die Strömungsrichtung des Temperiermittelkanals 3 von einem ersten, sich vom Zuleitungsanschluss 3a weg erstreckenden Strömungsrichtungsabschnitt in einen dazu gegenläufigen, sich in Richtung des Ableitungsanschlusses 3b erstreckenden zweiten Strömungsrichtungsabschnitt, beispielsweise einfach, umlenkt wird.
In der in 3b gezeigten Ausführungsform sind der Zuleitungsanschluss 3a und der Ableitungsanschluss 3b auf gegenüberliegenden Seite des Gehäusegrundkörpers 1 ausgebildet. Dabei sind sechs Zwischenwandabschnitte 1c ausgebildet, um welche die Strömungsrichtung des Temperiermittelkanals 3 mäanderförmig insgesamt sechs Mal von einem, sich vom Zuleitungsanschluss 3a weg erstreckenden Strömungsrichtungsabschnitt in einen sich dazu gegenläufig, erstreckenden Strömungsrichtungsabschnitt umlenkt wird, wobei der Temperiermittelkanal 3 im letzten Strömungsrichtungsabschnitt in den Ableitungsanschluss 3b mündet.
In der in 3c gezeigten Ausführungsform sind der Zuleitungsanschluss 3a und der Ableitungsanschluss 3b auf der gleichen Seite des Gehäusegrundkörpers 1 ausgebildet. Dabei sind sieben Zwischenwandabschnitte 1c derart ausgebildet, dass die Strömungsrichtung des Temperiermittelkanals 3 mäanderförmig zunächst sechs Mal von einem, sich vom Zuleitungsanschluss 3a weg erstreckenden Strömungsrichtungsabschnitt in einen sich dazu gegenläufig, erstreckenden Strömungsrichtungsabschnitt umlenkt wird und schließlich ein weiteres Mal in einen weiteren, Strömungsrichtungsabschnitt umgelenkt wird, in welchem der Temperiermittelkanal 3 an den sechs vorherigen Strömungsabschnitten vorbei in Richtung auf den Ableitungsanschluss 3b geführt wird.
Die 3a bis 3c illustrieren weiterhin, dass zwischen dem äußeren Wandabschnitt beziehungsweise Bodenabschnitt 1a und dem inneren Wandabschnitt beziehungsweise Bodenabschnitt (1b, in Querschnittsansichten nicht dargestellt) Seitenwandabschnitte 1d ausgebildet sind, welche den Temperiermittelkanal 3 seitlich begrenzen.
4 zeigt eine Ausführungsform eines Hartschalenmodulgehäuses, in welcher der Gehäusegrundkörper 1 und der Gehäusedeckel 2 mit Verbindungselementen Z zur Ausbildung einer Nut-Feder-Steckverbindung zum luftdichten Verschließen des Gehäuses ausgestattet sind. Dabei umlaufen die Verbindungselemente Z vorzugsweise die Innenraumöffnung des Gehäusegrundkörpers 1. Die Verbindungselemente Z sind dabei zumindest teilweise derart mit einer Dampfsperrschicht 4 bedeckt, dass beim Ausbilden der Steckverbindung die Dampfsperrschichten 4 der Verbindungselemente Z des Gehäusegrundkörpers 1 und des Gehäusedeckels 2 aneinander anliegen. So kann vorteilhafterweise eine besonders gute Dichtwirkung erzielt werden.
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 102009046402 A1 [0008]

Claims

Hartschalenzellgehäuse für eine einzelne Alkalimetallzelle, insbesondere Lithiumzelle, umfassend – einen Gehäusegrundkörper (1) mit einem Innenraum zur Aufnahme der Zellkomponenten (30) einer einzelnen Alkalimetallzelle, und – einen Gehäusedeckel (2) zum Verschließen des Innenraums des Gehäusegrundkörpers (1), wobei der Gehäusegrundkörper (1) zumindest im Wesentlichen aus Kunststoff ausgebildet ist und wobei in dem Gehäusegrundkörper (1) ein Temperiermittelkanal (3) ausgebildet ist.
Hartschalenzellgehäuse nach Anspruch 1, wobei der Gehäusegrundkörper (1) eine doppelte Wand (1a, 1b) mit einem äußeren Wandabschnitt (1a) und einem inneren Wandabschnitt (1b) aufweist, wobei der Temperiermittelkanal (3) zwischen dem äußeren Wandabschnitt (1a) und dem inneren Wandabschnitt (1b) ausgebildet ist.
Hartschalenzellgehäuse nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gehäusegrundkörper (1) einen doppelten Boden (1a, 1b) mit einem äußeren Bodenabschnitt (1a) und einem inneren Bodenabschnitt (1b) aufweist, wobei der Temperiermittelkanal (3) zwischen dem äußeren Bodenabschnitt (1a) und dem inneren Bodenabschnitt (1b) ausgebildet ist.
Hartschalenzellgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwischen dem äußeren Wandabschnitt (1a) und dem inneren Wandabschnitt (1b) mindestens ein Zwischenwandabschnitt (1c) ausgebildet ist, insbesondere um welchen die Strömungsrichtung des Temperiermittelkanals (3) umlenkbar ist.
Hartschalenzellgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Temperiermittelkanal (3) mäanderförmig ausgebildet ist.
Hartschalenzellgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Gehäusegrundkörper (1) einen Zuleitungsanschluss (3a) zum Anschließen einer Temperiermittel zuführenden Leitung an den Temperiermittelkanal (3) und einen Ableitungsanschluss (3b) zum Anschließen einer Temperiermittel ableitenden Leitung an den Temperiermittelkanal (3) aufweist.
Hartschalenzellgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Alkalimetallzelle eine Lithiumionenzelle ist.
Hartschalenzellgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Innenraum des Gehäusegrundkörpers (1) zur Aufnahme eines einzelnen Zellwickels (30) ausgelegt ist.
Hartschalenzellgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Gehäusegrundkörper (1) oder der Gehäusegrundkörper (1) und der Gehäusedeckel (2) zumindest im Wesentlichen aus einem Kunststoff ausgebildet sind, insbesondere welcher mindestens ein Polymer umfasst, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyolefinen, Polyphenylensulfiden und Kombinationen davon.
Hartschalenzellgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Gehäusegrundkörper (1) oder der Gehäusegrundkörper (1) und der Gehäusedeckel (2) zumindest im Wesentlichen aus einem Kunststoff ausgebildet sind, wobei der Gehäusegrundkörper (1) oder der Gehäusegrundkörper (1) und der Gehäusedeckel (2) mindestens eine Dampfsperrschicht (4) umfassen, insbesondere wobei die Dampfsperrschicht (4) direkt auf das Material des Gehäusegrundkörpers (1) oder des Gehäusegrundkörpers (1) und des Gehäusedeckels (2) aufgebracht ist.
Hartschalenzellgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zumindest die im geschlossenen Zustand des Gehäuses innen liegenden, den Innenraum begrenzenden Flächen des Gehäusegrundkörpers (1) oder des Gehäusegrundkörpers (1) und des Gehäusedeckels (2) mit einer Dampfsperrschicht (4) bedeckt sind, und/oder wobei die Dampfsperrschicht (4) in den Kunststoff des Gehäusegrundkörpers (1) oder des Gehäusegrundkörpers (1) und des Gehäusedeckels (2) integriert ist, wobei die Dampfsperrschicht (4) derart in den Kunststoff des Gehäusegrundkörpers (1) beziehungsweise des Gehäusedeckels (2) integriert ist, dass die Dampfsperrschicht (4) den Gehäuseinnenraum im geschlossenen Zustand des Gehäuses im Wesentlichen vollständig umgibt.
Hartschalenzellgehäuse nach 10 oder 11, wobei die Dampfsperrschicht (14) eine metallische, organische, polymere oder gläserne Schicht ist.
Hartschalenzellgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Gehäusegrundkörper (11) und der Gehäusedeckel (12) Verbindungselemente (Z) aufweisen, welche dazu ausgelegt sind beim Verschließen des Gehäuses eine Nut-Feder-Steckverbindung auszubilden, insbesondere wobei die Verbindungselemente (Z) zum Ausbilden der Nut-Feder-Steckverbindung die Innenraumöffnung des Gehäusegrundkörpers (11) umlaufen, insbesondere wobei die Verbindungselemente (Z) zum Ausbilden der Nut-Feder-Steckverbindung mit der Dampfsperrschicht (14) bedeckt beziehungsweise mit einer darin integrierten Dampfsperrschicht (14) versehen sind.
Galvanische Zelle, umfassend ein Hartschalenzellgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei im Innenraum des Gehäusegrundkörpers (1) des Hartschalenzellgehäuses die Zellkomponenten (30) einer einzelnen Alkalimetallzelle, insbesondere ein einzelner (Lithiumionen-)Zellwickel, angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung einer galvanischen Zelle nach Anspruch 14 umfassend die Verfahrensschritte: a) Ausbilden eines Gehäusegrundkörpers (1) aus Kunststoff derart, dass Gehäusegrundkörper (1) einen Innenraum zur Aufnahme der Zellkomponenten (30) einer einzelnen Alkalimetallzelle sowie einen in den Gehäusegrundkörper (1) integrierten Temperiermittelkanal (3) aufweist und gegebenenfalls Ausbilden eines Gehäusedeckels (2) zum Verschließen des Innenraums des Gehäusegrundkörpers (1) aus Kunststoff; b) Einbringen der Zellkomponenten (30) einer einzelnen Alkalimetallzelle, insbesondere eines (Lithiumionen-)Zellwickels, in den Innenraum des Gehäusegrundkörpers (1); und c) Verschließen, insbesondere luftdichtes Verschließen, des Innenraums des Gehäusegrundkörpers (1) mit dem Gehäusedeckel (2).