DE102012207771A1

DE102012207771A1 - Batteriezelle, Batterie, Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012207771A1
Application number: DE201210207771
Authority: DE
Inventors: Matthias Straub; Alexander Reitzle
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2013-11-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, sowie eine Batterie, die mehrere erfindungsgemäße Batteriezellen umfasst. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle und ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batteriezelle oder einer erfindungsgemäßen Batterie. Die erfindungsgemäße Batteriezelle ist insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, die ein Terminal (10) sowie ein Batteriezellengehäuse (20) und wenigstens ein erstes Dichtungselement (30, 50) und ein zweites Dichtungselement (40, 60) umfasst, welche in Zusammenwirkung das Terminal (10) gegen das Batteriezellengehäuse (20) abdichten, wobei das Terminal (10) mit einer Längsspannung beaufschlagt ist und dadurch eine in Richtung der Längsachse des Terminals (10) verlaufende Längskraft im Terminal (10) wirkt, die Reaktionskräfte zwischen den Dichtungselementen (30, 40, 50, 60) erzeugt. Die die Dichtungswirkung realisierenden Formelemente (70) der Dichtungselemente (30, 40, 50, 60) sind geometrisch derart ausgestaltet, dass Reaktionskräfte als die Dichtung realisierenden Anpresskräfte zwischen den Dichtungselementen (30, 40, 50, 60) wirken, wobei die Wirkungslinien der Anpresskräfte jeweils winklig zur Wirkungslinie der Längskraft verlaufen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, sowie eine Batterie, die mehrere erfindungsgemäße Batteriezellen umfasst.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle und ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batteriezelle oder einer erfindungsgemäßen Batterie.
Stand der Technik
Weltweit besteht ein erheblicher Bedarf an Batterien für breite Anwendungsbereiche, beispielsweise für Fahrzeuge, stationäre Anlagen, Mobilfunktelefone, tragbare Computer, Videokameras oder MP3-Player.
Prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen ist die Lithium-Ionen-Technologie. Sie zeichnet sich unter anderem durch hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und eine negative Elektrode (Kathode beziehungsweise Anode), die Lithium-Ionen (Li⁺) reversibel ein- (Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können. Damit die Interkalation von Lithium-Ionen beziehungsweise die Deinterkalation von Lithium-Ionen stattfindet, ist die Anwesenheit einer Elektrolytkomponente (ein sogenanntes Lithium-Leitsalz) notwendig.
Einzelne Lithium-Ionen-Zellen können durch parallele oder serielle Verschaltung zu Modulen und dann zu Batterien verschaltet werden. Dabei besteht eine Lithium-Ionen-Batterie aus mindestens einer, üblicherweise aus zwei und mehr Lithium-Ionen-Zellen. Die Zellen selbst sind durch ein Batteriegehäuse weitestgehend vor Umwelteinflüssen geschützt, die Batterien selbst sind allerdings Umwelteinflüssen ausgesetzt.
Insbesondere bei prismatischen Batteriezellen müssen die Anschlüsse des eigentlichen Energiespeichers aus dem Inneren des Zellengehäuses nach außen geführt werden. Diese Anschlüsse an der Batteriezelle sind das positive und das negative Zellterminal.
Dabei werden hohe technische Anforderungen an diese Durchführung gestellt, da diese elektrisch isoliert vom Zellengehäuse sein müssen, um mögliche Kurzschlüsse zwischen beiden Terminals (auch über das Zellgehäuse) zu verhindern. Des Weiteren müssen die Durchführungen so ausgelegt sein, dass keine Stoffe von innen nach außen (das heißt Elektrolyt oder Aktivmaterial) beziehungsweise von außen nach innen (zum Beispiel Luftfeuchtigkeit oder Staub) gelangen können.
Üblicherweise wird jede Durchführung durch Kunststoffeinlagen (zum Beispiel aus Polyethylen, PFA, PPS) abgedichtet, die durch die mechanische Belastung bei ihrer Einbringung und im Betrieb einem Verschleiß ausgesetzt sind.
Eine weitere Belastung der Durchführung bzw. der dort angeordneten Abdichtung erfolgt durch den Elektrolyten, der aus wässrigen Lösungen von Laugen oder Säuren (zum Beispiel NiMH, NiCd) beziehungsweise aus organischen Lösungsmitteln (Lithium-Ionen-Zellen) in Kombination von gelösten Salzen besteht, welche stark korrosive Ionen freisetzen können.
Insgesamt können die Belastungen zu einer unakzeptabel kurzen Lebensdauer der Abdichtung und damit der Batteriezelle selbst führen.
Die US 3,990,910 offenbart eine Batterie, die keramische Isolatoren zur Durchführung von Terminals aus dem Batteriegehäuse nutzt. Diese Isolatoren sind gegenüber einem Deckel des Batteriegehäuses hermetisch abgedichtet.
Aus der US 5,397,661 ist eine Durchführungseinrichtung für eine Batteriezelle bekannt, welche als Isolator ebenfalls ein keramisches Material nutzt. Das daraus hergestellte Bauteil wird gleichzeitig als Dichtung genutzt. In besonderer Ausführungsform weist dieses Bauteil einen konusförmigen Bereich auf.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, zur Verfügung gestellt, die ein Terminal sowie ein Batteriezellengehäuse und wenigstens ein erstes Dichtungselement und ein zweites Dichtungselement umfasst, die in Zusammenwirkung das Terminal gegen das Gehäuse abdichten. Das Terminal ist dabei mit einer Längsspannung beaufschlagt, wodurch eine in Richtung der Längsachse des Terminals verlaufende Längskraft im Terminal bewirkt wird. Diese Längskraft erzeugt Reaktionskräfte zwischen den Dichtungselementen, wobei die Dichtungswirkung realisierenden Formelemente der Dichtungselemente geometrisch derart ausgestaltet sind, dass Reaktionskräfte als die Dichtung realisierenden Anpresskräfte zwischen den Dichtungselementen wirken, wobei die Wirkungslinien der Anpresskräfte jeweils winklig zur Wirkungslinie der Längskraft verlaufen.
Unter dem Begriff des Terminals ist dabei ein Stromkollektor zu verstehen, der mit den Elektroden im Inneren des Batteriezellengehäuses elektrisch leitfähig verbunden ist und zum Anschluss der Batteriezelle an eine äußere Peripherie ausgestaltet ist. Das Batteriegehäuse kann einen Deckel umfassen, durch den die Terminals hindurchzuführen sind.
Vorteile der Erfindung
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Batteriezelle liegt insbesondere darin, dass durch die Längskraft im Terminal je abdichtendem Flächenelement zwischen den Dichtungselementen eine resultierende Anpresskraft als Reaktionskraft entsteht, die eine Reaktionskraft-Komponente in Richtung der Längskraft und eine Reaktionskraft-Komponente senkrecht zur Richtung der Längskraft aufweist. Das statische Gleichgewicht am Terminal bedingt, dass alle in Richtung der Längskraft wirkenden Kräfte in ihrer Summe Null ergeben. Demzufolge muss die Summe aus allen Reaktionskraft-Komponenten, die in Richtung der Längskraft verlaufen, genauso groß sein wie die Längskraft selbst. Daraus folgt, dass auf Grund des winkligen Verlaufes der resultierenden Anpresskraft diese größer sein kann als die jeweilige Reaktionskraft-Komponente, die in Richtung der Längskraft verläuft. Das Größenverhältnis zwischen der resultierenden Anpresskraft und der jeweiligen Reaktionskraft-Komponente, die in Richtung der Längskraft verläuft, ist umgekehrt proportional zum Winkel zwischen der Längskraft und der resultierenden Anpresskraft. Das heißt, dass in Abhängigkeit vom jeweiligen Winkel die Anpresskraft größer ist als die Längskraft, so dass nur eine relativ geringe, dauerhaft im Terminal wirkende Längskraft notwendig ist, um eine ausreichende Anpresskraft zur Gewährleistung der Dichtungswirkung zwischen den Dichtungselementen zu erzielen.
Vorzugsweise sollte wenigstens eines der verwendeten Dichtungselemente derart ausgeführt sein, dass zwischen den zusammenwirkenden Dichtungselementen eine ringflächen- oder kreislinienförmige Kontaktierung realisiert ist. Eine ringflächenförmige Kontaktierung wird zum Beispiel über ineinander gesteckte Konusse beziehungsweise Kegel ermöglicht. Eine kreislinienförmige Kontaktierung ergibt sich zum Beispiel bei Auflage einer ringförmigen Wulst an einem Dichtungselement auf einer Kegel-Mantelfläche des anderen Dichtungselementes. Wichtig ist dabei die vollumfängliche Umschließung im Dichtungsbereich, so dass die Dichtheit gewährleistet ist. In Abhängigkeit von der Form und/oder der Geometrie der kontaktierenden Bereiche wird eine Flächenpressung oder eine Kantenpressung realisiert, so dass mehrere auf die jeweilige pressende Fläche beziehungsweise pressende Kante resultierende Kräfte als Flächenlast beziehungsweise Streckenlast wirken.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zweite Dichtungselement ein integraler Bestandteil des Terminals ist. In dieser Ausführungsform kann das erste Dichtungselement ein Teil mit konusförmiger Aussparung sein, welches an der Innenseite des Batteriezellengehäuses angeordnet ist und gegen dieses abdichtet. Das zweite Dichtungselement ist in diesem Fall ein Konus des Terminals, der in der konusförmigen Aussparung des ersten Dichtungselementes aufgenommen ist. Die somit erzeugte Kegelverbindung bewirkt Anpresskräfte zwischen den Kegelwandungen, die normal zu den Kegelmantelflächen verlaufen und demzufolge winklig zu der vom Terminal aufgebrachten Längskraft, die auch eine weitere Reaktionskraft zwischen dem Batteriezellengehäuse und dem ersten Dichtungselement bewirkt.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zweite Dichtungselement ein an der Außenseite des Batteriezellengehäuses angeordnetes Anschlusselement ist, welches mit dem Terminal derart mechanisch verbunden ist, dass die Längskraft vom Terminal auf das Anschlusselement übertragen wird. Das heißt, dass in dieser Ausgestaltung das zweite Dichtungselement kein integraler Bestandteil des Terminals ist, sondern ein extra Bauteil, welches vorzugsweise aus einem schweißbaren Werkstoff besteht. Das erste Dichtungselement ist in dieser Ausführungsform ein Teil mit konusförmiger Aussparung, welches an der Außenseite des Batteriezellengehäuses angeordnet ist und gegen dieses abdichtet. Das Anschlusselement, welches als zweites Dichtungselement dient, ist mit einem Konus versehen, der in der konusförmigen Aussparung des ersten Dichtungselementes aufgenommen ist.
Die erzeugte Kegelverbindung bewirkt Anpresskräfte zwischen den Kegelwandungen, die normal zu den Kegelmantelflächen verlaufen und demzufolge winklig zu der vom Terminal aufgebrachten Längskraft, die auch eine weitere Reaktionskraft zwischen dem Batteriezellengehäuse und dem ersten Dichtungselement bewirkt.
Dabei ist die vorliegende Erfindung nicht darauf eingeschränkt, dass das erste Dichtungselement ein Teil mit konusförmiger Aussparung ist und das Anschlusselement mit einem Konus versehen ist, sondern es kann auch umgekehrt ausgeführt sein, dass das erste Dichtungselement ein Teil mit einem Konus ist und das Anschlusselement mit der konusförmigen Aussparung versehen ist, die zusammen die Kegelverbindung ausbilden.
Im Sinne der Erfindung müssen weiterhin nicht zwingend eine Kegelinnenwandung und eine Kegelaußenwandung miteinander kombiniert werden, sondern jeweils eine der Kegelwandungen kann durch wenigstens ein anderes Formelement ersetzt werden, welches in Zusammenwirkung mit der anderen Kegelwandung die winklig verlaufenden Anpresskräfte bewirkt, wie zum Beispiel ein stufenweiser Verlauf einer Konusaußenfläche.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, die eine optimale Dichtheit gewährleistet, ist vorgesehen, dass beide genannten Dichtungsanordnungen kombiniert werden, so dass die Batteriezelle ein inneres erstes Dichtungselement und ein äußeres erstes Dichtungselement umfasst, wobei das innere erste Dichtungselement ein Teil mit konusförmiger Aussparung ist, welches an der Innenseite des Batteriezellengehäuses angeordnet ist und gegen dieses abdichtet, und das äußere erste Dichtungselement ein Teil mit konusförmiger Aussparung ist, welches an der Außenseite des Batteriezellengehäuses angeordnet ist und gegen dieses abdichtet.
Die Batterie umfasst in dieser Ausführungsform weiterhin ein inneres zweites Dichtungselement und ein äußeres zweites Dichtungselement, wobei das innere zweite Dichtungselement der Konus des Terminals ist und das äußere zweite Dichtungselement das an der Außenseite des Batteriezellengehäuses angeordnete Anschlusselement ist. Das heißt, dass in dieser Ausführungsform der erfindungsgemäße Gedanke zweimal realisiert ist, nämlich einmal an der Innenseite des Batteriezellengehäuses beziehungsweise des Deckels und zum anderen an der Außenseite des Batteriezellengehäuses beziehungsweise des Deckels.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass wenigstens eines der Dichtungselemente einen Keramikkörper umfasst oder vollständig aus Keramik besteht.
Diese Ausführungsform hat zwei wesentliche Vorteile. Die Keramiken weisen eine sehr hohe Beständigkeit gegenüber nahezu allen gängigen, in der Batterietechnologie verwendeten Chemikalien auf (zum Beispiel Laugen und Säuren, Leitsalze wie zum Beispiel LiPF₆); des Weiteren haben Keramiken eine hohe elektrische Isolationswirkung (Isolationsspannung in der Regel sehr viel größer als 10 kV/mm).
Durch die Abdichtung mit Keramikelementen wird sichergestellt, dass die Dichtheit der Durchführung im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen deutlich verbessert wird, wodurch eine längere Lebensdauer der Batteriezelle, bedingt durch weniger Ausdampfen des Elektrolyten aus der Zelle oder Eindringen von Luftfeuchtigkeit oder Staub von außen in die Zelle, erreicht werden kann.
Als Keramiken können alle Keramik-Arten verwendet werden, welche den Anforderungen der jeweiligen Batterietechnologie gerecht werden (Stabilität gegenüber starken Säuren oder starken Laugen; Stabilität gegenüber starken Komplexbildnern wie zum Beispiel Halogenid-Ionen oder Schwefel-Anionen; Stabilität gegenüber mechanischen Anforderungen wie zum Beispiel Biegebeanspruchungen). Derartige für solche Keramiken sind zum Beispiel Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumoxide, Titanoxid-basierte Keramiken oder Mischungen aus solchen, zum Beispiel Pyranit Al₂O₃/Kaolin/Kreide.
Die Formteile aus Keramik werden nach den gängigen Herstellungsprozessen für Keramik-Bauteile hergestellt (zum Beispiel Erzeugung einer spritzbaren Masse, Verspritzen in eine Herstellungsform, Komprimieren, Brennen, eventuell Nachbearbeiten).
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwischen wenigstens zwei Dichtungselementen eine weitere Ringdichtung angeordnet ist. Eine solche Ringdichtung kann ein herkömmlicher Dichtungsring sein, der der jeweiligen Form der die Anpresskräfte übertragenden Formelemente angepasst ist. Als Material für derartige Ringdichtungen bieten sich Aluminium und Kupfer beziehungsweise geeignete Aluminium- und Kupfer-Legierungen an. Die Zuordnung des jeweiligen Materials der Ringdichtung zu einem Terminal sollte entsprechend der Polarität dieses Terminals erfolgen, um die Bildung eines ungewollten elektrischen Spannungspotenzials zu verhindern. Durch die Anordnung der weiteren Ringdichtung zwischen den Dichtungselementen ändert sich die Wirkungsweise der vorliegenden erfindungsgemäßen Dichtung nicht, da weiterhin die winklig zur Längskraft verlaufenden Anpresskräfte zwischen den Dichtungselementen übertragen werden und demzufolge beidseitig auf die Ringdichtung wirken. Außerdem können Ringdichtungen auch zwischen wenigstens einem Dichtungselement und dem Batteriezellengehäuse zum Einsatz kommen.
Zur Einbringung der Längskraft in das Terminal und demzufolge zur Aufbringung der Anpresskräfte ist vorzugsweise vorgesehen, dass bei Verwendung des Anschlusselementes als zweites Dichtungselement auf der Außenseite des Batteriezellengehäuses ein Ende des Terminals mittels Taumeln mit dem Anschlusselement verbunden wird. Dadurch lässt sich eine dauerhaft wirkende Zugspannung in das Terminal einbringen, die über die Taumel-Fügestelle eine Längskraft beziehungsweise eine Längs-Flächenlast auf das Anschlusselement realisiert.
Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, zur Verfügung gestellt, die mehrere erfindungsgemäße Batteriezellen umfasst. Diese Batteriezellen können als Batteriezellenmodule zusammengefasst in der Batterie angeordnet sein.
Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, zur Verfügung gestellt, wobei die Batteriezelle ein Terminal sowie ein Batteriezellengehäuse und wenigstens ein erstes Dichtungselement und ein zweites Dichtungselement umfasst, welche in Zusammenwirkung das Terminal gegen das Gehäuse abdichten. Erfindungsgemäß wird das Terminal mit einer Längsspannung beaufschlagt, wodurch eine in Richtung der Längsachse des Terminals verlaufende Längskraft im Terminal erzeugt wird. Diese Längskraft bewirkt Reaktionskräfte zwischen den Dichtungselementen, die als die Dichtung realisierende Anpresskräfte zwischen den Dichtungselementen wirken, wobei die Wirkungslinien der Anpresskräfte jeweils winklig zur Wirkungslinie der Längskraft verlaufen. Das erfindungsgemäße Verfahren dient somit zur Herstellung der erfindungsgemäßen Batteriezellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Terminal mit einem Dichtungselement mittels Taumeln verbunden wird und dabei eine dauerhafte Zugspannung in das Terminal eingebracht wird. Das auch als Radialnieten bekannte Taumelverfahren wird dabei derart ausgeführt, dass das Anschlusselement als unteres Gesenk genutzt wird und das obere Ende des Terminals in das untere Gesenk taumelnd eingeformt wird, wodurch in einfacher Weise die Längs-Zugspannung im Terminal erzeugt wird. Dabei muss durch das Taumelverfahren nicht unbedingt eine große Längskraft in das Terminal eingebracht werden, da durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Batteriezelle die Anpresskräfte größer sind als die Längskraft im Terminal und demzufolge schon bei relativ kleiner Längskraft eine ausreichende Dichtungswirkung zwischen den Dichtungselementen realisierbar ist. Das Taumelverfahren wird am Terminalende und demzufolge in einem Bereich des Terminals durchgeführt, der relativ weit vom Batteriezellengehäuse und vom Dichtungsbereich entfernt ist, so dass keine Kräfte direkt in den Abdichtungsbereich und/oder auf das Gehäuse aufgebracht werden. Die Längskraft im Terminal wird durch das Taumeln automatisch eingebracht, so dass nicht, wie bei alternativen Fertigungsverfahren, extra eine Spannung in das Terminal bei der Herstellung der Verbindung zum Dichtungselement eingebracht werden muss.
Die Erfindung ergänzend wird außerdem ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches insbesondere ein elektromotorisch antreibbares Kraftfahrzeug ist, das wenigstens eine erfindungsgemäße Batteriezelle oder wenigstens eine erfindungsgemäße Batterie umfasst, wobei die Batterie beziehungsweise die Batteriezelle mit einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in der einzigen 1 dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Ausführungsform der Erfindung
Es zeigt die 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Batteriezelle an der Stelle der Durchführung eines Terminals.
Es ist ein Terminal 10 ersichtlich, welches im unteren Bereich konusförmig und im oberen Bereich zylinderförmig ausgestaltet ist. Das Terminal 10 führt durch ein Gehäuse 20, welches hierbei auch als Deckel ausgeführt sein kann und eine Durchlassöffnung aufweist. An der Innenseite des Gehäuses 20 ist ein inneres erstes Dichtungselement 30 angeordnet, welches eine konusförmige Aussparung 31 aufweist. In dieser konusförmigen Aussparung 31 ist das innere zweite Dichtungselement 40 angeordnet, welches in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Konus 41 am Terminal 10 ist.
Bei Aufbringung einer Längskraft Fy auf das Terminal 10 wirkt der Konus 41 als inneres zweites Dichtungselement 40 auf die konusförmige Aussparung 31 des inneren ersten Dichtungselementes 30, welches sich am Gehäuse 20 abstützt. Die sich am Konus 41 einstellenden Reaktionskräfte sind in 1 dargestellt. Da sich zwei Kegelmantelflächen berühren, existiert zwischen diesen Mantelflächen eine resultierende Kraft Fr, die die Wirkungslinie einer Normalen auf den Kegelmantelflächen hat. Diese resultierende Anpresskraft Fr kann in zwei Komponenten zerlegt werden, nämlich in die dargestellte Reaktionskraft-Komponente in Richtung der Längskraft Fry sowie in die Reaktionskraft-Komponente senkrecht zur Richtung der Längskraft Frx. Da sich die Batterie und das Terminal 10 in einem statischen Gleichgewicht befinden, müssen sämtliche in Richtung der Längskraft Fy wirkenden Kräfte in Summe Null ergeben. Das heißt, dass die Summe aller am Umfang des Konus 41 wirkenden Reaktionskraft-Komponenten in Richtung der Längskraft Fry genauso groß sein müssen wie die Längskraft Fy. Da jedoch die Reaktionskraft-Komponente in Richtung der Längskraft Fry lediglich eine Komponente der resultierenden Anpresskraft Fr ist, ist ersichtlich, dass diese resultierende Anpresskraft Fr beziehungsweise die Summe aller am Umfang des Konus 41 angreifenden Anpresskräfte Fr größer ist als die Längskraft Fy, und zwar umgekehrt proportional zum Winkel 80 zwischen der Kegelmantelfläche und der Wirkungsrichtung der Längskraft Fy. Das bedeutet, dass die zur Aufbringung der Dichtungswirkung notwendige Längskraft Fy relativ klein bemessen sein kann, um eine Dichtungswirkung herbeizuführen und die resultierende Anpresskraft Fr zwischen den Dichtungselementen 30, 40 zu gewährleisten.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel weist außerdem an der Außenseite des Batteriezellengehäuses 20 eine weitere, ähnliche erfindungsgemäße Ausgestaltung auf, die ein äußeres erstes Dichtungselement 50 sowie ein äußeres zweites Dichtungselement, welches auch als Anschlusselement 60 bezeichnet werden kann, aufweist. Das äußere erste Dichtungselement 50 ist vorzugsweise genauso ausgestaltet wie das innere erste Dichtungselement 30, so dass bei Herstellung dieser Dichtungselemente 30, 50 ein geringer Herstellungsaufwand notwendig ist.
Das äußere erste Dichtungselement 50 weist eine konusförmige Aussparung 51 auf, in der der Konus 61 des Anschlusselementes 60 aufgenommen ist. Die vorliegende Erfindung ist dabei jedoch nicht darauf eingeschränkt, dass das erste Dichtungselement 50 eine konusförmige Aussparung aufweist und das zweite Dichtungselement 60 konusförmig ist und in der konusförmigen Aussparung des ersten Dichtungselementes 50 angeordnet ist, sondern es kann auch umgekehrt vorgesehen sein, dass das erste Dichtungselement 50 mit einem Konus ausgestaltet ist und dieser in einer konusförmigen Aussparung eines zweiten Dichtungselementes 60 angeordnet ist.
In der dargestellten Ausführungsvariante ist somit das äußere zweite Dichtungselement 60 kein integraler Bestandteil des Terminals 10, sondern ein extra Bauteil.
Die Dichtungswirkung zwischen dem äußeren ersten Dichtungselement 50 und dem äußeren zweiten Dichtungselement 60 wird genauso realisiert wie zu dem ersten inneren Dichtungselement 30 und dem inneren zweiten Dichtungselement 40 beschrieben.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle ist selbstverständlich auch nicht darauf eingeschränkt, am Batteriezellengehäuse 20 innen und außen jeweils ein erstes Dichtungselement und ein zweites Dichtungselement aufzuweisen, sondern sie kann auch derart ausgeführt sein, dass entweder nur innen am Batteriezellengehäuse 20 oder nur außen am Batteriezellengehäuse 20 die Dichtungswirkung mit einem ersten und einem zweiten Dichtungselement realisiert ist.
In der in 1 dargestellten Ausführungsvariante sind die die Dichtungswirkung realisierenden Formelemente 70 Kegelmantelflächen der Konusse beziehungsweise der konusförmigen Aussparungen. Die Erfindung ist dabei nicht auf die Verwendung derartiger Kegelmantelflächen eingeschränkt, sondern sie umfasst auch Kombinationen von Kegelmantelflächen mit anderen Formelementen, wie zum Beispiel Ring-Elementen mit halbkreisförmigem Durchmesser, die in Zusammenwirkung mit den Kegelmantelflächen die winklig zur Längskraft Fy verlaufenden resultierenden Anpresskräfte Fr bewirken.
In der in 1 dargestellten Ausführungsvariante ist das obere Ende des Terminals 10 mit dem als äußeren zweiten Dichtungselement ausgeführten Anschlusselement 60 durch eine Taumelverbindung verbunden. Das heißt, dass durch Anwendung des Taumelverfahrens beziehungsweise des sogenannten Radialnietens der Endbereich des Terminals 10 mit dem Anschlusselement 60 kraft- und/oder formschlüssig derart verbunden wird, dass eine Zugspannung in das Terminal 10 eingebracht wird und demzufolge vom Terminal 10 eine Druckkraft, hier als kreisringförmige Flächenlast, auf das Anschlusselement 60 übertragen wird, die wiederum die resultierenden Anpresskräfte Fr bewirkt. Die mittels Taumeln geschaffene Verbindung 100 zwischen dem Terminal 10 und dem Anschlusselement 60 ist dabei vorzugsweise ebenfalls derart ausgestaltet, dass zwischen dem Terminal 10 und dem Anschlusselement 60 eine Kegelmantelfläche die Kraft zwischen dem Terminal 10 und dem Anschlusselement 60 überträgt und demzufolge auch an dieser Stelle eine Dichtungswirkung realisiert.
Zur Verbesserung der Dichtungswirkung und/oder zur vorbeugenden Verhinderung von Verschleiß kann vorgesehen sein, dass zwischen dem inneren ersten Dichtungselement 30 sowie dem Konus 41 eine Ringdichtung angeordnet ist, welche vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium beziehungsweise einer geeigneten Kupfer- beziehungsweise Aluminiumlegierung besteht. Auch zwischen dem ersten äußeren Dichtungselement 50 und dem Anschlusselement 60 kann eine derartige Ringdichtung 90 angeordnet sein. Mögliche weitere Einsatzpositionen derartiger Ringdichtungen 90 sind zwischen den ersten Dichtungselementen 30, 50 und dem Gehäuse 20.
Derartige Ringdichtungen 90 werden unter Einwirkung der resultierenden Anpresskräfte Fr verformt und erzielen eine hervorragende Dichtungswirkung. Sie können als Kunststoffteile oder Elastomere auf Basis von PE, PP und ähnlichen Stoffen ausgeführt sein. Die Ringdichtungen 90 sollten eine derartige Elastizität aufweisen, dass ihre Rückstellkräfte auch bei fertig montierten Dichtungselementen beziehungsweise Terminals noch gegen die Dichtungselemente pressen und somit die Dichtungswirkung gewährleisten.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Batteriezelle erfolgt derart, dass das innere erste Dichtungselement 30 auf den Konus 41 des Terminals 10 gesteckt wird. Das Terminal 10 wird anschließend durch eine Öffnung im Gehäuse 20, welches auch als Deckel ausgeführt sein kann, hindurchgeführt. Von der Außenseite des Gehäuses 20 wird das äußere erste Dichtungselement 50 aufgesetzt. In dieses äußere erste Dichtungselement 50 wird das Anschlusselement 60 eingesetzt. Durch Einwirkung von radialen Kräften in eine Bohrung 11 im Terminal 10 wird das Terminal 10 einem Taumelprozess unterzogen, so dass sich die Taumelverbindung 100 zwischen dem Terminal 10 und dem Anschlusselement 60 ausbildet. Alternativ zum Taumelverfahren lässt sich auch das Terminal mit dem Anschlusselement verpressen, vernieten oder verschweißen.
Diese genannten Fertigungsverfahren weisen jedoch nicht den Vorteil des Taumelverfahrens auf, bei dem automatisch die Zugspannung im Terminal erzeugt wird.
Zur weiteren Verbesserung der Dichtungswirkung ist es möglich, dass das erste innere Dichtungselement 30 sowie das äußere erste Dichtungselement 50 derart ausgeführt werden, dass sie im Bereich der Öffnung im Gehäuse 20 einander kontaktieren, wobei sie im Kontaktierungsbereich mit einem Klebstoff versehen werden können, der vorzugsweise resistent gegen aggressive Medien in der Batteriezelle ist. Neben der Verbesserung der Dichtungswirkung wird außerdem eine mechanische Stabilitätserhöhung der Batteriezelle beziehungsweise der Terminaldurchführung realisiert.
Die Realisierung der erfindungsgemäßen Terminaldurchführung durch ein Batteriezellengehäuse ist sowohl auf der Kathoden- als auch auf der Anodenseite der Batteriezelle realisierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3990910 [0011]
US 5397661 [0012]

Claims

Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, umfassend ein Terminal (10) sowie ein Batteriezellengehäuse (20) und wenigstens ein erstes Dichtungselement (30, 50) und ein zweites Dichtungselement (40, 60), welche in Zusammenwirkung das Terminal (10) gegen das Batteriezellengehäuse (20) abdichten, dadurch gekennzeichnet, dass das Terminal (10) mit einer Längsspannung beaufschlagt ist und dadurch eine in Richtung der Längsachse des Terminals (10) verlaufende Längskraft im Terminal (10) wirkt, die Reaktionskräfte zwischen den Dichtungselementen (30, 40, 50, 60) erzeugt, wobei die Dichtungswirkung realisierenden Formelemente (70) der Dichtungselemente (30, 40, 50, 60) geometrisch derart ausgestaltet sind, dass Reaktionskräfte als die Dichtung realisierenden Anpresskräfte zwischen den Dichtungselementen (30, 40, 50, 60) wirken, wobei die Wirkungslinien der Anpresskräfte jeweils winklig zur Wirkungslinie der Längskraft verlaufen.
Batteriezelle nach Anspruch 1, bei der das Formelement wenigstens eines Dichtungselementes (30, 40, 50, 60) derart ausgeführt ist, dass zwischen den Dichtungselementen (30, 40, 50, 60) eine ringflächen- oder kreislinienförmige Kontaktierung realisiert ist.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei der das zweite Dichtungselement (40, 60) ein integraler Bestandteil des Terminals (10) ist.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das zweite Dichtungselement (40, 60) ein an der Außenseite des Batteriezellengehäuses (20) angeordnetes Anschlusselement (60) ist, welches mit dem Terminal (10) derart mechanisch verbunden ist, dass die Längskraft vom Terminal (10) auf das Anschlusselement (60) übertragen wird.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der wenigstens ein Dichtungselement (30, 40, 50, 60) einen Keramikkörper umfasst.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen wenigstens zwei Dichtungselementen (30, 40, 50, 60) eine weitere Ringdichtung (90) angeordnet ist.
Batterie, insbesondere Lithium-Ionen-Batterie, umfassend mehrere Batteriezellen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, umfassend ein Terminal (10) sowie ein Batteriezellengehäuse (20) und wenigstens ein erstes Dichtungselement (30, 50) und ein zweites Dichtungselement (40, 60), welche in Zusammenwirkung das Terminal (10) gegen das Batteriezellengehäuse (20) abdichten, wobei das Terminal (10) mit einer Längsspannung beaufschlagt wird und dadurch eine in Richtung der Längsachse des Terminals (10) verlaufende Längskraft im Terminal (10) erzeugt wird, die Reaktionskräfte zwischen den Dichtungselementen (30, 40, 50, 60) bewirkt, die als die Dichtung realisierende Anpresskräfte zwischen den Dichtungselementen (30, 40, 50, 60) wirken, wobei die Wirkungslinien der Anpresskräfte jeweils winklig zur Wirkungslinie der Längskraft verlaufen.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle nach Anspruch 8, bei dem das Terminal (10) mit einem Dichtungselement (30, 40, 50, 60) mittels Taumeln verbunden wird und dabei eine dauerhafte Zugspannung in das Terminal (10) eingebracht wird.
Kraftfahrzeug, insbesondere elektromotorisch antreibbares Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens eine Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder wenigstens eine Batterie nach Anspruch 7, die mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.