DE102012212467A1 - Batteriezelle und Verfahren zum Herstellen der Batteriezelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (10) mit einem Zellwickel (12), der zumindest ein Elektrodenpaar (14) aufweist, und mit zwei elektrischen Leitungen (16), die elektrisch mit dem Elektrodenpaar (14) gekoppelt sind, wobei der Zellwickel (12) zumindest teilweise von einer Folienschicht (18) umgeben ist und wobei die Folienschicht (18) von einer Kunststoffschicht (24) umspritzt oder umgossen ist, die eine im Wesentlichen starre Schicht und eine definierte Oberfläche bildet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einem Zellwickel, der zumindest ein Elektrodenpaar aufweist, und mit zwei elektrischen Leitungen, die elektrisch mit dem Elektrodenpaar gekoppelt sind.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle, wobei die Batteriezelle einen Zellwickel, der zumindest ein Elektrodenpaar aufweist, und zwei elektrische Leitungen, die elektrisch mit dem Elektrodenpaar gekoppelt sind, aufweist.
  • Stand der Technik
  • Eine elektrische Zelle bzw. eine Batterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher und ein Energiewandler. Bei einer Entladung der Batterie wird gespeicherte chemische Energie durch eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie kann von einem Verbraucher, der mit der Batterie elektrisch gekoppelt ist, genutzt werden. Prinzipiell wird bei Batterien unterschieden zwischen Primär- und Sekundärbatterien. Primärbatterien können nur einmal entladen und nicht wieder aufgeladen werden. Dagegen sind die Sekundärbatterien wieder aufladbar. Im Folgenden wird der Begriff "Batterie" als Synonym für die Sekundärbatterie bzw. Sekundärzelle verwendet.
  • In Kraftfahrzeugen dient eine Batterie u.a. dazu, Strom für die Scheinwerfer, die Bordelektronik und für den Anlasser zum Starten des Verbrennungsmotors zu liefern. In Elektro- oder Hybridfahrzeugen dient die Batterie zusätzlich als Energiespeicher für den elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs. Sie bestimmt damit maßgeblich die Leistungsfähigkeit und die Reichweite des Fahrzeugs. Allerdings werden oftmals konträre Anforderungen an die Auslegung der Batterie gestellt. So ist es beispielsweise zur Erzielung einer hohen Reichweite erforderlich, dass in der Batterie eine große Energiemenge abgespeichert werden kann. Dies führt jedoch bei bekannten Batterien zu einem hohen Fahrzeuggewicht, das sich wiederum negativ auf die erzielbare Reichweite des Fahrzeugs auswirkt. Daher stellt das Leistungsgewicht ein sehr wichtiges Merkmal der Batterie dar.
  • Des Weiteren weisen in Kraftfahrzeugen eingesetzte Batterien aus Gründen des Volumennutzwertes oftmals eine prismatische Form auf. Im Inneren des Batteriegehäuses(-verpackung) befindet sich ein flachgepresster Zellwickel, der aus einer Aluminiumfolie, einer Kupferfolie, sowie zwei als Diaphragmen dienenden Kunststofffolien gerollt wird. Dabei sind die Aluminiumfolie und die Kupferfolie mit reaktiven Kathoden- und Anodenstoffen beschichtet. Das Batteriegehäuse wird nach Einbringen des Zellwickels und vor dem druckdichten Verschluss mit einem flüssigen Elektrolyten befüllt.
  • Dabei wird der Zellwickel bei bekannten Batterien beispielsweise in ein Gehäuse aus Aluminium verbaut, um eine bestimmte mechanische Festigkeit zu garantieren. Allerdings muss dieses aufwendig gegen die Elektrodenkontakte des Zellwickels elektrisch isoliert werden, um eine korrekte Funktionalität der Batterie zu gewährleisten. Außerdem weist das metallische Gehäuse ein hohes Gewicht auf. Alternativ kann der Zellwickel auch in einer Kunststofffolie verbaut werden. In dieser Ausführungsform entfällt zwar die aufwendige elektrische Isolierung, jedoch weist die Kunststofffolie eine sehr geringe mechanische Festigkeit auf und kann damit nur in einem sehr geringen Umfang Kräfte aufnehmen. Somit besteht eine hohe Gefahr, dass der Elektrolyt nach einer Beschädigung aus der Batterie austritt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt daher eine Batteriezelle mit einem Zellwickel, der zumindest ein Elektrodenpaar aufweist, und mit zwei elektrischen Leitungen bereit, die elektrisch mit dem Elektrodenpaar gekoppelt sind, wobei der Zellwickel zumindest teilweise von einer Folienschicht umgeben ist und wobei die Folienschicht von einer Kunststoffschicht umspritzt oder umgossen ist, die eine im Wesentlichen starre Schicht und eine definierte Oberfläche bildet.
  • Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle bereit, wobei die Batteriezelle einen Zellwickel, der zumindest ein Elektrodenpaar aufweist, und zwei elektrische Leitungen, die elektrisch mit dem Elektrodenpaar gekoppelt sind, aufweist, wobei zunächst der Zellwickel bereitgestellt wird, wobei eine Folienschicht an dem Zellwickel angeordnet wird, so dass der Zellwickel zumindest teilweise von der Folienschicht umgeben ist, und wobei die Folienschicht mit einer Kunststoffschicht, die dazu ausgeildet ist, eine im Wesentlichen starre Schicht und eine definierte Oberfläche zu bilden, umspritzt oder umgossen wird.
  • Vorteile der Erfindung
  • Durch das Verpacken des Zellwickels mit der Folienschicht kann der Zellwickels auf einfache und kostengünstige Art und Weise abgedichtet und isoliert werden. Die Kunststoffschicht dagegen gewährleistet die erforderliche mechanische Stabilität der Batteriezelle, um mechanische Kräfte aufnehmen zu können. Da die Folienschicht mit der Kunststoffschicht umgossen oder umspritzt ist, können beliebige definierte Oberflächen ausgebildet werden. Dabei weist die Kunststoffschicht vorzugsweise einen Kunststoff auf, der bei niedrigen Temperaturen verarbeitbar ist. Beispielsweise können Polyolefine, Duromere und/oder Polyurethane verwendet werden. Dadurch dient die Kunststoffschicht als Haftvermittler für weitere Funktionen (z.B. Sicken, Nuten oder Rillen), die sehr einfach in/auf der Kunststoffschicht eingebracht werden können. Ebenso können auf der Kunststoffschicht Kanäle vorgesehen werden, in die ein elektrisch leitender Kunststoff eingespritzt wird. Damit entfällt eine aufwendige Verkabelung der Batteriezelle. In einer weiteren Ausführungsform kann diese Funktionalität auch durch ein MID (Molded Interconnect Device) abgebildet werden.
  • Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Batteriezelle wird ein geringes Gewicht und damit ein hohes Listungsgewicht der Batteriezelle erzielt. Bei Verwendung der Batteriezelle in einem Kraftfahrzeug (Elektrofahrzeug) kann somit eine höhere Reichweite realisiert werden. Der einfache Aufbau und die einfache Herstellung der Batteriezelle führen außerdem zu geringeren Kosten.
  • Von besonderem Vorzug ist es, wenn die Folienschicht eine Aluminiumfolie aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Zellwickel zu verhindern.
  • Durch die Aluminiumfolie wird der Zellwickel effektiv vor Feuchtigkeit geschützt. Eine Degradation oder auch Beschädigung der Batteriezelle aufgrund von eindringender Feuchtigkeit wird verhindert. Des Weiteren kann durch den Einsatz einer dünnen Aluminiumfolie Gewicht eingespart werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Folienschicht eine Kunststofffolie auf, die einen gegen ein Elektrolytmaterial der Batteriezelle beständigen Kunststoff aufweist.
  • In einer Ausführungsform wird der Zellwickel beispielsweise in eine Kunststoff-Aluminium-Kunststoffverbundfolie eingepackt. Die dünne Aluminiumfolie (z.B. 40 µm) dient der Abdichtung gegen Wasser/Wasserdampf. Die Innenschicht der Verbundfolien wird durch die Kunststofffolie gebildet, die einen gegen ein Elektrolytmaterial der Batteriezelle beständigen Kunststoff aufweist (z.B. Polypropylen). Auf der äußeren Seite der Verbundfolien wird eine weitere Kunststofffolie angeordnet, die die Verarbeitbarkeit der dünnen Aluminiumfolie sicherstellt.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist ein Anodenanschluss des Zellwickels mit Hilfe der Kunststofffolie isoliert. Als Folie zur Abdichtung und Verpackung des Zellwickels wird die Aluminiumfolie verwendet, in die der Zellwickel eingepackt ist.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird der Zellwickel lediglich in die Kunststofffolie eingepackt, um ein Eindringen von Kunststoff während der Umspritzung in den Zellwickel zu verhindern. Dabei kommt ein auf die Umspritzung abgestimmtes Material (z.B. Polypropylen) zum Einsatz.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kunststoffschicht mit einer metallischen Schicht beschichtet, die dazu ausgebildet ist, ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Zellwickel zu verhindern.
  • Vorzugsweise ist die Kunststoffschicht mit der metallischen Schicht beschichtet, wenn die Folienschicht keine spezifische Folie aufweist, die ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Zellwickel verhindert (z.B. Aluminiumfolie). In einer alternativen Ausführungsform kann die metallische Schicht jedoch als zusätzliche Absicherung zu der Aluminiumfolie der Folienschicht gegen ein Eindringen von Feuchtigkeit auf der Kunststoffschicht angeordnet sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Folienschicht und der Kunststoffschicht wenigstens ein metallischer Körper zum Ableiten von Wärme angeordnet.
  • Der metallische Körper kann beispielsweise ein Blech oder eine Klammer aus Aluminium sein. Dabei können auch mehrere metallische Körper an verschiedenen Stellen des Zellwickels angeordnet sein. Zum Ableiten der Wärme aus dem Zellwickel kann der metallische Körper aus der Kunststoffschicht herausragen und z.B. mit einem Kühlkanal gekoppelt sein. Alternativ oder zusätzlich zu dieser Maßnahme können auch Löcher in der Kunststoffschicht vorgesehen sein, die sich bis zu dem metallischen Körper erstrecken und durch die die Wärme in die Umgebung abgeführt werden kann. Durch diese Maßnahmen wird die Wärme direkt am Zellwickel abgeleitet. Das Risiko einer Überhitzung/Beschädigung der Batteriezelle wird damit wirksam vermindert.
  • In einer weiteren Ausführungsform erstrecken sich die zwei elektrischen Leitungen durch die Folienschicht und die Kunststoffschicht, wobei die elektrischen Leitungen jeweils einen elektrisch leitfähigen Kern aufweisen, der mit einer Isolierschicht ummantelt ist.
  • Für die Kontaktierung der Elektroden des Zellwickels werden vorzugsweise einfache, isolierte Kabel verwendet, die durch die Folienschicht hindurchgeführt und während des Umspritzvorgangs ausgespart werden. Dabei gewährleistet die Isolierschicht während des Umspritzvorgangs eine gute Abdichtung gegen ein Eindringen von Kunststoffmaterial in einen Innenbereich der Batteriezelle, der durch die Folienschicht gebildet wird. Aufgrund der Verwendung von beispielsweise einfachen, isolierten Kabeln werden wenig Bauteile für die Kontaktierung der Elektroden benötigt. Dies führt zu einem robusten, kostengünstigen Aufbau der Batteriezelle und zu einem reduzierten Gewicht.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Folienschicht eine Kunststofffolie auf.
  • Dabei übernimmt die Kunststofffolie verschiedene Aufgaben. Zum einen verhindert sie während der Umspritzung ein Eindringen von Kunststoff in den Zellwickel. Dazu wird ein auf die Umspritzung abgestimmtes Material (beispielsweise Polypropylen) eingesetzt. Zum anderen wird für die Kunststofffolie ein gegen das Elektrolytmaterial beständiger Kunststoff verwendet. Dieser schützt die äußeren Schichten der Batteriezelle vor Beschädigungen durch das Elektrolytmaterial. Somit werden Lecks verhindert, durch die das Elektrolytmaterial aus der Batteriezelle austreten kann.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist die Folienschicht eine Kunststoff-Aluminium-Kunststoffverbundfolie auf, um ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Zellwickel zu verhindern.
  • In dieser Ausführungsform wird der Zellwickel in eine Kunststoff-Aluminium-Kunststoffverbundfolie eingepackt. Die Aluminiumfolie dient der Abdichtung gegen Wasser/Wasserdampf. Die Verbundfolie wird bis auf die beiden elektrischen Leitungen und eine Entlüftungs-/Befüllöffnung beispielsweise durch Schweißen komplett verschlossen.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist der Schritt des Anordnens der Folienschicht ein Umgeben eines Anodenanschlusses des Zellwickels mit einer Kunststofffolie und ein Umgeben des Zellwickels mit einer Aluminiumfolie auf, um ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Zellwickel zu verhindern.
  • In dieser Ausführungsform wird der Anodenanschluss des Zellwickels mit Hilfe der Kunststofffolie isoliert. Als Folie zur Abdichtung und Verpackung des Zellwickels wird eine nicht beschichtete Aluminiumfolie (z.B. 40 µm dünn, gewalzt) verwendet, in die der Zellwickel eingepackt wird. Zum Abdichten der Aluminiumfolie wird ein Schweißverfahren (stoffschlüssig) verwendet. Hierdurch wird eine gute Dichtigkeit gegen Wasser gewährleistet. Im Vergleich zu der Verbundfolie kann in dieser Ausführungsform auf die innenliegende Kunststofffolie verzichtet werden. Dies führt zu reduzierten Kosten und einem reduzierten Gewicht.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Folienschicht und die Kunststoffschicht derart angeordnet, dass die elektrischen Leitungen durch die Folienschicht und die Kunststoffschicht hindurchgeführt werden.
  • Dabei werden für die elektrischen Leitungen vorzugsweise elektrische Kabel verwendet, die mit einer Isolierschicht ummantelt sind. Mit Hilfe der Isolierschicht wird eine gute Abdichtung zu der Folienschicht hergestellt. Damit wird der Innenbereich der Batteriezelle, der durch die Folienschicht gebildet wird, während des Umspritzvorgangs vor einem Eindringen von Kunststoff geschützt. Außerdem kann die Batteriezelle aufgrund der Verwendung von einfachen, isolierten Kabeln kostengünstig hergestellt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird ein Zugang zu einem Innenbereich der Batteriezelle mittels einer hohlen Leitung gebildet, die sich durch die Folienschicht und die Kunststoffschicht erstreckt.
  • Dabei wird der Innenbereich der Batteriezelle durch einen Bereich definiert, in dem sich der Zellwickel befindet und der durch die Folienschicht umschlossen wird. Als hohle Leitung kann beispielsweise ein Rohr verwendet werden, das den Zugang zum Innenbereich des eingepackten Zellwickels frei hält. Beispielsweise kann das Rohr zunächst durch die Folienschicht hindurchgeführt werden. Anschließend wird die Folienschicht mit der Kunststoffschicht umspritzt. Schließlich wird das Rohr nach dem Umspritzvorgang wieder aus der Batteriezelle entnommen. Der Zugang zum Innenbereich der Batteriezelle dient sowohl zum Einbringen des Elektrolyts als auch zum Entlüften beim ersten Formieren der Batteriezelle. Unter einem ersten Formieren ist dabei ein erstes Laden der Batteriezelle zu verstehen, bei dem sich Gase entwickeln, die durch den Zugang (Entlüftungsöffnung) abgeführt werden müssen.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Zugang mittels einer der elektrischen Leitungen gebildet, wobei ein elektrisch leitfähiger Kern der elektrischen Leitung durch einen hohlen elektrischen Leiter ausgebildet wird.
  • In dieser Ausführungsform kann auf eine separate Befüll-/Entlüftungsöffnung verzichtet werden, da der Elektrolyt durch den hohlen elektrischen Leiter eingefüllt wird. In analoger Weise wird die Batteriezelle beim ersten Formieren durch den hohlen elektrischen Leiter entlüftet. Damit kann das Herstellungsverfahren der Batteriezelle vereinfacht werden. Dies wiederum resultiert in niedrigeren Herstellungskosten.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird ein Elektrolytmaterial durch den Zugang in den Innenbereich eingebracht und der Zugang anschließend verschlossen.
  • Wird der Zugang zu dem Innenbereich der Batteriezelle durch ein separates Rohr gebildet, das sich durch die Folienschicht und die Kunststoffschicht erstreckt, so wird dieses nach dem Umspritzvorgang wieder entnommen. Nach dem Einbringen des Elektrolyts und dem ersten Formieren der Batteriezelle wird die Befüll-/Entlüftungsöffnung beispielsweise durch Kleben oder Schweißen verschlossen.
  • Wird der Zugang zum Innenbereich der Batteriezelle durch einen hohlen elektrischen Leiter ausgebildet, so kann die Abdichtung der Batteriezelle nach dem Befüllen und Entlüften rein metallisch erfolgen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Kunststoffschicht mit einer metallischen Schicht beschichtet, um ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Zellwickel zu verhindern.
  • Die Beschichtung mit der metallischen Schicht erfolgt dabei vorzugsweise nur dann, wenn die Folienschicht keine Abdichtung gegen eindringende Feuchtigkeit gewährleistet. In einer alternativen Ausführungsform kann die metallische Schicht jedoch zusätzlich z.B. zu einer in der Folienschicht angeordneten Aluminiumfolie aufgebracht werden, um eine noch zuverlässigere Abdichtung zu erhalten. Als Verfahren zur Beschichtung kommt hier beispielsweise eine physikalische/chemische Gasphasenabscheidung (PVD = Physical Vapor Deposition/CVD = Chemical Vapor Deposition) oder Verchromen in Betracht.
  • Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der erfindungsgemäßen Batteriezelle auch entsprechend auf das erfindungsgemäße Verfahren zutreffen bzw. anwendbar sind.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 bis 3 zeigen verschiedene Zustände einer Batteriezelle, die gemäß einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird; und
  • 4 zeigt eine Schnittansicht der Batteriezelle, die gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Im Folgenden soll anhand der 1 bis 3 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Batteriezelle 10 erläutert werden. Dazu ist in der 1 ein erster Zustand, in der 2 ein zweiter Zustand und in der 3 ein dritter Zustand der Batteriezelle 10 im Verlauf des Herstellungsverfahrens gezeigt.
  • In der 1a ist eine Schnittansicht und in der 1b eine Längsansicht der Batteriezelle 10 dargestellt. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in diesem Ausführungsbeispiel zunächst zwei Zellwickel 12 bereitgestellt. Alternativ kann auch eine beliebige andere Zahl von Zellwickeln 12 oder auch nur ein Zellwickel 12 bereitgestellt werden. Dabei weist jeder der Zellwickel 12 ein Elektrodenpaar 14 auf. Beispielsweise kann der Zellwickel 12 aus einer Aluminiumfolie, einer Kupferfolie, sowie zwei als Diaphragmen dienenden Kunststofffolien gerollt werden. Zur Realisierung des Elektrodenpaars 14 werden die Aluminiumfolie und die Kupferfolie mit reaktiven Kathoden- und Anodenstoffen beschichtet. Darüber hinaus weist die Batteriezelle 10 zwei elektrische Leitungen 16 auf, die elektrisch mit dem Elektrodenpaar 14 gekoppelt sind. In einer Ausführungsform des Verfahrens können die elektrischen Leitungen 16 beispielsweise an das Elektrodenpaar 14 angeschweißt werden. Bei den elektrischen Leitungen 16 handelt es sich vorteilhafterweise um einfache Elektrokabel, die einen elektrisch leitfähigen Kern aufweisen, der mit einer Isolierschicht ummantelt ist.
  • Die bereitgestellten Zellwickel 12 werden in einem weiteren Schritt des Verfahrens in eine Kunststoff-Aluminium-Kunststoffverbundfolie 18 eingepackt. Die dünne Aluminiumfolie der Verbundfolie 18 dient der Abdichtung gegen Wasser/Wasserdampf und weist beispielsweise eine Dicke von 40 µm auf. Bei einer fertiggestellten Batteriezelle 10 ist innerhalb der Verbundfolie 18 ein Elektrolytmaterial angeordnet. Aus diesem Grund wird auf einer Innenseite der Verbundfolie 18 (in Richtung zu dem Zellwickel 12) ein gegen das Elektrolytmaterial beständiger Kunststoff (beispielsweise Polypropylen) verwendet. Die äußere Kunststofffolie der Verbundfolie 18 hat die Aufgabe, die Verarbeitbarkeit der dünnen Aluminiumfolie zu ermöglichen bzw. sicherzustellen. In einer alternativen Ausführungsform kann jedoch auch auf die äußere Kunststofffolie der Verbundfolie 18 verzichtet werden. Die Verbundfolie 18 wird bis auf die beiden elektrischen Leitungen 16 und einen Zugang 19, der beispielsweise durch ein Rohr 20 offengehalten wird, komplett verschlossen. Dabei kann das Verschließen der Verbundfolie 18 beispielsweise mittels eines Schweißvorgangs erfolgen. Das Rohr 20 dient dazu, den Zugang 19 zu einem Innenbereich des eingepackten Zellwickels 12 freizuhalten. Dieser Zugang 19 wird sowohl zum Einbringen des Elektrolytmaterials als auch zum Entlüften beim ersten Formieren der Batteriezelle 10 verwendet. Beim Verschließen der Verbundfolie 18 erweist es sich wiederum als vorteilhaft, wenn für die beiden elektrischen Leitungen 16 einfache Elektrokabel verwendet werden, da hiermit eine einfachere/dichtere Verbindung zu der Kunststoffschicht der Verbundfolie 18 hergestellt werden kann.
  • In einer alternativen in 1 nicht dargestellten Ausführungsform des Verfahrens kann statt der Verbundfolie 18 auch eine nicht beschichtete, gewalzte Aluminiumfolie verwendet werden, die beispielsweise eine Dicke von 40 µm aufweist. Analog zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Zellwickel 12 in die nicht beschichtete Aluminiumfolie eingepackt, wobei die Aluminiumfolie bis auf die elektrischen Leitungen 16 und das Rohr 20 mittels eines Schweißvorgangs komplett verschlossen wird. Mit Hilfe der Aluminiumfolie wird eine gute Dichtigkeit gegen Wasser gewährleistet. Um einen Kurzschluss zwischen dem Elektrodenpaar 14 zu verhindern, wird in diesem Ausführungsbeispiel ein Anodenanschluss des Zellwickels 12 vor dem Verschließen der nicht beschichteten Aluminiumfolie mit Hilfe einer Kunststofffolie isoliert.
  • In den 2a und 2b sind Längsschnitte der Batteriezelle 10 nach einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens dargestellt. In diesem Schritt wird zur Sicherstellung der Wärmeabfuhr der Batteriezelle 10 an der Außenseite der Verbundfolie 18 wenigstens ein metallischer Körper 22 angeordnet. Dabei kann der metallische Körper 22 beispielsweise Aluminium aufweisen und als Blech oder Klammer ausgeführt sein. Die Fixierung des metallischen Körpers 22 auf der Außenseite der Verbundfolie 18 kann beispielsweise über Stecken oder Kleben erfolgen. Die beiden 2a und 2b zeigen verschiedene Ausführungsformen der Batteriezelle 10 in Bezug auf die Wärmeabfuhr. So ist in 2a gezeigt, dass der metallische Körper 22 zur Wärmeabfuhr auf einer Unterseite der verpackten Zellwickel 12 angebracht ist. Wie der 2b zu entnehmen ist, kann die Wärmeabfuhr auch über seitlich anliegende Bleche 22 erfolgen.
  • Die 3 zeigt die Batteriezelle 10 nach einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens. Gleiche Elemente in Bezug auf die vorhergehenden Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden daher nicht mehr näher erläutert. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind die metallischen Körper 22 zur Wärmeabfuhr in der 3 nicht dargestellt. In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch auf eine Anordnung von metallischen Körpern 22 zur Wärmeabfuhr verzichtet werden. In der 3a ist eine Schnittansicht der Batteriezelle 10 dargestellt. Die 3b und 3c zeigen verschiedene Längsansichten der Batteriezelle 10 gemäß zwei alternativen Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens.
  • In dem vorliegenden Verfahrensschritt werden die in die Verbundfolie 18 eingepackten Zellwickel 12 mit den auf der Außenseite der Verbundfolie 18 angeordneten metallischen Körper 22 in ein Werkzeug eingelegt und mit einer Kunststoffschicht 24 umspritzt oder umgossen. Dabei wird der Umspritzvorgang derart durchgeführt, dass die metallischen Körper 22 im Wesentlichen zwischen der Verbundfolie 18 und der Kunststoffschicht 24 angeordnet sind. Zur besseren Wärmeabfuhr können in der Kunststoffschicht 24 Öffnungen vorgesehen sein, die sich bis zu den metallischen Körpern 22 erstrecken. Alternativ oder zusätzlich zu diesen Öffnungen können auch Teile der metallischen Körper 22 aus der Kunststoffschicht 24 in einen Außenraum herausragen. Außerdem werden die in die Verbundfolie 18 eingepackten Zellwickel 12 so umspritzt oder umgossen, dass sich die elektrischen Leitungen 16 bis in den Außenraum der Kunststoffschicht 24 erstrecken und dass der Zugang 19 zu dem Innenbereich der Batteriezelle 10, der durch die Verbundfolie 18 gebildet wird, offengehalten wird. Mit Hilfe der Kunststoffschicht 24 wird die mechanische Stabilität der Batteriezelle 10 sichergestellt. Damit können mechanische Kräfte/Lasten von der Batteriezelle 10 besser aufgenommen werden. Darüber hinaus dient die Kunststoffschicht 24 als Haftvermittler für weitere Funktionen, wie z.B. Kanäle, Sicken, Nuten und/oder Rillen. In einer Ausführungsform kann beispielsweise ein elektrisch leitender Kunststoff in derartige Kanäle eingespritzt werden. Infolgedessen kann auf eine aufwendige Verkabelung der Batteriezelle 10 verzichtet werden.
  • Zur einfacheren Integration dieser Funktionen weist die Kunststoffschicht 24 vorzugsweise einen Kunststoff auf, der bei niedrigen Temperaturen verarbeitet werden kann (z.B. Polyolefine, Duromere sowie Polyurethane).
  • Wie der 3b zu entnehmen ist, kann das Rohr 20 nach dem Umspritzvorgang wieder entnommen werden. Mit Hilfe des Zugangs 19 kann das Elektrolytmaterial in die Batteriezelle 10 eingebracht werden. Außerdem dient der Zugang 19 auch zum Entlüften bei dem ersten Formieren der Batteriezelle 10.
  • In einem weiteren in 3b nicht dargestellten Schritt des Herstellungsverfahrens wird der Zugang 19 beispielsweise durch Kleben oder Schweißen verschlossen.
  • In 3c ist eine alternative Ausführungsform des Verfahrens in Bezug auf die Herstellung des Zugangs 19 zu dem Innenbereich der Batteriezelle 10 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel weist die elektrische Leitung 16b einen hohlen elektrischen Leiter auf. Dieser hohle elektrische Leiter dient damit sowohl zum Einbringen des Elektrolytmaterials als auch zum Entlüften beim ersten Formieren der Batteriezelle 10. Somit kann vorteilhafterweise auf einen separaten Zugang 19, der beispielsweise durch das Rohr 20 freigehalten wird, verzichtet werden. Außerdem kann die Abdichtung der Batteriezelle 10 nach dem Befüllen mit dem Elektrolytmaterial und dem Entlüften rein metallisch erfolgen.
  • 4 zeigt eine Schnittansicht einer fertiggestellten Batteriezelle 10, die gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.
  • In dieser Ausführungsform werden die Zellwickel 12 jeweils in eine in 4 nicht dargestellte Kunststofffolie eingepackt, um ein Eindringen von Kunststoff während des Umspritzvorgangs in die Zellwickel 12 zu verhindern. Dabei weist die Kunststofffolie vorteilhafterweise ein auf die Umspritzung abgestimmtes Material (beispielsweise Polypropylen) auf. Analog zu der 1b wird die Kunststofffolie komplett verschlossen, so dass lediglich die elektrischen Leiter 16 in den Außenbereich herausragen und die jeweiligen Zugänge 19 für das Befüllen/Entlüften der Batteriezelle 10 freigehalten werden.
  • Entsprechend zu den 2a und 2b können auf den Außenseiten der eingepackten Zellwickel 12 metallische Körper 22 zur Wärmeabfuhr angeordnet werden. Falls eine verstärkte Wärmeabfuhr nicht erforderlich ist, kann in einer alternativen Ausführungsform auch auf das Anordnen der metallischen Körper 22 verzichtet werden.
  • Anschließend werden die eingepackten Zellwickel 12 in Analogie zu dem in 3 dargestellten Verfahrensschritt in ein Werkzeug eingelegt und mit der Kunststoffschicht 24 umspritzt oder umgossen. Dadurch wird wiederum die mechanische Stabilität der Batterie 10 sichergestellt.
  • Mit Hilfe der Zugänge 19 wird in einem weiteren Schritt das Elektrolytmaterial in die Batteriezelle 10 eingebracht. Des Weiteren dienen die Zugänge 19 zum Entlüften beim ersten Formieren der Batteriezelle 10. Danach werden die Zugänge 19 beispielsweise durch Kleben oder Schweißen verschlossen.
  • Darüber hinaus wird die Kunststoffschicht 24 mit einer dichten metallischen Schicht 26 beschichtet, um ein Eindringen von Wasser in die Batteriezelle 10 zu verhindern. Als Verfahren für die Beschichtung kommen beispielsweise eine physikalische Gasphasenabscheidung (PVD: Physical Vapor Deposition), eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD: Chemical Vapor Deposition) oder Verchromen in Betracht.
  • Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Batteriezelle 10 kostengünstig und mit geringem Gewicht hergestellt werden. Insbesondere durch die Trennung der einzelnen Anforderungen (Dichtheit, Wärmeableitung, Isolierung, mechanische Stabilität) sowie den gezielten Einsatz von Kunststoffen können Gewicht und Kosten der Batteriezelle 10 signifikant reduziert werden.

Claims (15)

  1. Batteriezelle (10) mit einem Zellwickel (12), der zumindest ein Elektrodenpaar (14) aufweist, und mit zwei elektrischen Leitungen (16), die elektrisch mit dem Elektrodenpaar (14) gekoppelt sind, wobei der Zellwickel (12) zumindest teilweise von einer Folienschicht (18) umgeben ist und wobei die Folienschicht (18) von einer Kunststoffschicht (24) umspritzt oder umgossen ist, die eine im Wesentlichen starre Schicht und eine definierte Oberfläche bildet.
  2. Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Folienschicht (18) eine Aluminiumfolie aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Zellwickel (12) zu verhindern.
  3. Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Folienschicht (18) eine Kunststofffolie aufweist, die einen gegen ein Elektrolytmaterial der Batteriezelle (10) beständigen Kunststoff aufweist.
  4. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kunststoffschicht (24) mit einer metallischen Schicht (26) beschichtet ist, die dazu ausgebildet ist, ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Zellwickel (12) zu verhindern.
  5. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwischen der Folienschicht (18) und der Kunststoffschicht (24) wenigstens ein metallischer Körper (22) zum Ableiten von Wäme angeordnet ist.
  6. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich die zwei elektrischen Leitungen (16) durch die Folienschicht (18) und die Kunststoffschicht (24) erstrecken und wobei die elektrischen Leitungen (16) jeweils einen elektrisch leitfähigen Kern aufweisen, der mit einer Isolierschicht ummantelt ist.
  7. Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle (10), wobei die Batteriezelle (10) einen Zellwickel (12), der zumindest ein Elektrodenpaar (14) aufweist, und zwei elektrische Leitungen (16), die elektrisch mit dem Elektrodenpaar (14) gekoppelt sind, aufweist, mit den Schritten: – Bereitstellen des Zellwickels (12), – Anordnen einer Folienschicht (18) an dem Zellwickel (12), so dass der Zellwickel (12) zumindest teilweise von der Folienschicht (18) umgeben ist, und – Umspritzen oder Umgießen der Folienschicht (18) mit einer Kunststoffschicht (24), die dazu ausgebildet ist, eine im Wesentlichen starre Schicht und eine definierte Oberfläche zu bilden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Folienschicht (18) eine Kunststofffolie aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Folienschicht (18) eine Kunststoff-Aluminium-Kunststoff Verbundfolie aufweist, um ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Zellwickel (12) zu verhindern.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Anordnens der Folienschicht (18) ein Umgeben eines Anodenanschlusses des Zellwickels (12) mit einer Kunststofffolie und ein Umgeben des Zellwickels (12) mit einer Aluminiumfolie aufweist, um ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Zellwickel (12) zu verhindern.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Folienschicht (18) und die Kunststoffschicht (24) derart angeordnet werden, dass die elektrischen Leitungen (16) durch die Folienschicht (18) und die Kunststoffschicht (24) hindurchgeführt werden.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei ein Zugang (19) zu einem Innenbereich der Batteriezelle (10) mittels einer hohlen Leitung (20; 16b) gebildet wird, die sich durch die Folienschicht (18) und die Kunststoffschicht (24) erstreckt.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Zugang (19) mittels einer der elektrischen Leitungen (16) gebildet wird, wobei ein elektrisch leitfähiger Kern der elektrischen Leitung (16) durch einen hohlen elektrischen Leiter ausgebildet wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei ein Elektrolytmaterial durch den Zugang (19) in den Innenbereich eingebracht wird und wobei der Zugang (19) anschließend verschlossen wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei die Kunststoffschicht (24) mit einer metallischen Schicht (26) beschichtet wird, um ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Zellwickel (12) zu verhindern.
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