-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lithium-Ionen Zellmodulen (Zellen), wobei sowohl die prozessintegrierte Direktanspritzung eines Kunststoffrahmens an den im vorherigen Fertigungsschritt gebildeten Folienstapel und die nachträgliche Evakuierung und Versiegelung, als auch die Integration funktionaler Komponenten im Zellfertigungsprozess innovativer Entwicklungsgegenstand sind. Des Weiteren wird ein innovatives Lithium-Ionen-Zellmodul offenbart.
-
Mit steigender Elektrifizierungsrate mobiler Systeme kommt leistungsfähigen Energiespeichereinheiten eine steigende Bedeutung zu. Insbesondere die Lithium-Ionen-Batterien stellen aufgrund ihrer hohen Energiedichte derzeit die vielversprechendste Energiespeichertechnologie dar, befinden sich aus produktionstechnischer Sicht jedoch noch im Entwicklungsstadium. Der derzeitige Mangel an produktiven und effizienten Fertigungsverfahren verhindert eine umfassende Marktdurchdringung, welche die Voraussetzung für das Erreichen der Elektrifizierungsziele von Fahrzeugsystemen bildet.
-
Insbesondere bezieht sich das Folgende auf Lithium-Ionen-Zellen, die als sogenannte Pouch-Zellen ausgeführt sind. Kennzeichnend für diese Bauform ist, dass positive und negative Elektroden sowie der dazwischen angeordnete und diese trennende Separator als Folien ausgeführt sind. Die Folien (Anode, Kathode, zwischenliegende Separatorfolie) sind mehrfach gestapelt, wobei jeweils zwei Anodenlagen bzw. zwei Kathodenlagen rückseitig (unbeschichtete Seite) aufeinander zu liegen kommen und so ein Folienstapel entsteht. Dieser Folienstapel ist von Polymerfolien umschlossen, die Elektroden und Separator luftdicht einschließen, und aus denen die Anschlussfahnen zur elektrischen Kontaktierung herausgeführt sind. Aufgrund dieses relativ instabilen und stoßempfindlichen Aufbaus bedarf der Folienstapel einer mechanischen Stabilisierung. Dazu ist der gesamte Folienstapel in einen mechanisch widerstandfähigen Rahmen eingebracht.
-
Für die Integration der Pouch-Zellen in die Rahmenstrukturen wurden bereits einige Ansätze vorgestellt. Stand der Technik ist hierbei, dass die Herstellung der Zelle und die Batteriebildung mittels eines Gehäuses separate Fertigungs- und Technologieschritte sind. Separate Rahmenlösungen finden sich in den Offenlegungsschriften
DE 10 2006 018 849 A1 ,
DE 20 2008 012 599 U1 ,
DE 2009 046 801 A1 ,
DE 602 14 076 T2 und
DE 10 2009 043 635 A1 . Hier werden unterschiedliche Ansätze für die nachträgliche Montage von Pouch- und Rundzellen in Gehäusestrukturen vorgestellt.
-
Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Fertigungsverfahren für Lithium-Ionen-Zellen vorzuschlagen, welches sowohl eine hohe Produktivität derartiger Systeme ermöglicht, als auch eine prozessintegrierte, modulare Rahmenbauweise einführt und dadurch nachträgliche Fertigungsschritte zur Zellumhausung einspart. Eine weitere Aufgabe ist es, die Betriebssicherheit des Batteriesystems zu erhöhen.
-
Die Aufgabenstellung wird mittels des Herstellungsverfahrens nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den rückbezogenen Unteransprüchen offenbart. Ein innovatives Lithium-Ionen-Zellmodul ist Gegenstand des Anspruchs 10.
-
Es wird ein zuvor durch Stapeln der Einzelfolien oder durch alternative Methoden gebildetes Folienpaket bereit gestellt. Das Folienpaket besteht dabei aus mit einer Elektrolytlösung getränkten Separatorfolie, die auf der einen Seite mit einer Kathodenfolie und auf der anderen Seite mit einer Anodenfolie vollflächig Kontakt hat. Jede Anoden- bzw. Kathodenfolie weist dabei mindestens eine Anschlussfahne zur späteren Kontaktierung auf. In einer bevorzugten Ausführungsform kommen beim Stapeln jeweils zwei Anodenfolien und zwei Kathodenfolien rückseitig (wobei als die Rückseite die unbeschichtete Seite, die der Separatorfolie abgewandte Seite angesehen wird) aufeinander zu liegen.
-
Die Anoden- bzw. Kathodenanschlussfahnen sind so aus den Folien herausgeführt, dass kein elektrischer Kontakt mit einer Anschlussfahne der anderen Polarität stattfindet. In einer bevorzugten Ausführungsform kommen Anschlussfahnen einer Polarität übereinander zu liegen und werden nunmehr mindestens einmal umgebördelt (gefaltet und vollflächig aufeinander abgelegt) und anschließend mindestens einmal verschweißt. Als geeignete Schweißverfahren kommen z. B. Laserschweißen oder Ultraschallschweißen zum Einsatz. In einer bevorzugten Ausführungsform wird zwischen die beim Umbördeln entstehenden Lagen Leitpaste eingebracht, um den vollflächigen Kontakt zu verbessern.
-
So bildet sich vorteilhaft ein mechanisch stabilerer, höhere Stromstärken ermöglichender Anschlussbereich. Innovativ ist der direkte Einsatz der Anschlussfahnen zur Kontaktierung der Batteriemodule. Es sind vorteilhaft keine weiteren Verbindungen wie zusätzliche Kontaktplatten an den Anschlussfahnen oder angelötete Verdrahtungen notwendig. Vorteilhaft wird durch die Verschweißung ein Eindringen von Luft in den Folienstapel an den Anschlussfahnen verhindert.
-
Das Folienpaket wird bevorzugt in einem Spritzgussprozess mit einem Rahmen versehen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Rahmen mittels Spritzprägens ausgebildet. Der Spritzgussprozess schließt vorteilhaft die Folienränder ein und dichtet diese ab, wobei lediglich die zuvor gefalteten (umgebördelten) und verschweißten unbeschichteten
-
Ableitfahnen der Elektroden (Kathode und Anode) zur Kontaktierung herausragen. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt neben der prozessintegrierten Umspritzung des Batteriefolienstapels auch die Umspritzung von funktionalen Bauteilen wie Batteriemanagementsystem und Kontaktierungselementen sowie angepassten Kühlgeometrien oder -bauteilen.
-
Bevorzugt wird dazu der Folienstapel ähnlich einem Einleger in die Kavität eines Guss-, bevorzugt eines Spritzgusswerkzeugs, eingebracht. Mittels einer Dichtkante, welche den Rand des Folienstapels von der Zellfläche trennt, wird eine ausschließliche Umspritzung des Randbereichs ermöglicht. Der innere Zellbereich, welcher die elektrisch funktionalen Bestandteile (Folien, Elektrolyt) enthält, die bei übermäßiger thermischer Belastung geschädigt werden können, bleibt dabei unbenetzt und somit thermisch weitgehend unbelastet. Der Rahmen weist beidseitig und parallel zum Folienpaket umlaufende Verbindungsflächen auf an die in einem abschließenden Fertigungsschritt beidseitig Verbundfolien angeschweißt werden, welche eine Abdichtung der Zelle und eine Sicherstellung des zuvor innerhalb der Zelle erzeugten Vakuums gewährleisten.
-
Der angespritzte Rahmen sorgt für die erforderliche Stabilität des Zellmoduls und bildet eine sichere Abdichtung der Folienkanten gegenüber Umgebungsmedien. Eine zusätzliche Rahmenkonstruktion kann dadurch eingespart werden, was einen wesentlichen Wirtschaftlichkeits- und Sicherheitsvorteil des erfindungsgemäßen Fertigungskonzepts darstellt.
-
Zur Erzeugung des Vakuums innerhalb des Zellmoduls wird das mit einer Kunststoffumrandung versehene und dadurch fixierte Folienpaket einer Vakuumier- und Schweißeinrichtung zugeführt, welche die noch medienoffenen Zellflächen mit einer Verbundfolie versiegelt. Die innerhalb des Folienpaketes befindliche Luft wird entfernt, indem in einer bevorzugten Ausführungsform der Spritzguß des Rahmens bereits im Vakuum (Vakuumspritzguss) stattfindet. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird der Rahmen mit einer dauerhaft verschließbaren Abpumpöffnung versehen, die nach dem Evakuieren (Vakuumieren) des Folienstapels verschlossen wird. Eine weitere bevorzugte Verfahrensweise sieht Entlüftungslöcher im Folienstapel vor, durch die die Luft in der Vakuumkammer vor dem Anschweißen der Verbundfolie entweichen kann. Dazu wird diese beidseitig an den Rand des Kunststoffrahmens vorzugsweise angeschweißt. Die Befestigung der Folie kann jedoch auch mittels Klebens erfolgen. Bevorzugt weist der Rahmen dabei eine Höhe auf, die der Höhe des vakuumierten Folienstapels entspricht. Auf diese Weise liegt die Verbundfolie direkt auf dem Folienstapel auf, der somit die Verbundfolie von der durch den Luftdruck ausgeübten Kraft entlastet. Die Verbundfolie besteht bevorzugt aus einem PET-Aluminium-PP-Verbund. Das somit vakuumierte und verschlossene Zellmodul (Batteriemodul) kann anschließend der Batteriebildung zugeführt werden, welche durch funktionale Geometrien des Kunststoffrahmens realisiert werden kann. Durch den Rahmen wird die Zelle geometrisch definiert und zudem umlaufend abdichtet. Aufwendige Rahmenkonzepte zum Schutz und der Fixierung der Zellen entfallen somit.
-
Die durch die Anspritzung des Rahmes erzielte Verkürzung der Produktionskette führt zu Effizienzsteigerungen in der Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen und liefert einen Beitrag zur Kostenreduzierung dieser Technologie. Die im Vergleich zu bisherigen Steckrahmen verbesserte Dichtheit der Zellen stellt zudem einen Beitrag zur Steigerung der Sicherheit derartiger Systeme dar.
-
Der mit einem Rahmen versehene Folienstapel bildet ein Batteriemodul. Mehrere Batteriemodule werden durch mechanische und elektrische Verbindung zu einer Batterie zusammengeschlossen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umschließt der Rahmen ebenfalls die Ableitfahnen der Folien. Diese Ableitfahnen sind vorteilhaft wie oben beschrieben zur mechanischen Stabilisierung und zur besseren Widerstandsfähigkeit gegen hohe Stromdichten mindestens einmal umgeschlagen und aufeinandergelegt. Besonders bevorzugt werden die aufeinanderliegenden Ableitfahnen miteinander verbunden. Dies erfolgt besonders bevorzugt mittels Schweißens. Alternative Vorgehendweisen sehen Verlöten oder Verkleben mit einem vorzugsweise leitfähigen Kleber vor. Der Rahmen weist zur Kontaktierung der Ableitfahnen in dem Anschlussbereich vorteilhaft in Randnähe mindestens ein Fenster für jede Elektrodenart (Anode bzw. Kathode) auf, das die Ableitfahnen vollständig umgibt und diese im Fenster freigibt. Bevorzugt werden bei der Montage der Rahmen der einzelnen Batteriemodule in die durch die Fenster gebildeten Freiräume zwischen zwei Rahmen Verbinder oder Kontaktierungselemente (z. B. Federelemente auf Pressung) eingebracht. Diese Verbinder oder Kontaktierungselemente stellen die elektrische Verbindung zwischen zwei benachbarten Batteriemodulen her.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umgibt der Rahmen das Fenster nur teilweise. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umgibt der Rahmen das Fenster vollständig, weist jedoch eine geringere Höhe auf, so dass mit geeigneten Klemmvorrichtungen eine Kontaktierung der Ableitfahnen möglich ist.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform werden in den Rahmen Funktionselemente und Aussparungen eingebracht. Bevorzugt erfolgt dies bereits während des Spritzgießprozesses. So ermöglichen funktionale Aussparungen im Rahmen die Kontaktierung der Zellen untereinander, die Realisierung eines Belüftungskonzepts, die elektrische Kontaktierung der einzelnen Zellen für Überwachungsfunktionen sowie eine Führungen beim Zusammenbau mehrerer Module zur Batterie. Die Funktionselemente dienen bspw. dem Batteriemanagement, der Überwachung von Ladezustand, Ladezykluszahl, Stromstärke etc. Die Funktionselemente sind vorzugsweise als elektronische Bauelemente ausgeführt, die im Rahmen eingespritzt sind und ihre energetische Versorgung direkt aus der Batterie beziehen. Dies erfolgt bevorzugt, indem Sie gesonderte Anschlussfahnen an die Elektrodenfolien aufweisen oder aber die ohnehin vorhandenen Anschlussfahnen mit nutzen.
-
Die Dichtheit des assemblierten Batteriemoduls gegenüber Umgebungsmedien wird vorzugsweise durch eine umlaufende Dichtung, für welche der Kunststoffrahmen eine entsprechende Nut aufweist, gewährleistet. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sehen eine Klebe- oder Schweißverbindung vor.
-
Vorteilhaft ist, dass ein Auslaufen der Batteriezellen nicht bei geringen Belastungen oder im normalen Betrieb sondern nur noch durch zerstörende Öffnung des Rahmens und somit die Exponierung der empfindlichen Zellen nur noch bei zerstörender Belastung der Batterie denkbar ist.
-
Die Form des Rahmens ist frei wählbar. Besonders bevorzugt sind quadratische, rechteckige oder polygonale, insbesondere sechs- oder achteckige, sowie rund oder Ovale Formen.
-
Bevorzugt besteht der Rahmen aus Kunststoff, besonders bevorzugt aus faserverstärktem Kunststoff. Zur Faserverstärkung kommen dabei vorzugsweise Kurzfasern zum Einsatz, die einer Spritzgussverarbeitung zugänglich sind. Geeignet sind Faser-Matrix-Kombinationen nach dem Stand der Technik, bspw. Glasfaser-Polyamid, Glasfaser-Polycarbonat oder Glasfaser-Polypropylen.
-
Eine ganz besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die folgenden Teilschritte auf:
- (1) Ein- oder mehrfaches Umbördeln der Ableitfahnen eines zuvor gebildeten Folienstapels, so dass eine stabile Kontaktierungsmöglichkeit entsteht,
- (2) Verschweißen der Ableitfahnen zur besseren Energieübertragung innerhalb der Folienschichten sowie zur Abdichtung des Zellinneren,
- (3) Anspritzen einer Kunststoffumrandung an den Zellstapel, welche sowohl aus unverstärktem, als auch verstärktem Kunststoff (z. B. durch Kurzfasern) bestehen kann und,
- (4) Vakuumierung und Versiegelung der Zelle mittels am Rahmen angeschweißter Verbundfolien an den Seitenflächen, welche die Mediendichtheit der Zelle gewährleisten.
-
Ausführungsbeispiel
-
Das erfindungsgemäße Zellfertigungskonzept umfasst prozessintegrierte Herstellung eines Batterie-Zellmoduls, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie.
-
Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäße Aufbau und das zugehörige Verfahren näher erläutert.
-
1 zeigt eine Ansicht des beispielhaft dargestellten Folienstapels mit gebogenen und verschweißten Ableitfahnen.
-
2 zeigt schematisch die Vorderansicht des erfindungsgemäßen Zellmoduls, bei welchem mittels eines prozessintegrierten Spritzgussvorgangs der zuvor gebildeten Folienstapel umspritzt wird, sodass lediglich Öffnungen zur Kontaktierung der Zellen erhalten bleiben.
-
3 zeigt eine Schnittansicht des Folienpakets mit umlaufendem, angespritztem Kunststoffrahmen und angeschweißten Verbundfolien zur flächigen Versiegelung und Medienabdichtung,
-
4 zeigt die Abfolge der Verfahrensschritte des Spritzgussprozesses, mit dem Folienstapel ein Kunststoffrahmen angespritzt wird.
-
Beschreibung des grundlegenden Aufbaus des Zellmoduls (Batteriemoduls):
-
Das Zellmodul nach dem Ausführungsbeispiel 2 und 3 besteht aus einem Folienstapel 11, einer umlaufenden Rahmenstruktur 8 sowie der Verbundfolie 10, welche die Zelle flächig zu Umgebungsmedien abdichtet. Als Folienmaterialien werden anodisch beschichtete Kupferfolie 1, 2, Separatorfolie 3 und kathodisch beschichtete Aluminiumfolie 4, 5 zum Einsatz. Der Folienstapel liegt dabei wie in 1 dargestellt vor, wobei die Ableitfahnen 12 jeweils aus den unbeschichteten Bereichen der Kathoden- und Anodenfolie bestehen und für die spätere Kontaktierung der Zelle aus dem Stapel herausragen. Dabei sind diese erfindungsgemäß mindestens einmal um sich umgebogen (umgebördelt), so dass diese die nötige Stabilität aufweisen und auf zusätzliche Ableitbleche verzichtet werden kann. Zusätzlich sind zur Abdichtung des Zellinneren und der verbesserten elektrischen Leitfähigkeit die Fahnen untereinander verschweißt 7. Die Abmessungen der Folien und ihr Aufbau entsprechen den gegenwärtig nach dem Stand der Technik genutzten.
-
Verfahrensbeschreibung zur Herstellung des Zellmoduls:
-
Beim herzustellenden Zellmodul handelt es sich um einen umlaufend umspritzten Folienstapel, welcher mittels der nachfolgend beschriebenen Methoden gefertigt wird.
-
1 zeigt den gebildeten Stapel und die herausragenden Anschlussfahnen 6, der Aluminiumfolien 4 welche zur späteren Kontaktierung der Zelle dienen. Diese sind einmal umgebogen (umgebördelt) und anschließend mittels zweier Schweißverbindungen 7 untereinander stoffschlüssig verbunden, um eine verbesserte Leistungsübertragung und eine Mediendichtheit des Zellinneren zu gewährleisten.
-
2 und 3 zeigen das funktionsintegrierende Rahmenkonzept. Der Rahmen besteht aus kurzfaserverstärktem Thermoplast. Besonders vorteilhaft sind die Integration des Batterie-Management-Systems sowie der Kontaktierungs- und Belüftungsöffnungen. Insbesondere eine große Kontaktierungsfläche der Zellen untereinander ermöglicht einen hohen Energiefluss, so dass starke Zellerwärmungen im Ableitbereich (Anschlussbereich) weitgehend vermieden werden können.
-
4 zeigt die umlaufende Randumspritzung des Folienstapels, welche sowohl als Rahmen zur Bildung einer stabilen Zellstruktur dient, als auch der Abdichtung des Zellinneren zur Umgebung gewährleistet. Während des Vorgangs ist eine ausreichende Fixierung der Folien sicherzustellen. Dies erfolgt mittels eines voreilenden Klemmrandes im Werkzeug, so dass es aufgrund des Einspritzdrucks nicht zu einem Einreißen des Materials kommt. Nach dem Spritzprozess erfolgt erfindungsgemäß die Versiegelung der Zellfläche mittels einer im Vakuum angeschweißten Kunststoff-Verbundfolie (z. B. PET-Aluminium-PP-Verbundfolie, 0,1–0,2 mm dick), welche gute Wärmeleiteigenschaften zur Temperierung der Zelle durch Wärmeabfuhr oder -eintrag aufweist.
-
Der gesamte Verfahrensablauf zur Rahmenanspritzung erfolgt gemäß den im Folgenden beschriebenen Teilschritten (4).
- (1) Einlegen des gefalteten Folienstapels ins geöffnete Spritzgusswerkzeug,
- (2) Schließen des Werkzeugs, wobei die zu füllende Kavität am Folienaußenrand durch eine Dichtkante von der beschichteten, d. h. elektrisch funktionalen Folienoberfläche geometrisch separiert wird,
- (3) Einspritzen des Kunststoffs, so dass sich in der umliegenden Kavität ein Rahmen ausbildet, welcher die Folien geometrisch fixiert und das Stapelinnere abdichtet,
- (4) Öffnen des Werkzeugs zur Entnahme des umspritzten Folienstapels.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kupferfolie
- 2
- Anodische Beschichtung der Kupferfolie
- 3
- Separatorfolie
- 4
- Aluminiumfolie
- 5
- Kathodische Beschichtung der Aluminiumfolie
- 6
- gebündelte Aluminium-Anschlussfahnen der Aluminiumfolien
- 7
- Schweißverbindung der Aluminiumfolien
- 8
- Kunststoffrahmen
- 9
- Schweißzone Rahmen-Verbundfolie
- 10
- Verbundfolie
- 11
- Folienstapel
- 12
- Anschlussfahnen
- 13
- Spritztechnisch integriertes Batterie-Management-System
- 14
- Montageöffnung
- 15
- Obere Werkzeughälfte
- 16
- Folienstapel
- 17
- Untere Werkzeughälfte
- 18
- Geschlossenes Werkzeug mit Folienstapel
- 19
- Umlaufend angespritzter Kunststoffrahmen
- 20
- Zellmodul (Batteriemodul) mit Rahmen
-
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 102006018849 A1 [0004]
- DE 202008012599 U1 [0004]
- DE 2009046801 A1 [0004]
- DE 60214076 T2 [0004]
- DE 102009043635 A1 [0004]
