DE102012213110A1

DE102012213110A1 - Method for manufacturing film battery e.g. lithium ion battery mounted in vehicle, involves forming frame by casting around edge region of film stack, and opening casting tool after removal of a frame which is provided film stack

Info

Publication number: DE102012213110A1
Application number: DE201210213110
Authority: DE
Inventors: Werner Hufenbach; Martin Lepper; Johann Maaß; Marco Zichner
Original assignee: Leichtbau Zentrum Sachsen GmbH
Current assignee: Leichtbau Zentrum Sachsen GmbH
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2014-01-30
Anticipated expiration: 2032-07-27
Also published as: DE102012213110B4

Abstract

The method involves providing film stack (11). The film stack is loaded in a casting tool. The casting tool is closed. The frame is formed by casting around the edge region of the film stack. The casting tool is opened after removal of a frame which is provided film stack. The polarity of connection lugs (12) of film stack is identical to each other. The superposed connection lugs are crimped. The flanged connection lugs are welded. An independent claim is included for lithium ion battery element.

Description

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.The invention relates to a method for producing lithium-ion cell modules (cells), wherein both the process-integrated Direktanspritzung a plastic frame to the film stack formed in the previous manufacturing step and the subsequent evacuation and sealing, and the integration of functional components in the cell production process are innovative development object. Furthermore, an innovative lithium-ion cell module is disclosed.

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.With increasing electrification rate of mobile systems, powerful energy storage units are becoming increasingly important. In particular, the lithium-ion batteries currently represent the most promising energy storage technology due to their high energy density, but are still in the development stage from a production point of view. The current lack of productive and efficient manufacturing processes prevents the full penetration of the market, which is the prerequisite for achieving the electrification goals of vehicle systems.

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. In particular, the following refers to lithium-ion cells, which are designed as so-called pouch cells. Characteristic of this design is that positive and negative electrodes and the interposed and separating separator are designed as films. The films (anode, cathode, separator film lying between them) are stacked several times, with two anode layers or two cathode layers on the back (uncoated side) coming to lie on each other, thus creating a film stack. This film stack is surrounded by polymer films, the electrodes and separator include airtight, and from which the terminal lugs are led out for electrical contact. Due to this relatively unstable and shock-sensitive construction, the film stack requires mechanical stabilization. For this purpose, the entire film stack is placed in a mechanically resistant frame.

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. Several approaches have already been presented for the integration of pouch cells into the framework structures. The state of the art here is that the production of the cell and the battery formation by means of a housing are separate manufacturing and technology steps. Separate frame solutions can be found in the published patent applications DE 10 2006 018 849 A1 . DE 20 2008 012 599 U1 . DE 2009 046 801 A1 . DE 602 14 076 T2 and DE 10 2009 043 635 A1 , Here are presented different approaches for the subsequent assembly of pouch and round cells in housing structures.

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.It is therefore the task of proposing a manufacturing method for lithium-ion cells, which allows both a high productivity of such systems, as well as a process-integrated, modular frame construction introduces and thereby saves subsequent manufacturing steps for cell housing. Another object is to increase the reliability of the battery system.

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.The task is solved by means of the manufacturing method according to claim 1. Advantageous embodiments of the method are disclosed in the dependent claims. An innovative lithium-ion cell module is the subject of claim 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. It provides a previously formed by stacking the individual sheets or by alternative methods foil package. The foil package consists of separator foil soaked with an electrolyte solution, which has full contact with a cathode foil on one side and with an anode foil on the other side. Each anode or cathode foil has at least one connection lug for later contacting. In a preferred embodiment, two anode foils and two cathode foils are stacked on the back side (with the uncoated side, which is the side facing away from the separator foil) lying on the back side of each other.

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.The anode and cathode terminal lugs are led out of the films so that no electrical contact with a terminal lug of the other polarity takes place. In a preferred embodiment, terminal lugs of one polarity come to rest on top of each other and are now flanged over at least once (folded and laid over one another over the entire surface) and then welded at least once. As a suitable welding process z. As laser welding or ultrasonic welding used. In a preferred embodiment, conductive paste is introduced between the layers formed during crimping in order to improve full-surface contact.

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. This advantageously forms a mechanically more stable, higher current-enabling connection area. Innovative is the direct use of the terminal lugs for contacting the battery modules. There are advantageously no further connections such as additional contact plates on the terminal lugs or soldered wiring necessary. Advantageously, penetration of air into the film stack at the connection lugs is prevented by the welding.

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 The film package is preferably provided with a frame in an injection molding process. In a further preferred embodiment the frame is formed by injection compression molding. The injection molding process advantageously includes and seals the film edges, with only the previously folded (flanged) and sealed uncoated

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. Ableitfahnen the electrodes (cathode and anode) protrude for contacting. In a preferred embodiment, in addition to the process-integrated encapsulation of the battery film stack and the encapsulation of functional components such as battery management system and contacting elements and adapted cooling geometries or components.

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.For this purpose, the film stack is preferably introduced into the cavity of a casting, preferably an injection molding tool, similar to an insert. By means of a sealing edge, which separates the edge of the film stack from the cell surface, an exclusive encapsulation of the edge region is made possible. The inner cell area, which contains the electrically functional components (foils, electrolyte), which can be damaged by excessive thermal load, remains unwetted and thus thermally largely unencumbered. The frame has on both sides and parallel to the film package encircling connecting surfaces to which in a final manufacturing step on both sides of composite films are welded, which ensure a seal of the cell and ensuring the vacuum previously generated within the cell.

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. The molded frame provides the required stability of the cell module and forms a secure seal of the film edges against ambient media. An additional frame construction can be saved, which represents a significant economic and safety advantage of the manufacturing concept according to the invention.

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.To generate the vacuum within the cell module provided with a plastic border and thereby fixed film package is fed to a vacuum and welding device, which seals the still media-open cell surfaces with a composite film. The air contained within the film pack is removed by, in a preferred embodiment, the injection molding of the frame already takes place in vacuum (vacuum injection molding). In another preferred embodiment, the frame is provided with a permanently closable Abpumpöffnung which is closed after evacuating (vacuuming) of the film stack. Another preferred method provides vent holes in the film stack, through which the air in the vacuum chamber can escape before welding the composite film. For this purpose, this is preferably welded to both sides of the edge of the plastic frame. However, the attachment of the film can also be done by gluing. The frame preferably has a height that corresponds to the height of the vacuumed film stack. In this way, the composite film is directly on the film stack, which thus relieves the composite film of the force exerted by the air pressure force. The composite film preferably consists of a PET-aluminum-PP composite. The thus vacuumed and sealed cell module (battery module) can then be supplied to the battery formation, which can be realized by functional geometries of the plastic frame. Through the frame, the cell is geometrically defined and also circumferentially sealed. Elaborate frame concepts for protecting and fixing the cells are therefore eliminated.

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.The shortening of the production chain achieved by the gassing of the cream leads to efficiency increases in the production of lithium-ion cells and contributes to the cost reduction of this technology. The improved compared to previous plug frame tightness of the cells also makes a contribution to increasing the security of such systems.

Der mit einem Rahmen versehene Folienstapel bildet ein Batteriemodul. Mehrere Batteriemodule werden durch mechanische und elektrische Verbindung zu einer Batterie zusammengeschlossen.The framed film stack forms a battery module. Several battery modules are connected by mechanical and electrical connection to a battery.

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 a preferred embodiment, the frame also encloses the Ableitfahnen of the films. These Ableitfahnen are advantageous as described above for mechanical stabilization and better resistance to high current densities at least once handled and stacked. Particularly preferably, the superposed Ableitfahnen be connected to each other. This is particularly preferably done by welding. Alternative procedures provide for soldering or bonding with a preferably conductive adhesive. The frame has for contacting the Ableitfahnen in the connection area advantageously near the edge at least one window for each type of electrode (anode or cathode), which completely surrounds the Ableitfahnen and this releases in the window. When mounting the frames of the individual battery modules in the free spaces formed by the windows, connectors or contacting elements (eg spring elements for pressing) are preferably introduced between two frames. These connectors or contacting elements establish the electrical connection between two adjacent battery modules.

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 a preferred embodiment, the frame only partially surrounds the window. In a further preferred embodiment, the surrounds Frame the window completely, but has a lower height, so that contacting the Ableitfahnen is possible with suitable clamping devices.

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.In a preferred embodiment, functional elements and recesses are introduced into the frame. This is preferably already done during the injection molding process. Functional recesses in the context of contacting the cells with each other, the realization of a ventilation concept, the electrical contacting of the individual cells for monitoring functions and a guide in the assembly of several modules to the battery. The functional elements are used, for example, the battery management, the monitoring of state of charge, charge cycle number, current, etc. The functional elements are preferably designed as electronic components that are injected in the frame and relate their energy supply directly from the battery. This is preferably done by having separate terminal lugs to the electrode films or use the already existing terminal lugs with.

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.The tightness of the assembled battery module with respect to ambient media is preferably ensured by a peripheral seal, for which the plastic frame has a corresponding groove. Further preferred embodiments provide an adhesive or welded connection.

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. It is advantageous that leakage of the battery cells is not conceivable at low loads or during normal operation but only by destructive opening of the frame and thus the exposure of the sensitive cells only in destructive load of the battery.

Die Form des Rahmens ist frei wählbar. Besonders bevorzugt sind quadratische, rechteckige oder polygonale, insbesondere sechs- oder achteckige, sowie rund oder Ovale Formen.The shape of the frame is freely selectable. Particularly preferred are square, rectangular or polygonal, in particular hexagonal or octagonal, as well as round or oval shapes.

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.The frame is preferably made of plastic, particularly preferably of fiber-reinforced plastic. For fiber reinforcement preferably short fibers are used, which are accessible to injection molding. Suitable fiber-matrix combinations according to the prior art, for example. Glass fiber polyamide, glass fiber polycarbonate or glass fiber polypropylene.

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.

A very particularly preferred embodiment of the process according to the invention comprises the following substeps:

(1) single or multiple crimping of the discharge lugs of a previously formed film stack, so that a stable contacting possibility arises,
(2) welding the Ableitfahnen for better energy transfer within the film layers and for sealing the cell interior,
(3) injection of a plastic border to the cell stack, which may consist of unreinforced as well as reinforced plastic (eg by short fibers) and,
(4) Vacuum sealing and sealing of the cell by means of composite foils welded to the frame on the side surfaces, which ensure the media density of the cell.

Ausführungsbeispielembodiment

Das erfindungsgemäße Zellfertigungskonzept umfasst prozessintegrierte Herstellung eines Batterie-Zellmoduls, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie. The cell production concept according to the invention comprises process-integrated production of a battery cell module, in particular a lithium-ion battery.

Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäße Aufbau und das zugehörige Verfahren näher erläutert.The construction according to the invention and the associated method will be explained in more detail on the basis of an exemplary embodiment.

1 zeigt eine Ansicht des beispielhaft dargestellten Folienstapels mit gebogenen und verschweißten Ableitfahnen. 1 shows a view of the exemplified film stack with curved and welded 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. 2 schematically shows the front view of the cell module according to the invention, in which by means of a process-integrated injection molding process of the previously formed film stack is overmolded, so that only openings for contacting the cells are retained.

3 zeigt eine Schnittansicht des Folienpakets mit umlaufendem, angespritztem Kunststoffrahmen und angeschweißten Verbundfolien zur flächigen Versiegelung und Medienabdichtung, 3 shows a sectional view of the film package with circumferential, molded plastic frame and welded composite films for surface sealing and media sealing,

4 zeigt die Abfolge der Verfahrensschritte des Spritzgussprozesses, mit dem Folienstapel ein Kunststoffrahmen angespritzt wird. 4 shows the sequence of process steps of the injection molding process, with the film stack a plastic frame is molded.

Beschreibung des grundlegenden Aufbaus des Zellmoduls (Batteriemoduls):Description of the basic structure of the cell module (battery module):

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.The cell module according to the embodiment 2 and 3 consists of a foil pile 11 , a surrounding frame structure 8th as well as the composite foil 10 which seals the cell flat to ambient media. The foil materials are anodically coated copper foil 1 . 2 , Separator film 3 and cathodically coated aluminum foil 4 . 5 for use. The film stack is as in 1 represented before, wherein the Ableitfahnen 12 each consist of the uncoated areas of the cathode and anode foil and protrude for the subsequent contacting of the cell from the stack. These are according to the invention at least once bent over (flanged), so that These have the necessary stability and can be dispensed with additional Ableitbleche. In addition, the flags are welded together to seal the interior of the cell and the improved electrical conductivity 7 , The dimensions of the foils and their construction correspond to those currently used in the art.

Verfahrensbeschreibung zur Herstellung des Zellmoduls:Process description for the production of the cell module:

Beim herzustellenden Zellmodul handelt es sich um einen umlaufend umspritzten Folienstapel, welcher mittels der nachfolgend beschriebenen Methoden gefertigt wird.The cell module to be produced is a film over-molded stack of films, which is produced by means of the methods described below.

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. 1 shows the stack formed and the protruding tabs 6 , the aluminum foil 4 which serve for later contacting the cell. These are once bent (crimped) and then by means of two welded joints 7 materially interconnected to ensure improved power transmission and media density of the cell interior.

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. 2 and 3 show the function-integrating framework concept. The frame is made of short fiber reinforced thermoplastic. Particularly advantageous are the integration of the battery management system and the contacting and ventilation openings. In particular, a large contacting surface of the cells with each other allows a high energy flow, so that strong Zellerwärmungen in Ableitbereich (connection area) can be largely avoided.

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. 4 shows the circumferential Randumspritzung the film stack, which serves both as a framework for the formation of a stable cell structure, as well as ensures the seal of the cell interior to the environment. During the process, a sufficient fixation of the films must be ensured. This is done by means of a leading clamping edge in the tool, so that there is no tearing of the material due to the injection pressure. After the injection process, according to the invention, the sealing of the cell surface takes place by means of a plastic composite foil welded in vacuum (eg PET-aluminum-PP composite foil, 0.1-0.2 mm thick), which has good thermal conduction properties for temperature control of the cell by heat removal or entry.

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.

The entire process procedure for frame injection takes place in accordance with the sub-steps described below ( 4 ).

(1) inserting the folded film stack into the opened injection molding tool,
(2) closing the tool, wherein the cavity to be filled is geometrically separated at the outer edge of the film by a sealing edge of the coated, ie electrically functional film surface,
(3) injecting the plastic so that a frame is formed in the surrounding cavity, which geometrically fixes the films and seals the stack interior,
(4) Opening the tool for removing the overmolded film stack.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Kupferfolie copper foil
22: Anodische Beschichtung der Kupferfolie Anodic coating of the copper foil
33: Separatorfolie separator
44: Aluminiumfolie aluminum foil
55: Kathodische Beschichtung der Aluminiumfolie Cathodic coating of the aluminum foil
66: gebündelte Aluminium-Anschlussfahnen der Aluminiumfolien Bundled aluminum lugs of aluminum foils
77: Schweißverbindung der Aluminiumfolien Welded connection of the aluminum foils
88th: Kunststoffrahmen Plastic frame
99: Schweißzone Rahmen-Verbundfolie Welding zone frame composite film
1010: Verbundfolie composite film
1111: Folienstapel film stack
1212: Anschlussfahnen terminal lugs
1313: Spritztechnisch integriertes Batterie-Management-System Spray technology integrated battery management system
1414: Montageöffnung mounting hole
1515: Obere Werkzeughälfte Upper tool half
1616: Folienstapel film stack
1717: Untere Werkzeughälfte Lower tool half
1818: Geschlossenes Werkzeug mit Folienstapel Closed tool with foil stack
1919: Umlaufend angespritzter Kunststoffrahmen All-round molded plastic frame
2020: Zellmodul (Batteriemodul) mit Rahmen Cell module (battery module) with frame

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006018849 A1 [0004]
DE 202008012599 U1 [0004]
DE 2009046801 A1 [0004]
DE 60214076 T2 [0004]
DE 102009043635 A1 [0004]

Claims

Method for producing a film battery, preferably a lithium-ion or lithium-polymer battery, characterized by the steps: a. Providing a film stack b. Insert the film stack into a casting tool and close the casting tool c. Form a frame by molding around the edge region of the film stack d. Opening the tool and removing the framed film stack

Method for preparing a film stack, which consists of sequences of anode foils, cathode foils, and these electrolyte-saturated separator foils separating over the whole area, for the production of a foil battery, characterized by the steps: a. Providing a foil stack whose terminal lugs of identical polarity are superimposed b. At least once flanging of the superimposed terminal lugs c. Welding the flanged terminal lugs

A method for producing a foil battery according to claim 1, characterized in that step a. is carried out according to claim 2.

A process for producing a foil battery according to claim 1, characterized in that in step b. an injection mold is used.

A process for producing a foil battery according to claim 1, characterized in that in step b. In addition to the film stack also functional components such as battery management system and contacting elements and customized cooling geometry and / or cooling components with inserted into the casting tool and in step c. to be poured over.

A process for producing a foil battery according to claim 1, characterized in that in step b. a casting tool with a sealing edge is used.

A method for producing a foil battery according to claim 1, characterized in that the frame has on both sides flat connecting surfaces on which after step d. Composite films are attached

A method for producing a foil battery according to claim 1, characterized in that at least two windows are recessed in the molding of the frame, can be contacted by at least two terminal lugs of different electrical polarity of the film stack.

A method for producing a foil battery according to claim 1, characterized in that a plurality of connecting openings for mounting a plurality of frames are recessed to a battery when molding the frame.

Lithium-ion battery element (cell) of folded layers of a film stack comprising: anode foil with one or more Ableitfahnen, cathode foil with one or more Ableitfahnen, electrolyte-impregnated Katalsyatorfolie, characterized in that the lithium-ion battery element further comprises: a. Contacting possibilities from the one or more flanged and interconnected, preferably welded Ableitfahnen same polarity of the previously formed film stack, b. a molded plastic border of the film stack with windows for contacting the connected Ableitfahnen, c. Sealing of the lithium-ion battery element by means welded to the plastic border composite films which are vacuumed.

Lithium-ion battery element according to claim 10, characterized in that the discharge of the same polarity are connected to each other at least two locations.

Lithium-ion battery element according to claim 10 or 11, characterized in that the plastic border consists of short fiber reinforced plastic.

Lithium-ion battery element according to one of claims 10 to 12, characterized in that the plastic border has mounting openings, by means of which two or more lithium-ion battery elements can be detachably or non-detachably connected to one another.