DE102012213868A1

DE102012213868A1 - Batterie mit einem metallischen Gehäuse, Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung von metallischen Batteriegehäusen und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012213868A1
Application number: DE102012213868.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Austen; Ralf Angerbauer; Holger Fink; Wolfgang Duernegger
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2012-08-06
Publication date: 2014-02-06
Also published as: WO2014023541A1; WO2014023541A9

Abstract

Es wird eine Batterie mit einem metallischen Gehäuse beschrieben, wobei die Batterie eine Vielzahl von Batteriezellen (10, 18), insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen, enthält, und die Außenfläche des metallischen Gehäuses eine isolierende Beschichtung aufweist, die ein- oder mehrlagig aufgetragen und fest mit der metallischen Außenfläche der Batterie verbunden, vorliegt. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung von metallischen Batteriegehäusen vorgeschlagen, wobei die Beschichtung mittels mindestens eines der folgenden Verfahren erfolgt: – pneumatisches Zerstäuben eines Lackes, – Tauchlackieren, – Roll-, Tampon- oder Siebdruck, – elektrostatisches Sprühen, – thermisches Spritzen mit anorganischen Bestandteilen, und – Eloxieren mit anschließender Nachverdichtung und/oder Versiegelung. Das erfindungsgemäß beschichtete Gehäuse einer Batterie ist mit einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeuges verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einem metallischen Gehäuse, enthaltend eine Vielzahl von Lithium-Ionen-Batteriezellen, wobei die Außenfläche ihres metallischen Gehäuses, bis auf funktionsbedingt nicht zu beschichtende elektrische Anschlüsse, mit einer elektrisch isolierenden, mechanisch festen und chemisch beständigen Oberfläche versehen ist sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung von metallischen Batteriegehäusen und ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie dieser Art.
Stand der Technik
Lithium-Ionen-Batteriezellen, zusammengefasst in einem Batteriepack, für ein Batteriesystem oder ein aus mehreren Batteriepacks assembliertes Batteriesystem besitzen in der Regel metallische Gehäuseoberflächen und letzteres metallische Gehäuseteile, die zur Aufnahme der Lithium-Ionen-Batteriezellen oder der Batteriezellenpacks vorbereitet sind. Die Lithium-Ionen-Batteriezellen besitzen in der Regel eine zylindrische oder eine prismatische Ausbildung. Im Falle eines Kurzschlusses kann eine Kettenreaktion das Batteriesystem erheblich schädigen, da bei einer aufgeladenen Traktionsbatterie ein bis zu 1000 A starker Strom kurzzeitig fließen kann. Kurzschlüsse können dabei durch Vorgänge in dem Batteriesystem oder durch äußere Einflüsse, beispielsweise durch einen Crash, herbeigeführt werden. Zur Vermeidung von Folgeschäden, insbesondere an einem Elektro- oder an einem Hybridfahrzeug und für Insassen oder für Servicefachkräfte bei der Instandsetzung eines derartigen Fahrzeuges besitzen daher alle metallischen Oberflächen der Bestandteile eines Batteriesystems, die technisch nicht gewartet werden müssen, eine Beschichtung oder Lackierung, die die vorgenannten Ereignisse lokal begrenzen kann.
Aus der DE 601 04 290 T2 ist eine Batterie mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen, die in einem Metallgehäuse gestapelt sind, bekannt. Ihr Metallgehäuse weist an der Innenseite eine organische Beschichtungslage vom Folientyp auf, wobei die Schicht die Funktion elektrisch isolierenden Materials ausübt. Mit dieser Beschichtungslage kann auch das Gehäuse der Batterie an deren Außenseite beschichtet sein zu dem Zweck, dass dort technische oder Herstellerinformationen aufdruckbar sind. Mehrere Beschichtungslagen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Zweckbindungen oder eine Beschichtung mit integrierten Inhaltstoffen, sind nicht vorgesehen.
In DE 69929674 T2 ist ein Blatt für Zellgehäuse und eine Zellenanordnung bekannt, bei dem ein Zellgehäuse innen mit einem die Form desselben nachbildenden Blatt bedeckt ist, das Blatt laminiert ist und Eigenschaften bezüglich Festigkeit, Feuchtigkeits- und Gasdurchlässigkeit, Dichtung und Haftvermögen an Elektroden und Anschlussklemmen nachweist. Das laminierte Blatt besteht aus einer Basisfolienschicht, einer wärmehaftfähigen Harzschicht und aus einer Metallfolienschicht, wobei die wärmehaftfähige Harzschicht ein säuredenaturiertes Polyolefinharz ist. Das Batteriegehäuse ist durch Warmversiegeln laminierter Blätter herstellbar.
Nach DE 11 2006 001 372 T5 ist ein Material für ein Batteriegehäuse und ein Batteriegehäuse bekannt. Das Batteriegehäuse weist eine äußere, orientierte hitzebeständige Harzfilmschicht und eine innere, nicht-orientierte Harzfilmschicht auf, wobei zwischen den beiden Filmschichten eine Aluminiumfolienschicht mit einem Schrumpfungsgrad von 2 bis 20 % eingebunden ist.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Lithium-Ionen-Batterie zur Verfügung gestellt, welche ein metallisches Gehäuse besitzt, wobei die Außenfläche des metallischen Gehäuses eine isolierende Beschichtung aufweist, die ein- oder mehrlagig aufgetragen und fest mit der metallischen Außenfläche der Batterie verbunden vorliegt.
Die Beschichtung hat dabei den Vorteil, dass sie einfach auftragbar ist und im Bereich von Ecken und Radien dosierte Schichtdicken erreichbar sind, wodurch unterschiedliche Isolationsanforderungen erfüllt werden können. Es ist somit eine integrale, geschlossene elektrische Isolation eines gesamten Gehäuses einer Batterie, ohne Stoßstellen möglich und es tritt dabei keine Schwächung der elektrischen Isolation durch mehrlagige Übergänge oder Überlappbereiche, wie bei bisher bekannten Folienisolationen, auf.
Die Beschichtung des Gehäuses der Batterie ist so angelegt, dass einzelne Bereiche, bevorzugt die elektrischen Anschlüsse der Batterie oder die der Batteriezellen, von der Beschichtung ausgespart sind.
Dadurch sind die elektrischen Anschlüsse, ohne vorherige Reinigungsarbeiten erreichbar und Batteriezellen oder Batteriemodule einer Batterie sind wartbar, wenn die elektrischen Verbindungen zwischen ihnen unterbrochen sind.
In die Beschichtung selbst sind unterschiedliche Werkstoffe eingebunden. Das bedeutet, dass es sich um Werkstoffe handelt, die neben der gezielt einstellbaren elektrischen Isolation auch vorteilhafterweise Eigenschaften generieren, die zur Verbesserung der Porendichte beitragen sowie optische und/oder haptische Effekte erbringen.
Die unterschiedlichen Werkstoffe der Beschichtung umfassen in weiterer Ausgestaltung verschiedenartig pigmentierte Materialien, verschiedenartig elektrisch isolierende Materialien und/oder verschiedenartig Feuchtigkeit durchlässige Materialien. Dadurch kann eine Anpassung an lokal unterschiedliche Isolationsanforderungen vorgenommen werden und es ist möglich, Barriereschichten gegen das Eindringen von Feuchtigkeit von außen oder gegen Flüssigkeitsaustritt im Crashfall nach außen zu integrieren.
Die Batterie weist eine Beschichtung mit mindestens einem der folgenden Merkmale auf:

– Lacke auf der Basis zweikomponentiger Epoxidharze,
– Lacke auf der Basis zweikomponentiger, auch Lösungsmittel, enthaltender Epoxidharze,
– Ein- oder Zweikomponentenlacke auf Wasserbasis,
– Lacke auf unmodifizierter oder modifizierter Polyacrylatbasis,
– UV-Lacksysteme,
– eine nachverdichtete und/oder eine versiegelte Eloxalschicht, und
– mit anorganischen Füllstoffen gefüllte organische Polymerlacke.

Eine derartige Beschichtung ist geeignet zur Erzielung einer elektrischen Isolation, einer verbesserten mechanischen Festigkeit und zum Erreichen eines verbesserten Penetrantionswiderstandes gegenüber Feuchtigkeit und Austritten von Flüssigkeit aus geschädigten Batteriezellen.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung umfasst die Beschichtung einen mechanisch verstärkten Bereich, der mittels mehrerer, zueinander unterschiedlich strukturierter Schichten der Beschichtung ausgebildet ist oder einen Produktidentifikationsbereich aufweist.
Damit gelingt es, mechanisch durch Reibung oder wechselnden Zug- und Druckbeanspruchungen ausgesetzten Flächen eines Gehäuses einer Batterie eine höhere Stabilität zu verleihen. Außerdem ist es von Vorteil, in diese Schichten eine pigmentierte Schicht zur Produktidentifikation einzubinden, wodurch ein Plagiatsschutz erzeugbar ist.
Die Batterie weist weiterhin eine Beschichtung auf, wobei sie Barriereschichten umfasst, bevorzugt Barriereschichten gegen Feuchtigkeit, gegen Wärme, mit erhöhter elektrischer Durchschlagsfestigkeit sind und hohem Durchgangswiderstand.
Der neue Aspekt der Barriere gegen Wärme ist von großer Bedeutung, da insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen vor extremen Temperaturschwankungen gesichert sein sollten.
Die Batterie umfasst in ihrer Ausgestaltung und zur Steigerung ihrer Kapazität vorteilhafterweise mehrere Batteriezellen, die jeweils ein Metallgehäuse besitzen und die metallische Gehäuseoberfläche der Batterie durch die von benachbarten Batteriezellen wegweisenden Metallflächen der Batteriezellen gebildet wird.
Dadurch kann ein zusätzlich, die einzelnen Batteriezellen einfassendes Gehäuse eingespart und das Gewicht einer Batterie vermindert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung von metallischen Batteriegehäusen umfasst mindestens eines der folgenden Verfahren:

– pneumatische Zerstäubung eines Lackes,
– Tauchlackieren,
– Roll-, Tampon- oder Siebdruck,
– ein elektrostatisches Sprühen,
– thermisches Spritzen mit anorganischen Bestandteilen, und
– Eloxieren mit anschließender Nachverdichtung und/oder Versieglung.

Diese Möglichkeiten des Auftragens der Beschichtung erlauben eine dosierte Herstellung ihrer Schichtdicke, wobei die Haftung von einzelnen Schichten untereinander fest ist und die Integration von verschiedenartigen Werkstoffen darin unterschiedliche Eigenschaften, wie bereits genannt, hervorbringt.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden einzelne Bereiche der zu beschichtenden Bereiche mittels Masken von der Beschichtung ausgenommen.
Das bedeutet, dass im Bereich von elektrischen Anschlüssen der Batteriezellen oder im Bereich von funktionsbedingt freizuhaltenden Bereichen eine Abdeckung vorgenommen wird.
Erfindungsgemäß ist es sinnvoll, dass ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie ausgestattet ist, die an ihren metallischen Flächen durch ein Beschichtungsverfahren von außen beschichtet ist, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeuges verbunden ist.
Zeichnungen
Ausführungen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 Batteriezellen mit Hardcase-Gehäuse in prismatischer oder in zylindrischer Ausbildung und aufgebrachter einlagiger Beschichtung, und
2 Batteriezellen, wie 1, mit mehrlagiger Beschichtung.
Ausführungsformen der Erfindung.
In der 1 sind in prinzipieller Darstellung Batteriezellen 10, 18 gezeigt, bei denen, bis auf funktionsrelevante Bereiche des Gehäuses, die Außenflächen mit einer einlagigen Beschichtung 14, 22 versehen sind. Die damit realisierte, bevorzugt elektrische Isolation, der einzelnen Batteriezellen 10, 18 in einem oder in mehreren Subunits einer Batterie auf der Basis von Lithium-Ionen-Zellen ist für Hochvolt- und/oder Niedervolt-Isolationen geeignet, wobei jedoch auch abriebfeste, mechanisch belastbare Beschichtungen durch Einlagerung von anorganischen Füllstoffen vorgesehen sind. Als Füllstoffe können beispielsweise in die einlagige Beschichtung Silikat-, Oxid- und Nicht-Oxid-Keramiken eingebunden sein. Denkbar ist jedoch auch eine Einbindung von anorganischenorganischen Hybridpolymeren, beispielsweise in einem Lack, auf der Basis eines organischen Polymers.
2 deutet an, dass es sich bei der Beschichtung 26, 28 der Außenflächen der Batteriezellen 10, 18 auch um eine mehrlagige handelt, wenn beispielsweise an ausgewählten Bereichen einer Batteriezelle 10, 18, eines Subunits oder einer Batterie gezielt verstärkende Beschichtungen mit dem Ziel einer verbesserten elektrischen Isolation, einer erhöhten mechanischen Widerstandsfähigkeit oder einer Erhöhung des Penetrationswiderstandes zwischen den Batteriezellen 10, 18, die mit ihren Außenflächen auch das Gehäuses einer Batterie nachbilden können, und der Umwelt.
Die Beschichtung in mehreren Lagen hat auch den Vorteil, dass neben funktionsbestimmenden Schichten, wie vorgenannt, auch pigmentierte Kennzeichnungen zur Darstellung eines Hersteller spezifischen Produktes aufgebracht werden können. Außerdem ist es möglich mechanische plötzlich auftretende Belastungen mittels Schichten mit Dämpfungseigenschaften aufzufangen, damit in Crashsituationen eine Freilegung des Batterieinnern vermieden wird.
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 60104290 T2 [0003]
DE 69929674 T2 [0004]
DE 112006001372 T5 [0005]

Claims

Batterie mit einem metallischen Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche des metallischen Gehäuses eine isolierende Beschichtung aufweist, die ein- oder mehrlagig aufgetragen und fest mit der metallischen Außenfläche der Batterie verbunden vorliegt
Batterie nach Anspruch 1, wobei einzelne Bereiche der Batterie, bevorzugt die elektrischen Anschlüsse (16, 24) der Batterie oder die der Batteriezellen (10, 18), von der Beschichtung ausgespart sind.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in die Beschichtung unterschiedliche Werkstoffe eingebunden sind.
Batterie nach Anspruch 3, umfassend verschiedenartig pigmentierte Materialien, verschiedenartig elektrisch isolierende Materialien und/oder verschiedenartig Feuchtigkeit durchlässige Materialien.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: – Lacke auf der Basis zweikomponentiger Epoxidharze, – Lacke auf der Basis zweikomponentiger, auch Lösungsmittel enthaltender, Epoxidharze, – Ein- oder Zweikomponentenlacke auf Wasserbasis, – Lacke auf unmodifizierter oder modifizierter Polyacrylatbasis, – UV-Lacksysteme, – eine nachverdichtete und/oder versiegelte Eloxalschicht, und – mit anorganischen Füllstoffen gefüllte organische Polymerlacke.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung einen mechanisch verstärkten Bereich umfasst, der mittels mehrerer, zueinander unterschiedlich strukturierter Schichten der Beschichtung ausgebildet ist oder einen Produktidentifikationsbereich aufweist.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung Barriereschichten umfasst, bevorzugt Barriereschichten gegen Feuchtigkeit, Wärme, mit erhöhter elektrischer Durchschlagsfestigkeit und hohem Durchgangswiderstand.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterie mehrere Batteriezellen (10, 18) umfasst, die jeweils ein Metallgehäuse (12, 20) aufweisen, und die metallische Gehäuseaußenfläche der Batterie durch die von benachbarten Batteriezellen (10, 18) wegweisenden Metallflächen der Batteriezellen gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung von metallischen Batteriegehäusen, wobei die Beschichtung mittels mindestens eines der folgenden Verfahren erfolgt: – pneumatischer Zerstäubung eines Lackes, – Roll-, Tampon- oder Siebdruck, – Tauchlackieren, – eines elektrostatischen Sprühens, – eines thermischen Spritzens mit anorganischen Bestandteilen, und – Eloxieren mit anschließender Nachverdichtung und/oder Versiegelung.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei einzelne Bereiche der zu beschichtenden Flächen mittels Masken von der Beschichtung ausgenommen werden.
Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eine mittels des Verfahrens nach den Ansprüchen 9 und 10 beschichtete Batterie, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeuges verbunden ist.