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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, eine Batterie mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Batteriezelle, ein Verfahren zu Herstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle und ein Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (zum Beispiel bei Windkraftanlagen) als auch in Fahrzeugen (z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen) vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden.
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Prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen ist die Lithium-Ionen-Technologie. Sie zeichnet sich unter anderem durch hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
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Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und eine negative Elektrode (Kathode beziehungsweise Anode), die Lithium-Ionen (Li+) reversibel ein-(Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können. Damit die Interkalation von Lithium-Ionen beziehungsweise die Deinterkalation von Lithium-Ionen stattfindet, ist die Anwesenheit einer Elektrolytkomponente (ein sogenanntes Lithium-Leitsalz) notwendig. Praktisch bei allen derzeitigen Lithium-Ionen-Zellen, sowohl im Consumer-Bereich (zum Beispiel Mobil-Telefon, MP3-Player oder Powertools) als auch im automotiven Bereich (HEV, hybrid electric vehicle; PHEV, plug-in hybrid electric vehicle; EV, electro vehicle); Micro-Hybrid), wird als Lithium-Leitsalz das Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) eingesetzt. Dieses LiPF6 ist gegenüber Feuchtigkeit äußerst reaktiv, und es erfolgt in mehreren Stufen Hydrolyse bis hin zu Fluorwasserstoff (HF).
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Batteriesysteme sind aus Batteriezellen bzw. Batteriemodulen aufgebaut, die in dem Batteriesystem elektrisch in Serien- und/oder Parallelschaltung verbunden sind. Für die Anwendung in Kraftfahrzeugen werden in Zukunft vermehrt Lithium-Ionen Batteriesysteme zum Einsatz kommen.
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Oftmals werden dabei die Batteriezellen mit Gehäusen aus einem festen Material realisiert, als sogenannte "Hardcase"-Zellen.
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Bei diesen Zellen muss wenigstens eine Elektrode als ein Stromkollektor aus dem Zellengehäuse heraus geführt werden, um dort elektrisch ein Terminal der Zelle zu kontaktieren oder auch um dieses selbst auszubilden.
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Eine derartige Durchführung muss das Gehäuse insbesondere gegenüber Feuchtigkeit abdichten können.
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Üblicherweise wird für die Durchführung der negativen Elektrode Kupfer oder eine Kupferlegierung bzw. für die Durchführung der positiven Elektrode Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet.
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Für die Herstellung der Dichtung werden verschiedene Kunststoffe verwendet.
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Dabei umfasst die Dichtung oftmals bis zu zehn Einzelteile.
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Zur Ausbildung von Durchführungen von Stromkollektoren durch ein Gehäuse einer Batteriezelle sind unterschiedliche Ausführungsformen bekannt.
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Die
US 7,094,499 offenbart einen Stromkollektor einer Annode, der aus einem carbonhaltigen Material hergestellt ist, in welches Nanopartikel eingearbeitet sind.
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Die
DE 10 2010 064 315 A1 offenbart Lithium-Ionen-Batterien, die mittels einer besonderen elektrischen Verbindung miteinander gekoppelt sind. Zur Verbesserung des elektrischen Kontaktes ist auf den Elektroden und/oder den Zellverbindern und/oder den Befestigungsmuttern ein kontaktverbesserndes Mittel aufgebraucht. In diesem kontaktverbessernden Mittel sind nicht-metallische Partikel eingearbeitet.
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Die
WO 2010/151886 A3 lehrt eine Carbon-Struktur mit Nano-Architektur als eine Carbon-Elektrode, welche Anwendung in Lithium-Ionen-Batterien finden kann. Das Nanopartikel enthaltende Material wird mittels eines Gussverfahrens hergestellt.
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Dem Dokument
CN 000100355144 C ist entnehmbar, dass eine mechanisch wirkende Dichtung an der Innenseite eines Gehäuses zur Durchführung eines Kollektors beziehungsweise eines Terminals einer Klebedichtung hinsichtlich der Dichtungsqualität, der Stabilität sowie der Lebensdauer und Funktion vorzuziehen ist.
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Der
CN 000201247785 Y ist ein Gehäuse für eine Lithium-Ionen-Batterie entnehmbar, welches im Wesentlichen aus einem relativ weichen Kunststoff besteht und eine Öffnung zur Hinausführung einer Elektrode aufweist. Das Kunststoffgehäuse ist in eine Metallummantelung eingebettet, wobei auch diese Metallummantelung ein Durchgangsloch entsprechend der Position der Öffnung im Kunststoffgehäuse aufweist. Das heißt, dass zur Durchführung des Stromkollektors beziehungsweise des Terminals zwei Öffnungen vorzusehen sind.
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Insgesamt ist ersichtlich, dass herkömmliche Konstruktionen hinsichtlich der Durchführung des Kollektors beziehungsweise des Terminals oder der daran angeschlossenen Elektrode komplex auszuführen sind, um eine ausreichende Dichtung zu gewährleisten. Dies bedingt einen relativ hohen Material- und/oder Herstellungsaufwand.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, zur Verfügung gestellt, welche ein Gehäuse und wenigstens einen das Gehäuse durchdringenden Stromkollektor aufweist, der mit einer Elektrode der Batteriezelle elektrisch leitfähig verbunden ist, wobei die Batteriezelle eine Dichtung zwischen dem Gehäuse und dem Stromkollektor aufweist, und das Material der Dichtung Nanopartikel aufweist und mittels eines Urformprozesses hergestellt ist. Die Nanopartikel sind dabei vorzugsweise Teilchen mit einer Größe von 1 bis 100 nm. Das Material der Dichtung, welches die Nanopartikel enthält, ist ein geeigneter Kunststoff, wie zum Beispiel Polypropylen, Polyethylen oder andere Polyolefine.
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Dabei kann das Gehäuse einen Deckel zum einseitigen Abschluss eines Gehäusehohlraumes aufweisen. Demzufolge ist ein einen Deckel durchdringender Stromkollektor auch als ein Stromkollektor anzusehen, der das Gehäuse durchdringt.
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Zum Anschluss der Batteriezelle an eine elektrische Peripherie ist ein Terminal vorgesehen. Das Terminal kann ein integraler Bestandteil des Stromkollektors sein, oder alternativ auch ein extra Bauteil sein, welches mit dem Stromkollektor elektrisch leitfähig verbunden ist. Vorzugsweise ist das die Nanopartikel enthaltende Material mittels des sogenannten „Nano-Moldings“ aufgebracht. Das heißt, dass das Material der Dichtung zwischen dem Gehäuse und dem Stromkollektor mittels Urformen platziert wird. Bei den Urformen des Nanopartikelmaterials können zum Beispiel an einer Oberfläche des Gehäuses und/oder des Stromkollektors Vertiefungen mit Maßen im einstelligen Nanobereich eingebracht werden und dann der Kunststoff auf diese Oberfläche aufgespritzt oder anderweitig aufgebracht werden. Die Nanopartikel im Kunststoff lagern sich zumindest teilweise in die vorhandenen Vertiefungen ein und haften dort mittels Adhäsion an.
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Vorteile der Erfindung
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Batteriezelle liegt insbesondere in der höheren mechanischen Robustheit der Dichtung gegenüber an dem Gehäuse der Batteriezelle und/oder dem Stromkollektor aufgebrachten Kräften oder Momenten sowie auch Impulsen. Außerdem weist die erfindungsgemäß aufgebrachte Dichtung gute Anhaftungseigenschaften sowie eine hohe Dichtigkeit auf. Dadurch wird eine kostengünstig elektrisch isolierte Durchführung zur Verfügung gestellt, die auch gegenüber Isolationsspannungen von zum Beispiel bis zu 3 kV isoliert. Insbesondere bei der Anordnung an stabilen Aluminiumgehäusen, das heißt an sogenannten „Hardcases von Lithium-Ionen-Batteriezellen bewirkt die Dichtung eine ausreichende und dauerhafte Isolierung der Elektroden im Gehäuse gegenüber Feuchtigkeit in der Umgebung der Batteriezelle.
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Die Dichtung ist vorteilhafterweise derart ausgeführt, dass sie elektrisch isolierend wirkt.
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Dabei sollte sie vorzugsweise den Gehäuseinnenraum gegenüber Luft und/oder Flüssigkeit abdichten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Batteriezelle ist vorgesehen, dass sie im Stromkollektor eine Schmelzsicherung aufweist. Das heißt, dass die Schmelzsicherung im Strompfad des Stromkollektors angeordnet ist. Die Schmelzsicherung kann dabei durch einen im Vergleich zu anschließenden Bereichen querschnittsverringerten Bereich ausgebildet sein. Es ist dabei in einer ersten Ausführungsalternative vorgesehen, dass die Schmelzsicherung innerhalb des Gehäuses und/oder in einer Ebene einer Gehäusewand, an der die Abdichtung mit dem Nanopartikelmaterial realisiert ist, angeordnet ist.
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In einer zweiten Ausführungsalternative ist vorgesehen, dass die Schmelzsicherung außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Das bedeutet, dass die Schmelzsicherung außerhalb der elektro-chemischen Kammer des Gehäuses angeordnet ist. Die Schmelzsicherung befindet sich dann im äußeren Bereich des Zellgehäuses, wenn die Schmelzsicherung nicht in dem Hohlraum des Gehäuses angeordnet ist, in dem sich der Elektrolyt der Batteriezelle befindet.
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Bei Anordnung der Schmelzsicherung innerhalb des Gehäuses, in der Ebene der Gehäusefläche oder auch außerhalb des Gehäuses ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Schmelzsicherung von dem Nanopartikel enthaltenden Material umgeben ist. Durch die Beschichtung des Stromkollektors an seinem Umfang mit dem Nanopartikel enthaltenden Material ist auch die Schmelzsicherung beziehungsweise der die Schmelzsicherung realisierende Abschnitt mit dem verringerten Querschnitt von dem Nanopartikel enthaltenden Material abgedeckt, sodass das Flächenträgheitsmoment in diesem Bereich erhöht ist und somit der festigkeitsverringerte Abschnitt des Stromkollektors durch das Nanopartikel enthaltende Material stabilisiert wird. Auch ist bei dieser Ausgestaltung durch die Bedeckung des Bereiches, der die Schmelzsicherung ausbildet, mit dem Dichtungsmaterial keine freie Funkenbildung bei Aktivierung der Schmelzsicherung zu befürchten.
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Es wird des Weiteren eine Batterie zur Verfügung gestellt, welche eine Mehrzahl der erfindungsgemäßen Batteriezellen umfasst. Vorzugsweise sind dabei die Batteriezellen in der Batterie in Reihe oder parallel geschaltet.
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Außerdem wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, zur Verfügung gestellt, bei dem ein Gehäuse und ein Stromkollektor bereitgestellt werden, der Stromkollektor derart angeordnet wird, dass er das Gehäuse durchdringt, und eine Dichtung zwischen dem Stromkollektor und dem Gehäuse dadurch hergestellt wird, dass ein Material, welches Nanopartikel aufweist, mittels eines Urformprozesses zwischen dem Kollektor und dem Gehäuse appliziert wird. Vorzugsweise ist der Urformprozess ein oder mehrere Spritzgießvorgänge, mit dem beziehungsweise denen das die Nanopartikel enthaltende Material zwischen dem Stromkollektor und dem Gehäuse appliziert wird.
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Ergänzend wird außerdem ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches insbesondere ein elektro-motorisch antreibbares Kraftfahrzeug sein kann, das wenigstens eine erfindungsgemäße Batterie umfasst, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
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Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen Deckel eines Gehäuses mit zwei diesen Deckel erfindungsgemäß durchdringenden Stromkollektoren,
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2 eine erfindungsgemäße Batteriezelle in einer ersten Ausführungsform in schematischer Ansicht, und
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3 eine erfindungsgemäße Batteriezelle in einer zweiten Ausführungsform in schematischer Ansicht.
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In 1 ist ein Deckel 12 als Teil eines in 1 nicht dargestellten Gehäuses 10 ersichtlich, durch den zwei Stromkollektoren 20 hindurchführen, die über der Oberfläche des Deckels 12 jeweils ein Terminal 21 ausbilden. Die Stromkollektoren sind zur Verschweißung mit den Elektroden eines Zellwickels in der Batteriezelle geeignet.
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Erfindungsgemäß ist die Durchführung eines jeweiligen Stromkollektors 20 durch den Deckel 12 durch eine Dichtung 30 abgedichtet, welche aus einem Nanopartikel enthaltenden Material besteht, das in einem Urformprozess, vorzugsweise in einem Spritzgussverfahren, zwischen einer Öffnung im Deckel 12 und dem jeweiligen Stromkollektor 20 platziert wurde. Es ist ersichtlich, dass zur Herstellung der Dichtung demzufolge außerordentlich wenige Bauteile benötigt werden, wodurch sich die Herstellungskosten massiv reduzieren lassen. Die erfindungsgemäß hergestellte Dichtung verhindert wirksam das Eindringen von Feuchtigkeit in die Batteriezelle sowie auch das Austreten von Elektrolyt und/oder gefährlichen Gasen aus der Batteriezelle über die gesamte Lebensdauer der Batteriezelle. Außerdem weist sie die erforderliche Festigkeit gegenüber mechanischer Beanspruchung, wie zum Beispiel Schwingungen und Impulsen auf. Die beiden Stromkollektoren, die in 1 dargestellt sind, weisen dabei vorzugsweise die ersichtliche Abwinklung in ihrem Verlauf auf, um spannungsfrei mit gewickelten Elektroden eines Elektrodenwickels, die dort seitlich versetzt angeordnet sind, verschweißt werden zu können und um gleichzeitig eine mittige Durchführung der Stromkollektoren 20 aus dem Gehäuse 10 beziehungsweise aus dem Deckel 12 zu gewährleisten.
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In den 2 und 3 sind erfindungsgemäße Batteriezellen dargestellt, die sich lediglich in der Position der Schmelzsicherung 40 in einem Stromkollektor 20 unterscheiden.
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In 2 ist die Schmelzsicherung 40 innerhalb des Gehäuses 10 und somit im Gehäuseinnenraum 11 angeordnet. Die Schmelzsicherung 40 bildet dabei ein sogenanntes „current interruptive device“ aus. Die Schmelzsicherung 40 schmilzt bei unzulässig hohen Strömen und schützt somit die Zelle vor einer Überlastung, welche ansonsten zu einer unkontrollierbaren Temperaturerhöhung, einem sogenannten „Thermal Runaway“ führen könnte.
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Des Weiteren hat die in 2 dargestellte Batteriezelle 10 einen Überladungsschutz 50, ein sogenanntes „overcharge safety device“. Bei einer Überladung der Batteriezelle 10 baut sich in dieser ein erhöhter Gasdruck auf. Übersteigt dieser Gasdruck einen bestimmten Grenzwert, wölbt sich eine im Deckel 12 der Batteriezelle 1 integrierte Membran 51, welche ein Bestandteil des Überladungsschutzes 50 ist, nach außen und nimmt in dieser Position einen stabilen Zustand an. Dadurch wird das negative Zellterminal 21 über die Membran 51 mit dem Gehäuse 10 elektrisch niederohmig verbunden. Das Gehäuse 10 ist vorzugsweise aus Aluminium und somit elektrisch leitfähig ausgeführt und ist mit dem positiven Terminal 21 niederohmig elektrisch verbunden. Bei einer Aktivierung des Überladungsschutzes 50 beziehungsweise der Membran 51 wird die Batteriezelle 1 über den beschriebenen Pfad kurzgeschlossen. Der sich ausbildende Kurzschlussstrom wird nach einigen 100 ms durch Auslösen der im Stromkollektor 20 integrierten Schmelzsicherung 40 unterbrochen. Die Schmelzsicherung 40 ist geschmolzen und die Kathode der Batteriezelle 1 ist nicht mehr mit dem positiven Terminal 21 elektrisch verbunden. Es fließt kein Strom mehr durch die Batteriezelle, der zu einer weiteren Aufladung der Batteriezelle führen könnte, sodass die Batteriezelle vor weiterer Überladung geschützt ist. Das negative und das positive Terminal 21 sind über die Membran 51 beziehungsweise über den Überladungsschutz 50 weiterhin niederohmig elektrisch miteinander verbunden. Ein durch die Batterie fließender Strom wird somit über diesen Strompfad geleitet.
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Durch die Ummantelung des querschnittsverringerten Bereiches 41 des Stromkollektors 20, der die Schmelzsicherung 40 ausbildet, mit der Dichtung 30 wird verhindert, dass bei Auslösung der Schmelzsicherung etwaige Tropfen oder Funken in den Gehäuseinnenraum 11 der Batteriezelle 1 gelangen können. Gleichzeitig wird gewährleistet, dass trotz Querschnittsverringerung des Stromkollektors 20 durch den Formschluss zwischen Gehäuse 10 beziehungsweise Deckel 11, Dichtung 30 und Stromkollektor 20 am positiven Terminal 21 angreifende Kräfte oder Momente nicht unmittelbar auf den querschnittsverringerten Bereich 41 geleitet werden und allein von diesem aufgenommen werden müssen. Demzufolge stellt insbesondere diese Ausführungsform eine hinsichtlich mechanischer Belastung vorteilhafte Dichtungsvariante dar.
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In der in 3 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle ist die Schmelzsicherung 40 beziehungsweise der sie ausbildende querschnittsverringerte Bereich 41 außerhalb des Gehäuses 10 und somit nicht mehr im Gehäuseinnenraum 11 angeordnet. Ansonsten weist die in 3 dargestellte Batteriezelle sämtliche Merkmale der in 2 dargestellten Batteriezelle 1 auf.
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Durch die Anordnung der Schmelzsicherung 40 außerhalb des Gehäuses 10 wird zuverlässig verhindert, dass bei Aufschmelzen der Schmelzsicherung 40 Funken oder flüssiges Material des Stromkollektors 20 in den Gehäuseinnenraum 11 gelangen können. Dadurch wird effektiv und mit einfachsten Mitteln und somit kostensparend die Abdichtung zwischen Gehäuse 10 und Stromkollektor 20 bei gleichzeitiger Gewährleistung der Verhinderung von Entzündung oder Beschädigung der Elektroden im Gehäuseinnenraum 11 gewährleistet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7094499 [0013]
- DE 102010064315 A1 [0014]
- WO 2010/151886 A3 [0015]
- CN 000100355144 C [0016]
- CN 000201247785 Y [0017]
