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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriebaugruppe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der
WO 2006 / 114 993 A1 der Art nach bekannt ist. Im Wesentlichen vergleichbare Batteriebaugruppen gehen ferner aus den Druckschriften
US 2003/0190520 A1 ,
JP 2004-158222 A und
JP 2006 -
185733 A hervor.
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HINTERGRUND
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Wiederaufladbare Batterien mit großer Kapazität werden derzeit zur Verwendung in Elektrofahrzeugen untersucht. Die schließliche Machbarkeit von Elektrofahrzeugen hängt von der signifikanten Reduzierung der zugeordneten Kosten ab. Die Reduzierung der Kosten von Batteriebaugruppen ist besonders wichtig. Lithium-Ionen-Batterien stellen einen wichtigen Typ der Batterietechnologie dar.
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Die meisten Batteriebaugruppen, einschließlich Lithium-Ionen-Batteriebaugruppen, umfassen eine Mehrzahl einzelner elektrochemischer Zellen. 1A sieht einen schematischen Schnitt einer elektrochemischen Zelle vor, die in vielen Batteriebaugruppen nach dem Stand der Technik verwendet wird. Die elektrochemische Zelle 10 weist eine Anode 12 und eine Kathode 14 auf. Typischerweise weist die Anode 12 eine Blech- bzw. Metalltafel oder -folie 16 (gewöhnlich Kupfermetall) auf, die mit einer Graphitschicht 18 überzogen ist. Ähnlicherweise weist die Kathode 14 eine Metalltafel oder -folie 20 (gewöhnlich Aluminiummetall) auf, die mit einer lithiumhaltigen Schicht 22 überzogen ist. Schließlich weist die elektrochemische Zelle 10 einen Elektrolyt 24 auf, der zwischen der Anode 12 und der Kathode 14 angeordnet ist. Nicht genauer dargestellte Anschlüsse erlauben die Verwendung der erzeugten Elektrizität in einer externen Schaltung.
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Elektrochemische Zellen erzeugen Elektrizität über eine elektrochemische Reaktion. In dem Fall von Lithium-Ionen-Batteriezellen ist ein Beispiel der Elektrizität erzeugenden Reaktionen durch die folgenden Formeln beschrieben:
| Kathodenreaktion: | LiMO2 | ⇄ Li1-xMO2 + xLi+ + xe |
| Anodenreaktion: | | C + xLi+ + xe ⇄ LixC |
| Gesamtreaktion: | | LiMO2 + C | ⇄ LixC + Li1-xMO2 |
wobei LiMO
2 ein lithiiertes Übergangsmetalloxid ist. Andere Materialien können als eine Kathode und eine Anode einer Li-Ionen-Zelle verwendet werden, was in verschiedenen Elektrizität erzeugenden Reaktionen resultiert.
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Die in einer Lithium-Ionen-Batterie stattfindenden Reaktionen sind reversibel, wodurch die Fähigkeit zum Wiederaufladen derartiger Zellen bereitgestellt wird. Während der Batterieentladung liefert die Anode Elektronen an eine externe Schaltung und Lithiumionen an den Elektrolyt von dem Lithium, das in die Graphitbeschichtung an der Anode eingelagert ist. Während des Ladens wird die Bewegung der Lithiumionen umgekehrt.
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1B sieht einen schematischen Schnitt einer Batteriebaugruppe nach dem Stand der Technik vor, die eine Mehrzahl elektrochemischer Zellen aufweist. Die Batteriebaugruppe 30 weist elektrochemische Zellen 32 - 56 auf, die die Grundkonstruktion besitzen, die in 1A dargestellt ist. Bei dieser Konstruktion sind aktive Elemente der internen Elektroden (Anode oder Kathode) auf beiden Seiten von Stromträgern 58, 59 abgeschieden. Überdies sind gemäß dieser Konstruktion die elektrochemischen Zellen in einer parallelen Konfiguration angeordnet, wobei die Anoden jeder Zelle elektrisch miteinander verschaltet sind und die Kathoden jeder Zelle elektrisch miteinander verschaltet sind. Somit ist die Spannung, die zwischen den Elektroden der Batteriebaugruppe 30 erzeugt wird, gleich der Spannung, die zwischen den Elektroden der Batteriebaugruppe 10 erzeugt wird.
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1C sieht einen schematischen Schnitt einer Batteriebaugruppe nach dem Stand der Technik vor, die aus einer Mehrzahl von Batterieunterbaugruppen geformt ist, die in einer parallelen Konfiguration angeordnet sind. Die Batteriebaugruppe 60 weist Batterieunterbaugruppen 62 - 66 auf, die die allgemeine Konstruktion der in 1B dargestellten Batteriebaugruppe besitzen. Gemäß dieser Konstruktion sind die Batterieunterbaugruppen in einer parallelen Konfiguration angeordnet, wobei die Anoden jeder Batterieunterbaugruppe elektrisch miteinander verschaltet sind und die Kathoden jeder Batterieunterbaugruppe elektrisch miteinander verschaltet sind. Somit ist die zwischen den Elektroden der Batteriebaugruppe 60 erzeugte Spannung gleich der zwischen den Elektroden der Batteriebaugruppe 10 erzeugten Spannung und der zwischen den Elektroden der Batteriebaugruppe 30 erzeugten Spannung.
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1D sieht einen schematischen Schnitt einer Batteriebaugruppe nach dem Stand der Technik vor, die aus einer Mehrzahl von Batterieunterbaugruppen geformt ist, die in einer seriellen Konfiguration angeordnet sind, wie dies der Art nach aus der
WO 2006 / 114 993 A1 bekannt ist. Die Batteriebaugruppe 70 weist Batterieunterbaugruppen 72 - 76 auf, die die allgemeine Konstruktion der in
1B oder in
1C dargestellten Batteriebaugruppe besitzen. Gemäß dieser Konstruktion sind die Batterieunterbaugruppen in Reihe angeordnet, wobei die Anode einer Batterieunterbaugruppe elektrisch mit der Kathode der nächsten Batterieunterbaugruppe verbunden ist.
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Obwohl die Batteriebaugruppen der 1A bis 1D vernünftig gut arbeiten, sind dennoch verbesserte Konstruktionen erwünscht, die leichter zusammenzubauen sind. Insbesondere besteht der Wunsch, die Kosten in Verbindung mit der Herstellung von Batteriebaugruppen mit hoher Kapazität für Kraftfahrzeuganwendungen zu vermindern.
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Demgemäß besteht ein Bedarf nach Batteriebaugruppen mit einfacherer Konstruktion, die wirtschaftlicher als die gegenwärtigen Baugruppen nach dem Stand der Technik sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diesem Bedarf gerecht zu werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe mit einer Batteriebaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Figurenliste
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
- 1A ein schematischer Schnitt einer elektrochemischen Zelle ist, die in vielen Batteriebaugruppen nach dem Stand der Technik verwendet ist;
- 1B ein schematischer Schnitt einer Batteriebaugruppe nach dem Stand der Technik ist, die eine Mehrzahl elektrochemischer Zellen aufweist;
- 1C ein schematischer Schnitt einer Batteriebaugruppe nach dem Stand der Technik ist, die aus einer Mehrzahl von Batterieunterbaugruppen geformt ist, die in einer parallelen Konfiguration angeordnet sind;
- 1D ein schematischer Schnitt einer Batteriebaugruppe nach dem Stand der Technik ist, die aus einer Mehrzahl von Batterieunterbaugruppen, die in einer seriellen Konfiguration angeordnet sind, geformt ist;
- 2A eine Variation ist, bei der beide Seiten der Anode und beide Seiten der Kathode mit einer aktiven Elektrodenschicht beschichtet sind;
- 2B eine Variation ist, bei der beide Seiten der Anode und eine einzelne Seite der Kathode mit einer aktiven Elektrodenschicht beschichtet sind;
- 2C eine Variation ist, bei der eine einzelne Seite der Anode und beide Seiten der Kathode mit einer aktiven Elektrodenschicht beschichtet sind;
- 2D eine Variation ist, bei der eine einzelne Seite der Anode und eine einzelne Seite der Kathode mit einer aktiven Elektrodenschicht beschichtet sind;
- 3 ein schematischer Schnitt einer Batteriebaugruppe mit einer Mehrzahl von Batterieabschnitten ist; und
- 4 ein schematischer Schnitt ist, der eine Abdichtung zwischen Batteriezellen zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es wird nun detailliert Bezug auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung genommen, die die besten Arten zur Ausführung der Erfindung, die den Erfindern derzeit bekannt sind, bilden. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet. Es sei jedoch zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann.
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Ausgenommen in den Beispielen oder wo dies ausdrücklich anderweitig genannt ist, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, welche die Mengen von Material oder Reaktionsbedingungen und/oder Verwendung bezeichnen, beim Beschreiben des breitesten Umfangs der vorliegenden Erfindung als durch das Wort „ungefähr“ modifiziert zu verstehen. Die Anwendung innerhalb der genannten Zahlenbegrenzungen ist im Allgemeinen bevorzugt. Sofern nicht gegenteilig ausgeführt, sind: Prozent, „Teile von“ und Verhältniswerte pro Gewicht; beinhaltet die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien für einen vorgegebenen Zweck in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung als geeignet oder bevorzugt, dass Mischungen von zwei oder mehr der Mitglieder der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; bezieht sich die Beschreibung von Konstituenten in chemischen Begriffen auf die Konstituenten zu der Zeit der Zugabe zu irgendeiner Mischung, welche in der Beschreibung spezifiziert ist, und schließt nicht notwendigerweise chemische Interaktionen zwischen den Konstituenten einer einmal vermischten Mischung aus; ist die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung hier auf alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und auf normale grammatikalische Abweichungen der anfänglich definierten Abkürzung anwendbar und wird, sofern nicht gegenteilig ausgeführt, die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik, wie zuvor oder nachfolgend für dieselbe Eigenschaft dargelegt, bestimmt.
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Es muss auch angemerkt werden, dass, wie in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet ist, die Singularform „ein“, „eine“, „einer“ und „der“, „die“, „das“ Pluralbezüge umfassen, sofern der Kontext dies nicht anderweitig deutlich angibt. Beispielsweise ist ein Bezug auf eine Komponente im Singular dazu bestimmt, eine Vielzahl von Komponenten zu umfassen.
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Mit Bezug auf die 2A bis 2D sind Variationen von Verbundelektroden zur Verwendung in einer Batteriebaugruppe vorgesehen. 2A ist ein schematischer Schnitt einer Variation, bei der beide Seiten der Anode und beide Seiten der Kathode mit einer aktiven Elektrodenschicht beschichtet sind. Eine aktive Elektrodenschicht ist eine Schicht, die den elektrochemischen Prozess, der an der Elektrode stattfindet, unterstützt. Eine derartige Unterstützung kann die Bereitstellung einer Oberfläche zur Einlagerung von Ionen (z.B. Li-Ionen) oder eine Förderung der chemischen Reaktionen, die an einer Elektrode stattfinden, sein. Die Verbundelektrode 80 weist einen Anodenabschnitt 82 und einen Kathodenabschnitt 84 auf. Der Anodenabschnitt 82 weist eine Anodenmetalltafel 86 auf, die mit einer aktiven Anodenschicht 88 auf beiden Seiten überzogen ist. Der Kathodenabschnitt 84 weist eine Kathodenmetalltafel 90 auf, die auf beiden Seiten mit einer aktiven Kathodenschicht 92 überzogen ist. Die Metalltafeln 86 und 90 werden an einer Position 94 aneinander befestigt (z.B. durch Schweißen), um eine Verbundmetalltafel 96 zu bilden.
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2B sieht eine Variation vor, bei der beide Seiten der Anode und eine einzelne Seite der Kathode mit einer aktiven Elektrodenschicht beschichtet sind. Die Verbundelektrode 100 weist einen Anodenabschnitt 102 und einen Kathodenabschnitt 104 auf. Der Anodenabschnitt 102 weist eine Anodenmetalltafel 106 auf, die auf beiden Seiten mit einer aktiven Anodenschicht 108 überzogen ist. Der Kathodenabschnitt 104 weist eine Kathodenmetalltafel 110 auf, die auf einer einzelnen Seite mit einer aktiven Kathodenschicht 112 überzogen ist. Die Metalltafeln 106 und 110 werden an Position 114 aneinander befestigt (z.B. durch Schweißen), um eine Verbundmetalltafel 116 zu bilden.
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2C sieht eine Variation vor, bei der eine einzelne Seite der Anode und beide Seiten der Kathode mit einer aktiven Elektrodenschicht beschichtet sind. Die Verbundelektrode 120 weist einen Anodenabschnitt 122 und einen Kathodenabschnitt 124 auf. Der Anodenabschnitt 122 weist eine Anodenmetalltafel 126 auf, die auf einer einzelnen Seite mit einer aktiven Anodenschicht 128 überzogen ist. Der Kathodenabschnitt 124 weist eine Kathodenmetalltafel 130 auf, die auf beiden Seiten mit der aktiven Kathodenschicht 132 überzogen ist. Die Metalltafeln 126 und 130 sind an Position 134 aneinander befestigt (z.B. durch Schweißen), um eine Verbundmetalltafel 136 zu bilden.
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2D sieht eine Variation vor, bei der eine einzelne Seite der Anode und eine einzelne Seite der Kathode mit einer aktiven Elektrodenschicht beschichtet sind. Die Verbundelektrode 140 weist einen Anodenabschnitt 142 und einen Kathodenabschnitt 144 auf. Der Anodenabschnitt 142 weist eine Anodenmetalltafel 146 auf, die auf einer einzelnen Seite mit einer aktiven Anodenschicht 148 überzogen ist. Der Kathodenabschnitt 144 weist eine Kathodenmetalltafel 150 auf, die auf einer einzelnen Seite mit einer aktiven Kathodenschicht 152 überzogen ist. Die Metalltafeln 146 und 150 sind an Position 154 aneinander befestigt (z.B. durch Schweißen), um eine Verbundmetalltafel 156 zu bilden.
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Jede der Elektrodenkonstruktionen der 2A bis 2D weist eine Verbundmetalltafel auf, bei der eine Anodenmetalltafel an einer Kathodenmetalltafel befestigt ist.
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Bei einer Verfeinerung umfasst die Anodenmetalltafel Kupfer und umfasst die Kathodenmetalltafel Aluminium. Bei einer anderen Verfeinerung kann die Verbundmetalltafel aus einer einzelnen Metalltafel hergestellt sein, die mit einer Schicht aus einem anderen Metall beschichtet ist. Beispielsweise ist eine Aluminiumtafel teilweise mit einer Kupferschicht beschichtet, so dass der nicht beschichtete Aluminiumanteil als die Kathodenmetalltafel funktioniert und der kupferbeschichtete Anteil als die Anodenmetalltafel funktioniert. Bei einem anderen Beispiel ist eine Kupfertafel teilweise mit einer Aluminiumschicht beschichtet, so dass der nicht beschichtete Kupferanteil als die Anodenmetalltafel funktioniert und der aluminiumbeschichtete Anteil als die Kathodenmetalltafel funktioniert.
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Wie es oben dargestellt ist, ist die Metalltafel des Anodenanteils mit einer aktiven Anodenschicht beschichtet. Bei einer Verfeinerung, die für Lithium-Ionen-Batteriebaugruppen nützlich ist, ist die aktive Anodenschicht eine kohlenstoffhaltige Schicht. Beispiele geeigneter kohlenstoffhaltiger Schichten umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, eine Komponente, die aus der Gruppe gewählt ist, die Graphit, Kohle und Kombinationen daraus umfasst.
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Wie oben dargestellt ist, ist die Metalltafel des Kathodenanteils mit einer aktiven Katodenschicht beschichtet. Bei einer Verfeinerung, die für Lithium-Ionen-Batteriebaugruppen nützlich ist, ist die aktive Kathodenschicht eine lithiumhaltige Schicht. Bei einer Verfeinerung umfasst die lithiumhaltige Schicht ein Lithiumübergangsmetalloxid. Beispiele geeigneter Übergangsmetalloxide umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2 und Kombinationen daraus.
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Mit Bezug auf 3 ist ein schematischer Schnitt einer Batteriebaugruppe mit einer Mehrzahl von Batterieabschnitten vorgesehen. Allgemein weist die Batteriebaugruppe eine Mehrzahl von Batterieabschnitten auf, die durch die Verbundelektroden definiert sind, die derart angeordnet sind, dass der Anodenabschnitt und der Kathodenabschnitt jeder Verbundelektrode in benachbarten Batterieabschnitten positioniert sind. Die umschlossenen Volumen der Batterieabschnitte sind durch die Verbundelektroden, die oben dargestellt sind, elektrisch verbunden. In 3 ist eine Batteriebaugruppe mit drei Batterieabschnitten in Reihe gezeigt. Die Batteriebaugruppe 160 weist n Batterieabschnitte 1621 bis 162n auf, wobei n eine ganze Zahl ist, die zumindest 2 beträgt. Typischerweise liegt n zwischen 2 und etwa 200. Jeder der Batterieabschnitte 1621 bis 162" umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen (d.h. elektrochemische Zellen), die als umschlossene Zellen geformt sind. Beispielsweise umfasst der Batterieabschnitt 162 m Batteriezellen 1641 bis 164m, wobei m eine ganze Zahl ist, die die Anzahl der Batteriezellen in dem Batterieabschnitt 1621 bereitstellt. Typischerweise liegt n zwischen 2 und etwa 200.
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Weiter Bezug nehmend auf 3 weist jede Batteriezelle Verbundelektrodenplatten 170 auf, bei denen beide Seiten des Anodenabschnitts und beide Seiten des Kathodenabschnitts mit einer aktiven Elektrodenschicht beschichtet sind. Überdies weist jede Batteriezelle zumindest eine erste Elektrodenplatte und eine zweite Elektrodenplatte auf, die derart angeordnet sind, dass ein Anodenabschnitt der ersten Elektrodenplatte mit dem Kathodenabschnitt der zweiten Elektrodenplatte ausgerichtet ist. Beispielsweise liegt der Anodenabschnitt 172 der Elektrodenplatte 170a dem Kathodenabschnitt 174 der Elektrodenplatte 170b gegenüber und ist mit diesem ausgerichtet. Die Elektrodenplatte 170a und die Elektrodenplatte 170b sind derart angeordnet, dass der Anodenabschnitt und der Kathodenabschnitt jeder Elektrodenplatte in benachbarten Batterieabschnitten positioniert sind. Die Batterieabschnitte weisen auch Endkathodenplatten 176 und Endanodenplatten 178 auf. Die Verbundelektrodenplatte 170 ist auch in 3 gezeigt. Der Elektrolyt 181 ist zwischen den Elektrodenplatten in jeder Batteriezelle angeordnet. Die Batteriebaugruppe 160 weist auch eine Ummantelung 180 und Gestelle 182 auf. Bei einer Verfeinerung sind die Ummantelung 180 wie auch die Gestelle 182 Kunststoff. Bei einer anderen Verfeinerung weist die Batteriebaugruppe 160 auch ein Kühlsystem (nicht gezeigt) auf.
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Bei der Batteriekonstruktion von 3 sind die Batteriesubabschnitte derart konfiguriert, dass die Anoden jeder Batteriezelle elektrisch verbunden sind. Gleichermaßen sind die Batteriesubabschnitte derart konfiguriert, dass die Anoden jeder Batteriezelle elektrisch verbunden sind. Beispielsweise sind in dem Batterieabschnitt 1621 die Anoden der Batteriezellen 1641 bis 164m über den Bus 184 elektrisch verbunden, während die Kathoden über dem Bus 186 verbunden sind. Die Batteriekonstruktion von 3 ist derart, dass die Anoden eines Batterieabschnitts elektrisch mit den Kathoden des benachbarten Batterieabschnitts verbunden sind. Beispielsweise sind die Kathoden des Batterieabschnitts 1622 durch den Bus 184 elektrisch verbunden.
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Die Batteriebaugruppen, die oben dargestellt sind, verwenden alle Batteriezellen, die einen Elektrolyt enthalten. Für Lithium-Ionen-Batteriezellen umfasst der Elektrolyt Lithiumionen. Bei einer Variation ist der Elektrolyt eine Flüssigkeit. Bei einer anderen Variation ist der Elektrolyt ein Feststoff. Typischerweise sind die flüssigen Elektrolyten nichtwässrige Lösungen aus einem Lithiumsalz und einem Lösemittel. Geeignete Lösemittel umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Ester, Ether und Carbonate (z.B. Ethylencarbonat oder Diethylencarbonat). Geeignete Lithiumsalze umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, nicht koordinierende Anionensalze (z.B. Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6), Lithiumhexafluorarsenatmonohydrat (LiAsF6), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4) und Lithiumtriflat (LiCF3SO3)).
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Mit Bezug auf 4 ist eine schematische veranschaulichende Abdichtung zwischen den Batteriezellen vorgesehen. Jede der einzelnen Batteriezellen der Baugruppe von 3 ist durch trennende Elemente (d.h. Dichtungen) physikalisch isoliert, die an den Verbundelektroden befestigt sind. Bei einer Variation erstrecken sich die trennenden Elemente über die gesamte Begrenzung, die zwischen den Anoden- und Kathodenabschnitten der Verbundelektroden geformt ist. Im Allgemeinen verhindern die trennenden Elemente einen elektrischen Kontakt zwischen dem Elektrolyt in benachbarten Batterieabschnitten. In 4 sind die Verbundelektrodenplatten 80 mit einer zwischen benachbarten Platten positionierten Dichtung 190 zusammengebaut. Beispiele derartiger Dichtungen umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Polymerfilme oder -blöcke, Dichtungen vom O-Ring-Typ oder Gummidichtungselemente, Dichtungen vom Ziplock-Typ (trennende Elemente besitzen komplementäre einsetzende und aufnehmende Formen) und der gleichen. Bei einer Verfeinerung sind derartige Dichtungen aus elektrisch leitenden Polymeren geformt. Bei dieser letzteren Verfeinerung bilden die elektrisch leitenden Polymere teilweise die Busse (d.h. Bus 184 und 186), die die Elektroden in 3 miteinander verbinden.
