-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Energiespeicherzelle und ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Energiespeicherzelle.
-
Stand der Technik
-
Üblicherweise wird elektrischen Energiespeicherzellen Gleichstrom entnommen bzw. Gleichstrom in diese eingespeist. Daher ist der bisher bekannte Aufbau von Energiespeicherzellen auf die Optimierung der Ohm’schen Innenwiderstände und der spezifischen Energie- bzw. Leistungsdichte der Energiespeicherzellen ausgelegt.
-
In vielen Anwendungen elektrischer Energiespeicherzellen werden Speicherzellen in serieller oder paralleler Anordnung miteinander zu Batteriemodulen verschaltet, um gewünschte Ausgangsparameter wie Gesamtspannung, Spannungsbereich, Energieinhalt oder Leistungsdichte einzustellen. Die Druckschrift
DE 10 2010 035 114 A1 offenbart beispielsweise eine Batterieeinheit mit einer Vielzahl von Zelleneinheiten, welche jeweils Akkumulatorzellen aufweisen, die über Busschienen elektrisch gekoppelt sind. Die Druckschrift
EP 2 413 414 A2 offenbart eine Akkuflachzelle mit aufeinandergeschichteten Anoden- und Kathodenfolien in einem Foliengehäuse, welche über Kathoden- und Anodenableiter mit Polanschlüssen der Akkuflachzelle verbunden sind.
-
Die Druckschrift
WO 2011/116807 A1 offenbart eine Batteriezelle mit einem elektrochemisch aktiven Elektrodenstapel, dessen Elektrodenfolien jeweils mit Kontaktierungsfahnen zu Polleiteranschlüssen verbunden sind. Die Druckschrift
WO 2009/073492 A2 offenbart eine Batteriezelle mit Elektrodenfolien, die Verlängerungsabschnitte aufweisen, welche zu Polanschlüssen verbunden werden können. Die Druckschrift
JP 2008108477 A offenbart ein Herstellungsverfahren für einen elektrischen Energiespeicher mit einem zylindrischen Elektrodenfolienstapel, aus dem in wendeltreppenartiger Form elektrische Kontaktierungsfahnen herausstehen.
-
Werden aus derartigen Energiespeicherzellen Ströme mit steigendem Wechselanteil entnommen, steigt frequenzabhängig der Einfluss der verteilten Induktivität der Energiespeicherzellen. Die induktiven Verluste einer Energiespeicherzelle setzen sich aus den individuellen Anteilen der Verlustbeiträge der Elektroden, der Polverschaltung und der Anordnung der Elektroden im Gehäuse zusammen. Außerdem können bei Betriebsfrequenzen im kHz-Bereich durch den Skineffekt Verluste in den Strom tragenden Bereichen sowie Wirbelströme in elektrisch leitfähigen Flächen, beispielsweise im Gehäuse, auftreten.
-
Energiespeicherzellen können üblicherweise ein oder mehrere Zellwickel aufweisen, die in eigenen oder gemeinsamen Gehäusen integriert sind. Übliche Formen von Energiespeicherzellen sind dabei Zylinderzellen, Pouchzellen oder Flachzellen. Dabei weisen die Energiespeicherzellen verteilte Induktivitäten auf, die durch die zellinterne Verschaltung, die Ableitergeometrie und die Polanschlüsse bedingt sind. Wenn die Energiespeicherzellen beispielsweise in Batteriesystemen mit integriertem Umrichter, sogenannten BDIs eingesetzt werden, können diese induktiven Anteile der Energiespeicherzellimpedanz bei hohen Betriebsfrequenzen des Umrichters zu entsprechend hohen Verlustenergien in den leistungselektronischen Schalteinrichtungen des Umrichters führen. In Folge kann dies zu einem erhöhten Verschleiß der Schalteinrichtungen, einem geringeren Wirkungsgrad des BDIs sowie zu erhöhtem fertigungstechnischen Aufwand zur Implementierung von Kühlsystemen mit hinreichender Kühlleistung führen.
-
Es besteht ein Bedarf an Energiespeicherzellen, welche hinsichtlich der Entnahme von Wechselströmen hoher Frequenz geringere Verluste aufweisen und somit den Wirkungsgrad des die Energiespeicherzellen einsetzenden Systems verbessern. Weiterhin besteht ein Bedarf an derartigen Energiespeicherzellen, die sich in einfacher Weise und mit niedriger Ohm’scher und induktiver Impedanz zu Energiespeichermodulen verdrahten lassen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine elektrische Energiespeicherzelle, mit einer Vielzahl von ersten flächigen Elektrodenfolien, welche jeweils an einer Längsseite eine Ausnehmung aufweisen, und einer Vielzahl von zweiten flächigen Elektrodenfolien, welche jeweils an einer Längsseite eine Kontaktierungsfahne, die kongruent mit den Ausnehmungen ist, aufweisen, wobei die ersten flächigen Elektrodenfolien und die zweiten flächigen Elektrodenfolien planparallel zueinander und alternierend zu einem Speicherzellstapel gestapelt sind, so dass die Kontaktierungsfahnen jeweils alternierend mit den Ausnehmungen überlappen.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Energiespeicherzelle, mit den Schritten des alternierenden Anordnens einer Vielzahl von ersten flächigen Elektrodenfolien, welche jeweils an einer Längsseite eine Ausnehmung aufweisen, und einer Vielzahl von zweiten flächigen Elektrodenfolien, welche jeweils an einer Längsseite eine Kontaktierungsfahne, die kongruent mit den Ausnehmungen ist, aufweisen, wobei die ersten flächigen Elektrodenfolien und die zweiten flächigen Elektrodenfolien planparallel zueinander alternierend zu einem Speicherzellstapel gestapelt werden, so dass die Kontaktierungsfahnen jeweils alternierend mit den Ausnehmungen überlappen, des elektrischen Kontaktierens von die Ausnehmungen umgebenden Kontaktierungsbereichen mit einem ersten flächigen Kontaktelement, welches in einer Erstreckungsebene senkrecht zu der Erstreckungsebene der ersten flächigen Elektrodenfolien angeordnet ist, und des elektrischen Kontaktierens der Kontaktierungsfahnen mit einem zweiten flächigen Kontaktelement, welches in einer Erstreckungsebene senkrecht zu der Erstreckungsebene der ersten flächigen Elektrodenfolien angeordnet ist.
-
Vorteile der Erfindung
-
Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, die Verluste, die durch bei der Ansteuerung einer elektrischen Energiespeicherzelle auftretenden Wirbelströme im Inneren des Energiespeicherzelle und/oder in dessen Gehäuse verursacht werden, mithilfe eines geeigneten internen Aufbaus der Energiespeicherzelle mit möglichst geringer interner Zellinduktivität zu reduzieren. Dabei wird eine Foliengeometrie für die gestapelten Elektrodenfolien der Energiespeicherzelle verwendet, bei dem sich durch die Kontaktierung der Elektrodenfolien mit Zellpolanschlüssen eine minimale Zellinduktivität ergibt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Elektrodenfolien in senkrecht zu der Folienebene versetzt zueinander stehende Kontaktierungsfahnen aufweisen, die bei einer Aufeinanderschichtung der Elektrodenfolien in Foliennormalenrichtung ineinander verzahnen.
-
Ein erheblicher Vorteil besteht darin, dass die Verlustenergie insbesondere bei der Entnahme von Wechselstrom hoher Frequenz aus der Energiespeicherzelle erheblich reduziert werden kann. Insbesondere bei Batteriesystemen mit integriertem Umrichter, sogenannten Batteriedirektumrichtern („battery direct inverter“, BDI), bei denen ein schneller Wechsel der Stromführung durch ein Batteriemodul zur Variation der Stromspannung erfolgt, ist diese Reduzierung der Verlustenergie von großem Vorteil. Dies ist zu einem Großteil durch die Verringerung der Zellinduktivität durch niederohmige interne Elektrodenverschaltung und eine Verringerung der Übergangswiderstände, insbesondere an den Polanschlüssen der Energiespeicherzelle möglich.
-
Besonders vorteilhaft ist die flächige Kontaktierung der einzelnen Elektrodenfolien und der Kontaktierungsfahnen mit den Zellpolanschlüssen, was zu minimierten Ohm’schen Wiederständen innerhalb der Energiespeicherzelle und zu minimierten vom Strom innerhalb der Energiespeicherzelle eingeschlossen Durchflutungsflächen führt. Dies kann die Wirbelstrombildung und damit die Energieverluste im Wechselstrombetrieb der Energiespeicherzelle reduzieren.
-
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Kurzzeitdynamik derartiger Energiespeicherzellen verbessert wird, indem die Verzögerung der Energie- bzw. Lastabgabe der Energiespeicherzellen nach Lastwechseln minimiert wird. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auf ansonsten möglicherweise ausgleichende Bauelemente wie beispielsweise Pufferkondensatoren verzichtet werden, was den Bauraumbedarf sowie die Fertigungskosten von Energiespeicherzellen einsetzenden Bauteilen senken kann. Außerdem verringert sich durch die verbesserte Dynamik der Energiespeicherzellen die Avalancheenergie, welche für ein Speisen eines BDI aus einem Energiespeichermodul mit solchen Energiespeicherzellen geringere Wechselstromverluste in den Schalteinrichtungen des BDI bedeutet.
-
Überdies kann durch die Vermeidung von induktiven Verlustanteilen durch die Energiespeicherzellen die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) verbessert werden, da die emittierten elektromagnetischen Felder vermindert und Störeinflüsse auf benachbarte Elektronikbauteile verringert werden können. Ferner werden Ohm’sche Verluste, beispielsweise aufgrund des Skineffekts, weitestgehend reduziert, was vorteilhafter Weise mit erhöhtem Wirkungsgrad und geringerer Wärmeentwicklung einhergeht.
-
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle können die ersten und zweiten flächigen Elektrodenfolien Anodenfolien bzw. Kathodenfolien der Energiespeicherzelle ausbilden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle können die Ausnehmungen und die Kontaktierungsfahnen einen rechteckigen Umriss aufweisen. Diese Umrissformen sind einfach und kostengünstig herzustellen. Weiterhin bieten rechteckige Umrissformen ausreichend breite längsseitige Kontaktierungsabschnitte, an denen flächige Kontaktierungselemente angebracht werden können.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle können die Ausnehmungen und die Kontaktierungsfahnen jeweils in der Mitte der Längsseiten der ersten bzw. zweiten flächigen Elektrodenfolien ausgebildet sein.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle kann die Energiespeicherzelle weiterhin ein erstes flächiges Kontaktelement, welches in einer Erstreckungsebene senkrecht zu der Erstreckungsebene der ersten flächigen Elektrodenfolien angeordnet ist, und welches mit die Ausnehmungen umgebenden Kontaktierungsbereichen elektrisch kontaktiert ist, ein zweites flächiges Kontaktelement, welches in einer Erstreckungsebene senkrecht zu der Erstreckungsebene der zweiten flächigen Elektrodenfolien angeordnet ist, und welches mit den Kontaktierungsfahnen elektrisch kontaktiert ist, und eine Isolationsschicht aufweisen, welche zwischen dem ersten flächigen Kontaktelement und dem zweiten flächigen Kontaktelement angeordnet ist, und welche das erste flächige Kontaktelement elektrisch von dem zweiten flächigen Kontaktelement isoliert. Durch diese Art der Kontaktierung kann eine widerstandsarme und niederinduktive Verbindung des Speicherzellstapels mit Zellpolanschlüssen der Energiespeicherzelle realisiert werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin den Schritt des Ausbildens einer Isolationsschicht zwischen dem ersten flächigen Kontaktelement und dem zweiten flächigen Kontaktelement aufweisen, welche das erste flächige Kontaktelement elektrisch von dem zweiten flächigen Kontaktelement isoliert.
-
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Elektrodenfolie einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
-
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Elektrodenfolie einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
-
3 eine schematische Darstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
-
4 eine schematische Darstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
-
5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
-
Die im Folgenden verwendete Richtungsterminologie, das heißt, Begriffe wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „darüber“, „dahinter“ und dergleichen, wird lediglich zum besseren Verständnis der Zeichnungen verwendet, und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleich wirkende Komponenten. Die in den Figuren gezeigten Darstellungen sind zum Teil perspektivische Darstellungen von Elementen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu abgebildet sein. Es versteht sich, dass in den Figuren Prinzipskizzen von Komponenten und Elementen, deren spezifische Bemaßungen im Rahmen der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweilige Anwendung angepasst werden können.
-
Elektrische Energiespeicherzellen im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen alle Einrichtungen, welche über einen vordefinierten Zeitraum elektrische Energie speichern und über einen weiteren Zeitraum wieder abgeben können. Energiespeicherzellen im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen dabei alle Arten von sekundären und primären Energiespeichern, insbesondere elektrisch kapazitive, elektrochemische (faradaysche) sowie kombiniert arbeitende Speichertypen. Die betrachteten Zeiträume können dabei von Sekunden bis hin zu Stunden, Tagen oder Jahren umfassen. Elektrische Energiespeicherzellen können beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, Lithium-Polymer-Zellen, Nickel-Metallhydrid-Zellen, Ultrakondensatoren, Superkondensatoren, Powerkondensatoren, BatCaps, Akkumulatoren auf der Basis von Blei, Zink, Natrium, Lithium, Magnesium, Schwefel oder anderen Metallen, Elementen oder Legierungen, oder ähnliche Systeme umfassen. Die Funktionalität der von der Erfindung umfassten elektrischen Energiespeicherzellen kann dabei auf Interkalationselektroden, Reaktionselektroden oder Legierungselektroden in Kombination mit wässrigen, aprotischen oder polymeren Elektrolyten beruhen.
-
Der Aufbau von elektrischen Energiespeicherzellen im Sinne der vorliegenden Erfindung kann dabei sowohl unterschiedliche äußere Aufbauformen, wie beispielsweise prismatische Formen oder sogenannte „Pouch“-Formen, als auch unterschiedliche Elektrodenaufbauten, wie beispielsweise gewickelte, gestapelte, gefaltete oder sonstige Aufbauten, umfassen.
-
Elektrodenfolien im Sinne der vorliegenden Erfindung können aus verschiedenen elektrisch leitfähigen, beispielsweise metallischen Materialien wie Kupfer, Aluminium, Nickel, Chrom, Silber, Gold, Platin, Zink, Zinn oder Legierungen dieser Metalle hergestellt sein. Elektrodenfolien, insbesondere Anoden- und/oder Kathodenfolien im Sinne der vorliegenden Erfindung können beschichtet oder/und mit großer aktiver Oberfläche hergestellt sein. Dabei können die Elektrodenfolien flächig und planparallel zueinander liegend ausgestaltet sein. Die Elektrodenfolien können dabei unterschiedliche Abmessungen aufweisen, beispielsweise kann die Dicke von Elektrodenelementen Größenordnungen von wenigen µm bis etliche mm aufweisen. Die Elektrodenelemente können gefaltet, gestapelt oder gewickelt sein, und es kann vorgesehen sein, zwischen den Elektrodenfolien Isolations- oder Separationsschichten auszubilden, welche die Elektrodenfolien galvanisch voneinander trennen und innerhalb des Zellgehäuses den Elektrolyt in einzelne Bereiche abtrennen können. Es kann auch möglich sein, die Elektrodenfolien in bipolarer Form aufzubauen. Die flächige Form der Elektrodenfolien kann quadratisch, rechteckig, rund, elliptisch oder beliebig anders gestaltet sein.
-
Elektrische Energiespeichermodule im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen Komponenten, welche eine oder mehrere elektrische Energiespeicherzellen in einem Gehäuse aufweisen, wobei die elektrischen Energiespeicherzellen in geeigneter Weise elektrisch untereinander gekoppelt sind, um eine serielle oder parallele Verschaltung der Energiespeicherzellen zu gewährleisten. Elektrische Energiespeichermodule können dabei Modulanschlüsse aufweisen, an welchen eine von der internen Verschaltung der elektrischen Energiespeicherzellen des elektrischen Energiespeichermoduls abhängige Ausgangsspannung abgreifbar ist.
-
Gehäuse im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen alle Bauteile, welche eine Ausnehmung zur Aufnahme einer oder mehrerer elektrischer Energiespeicherzellen sowie der elektrisch leitfähigen Verschaltungselemente der elektrischen Energiespeicherzellen aufweisen, und welche die aufgenommenen Energiespeicherzellen und Elemente mechanisch und/oder elektrisch gegenüber der Außenwelt abschirmen können. Gehäuse können dabei elektrisch leitfähige Materialien, elektrisch nicht oder nur schlecht leitfähige Materialien oder Kombinationen aus Teilbereichen derartiger Materialien aufweisen, wie beispielsweise Kunststoffe, Metalle, Legierungen aus Metallen. Die Form und Größe der Gehäuse kann dabei an die aufgenommenen Energiespeicherzellen und Elemente angepasst sein.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer flächigen Elektrodenfolie 1, welcher für die Herstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle 10 verwendet werden kann. Die Elektrodenfolie 1 kann beispielsweise als Anoden- oder Kathodenfolie für das Ausbilden eines Speicherzellstapels einer Energiespeicherzelle 10 verwendet werden. Die Elektrodenfolie 1 weist einen Hauptabschnitt bzw. Stapelabschnitt 2 auf, in welchem der elektrochemisch aktive Bereich der Energiespeicherzelle 10 gebildet wird. Im Beispiel der 1 ist die Elektrodenfolie 1 rechteckig im Umriss. Die Elektrodenfolie 1 weist zudem an einer unten liegenden Längsseite eine Ausnehmung 2e auf, die von zwei Kontaktierungsabschnitten 2c und 2d umgeben ist. Die Ausnehmung 2e kann vorzugsweise in der Mitte der Längsseite der Elektrodenfolie 1 angeordnet sein. Die Ausnehmung 2e hat dabei einen rechteckigen Umriss. Es ist jedoch klar, dass andere Umrissformen für die Ausnehmung 2e ebenso möglich sind. Die Tiefe der Ausnehmung 2e kann vorzugsweise einen Bruchteil der Tiefe der gesamten Tiefenerstreckung der Elektrodenfolie 1 einnehmen. Die Länge der Ausnehmung 2e kann dabei beispielsweise der Breite der Kontaktierungsabschnitte 2c und 2d entsprechen, das heißt, die Ausnehmung weist eine Länge auf, die etwa einem Drittel der gesamten Länge der Elektrodenfolie 1 beträgt. Es ist dabei jedoch klar, dass auch andere Abmessungen der Länge der Ausnehmung 2e ebenso möglich sind.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren flächigen Elektrodenfolie 3, welcher für die Herstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle 10 verwendet werden kann. Die Elektrodenfolie 3 kann als die Elektrodenfolie 1 in 1 ergänzende Anoden- oder Kathodenfolie für das Ausbilden eines Speicherzellstapels einer Energiespeicherzelle 10 verwendet werden. Die Elektrodenfolie 3 weist einen Hauptabschnitt bzw. Stapelabschnitt 4 auf, in welchem der elektrochemisch aktive Bereich der Energiespeicherzelle 10 gebildet wird. Im Beispiel der 2 ist die Elektrodenfolie 3 rechteckig im Umriss. Die Elektrodenfolie 3 weist zudem an einer unten liegenden Längsseite eine Kontaktierungsfahne 4c auf, deren Umriss kongruent zu dem Umriss der Ausnehmungen 2e der Elektrodenfolien 1 liegen. Dabei kann die Kontaktierungsfahne 4c vorzugsweise in der Mitte der Längsseite der Elektrodenfolie 3 angeordnet sein. Die Kontaktierungsfahne 4c hat dabei einen rechteckigen Umriss. Es ist jedoch klar, dass andere Umrissformen für die Kontaktierungsfahne 4c ebenso möglich sind, und dass die Umrissform von der Form der Ausnehmungen 2e abhängig sein wird. Die Tiefe der Kontaktierungsfahne 4c kann vorzugsweise einen Bruchteil der Tiefe der gesamten Tiefenerstreckung der Elektrodenfolie 3 einnehmen. Die Länge der Kontaktierungsfahne 4c kann dabei beispielsweise der Breite verkürzten Endabschnitte 4a, 4b der Elektrodenfolie 3 entsprechen, das heißt, die Kontaktierungsfahne weist eine Länge auf, die etwa einem Drittel der gesamten Länge der Elektrodenfolie 3 beträgt. Es ist dabei jedoch klar, dass auch andere Abmessungen der Länge der Kontaktierungsfahne 4c ebenso möglich sind.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Speicherzellstapels aus einer Vielzahl von ersten flächigen Elektrodenfolien 1 und einer Vielzahl von zweiten flächigen Elektrodenfolien 3. Dabei sind ohne Beschränkung der Allgemeinheit die ersten flächigen Elektrodenfolien Anodenfolien 1 und die zweiten flächigen Elektrodenfolien Kathodenfolien 3.
-
Die Anodenfolien 1 und Kathodenfolien 3 sind jeweils planparallel zueinander und in alternierender Abfolge gestapelt, so dass die die Ausnehmungen 2e und die Kontaktierungsfahnen 4c aufweisenden Längsseiten der Elektrodenfolien 1 und 3 jeweils übereinander zu liegen kommen und einen Speicherzellstapel ausbilden. Die Anodenfolien 1 und Kathodenfolien 3 können beispielsweise rechteckige, quadratische, parallelogrammförmige, trapezoide oder streifenförmige Form aufweisen. Die Anzahl der Anodenfolien 1 und Kathodenfolien 3 ist in 3 mit jeweils drei dargestellt, jedoch ist deren Anzahl prinzipiell nicht begrenzt. Vorteilhafterweise kann die Anzahl der Anodenfolien 1 und Kathodenfolien 3 jeweils gleich sein, so dass jeweils Paare von Anodenfolien 1 und Kathodenfolien 3 in dem Speicherzellstapel ausgebildet werden können.
-
Die Paare von Anodenfolien 1 und Kathodenfolien 3 können jeweils durch eine Lage einer (nicht explizit dargestellten) Separatorschicht bzw. Isolationsschicht getrennt sein, welche in dem Speicherzellstapel jeweils zwischen einer der Anodenfolien 1 und einer der Kathodenfolien 3 planparallel angeordnet sind. Die Anodenfolien 1 und Kathodenfolien 3 können innerhalb der Energiespeicherzelle 10 durch die Separatorschichten galvanisch voneinander getrennt sein. Die Separatorschichten dienen insbesondere der Abtrennung des Elektrolyts in Segmente, damit eine bestimmte elektrische Potentialdifferenz innerhalb dieses Segements im Elektrolyt nicht überschritten wird. Diese können dabei beispielsweise dünne Schichten elektrisch nicht oder nur gering leitfähiger Materialien aufweisen. Es sollte dabei klar sein, dass eine Fülle an Möglichkeiten gibt, die Anodenfolien 1, Kathodenfolien 3 und Separatorschichten in einem Speicherzellstapel anzuordnen, und dass die Auswahl einer Anordnung von der verwendeten Speichertechnologie, den Randbedingungen hinsichtlich der äußeren Form der Energiespeicherzelle 10 und/oder den zu erreichenden elektrischen Charakteristika der Energiespeicherzelle 10 abhängig sein kann. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, den Speicherzellstapel derart auszugestalten, dass das innere Volumen der Energiespeicherzelle 10 maximal ausgenutzt wird.
-
4 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle 10, deren erste flächige Elektrodenfolien 1 mit einem ersten flächigen Kontaktelement 5 elektrisch verbunden sind. Das erste flächige Kontaktelement 5 kann in einer Erstreckungsebene senkrecht zu der Erstreckungsebene der ersten flächigen Elektrodenfolien 1 angeordnet sein. Dabei ist das erste flächige Kontaktelement 5 elektrisch mit den Kontaktierungsbereichen 2c, 2d kontaktiert, die die Ausnehmungen 2e an der Längsseite der Elektrodenfolien 1 umgeben. In ähnlicher Weise sind die zweiten flächigen Elektrodenfolien 3 mit einem zweiten flächigen Kontaktelement 6 elektrisch verbunden, welches in einer Erstreckungsebene senkrecht zu der Erstreckungsebene der zweiten flächigen Elektrodenfolien 3 angeordnet ist. Das zweite flächige Kontaktelement 6 kontaktiert dabei die Kontaktierungsfahnen 4c elektrisch.
-
Zwischen dem ersten flächigen Kontaktelement 5 und dem zweiten flächigen Kontaktelement 6 kann eine Isolationsschicht 7 vorgesehen sein, welche das erste flächige Kontaktelement 5 elektrisch von dem zweiten flächigen Kontaktelement 6 isoliert. Wie in 4 schematisch durch die Ringströme I symbolisiert, fließen Wirbelströme sehr engmaschig durch die jeweiligen Elektrodenfolien 1 bzw. 3, das heißt, die von den Ringströmen I eingeschlossenen Durchflutungsflächen sind sehr klein. Dadurch ist die Eingangsinduktivität der Energiespeicherzelle 10 ebenfalls sehr gering. Durch die mittige Anordnung der Ausnehmungen 2e und der Kontaktierungsfahnen 4c werden zudem zwei parallele Ringstrompfade I aufgebaut, deren Parallelschaltung die resultierende Gesamtinduktivität der Energiespeicherzelle weiter reduzieren kann.
-
Die ersten und zweiten flächigen Kontaktelemente 5 und 6 können jeweils mit nicht explizit dargestellten ersten und zweiten Zellpolanschlüssen der Energiespeicherzelle 10 elektrisch verbunden werden. Dabei können die Zellpolanschlüsse aus einem (nicht explizit dargestellten) Zellgehäuse der Energiespeicherzelle 10 herausgeführt werden, um den Abstand zwischen dem Speicherzellstapel und dem Zellgehäuse möglichst gering zu halten. Die Zellpolanschlüsse sind dabei derart implementiert, dass mindestens einer der Zellpolanschlüsse elektrisch gegenüber dem Zellgehäuse isoliert ist. Dabei kann beispielsweise ein metallisches Zellgehäuse oder ein Zellgehäuse aus einem isolierenden Material wie beispielsweise Kunststoff verwendet werden. Die Energiespeicherzelle 10 kann beispielsweise von einem prismatischen Zellgehäuse umschlossen sein. Es ist jedoch klar, dass jede andere Form für das Zellgehäuse ebenfalls möglich ist, und dass diese Form beispielsweise von den Abmessungen der eingeschlossenen Energiespeicherzelle 10 abhängig sein kann.
-
Elektrische Energiespeichermodule können eine Anordnung elektrischer Energiespeicherzellen 10 aufweisen, die entlang ihrer Zellpolanschlüsse in Reihen- oder Parallelschaltung miteinander gekoppelt sind. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass jede andere Anordnung verschiedener Energiespeicherzellen 10 unter Anpassung der jeweils verschalteten Energiespeicherzellen 10 für ein elektrisches Energiespeichermodul ebenfalls möglich ist. Insbesondere können dabei Parallel- und/oder Reihenschaltung oder kombinierte Parallel- und Reihenschaltung von Energiespeicherzellen 10 realisiert werden. Das elektrische Energiespeichermodul kann beispielsweise ein Modulgehäuse aufweisen, aus welchem an den endseitigen Zellpolanschlüssen jeweils Modulpolanschlüsse aus dem Modulgehäuse herausgeführt sind. Die Modulpolanschlüsse können beispielsweise flächige Kontaktelemente sein, von denen mindestens eines gegenüber dem Modulgehäuse elektrisch isoliert ist.
-
Insgesamt zeigen die 1 bis 4 lediglich beispielhafte Ausgestaltungsformen von Energiespeicherzellen 10. Variationen und Modifikationen können dabei unter Berücksichtigung von zweckbehafteten Konstruktionskriterien ausgestaltet werden. Generell ist es vorteilhaft, die Abstände zwischen stromführenden Elementen beider Polaritäten möglichst gering zu halten, um die durch diese Elemente umschlossene aktive Durchflutungsfläche zu minimieren. Dies bedeutet, dass die induktive Impedanz der stromführenden Elemente im Inneren der Energiespeicherzellen 10 minimiert werden kann. Außerdem ist es vorteilhaft, die stromführenden Elemente möglichst großflächig auszugestalten, um die Stromdichte möglichst homogen zu verteilen. Ist eine ideal flächige, eng an den aktiven Bereichen der Kontaktelemente anliegende Polkontaktierung nur unter bestimmte Randbedingungen möglich, wie beispielsweise Sicherheitsanforderungen oder technischen Zwängen, so kann ist zumindest darauf zu achten, die Zusammenführung der stromführenden Elemente unterschiedlicher Polarität in geringem Abstand zueinander zu gewährleisten. Weiterhin ist es vorteilhaft, die Anzahl der notwendigen Polanschlüsse der Energiespeicherzellen 10 mit dem Gehäuse durch geeignete modulinterne Verschaltung der Energiespeicherzellen zu minimieren. Dadurch reduzieren sich die Ohm’schen Leitungswiderstände, was wiederum sowohl im Gleichstrombetrieb als auch im Wechselstrombetrieb in einer Minimierung der Ohm’schen Verluste, insbesondere aufgrund des Skineffekts, resultiert.
-
Die dargestellten Energiespeicherzellen 10 können beispielsweise bevorzugt in Systemen eingesetzt werden, in denen Wechselströme hoher Frequenz aus den Energiespeicherzellen 10 entnommen werden, beispielsweise in Batteriedirektumrichtern mit Ansteuerfrequenzen oberhalb von etwa 100 Hz. In diesen Systemen können aufgrund der Bauweise der Energiespeicherzellen 10 induktive Verluste aufgrund der hohen Wechselstromfrequenz minimiert werden. Gleichzeitig verbessert sich das Ansprechverhalten der Energiespeicherzellen 10 im Kurzzeitbereich, was die Dynamik und Zuverlässigkeit der Systeme erheblich verbessert.
-
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 30 zum Herstellen einer elektrischen Energiespeicherzelle 10, insbesondere einer im Zusammenhang mit den 1 bis 4 schematisch gezeigten Energiespeicherzellen 10. In einem ersten Schritt 31 erfolgt ein alternierendes Anordnen einer Vielzahl von ersten flächigen Elektrodenfolien 1, welche jeweils an einer Längsseite eine Ausnehmung 2e aufweisen, und einer Vielzahl von zweiten flächigen Elektrodenfolien 3, welche jeweils an einer Längsseite eine Kontaktierungsfahne 4c, die kongruent mit den Ausnehmungen 2e ist, aufweisen. Dabei werden die flächigen Elektrodenfolien 1 und 3 planparallel zueinander und alternierend zu einem Speicherzellstapel gestapelt, so dass die Kontaktierungsfahnen 4c jeweils alternierend mit den Ausnehmungen 2e überlappen.
-
In einem zweiten Schritt 32 erfolgt ein elektrisches Kontaktieren von die Ausnehmungen 2e umgebenden Kontaktierungsbereichen 2c bzw. 2d mit einem ersten flächigen Kontaktelement 5, welches in einer Erstreckungsebene senkrecht zu der Erstreckungsebene der ersten flächigen Elektrodenfolien 1 angeordnet ist. Dann erfolgt in einem dritten Schritt 33 ein elektrisches Kontaktieren der Kontaktierungsfahnen 4c mit einem zweiten flächigen Kontaktelement 6, welches in einer Erstreckungsebene senkrecht zu der Erstreckungsebene der ersten flächigen Elektrodenfolien 1 angeordnet ist.
-
Optional kann weiterhin der Schritt 34 des Ausbildens einer Isolationsschicht 7 zwischen dem ersten flächigen Kontaktelement 5 und dem zweiten flächigen Kontaktelement 6 erfolgen, wobei die Isolationsschicht 7 das erste flächige Kontaktelement 5 elektrisch von dem zweiten flächigen Kontaktelement 6 isoliert.
-
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 102010035114 A1 [0003]
- EP 2413414 A2 [0003]
- WO 2011/116807 A1 [0004]
- WO 2009/073492 A2 [0004]
- JP 2008108477 A [0004]
