DE102012217605A1

DE102012217605A1 - System mit mindestens einem Halter für einen Kollektor eines Elektrodenensembles und Verfahren zur Herstellung eines solchen Systems

Info

Publication number: DE102012217605A1
Application number: DE102012217605.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Woehrle; Markus Kohlberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-03-27
Also published as: CN104995766B; WO2014048633A1; CN104995766A

Abstract

Erfindungsgemäß wird ein System mit mindestens einem Halter (10, 11) für einen Kollektor (70, 71) eines Elektrodenensembles (80) und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Systems vorgestellt. Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (10, 11) einen Hohlkörper (20) mit mindestens einer Öffnung (25) umfasst, die geeignet ist, einen Endbereich des Kollektors (70, 71) aufzunehmen, so dass der Endbereich (70, 71) vom Hohlkörper (20) ummantelt wird, wobei der eine Endbereich des Kollektors ein Endbereich bezüglich einer Hauptausdehnungsrichtung des Kollektors (70, 71) ist. Die Ummantelung bewirkt einen mechanischen Schutz des Endbereichs (70, 71), der durch die Erfinder als besonders gefährdet für Kurzschlussbildung unter mechanischer Einwirkung identifiziert wurde.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System mit mindestens einem Halter für einen Kollektor eines Elektrodenensembles und Verfahren zur Herstellung eines solchen Systems. Das Elektrodenensemble ist bevorzugt ein Elektrodenensemble einer Batteriezelle eines Kraftfahrzeugs und die Batteriezelle ist bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.
Stand der Technik
Durch verbesserte Speicherkapazität, häufigere Wiederaufladbarkeit und höhere Energiedichten finden Batterien, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen basierte Batterien oder Nickelmetallhydrid-Batterien, immer breitere Anwendungen. Lithium-Ionen-Zellen basierte Batterien zeichnen sich unter anderem aus durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung.
Batterien mit geringerer Energiespeicherkapazität werden zum Beispiel für kleine tragbare elektronische Geräte wie Mobiltelefone, Laptops, Camcorder und dergleichen verwendet, während Batterien mit hoher Kapazität als Energiequelle für den Antrieb von Motoren von Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugen, etc. oder als stationäre Batterien beispielsweise von Wind- oder Solarenergieanlagen Verwendung finden.
Batterien können zum Beispiel durch das serielle Verschalten von Batteriemodulen gebildet werden, wobei teilweise auch parallele Verschaltungen der Batteriemodule erfolgen und die Batteriemodule ihrerseits aus seriell und/oder parallel verschalteten Batteriezellen, die jeweils ein Elektrodenensemble in einem Gehäuse aufweisen, bestehen können.
Batterien, Batteriemodule oder Batteriezellen können zusätzlich Komponenten zur Überwachung, Steuerung oder Regelung des Batterieverhaltens umfassen.
Elektrodenensembles von Batteriezellen, speziell aber nicht nur von Lithium-Ionen-Zellen, bestehen oft aus einem Stapel oder einem Wickel aus durch einen oder mehrere Separatoren elektrisch getrennten Elektrodenschichten.
In der Patentanmeldung US 2008/0107961 wird eine Batteriezelle mit einem als Wickel ausgebildeten Elektrodenensemble beschrieben, bei dem unbeschichtete Stellen am Wickel mit so genannten Kollektoren verschweißt sind, wobei die Kollektoren Terminals der Batteriezelle kontaktieren. Das Elektrodenensemble wird durch Stützelemente eines Gehäuses, die seitlich in den Wickel eingeführt sind, gestützt.
Die europäische Patentanmeldung EP 1 269 939 beschreibt ein galvanisches Element mit Ableitfahnen, die mit Kollektoren verschweißt sind. Ein Kunststofffilm aus Polyimid ist mit dem Ableiter und dem Kollektor mittels einer Silikonklebeschicht verklebt.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2006 053 273 betrifft ein galvanisches Element, das mindestens eine Einzelzelle mit auf einem flächigen Separator angeordneten Elektroden umfasst. Mindestens eine der Elektroden weist einen Stromkollektor auf, der mit einer Ableiterfahne versehen ist, die mit einem Randbereich des Separators überlappt, wobei der Separator in diesem Randbereich umgeschlagen ist und/oder in diesem Randbereich mindestens eine dünne Schicht angeordnet ist, um die Kurzschlusssicherheit des galvanischen Elements zu erhöhen.
Da es infolge von batteriezellinternen Kurzschlüssen zu exothermen Verläufen mit Wärmeentwicklung oder Gasbildung kommen kann, die ihrerseits zu Ausgasungen, Rauch- oder Flammenbildung und so zu erheblichen Sicherheitsrisiken führen können, gibt es im Technologiegebiet der vorliegenden Erfindung fortwährend Bestrebungen die Kurzschlusssicherheit von Batteriezellen zu erhöhen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein System nach Anspruch 1 vorgestellt. Das System umfasst mindestens einem Halter für einen Kollektor eines Elektrodenensembles, wobei der Halter elektrisch isolierend ist.
Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass der Halter einen Hohlkörper mit mindestens einer Öffnung umfasst, die geeignet ist, einen Endbereich des Kollektors bezüglich einer Hauptausdehnungsrichtung aufzunehmen, so dass der Endbereich durch den Hohlkörper ummantelt ist, wobei der Endbereich des Kollektors ein Endbereich bezüglich einer Hauptausdehnungsrichtung des Kollektors ist.
Die Ummantelung bewirkt einen mechanischen Schutz des Endbereichs, der durch die Erfinder als besonders gefährdet für Kurzschlussbildung unter mechanischer Einwirkung identifiziert wurde.
In einer Ausführungsform kann der Halter eine Rinne umfassen, die geeignet ist, den bezüglich der Hauptausdehnungsrichtung anderen Endbereich des Kollektors aufzunehmen.
Dann ist auch der andere Endbereich vor mechanischen Einwirkungen geschützt.
Der Halter kann in dieser Ausführungsform eine zur Hauptausdehnungsrichtung parallel ausgebildete Platte umfassen, die den Hohlkörper mit der Rinne verbindet.
Dann ist der Kollektor auch im restlichen Bereich zumindest teilweise vor mechanischen Einwirkungen geschützt.
Der Halter kann ganz oder teilweise aus elektrolytbeständigem Kunststoff, beispielsweise aus Polypropylen, Polyethylen, Polyolefin, Polyester oder Polyimid, sein. Der Halter kann auch ganz oder teilweise aus Keramik sein. Kunststoff und/oder Keramik können eine offene oder eine geschlossene Porenstruktur haben und beispielsweise durch Aufschäumen hergestellt sein.
Alle diese Materialen eignen sich für eine einfache und günstige Herstellung. Poriges Material hat den Vorteil geringeren Gewichts bei gleicher Schutzwirkung.
Wenn das System weiterhin Abdeckplatten umfasst, die geeignet sind, jeweils parallel zur Hauptausdehnungsrichtung und senkrecht zur Platte zwischen der Rinne und dem Hohlkörper angeordnet zu werden, um so die Rinne bis zur Öffnung des Hohlkörpers fortzusetzen, lässt sich ein weiterer Kollektorbereich mit einer Elektrodenfolie des Elektrodenensembles verbinden und durch die Abdeckplatten abdecken, um so auch den verbundenen Bereich des Kollektors besser mechanisch zu schützen.
Die Abdeckplatten können klappbar an der Platte, der Rinne oder dem Hohlkörper befestigt sein.
Dann können Halter und Abdeckplatten einfach als Einheit hergestellt werden, wodurch auch Fertigungsprozesse einer Batteriezelle vereinfacht werden.
In einer Ausführungsform umfasst das System weiterhin einen weiteren zu dem einem Halter spiegelsymmetrisch ausgebildeten Halter und eine Batteriezelle in einem Gehäuse mit einem Deckel, wobei die Batteriezelle ein Elektrodenensemble und von den Haltern umfasste Kollektoren umfasst.
Dieses System stellt eine besonders gut gegen mechanische Einflüsse geschützte Batteriezelle zur Verfügung.
In dieser Ausführungsform kann das System weiterhin ein Kraftfahrzeug umfassen, wobei das Kraftfahrzeug die Batteriezelle enthält oder umfasst.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Systems nach Anspruch 9 vorgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte: Elektrisch isoliertes Verbinden der Kollektoren mittels eines Verbindungselements und Einsetzen der Kollektoren in die Halter. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt des elektrisch leitfähigen Verbindens der in die Halter eingesetzten Kollektoren mit jeweils unbeschichteten äußeren Bereichen einer von dem Elektrodenensemble umfassten Anodenfolie und einer von dem Elektrodenensemble umfassten Kathodenfolie, wobei die Verbindungen jeweils in einem zugänglichen Bereich der Kollektoren zwischen der Rinne und dem Hohlkörper des jeweiligen Halters erfolgt. Schließlich umfasst das Verfahren noch die Schritte: Abdecken der elektrisch leitfähig verbundene Bereiche mit den Abdeckplatten, Einsetzen in das Gehäuse und Schließen des Gehäuses mit dem Deckel.
So kann eine mechanisch gesicherte Batteriezelle besonders einfach konfektioniert werden.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Halter, wie er in einem Ausführungsbeispiel des erfinderischen Systems umfasst sein kann,
2 ein Verfahren nach Stand der Technik zur Herstellung einer Batteriezelle, und
3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.
Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist ein Halter 10 gezeigt, wie er in einem Ausführungsbeispiel des erfinderischen Systems umfasst sein kann. Der Halter 10 weist einen Hohlkörper 20 mit mindestens einer Öffnung 25 auf. In der Figur ist der Hohlkörper als ein Rohr 20 mit einem rechteckigen Querschnitt und Seitenwänden 21, 22 dargestellt, andere Formen sind aber möglich. Vorteilhafterweise kann der Querschnitt der Öffnung 25 einem Querschnitt eines Elektrodenensemble-Kollektors bezüglich einer Hauptausdehnungsrichtung des Kollektors entsprechen.
Der Hohlkörper 20 ist über eine Platte 30 mit einer Rinne 40 verbunden. In dem Ausführungsbeispiel schließt die Platte 30 an eine Rückwand 43 der Rinne 40 an und setzt diese Rückwand 43 bis zu einer Rückwand 23 des Rohrs 20 fort.
Zwischen den Seitenwänden 21, 22 des Rohrs 20 und Seitenwänden 41, 42 der Rinne 40 sind freibleibende Seitenbereiche des Halters, die im Folgenden auch Aussparungen 31, 32 genannt werden. Durch die Aussparungen 31, 32 bleibt der Kollektor nach Einsetzen in den Halter für ein elektrisch leitfähiges Verbinden des Kollektors mit einer Elektrodenschicht eines Elektrodenensembles zugänglich. Der Kollektor selbst ist auch elektrisch leitfähig, beispielsweise weil er aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht.
Die Seitenwände 21, 22 und 41, 42 können im Querschnitt gleiche oder unterschiedliche Ausmaße haben.
Nach elektrisch leitfähigem Verbinden des in den Halter eingesetzten Kollektors mit einer Elektrodenschicht können die Aussparungen 31, 32 durch Abdeckplatten verschlossen werden. Die Abdeckplatten können dabei so dimensioniert sein, dass sie, bei Seitenwänden 21, 22 und 41, 42 im Querschnitt gleichen Ausmaße, auch diese gleichen Ausmaße im Querschnitt aufweisen. Insbesondere können die Abdeckplatten in Stärke und Breite den Seitenwänden entsprechen. Weiterhin können die Abdeckplatten so dimensioniert sein, dass ihre Länge der Länge der Platte 30 beziehungsweise dem Abstand zwischen Rinne 40 und Hohlkörper 20 und damit der Länge der Aussparungen 31, 32 entspricht.
Die Abdeckplatten können an den Seitenwänden 21, 22, an den Seitenwänden 41, 42 oder an der Platte 30 klappbar befestigt sein, so dass bei aufgeklappten Abdeckplatten die Aussparungen 31, 32 frei bleiben und bei zugeklappten Abdeckplatten die Aussparungen 31, 32 abgedeckt beziehungsweise verschlossen sind. Dann besteht der Halter aus einer Rinne, die an einem Ende rohrförmig verschlossen ist.
2 zeigt ein Verfahren nach Stand der Technik zur Herstellung einer Batteriezelle. Dabei wird in einem Schritt 100 eine Isolationstasche 50, beispielsweise aus Polyolefin, in ein Gehäuse 60 aus beispielsweise Aluminium eingesetzt. In einem Schritt 200 werden zwei Kollektoren 70, 71 mit einem Verbindungselement 75 verbunden. Die Kollektoren weisen dabei Terminalvorsätze 72, 73 auf oder sind mit Terminals 72, 73 verbunden. In einem Schritt 300 wird das System aus Kollektoren 70, 71 und Verbindungselement 75 mit einem auch als Elektrodenwickel oder Jelly Roll bezeichneten Elektrodenensemble 80 verbunden. Dann werden äußere, nicht isolierte Bereiche von Elektrodenschichten des Elektrodenensembles 80 in einem Schritt 400 elektrisch leitfähig mit den Kollektoren 70, 71 verbunden. In einem Schritt 500 wird das System aus Elektrodenensemble 80, Kollektoren 70, 71 und Verbindungselement 75 in die im Gehäuse 60 befindliche Isolationstasche 50 eingesetzt. Schließlich wird das Gehäuse 60 mit einem Deckel 90 verschlossen, wobei der Deckel 90 die Terminals 72, 73 zugänglich lässt, zum Beispiel, indem die Terminals 72, 73 aus dem Deckel herausragen.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Batteriezelle.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das erfindungsgemäße Verfahren auch die nach Stand der Technik bekannten Schritte 100, 200, 300, 400, 500 und 600. Dabei ist die Reihenfolge der Schritte nur insofern festgelegt, dass Schritt 100 vor Schritt 500, Schritt 500 vor Schritt 600 aber erst nach den Schritten 200, 300 und 400 und Schritt 400 nach den Schritten 200, 300 kommt.
Zusätzlich umfasst das Ausführungsbeispiel vor dem Schritt 400 einen Schritt 250, bei zwei spiegelsymmetrische beispielhafte Ausführungsformen 10, 11 des erfindungsgemäßen Halters auf die Kollektoren 70, 71 aufgesetzt werden, ehe die Kollektoren 70, 71 mit dem Elektrodenensemble 80 elektrisch leitfähig verbunden werden. Durch die Aussparungen 31, 32 im Halter 10, 11 lässt sich der Schritt 400 nämlich auch bei aufgesetzten Haltern 10, 11 ausführen.
Im Ausführungsbeispiel nach 3 umfasst das Verfahren auch noch einen Schritt 450, der nach Schritt 400 ausgeführt wird. Dieser Schritt 450 ist optional und nicht notwendigerweise Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Schritt 450 werden Abdeckplatten in die Aussparungen eingesetzt, beispielsweise werden aufgeklappte Abdeckplatten, die an der Rinne, an dem Rohr oder an der Platte des Halters klappbar befestigt sind, zugeklappt.
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

US 2008/0107961 [0007]
EP 1269939 [0008]
DE 102006053273 [0009]

Claims

System mit mindestens einem Halter (10, 11) für einen Kollektor (70, 71) eines Elektrodenensembles (80), wobei der Halter (10, 11) elektrisch isolierend ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (10, 11) einen Hohlkörper (20) mit mindestens einer Öffnung (25) umfasst, die geeignet ist, einen Endbereich des Kollektors (70, 71) bezüglich einer Hauptausdehnungsrichtung aufzunehmen, so dass der Endbereich (70, 71) vom Hohlkörper (20) ummantelt wird, wobei der Endbereich des Kollektors (70, 71) ein Endbereich bezüglich einer Hauptausdehnungsrichtung des Kollektors (70, 71) ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Halter (10, 11) eine Rinne (40) umfasst, die geeignet ist, den bezüglich der Hauptausdehnungsrichtung anderen Endbereich des Kollektors (70, 71) aufzunehmen.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Halter (10, 11) eine zur Hauptausdehnungsrichtung parallel ausgebildete Platte (30) umfasst, die den Hohlkörper (20) mit der Rinne (40) verbindet.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Halter (10, 11) aus elektrolytbeständigem Kunststoff ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Halter (10, 11) aus Keramik ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das System weiterhin Abdeckplatten umfasst, die geeignet sind, jeweils parallel zur Hauptausdehnungsrichtung und senkrecht zur Platte (30) zwischen der Rinne (40) und dem Hohlkörper (20) angeordnet zu werden, um so die Rinne (40) bis zur Öffnung (25) des Hohlkörpers (20) fortzusetzen.
System nach Anspruch 6, wobei die Abdeckplatten klappbar an der Platte (30), der Rinne (40) oder dem Hohlkörper (20) befestigt sind.
System nach Anspruch 6 oder 7, wobei das System weiterhin einen weiteren zu dem einem Halter (10) spiegelsymmetrisch ausgebildeten Halter (11) und eine Batteriezelle (99) in einem Gehäuse (60) mit einem Deckel (90) umfasst, wobei die Batteriezelle (99) ein Elektrodenensemble (80) und von den Haltern (10, 11) umfasste Kollektoren (70, 71) umfasst.
System nach Anspruch 8, wobei das System weiterhin ein die Batteriezelle umfassendes Kraftfahrzeug umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Systems nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: a. Elektrisch isoliertes Verbinden (200) der Kollektoren (70, 71) mittels eines Verbindungselements (75), b. Einsetzen (250) der Kollektoren (70, 71) in die Halter (10, 11), c. elektrisch leitfähiges Verbinden (400) der in die Halter (10, 11) eingesetzten Kollektoren (70, 71) mit jeweils unbeschichteten äußeren Bereichen einer von dem Elektrodenensemble (80) umfassten Anodenfolie und einer von dem Elektrodenensemble (80) umfassten Kathodenfolie, wobei die Verbindungen jeweils in einem zugänglichen Bereich (31, 32) der Kollektoren (70, 71) zwischen der Rinne (40) und dem Hohlkörper (20) des jeweiligen Halters (10, 11) erfolgt, d. Abdecken (450) der elektrisch leitfähig verbundenen Bereiche (31, 32) mit den Abdeckplatten, e. Einsetzen (500) in das Gehäuse (60) und f. Schließen (600) des Gehäuses (60) mit dem Deckel (70).