DE102012222618A1

DE102012222618A1 - Batteriezelle

Info

Publication number: DE102012222618A1
Application number: DE201210222618
Authority: DE
Inventors: Michael Kammer; Mathias Zink; Thomas RAHN; Rene Deponte
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2014-06-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einem Gehäuse, in dem mindestens ein elektrisches Speicherelement und mindestens ein Kontaktelement angeordnet sind, wobei das Kontaktelement mindestens einen ersten Kontaktbereich aufweist, über den das Kontaktelement mit dem mindestens einen Speicherelement leitend verbunden ist und einen zweiten Kontaktbereich aufweist, der einen Batteriepol der Batteriezelle darstellt, wobei das Kontaktelement als einteiliges Stanzteil, der erste Kontaktbereich als Biegeteil und der zweite Kontaktbereich als Tiefziehteil ausgeführt sind.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Batteriezelle nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Stand der Technik
Batteriezellen, teilweise auch als Akkumulatorzellen bezeichnet, dienen zur chemischen Speicherung von elektrisch zur Verfügung gestellter Energie. Bereits heute werden Batteriezellen zur Energieversorgung einer Vielzahl mobiler Geräte eingesetzt. Zukünftig sollen Batteriezellen unter anderem zur Energieversorgung von mobilen Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, zu Land wie auch zu Wasser, oder zur stationären Zwischenspeicherung von aus alternativen Energiequellen stammender elektrischer Energie eingesetzt werden.
Hierzu wird meist eine Vielzahl von Batteriezellen zu Batteriepaketen bzw. Batteriemodulen zusammengesetzt. Um hierbei ein zur Verfügung stehendes Paketvolumen möglichst effizient auszunutzen, werden für solche Zwecke aus Gründen des Volumennutzwertes vornehmlich Batteriezellen mit einer prismatischen, beispielsweise einer Quader-artigen Form eingesetzt.
Es existieren bereits viele verschiedene Typen von Batteriezellen. Allerdings weisen herkömmliche Batteriezellen meist einen komplexen Aufbau auf, bei dem zum Zusammenbau der gesamten Batteriezelle eine Vielzahl unterschiedlicher Einzelteile eingesetzt wird. Insbesondere werden beim Zusammenbau der Einzelteile aufwändige Fertigungsverfahren wie z.B. Schweißverfahren eingesetzt, die sowohl kosten- als auch energieintensiv sind. All dies kann zu erhöhten Kosten bei der Fertigung der Batteriezelle beitragen.
Wegen ihrer möglichen hohen Energiedichte, thermischen Stabilität und fehlendem Memory-Effekt wird für anspruchsvolle Anwendungen wie beispielsweise Speicherlösungen für Kraftfahrzeuge meist eine Lithium-Ionen-Akku-Technologie eingesetzt, welche aufgrund der hohen wirtschaftlichen Bedeutung einer zukünftigen Elektromobilität derzeit intensiv weiterentwickelt wird.
Im Inneren des Gehäuses solcher Lithium-Ionen-Zellen befindet sich ein flach gepresster Wickel (sogenannte "Jelly-Roll" bzw. "Coffee-Bag"), der aus einer Aluminium-Folie, aus einer Kupfer-Folie (diese sind mit reaktiven Kathoden- und Anoden-Stoffen beschichtet) sowie aus zwei als Diaphragmen dienenden Kunststofffolien gerollt wird. Das Zellengehäuse wird nach Einbringen des Wickels und vor dem druckdichten Verschließen mit einem flüssigen Elektrolyten befüllt. Die elektrische Kontaktierung der Kathoden- und Anodenfolie des Wickels geschieht folgendermaßen: die beiden Folien werden nicht passgenau übereinander gelegt, sondern in Richtung der Wickelachse leicht versetzt. So lässt sich an der einen offenen Schmalseite des Wickels die negative, an der anderen, der gegenüberliegenden Schmalseite die positive Spannung an der jeweiligen Folie abgreifen. Die Kontaktierung der überstehenden Folienstreifen erfolgt mit angeschweißten streifenförmigen Blechteilen aus Kupfer und/oder Aluminium, den sogenannten Stromkollektoren bzw. Kontaktelementen. Anspruchsvoll erscheint die Kontaktierung der genannten Kontaktelemente im Inneren der Batteriezellengehäuse und die Durchführung der Strompfade durch das Gehäuse nach außen. Anforderungen sind dabei neben der sicheren Kurzschlussvermeidung ein geringer und dabei alterungsbeständiger Durchgangswiderstand bei hoher Strombelastbarkeit, die Dichtheit der Stromführung durch das Gehäuse gegen Austritt von unter Druck stehendem flüssigen Elektrolyt und weiterhin die Forderung, mechanische Last auf die Kontakte aufbringen zu können und nicht zuletzt die Kosten. Der umfangreiche Katalog an technischen Anforderungen führte beim Stand der Technik zu einer komplexen vielteiligen Konstruktion der Kontaktelemente.
Beispielsweise ist aus der US 2011 0171516 A1 eine Batterie mit einem Kontaktelement bekannt, welches zweiteilig ausgeführt ist und einen oberen und einen unteren Teil aufweist. Über den oberen Teil wird das Kontaktelement leitend mit einem Batteriepol verbunden. Der untere Teil des Kontaktelementes weist einen Kontaktbereich auf. Das Speicherelement ist in flacher Bauweise ausgeführt und weist an seinem Rand einen Kontaktabschnitt auf. Über diesen Kontaktabschnitt wird das Speicherelement mit dem Kontaktbereich des Kontaktelements leitend verbunden. Nachteilig an dieser Ausführung ist, dass das Kontaktelement mehrteilig ausgeführt ist und zunächst miteinander verbunden werden muss, bevor es innerhalb der Batteriezelle verbaut werden kann. Der Verbindungsschritt, beispielsweise in Form von Schweißverfahren, ist sowohl zeit- als auch kostenintensiv, mit die die Forderung nach minimalen Kosten nicht erfüllt wird.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Batteriezelle anzugeben, die zeit- und kostengünstiger hergestellt werden kann.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Batteriezelle mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Batteriezelle zeit- und kostengünstiger hergestellt werden kann. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens ein Kontaktelement in der Batteriezelle angeordnet ist, wobei das Kontaktelement mindestens einen ersten Kontaktbereich aufweist, über den das Kontaktelement mit dem mindestens einen Speicherelement leitend verbunden ist und einen zweiten Kontaktbereich aufweist, der einen Batteriepol der Batteriezelle darstellt, wobei das Kontaktelement als einteiliges Stanzteil, der erste Kontaktbereich als Biegeteil und der zweite Kontaktbereich als Tiefziehteil ausgeführt sind. Durch diese einteilige Ausführung und die Konstruktion als Stanz-Tiefzieh-Biegeteil lässt sich die notwendig hohe Formkomplexität des Kontaktelementes bei sehr günstigen Kosten erreichen, wobei ein weiterer zeit- und kostenaufwändiger Verbindungsschritt durch beispielsweise ein notwendiges Schweißverfahren vermieden wird.
Gleiche Vorteile ergeben sich erfindungsgemäß entsprechend Anspruch 4 für das beanspruchte Verfahren.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Vorteilhaft ist der zweite Kontaktbereich zylindrisch ausgeführt ist. Die zylindrische Form lässt sich vereinfacht im Tiefziehverfahren herstellen.
Vorteilhaft ist der zweite Kontaktbereich konisch ausgeführt ist. Diese durch den Tiefziehprozess begünstigte Ausführungsvariante des Terminals führt aufgrund einer vergrößerten Kontaktierfläche zu einer Vereinfachung der Kontaktierung zu einem elektrischen Verbindungselement, welches ebenfalls als leicht konisches Bauelement auf den zweiten Kontaktbereich (auch als Terminal oder Batteriepol bezeichnet) aufgesteckt wird.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Batteriezelle.
2 zeigt einen seitlichen Schnitt durch eine Batteriezelle.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Kontaktelementes.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine perspektivische Ansicht einer Batteriezelle 10. Die Batteriezelle 10 ist im Wesentlichen rechteckig und flach ausgeführt und weist eine geringe Dicke auf. Es befinden sich mindestens zwei elektrische Speicherelemente 12, 12' (hier nicht dargestellt) im Gehäuse 11 der Batteriezelle 10, die insbesondere als Lithium-Ionen-Speicherzellen in flacher Bauweise ohne eigensteife Hülle („Jelly Rolls“ oder „Coffee Bag“) ausgeführt sind. Weiterhin weist die Batteriezelle 10 zwei Batteriepole 16, 17 auf. Jeweils ein Batteriepol 16, 17 ist mit einem Kontaktelement 14 (hier nicht dargestellt) verbunden.
2 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung der Batteriezelle 10 gemäß der 1. Die Batteriezelle 10 weist ein Gehäuse 11 und zwei Batteriepole 16, 17 auf. Jeweils ein Batteriepol 16, 17 ist mit jeweils einem einteilig ausgeführten Kontaktelement 13, 13' verbunden. Das Kontaktelement 13, 13' ist L-förmig ausgeführt, wobei der erste Schenkel 19 ein Batteriepolverbindungsteil 20 und der zweite Schenkel 18 einen ersten Kontaktbereich 14 besitzt. Der Batteriepolverbindungsteil 20 besitzt einen zweiten Kontaktbereich 15, der als tiefgezogener Kontaktbereich 15 ausgeführt ist und als Batteriepol 16 fungiert. Der tiefgezogene Kontaktbereich ist zylindrisch ausgeführt oder besitzt eine konische Form. Das Kontaktelement ist beispielsweise aus Aluminium oder aus Kupfer gefertigt. Im Gehäuse 11 befindet sich mindestens ein elektrisches Speicherelement 12. Das elektrische Speicherelement 12 ist flach ausgeführt, besitzt eine Großfläche 23 und jeweils eine positive Elektrode 21 und eine negative Elektrode 22, die am Rand 25, 25’ des Speicherelementes einen leitfähigen Kontaktabschnitt 26, 26’ aufweist. Diese Elektroden 21, 22 sind jeweils in einem Bereich 31 beschichtet, d.h. in einem Bereich, der sich durch Beschichtung eines aktiven Materials ergibt, wobei das aktive Material als Stromkollektor dient. Das aktive Material wird beispielsweise durch eine Metallfolie (Kupferfolie, Aluminiumfolie oder ähnliches) dargestellt. Über den jeweiligen Kontaktabschnitt 26, 26’ ist das Speicherelement 12, 12' mit dem jeweiligen ersten Kontaktbereich 14, 14' elektrisch leitend verbunden, wobei diese elektrisch leitende Verbindung 24 vorzugsweise eine Schweißverbindung ist.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung des Kontaktelementes 13. Das Kontaktelement 13 ist L-förmig ausgeführt, wobei der erste Schenkel 18 einen ersten Kontaktbereich 14 und der zweite Schenkel 19 einen Batteriepolverbindungsteil 20 mit einem zweiten Kontaktbereich 15 aufweist. Der zweite Kontaktbereich 15 ist tiefgezogen und weist eine zylindrische Form bzw. eine konisch zulaufende Form auf. Dieser tiefgezogene Teil fungiert als Batteriepol 16, über den die Spannung der Batteriezelle 10 abgegriffen wird. Der zweite Schenkel 19 des Kontaktelementes 13 ist in einem Winkel W_2 zwischen 80° und 100 ° bzw. vorzugsweise rechtwinklig zum ersten Schenkel 18 angeordnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20110171516 A1 [0007]

Claims

Batteriezelle (10), insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, umfassend ein Gehäuse (11), in dem mindestens ein elektrisches Speicherelement (12) und mindestens ein Kontaktelement (13) angeordnet ist, wobei das Kontaktelement (13) mindestens einen ersten Kontaktbereich (14) aufweist, über den das Kontaktelement (13) mit dem mindestens einen Speicherelement (12) leitend verbunden ist und einen zweiten Kontaktbereich (15) aufweist, der einen Batteriepol (16) der Batteriezelle (10) darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (13) als einteiliges Stanzteil, der erste Kontaktbereich (14) als Biegeteil und der zweite Kontaktbereich (15) als Tiefziehteil ausgeführt sind.
Batteriezelle nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kontaktbereich (15) zylindrisch ausgeführt ist.
Batteriezelle nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kontaktbereich (15) konisch ausgeführt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – in einem ersten Schritt (101) des Verfahrens das Kontaktelement (13) als einteiliges Stanzteil aus einem Blech gestanzt wird, – in einem zweiten Schritt (102) der erste Kontaktbereich (14) durch Biegen aus dem Kontaktelement (13) geformt wird, – in einem dritten Schritt (103) der zweite Kontaktbereich (15) aus dem Kontaktelement durch Tiefziehen geformt wird.