DE102012223801A1

DE102012223801A1 - Speicherzelle und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102012223801A1
Application number: DE102012223801.8A
Authority: DE
Inventors: Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2014-06-26
Also published as: WO2014095141A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Speicherzelle (1), insbesondere ausgebildet als Lithium-Ionen-Akkumulator, umfassend ein Gehäuse (2), einen das Gehäuse (2) dicht verschließenden Deckel (3), zumindest ein im Gehäuse (3) angeordnetes elektrochemisches Element (4) mit einem positiven Stromkollektor (5) und einem negativen Stromkollektor (6), einen mit dem positiven Stromkollektor (5) verbundenen positiven Stromabgriff (7) auf einer Außenfläche des Gehäuses (2) oder des Deckels (3), und einen mit dem negativen Stromkollektor (6) verbundenen negativen Stromabgriff (8) auf einer Außenfläche des Gehäuses (2) oder des Deckels (3), wobei das Gehäuse (2) einen dem Deckel (3) gegenüberliegen Boden (9) und eine den Deckel (3) mit dem Boden (9) verbindende Mantelfläche (10) umfasst, wobei der Deckel (3) in das Gehäuse (2) eingesetzt ist, so dass eine umlaufende Seitenfläche (11) des Deckels (3) von der Mantelfläche (10) des Gehäuses (2) überdeckt ist, wobei an zumindest einer Kante der umlaufenden Seitenfläche (11) eine Fase (13) ausgebildet ist und eine Schweißnaht (16) zwischen der Fase (13) und der Mantelfläche (10) angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Speicherzelle, insbesondere ausgebildet als Lithium-Ionen-Akkumulator, und ein Verfahren zur Herstellung der Speicherzelle. Die Speicherzelle wird bevorzug in einem Fahrzeug verwendet. In dem Fahrzeug dient die Speicherzelle insbesondere zum Antrieb des Fahrzeugs über einen Elektromotor.
Vorbekannte Speicherzellen weisen in der Regel ein Hard Case auf. Dieses Hard Case setzt sich zusammen aus einem Gehäuse und einem das Gehäuse dicht verschließenden Deckel. Im Inneren des Gehäuses befindet sich ein elektrochemisches Element, beispielsweise ausgebildet als Elektrodenwickel. Das elektrochemische Element weist zwei Stromkollektoren auf, die durch den Deckel hindurch an die Oberfläche der Speicherzelle geführt sind. Der Deckel ist üblicherweise mit dem Gehäuse verschweißt. Das Setzen der Schweißnaht zwischen Deckel und Gehäuse ist relativ aufwändig, da die Schweißnaht sehr exakt gesetzt werden muss, damit sie nicht seitlich über das Gehäuse übersteht. In der Regel werden mehrere der Speicherzellen zu einem Speichermodul zusammengesetzt. Dabei werden die Speicherzellen ohne Zwischenräume aneinander gereiht. Wenn die Schweißnaht über den Gehäuserand seitlich übersteht, können die einzelnen Speicherzellen nicht exakt aneinander gereiht werden. Des Weiteren könnte eine überstehende Schweißnaht zur ungewollten Kontaktierung zwischen zwei benachbarten Speicherzellen führen.
Offenbarung der Erfindung
In der erfindungsgemäßen Speicherzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 wird die Schweißnaht zur dichten Verbindung zwischen Deckel und Gehäuse in einen Spalt zwischen einer umlaufenden Seitenfläche des Deckels und der Mantelfläche des Gehäuses gesetzt. Um einen ausreichenden Spalt für die Schweißnaht bereitzustellen, ist eine Kante der umlaufenden Seitenfläche des Deckels gefast. In den durch die Fase bereitgestellten Freiraum wird die Schweißnaht gesetzt, so dass ein Schweißnahtüberhang seitlich des Gehäuses vermieden wird. Die erfindungsgemäße Speicherzelle ist kostengünstig herstellbar und führt zu einer robusten und dichten Verbindung zwischen Deckel und Gehäuse. Durch die Vermeidung des Schweißnahtüberhangs können mehrere der Speicherzellen dicht aneinander gestapelt werden, ohne dass es dabei zum Kurzschluss zwischen den Speicherzellen kommt. Die dichte und prozesssichere Verbindung zwischen Deckel und Gehäuse führt zu einer erhöhten Lebensdauer bzw. einer geringen Ausfallrate der Speicherzelle. Diese Vorteile werden erreicht durch eine erfindungsgemäße Speicherzelle, insbesondere ausgebildet als Lithium-Ionen-Akkumulator. Die Speicherzelle umfasst ein Gehäuse, einen das Gehäuse dicht verschließenden Deckel und zumindest ein im Gehäuse angeordnetes elektrochemisches Element. Das elektrochemische Element ist insbesondere als Elektrodenwickel ausgebildet. An dem elektrochemischen Element befindet sich ein positiver und ein negativer Stromkollektor. Auf einer Außenfläche des Gehäuses oder des Deckels ist ein positiver und ein negativer Stromabgriff ausgebildet. Die beiden Stromabgriffe sind mit den beiden Stromkollektoren verbunden. Das Gehäuse umfasst einen Boden. Der Boden ist gegenüberliegend des Deckels angeordnet. Zwischen dem Boden und dem Deckel ist eine Mantelfläche des Gehäuses ausgebildet. Insbesondere wird die Mantelfläche einstückig mit dem Boden gefertigt. Der Deckel wird in das Gehäuse so eingesetzt, dass eine umlaufende Seitenfläche des Deckels von der Mantelfläche des Gehäuses überdeckt ist. Ist der Deckel beispielsweise rechteckig ausgebildet, so setzt sich die umlaufende Seitenfläche aus vier einzelnen Flächen zusammen. Zwischen die Seitenfläche des Deckels und die Mantelfläche ist eine Schweißnaht eingesetzt. Um einen ausreichenden Spalt für die Schweißnaht bereitzustellen, ist an einer Kante der umlaufenden Seitenfläche eine Fase ausgebildet. Durch Verwendung dieser Fase wird sichergestellt, dass die Schweißnaht nicht über das Gehäuse übersteht. Insbesondere wird dadurch ein seitlicher Schweißnahtüberhang vermieden und es können mehrere der Speicherzellen direkt aneinander angeordnet werden, ohne dabei einen Kurzschluss zu verursachen.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Um eine ausreichende Größe des Spaltes zwischen der Seitenfläche des Deckels und der Mantelfläche des Gehäuses zu gewährleisten, wird definiert, dass die Fase über zumindest 25%, vorzugsweise über zumindest 50%, einer Dicke des Deckels ausgebildet ist.
Insbesondere ist die Phase vollumfänglich um den gesamten Deckel herum ausgebildet, so dass in entsprechender Weise auch die Schweißnaht vollumfänglich um den Deckel herum angeordnet werden kann. Dies führt zu einer lückenlosen Verbindung und Abdichtung zwischen Deckel und Gehäuse.
Die Mantelfläche des Gehäuses weist einen oberen Rand auf. Der obere Rand der Mantelfläche wird bevorzugt zur Fase hin umgebogen. Insbesondere wird der Rand entlang des gesamten Umfangs der Mantelfläche zur Fase hin umgebogen. Durch Umbiegen des Randes der Mantelfläche und eine entsprechend großen Ausgestaltung der Fase, wird der Spalt zwischen der Seitenfläche des Deckels und der Mantelfläche des Gehäuses möglichst weit nach innen verlagert. Dadurch wird ein Schweißnahtüberhang seitlich des Gehäuses effektiv vermieden.
Um ein Umbiegen des Randes zur Fase hin zu erleichtern, ist der Rand der Mantelfläche besonders bevorzugt verjüngt ausgebildet. Hierzu kann beispielsweise auch der Rand der Mantelfläche angefast werden. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das elektrochemische Element über zumindest einen der Stromkollektoren am Deckel befestigt ist. Insbesondere sind beide Stromkollektoren am Deckel befestigt, so dass das elektrochemische Element an dem Deckel hängt und zusammen mit dem Deckel in das Gehäuse eingeschoben werden kann.
Das Gehäuse mit dem Deckel ist vorzugsweise prismatisch ausgebildet. Die prismatische Form erlaubt eine enge Aneinanderreihung mehrerer Speicherzellen zu einem Speicherzellenmodul. Besonders vorteilhaft wird eine quaderförmige Form gewählt. Der Deckel bildet eine Fläche der prismatischen bzw. quaderförmigen Form.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung der Speicherzelle. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritt: (i) Bereitstellen eines Gehäuses mit einem Boden und einer mit dem Boden fest verbundenen Mantelfläche. (ii) Einsetzen eines elektrochemischen Elements mit einem positiven Stromkollektor und einem negativen Stromkollektor in das Gehäuse. (iii) Einsetzen eines Deckels, wobei eine umlaufende Seitenfläche des Deckels von der Mantelfläche des Gehäuses überdeckt ist und an zumindest einer Kante der umlaufenden Seitenfläche eine Fase ausgebildet ist. (iv) Umbiegen eines Randes der Mantelfläche zur Fase hin. (v) Setzen einer Schweißnaht zwischen die Fase und den umgebogenen Rand der Mantelfläche. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Schweißnaht gesetzt, nachdem der Rand der Mantelfläche zur Fase hin umgebogen wurde. Die Unteransprüche zur erfindungsgemäßen Speicherzelle und die im Rahmen der erfindungsgemäßen Speicherzelle vorgestellten vorteilhaften Ausgestaltungen finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Speicherzelle gemäß allen Ausführungsbeispielen in einem geöffneten Zustand,
2 ein Detail der erfindungsgemäßen Speicherzelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
3 ein Detail der erfindungsgemäßen Speicherzelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
4 und 5 zwei Verfahrensschritte zur Herstellung der erfindungsgemäßen Speicherzelle gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Ausführungsformen der Erfindung
Anhand von 1 wird der allgemeine Aufbau einer erfindungsgemäßen Speicherzelle 1 für alle Ausführungsbeispiele beschrieben. Die 2 bis 5 zeigen Details der Speicherzelle 1 gemäß den Ausführungsbeispielen in einer Schnittansicht. Gleiche bzw. funktionell gleiche Bauteile sind in allen Ausführungsbeispielen mit denselben Bezugszeichen versehen.
Gemäß 1 umfasst die Speicherzelle ein Gehäuse 2. Das Gehäuse 2 wird auch als Can bezeichnet. Das Gehäuse 2 ist mittels eines Deckels 3 verschlossen. Der Deckel 3 wird auch als Cap-Plate bezeichnet. In dem Gehäuse 2 ist ein elektrochemisches Element 4, ausgebildet als Elektrodenwickel, angeordnet. Das elektrochemische Element 4 ist im Ausführungsbeispiel ein Lithium-Ionen-Akkumulator.
Das elektrochemische Element 4 umfasst einen positiven Stromkollektor 5 und einen negativen Stromkollektor 6. Die beiden Stromkollektoren 5, 6 sind an einer Innenseite des Deckels 3 befestigt. Durch den Deckel 3 hindurch sind die beiden Stromkollektoren 5, 6 nach außen geführt. Auf der Außenseite des Deckels 3 sind ein positiver Stromabgriff 7 und ein negativer Stromabgriff 8 angeordnet. Die beiden Stromabgriffe 7, 8 sind als Schraubterminals ausgebildet.
Das Gehäuse 2 ist quadratisch ausgebildet und setzt sich zusammen aus einem Boden 9 und einer Mantelfläche 10. Entsprechend der quadratischen Form weist die Mantelfläche 10 vier einzelne Flächen auf. Der Deckel 3 liegt gegenüber des Bodens 9.
1 zeigt einen teilweise geöffneten Zustand der Speicherzelle 1. Im Montagevorgang wird das elektrochemische Element 4 über die beiden Stromkollektoren 5, 6 mit dem Deckel 3 verbunden. Die Einheit aus Deckel 3 und elektrochemischem Element 4 wird in das Gehäuse 2 eingeschoben, so dass der Deckel 3 das Gehäuse 2 verschließt. In den Spalt zwischen Gehäuse 2 und Deckel 3 wird eine Schweißnaht 16 (s. 2 bis 5) gesetzt.
Gemäß 2 weist der Deckel 3 eine umlaufende Seitenfläche 11 auf. Des Weiteren ist am Deckel 3 eine Deckelaußenseite 12 definiert. Auf dieser Deckelaußenseite 12 befinden sich die beiden Stromabgriffe 7, 8. An der Kante zwischen der Deckelaußenseite 12 und der umlaufenden Seitenfläche 11 ist eine Fase 13 ausgebildet. Die Fase 13 läuft vollständig um den Deckel 3.
Die umlaufende Seitenfläche 11 und somit auch die Fase 13 liegen einer Innenseite der Mantelfläche 10 des Gehäuses gegenüber. Zwischen der Fase 13 und der Mantelfläche 10 ist die Schweißnaht 16 eingesetzt.
Durch Verwendung der Fase 13 ist sichergestellt, dass die Schweißnaht 16 nicht nach außen überhängt.
Der Deckel 3 weist eine Dicke bzw. Materialstärke 14 auf. Eine Fasenhöhe 15 wird parallel zu der Dicke 14 des Deckels 3 gemessen. Die Fasenhöhe 15 ist groß genug ausgebildet, um eine ausreichend starke Schweißnaht 16 einzusetzen.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel. Gemäß 3 ist am oberen Ende der Mantelfläche 10 ein umlaufender Rand 17 definiert. Dieser umlaufende Rand 17 ist vor Setzen der Schweißnaht 16 zur Fase 13 hin, also noch innen, umgebogen bzw. umgeformt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Schweißnaht 16, im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel, noch weit vom seitlichen Rand des Gehäuses 2 entfernt ist, so dass ein Schweißnahtüberhang noch effektiver vermieden wird.
Die 4 und 5 zeigen einen Verfahrensablauf zur Herstellung der Speicherzelle 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Gemäß 4 ist die Mantelfläche 10 an ihrem oberen Ende bzw. am Rand 17 verjüngt ausgebildet. Insbesondere ist hierzu eine Außenseite der Mantelfläche 10 angefast. Die Verjüngung der Mantelfläche 11 vereinfacht das Biegen des Randes 17 nach innen zur Fase 13 hin. Bevor die Schweißnaht 16 gesetzt wird, erfolgt das Verbiegen des Randes 17. 5 zeigt den Endzustand, in dem der Rand 17 verbogen ist und die Schweißnaht 16 in den Spalt zwischen Rand 17 und Fase 13 gesetzt wurde. Der Verfahrensablauf gemäß den 4 und 5 wird auch bei der Ausbildung der Speicherzelle 1 gemäß 3 angewandt.

Claims

Speicherzelle (1), insbesondere ausgebildet als Lithium-Ionen-Akkumulator, umfassend – ein Gehäuse (2), – einen das Gehäuse (2) dicht verschließenden Deckel (3), – zumindest ein im Gehäuse (3) angeordnetes elektrochemisches Element (4) mit einem positiven Stromkollektor (5) und einem negativen Stromkollektor (6), – einen mit dem positiven Stromkollektor (5) verbundenen positiven Stromabgriff (7) auf einer Außenfläche des Gehäuses (2) oder des Deckels (3), und – einen mit dem negativen Stromkollektor (6) verbundenen negativen Stromabgriff (8) auf einer Außenfläche des Gehäuses (2) oder des Deckels (3), – wobei das Gehäuse (2) einen dem Deckel (3) gegenüberliegen Boden (9) und eine den Deckel (3) mit dem Boden (9) verbindende Mantelfläche (10) umfasst, – wobei der Deckel (3) in das Gehäuse (2) eingesetzt ist, so dass eine umlaufende Seitenfläche (11) des Deckels (3) von der Mantelfläche (10) des Gehäuses (2) überdeckt ist, – wobei an zumindest einer Kante der umlaufenden Seitenfläche (11) eine Fase (13) ausgebildet ist und eine Schweißnaht (16) zwischen der Fase (13) und der Mantelfläche (10) angeordnet ist.
Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fase (13) über zumindest 25%, vorzugsweise über zumindest 50%, einer Dicke (14) des Deckels (3) ausgebildet ist.
Speicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fase (13) vollumfänglich um den Deckel (3) ausgebildet ist.
Speicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rand (17) der Mantelfläche (10) zur Fase (13) hin umgebogen ist.
Speicherzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (17) der Mantelfläche (10) verjüngt ausgebildet ist, um das Umbiegen zur Fase (13) hin zu erleichtern.
Speicherzelle nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (16) in einem Spalt zwischen der Fase (13) und dem umgebogenen Rand (17) angeordnet ist.
Speicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (16) vollumfänglich um den Deckel (3) herum angeordnet ist.
Speicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Element (4) über zumindest einen der Stromkollektoren (5, 6) am Deckel (3) befestigt ist.
Speicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (3) und das Gehäuse (2) aus Metall bestehen.
Verfahren zur Herstellung einer Speicherzelle (1), insbesondere ausgebildet als Lithium-Ionen-Akkumulator, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Gehäuses (2) mit einem Boden (9) und einer mit dem Boden (9) fest verbundenen Mantelfläche (10), – Einsetzen eines elektrochemischen Elements (4) mit einem positiven Stromkollektor (5) und einem negativen Stromkollektor (6) in das Gehäuse (2), – Einsetzen eines Deckels (3), wobei eine umlaufende Seitenfläche (11) des Deckels (3) von der Mantelfläche (10) des Gehäuses (2) überdeckt ist und an zumindest einer Kante der umlaufenden Seitenfläche (11) eine Fase (13) ausgebildet ist, – Umbiegen eines Randes (17) der Mantelfläche (10) zur Fase (13) hin, und – Setzen einer Schweißnaht (16) zwischen die Fase (13) und den umgebogenen Rand (17) der Mantelfläche (10).