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Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine Batterie mit einer im Zellinneren angeordneten Elektrodenfolienanordnung, die von einer folienartigen Hülle umgeben ist, wobei zumindest ein Hohlraum als Unterdruckspeicher ausgebildet ist, welcher strömungstechnisch mit dem Zellinneren verbunden ist.
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Aus der
US 2004/0146777 A1 ist eine elektrochemische Einheit mit einer elektrochemischen Zelle bekannt, wobei die elektrochemische Zelle innerhalb eines ersten dichten Gehäuses angeordnet ist. Das erste dichte Gehäuse weist mindestens einen flexiblen Bereich auf. Dabei ist mindestens ein Hohlraum in dem ersten dichten Gehäuse ausgebildet, wobei der Hohlraum strömungstechnisch mit der elektrochemischen Zelle verbunden ist. Ein in dem ersten dichten Gehäuse vorherrschender Druck ist geringer als die Hälfte eines außerhalb des ersten dichten Gehäuses vorherrschenden Drucks.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Einzelzelle für eine Batterie anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Einzelzelle für eine Batterie weist eine im Zellinneren angeordnete Elektrodenfolienanordnung auf, die von einer folienartigen Hülle umgeben ist und elektrische Anschlüsse bildende Ableiter aus der Hülle herausgeführt sind, wobei zumindest ein Hohlraum als Unterdruckspeicher ausgebildet ist, welcher strömungstechnisch mit dem Zellinneren verbunden ist. Erfindungsgemäß ist ein formstabiler Hohlkörper vorgesehen, welcher den zumindest einen Hohlraum in Form einer Materialausnehmung aufweist, und der Hohlkörper ist im Bereich der Ableiter außerhalb der Einzelzelle angeordnet.
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Der Hohlkörper dient in besonders vorteilhafter Weise dazu, einer möglichen Verringerung des in der Hülle vorherrschenden Unterdruckes entgegenzuwirken. Eine Fixierung der Elektrodenfolienanordnung in der folienartigen Hülle erfolgt ausschließlich über den Unterdruck, so dass mittels des Hohlkörpers vorteilhaft erreichbar ist, dass Lagen der Elektrodenfolienanordnung mit einem vorgegebener Abstand zueinander durch den Unterdruck miteinander verpresst sind. Insbesondere ist der mittels des Hohlkörpers gebildete Unterdruckspeicher zur Sicherstellung der mechanischen Stabilität der Einzelzelle sowie zur Aufrechterhaltung der elektrischen Funktion der Einzelzelle vorgesehen.
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Zudem ist es möglich, die Lebensdauer der Einzelzelle durch Einsatz eines solchen formstabilen Hohlkörpers zu erhöhen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch in perspektivischer Ansicht eine Einzelzelle mit einem Hohlkörper,
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2 schematisch eine Explosionsdarstellung der Einzelzelle,
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3 schematisch in perspektivischer Ansicht eine stapelförmige Elektrodenfolienanordnung und elektrische Anschlüsse bildende Ableiter,
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4 schematisch in perspektivischer Ansicht die Elektrodenfolienanordnung mit befestigten elektrischen Anschlüssen und dem Hohlkörper,
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5 schematisch in perspektivischer Ansicht die Elektrodenfolienanordnung mit befestigten elektrischen Anschlüssen und dem an diesen angeordneten Hohlkörper,
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6 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle,
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7 schematisch ein vergrößerter Ausschnitt der Einzelzelle,
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8 schematisch eine perspektivische Ansicht des Hohlkörpers.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Einzelzelle 1, einer sogenannten Pouch- oder Coffee-Bag-Zelle für eine nicht näher dargestellte Batterie. Zur Bildung der Batterie ist eine Anzahl solcher Einzelzellen 1 elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet, wobei die Verschaltung über blechförmige Ableiter 2 als elektrische Anschlüsse der Einzelzelle 1 erfolgt.
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Insbesondere handelt es sich bei der Batterie um eine Fahrzeugbatterie für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug.
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Bei einer solchen Einzelzelle 1 handelt es sich um ein flaches weitestgehend rechteckförmiges Speicherelement für Elektroenergie, welches eine u. a. in 2 näher dargestellte Elektrodenfolienanordnung 3 in Form eines Elektrodenfolienstapels umfasst, der von einer folienartigen Hülle 1.1, insbesondere einer Kunststofffolie, umgeben ist. Aus der folienartigen Hülle 1.1 sind die blechförmigen Ableiter 2 als elektrische Anschlüsse der Einzelzelle 1 herausgeführt.
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Die Elektrodenfolienanordnung 3, die die Form des Stapels oder alternativ eines Wickels oder eine andere geeignete Form aufweist, umfasst Lagen aus Kathodenfolien und Anodenfolien, bei denen es sich um beschichtete Aluminium- und Kupferfolien handelt. Diese Kathodenfolien und Anodenfolien sind jeweils mittels eines sogenannten Separators räumlich getrennt und somit voneinander elektrisch isoliert.
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Beispielsweise kann die Elektrodenfolienanordnung 3 gebildet werden, indem die einzelnen Kathodenfolien und Anodenfolien sowie die Separatoren die ebenfalls folienartig ausgebildet sind, in einer vorgegebenen Reihenfolge aufeinander gestapelt werden, Bänder aus den einzelnen Folien flach gewickelt werden oder ein bandförmiger Separator in Z-Form gefaltet wird und die Kathodenfolien und Anodenfolien jeweils seitlich in die somit gebildeten Taschen einschoben werden.
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Zumindest in einem Randbereich sind die Kathodenfolien und Anodenfolien unbeschichtet und aus der Elektrodenfolienanordnung 3 herausgeführt, wobei diese unbeschichteten Bereiche von Folien einer Polarität miteinander verbunden werden. Diese miteinander verbundenen Bereiche werden als Stromableiterfahnen 3.1 mit den blechförmigen Ableitern 2 verbunden. D. h. über die Ableiter 2 als elektrische Anschlüsse wird Strom in die Einzelzelle 1 ein- und ausgeleitet.
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Die Elektrodenfolienanordnung 3 wird üblicherweise mit der folienartigen Hülle 1.1 umhüllt und es wird ein Elektrolyt eingefüllt. Anschließend wird die folienartige Hülle 1.1, die an einer Innenseite mit einem in den 6 und 7 gezeigten Thermoplast T beschichtet ist, bei wirkendem Unterdruck, z. B. mittels eines Heißpressvorgangs, welcher als Siegelung bezeichnet wird, verschlossen, wodurch eine Siegelnaht gebildet ist.
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Eine mechanische Fixierung der wenig formstabilen und dadurch vergleichsweise empfindlichen Einzelzellen 1 zur Bildung eines Zellblockes erfolgt im Allgemeinen mittels nicht gezeigten Rahmen, die entweder zwischen zwei Einzelzellen 1 angeordnet sind oder jeweils eine Einzelzelle 1 randseitig umschließen. Dazu ist der Rahmen aus zwei Halbrahmen gebildet.
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Die Rahmen mit den Einzelzellen 1, welche den Zellblock bilden, werden anschließend durch axial angeordnete Spannmittel verpresst, wobei die Einleitung von Spannkräften in den Zellblock durch endseitig angeordnete Druckbrillen erfolgt. Die Rahmen üben dabei auf den umlaufenden Randbereich der Einzelzellen 1, also auf den mittels der folienartigen Hülle 1.1 gebildeten Randbereich Druck aus, wobei dadurch, dass die Fixierung der jeweiligen Einzelzelle 1 im Wesentlichen kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig erfolgt, Reibungskräfte zwischen der Einzelzelle 1 und dem Rahmen auftreten können.
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Da die Einzelzellen 1 mittels des Rahmens weitestgehend nur über ihren Randbereich gehalten werden, erfolgt eine Fixierung der im Zellinneren angeordneten Elektrodenfolienanordnung 3 kraft- und formschlüssig durch die unter Wirkung des Luftdruckes anliegende folienartige Hülle 1.1, wobei wie oben beschrieben, im Zellinneren ein Unterdruck wirkt.
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Verringert sich die Wirkung des Unterdruckes in der Einzelzelle 1, beispielsweise aufgrund von gasendem Inhalt, ausdampfendem Elektrolyt und/oder geringfügigen Undichtigkeiten, dann besteht die Gefahr, dass sich bei mechanischer Schwinglast die einzelnen Lagen der Elektrodenfolienanordnung 3 gegeneinander und/oder die Elektrodenfolienanordnung 3 gegenüber der Hülle 1.1 bewegen bzw. bewegt. Dadurch kann die Einzelzelle 1 beschädigt und sogar zerstört werden.
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Zudem kann durch die sich verringernde Wirkung des Unterdruckes in der Einzelzelle 1 die für die elektrische Funktion der Einzelzelle 1 wichtige Verpressung der Lagen der Elektrodenfolienanordnung 3 und der zwischen den Lagen vorgegebenen eingestellten Abstände nicht mehr sichergestellt werden.
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Um das Risiko der Verringerung des in der Einzelzelle 1 vorherrschenden Unterdruckes zumindest vermindern zu können, ist vorgesehen, einen in den folgenden Figuren näher gezeigten Hohlkörper 4 als Unterdruckspeicher an der Einzelzelle 1 anzuordnen.
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In 2 ist eine Explosionsdarstellung einer Einzelzelle 1 mit einem solchen Hohlkörper 4 in perspektivischer Ansicht dargestellt.
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Im Detail zeigt die 2 die stapelförmige Elektrodenfolienanordnung 3 mit an einer Seite 3.2 gebildeten Stromableiterfahnen 3.1 und den blechförmigen Ableitern 2 als die elektrischen Anschlüsse, zwei die Hülle 1.1 bildenden Folienabschnitte sowie den Hohlkörper 4.
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Der Hohlkörper 4 weist Abmessungen auf, die im Wesentlichen den Abmessungen dieser Seite 3.2 der Elektrodenfolienanordnung 3 entsprechen, so dass sich der Hohlkörper 4 weitestgehend über die gesamte Fläche der Seite 3.2 erstreckt.
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Der Hohlkörper 4, welcher aus einem elektrisch isolierenden und elektrolytbeständigen Material, vorzugsweise Polypropylen und/oder Polyethylen als Kunststoffe und/oder Keramik gebildet ist, weist zwei Aussparungen 4.1 auf, die mit den Stromableiterfahnen 3.1 derart korrespondieren, dass die Stromableiterfahnen 3.1 in die Aussparungen 4.1 einführbar sind. Darüber hinaus ist eine Anzahl von Materialausnehmungen 4.2 als Hohlräume in den Hohlkörper 4 eingebracht, die nicht durchgängig ausgebildet sind und im zusammengesetzten Zustand der Einzelzelle 1 in Richtung der Elektrodenfolienanordnung 3 zeigend angeordnet sind. Dabei bilden die Materialausnehmungen 4.2 den Unterdruckspeicher der Einzelzelle 1.
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Ist der Hohlkörper 4 ausschließlich aus Kunststoff gebildet, ist der Hohlkörper 4 vorzugsweise in einem Spritzgussverfahren herstellbar.
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Die 3 zeigt die Elektrodenfolienanordnung 3 mit den Stromableiterfahnen 3.1 und die daran stoffschlüssig zu befestigenden Ableiter 2 in einer perspektivischen Ansicht. Die Ableiter 2 werden in einem Schweißverfahren an den Stromableiterfahnen 3.1 befestigt.
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In 4 ist die Elektrodenfolienanordnung 3 mit den an die Stromableiterfahnen 3.1 geschweißten Ableitern 2 und der Hohlkörper 4 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Bevorzugt sind die Ableiter 2 mittels Ultraschallschweißens an den Stromableiterfahnen 3.1 befestigt.
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Dabei ist der Bereich, in welchem der jeweilige Ableiter 2 an eine der Stromableiterfahnen 3.1 geschweißt ist, d. h. die Schweißnaht S mittels gestrichelter Linie hervorgehoben dargestellt. Der Hohlkörper 4 ist vor einem Aufstecken auf die Ableiter 2 gezeigt. Die Ableiter 2 sind an den Stromableiterfahnen 3.1 befestigt, wobei die Schweißnaht S rau und/oder teilweise scharfkantig sein kann.
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5 zeigt die Elektrodenfolienanordnung 3 mit Ableitern 2 und den auf diese aufgeschobenen Hohlkörper 4, welcher bei unter Wirkung von Unterdruck fest an die Seite 3.2 der Elektrodenfolienanordnung 3 gepresst wird, wobei die Ableiter 2 den Hohlkörper 4 zentrieren. Der Hohlkörper 4 ist also durch den wirkenden Unterdruck an der Elektrodenfolienanordnung 3 befestigt. Zusätzlich kann vorgesehen sein, den Hohlkörper 4 z. B. mittels Warmnietung o. ä. mit den Ableitern 2 zu verbinden. Die Schweißnaht S ist durch den Hohlkörper 4 abgeschirmt und verdeckt, wodurch die Gefahr eines Beschädigens der Hülle 1.1 durch die teilweise scharfkantige Schweißnaht S im Wesentlichen ausgeschlossen werden kann.
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Anschließend werden die beiden die Hülle 1.1 bildenden Folienabschnitte an der Elektrodenfolienanordnung 3 angeordnet und unter Wirkung von Unterdruck vorzugsweise in einem Heißpressverfahren, einer sogenannten Siegelung stoffschlüssig aneinander befestigt, so dass die Elektrodenfolienanordnung 3 vollständig von der Hülle 1.1 umgeben ist.
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Die 6 und 7 zeigen eine Schnittdarstellung der Einzelzelle 1, wobei in 7 ein vergrößerter Ausschnitt eines Bereiches mit Hohlkörper 4 und Ableiter 2 dargestellt ist.
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Insbesondere zeigen die 6 und 7 die der Elektrodenfolienanordnung 3 zugewandten Materialausnehmungen 4.2 des Hohlkörpers 4 und die Schweißnaht S zwischen Stromableiterfahne 3.1 und Ableiter 2. Zudem ist die Aussparung 4.1, durch welche die Stromableiterfahne 3.1 durch den Hohlkörper 4 geführt ist, dargestellt.
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Ebenfalls ist gezeigt, wie die Folienabschnitte der Hülle 1.1 mittels des Thermoplasts T an dem Ableiter 2 befestigt sind.
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8 zeigt den Hohlkörper 4 zur Unterdruckspeicherung in einer perspektivischen Ansicht, wobei die Aussparungen 4.1 zur Aufnahme der Ableiter 2 und die Materialausnehmungen 4.2 dargestellt sind, der Hohlkörper 4 also von der der Elektrodenfolienanordnung 3 zugewandten Seite gezeigt ist.
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Um im Wesentlichen ausschließen zu können, dass der Hohlkörper 4 unter Wirkung des Unterdruckes zusammengedrückt wird, sind die Materialausnehmungen 4.2 hinreichend klein ausgebildet, bzw. ist der Höhlkörper 4 mittels durch Ausbildung der Materialausnehmungen 4.2 gebildeter Rippen und Streben versteift. Somit ist der Hohlkörper 4 verhältnismäßig formstabil ausgebildet.
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Neben der Funktion der Materialausnehmungen 4.2 als Unterdruckspeicher können diese auch als Reservoir für freien in die Einzelzelle 1 eingefüllten Elektrolyt verwendet werden.
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Mittels des Hohlkörpers 4 als Unterdruckspeicher ist eine Lösung angegeben, mittels welcher ein Bauraumbedarf der Batterie, deren Bestandteil eine solche Einzelzelle 1 ist, nicht erhöht ist, da zwischen einem Rand der Elektrodenfolienanordnung 3 und einem Rand der Hülle 1.1 ohnehin Platzbedarf für die Stromableiterfahnen 3.1 und die Fügestelle in Form der Schweißnaht S erforderlich ist. Eine Aufdickung im Bereich des Ableiters 2 durch den aufgeschobenen Hohlkörper 4 beeinflusst den Bauraumbedarf der Batterie dennoch nicht.
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Ist die Einzelzelle 1 derart ausgebildet, dass die die elektrischen Anschlüsse bildenden Ableiter 2 an verschiedenen Seiten der Einzelzelle 1 angeordnet sind, werden vorzugsweise zwei Hohlkörper 4 verwendet, so dass ein Hohlkörper 4 für einen Ableiter 2 vorgesehen ist. Diese zwei Hohlkörper 4 sind entsprechend ausgebildet und ausgeformt und können über zumindest eine Querstrebe miteinander verbunden sein.
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Mittels des Hohlkörpers 4 ist ein Unterdruckspeicher zur Verfügung gestellt, so dass die mechanische Stabilität und die elektrische Funktion der Einzelzelle 1, beispielsweise bei Gasbildung im Zellinneren weitestgehend sichergestellt werden kann, ohne den Bauraumbedarf der Einzelzelle 1 zu erhöhen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einzelzelle
- 1.1
- Hülle
- 2
- Ableiter
- 3
- Elektrodenfolienanordnung
- 3.1
- Stromableiterfahne
- 3.2
- Seite
- 4
- Hohlkörper
- 4.1
- Aussparung
- 4.2
- Materialausnehmung
- T
- Thermoplast
- S
- Schweißnaht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2004/0146777 A1 [0002]
