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Stand der Technik
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Akkumulatorzellen werden in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. Bekannt ist beispielsweise der mobile Einsatz von Akkumulatorzellen in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, insbesondere Elektrokraftfahrzeugen und Hybridelektrokraftfahrzeugen, um mit den Akkumulatorzellen elektrische Antriebseinrichtungen der Kraftfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen. Des Weiteren sind mobile Anwendungen von Akkumulatorzellen unter anderem im Verbraucher-Bereich, beispielsweise in Laptops, Mobiltelefonen, MP3-Playern und ähnlichem, bekannt. Daneben werden Akkumulatorzellen auch stationär, beispielsweise in Windkraftanlagen, eingesetzt. Für diese nicht abschließend aufgezählten Anwendungen werden an Akkumulatorzellen sehr hohe Anforderungen bezüglich ihrer Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt.
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Eine Akkumulatorzelle weist ein gasdichtes Gehäuse auf, in dem eine galvanische Zelle angeordnet ist. Die galvanische Zelle umfasst entgegengesetzt gepolte Elektroden und einen Elektrolyten, welcher eine Einlagerung (Interkalation) und eine Auslagerung (Deinterkalation) von Ionen in die bzw. aus den Elektroden möglich macht. Bei Verwendung einer Elektrolyt enthaltenden Flüssigkeit ist an dem Gehäuse eine Einfüllöffnung vorgesehen, um das Gehäuse mit der Elektrolytflüssigkeit befüllen zu können. Nach einer solchen Befüllung des Gehäuses muss die Einfüllöffnung gasdicht verschlossen werden, was beispielsweise durch die Anordnung einer Metallkugel oder eines Metallplättchens an der Einfüllöffnung erfolgt.
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Das Gehäuse einer Akkumulatorzelle umfasst üblicherweise einen die galvanische Zelle aufnehmenden Aufnahmekörper (sogenannte „can“) und einen den Aufnahmekörper verschließenden Deckel (sogenannte „cap plate“), wobei der Deckel bei der Herstellung einer entsprechenden Akkumulatorzelle für gewöhnlich luftdicht mit dem Aufnahmekörper verschweißt wird. Die oben genannte Einfüllöffnung kann an dem Deckel durch Stanzen oder Bohren ausgebildet sein.
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Die galvanische Zelle reagiert, insbesondere bei Lithium-Ionen-Akkumulatorzellen, empfindlich auf Kontakt mit äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Luft oder Feuchtigkeit, und muss daher so gut wie möglich gegen diese Einflüsse geschützt werden. Sollte Luft oder Feuchtigkeit dennoch in eine Akkumulatorzelle eindringen, hervorgerufen beispielsweise durch eine unfallbedingte mechanische Beschädigung der Akkumulatorzelle, kann es zu einer Überspannung und infolgedessen zu einer Überhitzung der Akkumulatorzelle kommen. Auch durch eine elektrische Beschädigung einer Akkumulatorzelle, bedingt beispielsweise durch eine elektrische Überladung der Akkumulatorzelle oder einen internen oder externen elektrischen Kurzschluss, kann es zu einer Überhitzung der Akkumulatorzelle kommen.
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Bei derartigen Beschädigungen einer Akkumulatorzelle kann es zu einer Gasentwicklung innerhalb des Gehäuses der Akkumulatorzelle kommen. Hierdurch steigt der Druck im Gehäuse der Akkumulatorzelle. Damit die Akkumulatorzelle bei einem derartigen thermischen Durchgehen (sogenannter „thermal runaway“) nicht explodiert, ist es bekannt, an dem Gehäuse ein Sicherheitsventil, beispielsweise eine Berstscheibe aus einem geprägten Aluminiumblech oder eine durch eine Prägung hervorgerufene Materialschwächung, anzuordnen, welches bei einem Auftreten eines bestimmten Innendrucks in dem Gehäuse öffnet. Hierdurch können Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten kontrolliert aus dem Gehäuse der Akkumulatorzelle entweichen, so dass der Druck in dem Gehäuse abgebaut wird. Dieser Vorgang ist auch unter dem Begriff „Entgasung“ bekannt.
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Die bei geöffnetem Abblasventil aus dem Gehäuse der Akkumulatorzelle austretenden Flüssigkeiten, Dämpfe oder Gase können unzersetzte Elektrolytkomponenten, wie beispielsweise Dimethylcarbonat (DMC) oder Ethylencarbonat (EC), oder auch leicht entzündliche Zersetzungsprodukte, wie Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2) oder Methan (CH4), enthalten. Des Weiteren können Zersetzungsprodukte des in dem Gehäuse vorhandenen Leitsalzes, wie Fluorwasserstoff (HF) oder phosphorhaltige Verbindungen, wie Phosphoroxytrifluorid (POF3), in den Flüssigkeiten, Dämpfen oder Gasen enthalten sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist ein Gehäuse für eine Akkumulatorzelle, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatorzelle, wobei das Gehäuse wenigstens ein Sicherheitsventil aufweist, gekennzeichnet durch wenigstens einen an dem Gehäuse angeordneten nach außen weisenden Gehäusevorsprung, in dem ein mit dem Inneren des Gehäuses fluidleitend verbundener Kanal angeordnet ist, der unter Ausbildung des Sicherheitsventils gasdicht verschlossen ist.
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Als Akkumulatorzelle kommt im Rahmen der Erfindung beispielsweise eine Lithium-Ionen-Akkumulatorzelle, eine Nickel-Metall-Hybrid-Akkumulatorzelle oder eine Lithium-Metall-Polymer-Akkumulatorzelle in Betracht.
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Der in dem Gehäusevorsprung angeordnete mit dem Inneren des Gehäuses fluidleitend verbundene Kanal kann vor seiner gasdichten Verschließung als Einfüllöffnung für die Befüllung des Gehäuses mit einer Elektrolytflüssigkeit genutzt werden. Es ist nicht erforderlich, eine gesonderte Einfüllöffnung an dem Gehäuse, insbesondere an dessen Deckel, anzuordnen, welche nach der Befüllung des Gehäuses gasdicht zu verschließen ist. Hierdurch können Herstellungsschritte zur Ausbildung einer solchen gesonderten Einfüllöffnung an dem Gehäuse entfallen. Ist keine solche gesonderte Einfüllöffnung an dem Gehäuse vorhanden, muss auch keine gesonderte Einfüllöffnung gasdicht verschlossen werden, was die Herstellung eines entsprechenden Gehäuses vereinfacht. Muss keine gesonderte Einfüllöffnung gasdicht verschlossen werden, sind auch keine zusätzlichen Bauteile erforderlich, mit denen eine solche gesonderte Einfüllöffnung gasdicht verschlossen werden könnte.
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Das gasdichte Verschluss des in dem Gehäusevorsprung angeordneten Kanals ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass durch ihn an dem Gehäusevorsprung ein Sicherheitsventil ausgebildet wird, über das im Falle einer Beschädigung einer entsprechend ausgebildeten Akkumulatorzelle eine Entgasung der Akkumulatorzelle erfolgen kann. Der Verschluss des Kanals stellt somit eine Schwachstelle des Gehäuses dar, an der sich das Gehäuse ab dem Erreichen eines bestimmten Innendrucks zur Druckentlastung und Entgasung öffnet. Der Gehäusevorsprung kann also zum Befüllen des Gehäuses mit einer Elektrolytflüssigkeit und zudem zur Entgasung einer entsprechend ausgestatteten Akkumulatorzelle verwendet werden. Er weist also zwei Funktionen auf, was mit einer einfacheren Herstellung eines entsprechenden Gehäuses bzw. einer entsprechend ausgebildeten Akkumulatorzelle unter Verwendung von wenigen Bauteilen verbunden ist.
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Dadurch, dass der Gehäusevorsprung bezüglich des Inneren des Gehäuses nach außen weißt, ist die Austrittsöffnung des Gehäusevorsprungs, aus der bei einer Entgasung einer entsprechend ausgebildeten Akkumulatorzelle Flüssigkeiten, Gase und Dämpfe entweichen können, beabstandet zu der übrigen Oberfläche des Gehäuses angeordnet, so dass aus der Austrittsöffnung austretende Flüssigkeiten, Gase und Dämpfe nicht unmittelbar in Richtung von weiteren Komponenten einer entsprechend ausgebildeten Akkumulatorzelle abgeblasen werden, wodurch insbesondere die Gefahr einer Entzündung von austretenden, leicht entzündlichen Stoffen und Stoffgemischen vermindert wird. Stattdessen werden bei dem erfindungsgemäßen Gehäuse aus dem Gehäusevorsprung austretende Flüssigkeiten, Gase und Dämpfe erst in einem vorgebbaren Abstand vom übrigen Gehäuse freigesetzt und kommen daher nicht in Kontakt mit weiteren Komponenten der Akkumulatorzelle.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kanal durch Umformen von zumindest einem Teil des Gehäusevorsprungs gasdicht verschlossen. Als Verfahren zum Umformen kommt beispielsweise Quetschen, Prägen oder Bördeln in Betracht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kanal durch eine stoffschlüssige Verbindung zumindest von Teilen des Gehäusevorsprungs gasdicht verschlossen. Die stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch Anwendung eines Schweißverfahrens, insbesondere Ultraschallschweißen, Laserschweißen, Wolfram-Inertgas-Schweißen, oder eines Lötverfahrens erzeugt werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Gehäuse einen becherartig ausgebildeten Aufnahmekörper mit einer Aufnahmeöffnung und einen die Aufnahmeöffnung verschließenden Deckel auf, wobei der Gehäusevorsprung durch zwei miteinander verbundene Gehäuseabschnitte gebildet ist, wobei ein Gehäuseabschnitt durch einen Randabschnitt des Aufnahmekörpers und der andere Gehäuseabschnitt durch einen Randabschnitt des Deckels gebildet ist, wobei der Kanal durch eine Nut in dem Randabschnitt des Aufnahmekörpers und/oder eine Nut in dem Randabschnitt des Deckels gebildet ist. Der Aufnahmekörper und der Deckel werden hierzu entsprechend vorgefertigt, so dass nach der üblichen Verbindung des Deckels mit dem Aufnahmekörper automatisch der Gehäusevorsprung mit dem Entgasungskanal ausgebildet wird, wobei der Entgasungskanal anschließend gasdicht verschlossen werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Deckel eben ausgebildet ist, wobei sich der Gehäusevorsprung parallel zu dem Deckel erstreckt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Deckel eben ausgebildet ist, wobei sich der Gehäusevorsprung quer zu dem Deckel erstreckt. Hierdurch können bei geöffnetem Sicherheitsventil in dem Gehäuse einer entsprechend ausgebildeten Akkumulatorzelle entstehende Gase, insbesondere bei Akkumulatorzellen mit gewickeltem Elektrodenensemble, leichter aus dem Gehäuse entweichen, da sie nicht so weit entlang der dem Inneren des Gehäuses zugewandten Innenseite des Deckels in Richtung des Sicherheitsventils strömen müssen, wie es im Falle der parallelen Anordnung von Deckel und Erstreckung des Gehäusevorsprungs gegeben ist.
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Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren eine Akkumulatorzelle, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatorzelle, gekennzeichnet durch ein Gehäuse nach einer der vorgenannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben. Hiermit sind die oben mit Bezug auf das Gehäuse genannten Vorteile verbunden.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen
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1a: eine schematische Teildarstellung eines Querschnitts durch ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Akkumulatorzelle vor dem gasdichten Verschließen des Kanals,
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1b: eine schematische Darstellung des in 1a gezeigten Ausführungsbeispiels von oben vor dem gasdichten Verschließen des Kanals,
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1c: eine schematische Darstellung des in 1a gezeigten Ausführungsbeispiels von oben nach dem gasdichten Verschließen des Kanals mittels eines Lötverfahrens,
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2a: eine schematische Teildarstellung eines Querschnitts durch ein weiteres Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Akkumulatorzelle vor dem gasdichten Verschließen des Kanals,
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2b: eine schematische Darstellung des in 2a gezeigten Ausführungsbeispiels von links vor dem gasdichten Verschließen des Kanals,
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2c: eine schematische Teildarstellung eines Querschnitts durch das in 2a gezeigte Ausführungsbeispiel nach dem gasdichten Verschließen des Kanals mittels eines Umformverfahrens,
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2d: eine schematische Darstellung des in 2a gezeigten Ausführungsbeispiels von links nach dem gasdichten Verschließen des Kanals mittels eines Lötverfahrens, und
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2e: eine schematische Darstellung des in 2a gezeigten Ausführungsbeispiels von links nach dem gasdichten Verschließen des Kanals mittels eines Umformverfahrens.
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1a zeigt eine schematische Teildarstellung eines Querschnitts durch ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Akkumulatorzelle 1 in Form einer Lithium-Ionen-Akkumulatorzelle. Die Akkumulatorzelle 1 weist ein Gehäuse 2 auf. Das Gehäuse 2 umfasst einen becherartig ausgebildeten Aufnahmekörper 3 mit einer Aufnahmeöffnung 4 und einen die Aufnahmeöffnung 4 verschließenden, eben ausgebildeten Deckel 5. An dem Deckel 5 sind die elektrischen Anschlusspole 6 der Akkumulatorzelle 1 angeordnet. Zwischen den elektrischen Anschlusspolen 6 und dem Deckel 5 sind jeweils elektrische Isolierungen 7 angeordnet.
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An dem Gehäuse 2 ist ein nach außen weisender Gehäusevorsprung 8 angeordnet, in dem ein mit dem Inneren 9 des Gehäuses 2 fluidleitend verbundener Kanal 10 angeordnet ist. Der Gehäusevorsprung 8 ist durch zwei miteinander verbundene Gehäuseabschnitte 11 und 12 gebildet, wobei ein Gehäuseabschnitt 12 durch einen Randabschnitt des Aufnahmekörpers 3 und der andere Gehäuseabschnitt 11 durch einen Randabschnitt des Deckels 5 gebildet ist. Der Gehäusevorsprung 8 erstreckt sich quer zu dem Deckel 5. Der Kanal 10 ist in 1a noch nicht gasdicht verschlossen.
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1b zeigt eine schematische Darstellung des in 1a gezeigten Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Akkumulatorzelle 1 von oben. Es ist zu erkennen, dass der Kanal 10 durch an den beiden Randabschnitten 11 und 12 angeordnete Nuten gebildet ist, die auf den einander zugewandten Seiten der Gehäuseabschnitte 11 und 12 angeordnet sind.
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1c zeigt eine schematische Darstellung des in 1a gezeigten Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Akkumulatorzelle 1 von oben nach dem gasdichten Verschließen des Kanals 10. Die Darstellung in 1c entspricht der in 1b gezeigten Darstellung. Der Kanal 10 ist mittels einer stoffschlüssigen Verbindung von Teilen des Gehäusevorsprungs 8 unter Ausbildung eines Sicherheitsventils gasdicht verschlossen. Hierzu wurde ein Lot 13 in den Kanal 10 eingebracht, welches unter Verwendung eines Lötverfahrens stoffschlüssig mit den Gehäuseabschnitten 11 und 12 verbunden ist.
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2a zeigt eine schematische Teildarstellung eines Querschnitts durch ein weiteres Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Akkumulatorzelle 1 vor dem gasdichten Verschließen des Kanals 10. Im Unterschied zu dem in den 1a bis 1c gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich in 2a der Gehäusevorsprung 8 parallel zu dem Deckel 5.
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2b zeigt eine schematische Darstellung des in 2a gezeigten Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Akkumulatorzelle 1 von links vor dem gasdichten Verschließen des Kanals 10.
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2c zeigt eine schematische Teildarstellung eines Querschnitts durch das in 2a gezeigte Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Akkumulatorzelle 1 nach dem gasdichten Verschließen des Kanals 10, in dem der dem Inneren des Gehäuses 2 abgewandte Endabschnitt des Gehäusevorsprungs 8 gebördelt worden ist. Der Kanal 10 wird hierbei somit durch Umformen von zumindest einem Teil des Gehäusevorsprungs 10 gasdicht verschlossen.
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2d zeigt eine schematische Darstellung des in 2a gezeigten Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Akkumulatorzelle 1 von links nach dem gasdichten Verschließen des Kanals mittels eines Lötverfahrens. Der Kanal 10 wird hierbei durch eine stoffschlüssige Verbindung von Teilen des Gehäusevorsprungs 10 gasdicht verschlossen.
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2e zeigt eine schematische Darstellung des in 2a gezeigten Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Akkumulatorzelle 1 von links nach dem gasdichten Verschließen des Kanals 10 mittels Prägen. Der Kanal wird hierbei somit durch Umformen von zumindest einem Teils des Gehäusevorsprungs 10 gasdicht verschlossen.
