DE102014018748A1 - Einzelzelle und Verfahren zur Herstellung einer solchen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle (1) für eine elektrische Batterie mit einem Zellgehäuse (2), in welchem eine Elektrodenanordnung (3) angeordnet ist und das Zellgehäuse (2) mittels eines Deckels (6) verschlossen ist, wobei zumindest ein mit der Elektrodenanordnung (3) gekoppelter elektrischer Pol (5) mittels zumindest eines Dichtelementes (7, 8, 12) elektrisch isoliert und umlaufend abgedichtet durch den Deckel (6) geführt ist. Erfindungsgemäß ist das Dichtelement (12) zumindest stoffschlüssig mit dem Pol (5) und dem Deckel (6) verbunden, wobei eine Verbindungsfläche zwischen dem Dichtelement (12) und dem Pol (5) sowie zwischen dem Dichtelement (12) und dem Deckel (6) in einer Ebene angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Einzelzelle (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine elektrische Batterie mit einem Zellgehäuse, in welchem eine Elektrodenanordnung angeordnet ist und das Zellgehäuse mittels eines Deckels verschlossen ist, wobei zumindest ein mit der Elektrodenanordnung gekoppelter elektrischer Pol mittels zumindest eines Dichtelementes elektrisch isoliert und umlaufend abgedichtet durch den Deckel geführt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Einzelzelle.
  • Hochvoltbatterien für Fahrzeuganwendungen umfassen eine Anzahl von seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen, welche mit einer zugehörigen Elektronik und Temperiervorrichtung in einem Gehäuse angeordnet sind. Im Inneren einer Einzelzelle befindet sich ein elektrochemisch aktiver Teil in Form einer Elektrodenanordnung. An zumindest einem Rand der als Elektrodenfolienanordnung ausgeführten Elektrodenanordnung sind Bestandteile unbeschichtet aus der Elektrodenanordnung herausgeführt und ragen von dieser ab. Umfasst die Einzelzelle ein metallisches Zellgehäuses, bildet dieses einen elektrischen Pol der Einzelzelle, wobei unbeschichtete Bestandteile der Elektrodenanordnung zumindest einer Polarität mit einem Kollektor als ein ins Innere der Einzelzelle ragender Teil eines weiteren elektrischen Pols verbunden sind. Das Zellgehäuse ist mit einem Deckel verschlossen, durch den der eine elektrische Pol oder bei einem nichtmetallischen Gehäuse beide elektrische Pole elektrisch isoliert geführt sind. Eine elektrisch vom Zellgehäuse isolierte Poldurchführung wird üblicherweise mittels Verpressung abgedichtet, wobei die Poldurchführung aus zumindest zwei Teilen gebildet ist, die miteinander verbunden sind und Kunststoffdichtungen verpressen.
  • Aus der US20120003528A1 sind eine elektrische quaderförmige Einzelzelle und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Einzelzelle bekannt. Elektrodenanschlüsse der Einzelzelle sind elektrisch isoliert und abgedichtet durch einen Deckel der Einzelzelle geführt. Der Deckel weist nach oben ragende Vorsprünge mit jeweils einem Durchgangsloch auf, wobei sich die Vorsprünge in von der Einzelzelle abgewandter Richtung hin verjüngen. Durch ein Durchgangsloch ragt jeweils ein Elektrodenanschluss der Einzelzelle. Ein zwischen dem Vorsprung und dem Elektrodenanschluss verbleibender Spalt ist mittels eines Kunststoffbandes gefüllt, welches mittels Wärmezufuhr mit einer Innenseite des Vorsprunges und einer Außenseite des Elektrodenanschlusses verbunden wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Einzelzelle für eine elektrische Batterie und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer solchen Einzelzelle anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Einzelzelle durch die in Anspruch 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 8 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Eine Einzelzelle für eine elektrische Batterie umfasst ein Zellgehäuse, in welchem eine Elektrodenanordnung angeordnet ist und das Zellgehäuse mittels eines Deckels verschlossen ist, wobei zumindest ein mit der Elektrodenanordnung gekoppelter elektrischer Pol mittels zumindest eines Dichtelementes elektrisch isoliert und umlaufend abgedichtet durch den Deckel geführt ist. Erfindungsgemäß ist das Dichtelement zumindest stoffschlüssig mit Pol und dem Deckel verbunden, wobei eine Verbindungsfläche zwischen dem Dichtelement und dem Pol sowie zwischen dem Dichtelement und dem Deckel in einer Ebene angeordnet ist.
  • Dadurch, dass die Verbindungsfläche in der einen Ebene angeordnet ist, ist das stoffschlüssige Verbinden zwischen dem Pol und dem Dichtelement sowie zwischen dem Deckel und dem Dichtelement verhältnismäßig einfach. Die Verbindungsfläche verläuft in der einen Ebene, so dass der Deckel im Polbereich abgedichtet und elektrisch isoliert ist, wobei ein Aufwand zur Herstellung von Bestandteilen der Einzelzelle sowie ein Aufwand zur Herstellung der Einzelzelle selbst verringert ist.
  • Das Dichtelement ist mehrlagig ausgebildet und umfasst zumindest eine Lage eines partiell aufschmelzbaren Materials, wobei das Dichtelement zumindest abschnittsweise zwischen dem elektrischen Pol und dem Deckel angeordnet ist und den elektrischen Pol mit dem Deckel stoffschlüssig verbindet, wobei eine Verbindungsfläche zwischen dem Pol und dem Deckel in einer Ebene angeordnet ist.
  • Darüber hinaus ist eine Bauhöhe der Einzelzelle in Richtung einer Hochachse im Vergleich zu der aus der US20120003528A1 bekannten Einzelzelle vermindert, da der Deckel nicht mit den angeordneten Vorsprüngen versehen ist.
  • Weiterhin sind fertigungsbedingte Bauteiltoleranzen in Bezug auf eine Poldurchführung mittels des mehrlagig ausgebildeten Dichtelementes verbessert ausgleichbar.
  • In einer möglichen Ausführungsform ist das Dichtelement dreilagig ausgebildet, wobei äußere Lagen eine niedrigere Schmelztemperatur aufweisen als eine mittlere Lage. Dadurch ist es möglich, dass Dichtelement zwischen zwei Bestandteilen der Poldurchführung anzuordnen und mit diesen stoffschlüssig zu verbinden, so dass die beiden Bestandteile, insbesondere der elektrische Pol und der Deckel mittels des Dichtelementes miteinander verbunden sind.
  • Dazu sind die äußeren Lagen des Dichtelementes zur stoffschlüssigen Verbindung des elektrischen Pols und des Deckels zumindest partiell aufschmelzbar, wodurch sich das Dichtelement mit dem Pol und dem Deckel stoffschlüssig verbindet und diese somit aneinander befestigbar sind.
  • Eine Weiterbildung sieht vor, dass die äußeren Lagen aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet sind. Die beiden äußeren Lagen dienen insbesondere der stoffschlüssigen Verbindung zwischen elektrischem Pol und Deckel, wobei zumindest die mittlere Lage bevorzugt zur Einstellung eines zur elektrischen Isolation erforderlichen Abstandes zwischen dem elektrischen Pol und dem Deckel dient.
  • In einer Ausbildung ist mittels des über die Verbindungsfläche überstehenden Materials des Dichtelementes eine Luft- und Kriechstrecke zwischen dem Pol und dem Deckel gebildet, wobei diese Luft- und Kriechstrecke zur elektrischen Isolation des Pols gegenüber dem elektrisch neutralen Deckel dient.
  • In einer bevorzugten Ausbildung bestehen die äußeren Lagen aus Polyphthalamid, wobei die mittlere Lage bevorzugt aus einer Kunststofffolie und/oder einem Vlies gebildet ist. Besonders bevorzugt sind die beiden äußeren Lagen aus Polyphthalamid gebildet, da es sich bei diesem Kunststoff insbesondere um einen elektrolytbeständigen Kunststoff handelt. Sollte also die Gefahr des Kontaktes zwischen dem Dichtelement und einem in das Zellgehäuse eingefüllten Elektrolyts bestehen, so kann im Wesentlichen sichergestellt werden, dass der elektrische Pol mittels der mittleren Lage des Dichtelementes dennoch gegenüber dem Deckel elektrisch isoliert und der Deckel abgedichtet ist.
  • Zur Verbesserung der stoffschlüssigen Verbindung des Deckels mit dem elektrischen Pol sind bzw. ist der Deckel und/oder der elektrische Pol in einer weiteren Ausbildung zumindest im Bereich des elektrisch isolierenden Dichtelementes mit einer zur Oberflächenaktivierung ausgebildeten Schicht und/oder Strukturierung versehen.
  • In einer weiteren Ausbildung umfasst der elektrische Pol einen in das Zellgehäuse hineinragenden einteilig mit dem Pol ausgebildeten Kollektor, der zumindest stoffschlüssig mit Stromableiterfahnen der Elektrodenanordnung verbunden ist. Der Kollektor ist einteilig mit dem elektrischen Pol der Einzelzelle ausgebildet, wodurch eine Anzahl von Bauteilen der Einzelzelle verringert ist.
  • In einer möglichen Weiterbildung der Einzelzelle weist das Dichtelement im zumindest abschnittsweise auf dem Deckel angeordneten Zustand in einem vorgegeben Bereich eine geringere Dicke zur Bildung einer Sollbruchstelle auf, so dass das Dichtelement als Berstmembran dient. Diese mittels des Dichtelementes gebildete Berstmembran stellt ein Überdruckventil dar, welches sich bei Erreichen eines unzulässig hohen Zellinnendruckes öffnet.
  • Zudem kann aufgrund der Schmelztemperaturen der Lagen des Dichtelementes sichergestellt werden, dass sich das Dichtelement bei Erreichen einer vorgebbaren Temperatur, insbesondere einer unzulässig hohen Temperatur der Einzelzelle öffnet.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Einzelzelle, wobei das mehrlagig ausgebildete und zumindest eine Lage mit einem partiell aufschmelzbaren Material umfassende Dichtelement zumindest abschnittsweise zwischen dem elektrischen Pol und dem Deckel angeordnet wird und der elektrische Pol mittels des Dichtelementes mit dem Deckel stoffschlüssig verbunden wird.
  • Eine Ausführung des Verfahrens sieht vor, dass der Deckel und/oder der elektrische Pol zumindest im Bereich des elektrisch isolierenden Dichtelementes mit einer zur Oberflächenaktivierung ausgebildeten Schicht und/oder Strukturierung versehen werden bzw. wird. Dadurch kann die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem elektrischen Pol und dem Deckel der Einzelzelle verbessert werden.
  • In einer weiteren Ausführung werden die äußeren Lagen des Dichtelementes mittels zumindest eines beheizten Stempels und/oder mittels hochfrequenter Reibung in der einen Ebene partiell aufgeschmolzen, so dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem elektrischen Pol und dem Deckel der Einzelzelle hergestellt wird.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch eine quaderförmige Einzelzelle für eine elektrische Batterie nach dem Stand der Technik,
  • 2 schematisch eine perspektivische Ansicht der quaderförmigen Einzelzelle nach dem Stand der Technik,
  • 3 schematisch eine erste Schnittdarstellung der quaderförmigen Einzelzelle nach dem Stand der Technik,
  • 4 schematisch eine zweite Schnittdarstellung der quaderförmigen Einzelzelle nach dem Stand der Technik,
  • 5 schematisch eine dritte Schnittdarstellung der quaderförmigen Einzelzelle nach dem Stand der Technik,
  • 6 schematisch eine Explosionsdarstellung einer Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der quaderförmigen Einzelzelle nach dem Stand der Technik,
  • 7 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der zusammengesetzten Einzelzelle nach dem Stand der Technik,
  • 8 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung einer quaderförmigen Einzelzelle nach einem weiteren Stand der Technik,
  • 9 schematisch eine perspektivische Ansicht der Einzelzelle nach dem weiteren Stand der Technik im zusammengesetzten Zustand,
  • 10 schematisch eine Schnittdarstellung eines Siegelelementes zur Poldurchführung,
  • 11 schematisch eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen quaderförmigen Einzelzelle in einer ersten Ausführungsform,
  • 12 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen quaderförmigen Einzelzelle in der ersten Ausführungsform,
  • 13 schematisch eine erste Schnittdarstellung der quaderförmigen Einzelzelle in der ersten Ausführungsform,
  • 14 schematisch eine zweite Schnittdarstellung der quaderförmigen Einzelzelle in der ersten Ausführungsform,
  • 15 schematisch eine dritte Schnittdarstellung der quaderförmigen Einzelzelle in der ersten Ausführungsform,
  • 16 schematisch eine Schnittdarstellung einer Explosionsdarstellung einer Poldurchführung der quaderförmigen Einzelzelle in der ersten Ausführungsform,
  • 17 schematisch eine Schnittdarstellung beim Verbinden von Bestandteilen der Poldurchführung,
  • 18 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes einer quaderförmigen Einzelzelle im Bereich der Poldurchführung in der ersten Ausführungsform,
  • 19 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Deckels mit einer Berstmembran,
  • 20 schematisch eine Schnittdarstellung von Bestandteilen der Poldurchführung mit einem Deckel mit einer Berstmembran,
  • 21 schematisch eine perspektivische Ansicht einer quaderförmigen Einzelzelle in einer zweiten Ausführungsform,
  • 22 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung der quaderförmigen Einzelzelle in der zweiten Ausführungsform,
  • 23 schematisch eine erste Schnittdarstellung der quaderförmigen Einzelzelle in der zweiten Ausführungsform,
  • 24 schematisch eine zweite Schnittdarstellung der quaderförmigen Einzelzelle in der zweiten Ausführungsform,
  • 25 schematisch eine dritte Schnittdarstellung der quaderförmigen Einzelzelle in der zweiten Ausführungsform,
  • 26 schematisch eine Schnittdarstellung von Bestandteilen einer Poldurchführung vor einem Verbinden,
  • 27 schematisch eine Schnittdarstellung der Bestandteile nach einem Verbinden vor einem Einsetzen in einen Deckel,
  • 28 schematisch eine Schnittdarstellung beim Verbinden von Bestandteilen der Poldurchführung der quaderförmigen Einzelzelle in der zweiten Ausführungsform,
  • 29 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes einer quaderförmigen Einzelzelle im Bereich der Poldurchführung in der zweiten Ausführungsform,
  • 30 schematisch eine perspektivische Ansicht einer kreiszylindrischen Einzelzelle,
  • 31 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung der kreiszylindrischen Einzelzelle,
  • 32 schematisch eine Schnittdarstellung der kreiszylindrischen Einzelzelle,
  • 33 schematisch eine Draufsicht der kreiszylindrischen Einzelzelle und
  • 34 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der kreiszylindrischen Einzelzelle.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer quaderförmigen Einzelzelle 1 nach dem Stand der Technik, wobei die Einzelzelle 1 in 2 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung gezeigt ist.
  • Die Einzelzelle 1 ist Bestandteil einer elektrischen Batterie, insbesondere für Fahrzeuganwendungen, wobei die Batterie eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeuges, eines Hybridfahrzeuges oder eines mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeuges ist.
  • Ein Zellgehäuse 2 der Einzelzelle 1 ist becherförmig ausgebildet, in welchem eine Elektrodenanordnung 3 in Form eines Elektrodenfolienstapels angeordnet ist.
  • Die Elektrodenanordnung 3 umfasst Lagen aus Kathoden- und Anodenfolien, die jeweils mittels eines Separators voneinander separiert und somit elektrisch isoliert sind. Die Kathoden- und Anodenfolien sind in zumindest einem Randbereich unbeschichtet und ragen von der Elektrodenanordnung 3 ab. Diese unbeschichteten Randbereiche von Elektrodenfolien einer Polarität sind als Stromableiterfahnen 3.1 miteinander verbunden und kontaktieren jeweils mit einem ins Innere der Einzelzelle 1 ragenden Kollektor 4 als Bestandteil eines der elektrischen Pole 5.
  • Das Zellgehäuse 2 ist mit einem Deckel 6 verschlossen, welcher zwei Aussparungen 6.1 aufweist, durch welche ein kreiszylindrischer Teil des jeweiligen Kollektors 4 geführt ist. Dabei ist der Deckel 6 mit dem Zellgehäuse 2 verschweißt.
  • Zur elektrischen Isolation des Kollektors 4 gegenüber dem Deckel 6 ist ein erstes Dichtelement 7 vorgesehen, welches eine mit dem kreiszylindrischen Teil des Kollektors 4 korrespondierende Aussparung 7.1 aufweist.
  • Das erste Dichtelement 7 ist auf den Kollektor 4 aufsetzbar, wobei das erste Dichtelement 7 im zusammengesetzten Zustand im Wesentlichen zwischen dem Kollektor 4 und dem Deckel 6 angeordnet ist.
  • Die Aussparung 7.1 des ersten Dichtelementes 7 ist randseitig von einem Kragen umgeben, welcher sich im zusammengesetzten Zustand auf gleicher Ebene wie der Deckel 6 befindet, so dass ein Kontakt zwischen dem kreiszylindrischen Teil 4.1 des Kollektors 4 und dem Deckel 6 weitestgehend ausgeschlossen werden kann.
  • Auf dem Deckel 6 ist ein zweites Dichtelement 8 angeordnet, welches zwischen dem Deckel 6 und einer Terminalplatte 9 als weiterer Bestandteil eines elektrischen Pols 5 der Einzelzelle 1 angeordnet ist. Auch das zweite Dichtelement 8 weist einen eine Aussparung 8.1 umlaufenden Kragen auf, wie u. a. in den 3 und 4 näher gezeigt ist.
  • Eine mittels der Dichtelemente 7, 8 und dem Kollektor 4 gebildete Poldurchführung wird mittels Verpressung, insbesondere kraftschlüssig, abgedichtet, so dass das Zellgehäuse 2 dicht ausgeführt ist und ein Auslaufen eines eingefüllten Elektrolyts im Wesentlichen verhindert ist.
  • Zum Verpressen der Dichtelemente 7, 8 sind der jeweilige Kollektor 4 und die entsprechende Terminalplatte 9 als metallische Teile unter wirkendem Druck miteinander verschweißt, vernietet und/oder verschraubt.
  • Die 3 und 4 zeigen jeweils eine Schnittdarstellung der Einzelzelle 1 nach dem Stand der Technik, wobei in 5 eine Draufsicht dieser Einzelzelle 1 dargestellt ist.
  • 6 zeigt eine Schnittdarstellung einer Explosionsdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes eines oberen Bereiches, insbesondere der Poldurchführung der Einzelzelle 1, nach dem Stand der Technik.
  • In 7 ist eine Schnittdarstellung des vergrößerten Ausschnittes des oberen Bereiches der Einzelzelle 1, insbesondere der Poldurchführung, im zusammengesetzten Zustand dargestellt.
  • Dabei ist gezeigt, dass der kreiszylindrische Teil 4.1 des Kollektors 4 mit der Terminalplatte 9 verschweißt ist, wodurch eine Schweißnaht SN gebildet ist.
  • 8 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung einer quaderförmigen Einzelzelle 1 nach einem weiteren Stand der Technik und 9 zeigt eine perspektivische Ansicht der Einzelzelle 1 nach dem weiteren Stand der Technik im zusammengesetzten Zustand.
  • Bei dieser Einzelzelle 1 ist der Deckel 6 mit trichterförmigen Ausformungen 10 versehen, die jeweils ein Durchgangsloch 10.1 aufweisen. Ein elektrischer Pol 5 der Einzelzelle 1 ist durch jeweils ein Durchgangsloch 10.1 geführt. Ein zwischen dem Pol 5 und der trichterförmigen Ausformung 10 ausgebildeter, nicht näher dargestellter Spalt wird mittels eines Kunststoffbandes 11 ausgefüllt. Das Kunststoffband 11 wird in einem Heißsiegelprozess mit einer Innenseite der Ausformungen 10 und einer Außenseite der elektrischen Pole 5 der Einzelzelle 1 stoffschlüssig verbunden.
  • Um einen Aufwand hinsichtlich einer Herstellung der Bestandteile der Poldurchführung und auch einen Aufwand bei der Herstellung der Einzelzelle 1 sowie eine Bauhöhe der Einzelzelle 1 zu verringern, ist vorgesehen, ein in 10 dargestelltes mehrlagiges Dichtelement 12 zu verwenden, welches den elektrischen Pol 5 gegenüber dem Deckel 6 der Einzelzelle 1 elektrisch isoliert, den Zelldeckel 1 im Bereich der Aussparungen 6.1 abdichtet und welches zur stoffschlüssigen Verbindung des elektrischen Pols 5 mit dem Deckel 6 in einer Ebene dient.
  • Das Dichtelement 12 weist drei Lagen 12.1, 12.2 auf, wobei äußere Lagen 12.1 aus einem thermoplastischen Kunststoff, wie beispielsweise Polyphthalamid, gebildet sind. Der thermoplastische Kunststoff der äußeren Lagen 12.1 ist elektrolytbeständig und weist im Vergleich zu einem Material einer mittleren Lage 12.2 niedrigere Schmelztemperatur auf.
  • Das Material der äußeren Lagen 12.1 ist derart gewählt, dass dieses nach einem Erwärmen und einem anschließenden Abkühlen unter Pressdruck stoffschlüssig verbindbar ist, wobei die äußeren Lagen 12.1 in einer Ebene partiell aufgeschmolzen werden.
  • Die mittlere Lage 12.2 besteht aus einem Vlies und/oder einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise Polyethylenterephthalat. Dabei sind die beiden äußeren Lagen 12.1 an der mittleren Lage 12.2 befestigt, insbesondere stoffschlüssig mit dieser verbunden.
  • Dabei dient die mittlere Lage 12.2 des Dichtelementes 12 zur Einstellung eines zur elektrischen Isolation erforderlichen Abstandes zwischen dem Deckel 6 und dem elektrischen Pol 5 und weist zur weitestgehenden Sicherstellung der elektrischen Isolation eine höhere Schmelztemperatur als die beiden äußeren Lagen 12.1 auf.
  • Im Ausgangszustand des Dichtelementes 12, d. h. im nichterwärmten Zustand, weisen die äußeren Lagen 12.1 eine Gesamtdicke von 0,1 mm bis 0,3 mm auf.
  • In 11 ist eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Einzelzelle 1 in einer ersten Ausführungsform dargestellt, wobei 12 eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung derselben zeigt.
  • Die erfindungsgemäße Einzelzelle 1 umfasst das Zellgehäuse 2, die Elektrodenanordnung 3, den Zelldeckel 6 und zwei pilzförmig ausgebildete elektrische Pole 5, die einteilig ausgebildet sind.
  • Das Dichtelement 12 ist auf einer Oberseite des Deckels 6 zwischen diesem und dem jeweiligen elektrischen Pol 5 angeordnet, wobei eine äußere Lage 12.1 mit dem Deckel 6 und die weitere äußere Lage 12.1 mit dem Pol 5, insbesondere seiner Terminalplatte 9 kontaktiert.
  • Die 13 und 14 zeigen jeweils eine Schnittdarstellung der Einzelzelle 1, wobei in 15 eine Draufsicht derselben dargestellt ist.
  • 16 zeigt eine Schnittdarstellung einer Explosionsdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Einzelzelle 1, insbesondere einer Poldurchführung, wobei im Detail der Deckel 6 mit einer Aussparung 6.1, das auf dem Deckel 6 angeordnete Dichtelement 12 und der aus Kollektor 4 und Terminalplatte 9 einteilig ausgebildete elektrische Pol 5 der Einzelzelle 1 dargestellt sind.
  • In 17 ist eine Schnittdarstellung der Poldurchführung beim stoffschlüssigen Verbinden des elektrischen Pols 5 mit dem Deckel 6 zum Verschließen des Zellgehäuses 2 gezeigt.
  • Auf der Oberseite des Deckels 6 ist zwischen diesem und der Terminalplatte 9 des elektrischen Pols 5 das Dichtelement 12 angeordnet.
  • Zum Erwärmen der beiden äußeren Lagen 12.1 des Dichtelementes 12 ist sowohl an einer Oberseite als auch an einer Unterseite der Anordnung, d. h. der Poldurchführung ein temperierbarer Siegelstempel 13, 14 angeordnet. Dabei kontaktiert ein erster Siegelstempel 13 mit dem Pol 5 und ein zweiter Siegelstempel 14 mit dem Deckel 6 der Einzelzelle 1 in einer Ebene.
  • Die aus einem Siegelmaterial bestehenden äußeren Lagen 12.1 des Dichtelementes 12 werden mittels der beiden Siegelstempel 13, 14 in der einen Ebene erwärmt, wodurch die äußeren Lagen 12.1 in einer Ebene partiell aufgeschmolzen, d. h. verflüssigt werden. D. h. dass eine zu siegelnde Fläche in der einen Ebene angeordnet ist.
  • Anschließend werden die beiden äußeren Lagen 12.1 mittels der temperierbaren Siegelstempel 13, 14 gekühlt, wobei diese hierzu beispielsweise eine Kanalstruktur aufweisen, welche von einem Kühlmedium, beispielsweise Wasser und/oder Öl, durchströmbar ist.
  • Da es sich in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel um temperierbare Siegelstempel 13, 14 handelt, kann mittels dieser ein Erkalten der äußeren Lagen 12.1 beschleunigt werden.
  • Alternativ dazu können das Erwärmen mittels beheizbarer Stempel und ein Abkühlen mittels separater gekühlter Stempel erfolgen.
  • Denkbar ist auch, dass eine erforderliche Energie zum partiellen Verflüssigen der äußeren Lagen 12.1 mittels hochfrequenter Vibrationen, z. B. ähnlich einer Ultraschall- und/oder Reibschweißung erfolgt. Dabei kühlt das nur an einer Reibstelle erwärmte Material nach Beenden des Einbringens der hochfrequenten Vibrationen mittels Konduktion von selbst ab. Die Wärme der Reibstelle wird in den Deckel 6 und/oder in den metallischen elektrischen Pol 5 abgeführt.
  • Durch den beim Siegeln auf den Pol 5 und/oder den Deckel 6 wirkenden Pressdruck wird flüssiges Siegelmaterial teilweise nach außen gedrückt, wie in 18 gezeigt ist. Eine Dicke des Dichtelementes 12, insbesondere der äußeren Lagen 12.1, kann sich dabei um 25% bis 50% reduzieren.
  • Eine Vormontage des Deckels 6 mit den Bestandteilen der Poldurchführung erfolgt vor einem Zusammenbau der Einzelzelle 1.
  • 18 zeigt eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes, insbesondere eines oberen Bereiches der Einzelzelle 1 nach dem stoffschlüssigen Verbinden des elektrischen Pols 5 mit dem Deckel 6 der Einzelzelle 1. Dabei steht das Siegelmaterial der beiden äußeren Lagen 12.1 zur Einstellung einer erforderlichen Luft- und Kriechstrecke, insbesondere zur elektrischen Isolation, über einen Überdeckungsbereich zwischen dem Deckel 6 und dem elektrischen Pol 5 hinaus. Insbesondere beträgt der Überstand des Siegelmaterials der äußeren Lagen 12.1 0,5 mm bis 2 mm.
  • Zur verbesserten stoffschlüssigen Verbindung zwischen den aus dem Siegelmaterial gebildeten äußeren Lagen 12.1 des Dichtelementes 12 und dem Pol 5 sowie dem Deckel 6 können die den äußeren Lagen 12.1 zugewandten Oberflächen des Pols 5 und/oder des Deckels 6 mit einer Oberflächenaktivierung versehen sein. Beispielsweise können freie Hydroxidgruppen ausgebildet werden.
  • Beispielsweise können hierzu aus Aluminium bestehende Teile, insbesondere der Deckel 6 und/oder ein positiver elektrischer Pol der Einzelzelle 1 vollflächig oder bereichsweise mit einer Chromatierung versehen sein.
  • Denkbar ist auch eine vollflächige oder bereichsweise Eloxierung und/oder Vernickelung und/oder eine mechanische Aufbereitung, beispielsweise durch Strukturierung mittels Laser.
  • Teile aus Kupfer, insbesondere der negative elektrische Pol 5 werden vorzugsweise mit einer vollflächigen oder bereichsweisen chemisch und/oder galvanisch aufgebrachten Vernickelung versehen.
  • Eine erforderliche Breite der stoffschlüssigen Verbindung zwischen elektrischem Pol 5 und Dichtelement 12 sowie zwischen diesem und dem Deckel 6 ergibt sich unter zusätzlicher Berücksichtigung einer erforderlichen mechanischen Festigkeit aus einer zulässigen Menge Wasserdampf, welcher es gestattet ist dadurch über eine Lebensdauer der Einzelzelle 1 in diese zu diffundieren. Diese Menge wird umso geringer, desto breiter der Bereich der stoffschlüssigen Verbindung, d. h. der Siegelung, ist. Beispielsweise liegt die Breite im Bereich zwischen 3 mm und 8 mm, vorzugsweise bei 5 mm.
  • Das Siegelmaterial, also der thermoplastische Kunststoff, aus dem die beiden äußeren Lagen 12.1 des Dichtelementes gebildet sind, kann sich in einer Weiterbildung zur elektrischen Isolation zusätzlich in einen Bereich einer Durchführung des elektrischen Pols 5 durch den Deckel 6 erstrecken. Hierzu werden die beiden äußeren Lagen 12.1 durch einen vorverlagerten Tiefziehprozess mit einer Art Durchstellung versehen.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die beiden äußeren Lagen 12.1 als Berstmembran zum definierten Abbau eines unzulässig hohen in der Einzelzelle 1 vorherrschenden Druckes dienen. Dazu ist in eine Unterseite des elektrischen Pols 5, insbesondere im Bereich der Terminalplatte 9 eine Kerbe 9.1 eingebracht, wie in 19 und 20 gezeigt ist. Zudem kann hierfür eine Dicke der beiden äußeren Lagen 12.1, die nicht stoffschlüssig an den elektrischen Pol 5 angebunden sind, reduziert werden.
  • 21 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Einzelzelle 1 in einer zweiten Ausführungsform, wobei in 22 eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung der Einzelzelle 1 dargestellt ist.
  • In der zweiten Ausführungsform sind die beiden elektrischen Pole 5 der Einzelzelle 1 wannen- oder hutförmig ausgebildet, wobei die Pole 5 als Blech-Tiefziehteile in einem Tiefziehverfahren herstellbar sind.
  • In einem Abschnitt eines abragenden Randbereiches 5.1 ist der Kollektor 4 ausgeformt, der mit den Stromableiterfahnen 3.1 einer Polarität verschweißt wird.
  • Das Dichtelement 12 weist eine mit einer Außenkontur des elektrischen Pols 5 korrespondierende Form auf, so dass das Dichtelement 12 abschnittsweise auf dem derart ausgeformten Pol 5 formschlüssig anordbar ist. Dabei weist das Dichtelement 12 ebenfalls einen Randbereich 12.3 auf, welcher breiter ausgebildet ist als der Randbereich 5.1 des elektrischen Pols 5.
  • Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Pol 5 und dem Dichtelement 12 sowie zwischen diesem und dem Deckel 6 erfolgt über den Randbereich 12.3 des Dichtelementes 12, wie in den folgenden Figuren näher gezeigt ist.
  • In den 23 und 24 ist jeweils eine Schnittdarstellung der Einzelzelle 1 in der zweiten Ausführungsform dargestellt, wobei 25 eine Draufsicht der Einzelzelle 1 zeigt.
  • 26 zeigt eine Schnittdarstellung des elektrischen Pols 5 vor einem Aufsetzen des Dichtelementes 12.
  • In 27 ist eine Schnittdarstellung des Pols 5 mit dem aufgesetzten Dichtelement 12 vor einem Anordnen des Deckels 6 bzw. vor einem Einsetzen des Pols 5 mit dem Dichtelement 12 in den Deckel 6 dargestellt.
  • Dabei ist das Dichtelement 12 nach einem Vorsiegeln der äußeren Lagen 12.1 auf den elektrischen Pol 5 gezeigt.
  • 28 zeigt eine Schnittdarstellung des Pols 5 mit dem Dichtelement 12 nach einem Einsetzen in den Deckel 6 und eine Schnittdarstellung der die äußeren Lagen 12.1 in der einen Ebene partiell aufschmelzenden Siegelstempel 13, 14.
  • Das Dichtelement 12 ist zudem derart ausgebildet, dass dieses eine Oberseite des Deckels 6 überragt, so dass der Pol 5 und der Deckel 6 in Querrichtung elektrisch voneinander isoliert sind. Im Bereich einer im Tiefziehverfahren hergestellten Durchstellung des Dichtelementes 12 ist keine beidseitige stoffschlüssige Anbindung insbesondere wegen möglicher Toleranzen vorgesehen.
  • Vorzugsweise ist das Dichtelement 12 im Bereich der Durchstellung stoffschlüssig umlaufend an dem elektrischen Pol 5 befestigt, wobei diese Befestigung mittels der Vorsiegelung erfolgt.
  • Zwischen dem Dichtelement 12 und dem Deckel 6 ist somit ein toleranzbedingter Spalt S eingestellt.
  • 29 zeigt eine Schnittdarstellung eines oberen Bereiches der Einzelzelle 1 in der zweiten Ausführungsform nach einem Anordnen des Deckels 6 mit der Poldurchführung an dem Zellgehäuse 2.
  • Wie oben beschrieben, überragt das Siegelmaterial der beiden äußeren Lagen 12.1 des Dichtelementes 12 eine Oberseite des Deckels 6 und einen Verbindungsbereich zwischen Dichtelement 12 und Pol 5 zur Einstellung einer der elektrischen Isolation dienenden erforderlichen Luft- und Kriechstrecke.
  • Darüber hinaus ist der elektrische Pol 5 mittels des zwischen diesem und dem Deckel 6 angeordneten Dichtelementes 12 und des ausgebildeten Spaltes S in Bezug auf den Deckel 6 elektrisch isoliert.
  • 30 zeigt eine perspektivische Ansicht einer als Rundzelle, d. h. kreiszylindrisch ausgebildeten Einzelzelle 1, wobei in 31 eine Explosionsdarstellung einer solchen Einzelzelle 1 dargestellt ist.
  • Bei einer derart ausgebildeten Einzelzelle 1 liegt ein positiver elektrischer Pol 5 auf dem Zellgehäuse 2, wobei entsprechende Bestandteile der Elektrodenanordnung 3, insbesondere Kathodenfolien, hierzu mit einem Bodenbereich des Zellgehäuses 2 verschweißt sind.
  • Der negative elektrische Pol 5 der kreiszylindrisch ausgebildeten Einzelzelle 1 ist elektrisch isoliert durch den Deckel 6 der Einzelzelle 1 geführt.
  • Hierzu ist das Dichtelement 12 vorgesehen, welches mit einer Form des elektrischen Pols 5 korrespondiert und den abragenden Randbereich 5.1 aufweist, wobei das Dichtelement 12 an einer Unterseite des Deckels 6 zwischen diesem und dem elektrischen Pol 5 angeordnet ist.
  • Eine Schnittdarstellung der kreiszylindrisch ausgebildeten Einzelzelle 1 ist in 32 gezeigt, wobei in 33 eine Draufsicht der Einzelzelle 1 gezeigt ist.
  • In 32 ist das auf den elektrischen Pol 5 aufgesetzte Dichtelement 12 dargestellt, wobei der biegeelastische Kollektor 4 des elektrischen Pols 5 mit den aneinander befestigten Stromableiterfahnen 3.1, insbesondere der Anodenfolien verschweißt ist.
  • 34 zeigt eine Schnittdarstellung des oberen Bereiches der kreiszylindrischen Einzelzelle 1 mit am Deckel 6 mittels des Dichtelementes 12 befestigtem elektrischem Pol 5, insbesondere Pluspol.
  • Auch bei einer derart ausgebildeten Einzelzelle 1 erfolgt eine Vorsiegelung in Bezug auf die Befestigung des Dichtelementes 12 an dem Pol 5, wobei die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem elektrischen Pol 5 und dem Deckel 6 über den Randbereich 12.3 des Dichtelementes 12 erfolgt.
  • Dadurch, dass das Dichtelement 12 die Oberseite des Deckels 6 überragt, ist der elektrische Pol 5 gegenüber dem Deckel 6 in Querrichtung elektrisch isoliert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Einzelzelle
    2
    Zellgehäuse
    3
    Elektrodenanordnung
    3.1
    Stromableiterfahnen
    4
    Kollektor
    4.1
    kreiszylindrischer Teil
    5
    Pol
    5.1
    Randbereich
    6
    Deckel
    6.1
    Aussparung
    7
    erstes Dichtelement
    7.1
    Aussparung
    8
    zweites Dichtelement
    8.1
    Aussparung
    9
    Terminalplatte
    9.1
    Kerbe
    10
    Ausformung
    10.1
    Durchgangsloch
    11
    Kunststoffband
    12
    Dichtelement
    12.1
    äußere Lage
    12.2
    mittlere Lage
    12.3
    Randbereich
    13
    erste Siegelstempel
    14
    zweiter Siegelstempel
    S
    Spalt
    SN
    Schweißnaht
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 20120003528 A1 [0003, 0010]

Claims (10)

  1. Einzelzelle (1) für eine elektrische Batterie mit einem Zellgehäuse (2), in welchem eine Elektrodenanordnung (3) angeordnet ist und das Zellgehäuse (2) mittels eines Deckels (6) verschlossen ist, wobei zumindest ein mit der Elektrodenanordnung (3) gekoppelter elektrischer Pol (5) mittels zumindest eines Dichtelementes (7, 8, 12) elektrisch isoliert und umlaufend abgedichtet durch den Deckel (6) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (12) zumindest stoffschlüssig mit dem Pol (5) und dem Deckel (6) verbunden ist, wobei eine Verbindungsfläche zwischen dem Dichtelement (12) und dem Pol (5) sowie zwischen dem Dichtelement (12) und dem Deckel (6) in einer Ebene angeordnet ist.
  2. Einzelzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (12) mehrlagig ausgebildet ist und zumindest eine Lage (12.1) ein partiell aufschmelzbares Material umfasst, wobei das Dichtelement (12) zumindest abschnittsweise zwischen dem elektrischen Pol (5) und dem Deckel (6) angeordnet ist.
  3. Einzelzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (12) dreilagig ausgebildet ist, wobei äußere Lagen (12.1) eine niedrigere Schmelztemperatur aufweisen als eine mittlere Lage (12.2).
  4. Einzelzelle (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Lagen (12.1) aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet sind.
  5. Einzelzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des über die Verbindungsfläche überstehenden Materials des Dichtelementes (12) eine Luft- und Kriechstrecke zwischen dem Pol (5) und dem Deckel (6) gebildet ist.
  6. Einzelzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (6) und/oder der elektrische Pol (5) zumindest im Bereich des elektrisch isolierenden Dichtelementes (12) mit einer zur Oberflächenaktivierung ausgebildeten Schicht und/oder Struktur versehen sind bzw. ist.
  7. Einzelzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Pol (5) einen in das Zellgehäuse (2) hineinragenden einteilig mit dem Pol (5) ausgebildeten Kollektor (4) umfasst, der zumindest stoffschlüssig mit Stromableiterfahnen (3.1) der Elektrodenanordnung (3) verbunden ist.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrlagig ausgebildete und zumindest eine Lage (12.1) mit einem partiell aufschmelzbaren Material umfassende Dichtelement (12) zumindest abschnittsweise zwischen dem elektrischen Pol (5) und dem Deckel (6) angeordnet wird, und der elektrische Pol (5) mittels des Dichtelementes (12) in einer Ebene mit dem Deckel (6) stoffschlüssig verbunden wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (6) und/oder der elektrische Pol (5) zumindest im Bereich des elektrisch isolierenden Dichtelementes (12) mit einer zur Oberflächenaktivierung ausgebildeten Schicht und/oder Strukturierung versehen werden bzw. wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Lagen (12.1) des Dichtelementes (12) mittels zumindest eines beheizten Stempels und/oder mittels hochfrequenter Reibung in der einen Ebene partiell aufgeschmolzen werden.
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