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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle mit mindestens einem Elektrodenensemble, welches über einen Stromkollektor elektrisch kontaktiert ist. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Fügen eines Elektrodenensembles mit einem Stromkollektor zur Herstellung einer Batteriezelle.
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Stand der Technik
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US 2008/0107961 offenbart eine Batteriezelle mit einem als Wickel ausgebildeten Elektrodenensemble. Bei dem Elektrodenensemble sind unbeschichtete Stellen am Batteriewickel mit Kollektoren stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt, wobei die Kollektoren Anschlussterminals der Batteriezellen kontaktieren. Das Elektrodenensemble wird durch Stützelemente innerhalb eines Gehäuses, die seitlich in den Wickel eingeführt sind, abgestützt.
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DE 10 2012 217 605 bezieht sich auf ein System mit mindestens einem Halter für ein Kollektor eines Elektrodenensembles sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Systems.
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Durch mechanische Einwirkung auf eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, zum Beispiel bei Auftreten eines mechanischen Schocks bei einem Unfall, durch Vibrationen und dergleichen, kann es zu internen Kurzschlüssen innerhalb der Batteriezelle kommen. Dies wiederum hat zur Folge, dass durch den Kurzschlussstrom eine erhebliche Erwärmung der Batteriezelle auftritt und aufgrund der Temperaturerhöhung innerhalb der Batteriezelle FFolgereaktionen ausgelöst werden, die zur Entstehung gasförmiger Zersetzungsprodukte führen. Die Erhitzung und die Gasgenerierung innerhalb der Batteriezelle können zu einem Abblasen der Batteriezelle durch ein definiertes Sicherheitsventil, was im Allgemeinen als ein Berstventil ausgeführt ist, führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle mit mindestens einem Elektrodenensemble vorgeschlagen, welches über einen Stromkollektor elektrisch kontaktiert ist, wobei der Stromkollektor im in das mindestens eine Elektrodenensemble der Batteriezelle eingeführten Zustand eine Auslenkung aufweist, die einem Bruchteil einer Dicke des mindestens einen Elektrodenensembles entspricht.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausgestaltung ist ein besserer Schutz der Batteriezelle gegen Auftreten eines Kurzschlusses durch die Auslenkung des Kollektors gegeben, wobei insbesondere kein zusätzliches Material oder keine zusätzlichen Einzelteile zu verbauen sind.
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In weiterer Ausgestaltung des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens umfasst der Stromkollektor ein erstes und ein zweites Stromkollektorteil. Die Stromkollektorteile werden auch als Stromkollektorzinken bezeichnet. Die beiden Stromkollektorteile des Stromkollektors sind aus unterschiedlichen Materialien gefertigt, wobei ein erstes Stromkollektorteil beispielsweise aus Kupfer gefertigt sein kann und das weitere, zweite Stromkollektorteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt ist.
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In weiterer Ausgestaltung des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens entspricht die Auslenkung des Stromkollektors bevorzugt 25 % bis 50 % der Dicke des mindestens einen Elektrodenensembles. Dadurch ist sichergestellt, dass das ausgelenkte Ende des Stromkollektors im Material des mindestens einen Elektrodenensembles verbleibt oder in diesem ein ausreichender Puffer hinsichtlich des Abstands zur Gehäusewand der Batteriezelle vorhanden ist, der im Falle einer mechanischen Deformation des Gehäuses der Batteriezelle einen Kontakt des ausgelenkten Endes des Kollektors mit der Innenwand des metallischen Gehäuses verhindert.
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In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist die Auslenkung des Stromkollektors bzw. des ersten und des zweiten Kollektorteiles innerhalb eines Biegebereiches vorgesehen und wird durch die Ausbildung einer Kerbe im Material des Stromkollektors bzw. des jeweiligen Stromkollektorteiles unterstützt. Die Kerbe im Material des Stromkollektors bzw. der beiden Stromkollektorteile bildet eine Materialschwächung des Stromkollektors, so dass dieser sich sehr leicht verbiegen lässt. Demzufolge kann die Auslenkung des in das Elektrodenensemble hineinreichenden Endes des Stromkollektors einfach gefertigt werden. Die Kerbe im Material des Stromkollektors bzw. der Stromkollektorteile ist in einer Kerbentiefe ausgeführt, die beispielsweise 50 % bis 65 % der Materialdicke des Stromkollektors bzw. der Stromkollektorteile entspricht.
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Alternativ besteht auch die Möglichkeit, die Enden des Stromkollektors bzw. der Stromkollektorteile ohne Ausbildung einer Kerbe einfach in einem Winkel zu verbiegen, der bevorzugt in einem Bereich zwischen 10° und 45°, bevorzugt bei 25° liegt.
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, wird ein Verfahren zum Fügen eines Elektrodenensembles mit einem Stromkollektor angegeben, wodurch ein Stromkollektor mit einer Batteriezelle verbunden werden kann und nachfolgende Verfahrensschritte durchlaufen werden. Zunächst erfolgt das Einbringen einer Kerbe innerhalb eines Biegebereiches in das Material eines Stromkollektors bzw. von Teilen eines mehrteiligen Stromkollektors. Anschließend wird eine S-förmige Krümmung oder eine einfache Krümmung innerhalb eines Biegebereiches des Materials des Stromkollektors bzw. der Stromkollektorteile unter Erzeugung eines ersten Versatzes zwischen einem Ende des Stromkollektors bzw. der Stromkollektorteile und dem nicht gebogenen Teil desselben erzeugt. Danach wird der derart bearbeitete Stromkollektor bzw. die derart bearbeiteten Stromkollektorteile mit dem ausgelenkten Ende voraus in eine Fügerichtung in das mindestens eine Elektrodenensemble eingeschoben. Anschließend erfolgt die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Stromkollektor und dem Elektrodenensemble. Die zuvor erwähnte stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Stromkollektor bzw. den Stromkollektorteilen und dem Elektrodenensemble wird zum Beispiel durch Ultraschallverschweißen hergestellt. Die stoffschlüssige Fügestelle zwischen dem Elektrodenensemble und dem Stromkollektor bzw. den Stromkollektorteilen liegt in einem geraden Abschnitt oberhalb der Auslenkung im Material des Stromkollektors bzw. der Stromkollektorteile. Anschließend erfolgt ein Rückbiegen des den ersten Versatz aufweisenden Endes der Stromkollektoren auf eine zweite rückgebogene Auslenkung.
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Insbesondere entspricht eine zweite, geringere Auslenkung des Endbereiches der Stromkollektoren bzw. der Stromkollektorteile bevorzugt 33 % bis 50 % einer Dicke des Elektrodenensembles.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass bei Auftreten eines mechanischen Schocks bei einem Unfall oder im Falle von Vibrationen innere Kurzschlüsse innerhalb der Batteriezelle verhindert werden, da die ausgelenkten Enden der Stromkollektoren bzw. der Stromkollektorteile in einem ausreichenden Abstand zur mindestens ein Elektrodenensemble umgebenden Gehäuse der Batteriezelle gehalten werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Auslenkung, die den Enden der Stromkollektoren bzw. der Stromkollektorteilen aufgeprägt wird, nur einem Bruchteil der Dicke des mindestens einen Elektrodenensembles entspricht, so dass zwischen dem ausgelenkten Ende des Stromkollektors bzw. der Stromkollektorteile und der Innenseite des Gehäuses der Batteriezelle ein Materialbereich des Elektrodenensembles verbleibt, der einen Sicherheitsabstand zwischen dem ausgelenkten Ende des Stromkollektors und der Innenseite des Gehäuses darstellt. Bei einer mechanischen Verformung der Batteriezelle etwa im Falle eines Unfalles, dient der Abstand zwischen der Innenseite des Batteriegehäuses und dem ausgelenkten Ende des Stromkollektors bzw. der Stromkollektorteile dazu, einen Kontakt zwischen dem Ende des Stromkollektors bzw. der Stromkollektorteile und der Innenseite des Gehäuses der Batteriezelle zu vermeiden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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1 einen Stromkollektor mit zwei eine S-förmige Krümmung aufweisenden Stromkollektorteilen,
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2 einen Stromkollektor, dessen Enden um einen Winkel gebogen sind,
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3 einen in ein Elektrodenensemble eingeführten Stromkollektor,
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4 einen Stromkollektor mit einer Kerbe und einer Materialschwächung,
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5 einen mit einer Auslenkung versehenen Stromkollektor vor dem Fügen mit einem Elektrodenensemble und
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6 ein rückgebogenes Stromkollektorende im in das Elektrodenensemble eingeführten Zustand.
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Ausführungsvarianten
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Der Darstellung gemäß 1 ist ein Stromkollektor mit zwei jeweils eine S-förmige Krümmung aufweisenden Stromkollektorteilen bzw. Stromkollektorzinken zu entnehmen.
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1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Stromkollektor 14, der ein erstes Stromkollektorteil 16 sowie ein zweites Stromkollektorteil 18 umfasst. Das erste Stromkollektorteil 16 wird auch als erste Stromkollektorzinke, das zweite Stromkollektorteil 18 auch als zweite Stromkollektorzinken bezeichnet. 1 zeigt, dass die beiden Stromkollektorteile 16, 18 des Stromkollektors 14 in der Zeichenebene gemäß 1, d.h. in der Z/X-Ebene eine S-förmige Krümmung 22 aufweisen. Die S-förmige Krümmung 22 weist jeweils innerhalb eines Biegebereiches eine erste Biegung 24 sowie eine zweite Biegung 26 auf. Dadurch entsteht ein mit Bezugszeichen 28 bezeichneter Versatz zwischen dem geraden Abschnitt 21 des ersten Stromkollektorteils 16 bzw. des zweiten Stromkollektorteils 18 und einen Versatz 28 aufweisenden Endstück 20 der beiden Stromkollektorteile 16, 18. 2 zeigt einen Stromkollektor, dessen Enden um einen Winkel gebogen ausgeführt sind.
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Aus der Draufsicht gemäß 2 ergibt sich, dass bei dem hier dargestellten Stromkollektor 14, der ebenfalls ein erstes Stromkollektorteil 16 und ein zweites Stromkollektorteil 18 aufweist, die jeweiligen Endstücke 20 der Stromkollektorteile 16, 18 um einen Winkel 32 gebogen sind. Es stellt sich eine einfache Krümmung 30 im ungeschwächten Material des ersten Stromkollektorteils 16 sowie des zweiten Stromkollektorteils 18 des Stromkollektors 14 ein. Aus der Ansicht gemäß 2, welche die Stromkollektorteile 16, 18 in der Z/X-Zeichenebene darstellt, geht hervor, dass auch in dieser Ausführungsvariante ein Versatz 28 zwischen den Endstücken 20 der beiden Stromkollektorteile 16, 18 und den oberhalb der einfachen Krümmung 30 verbleibenden, geraden Abschnitten 21 der beiden Stromkollektorteile 16, 18 entsteht. 3 zeigt einen in ein Elektrodenensemble einer Batteriezelle eingeführten Stromkollektor.
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3 ist in schematischer Weise ein Elektrodenensemble 12 zu entnehmen, welches Teil einer Batteriezelle 10 ist. Die Batteriezelle 10 ist Teil eines Batteriemoduls oder eines Batteriepacks einer Lithium-Ionen-Batterie, die als Tranktionsbatterie eines Hybridfahrzeuges oder eines Elektrofahrzeuges eingesetzt wird. Aus der Darstellung gemäß 3 geht hervor, dass ein verformter Stromkollektor 14, ein erstes Stromkollektorteil 16 sowie ein zweites Stromkollektorteil 18 umfassend, teilweise in das Elektrodenensemble 12 der Batteriezelle 10 eingeführt ist. 3 zeigt, dass die dargestellten Stromkollektorteile 16, 18 eine S-förmige Krümmung 22 aufweisen, die die erste Biegung 24 und die zweite Biegung 26 umfassen. 3 zeigt darüber hinaus, dass der gerade Abschnitt 21 der Stromkollektorteile 16, 18 jeweils an einer Fügestelle 34 mit dem Elektrodenensemble 12 verbunden ist. 4 zeigt einen Stromkollektor in der Z/X-Ebene mit einer Kerbe und einer Materialschwächung.
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Die Stromkollektorteile 16, 18 des Stromkollektors 14 werden in der Regel aus unterschiedlichen Materialien gefertigt. An Materialien kommen in der Regel Kupfer oder Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung in Betracht. 4 zeigt, dass das Material des ersten Stromkollektorteiles 16 bzw. des zweiten Stromkollektorteiles 18 eine Materialdicke 36 aufweist. Die Materialdicke 36 liegt üblicherweise zwischen 0,4 mm und 3 mm. Während die Anode des Stromkollektors 14 in der Regel aus Kupfer gefertigt wird, wird die Kathode des Stromkollektors 14 häufig aus Aluminium gefertigt. 4 zeigt, dass innerhalb eines Biegebereiches 38 im unteren Bereich der Stromkollektorteile 16, 18 eine Kerbe 40 in das Material der Stromkollektorteile 16, 18 eingebracht wird. Durch das Einbringen der Kerbe 40 entsteht eine durch Bezugszeichen 44 identifizierte Materialschwächung im Material der Stromkollektorteile 16 bzw. 18. Die Materialschwächung 44 entspricht einer Kerbentiefe 42, in welcher die Kerbe 40 im Material der Stromkollektorteile 16, 18 ausgeführt wird. Üblicherweise beträgt die Kerbentiefe 42 der Kerbe 40 im Material der Stromkollektorteile 16 bzw. 18 maximal 65 % der Materialdicke 36 der Stromkollektorteile 16 bzw. 18.
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5 zeigt einen mit einer Auslenkung versehenen Stromkollektor vor dem Fügen mit einem Elektrodenensemble.
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Aus der Darstellung gemäß 5 geht hervor, dass der in 4 noch unverformt dargestellte, hier jedoch bereits mit einer Kerbe 40 versehene erste Stromkollektorteil 16 des Stromkollektors 14 um einen Winkel 32 gebogen ist, so dass zischen dem geraden Abschnitt 21 des ersten Stromkollektorteiles 16 und dem Endstück 20 desselben ein erster Versatz 50 entsteht. Deutlich ist in 5 zu erkennen, dass die Kerbe 40 im Material des dargestellten 1. Stromkollektorteiles 16 gequetscht ist und eine Auslenkung des Endstückes 20 des ersten Stromkollektorteiles 16 entsprechend im Biegebereich begünstigt. Die verbleibende Materialschwächung 44, die abhängig von der Kerbentiefe 42 der Kerbe 40 ist, bleibt im ausgelenkten Zustand des 1. Stromkollektorteiles 16, wie er in 5 dargestellt ist, konstant.
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Ein derart verformtes erstes Stromkollektorteil 16 wird in Fügerichtung 46 im Wesentlichen entlang einer Symmetrieachse 48 des mindestens einen Elektrodenensembles 12 eingeführt. In 5 ist jene Symmetrieachse mit Bezugszeichen 48 gekennzeichnet, eine Dicke des Elektrodenensembles 12 ist durch Bezugszeichen 54 identifiziert.
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6 zeigt den Endbereich eines Stromkollektorteiles im rückgebogenen und in das Elektrodenensemble eingeführten Zustand.
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Die Darstellung gemäß 6 in der Z/X-Ebene zeigt, dass das Endstück 20 des 1. Stromkollektorteiles 16 vom ursprünglich an diesem ausgebildeten ersten Versatz 50 in einen zweiten, rückgebogenen Versatz 52, d.h. in eine zweite geringere Auslenkung 52 rückgebogen ist. Dieser zweite rückgebogene Versatz 52 entspricht nun im Zustand, der in 6 dargestellt ist, noch maximal einem Drittel der Dicke 54 des Elektrodenensembles 12 gemäß der Darstellung in 6. Die Tiefe des Elektrodenensembles 12 ist durch Bezugszeichen 56 identifiziert. Ein Vergleich des zweiten rückgebogenen Versatzes 52 des Endstücks 20 des 1. Stromkollektorteiles 16 mit der Dicke 54 des Elektrodenensembles 12 zeigt, dass zwischen dem Elektrodenensemble 12 und dem rückgebogenen Endstück 20 des 1. Stromkollektorteiles 16 ein Abstand verbleibt, der einem Drittel der Dicke 54 des Elektrodenensembles 12 gemäß der Darstellung in 6 entspricht.
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Der Darstellung gemäß 6 ist zu entnehmen, dass bei Ausbildung des zweiten rückgebogenen Versatzes 52 an dem ersten Stromkollektorteil 16, die auch als Stromkollektorzinken bezeichnet werden, die Kerbe 40 weiter aufklafft, verglichen zu dem in 5 dargestellten Zustand der Stromkollektorteile 16, 18, in denen der erste Versatz 50 zwischen dem Endstück 20 und dem nicht-gebogenen, sich im Wesentlichen gerade erstreckenden Abschnitten 21 der Stromkollektorteile 16 bzw. 18 ausgebildet ist. In beiden Zuständen, die in den 5 und 6 dargestellt sind, die den ersten Versatz 50 sowie den zweiten rückgebogenen Versatz 52 jeweils entsprechen, ist die Materialschwächung 44 gegenüber dem Grund der Kerbe 40 identisch. Das Bezugszeichen 48 bezeichnet die Symmetrieachse des Elektrodenensembles 12, Position 42 die Kerbentiefe, die identisch zu diejenigen Kerbentiefe ist, die in 5 dargestellt ist. Der ausgelenkte Teil des 1. Stromkollektorteils 16 kann nach dem Fügen, d.h. dem Herstellen der stoffschlüssigen Fügestelle 34 in den geraden Abschnitten 21 durch Verschweißen auch abgebrochen oder abgeschnitten werden, beispielsweise durch mehrmaliges Verbiegen erfolgen kann.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Viel mehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereiches eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008/0107961 [0002]
- DE 102012217605 [0003]
