DE102014207610A1

DE102014207610A1 - Anordnung mehrerer in einem Gehäuse gestapelter galvanischer Elemente und Batterie umfassend eine solche Anordnung galvanischer Elemente

Info

Publication number: DE102014207610A1
Application number: DE102014207610.2A
Authority: DE
Inventors: Ingo KERKAMM; Bernd Schumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2015-10-29
Also published as: WO2015162001A2; US10347873B2; US20170117509A1; CN106463657A; CN106463657B; WO2015162001A3

Abstract

Anordnung (100) umfassend ein Gehäuse (14) und mehrere in dem Gehäuse (14) gestapelte galvanische Elemente (201, 202), wobei die galvanischen Elemente (201, 202) eine Schichtfolge umfassend einen einer Anode (2) zugeordneten Stromableiter (1), eine Anode (2), einen Separator (5), eine Kathode (6) und einen der Kathode (6) zugeordneten Stromableiter (7) aufweisen wobei jeweils eine Abdichtung den Rand der Schichtfolge eines galvanischen Elements (201, 202) überdeckt, um diesen elektrisch zu isolieren und gasdicht abzuschließen und wobei die Außenfläche des der Anode zugeordneten Stromableiters (1) und die Außenfläche des der Kathode zugeordneten Stromableiters (7) zumindest teilweise frei bleiben, so dass der der Kathode (6) zugeordnete Stromableiter (7) eines galvanischen Elements den der Anode (2) zugeordneten Stromableiter (1) eines im Gehäuse (14) benachbart angeordneten galvanischen Elements (201, 202) elektrisch kontaktiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung umfassend ein Gehäuse und mehrere in dem Gehäuse gestapelte galvanische Elemente, wobei die galvanischen Elemente eine Schichtfolge umfassend einen der Anode zugeordneten Stromableiter, eine Anode, einen Separator, eine Kathode und einen der Kathode zugeordneten Stromableiter aufweisen. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Batterie umfassend mindestens eine solche Anordnung.
Stand der Technik
Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich unter anderem durch eine sehr hohe spezifische Energie und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und mindestens eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), wobei Lithium-Ionen beim Laden bzw. Entladen zwischen den beiden Elektroden hin- und herwandern. Damit ein Transport der Lithium-Ionen stattfinden kann, sind sogenannte Lithium-Ionenleiter notwendig. Bei den derzeit verwendeten Lithium-Ionen-Zellen, die beispielsweise im Consumerbereich (Mobiltelefon, MP3-Player usw.) oder als Energiespeicher in Elektro- oder Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, ist der Lithium-Ionenleiter ein Flüssig-Elektrolyt, welcher häufig das Lithium-Leitsalz Lithium-Hexa-Fluorophosphat (LiPF₆) in organischen Lösungen gelöst enthält. Diese Lithium-Ionen-Zellen, umfassend die Elektroden, den Lithium-Ionenleiter sowie Stromableiter, die die elektrischen Anschlüsse herstellen, werden in einer Verpackung eingeschlossen. Diese Verpackungen isolieren die Batteriezellen und verhindern ein Austreten von Substanzen aus der Zelle.
Nachteilig an Lithium-Ionen-Zellen mit Flüssig-Elektrolyt ist, dass sich bei Alterung und erhöhten Temperaturen sowie thermischem Stress die Elektrolyt-Komponente zersetzen kann und ein Überdruck in der Zelle entsteht. Ohne entsprechende Schutzmaßnahmen kann dies zum Bersten oder sogar zum Brennen der Zellen führen.
Alternativ ist es möglich, anstelle eines flüssigen Elektrolyten einen festen keramischen bzw. anorganischen Lithium-Ionenleiter zu verwenden. Durch dieses Konzept wird ein Auslaufen des Elektrolyten bei Beschädigung des Gehäuses vermieden. Ebenso kann keine chemische Zersetzung mit Druckaufbau mehr stattfinden. Auf ein Gehäuse kann jedoch nicht verzichtet werden da die Zellen untereinander elektrisch isoliert werden müssen und ein Austreten der Aktivmaterialien der Elektroden verhindert werden muss. Dies ist auch dann der Fall, wenn mehrere Batteriezellen in einem gemeinsamen Batteriegehäuse zusammengefasst werden, da ansonsten interne Kurzschlüsse zwischen den Zellen auftreten können. Dabei ist problematisch, dass die Zellen zum einen korrekt miteinander verbunden werden müssen, zum Beispiel in einer Serienschaltung, um höhere Spannungen zu erzeugen, und zum anderen, dass sich das Volumen der einzelnen Batteriezellen je nach Ladezustand der Batteriezelle ändern kann. Zudem ist gewünscht, dass die Verpackungen der einzelnen Batteriezellen möglichst wenig Raum einnehmen, da der von den Zellverpackungen beanspruchte Raum die Batterie lediglich vergrößert, ohne jedoch zur Kapazität der Batterie beizutragen.
Besonders wichtig ist die Verpackung bei Batteriezellen die beispielsweise im Bereich der Kathode korrosive, leicht lösliche oder flüchtige Bestandteile umfassen, die nicht in den Bereich der Anode eindringen dürfen und auch nicht aus der Batteriezelle entweichen dürfen. Beispiele hierfür umfassen Schwefel oder Polysulfide einer Lithium-Schwefel-Batteriezelle, Natrium-Schwefel-Batteriezelle oder einer anderen Metall-Sulfid-Batteriezelle. Ein weiteres Beispiel sind Metallfluoride wie Eisenfluoride (FeF₃, FeF₂), Kupferfluoride oder andere Metall-Fluoride in einer Lithium-Metallfluorid-Zelle. Würden die Sulfide oder Fluoride in diesen Beispielen aus dem Bereich der Kathode entweichen, könnte dies störende Reaktionen mit Materialien der Anode oder anderen Zellbestandteilen zur Folge haben.
Ebenfalls besonders mechanisch problematisch ist die Verpackung im Zusammenhang mit der Verwendung von festen Materialien als Elektrolyt, Separator und/oder als Ionenleiter, da eine Abdichtung an den festen Oberflächen oder Kanten empfindlich auf Volumenänderungen reagiert.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Anordnung vorgeschlagen, umfassend ein Gehäuse und mehrere in dem Gehäuse gestapelte galvanische Elemente, wobei die galvanischen Elemente eine Schichtfolge umfassend einen einer Anode zugeordneten Stromableiter, eine Anode, einen Separator, eine Kathode und einen der Kathode zugeordneten Stromableiter aufweisen, wobei jeweils eine Abdichtung den Rand der Schichtfolge eines galvanischen Elements überdeckt, um diesen elektrisch zu isolieren und gasdicht abzuschließen und wobei die Außenfläche des der Anode zugeordneten Stromableiters und die Außenfläche des der Kathode zugeordneten Stromableiters zumindest teilweise frei bleiben, so dass der der Kathode zugeordnete Stromableiter eines galvanischen Elements den der Anode zugeordneten Stromableiter eines im Gehäuse benachbart angeordneten galvanischen Elements elektrisch kontaktiert. Auf diese Weise kann eine Serienschaltung der galvanischen Elemente erfolgen.
Das Gehäuse, in dem die einzelnen galvanischen Elemente aufgenommen sind, kann beispielsweise ein Batteriegehäuse oder ein Zellmodulgehäuse sein. Das Gehäuse ist bevorzugt prismatisch oder etwa zylinderförmig ausgeführt mit einem beispielsweise kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt. In dem Gehäuse werden die einzelnen galvanischen Elemente gestapelt aufgenommen, wobei mit gestapelt gemeint ist, dass die einzelnen galvanischen Elemente in dem gemeinsamen Gehäuse in Stapelrichtung benachbart angeordnet werden und gegebenenfalls zusammengepresst werden. Die einzelnen galvanischen Elemente weisen dabei einen dem Gehäuse oder einem in seinem Inneren befindlichen Rahmen entsprechenden Querschnitt auf, sie können also beispielsweise kreisförmig, rechteckig oder streifenförmig ausgeführt sein.
Jedes galvanische Element umfasst eine Schichtfolge mit einer Anodenanordnung umfassend einen der Anode zugeordneten Stromableiter und eine Anode, einen Separator und einen Kathodenaufbau, der ebenfalls einen der Kathoden zugeordneten Stromableiter und eine Kathode umfasst. Der Separator ist als ionenleitender Separator ausgeführt, so dass er zum einen den Anodenaufbau und den Kathodenaufbau voneinander elektrisch isoliert, gleichzeitig jedoch einen Ionenstrom zwischen den beiden Elektroden ermöglicht. Ist das galvanische Element beispielsweise als Lithium-Ionen-Zelle ausgeführt, umfasst die Anode beispielsweise metallisches Lithium und die Kathode umfasst beispielsweise ein Aktivmaterial, welches beispielsweise ausgewählt ist aus einem lithiierten Übergangsmetall-Oxid, einem Metallsulfid oder einem Metallfluorid oder einer anderen mit Lithium eine chemische Verbindung bildenden Substanz. Der Separator ist dann entsprechend als Lithium-Ionenleiter ausgeführt und besteht beispielsweise aus einem keramischen Material wie Lithium-Granat, Lisicon oder einem sulfidischen Glas, oder einer kristallinen ionenleitenden Verbindung mit den Elementen Phosphor, Schwefel und einem Zusatzstoff wie Germanium oder Silizium oder einem anderen Element als Dotierung. Wird das galvanische Element geladen, strömen Lithium-Ionen aus der Kathode zur Anode und lagern sich dort in Form von metallischem Lithium an oder auch einer Legierung von Lithium wie z.B. mit Silizium. Beim Entladen lösen sich umgekehrt Lithium-Ionen aus der Anode, wandern durch den Separator und lagern sich wieder im Aktivmaterial der Kathode an oder reagieren direkt reversibel mit dem Aktivmaterial der Kathode wie z.B. Schwefel, einem Metallsulfid wie FeS2 oder einem Metallfluorid. Bei diesem Prozess ändert sich das Volumen der Kathode nur wenig, die Volumenänderung der Anode hingegen ist vergleichsweise groß. Die Volumenänderung des galvanischen Elements aufgrund der Volumenänderung der Anode oder der Kathode kann je nach Ausführungsform 100 % und mehr betragen.
Die Schichtfolge des galvanischen Elements schließt auf der einen Seite des Stapels mit dem der Anode zugeordneten Stromableiter ab und auf der entgegengesetzten Seite des Stapels mit dem der Kathode zugeordneten Stromableiter. Die Stromableiter sind üblicherweise als Metallfolien ausgeführt, wobei im Fall von Lithium-Ionen-Zellen als Materialien üblicherweise Kupfer für den der Anode zugeordneten Stromableiter und für den der Kathode zugeordneten Stromableiter beispielsweise Nickel, Aluminium, Titan, Niob, Tantal, Gold oder auch Kohlenstoff oder ein Laminat oder Schichtsystem aus diesen Komponenten verwendet wird. Die verwendeten Metallfolien sind dabei aus sich heraus gasdicht und verhindern ein Austreten des Elektrodenmaterials durch den Stromableiter. Eine Abdichtung des galvanischen Elements ist somit nur an den Rändern der Schichtfolge erforderlich.
Die in der Anordnung vorgesehene Abdichtung, die den Rand der Schichtfolge eines galvanischen Elements überdeckt, ist so eingerichtet, dass der Rand elektrisch isoliert und gasdicht abgeschlossen wird. Somit kann in dem galvanischen Element enthaltenes Elektrodenmaterial auch nicht an den Rändern aus der Schichtfolge austreten. Die elektrische Isolation des Rands durch die Abdichtung verhindert zudem eine direkte elektrische Verbindung des der Kathode zugeordneten Stromableiters mit dem der Anode zugeordneten Stromableiter des gleichen galvanischen Elements, so dass kein Kurzschluss innerhalb des galvanischen Elements durch eine direkte Berührung der beiden Stromableiter an dem Rand der Schichtfolge möglich ist.
Die Abdichtung überdeckt dabei im Wesentlichen nur den Rand der Schichtfolge, so dass die Außenfläche des der Anode zugeordneten Stromableiters und die Außenfläche des der Kathode zugeordneten Stromableiters zumindest teilweise frei bleiben. Auf diese Weise ist es einfach möglich, mehrere galvanische Elemente in Serie zu verschalten, indem diese einfach in dem Gehäuse gestapelt werden. Dabei wird die elektrische Verschaltung der galvanischen Elemente untereinander dadurch hergestellt, dass jeweils der der Kathode zugeordnete Stromableiter eines galvanischen Elements den der Anode zugeordneten Stromableiter eines im Gehäuse benachbart angeordneten galvanischen Elements berührt.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist es denkbar, die elektrische Verbindung zwischen zwei benachbart angeordneten galvanischen Elementen durch Löten, Schweißen oder durch Verbindung mit einem leitfähigen Kleber zu verbessern.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Abdichtung der galvanischen Elemente so geformt, dass die galvanischen Elemente innerhalb eines Gehäuses die Wandung nur mit ihrer Abdichtung berühren und mit der Abdichtung in einer definierten Position gehalten werden. Dabei sind das Gehäuse und die Abdichtung so ausgestaltet, dass eine Bewegung eines galvanischen Elements relativ zum Gehäuse in Stapelrichtung möglich ist, wenn sich das galvanische Element ausdehnt oder zusammenzieht.
Die vorgeschlagene Abdichtung umgibt den gesamten Rand der galvanischen Elemente. Wurden die galvanischen Elemente zu der Anordnung zusammengefügt, so berühren sie ausschließlich mit dem abgedichteten Rand das Gehäuse. Die nicht von der Abdichtung überdeckten Bereiche der galvanischen Elemente werden zur elektrischen Kontaktierung der galvanischen Elemente untereinander genutzt. Die Abdichtungen der galvanischen Elemente werden beim Einsetzen in das Gehäuse nicht fest mit diesem verbunden, so dass diese in Stapelrichtung im Gehäuse beweglich sind. Dabei ist es denkbar, zwischen dem Gehäuse und der Abdichtung ein Gleitelement in Form eines dünnen Bandes einzubringen, um es der Abdichtung und damit den galvanischen Elementen leichter zu machen, sich relativ zum Gehäuse zu bewegen. Dies ist insbesondere bei Anordnungen von Vorteil, die eine große Anzahl von galvanischen Elementen umfassen, beispielsweise mehr als 10 oder mehr als 30 oder im allgemeinen mehr als 100, da sich dann auch bei einer Größenänderung von wenigen 10 μm pro galvanischem Element eine signifikante Größenänderung des gesamten Stapels ergeben kann.
Innerhalb eines galvanischen Elements treten die größten Volumenänderungen beim Durchlaufen eines Lade-/Entladezyklus innerhalb der Elektroden auf. Daher ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Abdichtung auf ihrer einem galvanischen Element zugewandten Innenseite einen Raum aufweist, der zum Ausgleich einer Materialausdehnung wenigstens einer der Elektroden eines galvanischen Elements eingerichtet ist.
Dehnt sich dann die Elektrode beispielsweise beim Aufladen oder Entladen des galvanischen Elements aus insbesondere indem beispielsweise eine flüssige Komponente oder ein Gel verdrängt wird, z.B. durch Metallabscheidung, kann das zusätzliche Volumen von dem in der Abdichtung ausgebildeten Raum aufgenommen werden und es kommt zu keiner äußeren Verformung des galvanischen Elements.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein Teil der Abdichtung elastisch ausgeführt, um eine Ausdehnung eines galvanischen Elements auszugleichen.
Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn sich das galvanische Element auch in seinem Randbereich ausdehnen sollte. Durch die Ausdehnung würde eine große Kraft auf die Abdichtung einwirken und könnte diese beschädigen. Ist die Abdichtung elastisch ausgeführt, kann sie der Ausdehnung des galvanischen Elements folgen, ohne beschädigt zu werden.
Dabei ist es denkbar, einen Teil der Abdichtung als Elastomer auszuführen, oder einen Teil der Abdichtung als Federelement auszuführen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Abdichtungen der galvanischen Elemente Verbindungselemente auf, um die Abdichtung eines galvanischen Elements mit der Abdichtung eines weiteren im Gehäuse angeordneten galvanischen Elements zu verbinden.
Da die einzelnen galvanischen Elemente untereinander durch Berührung ihrer einander zugewandten Stromableiter miteinander elektrisch verbunden werden, ist es vorteilhaft, wenn die genaue Ausrichtung der einzelnen galvanischen Elemente untereinander fest vorgebbar ist. Weist eine Abdichtung eines galvanischen Elements an einer Seite Vorsprünge auf, und ein benachbartes galvanisches Element an seiner gegenüberliegenden Seite der Abdichtung entsprechend ausgestaltete Vertiefungen auf, können die Vorsprünge und Vertiefungen ineinander greifen und einen Formschluss bilden. Ein ungewolltes Verschieben der so miteinander verbundenen galvanischen Elemente wird dann effektiv verhindert.
Dabei ist es in einer Variante der Erfindung denkbar, dass an den Abdichtungen eines jeden galvanischen Elements entsprechende Verbindungselemente angeordnet sind. In weiteren Varianten der erfindungsgemäßen Anordnung können die vorgeschlagenen Verbindungselemente auch nur beispielsweise bei jedem fünften galvanischen Element angeordnet werden. Auf diese Weise können der Aufwand für das Vorsehen der Verbindungselemente und die erforderliche Stabilität der Anordnung gegeneinander abgewogen werden.
In einer Ausführungsform der Anordnung weist die Abdichtung ein Dichtelement mit einer Wulst auf, die nach innen gerichtet ist. Die Wulst ist des Weiteren eingerichtet, Kraft, die in Stapelrichtung auf das Dichtelement einwirkt, zumindest teilweise auf den Separator in Richtung eines der Stromableiter zu übertragen.
In dieser Ausführungsform der Erfindung weist die Abdichtung ein Dichtelement mit einer Wulst auf, wobei die Wulst nach innen gerichtet ist und in die Stapelstruktur eines galvanischen Elements eingreift. Die Wulst befindet sich dabei in der Stapelfolge zwischen dem Separator und einem der beiden Stromableiter, beispielsweise dem der Kathode zugeordneten Stromableiter. Werden nun mehrere galvanische Elemente gestapelt und wird auf diesen Stapel beispielsweise durch Pressen eine Kraft ausgeübt, wird diese über die Wulst auch auf die Ränder der einzelnen Schichten in der Schichtfolge eines galvanischen Elements übertragen. Beispielsweise wirkt dann eine Anpresskraft ausgehend von der Wulst zunächst auf den Separator, der gegen den der Anode zugeordneten Stromableiter gedrückt wird. Dieser der Anode zugeordnete Stromableiter wiederum wird gegen einen der Kathode zugeordneten Stromableiter des benachbarten galvanischen Elements gedrückt, so dass dieser, der Kathode zugeordnete Stromableiter, gegen die Wulst, die zwischen dem der Kathode zugeordneten Stromableiter und dem Separator dieses benachbarten galvanischen Elements angeordnet ist, gedrückt wird.
Somit wirken auf die Randbereiche der Stromableiter bzw. des Separators eines galvanischen Elements Anpresskräfte, die eine gute Abdichtung bewirken und ein Austreten des zwischen dem der Anode zugeordneten Stromableiter und dem Separator aufgenommenen Anodenmaterials und entsprechend ein Austreten des zwischen Separator und dem der Kathode zugeordneten Stromableiter aufgenommenen Kathodenmaterials verhindert.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ragt der Separator über die Flächen der Elektroden und der Stromableiter hinaus, ist eine isolierende Polymerschicht an den Rändern der Stromableiter angeordnet und umfasst die Abdichtung mindestens ein Dichtelement, welches so angeordnet und eingerichtet ist, dass der Separator an einen der Stromableiter dichtend angedrückt wird.
Dabei muss das Dichtelement im Gegensatz zur zuvor beschriebenen Variante mit der Wulst, nicht den Rand überdecken, sondern ist zwischen dem Separator und einem der Stromableiter angeordnet. Da die Stromableiter flächenmäßig kleiner ausgeführt sind und mit einer isolierenden Polymerschicht an den Rändern umgeben sind, überdecken die Stromableiter das Dichtelement nicht oder nicht vollständig mit ihrem leitfähigen Bereich, sondern ganz oder teilweise mit der an ihren Rändern angeordneten Polymerschicht.
Ähnlich wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird ein Austreten von Material aus der Anode bzw. aus der Kathode dadurch vermieden, dass in Stapelrichtung einwirkende Kräfte beispielsweise den der Anode zugeordneten Stromableiter gegen das Dichtelement pressen, das Dichtelement wiederum gegen den Separator drückt, der wiederum an den zweiten, der Kathode zugeordneten Stromableiter angepresst wird.
Da die Stromableiter flächenmäßig kleiner ausgeführt sind und mit einer isolierenden Polymerschicht an ihren Rändern versehen sind, ist das galvanische Element auch in dieser Anordnung am Rand elektrisch isoliert.
In einer Ausführungsvariante umfasst die Abdichtung für jedes galvanische Element zwei Dichtelemente, wobei die Dicke des einen Dichtelements der Dicke der Anode und die Dicke des anderen Dichtelements der Dicke der Kathode entspricht und ein Dichtelement jeweils zwischen dem Separator und dem der jeweiligen Elektrode zugeordneten Stromableiter im Randbereich angeordnet ist. Des Weiteren ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Separator über die Flächen der Elektroden und der Stromleiter hinausragt und eine isolierende Polymerschicht an den Rändern der Stromableiter angeordnet ist.
Wie bei der vorangegangenen Ausführungsvariante beschrieben werden die in Stapelrichtung auf das galvanische Element einwirkenden Kräfte genutzt, um die galvanischen Elemente an ihren Rändern abzudichten. Dabei wird beispielsweise der der Anode zugeordnete Stromableiter gegen das Dichtelement gepresst, dessen Dicke der Dicke der Anode entspricht, dieses Dichtelement wiederum wird gegen den Separator gedrückt, der Separator wird gegen das Dichtelement, dessen Dicke der der Kathode entspricht, gedrückt und dieses Dichtelement wiederum wird gegen den zweiten Stromableiter, der der Kathode zugeordnet ist, gedrückt.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Rand der Schichtfolge eines galvanischen Elements mit einem isolierenden Polymer oder mit einem Klebstoff beschichtet.
Diese Beschichtung kann zusätzlich oder alternativ zu den zuvor beschriebenen Dichtelementen in der Anordnung verwendet werden.
Ebenfalls ist es denkbar, Dichtelemente mit den jeweiligen an das Dichtelement angrenzenden Schichten zu verkleben, wenn Dichtelemente innerhalb der Schichtfolge eines galvanischen Elements am Rand eingesetzt werden. Auf diese Weise kann die aus der reinen Anpresskraft resultierende Dichtwirkung weiter verbessert werden.
In der Anordnung können große Kräfte auf die gestapelten galvanischen Elemente einwirken, beispielsweise aufgrund einer Materialausdehnung innerhalb der galvanischen Elemente oder durch eine von außen einwirkende Anpresskraft. Dabei ist es vorteilhaft, wenn sich die einzelnen galvanischen Elemente über ihre gesamte Fläche gesehen, nicht ungleichmäßig verformen. Daher ist in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehen, dass innerhalb eines galvanischen Elements Stützstrukturen ausgebildet sind, die eingerichtet sind, auf das galvanische Element in Stapelrichtung einwirkende Kräfte aufzunehmen.
In einer Ausführungsform der Anordnung sind die Stützstrukturen als Erhebungen in den Stromableitern ausgeführt, wobei auf den Erhebungen ein elektrisch isolierendes Material angeordnet ist.
Die Erhebungen in den Stromableitern können, wenn die Stromableiter beispielsweise als Metallfolien ausgeführt sind, durch Prägungen in den Metallfolien erzeugt werden. Die Isolation der Erhebungen sorgt dafür, dass sich die Struktur der Erhebungen nicht durch Materialanlagerungen beim Durchlaufen eines Lade-/Entladezyklus verändert. Ein Beispiel hierfür ist eine mögliche Anlagerung von metallischem Lithium aus der Anode beim Laden.
Durch die Erhebungen in den Stromableitern werden die dem jeweiligen Stromableiter zugeordneten Elektroden mechanisch gestützt, jedoch wirken die Erhebungen auch gleichzeitig als Barrieren innerhalb der Elektrode. Ein Austausch von Elektrolyt innerhalb der Elektrodenebene ist nicht mehr uneingeschränkt möglich. Dies könnte dazu führen, dass sich der Stromfluss ungleichmäßig über die Fläche der Elektrode verteilt und somit das galvanische Element ungleichmäßig geladen oder entladen wird. Daher ist in einer Variante der Erfindung vorgesehen, dass die Erhebungen in den Stromableitern Unterbrechungen aufweisen, die einen Elektrolytfluss innerhalb der Elektrode erlauben.
In einer Variante der Erfindung werden die Erhebungen in dem der Anode zugeordneten Stromableiter genau gegenüber entsprechenden Erhebungen im der Kathode zugeordneten Stromableiter angeordnet. In weiteren Ausführungsformen kann ein gezielter lateraler Versatz der Erhebungen vorgesehen sein.
Die Erhebungen können auf verschiedene Weise in den Stromableitern angeordnet werden, so dass diese beispielsweise Kreise, Rechtecke, Sechsecke oder andere geometrische Formen bilden. In weiteren Ausführungsformen ist es denkbar, dass zwischen den Erhebungen in einem Stromableiter und den entsprechenden Erhebungen auf dem gegenüberliegenden Stromableiter ein gezielter lateraler Versatz vorgenommen wird.
Um die beiden Stromableiter mit den in ihnen angelegten Erhebungen gezielt ausrichten zu können, können Verbindungselemente in den Stromableitern und im Separator angeordnet werden. Diese Verbindungselemente sind beispielsweise als Vertiefungen in den Stromableitern und Erhöhungen im Separator ausgebildet, wobei jeweils eine Vertiefung im Stromableiter mit der Erhöhung im Separator einen Formschluss bilden und somit die laterale Ausrichtung der Schichten untereinander genau definieren. Ebenso aber nicht grafisch dargestellt, können die isolierten Erhebungen als eingelegtes Netz oder als gitterartige separate Struktur der hier eben dargestellten Form vorgesehen sein, wobei die tunnelartigen Durchführungen für Elektrolyte als Netzelemente mit teilweise geringerer Dicke ausgeführt werden können. Die Netzelemente können eingelegt sein zwischen Elektroden (insbes. Anode) und Separatoren.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, eine Batterie umfassend mindestens eine Anordnung wie soeben beschrieben bereitzustellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1a eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,
1b ein zwischen Gehäuse und Abdichtung aufgenommenes Band,
1c eine Variante der ersten Ausführungsform der Anordnung,
2a eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,
2b eine Variante des Dichtelements der zweiten Ausführungsform,
3 eine Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,
4 eine Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,
5 innerhalb eines galvanischen Elements ausgebildete Stützstrukturen,
6 eine Öffnung innerhalb einer Stützstruktur,
7 Verbindungselemente an einem Dichtelement,
8a eine schematische Darstellung der Anordnung und Positionierung der Stützelemente in einer Ansicht in Stapelrichtung und
8b die Anordnung und Positionierung der Stützelemente in einer Schnittdarstellung.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten oder Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1a zeigt eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 100. Die Anordnung 100 umfasst mehrere galvanische Elemente, wobei ein erstes galvanisches Element 201 vollständig und ein zweites galvanisches Element 202 teilweise dargestellt ist. Die galvanischen Elemente 201, 202 sind in einem Gehäuse 14 angeordnet, dessen Wandung in der 1a nur angedeutet ist.
Die galvanischen Elemente 201, 202 umfassen einen der Anode zugeordneten Stromableiter 1, eine Anode 2, einen Separator 5, eine Kathode 6 und einen der Kathode 6 zugeordneten Stromableiter 7.
An den Rändern der galvanischen Elemente 201, 202 sind Dichtelemente 9 angeordnet. In der in 1a dargestellten ersten Ausführungsform umfassen die Dichtelemente 9 jeweils eine Wulst 200, die nach innen gerichtet ist und in die Schichtfolge der galvanischen Elemente 201, 202 eingreift. In der in 1a dargestellten Ausführungsvariante greift die Wulst 200 zwischen dem der Kathode 6 zugeordneten Stromableiter 7, und dem Separator 5 ein. Auf der dem Wulst 200 gegenüberliegenden Seite weist der der Anode zugeordnete Stromableiter 1 eine Erhebung mit einem umlaufenden Rand 4 auf. Dieser Rand 4 ist eingerichtet, Kraft, die über die Wulst 200 auf den Separator 5 übertragen wird und somit den Separator 5 gegen den der Anode zugeordneten Stromableiter 1 drückt, aufzunehmen. Bei Einwirkung einer Kraft in Stapelrichtung 204 auf die Dichtelemente 9 wird somit über die Wulst 200 der Separator 5 dichtend gegen den der Anode zugeordneten Stromableiter 1 gedrückt und schließt somit die Anode 2 zuverlässig an den Rändern ab, so dass kein Material austreten kann. Dabei ist die Kraft, die auf das Dichtelement wirkt, so bemessen, dass der Stromableiter von der Kathode der einen Zelle den Stromableiter von der Anode der zweiten Zelle direkt oder über ein eingefügtes leitfähiges Mittel kontaktieren kann, also die Dichtungsmittel stark genug nachgeben, so daß eine Berührung der Ableiter von Zelle zu Zelle möglich ist.
Wie der 1a ebenfalls entnommen werden kann, ist der der Kathode zugeordnete Stromableiter 7 des ersten galvanischen Elements 201 an seinen Rändern zwischen dem Dichtelement 9 des ersten galvanischen Elements 201 und dem Dichtelement 9 des benachbarten zweiten galvanischen Elements 202 aufgenommen. Wirkt eine Kraft in Stapelrichtung 204 auf die Dichtelemente 9 ein, wird der der Kathode zugeordnete Stromableiter 7 fest gegen das Dichtelement 9 gedrückt und schließt somit zuverlässig die Kathode 6 an dem Rand ab, so dass kein Material austreten kann.
In Varianten der Anordnung 100 können die galvanischen Elemente 201, 202 eine ionenleitende Gelschicht 3 umfassen, die zwischen der Anode 2 und dem Separator 5 angeordnet ist. Mit der Gelschicht 3 wird der Kontakt zwischen einer metallischen Anode 2 und dem Separator 5 verbessert.
Ebenfalls ist es in einer Variante der Anordnung 100 möglich, den elektrischen Kontakt zwischen dem ersten galvanischen Element 201 und dem zweiten galvanischen Element 202, der durch das Aufeinanderpressen des der Kathode zugeordneten Stromableiters 7 des ersten galvanischen Elements 201 mit dem der Anode zugeordneten Stromableiter 1 des zweiten galvanischen Elements 202 entsteht, mit Hilfe eines leitfähigen Klebers 8 zu verbessern. In weiteren Varianten kann anstelle des Klebers 8 auch eine Schweiß- oder Lötverbindung vorgesehen werden.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann der Separator 5 zweischichtig ausgeführt werden, wobei dieser eine poröse Schicht 5.1 aufweist, mit der die Ionenleitung zwischen Separator 5 und Anode 2 hergestellt werden kann. Eine weitere Schicht 5.2, die geschlossen ausgeführt ist, sorgt für eine zuverlässige Trennung zwischen Anode und Kathode.
Des Weiteren ist es möglich, wie in der Ausführungsform der 1a dargestellt, zusätzlich zur Abdichtung durch den Anpressdruck die Dichtung zwischen Separator 5 und dem ersten, der Anode zugeordneten, Stromableiter 1 mit einer zwischen dem Dichtelement 9 und dem Separator 5 und dem der Anode zugeordneten Stromableiter 1 angeordneten Klebstoffschicht 11 zu verbessern. In einer weiteren Variante kann die Klebstoffschicht 11 auch zwischen dem Dichtelement 9 und dem der Kathode zugeordneten Stromableiter 7 vorgenommen werden. Als Klebstoff für die Klebstoffschicht 11 ist beispielsweise ein Epoxidharz, ein Polyacrylat oder ein Polyisocyanat geeignet.
Die Dichtelemente 9 sind an ihrer Außenseite glatt ausgeführt und folgen der Kontur der Wandung des Gehäuses 14. Auf diese Weise werden die galvanischen Elemente 201, 202 innerhalb des Gehäuses 14 sicher positioniert, wobei gleichzeitig in einer Richtung eine Bewegung der galvanischen Elemente 201, 202 relativ zum Gehäuse 14 möglich bleibt.
1b zeigt einen Ausschnitt eines Dichtelements 9, welches an der Wandung eines Gehäuses 14 anliegt. Das Dichtelement 9 ist beispielsweise Teil der zur 1a beschriebenen Anordnung 100 und erlaubt eine Bewegung eines galvanischen Elements 201, 202 relativ zum Gehäuse 14. Damit das Dichtelement 9 leichter an der Wandung des Gehäuses 14 entlanggleiten kann, ist zwischen dem Dichtelement 9 und der Wandung ein Gleitelement 214 vorgesehen. Das Gleitelement 214 kann beispielsweise als Band ausgeführt sein, welches die Wandung des Gehäuses 14 auskleidet oder um die galvanischen Elemente 201, 202 gewickelt wird.
1c zeigt eine Variante der ersten Ausführungsform der Anordnung 100. Im Gegensatz zu der in 1a beschriebenen Ausführungsform ist die Wulst 200 zweigeteilt ausgeführt, so dass zwischen den beiden Teilen der Wulst 200 ein Raum 12 ausgebildet wird. Der Raum 12 stellt Platz zur Verfügung, um Material der Kathode 6 aufzunehmen, falls diese sich im Rahmen eines Lade-/Entladezyklus ausdehnen sollte.
Der Darstellung der 1c kann des Weiteren entnommen werden, dass zur Verbesserung der Ausrichtung des ersten galvanischen Elements 201 zum zweiten galvanischen Element 202 das Dichtelement 9‘ mit einer in Richtung der Anode 2 zeigenden und nach außen zulaufenden Schräge 10.1 versehen werden kann, die mit einer entsprechenden Schräge 10.2 am benachbarten Dichtelement 9 zusammenwirkt. Die Schräge 10.2 am benachbarten Dichtelement 9 zeigt in Richtung der Kathode 6 und ist nach innen zulaufend ausgeführt. Die gewählte Form der Schrägen 10.1 und 10.2 bewirkt, dass beim Stapeln der galvanischen Elemente 201, 202 eine Selbstzentrierung erfolgt.
In 2a ist eine zweite Ausführungsform der Anordnung 100 dargestellt. Das galvanische Element 201 umfasst wieder einen der Anode zugeordneten Stromableiter 1, eine Anode 2, eine Gelschicht 3, einen Separator 5, eine Kathode 6 sowie einen der Kathode 6 zugeordneten Stromableiter 7. Um einen Raum 12 zu schaffen, der Material der Kathode 6 im Falle einer Ausdehnung der Kathode 6 aufnehmen kann, sind zwei Folien 12a und 12b im Randbereich zwischen dem Separator 5 und dem der Kathode 6 zugeordneten Stromableiter 7 angeordnet. Der Raum 12 wird zwischen den beiden Folien 12a und 12b ausgebildet. Sowohl die beiden Stromableiter 1, 7 als auch die Anode 2 und die Kathode 6 sind flächenmäßig kleiner als der Separator 5 ausgeführt, so dass der Separator 5 über den Rand dieser Teile hinaus ragt. Um wieder auf die gleiche Fläche wie die des Separators 5 zu kommen, ist am Rand des der Anode zugeordneten Stromableiters 1 eine Polymerschicht 13 angeordnet. Hingegen ist beim der Kathode zugeordneten Stromableiter 7 keine Polymerschicht, sondern ein Dichtelement 9 angeordnet. Wirkt in Stapelrichtung 204 eine Kraft auf den Randbereich ein, so wird das Dichtelement 9 die Folien 12a und 12b an den Separator 5 anpressen, wodurch die Kathode 6 zum Rand hin abgedichtet wird.
Des Weiteren wird durch die Krafteinwirkung der Separator 5 gegen den der Anode 2 zugeordneten Stromableiter 1 bzw. gegen die Polymerschicht 13 gedrückt, so dass auch die Anode 2 zum Rand hin abgedichtet wird. Als Material für die Polymerschicht 13 ist beispielsweise Polyurethan geeignet.
Die durch den Anpressdruck erreichte Dichtwirkung kann zusätzlich verstärkt werden, indem Klebeschichten 11.1 zwischen der Polymerschicht 13 und der Folie 12b, eine Klebeschicht 11.3 zwischen der Folie 12a und dem Dichtelement 9 und eine Klebeschicht 11.2, die ausgehend vom Dichtelement 9 bis hin zur Polymerschicht 13 den Rand des galvanischen Elements 201 überdeckt, vorgesehen werden.
In der Darstellung der 2a ist noch der der Anode des benachbart angeordneten zweiten galvanischen Elements 202 zugeordnete Stromableiter 1‘ sowie dessen Polymerschicht 13 zu sehen. Zwischen diesem Stromableiter 1‘ des zweiten galvanischen Elements 202 und dem der Kathode zugeordneten Stromableiter 7 des galvanischen Elements 201 bildet sich durch das Zusammenpressen ein weiterer Raum 12c aus, der bei Verformung der Folie 12a und des der Kathode zugeordneten Stromableiters 7 ebenfalls eine Ausdehnung der Kathode 6 kompensieren kann.
2b zeigt eine Variante des Dichtelements 9 der zweiten Ausführungsform der Anordnung 100. Dabei sind die nach innen gerichteten Kanten 9.1 des Dichtelements 9 abgerundet, um eine Beschädigung des der Kathode zugeordneten Stromableiters 7 zu vermeiden.
In 3 ist schematisch eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 100 dargestellt. Die dritte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der zweiten Ausführungsform, jedoch ist das Dichtelement 9 in der dritten Ausführungsform in „U“-Form ausgeführt. Die U-förmig gefaltete Form erlaubt es dem Dichtelement 9 ohne große Krafteinwirkung eine Dickenveränderung auszugleichen. Dies zeigt sich in der Darstellung der 3 über die Kraftvektoren 205 bei Einwirkung einer Kraft in Stapelrichtung 204. Die Länge der Kraftvektoren 205 gibt dabei den Betrag der Kraft an, die notwendig ist, um die in 3 dargestellte Anordnung um die Strecke 206 zu komprimieren. Dabei ist sofort ersichtlich, dass in den Randbereichen, in denen die Dichtelemente 9 angeordnet sind, eine geringere Kraft erforderlich ist, als in den übrigen Bereichen.
Umgekehrt erlaubt es die U-förmige Ausführung des Dichtelements 9, einer beispielsweise durch Änderung des Ladezustands verursachten Volumenänderung der galvanischen Elemente 201, 202 elastisch zu folgen, ohne Schaden zu nehmen. Die U-förmige Faltung des Dichtelements 9 wirkt hierbei wie ein elastisches Federelement.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 100. Dargestellt ist wieder ein galvanisches Element 201 mit einem der Anode zugeordneten Stromableiter 1, einer Anode 2, einer Gelschicht 3, einem Separator 5, einer Kathode 6 und einem der Kathode zugeordneten Stromableiter 7. Des Weiteren ist der der Anode zugeordnete Stromableiter 1‘ eines zweiten galvanischen Elementes angedeutet.
Die beiden Stromableiter 1, 7 sowie die Elektroden 2, 6 sind flächenmäßig kleiner ausgeführt als der Separator 5, so dass dieser über die Elektroden 2, 6 und die Stromableiter 1, 7 hinausragt. An den Rändern der Stromableiter 1, 7 ist jeweils zum Rand hin eine Polymerschicht 13 angeordnet, so dass die beiden Stromableiter 1, 7 zum Rand bzw. in Richtung der Wandung des Gehäuses 14 hin isoliert sind.
In der in 4 dargestellten Ausführungsform ist für jedes galvanische Element 201 eine Abdichtung umfassend zwei Dichtelemente 9, 10 vorgesehen. Dabei ist die Dicke des ersten Dichtelements 9 so gewählt, dass die Dicke der der Anode 2 bzw., da in dieser Ausführungsform zusätzlich eine Gelschicht vorgesehen ist, der zusammengenommenen Dicke der Anode 2 und der Gelschicht 3 entspricht.
Die Dicke des zweiten Dichtelements 10 entspricht der Dicke der Kathode 6. Das erste Dichtelement 9 ist zwischen dem Separator 5 und dem der Anode zugeordneten Stromableiter 1 angeordnet. In der in 4 dargestellten Ausführungsform ist die Fläche des der Anode zugeordneten Stromableiters 1 so klein, dass lediglich die dem der Anode 2 zugeordneten Stromableiter 1 zugeordnete Polymerschicht 13 das erste Dichtelement 9 überdeckt.
Das zweite Dichtelement 10 ist wiederum zwischen dem Separator 5 und dem der Kathode 6 zugeordneten Stromableiter 7 angeordnet, wobei auch hier die Fläche des Stromableiters 7 so gering ausgeführt ist, dass lediglich die dem der Kathode 6 zugeordneten Stromableiter 7 zugeordnete Polymerschicht 13 das zweite Dichtelement 10 überlappt. Bei Einwirkung einer Kraft in Stapelrichtung 204 werden durch die beiden Dichtelemente 9 und 10 die beiden Elektroden 2 und 6 jeweils zum Rand hin abgedichtet. Diese Abdichtung kann weiter verbessert werden, indem zum Beispiel zwischen den Dichtelementen 9 und 10 und dem Separator 5 jeweils eine Klebstoffschicht 11 angeordnet wird. In weiteren Ausführungsvarianten ist es denkbar, ebenfalls eine Klebstoffschicht zwischen den Dichtelementen 9 und 10 und der jeweiligen Polymerschicht 13 anzuordnen.
In 5 ist ein Ausschnitt der erfindungsgemäßen Anordnung 100 dargestellt. In dem Ausschnitt der Anordnung 100 ist ein galvanisches Element 201 erkennbar. Der 5 kann des Weiteren eine Stützstruktur im Inneren des galvanischen Elementes 201 entnommen werden. Die Stützstruktur ist in der in 5 gezeigten Ausführungsform in Form von Prägungen 18 in den Stromableitern 1, 7 ausgeführt. Auf den Prägungen 18 ist ferner eine Schicht eines isolierenden Materials 19 angeordnet. Bei einer Krafteinwirkung in Stapelrichtung 204 können die einwirkenden Kräfte somit zumindest teilweise von dem jeweiligen Stromableiter 1, 7 über den Separator 5 an den jeweils gegenüberliegenden Stromableiter 1, 7 übertragen werden, ohne dass die Elektroden 2, 6 verformt werden. Das Material der Stromableiter 1, 7 (in der Regel eine Metallfolie) ist, insbesondere nach Vornahme der Prägungen 18, steifer als das Material der Elektroden 2, 6 und somit zur Aufnahme der Kräfte besser geeignet.
Selbstverständlich ist es möglich, die in 5 dargestellten Stützstrukturen auch bei anderen Stapelreihenfolgen der Schichten in einem galvanischen Element 201 zu verwenden.
In der 6 ist ein der Kathode 6 zugeordneter Stromableiter 7 dargestellt, der eine Prägung 18 aufweist, wobei die in 6 dargestellte Schnittansicht senkrecht zu der Darstellung in der 5 an der Position A ist. An der dem Separator zugewandten Seite der Prägung 18 ist diese mit einem isolierenden Material 19 versehen. Innerhalb der Kathode 6 stellt die Prägung 18 eine Barriere dar, die keinen Substanzaustausch ermöglicht. Insbesondere wird eine Strömung eines eventuell in der Kathode 6 vorhandenen Katalyts unterbunden. Dies ist jedoch unerwünscht, da dies zu Ungleichheiten im Stromfluss durch die Elektrode und somit zu einem ungleichmäßigen Laden bzw. Entladen des galvanischen Elements führen kann. Deswegen sind in der Prägung 18 Unterbrechungen 18a vorgesehen, die als Öffnungen dienen und einen Stoffaustausch, insbesondere einen Fluss eines Elektrolyten, ermöglichen.
7 zeigt eine Ausführungsvariante eines Dichtelements 9, welches in eine Schichtfolge eines galvanischen Elements 201, 202 eingreift. Das Dichtelement 9 ragt über den Rand des galvanischen Elements 201 hinaus und weist auf einer Seite des hinausragenden Bereichs eine Vertiefung 9.4 und auf der entgegengesetzten Seite des hinausragenden Bereichs eine Erhebung 9.5 auf. Die Erhebung 9.5 ist so ausgestaltet, dass diese in eine Vertiefung 17 in einem Dichtungsband 15 formschlüssig eingreifen kann und so eine stabile Verbindung zwischen dem Dichtelement 9 und dem Dichtungsband 15 herstellt. Am Dichtungsband 15 wiederum ist eine Erhebung 16 angeordnet, die eingerichtet ist in die Vertiefung 9.4 des Dichtelements 9 einzugreifen. Je nach Ausführungsform ist es denkbar, das Dichtelement 9 eines jeden galvanischen Elements 201, 202 wie in der 7 dargestellt auszuführen und somit zwischen zwei benachbarten galvanischen Elementen 201, 202 jeweils ein Dichtungsband 15 anzuordnen. In weiteren Ausführungsformen ist es denkbar, das Dichtungsband 15 dicker auszuführen und beispielsweise nur jedes fünfte galvanische Element 201, 202 mit einem Dichtelement 9, welches durch die Vertiefung 9.4 und Erhebung 9.5 als Verbindungselement ausgeführt ist, zu versehen. Die Dicke des Dichtungsbands 15 wird dann so bemessen, dass es zwei benachbarte, als Verbindungselement ausgeführte Dichtelemente 9 miteinander verbindet.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung kann als Material für das Dichtungsband 15 ein Elastomer verwendet werden. In diesem Fall ist das Dichtungsband 15 elastisch und kann leicht Dickenänderungen eines galvanischen Elements 201, 202 ausgleichen. Geeignete Materialien für das Dichtungsband 15 und die Dichtelemente 9 sind beispielsweise Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyphenylensulfid (PPS) sowie Fluorelastomere.
Die Erhebung 16 und die Vertiefung 9.4 bzw. die Erhebung 9.5 und die Vertiefung 17 können in der Art eines Druckknopfs ausgeführt sein, d. h. dass beispielsweise die Erhebung 16 ein wenig größer dimensioniert ist als die Vertiefung 9.4 und entsprechend die Vertiefung 17 etwas kleiner dimensioniert ist als die Erhebung 9.5. Beim Herstellen der Formschlussverbindung wirkt dann eine Kraft, die die Verbindung zusammenhält. Selbstverständlich ist es auch möglich, genau umgekehrt die Erhebung 9.5 etwas größer als die Vertiefung 17 und die Vertiefung 9.4 etwas kleiner als die Erhebung 16 auszuführen. Die geometrischen Formen der Erhebungen 16 und 9.5 sowie der Vertiefungen 9.4 und 17 entsprechen im Wesentlichen einander, wobei wie soeben ausgeführt, die Dimensionierung etwas abweichen kann. Als geometrische Formen eignen sich beispielsweise Kreise, eine Linienform, eine V-Form oder eine Z-förmige Form. Dabei können komplexere Formen, wie die V- oder Z-Form im Vergleich zu einer Linienform besser Kräfte aus verschiedenen Richtungen aufnehmen.
8a zeigt schematisch in einer Draufsicht in Stapelrichtung die Anordnung von Verbindungselementen 16, 17, 9.4, 9.5, die Anordnung von Erhebungen, die als Stützstrukturen 18 dienen sowie die Anordnung von zusätzlichen Ausrichtungselementen 20, 21.
An dem dem Gehäuse 14 zugewandten Rand sind dabei die in den Dichtelementen 9, 10 positionierten Vertiefungen bzw. Erhebungen 16, 17, 9.4, 9.5 angeordnet. Mit Hilfe dieser Verbindungselemente lassen sich die einzelnen galvanischen Elemente 201, 202 relativ zueinander ausrichten.
Weiter im Inneren liegend befinden sich Ausrichtungselemente 20, 21. Diese sind ähnlich wie die Prägungen 18 innerhalb der Schichtstruktur eines galvanischen Elements 201, 202 ausgebildet und dienen dazu, die einzelnen Schichten eines galvanischen Elements 201, 202 relativ zueinander auszurichten. Im Inneren der Struktur liegend befinden sich die Prägungen 18, die als Stützelemente in dem galvanischen Element 201, 202 dienen und die Elektroden 2, 6 abstützen.
In der in 8a dargestellten Ausführungsform sind die Stützstrukturen 18 rechteckförmig ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen wären auch andere Formen, wie beispielsweise Kreisformen oder Sechsecke möglich.
In 8b ist die gleiche Situation wie in 8a dargestellt, jedoch in einer Schnittansicht von vorne. In der 8b sind schematisch zwei galvanische Elemente 201, 202 dargestellt, wobei jedes galvanische Element 201, 202 ein erstes Dichtelement 9 und ein zweites Dichtelement 10 aufweist. Zum Verbinden der galvanischen Elemente 201, 202 und um diese gegeneinander auszurichten, weist das Dichtelement 9 des ersten galvanischen Elements 201 eine Erhebung 9.5 auf. Diese greift in eine entsprechende Vertiefung 17 des Dichtungsbands 15 ein. Das Dichtungsband 15 wiederum weist eine Erhebung 16 auf, die in eine entsprechende Vertiefung 9.4 im ersten Dichtelement 9 des benachbart angeordneten zweiten galvanischen Elements 202 eingreift. Durch diese Verbindungsmittel wird die Ausrichtung der galvanischen Elemente 201, 202 zueinander festgelegt. Weiter im Inneren liegend weist der der Anode zugeordnete Stromableiter 1 des ersten galvanischen Elements 201 eine Erhebung 20 auf, die in eine Vertiefung 21 des zweiten Dichtelements 10 des ersten galvanischen Elements 201 eingreift. In den weiteren Stromableitern und den jeweils benachbart zu den Stromableitern angeordneten Dichtelementen sind vergleichbare Erhebungen und Vertiefungen angeordnet. Die Ausrichtungselemente 20, 21 definieren auf diese Weise die Lage und Ausrichtung der Stromableiter 1 und 7 relativ zu den Dichtelementen 9, 10 und zusammen mit den Dichtelementen 9 und 10 somit auch die genaue Ausrichtung der Stromableiter 1, 7 zueinander. Dadurch wird in der in 8b dargestellten Situation gewährleistet, dass die Prägungen 18 in den Stromableitern 1, 7 einander genau gegenüber liegen. Mit Hilfe dieser genauen Ausrichtungsmöglichkeit könnte jedoch alternativ gezielt ein lateraler Versatz der Stützstruktur 18 im der Anode 2 zuordneten Stromleiter 1 zu der korrespondieren Stützstruktur 18 in dem der Kathode 6 zugeordneten Stromableiter 7 vorgesehen werden.

Claims

Anordnung (100) umfassend ein Gehäuse (14) und mehrere in dem Gehäuse (14) gestapelte galvanische Elemente (201, 202), wobei die galvanischen Elemente (201, 202) eine Schichtfolge umfassend einen einer Anode (2) zugeordneten Stromableiter (1), eine Anode (2), einen Separator (5), eine Kathode (6) und einen der Kathode (6) zugeordneten Stromableiter (7) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Abdichtung den Rand der Schichtfolge eines galvanischen Elements (201, 202) überdeckt, um diesen elektrisch zu isolieren und gasdicht abzuschließen, wobei die Außenfläche des der Anode zugeordneten Stromableiters (1) und die Außenfläche des der Kathode zugeordneten Stromableiters (7) zumindest teilweise frei bleiben, so dass der der Kathode (6) zugeordnete Stromableiter (7) eines galvanischen Elements den der Anode (2) zugeordneten Stromableiter (1) eines im Gehäuse (14) benachbart angeordneten galvanischen Elements (201, 202) elektrisch kontaktiert.
Anordnung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanischen Elemente (201, 202) mittels ihrer Abdichtung im Gehäuse (14) positioniert werden und das Gehäuse (14) und die Abdichtung so ausgestaltet sind, dass eine Bewegung eines galvanischen Elements (201, 202) relativ zum Gehäuse (14) möglich ist, wenn sich das galvanische Element (201, 202) ausdehnt oder zusammenzieht.
Anordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung auf ihrer einem galvanischen Element (201, 202) zugewandten Innenseite einen Raum (12) aufweist, der zum Ausgleich einer Materialausdehnung einer der Elektroden (2, 6) eines galvanischen Elements (201, 202) eingerichtet ist.
Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Abdichtung elastisch ausgeführt ist, um eine Ausdehnung eines galvanischen Elements (201, 202) auszugleichen.
Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung der galvanischen Elemente (201, 202) Verbindungselemente (9.4, 9.5, 15, 16, 17) aufweist, um die Abdichtung eines galvanischen Elements (201, 202) mit der Abdichtung eines weiteren im Gehäuse (14) angeordneten galvanischen Elements (201, 202) zu verbinden.
Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung ein Dichtelement (9, 10) mit einer Wulst (200) aufweist, die nach innen gerichtet ist und eingerichtet ist, Kraft, die in Stapelrichtung (204) auf das Dichtelement (9) einwirkt, zumindest teilweise auf den Separator (5) in Richtung eines der Stromableiter (1, 7) zu übertragen.
Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (5) über die Flächen der Elektroden (2, 6) und über die Flächen der Stromableiter (1, 7) hinausragt, eine isolierende Polymerschicht (13) an den Rändern der Stromableiter (1, 7) angeordnet ist und dass die Abdichtung ein Dichtelement (9) umfasst, welches so angeordnet und eingerichtet ist, dass der Separator (5) an einen der Stromableiter (1, 7) dichtend angedrückt wird.
Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (5) über die Flächen der Elektroden (2, 6) und über die Flächen der Stromableiter (1, 7) hinausragt, eine isolierende Polymerschicht (13) an den Rändern der Stromableiter (1, 7) angeordnet ist und dass die Abdichtung für jedes galvanische Element (201, 202) zwei Dichtelemente (9, 10) umfasst, wobei die Dicke des einen Dichtelements (9) der Dicke der Anode (2) und die Dicke des anderen Dichtelements (10) der Dicke der Kathode (6) entspricht und ein Dichtelement (9, 10) jeweils zwischen dem Separator (5) und dem der jeweiligen Elektrode (2, 6) zugeordneten Stromableiter (1, 7) im Randbereich angeordnet ist.
Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand der Schichtfolge eines galvanischen Elements (201, 202) mit einem isolierenden Polymer oder mit einem Klebstoff beschichtet ist.
Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines galvanischen Elements (201, 202) Stützstrukturen (18) ausgebildet sind, die eingerichtet sind, auf das galvanische Element (201, 202) in Stapelrichtung (204) einwirkende Kräfte aufzunehmen.
Anordnung (100) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstrukturen (18) als Erhebungen (22, 23) in den Stromableitern (1, 7) ausgeführt sind, wobei auf den Erhebungen ein elektrisch isolierendes Material (19) angeordnet ist.
Anordnung (100) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (22, 23) in den Stromableitern (1, 7) Unterbrechungen (18a) aufweisen, die einen Elektrolytfluss erlauben.
Batterie umfassend eine Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.