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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, wie beispielsweise eine Lithium-Ionen-Zelle. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Batteriezelle mit einem verbesserten Schutz vor Beschädigungen durch äußere Krafteinwirkung.
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Stand der Technik
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Batterien, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, sind in vielen täglichen Anwendungen weit verbreitet. Sie werden beispielsweise in Computern, wie etwa Laptops, Mobiltelefonen, Smartphones und bei anderen Anwendungen eingesetzt. Auch bei der zur Zeit stark vorangetriebenen Elektrifizierung von Fahrzeugen, wie etwa Kraftfahrzeugen, bieten derartige Batterien Vorteile.
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Lithium-Ionen-Batterien, welche etwa in Fahrzeuganwendungen zum Einsatz kommen, weisen oftmals aufgrund des Volumennutzwertes eine prismatische Form auf. Im Inneren des Gehäuses befindet sich dann ein flach gepresster Wickel, der entsprechende Elektrodenfolien aufweisen kann. Die oftmals als Folien ausgestalteten Elektroden sind über einen Stromkollektor mit einem Anschluss zum Abgreifen elektrischer Spannung verbunden.
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Aus dem Dokument
US 5,326,653 ist eine Batterie bekannt, die eine verstärkte Stromkollektoranordnung aufweist. Im Detail beschreibt dieses Dokument, dass ein Bereich des Anodenstromkollektors und ein Bereich des Kathodenstromkollektors aus einem Gehäuse hervorstehen und von außen an dem Gehäuse befestigt sind, um die hervorstehenden Bereiche zu verstärken.
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Aus dem Dokument
US 2010/0285355 A1 ist ferner eine elektrochemische Zelle bekannt, die eine erste Elektrode und eine von der ersten Elektrode beabstandete zweite Elektrode aufweist. Dabei umfasst die zweite Elektrode einen Stromkollektor und einen elektrisch leitfähigen starren Rahmen, der mit dem Stromkollektor elektrisch leitend verbunden ist.
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Das Dokument
JP 61296653 A beschreibt weiterhin eine Elektrodenplatte, welche eine verringerte Deformation aufweisen soll. Dazu ist eine Gitteranordnung vorgesehen, welches aus einem inneren Gitter und einem äußeren Gitter aufgebaut ist, wobei das äußere Gitter mit einem Stromkollektor verbunden ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Batteriezelle, aufweisend ein Zellgehäuse, welches Zellgehäuse einen Zellraum zum Aufnehmen einer elektrochemischen Zelleinheit begrenzt, wobei die Zelleinheit zwei entgegengesetzt polbare Anschlüsse aufweist, die jeweils über einen Stromkollektor mit einem externen Kontakt zum Abgreifen elektrischer Spannung verbunden sind. Dabei weist das Zellgehäuse bodenseitig wenigstens eine Aufnahme zum Fixieren eines Stromkollektors auf, welche Aufnahme den Stromkollektor wenigstens zweiseitig quer zu der Erstreckungsrichtung des Stromkollektors abstützt und eine Bewegbarkeit des Stromkollektors quer zu seiner Erstreckungsrichtung begrenzt.
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Eine vorbeschriebene Batteriezelle erlaubt eine verbesserte Stabilität und dabei insbesondere einen verbesserten Schutz vor Beschädigungen bei Fehlerfällen mit einer äußeren mechanischen Beeinflussung der Batteriezelle beziehungsweise Krafteinwirkung auf die Batteriezelle.
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Eine Batterie kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Primärbatterie oder in vorteilhafter Weise eine Sekundärbatterie, wie insbesondere ein wieder aufladbarer Akkumulator, sein. Beispielsweise kann eine Batterie eine lithiumbasierte Batterie, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie beziehungsweise ein Lithium-Ionen-Akkumulator, sein. Somit kann eine Batteriezelle entsprechend beispielsweise eine Lithium-Ionen-Zelle sein.
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Eine derartige Batteriezelle weist ein Zellgehäuse auf. Das Zellgehäuse kann beispielsweise aus einem Kunststoff oder aus Metall ausgestaltet sein, wie dies für Zellgehäuse grundsätzlich bekannt ist.
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Das Zellgehäuse begrenzt dabei einen Zellraum zum Aufnehmen einer elektrochemischen Zelleinheit, in welchem Zellraum eine oder eine Mehrzahl von Zelleinheiten angeordnet ist. Dabei kann nur eine Zelleinheit vorgesehen sein oder in vorteilhafter Weise kann eine Mehrzahl an Zelleinheiten vorgesehen sein. Die eine oder die Mehrzahl an Zelleinheiten können dabei in einer prismatischen Form ausgestaltet sein. In diesem Fall kann sich in dem Inneren des Gehäuses ein auch als Wicklungselement bezeichneter flach gepresster Wickel befinden, der beispielsweise eine Aluminiumfolie und eine Kupferfolie aufweist, welche mit reaktiven Kathodenmaterialien beziehungsweise Anodenmaterialien beschichtet ist. Weiterhin können zwei etwa als Diaphragmen ausgestaltete Kunststofffolien vorgesehen sein, welche die Anode und die Kathode trennen. Grundsätzlich kann unter einer Zelleinheit eine Anordnung aufweisend eine Kathode, eine Anode und einen Separator verstanden werden. Insbesondere durch das Vorsehen eines Wicklungselements kann das in dem Zellgehäuse vorliegende Volumen optimal ausgenutzt werden und somit eine hohe volumenspezifische Kapazität erzielt werden.
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Um ein elektrisches Kontaktieren der Kathode beziehungsweise der Anode der Zelleinheit wie beispielsweise des als Folienwickel ausgestalteten Wicklungselements zu realisieren, können beispielsweise die beiden als Kathode beziehungsweise als Anode ausgestalteten Folien nicht passgenau aneinander gelegt werden, sondern in Richtung der Wickelachse leicht versetzt werden. Dadurch lässt sich an einer offenen Schmalseite des Wicklungselements die negative Spannung, an der anderen, gegenüberliegenden Schmalseite, die positive Spannung der jeweiligen Folie beziehungsweise Elektrode abgreifen. Somit umfasst die Zelleinheit zwei entgegengesetzt polbare Anschlüsse. Die Kontaktierung kann beispielsweise mit den so genannten Stromkollektoren beziehungsweise Stromabnehmern realisiert werden. Diese können beispielsweise und nicht beschränkend als überstehende Folienstreifen mit angeschweißten streifenförmigen Blechstreifen, etwa aus den entsprechenden Folienmaterialien, ausgestaltet sein. Dabei kann die Zelleeinheit beziehungsweise können die Zelleinheiten durch die Stromkollektoren wiederum mit einem externen elektrischen Kontakt, wie etwa einem Anschlussbolzen, verbunden sein. Somit kann unter einem Stromkollektor insbesondere ein derartiges Bauteil verstanden werden, welches unterschiedliche Batteriezellen oder unterschiedliche Bereiche einer Batteriezelle einer jeweils gemeinsamen Polung miteinander verbindet und/oder welches an einem Bereich einer Batteriezelle angeschlossen sein kann, um so eine beispielsweise gemeinsame Ableitung oder Zuleitung von elektrischem Strom von beziehungsweise zu dem externen Kontakt zu ermöglichen. Der externe elektrische Kontakt beziehungsweise der Anschlussbolzen kann dabei durch das Gehäuse verlaufen oder als reiner äußerer Kontakt der Elektroden dienen.
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Das Zellgehäuse kann beispielsweise einen Gehäusegrundkörper aufweisen. Der Gehäusegrundkörper kann beispielsweise wannenartig ausgestaltet sein und dabei beispielsweise einen Wandbereich und einen Bodenbereich aufweisen. Dabei kann der Gehäusegrundkörper einstückig oder mehrstückig ausgestaltet sein, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Unabhängig von der konkreten Form des Gehäusegrundkörpers kann dieser eine Gehäuseöffnung aufweisen, die durch einen Gehäusedeckel verschließbar ist. Dadurch kann ein besonders einfaches Herstellen der Batteriezelle ermöglicht werden, da die aktiven Batteriekomponenten wie etwa die Zelleinheit auf einfache Weise in das Zellgehäuse beziehungsweise den Gehäusegrundkörper eingefügt werden können, woraufhin das Zellgehäuse durch Befestigen des Gehäusedeckels an der Gehäuseöffnung beziehungsweise an dem Gehäusegrundkörper verschlossen werden kann.
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Bei einem Herstellen einer derartigen Batteriezelle kann das Zellgehäuse nach dem Einbringen der Zelleinheit, wie beispielsweise des Zellwickels beziehungsweise des Wicklungselements und insbesondere nach einem Verschließen des Gehäusegrundkörpers, mit dem Gehäusedeckel mit einem flüssigen Elektrolyt befüllt werden. Dies kann etwa durch eine verschließbare Öffnung realisierbar sein, die lediglich eine Größe in einem Bereich von kleiner als 10mm, beispielsweise 5mm oder weniger, zu haben braucht, und durch ein geeignetes Verschlusselement verschlossen werden kann.
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Zurückkommend auf den Stromkollektor wird dieser oftmals an einem Kopfbereich der Batteriezelle befestigt. Beispielsweise kann der Stromkollektor zusammen mit anderen Bauteilen in einer Deckplatte fixiert und gehalten werden. Somit ist der Kopfbereich im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere der Bereich, an welchem die externen elektrischen Anschlüsse vorgesehen sind, wohingegen ein Bodenbereich insbesondere der Bereich ist, welcher dem Kopfbereich entgegengesetzt angeordnet ist.
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Um die Stabilität der Batteriezelle gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zu verbessern, ist es vorgesehen, dass das Zellgehäuse bodenseitig wenigstens eine Aufnahme zum Fixieren eines Stromkollektors aufweist, welche Aufnahme den Stromkollektor wenigstens zweiseitig quer zu der Erstreckungsrichtung des Stromkollektors abstützt und eine Bewegbarkeit des Stromkollektors quer zu seiner Erstreckungsrichtung begrenzt.
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Im Detail ist bei einer Batteriezelle somit vorgesehen, dass das Zellgehäuse bodenseitig wenigstens eine Aufnahme zum Fixieren eines Stromkollektors aufweist. Dabei wird die Erfindung im Weiteren grundsätzlich derart beschrieben, dass ein Stromkollektor durch die Aufnahme abgestützt wird, wobei es von der Erfindung gleichermaßen umfasst ist, das beide oder sämtliche vorgesehenen Stromkollektoren durch eine oder jeweils eine Aufnahme stabilisiert werden.
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Die bodenseitige Anordnung der Aufnahme kann dabei insbesondere bedeuten, dass die Aufnahme an dem Bodenbereich des Zellgehäuses angeordnet ist, was wiederum insbesondere bedeuten kann, dass die Aufnahme einteilig mit dem Bodenbereich des Zellgehäuses ausgestaltet ist, die Aufnahme also ein Teil des Bodenbereichs beziehungsweise des Zellgehäuses sein kann oder alternativ ein von dem Bodenbereich beziehungsweise von dem Zellgehäuse getrenntes Bauteil ist, welches jedoch mit dem Bodenbereich des Zellgehäuses verbunden sein kann. Der Bodenbereich des Gehäuses ist dabei insbesondere der dem Deckelbereich beziehungsweise dem Bereich der externen Kontaktierung entgegengesetzt angeordnete Bereich. Somit kann die Abstützung des Stromkollektors auf den Bodenbereich des Stromkollektors begrenzt sein oder in anderen Worten in Richtung des Deckelbereichs räumlich begrenzt sein.
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Weiterhin ist unter einer Aufnahme im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere zu verstehen ein Bauteil, welches dazu dient, den Stromkollektor zu fixieren beziehungsweise abzustürzen. Hierzu ist es insbesondere vorgesehen, dass die Aufnahme den Stromkollektor wenigstens zweiseitig, insbesondere an zwei gegenüberliegenden Seiten des Stromkollektors, quer zu der Erstreckungsrichtung des Stromkollektors abstützt und eine Bewegbarkeit des Stromkollektors quer zu seiner Erstreckungsrichtung in wenigstens diesen zwei Seiten beziehungsweise Richtungen dadurch begrenzt. Beispielsweise kann eine Aufnahme daher ein Bauteil sein, welches den Stromkollektor zumindest teilweise umrahmt und damit wenigstens zweiseitig aufnimmt, so dass die Stromkollektor beispielsweise zwischen zwei Bauteile des Stromkollektors eingeschoben werden kann. Somit kann es von Vorteil sein, dass die Aufnahme aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise einem Kunststoff, geformt ist.
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Durch das Vorsehen der vorbeschriebenen Aufnahme wird es möglich, beispielsweise im Falle einer Krafteinwirkung von außen auf die Batteriezelle, den Stromkollektor zu stabilisieren, indem dieser durch die Aufnahme fixiert werden kann, oder eine Bewegbarkeit zumindest signifikant reduziert werden kann, so dass eine Deformation des Stromkollektors nicht oder nur äußerst begrenzt stattfinden kann. Als Folge daraus wird eine Beschädigung des Stromkollektors und damit der Wicklungselemente verhindert oder zumindest deutlich verringert.
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In anderen Worten wird es durch die Aufnahme möglich, den Stromkollektor nicht nur an einem Deckelbereich der Batterie zu fixieren zur sondern auch an dem Bodenbereich derart zu stabilisieren, dass dieser auch bei einer vergleichsweise großen Krafteinwirkung stabil in seiner Position verbleiben kann. Somit kann auch eine vergleichsweise große Krafteinwirkung problemlos überstanden werden. Dadurch kann die Batteriezelle deutlich stoßunempfindlicher sein, was eine erhöhte Sicherheit zufolge hat. Das Vorbeschriebene kann insbesondere bei mobilen Anwendungen von Vorteil sein. So kann der Batteriezelle beispielsweise bei einem Einsatz in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug einen Unfall mit einer besonders hohen Stabilität überstehen. Ferner kann auch ein Sturz beispielsweise eines mobilen Geräts, wie etwa eines Mobiltelefons, welches mit einer derartigen Batteriezelle ausgestaltet ist, mit einer erhöhten Sicherheit überstanden werden.
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Dabei kann die Aufnahme ferner ermöglichen, dass diese die Toleranzen, die beim Montieren der Bauteile entstehen, ausgleichen kann. Im Detail können insbesondere Toleranzen ausgeglichen werden, die etwa bei der Herstellung entstehen können und beispielsweise und nicht beschränkend in einem Bereich von ca. 1mm bis ca. 2mm liegen können. Dies kann insbesondere dann erreicht werden, wenn die Aufnahme zumindest teilweise elastisch ausgestaltet ist, wie dies nachfolgend im Detail beschrieben ist.
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Die Aufnahme ist insbesondere dazu ausgestaltet, eine Bewegbarkeit des Stromkollektors in wenigstens einer Achse quer zu der Erstreckungsrichtung des Stromkollektors, vorzugsweise in jeglicher Richtung quer zu der Erstreckungsrichtung, zu verhindern, beziehungsweise derart wirkende Kräfte aufzunehmen. Dies kann ausreichen, da insbesondere derartige Kräfte zu einer Deformation der Stromkollektoren führen und eine Beschädigung der Wicklungselemente hervorrufen können. Kräfte entlang der Erstreckungsrichtung der Stromkollektoren brauchen dagegen nicht zwingend aufgefangen werden, da diesen bereits durch eine Befestigung der Stromkollektoren an dem Deckelbereich entgegengewirkt werden kann. Darüber hinaus kann auf diese Weise ein besonders einfacher Einbau beziehungsweise Ausbau des Stromkollektors, etwa bei einer Herstellung beziehungsweise Wartung, ermöglicht werden, so dass eine besonders gute Funktionalität ermöglicht werden kann.
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Durch die vorbeschriebene Ausgestaltung kann somit verhindert werden, dass der Stromkollektor von seiner Befestigung am Kopfbereich der Batteriezelle nach unten hin frei hängt, was bei einer Krafteinwirkung von außen auf die Batteriezelle, etwa durch einen Aufprall eines Fremdkörpers auf das Zellgehäuse, zu einer Deformation des Stromkollektors und damit zu Beschädigungen der Batteriezelle führen kann. Derartige Beschädigungen können unter Umständen bis zu einem Kurzschluss führen, was ein Gefährdungspotenzial nicht nur für die Batteriezelle selbst sondern auch für angrenzender Bauteile beziehungsweise in der Umgebung befindliche Personen mit sich bringen kann. Somit kann durch die vorbeschriebene Batteriezelle ermöglicht werden, dass eine derartige Deformation zu einem Abreißen der Stromkollektoren beziehungsweise der Wicklungselemente von dem Stromkollektor führen kann, was die Batteriezelle weiter beschädigt. Eine derartige Verformung kann dabei unter anderem deshalb auftreten, da die Wicklungselemente mit den Stromkollektoren verbunden sind, wodurch bei einer Krafteinwirkung von außen die gesamte Masse der Wicklungselemente mit auf den Stromkollektor wirkt, was erfindungsgemäß jedoch gerade verhindert werden kann.
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Zusammenfassend erlaubt die vorbeschriebene Batteriezelle, auf kostengünstige Weise eine verbesserte Stabilität gegenüber äußeren mechanischen Einflüssen, wie insbesondere gegenüber einer äußeren Krafteinwirkung, zu schaffen, da die Aufnahme den Stromkollektor in seiner Position stabilisiert und so vor einer Deformation schützt.
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Im Rahmen einer Ausgestaltung kann die Aufnahme wenigstens eine quer zu der Erstreckungsrichtung des Stromkollektors wirkende starre Anlage aufweisen. Insbesondere diese Ausgestaltung kann eine besonders wirksame Stabilisierung und damit einen besonders wirksamen Schutz gegenüber einer Verformung des Stromkollektors ermöglichen. Denn dadurch, dass wenigstens eine starre Anlage vorgesehen ist, ist der Stromkollektor zumindest in einer quer zu seiner Erstreckungsrichtung verlaufenden Achse beziehungsweise Richtung im Wesentlichen vollkommen unbeweglich angeordnet, so dass eine Bewegung und dadurch eine Übertragung der Kraft auf den Zellwickel sicher verhindert werden kann.
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Dabei kann es besonders vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Anlage mit einer Versteifungsrippe verbunden ist. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann eine besonders kostengünstige und wirksame starre Anlage ermöglicht werden. Dabei können die Versteifungsrippen ferner besonders anpassbar ausgeführt werden, so dass diese insbesondere bezüglich Raum und Ausrichtung an das konkrete Anwendungsgebiet angepasst sein können. Dabei kann die Versteifungsrippe einteilig oder mehrteilig mit Bezug auf die Aufnahme beziehungsweise auf eine Anlage der Aufnahme ausgestaltet sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Aufnahme wenigstens eine quer zu der Erstreckungsrichtung des Stromkollektors elastisch verformbare oder bewegbare Anlage aufweisen. In dieser Ausgestaltung kann eine Stabilisierung des Stromkollektors in einer Richtung quer zu seiner Erstreckungsrichtung möglich sein, dabei aber gleichzeitig eine besonders vorteilhafte Herstellbarkeit gegeben sein. Denn dadurch, dass eine elastische Verformbarkeit quer zu der Erstreckungsrichtung gegeben ist, kann durch ein Verformen Raum geschaffen werden für ein Einfügen des Stromkollektors in die Aufnahme. Dabei kann weiterhin eine Anlage beziehungsweise Dämpfung bezüglich Kräften, welche quer zu der Erstreckungsrichtung des Stromkollektors wirken, gegeben sein. In Abhängigkeit der Elastizität kann dabei der Dämpfungsfaktor der Anlage der Aufnahme eingestellt werden. Dabei kann nicht nur eine vollständige Anlage durch ein starres Bauteil, sondern auch eine Dämpfung gemäß dieser Ausgestaltung bereits eine wirksame Reduzierung der Bewegbarkeit erlauben und dadurch Beschädigungen durch äußere Krafteinwirkungen ausreichend reduzieren. Beispielsweise kann eine elastische Verformbarkeit gegeben sein durch ein elastisches Material, welches an einer beispielsweise starren Anlage vorgesehen ist.
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Dabei kann in dieser Ausgestaltung möglich sein, dass sowohl sämtliche vorgesehenen Anlagen der entsprechenden Aufnahme eine entsprechende Verformbarkeit aufweisen, oder aber eine Anlage starr ist, wohingegen eine weitere Anlage der Aufnahme wie vorbeschrieben elastisch verformbar ist.
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Bezüglich der elastischen Verformbarkeit beziehungsweise insbesondere Bewegbarkeit kann es dabei ferner von Vorteil sein, wenn die quer zu der Erstreckungsrichtung des Stromkollektors elastisch verformbare Anlage in Richtung des Stromkollektors federvorgespannt ist. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann eine besonders kostengünstige Ausgestaltung realisierbar sein. Denn in dieser Ausgestaltung kann beispielsweise ein entsprechender Schenkel, der als Anlage dient, an dem Bodenbereich angelenkt sein und beispielsweise federvorgespannt schwenkbar sein. In dieser Ausgestaltung kann somit ein Schenkel oder können mehrere Schenkel in eine offene Position verschwenkt werden, um so einen vergrößerten Raum zu schaffen, in welchen der Stromkollektor etwa bei einem Herstellen eingeführt werden kann. Nach einem Rückschwenken in eine geschlossene Position beziehungsweise Abstützposition können dann die Schenkel eine stabile Anlage für den Stromkollektor bilden, wobei durch die einstellbare Federvorspannung eine gewünschte Dämpfung definiert ausbildbar ist.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Aufnahme längs der Erstreckungsrichtung des Stromkollektors elastisch verformbar sein. Insbesondere diese Ausgestaltung kann es vorteilhaft ermöglichen, dass eine sichere Stabilisierung mit Bezug auf Kräfte, welche quer zu einer Erstreckungsrichtung des Stromkollektors wirken, gegeben sein kann, dabei jedoch in vorteilhafter Weise ein Einfügen des Stromkollektors in die Aufnahme vereinfacht wird. Darüber hinaus ist es in dieser Ausgestaltung möglich, dass Toleranzen, welche beispielsweise bei einem Herstellungsprozess ausgebildet werden beziehungsweise nicht gänzlich verhindert werden können, ausgeglichen werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Aufnahme bodenseitig ein elektrisch isolierendes Element aufweisen. In anderen Worten kann ein elektrisch isolierendes Element vorgesehen sein, welches den Stromkollektor von dem Bodenbereich des Zellgehäuses räumlich trennt. In dieser Ausgestaltung kann die durch eine Krafteinwirkung auf die Batteriezelle hervorgerufenen Gefahr weiter reduziert werden. Denn dadurch, dass die Aufnahme weiterhin das elektrisch isolierende Element aufweist, kann weiterhin verhindert werden, dass der Stromkollektor auch bei einer Beschädigung des Gehäuses oder der Aufnahme gegen das Gehäuse trifft. Da das Gehäuse oftmals aus einem Metall und damit elektrisch leitfähig ist, kann so weiterhin ein elektrischer Kurzschluss verhindert werden, was das Gefährdungspotenzial weiter senkt.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann benachbart zu dem Stromkollektor ein schwenkbar angelenktes Gehäusebauteil des Zellgehäuses vorgesehen sein. In dieser Ausgestaltung kann ein Abstützen des Stromkollektors somit nicht nur durch die Aufnahme realisiert werden, sondern ferner durch das Gehäusebauteil, was einen weiter vergrößerten Schutz vor einer Deformation bieten kann. Ein benachbart angeordnetes Gehäusebauteil kann dabei insbesondere bedeuten, dass dieses in einer Fixierungsposition beziehungsweise in einer geschlossenen Position an dem Stromkollektor anliegt und diesen so abstützt und in einer geöffneten Position von dem Stromkollektor beabstandet ist. Dabei kann das Gehäusebauteil insbesondere ein Isoliergehäuse sein. Dadurch, dass das Gehäusebauteil schwenkbar angelenkt ist, kann dieses neben einer verbesserten Anlage ein besonders einfaches Herstellern ermöglichen. Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass durch das großflächig angelegte Gehäusebauteil ein Kurzschluss zwischen Stromkollektor und Gehäuse nicht stattfinden kann da diese sich nicht berühren können.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die wenigstens eine Aufnahme Teil des Behälterbodens sein. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann eine besonders kostengünstige und einfache Ausgestaltung möglich sein. Denn der Behälterboden ist meist aus einem derartigen Material geformt, welches besonders bevorzugt insbesondere als starre Anlage dienen kann. Die Stabilität dieser starren Anlage kann dabei durch Verstärkungsmittel, wie beispielsweise Verstärkungsrippen, weiter verbessert werden oder durch unterschiedliche Wandstärken oder Geometrien eingestellt beziehungsweise verbessert werden. Zusätzlich kann durch das Vorsehen weiterer Mittel, wie etwa elastischer Materialien oder Schwenkscharnieren etwa unter Verwendung einer Federvorspannung, auch die vorbeschriebene Elastizität problemlos ausbildbar sein.
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Zeichnungen
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer Ausgestaltung einer Batteriezelle;
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2 eine schematische Ansicht eines Teils der Batteriezelle aus 1 mit potentiell auf diese wirkende Kräfte;
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3 eine schematische Schnittansicht einer Ausgestaltung einer Batteriezelle zeigend zwei in jeweils einer Aufnahme angeordnete Stromkollektoren von der Seite;
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4 eine Ansicht einer Ausgestaltung eines in einer Aufnahm angeordneten Stromkollektors von oben;
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5 eine schematische Seitenansicht einer Ausgestaltung eines Stromkollektors oberhalb einer Aufnahme; und
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6 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausgestaltung eines Stromkollektors oberhalb einer Aufnahme.
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In 1 ist ein teilweiser beispielhafter und nicht beschränkender Aufbau einer Batteriezelle 10 gezeigt. Die Batteriezelle 10 ist dabei gemäß 1 insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, welche in einer prismatischen Form ausgestaltet ist. Die Batteriezelle 10 weist daher in der Ausgestaltung gemäß 1 eine als Wicklungselement ausgestaltetes Zelleinheit 12 auf, bei welcher eine mit Anodenmaterial beschichtete Kupferfolie, eine mit Kathodenmaterial beschichtet Aluminiumfolie und beispielsweise zwei Kunststofffolien, die als Separatoren beziehungsweise Diaphragmen dienen, übereinander gelegt beziehungsweise gewickelt und flach gepresst sind. Zur elektrischen Kontaktierung werden die Kupferfolie und die Aluminiumfolie entlang der Wicklungsachse dabei in entgegengesetzter Richtung leicht versetzt eingelegt. Damit stehen die Kupferfolie auf der einen Schmalseite und die Aluminiumfolie auf der anderen Schmalseite über. Die so entstehenden überstehenden Folienstreifen 14 dienen dabei zur elektrischen Kontaktierung von Anode beziehungsweise Kathode. Dabei sind der Übersichtlichkeit halber lediglich die überstehenden Folienstreifen 14 eines Pols gezeigt. In für den Fachmann verständlicher Weise sind für jeden Pol, also auch auf der den Folienstreifen 14 gegenüberliegenden Seite und benachbart zu dem konträren Pol, ebenfalls überstehenden Folienstreifen 14 angeordnet, um diese ebenfalls zu kontaktieren.
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Die Batteriezelle 10 gemäß 1 weist ferner eine auch als NSD (Englisch: Nail Penetration Safety Device) bezeichnete Sicherheitseinrichtung 16 auf. Ferner ist ein Zellgehäuse 20 mit einem Gehäusegrundkörper 19 aufweisend einen Zellraum 23 zum Aufnehmen der Zelleinheit 12 beziehungsweise des Wicklungselements vorgesehen, wobei auf der inneren Seite des Zellgehäuses 20 eine elektrische Isolierung 18 ausgebildet sein kann. In dem Zellgehäuse 20 ist an dem Gehäuseboden 17 ebenfalls eine elektrische Isolierung 22 vorgesehen. Ferner ist das Zellgehäuse 20 insbesondere mit einem flüssigen Elektrolyt gefüllt.
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Zur elektrischen Kontaktierung weist die Batteriezelle 10 ferner zwei hier nur schematisch gezeigte Stromabnehmer beziehungsweise Stromkollektoren 240 auf. Die Stromkollektoren 240 sind jeweils mit einem als Anschlussbolzen ausgestalteten elektrischen Kontakt 26 zum mechanischen und elektrischen Kontaktieren des Energiespeichers beziehungsweise der Batteriezelle 10 elektrisch verbunden. Weiterhin sind jeweils eine Isolierung 28 für die Zelleinheit 12 und eine Isolierung 30 für den Stromkollektor 240 vorgesehen.
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Weiterhin umfasst das Zellgehäuse 18 beziehungsweise ein wannenartiger Bereich desselben eine Gehäuseöffnung 21, welche zumindest teilweise, insbesondere vollständig durch einen Gehäusedeckel etwa aufweisend eine Deckplatte 32 verschließbar ist, zwischen welcher und den Stromkollektoren 240 und insbesondere den Kontakt 26 umrahmend angeordnet jeweils eine Dichtung 34 und eine als Dichtringisolator ausgestaltete elektrische Isolierung 36 vorgesehen sind. Um beispielsweise bei einem Fehlerfall einen übermäßigen Druck aus dem Zellgehäuse 18 ablassen zu können, ist in der Deckplatte 32 ferner eine Berstscheibe 38 vorgesehen, welche beispielsweise als Berstmembran geprägt oder als ein extra Bauteil angeschweißt sein kann. Die Batteriezelle 10 umfasst ferner eine Membran, wie etwa eine OSD-Membran 40, die in die Deckplatte 32 eingelassen ist. Auf der Deckplatte 32 angeordnet kann ferner eine Deckplattenisolierfolie 42 sein, welche Aussparungen 44 aufweist. Innerhalb der Aussparungen 44 und angeordnet auf der Deckplatte 32 insbesondere benachbart zu den Positionen der Kontakt 26 sind ferner vorgesehen eine Potentialplatte 46 und eine gegebenenfalls darauf angeordnete Oberplatte 48, welche zusammen mit einer Isolierung 50 auf einer Verbindungsplatte 52 angeordnet sein kann, und ferner unterhalb der Verbindungsplatte 52 einen Abstandsisolator 54, wie dies aus der 1 ersichtlich ist. Ferner ist ein in die Deckplatte 32 eingelassenes Verschlussmittel 56 vorgesehen, das eine Öffnung 33 zum Einfügen von Elektrolyt verschließen kann.
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In der 2 ist ein Detail der Batteriezelle 10 gezeigt. Dabei ist insbesondere die als Wicklungselement ausgestaltete Zelleinheit 12 gezeigt, die mit den Stromkollektoren 240 verbunden ist. Dabei sind ferner Kräfte gezeigt, welche auf die Batteriezelle 10 wirken können. Im Detail sind in der 2 Kräfte gezeigt, welche jeweils entlang der x-Achse, y-Achse und z-Achse in dem gezeigten Koordinatensystem wirken. Die Kräfte entlang der z-Achse wirken dabei entlang der Erstreckungsrichtung des Stromkollektors 240, also entlang der Achse, welche von der Fixierung an dem Deckelbereich zu dem Bodenbereich führt. Ferner sind Kräfte gezeigt, welche quer zu dieser Erstreckungsrichtung wirken, nämlich entlang der x-Achse beziehungsweise entlang der y-Achse. Dabei kann eine Kraft in der entsprechenden Achse in für den Fachmann ohne weiteres verständlicher Weise bedeuten, dass die Kraft nur einen Kraftvektor in der entsprechenden Achse aufweist oder auch nur einer der wirksamen Kraftvektoren in der entsprechenden Achse liegt. Insbesondere die Kräfte entlang der x-Achse, also die, welche entlang der direkten Verbindungslinie von Stromkollektor zu Zelleinheit zumindest teilweise wirken, können einen negativen Einfluss auf die Stabilität der Batteriezelle 10 ausüben und diese so beschädigen.
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Um dies zu verhindern, weist das Zellgehäuse bodenseitig wenigstens eine, beispielsweise aus einem Kunststoff ausgeformte, Aufnahme 62 zum Fixieren eines Stromkollektors 240 auf, welche Aufnahme 62 den Stromkollektor 240 wenigstens zweiseitig quer zu der Erstreckungsrichtung des Stromkollektors 240 abstützt und eine Bewegbarkeit des Stromkollektors 240 quer zu seiner Erstreckungsrichtung begrenzt. Ausgehend von dem Koordinatensystem in 2 können durch die Aufnahme 62 ferner insbesondere Toleranzen in y-Richtung ausgleichen, da die Aufnahme 62 nicht an die Isolierung 22 anstoßen kann. Dies ist im Detail in den folgenden Figuren gezeigt.
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In der 3 ist eine schematische Schnittansicht einer Ausgestaltung einer Batteriezelle 10 zeigend zwei in jeweils einer Aufnahme 62 angeordnete Stromkollektoren 240 gezeigt, wobei einer der in der Aufnahme 62 angeordneten Stromkollektoren 240 von oben in der 4 gezeigt ist. In der 3 ist gezeigt, dass die Stromkollektoren 240 jeweils in einer Aufnahme 62 angeordnet sind. Dabei ist zu erkennen, dass die Aufnahmen 62 jeweils zwei Anlagen 64 aufweisen, die entlang der x-Achse vor und hinter dem Stromkollektor 240 angeordnet sind und somit quer zu der Erstreckungsrichtung des Stromkollektors 240 wirken. Ferner ist gezeigt, dass die Anlagen in dieser Richtung starr sind. Dies wird insbesondere dadurch realisiert, dass die Anlagen 64 jeweils mit Versteifungsrippen 66 verbunden sind. Durch diese Ausgestaltung wird der Stromkollektor 240 zumindest entlang der x-Achse zwischen den Anlagen beziehungsweise in der Aufnahme 60 eingeklemmt, so dass eine Bewegbarkeit des Stromkollektors 240, etwa durch eine in der x-Achse wirkende Kraft, wie dies durch die Pfeile in 3 angedeutet werden soll, in dieser Richtung verhindert wird, wie dies auch in der 4 zu erkennen ist.
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Weiterhin ist in der 3 gezeigt, dass die Aufnahme bodenseitig ein elektrisch isolierendes Element 68 aufweist. Dieses kann beispielsweise aus einem Kunststoff geformt sein und den Stromkollektor 240 an dem Bodenbereich umrahmen beziehungsweise in seiner Form an den Stromkollektor 240 angepasst sein. Ferner kann die Aufnahme 62 aus dem Gehäuseboden 17 geformt sein.
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In der 5 ist eine weitere Ausgestaltung einer Batteriezelle 10 mit einer Aufnahme 62 für den Stromkollektor 240 gezeigt. In der Ausgestaltung gemäß 5 ist eine der beiden Anlagen 64 dabei quer zu der Erstreckungsrichtung des Stromkollektors 240 elastisch verformbar, indem sie durch einen Schenkel gebildet wird, der quer zu der Erstreckungsrichtung des Stromkollektors 240, insbesondere entlang der x-Achse, in Richtung des Stromkollektors 240 federvorgespannt ist. Die weitere Anlage 64 ist starr und mit einer Verstärkungsrippe 66 versehen, wobei die Anlagen 62 an dem Gehäuseboden 17 fixiert beziehungsweise dort schwenkbar angelenkt sind. Dabei ist ferner gezeigt, dass benachbart zu dem Stromkollektor 240 ein schwenkbar angelenktes Gehäusebauteil 70, insbesondere Isolationsbauteil, des Zellgehäuses 20 vorgesehen ist.
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Die in der 6 gezeigte Ausgestaltung entspricht im Wesentlichen der Ausgestaltung gemäß 5, wobei gemäß 6 beide Anlagen 64 quer zu der Erstreckungsrichtung des Stromkollektors 240 elastisch verformbar sind, indem sie durch einen Schenkel gebildet werden, der quer zu der Erstreckungsrichtung des Stromkollektors 240 in Richtung des Stromkollektors 240 federvorgespannt sind. Dabei sind die Anlagen wiederum an dem Gehäuseboden 17 fixiert beziehungsweise dort schwenkbar angelenkt.
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Die in den 5 und 6 gezeigten Ausgestaltungen sind dabei ferner in der Lage, in einer Richtung auf der x-Achse einen Toleranzausgleich zu schaffen, da die Anlage 64, beziehungsweise die Anlagen 64, flexibel sind und sich somit auslenken lassen. Dabei kann die Ausgestaltrung aus 5 einseitig eine Toleranz ausgeleichen und die Ausgestaltung aus 6 kann dies zweiseitig erreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5326653 [0004]
- US 2010/0285355 A1 [0005]
- JP 61296653 A [0006]
