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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer prismatischen Batteriezelle, wobei die Batteriezelle eine Kathodenlage, eine Anodenlage und zumindest zwei Separatorlagen aufweist.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine prismatische Batteriezelle, welche nach dem Verfahren hergestellt ist, sowie ein Fahrzeug, in dem eine derartige prismatische Batteriezelle verbaut ist.
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Lithium-Ionen-Akkus, die im Automobilbereich Verwendung finden, haben aus Gründen des Volumennutzwertes oftmals eine prismatische Form. Im Inneren eines Zellgehäuses befinden sich beispielsweise flach gepresste Batteriewickel (jelly rolls), die aus einer Anode, einer Kathode und aus Separatorschichten gerollt werden. Das Zellgehäuse wird nach Einsetzen der Batteriewickel und vor dem druckdichten Verschließen mit einem flüssigen Elektrolyt befüllt.
US 8,641,015 B2 stellt beispielsweise eine derartige prismatische Batteriezelle mit vier darin angeordneten Batteriewickeln bereit.
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Die elektrische Kontaktierung der Elektroden, womit im Rahmen der vorliegenden Offenbarung die Kathode und die Anode bezeichnet werden, erfolgt beispielsweise folgendermaßen: Die beiden Elektroden werden nicht passgenau übereinandergelegt, sondern in Richtung der Wickelachse leicht versetzt. Dieses Verfahren wird beispielsweise in der
DE 10 2012 213 420 A1 beschrieben. So lässt sich an einer offenen Schmalseite des Batteriewickels die negative und an der anderen, gegenüberliegenden, offenen Schmalseite die positive Spannung der jeweiligen Elektrode abgreifen. Die Kontaktierung der überstehenden Folienstreifen erfolgt mit angeschweißten, streifenförmigen Blechteilen aus Kupfer oder Aluminium, den so genannten Stromkollektoren. Die Kontaktierung der Stromkollektoren im Inneren des Zellgehäuses und die Durchführung der Strompfade durch das Zellgehäuse nach draußen gestaltet sich sehr anspruchsvoll. Nach dem Einsetzen der Batteriewickel in das Zellgehäuse und nach dem Verschließen des Zellgehäuses wird dieses durch eine kleine Öffnung im Deckel des Zellgehäuses mit Elektrolyt befüllt. Als einer der letzten Prozesse bei der Herstellung der Batteriezelle wird diese Öffnung mit einem Verschlusselement verschlossen.
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Weitere Beispiele von Jelly Rolls sind aus
US 5,552,239 und
JP 2009-266737 bekannt.
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US 2012/0189888 ist eine Lithium-Ionen-Batteriezelle bekannt, bei welcher eine Kathodenlage und eine Anodenlage mit einem zwischendrin positionierten Separator spiralförmig aufgewickelt sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer prismatischen Batteriezelle, wobei die prismatische Batteriezelle eine Kathodenlage, eine Anodenlage und zwei Separatorlagen aufweist, umfasst die folgenden Schritte:
- a) Wickeln einer Startanordnung mit der Kathodenlage, der Anodenlage und den zwei Separatorlagen um eine Wickelachse zur Herstellung eines Batteriewickels, wobei die Kathodenlage und die Anodenlage jeweils Längsseiten und Querseiten aufweisen und mit den Querseiten parallel zu der Wickelachse gewickelt werden,
- b) Einsetzen des Batteriewickels in ein Zellgehäuse,
- c) Kontaktieren von Anschlussflächen der Kathodenlage und der Anodenlage mit Stromabnehmern,
- d) Befüllen des Zellgehäuses mit einem flüssigen Elektrolyt und
- e) Verschließen des Zellgehäuses.
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Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Kathodenlage und die Anodenlage während der Zuführung zu der Startanordnung an jeweils einer ihrer Längsseiten zur Herausbildung der Anschlussflächen zugeschnitten werden.
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Ein Vorteil der Erfindung ist, dass kein unbeschichteter langer Elektrodenrand mehr benötigt wird. Vorteilhaft können lediglich die Anschlussflächen frei von aktivem Material bleiben. Dies führt zu mehr Kapazität, einer höheren Energiedichte und zur Einsparung von Materialkosten.
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Die zeitliche Abfolge der Schritte, bei welchen der Batteriewickel in ein Zellgehäuse eingesetzt wird, die Kathodenlage und die Anodenlage mit Stromabnehmern kontaktiert werden und das Zellgehäuse mit einem flüssigen Elektrolyt befüllt wird, ist im Prinzip beliebig.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform wird in das Zellgehäuse genau ein Batteriewickel eingesetzt, wobei der Batteriewickel genau eine Kathodenlage und genau eine Anodenlage aufweist. Dies führt zu geringeren Kosten beim Verschweißen, da nur noch ein einziger Batteriewickel an einen Stromableiter angeschweißt werden muss. Insbesondere führt dies zu einer Materialeinsparung bei den Stromabnehmern, da diese nicht mehr mittels Verzweigungen an mehrere Batteriewickel herangeführt werden müssen. Auch im Fertigungsprozess sind Vorteile zu sehen, da weitere Arbeitsschritte wegfallen, wenn weniger Einzelteile vorliegen. Es kann ein einziger, unverzweigter Stromabnehmer pro Elektrode verwendet werden. Die Kontur der Stromabnehmer kann verändert werden, womit diese ebenfalls einfacher herzustellen sind. Die Kathodenlage und die Anodenlage können im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als Kathode, bzw. Anode oder gemeinsam auch als Elektroden bezeichnet sein.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Längsseiten der Kathodenlage und die Anodenlage, an welchen die Anschlussflächen ausgebildet sind, in der Startanordnung übereinander angeordnet. Somit liegen die Anschlussflächen der Kathodenlage und der Anodenlage auf derselben Seite.
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Bevorzugt werden die Anschlussflächen der Kathodenlage und der Anodenlage in der Startanordnung außerdem zueinander versetzt angeordnet. Durch die räumliche Trennung der Anschlussflächen kann eine elektrische Isolierung der Kathode und der Anode versichert werden. Besonders bevorzugt ist ein maximaler Versatz der gegenpoligen Anschlussflächen zueinander, wobei jede Anschlussfläche immer genau zwischen zwei gegenpoligen Anschlussflächen angeordnet ist.
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Der Zuschnitt der Kathodenlage und der Anodenlage während der Zuführung zu der Startanordnung erfolgt bevorzugt mittels eines Lasers. Ein Vorteil ist dabei die freie Wahl der Formgebung. Des Weiteren kann der Laser direkt in die Wickelmaschine integriert werden. Dadurch ergibt sich eine minimale Ausschussrate. Der Versatz der einzelnen Kontaktfahnen im Wickel kann somit genau ausgeglichen werden. Alternativ kann vorgesehen sein, eine fortlaufende Ausstanzung mit einem Stanzwerkzeug durchzuführen. Das Stanzwerkzeug kann dabei in der Wickelmaschine integriert sein. Alternativ kann die Ausstanzung als ein externer Prozess vorgesehen sein.
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Durch den Zuschnitt der Längsseiten der Elektroden wird die Kontur der Elektroden gestaltet. Dabei entstehen als Anschlussflächen aus den Längsseiten der Kathodenlage und der Anodenlage bevorzugt hervorstehende Fahnen, welche mit den Stromabnehmern elektrisch kontaktiert werden. Beim Zuschnitt der Anschlussflächen wird bevorzugt ausschließlich unbeschichtetes Material der Kathodenlage und der Anodenlage weggeschnitten.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird im Schritt b) der Batteriewickel derart in das Zellgehäuse eingesetzt, dass eine Befüllöffnung und/oder eine Berstmembran in der Flucht der Wickelachse liegen. Wenn die Befüllöffnung in der Flucht der Wickelachse liegt, brauchen die Batteriewickel bei Befüllung mit dem flüssigen Elektrolyt weniger Zeit, um sich vollzusaugen. Die Durchflussrichtung der Flüssigkeit bei Befüllung durch die Befüllöffnung liegt dabei idealerweise parallel zur Wickelachse. Auch bei einer Havarie der Batteriezelle liegt eine Hauptrichtung der dadurch entstehenden Dynamik parallel zur Wickelachse. Somit wird erleichtert, dass bei einem Überdruck die Flüssigkeit oder Gase an der Berstöffnung austreten. Mit „in der Flucht der Wickelachse“ wird bezeichnet, dass die Befüllöffnung entweder auf der Wickelachse oder in geringem Abstand zu dieser liegt.
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Es kann vorgesehen sein, dass in der Startanordnung außerdem ein Wickelschwert vorgesehen ist. Im Schritt a) wird dabei um das Wickelschwert gewickelt. Das Wickelschwert ist beispielsweise als eine flache Platte mit einem rechteckförmigen Querschnitt mit einer ersten längeren Seite und einer zweiten kürzeren Seite ausgebildet. Das Wickelschwert ist beispielsweise aus Kunststoff gefertigt, insbesondere aus einem schweißbaren und/oder beklebbaren elektrolytbeständigen Kunststoff.
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Dabei ist vorgesehen, dass im Schritt a) zunächst die Kathodenlage und die Anodenlage und die zwei Separatorlagen an dem Wickelschwert befestigt werden. Die Anode und die Kathode werden an Schweißflächen mit dem Wickelschwert verschweißt oder an dieses geklebt. Die Separatoren werden ebenfalls an dem Wickelschwert fixiert, beispielsweise verklebt.
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Es kann vorgesehen sein, das Wickelschwert nach dem Wickeln zu entfernen, was zu einer Erhöhung der Energiedichte des Batteriewickels führt. Für den Fall, dass das Wickelschwert im Batteriewickel verbleibt, kann das Wickelschwert im Rahmen der Erfindung auch als ein Wickelkern bezeichnet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Wickelachse parallel zu einer kürzeren Seite des Wickelschwertes, so dass die Startanordnung um die kürzere Seite des Wickelschwertes gewickelt wird. Die Kathodenlage und die Anodenlage werden in dieser Ausführungsform über Flächen an dem Wickelschwert befestigt, welche sich über die kürzere Seite des Wickelschwerts erstrecken.
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Nach einem weiteren Aspekt wird eine prismatische Batteriezelle bereitgestellt, welche nach einem der beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Die im Rahmen der Verfahren beschriebenen Merkmale gelten entsprechend ebenso für die prismatische Batteriezelle, welche nach diesen Verfahren hergestellt wurde.
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Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie zur Verfügung gestellt, wobei die Batterie zumindest eine derartige Batteriezelle aufweist. Die Batterie ist dabei bevorzugt mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden. Das Kraftfahrzeug kann als reines Elektrofahrzeug ausgestaltet sein und ein ausschließlich elektrisches Antriebssystem umfassen. Alternativ kann das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug ausgestattet sein, das ein elektrisches Antriebssystem und einen Verbrennungsmotor umfasst. In einigen Varianten kann vorgesehen sein, dass die Batterie des Hybridfahrzeugs intern über einen Generator mit überschüssiger Energie des Verbrennungsmotors geladen werden kann. Extern aufladbare Hybridfahrzeuge (PHEV, plug-in hybrid electric vehicle) sehen zusätzlich die Möglichkeit vor, die Batterie über das externe Stromnetz aufzuladen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine prismatische Batteriezelle gemäß dem Stand der Technik in perspektivischer Ansicht,
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2 ein Wickelschwert,
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3 eine Startanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
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4A, 4B herkömmliche und erfindungsgemäße Elektrodenlagen in Draufsicht im Vergleich,
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5A, 5B ein Batteriewickel in Schnittansicht und seitlicher Draufsicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
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6A, 6B herkömmliche und erfindungsgemäße Deckelgruppen und Batteriewickel in seitlicher Draufsicht im Vergleich.
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente mit gleichen oder ähnlichen 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.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine prismatische Batteriezelle 10‘ in perspektivischer Ansicht gemäß dem Stand der Technik.
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Die prismatische Batteriezelle 10‘ ist der Übersicht halber ohne ein Zellgehäuse dargestellt und umfasst vier dicht nebeneinander angeordnete Batteriewickel 12‘ und eine Deckelgruppe 46‘, wobei die Deckelgruppe 46‘ zwei Terminale 14‘ umfasst, wodurch die prismatische Batteriezelle 10‘ von außen elektrisch kontaktiert wird.
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Der Deckelgruppe 46‘ ist außerdem eine Befüllöffnung 16‘ und eine Berstmembran 18‘ zugeordnet. Die Befüllöffnung 16‘ und die Berstmembran 18‘ liegen im Wesentlichen im Zentrum einer Abschlussplatte 47‘, wohingegen die Terminale 14‘ auf der Abschlussplatte 47‘ peripher gelegen sind. Die Batteriewickel 12‘ werden in ein Zellgehäuse eingesetzt und mit dem flüssigen Elektrolyten befüllt. Durch Pfeile ist eine Einfließrichtung 20‘ eines flüssigen Elektrolyts angedeutet. Der flüssige Elektrolyt wird in 1 dabei über die Befüllöffnung 16‘ vertikal eingefüllt und gelangt dann horizontal in die Batteriewickel 12‘, welche sich mit dem flüssigen Elektrolyt vollsaugen. Hiernach erfolgt der Verschluss des Zellgehäuses mit der Deckelgruppe 46‘.
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2 zeigt ein Wickelschwert 26. Das Wickelschwert 26 ist beispielsweise aus einer Kunststoffplatte 48 gebildet. Die Kunststoffplatte 48 hat eine rechteckige Grundfläche mit einer längeren Seite 50 und einer kürzeren Seite 52. Eine herkömmliche Wickelrichtung 60‘ ist um die längere Seite 50. Vorgeschlagen wird eine Wickelrichtung 60 um die kürzere Seite 52. Die Wickelachse 40 ist dabei parallel zur kürzeren Seite 52 angeordnet.
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3 zeigt eine Startanordnung 22 mit dem Wickelschwert 26, zwei Separatorlagen 28, einer Kathodenlage 30 und einer Anodenlage 32, wobei das Wickelschwert 26 wie mit Bezug zu 2 beschrieben ausgestaltet ist. Dargestellt ist eine Schnittansicht entlang der Wickelachse aus 2. Mit einem Pfeil ist die Wickelrichtung 60 der Startanordnung 22 dargestellt. Die Kathodenlage 30 und die Anodenlage 32 sind über Schweißflächen 54, 56 an dem Wickelschwert 26 befestigt. Die zwei Separatorlagen 28 sind einander gegenüberliegend an das Wickelschwert 26 geklebt und isolieren die Kathodenlage 30 von der Anodenlage 32 voneinander.
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4A zeigt eine herkömmliche Elektrode 30‘, 32‘, welche eine Anschlussfläche 36‘, 38‘ aufweist, die sich vollständig über eine Längsseite 70‘ der Elektrode 30‘, 32‘ erstreckt, wobei die Längsseite 70‘ länger als eine Querseite 72‘ ist.
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In 4B ist eine erfindungsgemäße Elektrode 30, 32 dargestellt, wobei diese als Fähnchen 74 ausgebildete Anschlussflächen 36, 38 aufweist, welche sich über eine Querseite 72 der Elektrode 30, 32 erstreckt. Eine mit Aktivmaterial beschichtbare Fläche 64‘ der herkömmlichen Elektrode 30‘, 32‘ ist gleich groß wie eine mit Aktivmaterial beschichtbare Fläche 64 der erfindungsgemäßen Elektrode 30, 32. Da die Größe der Anschlussflächen 36, 38 sich gegenüber der herkömmlichen Elektrode verringert, liegt bei der erfindungsgemäßen Elektrode 30, 32 ein niedrigeres Volumengewicht vor, was die Energiedichte der prismatischen Batteriezelle 10 (hier nicht dargestellt) erhöht.
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Die Kathodenlage 30 und die Anodenlage 32 werden einer Wickeleinrichtung von Endlosbändern aus zugeführt und dabei in der dargestellten Form zugeschnitten. Die Fähnchen 74 werden mittels eines Lasers aus dem Streifen mit unbeschichteten Material herausgeschnitten. Dabei wird ein Abstand a zwischen den Fähnchen 74 konstant gehalten oder leicht erhöht, um der Wickelradiuserhöhung bei der Wicklung Rechnung zu tragen. Bedingt durch den zunehmenden Radius der JellyRoll werden also die Abstände a der einzelnen Fähnchen 74 angepasst, um eine Überdeckung der Fähnchen 74 im gerollten Zustand zu gewährleisten. In der Wickeleinrichtung werden die Fähnchen 74 der Kathodenlage 30 maximal versetzt zu den Fähnchen der Anodenlage 32 und übereinander angeordnet, um den in 5B Batteriewickel 12 zu erhalten.
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Es kann im Arbeitsgang vor dem Wickeln extern mit einem Laser geschnitten werden. Der Laser kann aber auch direkt in der Wickelmaschine installiert sein, um inline die Fähnchen 74 aus zuschneiden. Die letztere Variante ist vorzuziehen.
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Die Wicklung muss dabei nicht zwangsläufig um das Wickelschwert 26 erfolgen. In einigen Ausführungsformen werden die Separatorlagen 28, Kathodenlage 30 und Anodenlage 32 ohne Wickelschwert 26 aufgerollt.
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Für den Fall, dass bei der Wicklung ein Wickelschwert 26 verwendet wurde, kann es nach dem Wickelprozess entfernt werden oder im Batteriewickel 12 verbleiben. Bevorzugt wird es entfernt, um das Volumengewicht der prismatischen Batteriezelle 10 zu verringern. Im Falle der Entfernung des Wickelschwertes 26 wird es bevorzugt aus Metall mit einer Spannvorrichtung gefertigt. Durch Festhalten der Separatorlagen 28 bei Wickelstart kann dann gewickelt werden. Nach Beenden des Wickelns öffnet sich die Spannvorrichtung und verringert die Spannweite. Somit ist ein Herausziehen möglich. Wickelschwerter mit dieser Mechanik sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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5A zeigt eine Schnittansicht eines Batteriewickels 12, welcher nach Wicklung der in 3 dargestellten Startanordnung 22 entsteht. In der Mitte des Batteriewickels 12 befindet sich das Wickelschwert 26. Um das Wickelschwert 26 befinden sich die gewickelten Lagen 62. Die äußerste der gewickelten Lagen 62 ist dabei eine Separatorlage 28.
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5B zeigt eine seitliche Draufsicht auf den Batteriewickel 12, welcher nach Wicklung der in 3 dargestellten Startanordnung 22 entsteht. Die in 5A dargestellte Anordnung ist dabei um 90° gedreht dargestellt. Die Fähnchen 74 der Anschlussflächen 36, 38 stehen seitlich aus den gewickelten Lagen 62 heraus, so dass eine Kontaktierung mit einer Deckelgruppe 46 wie in 6A dargestellt erfolgen kann, wobei die Anschlussflächen 36, 38 mit entsprechenden Stromabnehmern 42, 44 verschweißt werden. Die Fähnchen 74 der Kathodenlage 30 und der Anodenlage 32 sind dabei in einem Abstand a/2 angeordnet.
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6A zeigt eine prismatische Batteriezelle 10 mit einer erfindungsgemäßen Deckelgruppe 46 und dem Batteriewickel 12 in Explosionsdarstellung. Die Deckelgruppe 46 weist die Abschlussplatte 47 mit der darauf angeordneten Befüllöffnung 16, der Berstmembran 18 und Terminalen 14 auf, sowie den ersten Stromabnehmer 42 der Kathode und den zweiten Stromabnehmer 44 der Anode.
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Der Batteriewickel 12 kann derart in das Zellgehäuse (nicht dargestellt) eingesetzt werden, dass die Einfließrichtung 20 des flüssigen Elektrolyts parallel zu der Befüllöffnung 16 und zu der Berstmembran 18 liegt.
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In dem Gehäuse der prismatischen Batteriezelle 10 wird außerdem vorteilhaft lediglich ein einziger Batteriewickel 12 angeordnet, was eine Erhöhung der Energiedichte bedeutet.
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6A und 6B zeigen außerdem die Wegverkürzung der Kontaktierung des Batteriewickels 12 mit den Terminalen 14 der Deckelgruppe 46, welche sich mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform (6A) im Vergleich zum Stand der Technik (6B) ergibt.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Stromabnehmer 42, 44 kurz und gerade ausgebildet, da die Terminale 14 den Anschlussflächen 36, 38 gegenüberliegen.
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Im Stand der Technik sind die Anschlussflächen 36‘, 38‘ nicht gegenüber den Terminalen 14‘ sondern seitlich des Batteriewickels 12‘ angeordnet, so dass die Stromabnehmer 42‘, 44‘ entsprechend länger sind und außerdem geformt werden müssen.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs 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 8641015 B2 [0003]
- DE 102012213420 A1 [0004]
- US 5552239 [0005]
- JP 2009-266737 [0005]
- US 2012/0189888 [0006]
