DE102014222173A1

DE102014222173A1 - Batteriezelle und Verwendung derselben

Info

Publication number: DE102014222173A1
Application number: DE102014222173.0A
Authority: DE
Inventors: Steffen Benz; Felix Bleil
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2016-05-04
Also published as: WO2016066346A1

Abstract

Es wird eine Batteriezelle (10) umfassend eine Elektrodenanordnung (13) mit einer ersten und einer zweiten Elektrode beschrieben, wobei zwischen der ersten und zweiten Elektrode ein Separator positioniert ist. Dabei ist die Elektrodenanordnung (13) in einem Batteriezellgehäuse (11) positioniert, dessen Material einen Kunststoff umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle sowie deren Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass zukünftig sowohl bei stationären Anwendungen wie beispielsweise bei oder in Windkraftanlagen als auch in Fahrzeugen wie zum Beispiel in Hybrid-, Plug-In-Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, sowie im Consumer-Bereich, wie beispielsweise in Laptops oder Mobiltelefonen, vermehrt neuartige Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die hohe Anforderungen bezüglich deren Zuverlässigkeit, Betriebssicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
Um insbesondere eine ausreichende Leistungsfähigkeit und Lebensdauer zu gewährleisten, werden derartige Batteriesysteme oftmals aktiv in einem optimalen Temperaturbereich betrieben. Dazu sind die einzelnen Batteriezellen der jeweiligen Batteriesysteme beispielsweise an ein Thermo-Management-System angeschlossen. Dieses erwärmt die Batteriezellen beispielsweise im Fall von kalten Betriebsbedingungen oder kühlt sie entsprechend, beispielsweise bei einer überdurchschnittlichen Leistungsabgabe. Übliche Batteriezellen umfassen beispielsweise ein Aluminiumgehäuse, in dem ein Elektrodenwickel, beispielsweise in Form einer sogenannten Jelly Roll, positioniert ist. Zusätzlich kann im Batteriezellgehäuse beispielsweise eine Schutzfolie gegen mechanische Einflüsse auf den Zellwickel vorgesehen sein. Diese Schutzkomponente wird beispielweise als Nail penetration safety device (NSD) bezeichnet.
Diesbezüglich ist beispielsweise der EP 2602847 A1 eine Batteriezelle zu entnehmen, die eine erhöhte Sicherheit gegenüber einer mechanischen Beschädigung aufgrund der Durchdringung mit einem Nagel aufweist.
Weiterhin ist aus der JP 2009-259748 eine Batterie bekannt, deren Batteriegehäuse aus einem isolierenden Harz besteht, in das eine aus Kupfer ausgeführte Kühlvorrichtung integriert ist.
Offenbarung der Erfindung
Demgegenüber wird erfindungsgemäß eine Batteriezelle zur Verfügung gestellt, die gut temperierbar und gleichzeitig auf einfache Weise mit einer hohen Stabilität hergestellt werden kann.
Dies geschieht erfindungsgemäß durch Bereitstellung einer Batteriezelle sowie deren Verwendung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
Vorteile der Erfindung
Der besondere Vorteil einer Batteriezelle mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs besteht darin, dass durch Verwendung eines zumindest kunststoffhaltigen Materials für das Gehäuse der Batteriezelle die Form des Batteriezellgehäuses auf einfache Weise den thermischen Gegebenheiten in Bezug auf das Innere der Batteriezelle angepasst werden kann.
So besteht beispielsweise die Möglichkeit, dass Batteriezellgehäuse in seiner Form der Form einer in der Batteriezelle vorgesehenen Elektrodenanordnung, umfassend eine erste und eine zweite Elektrode, zwischen denen ein Separator positioniert ist, auszuführen. Auf diese Weise steht die Elektrodenanordnung zumindest teilweise in direktem wärmleitendem Kontakt mit dem Gehäuse der Batteriezelle. Weiterhin besteht die Möglichkeit die Wärmeleitfähigkeit eines entsprechenden Kunststoffs beispielsweise über dessen Materialzusammensetzung, insbesondere über die Wahl geeigneter, wärmeleitender Füllstoffe, dem Temperierungsbedarf der Batteriezelle anzupassen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
So ist von Vorteil, wenn sich innerhalb der Batteriezelle zwischen der Elektrodenanordnung und dem Batteriezellgehäuse eine metallhaltige, beispielsweise metallische Schicht, insbesondere Folie, befindet. Dies gewährleistet zum einen eine gute thermische Anbindung der Elektrodenanordnung an die Innenfläche des Batteriezellgehäuses als auch einen verbesserten mechanischen Schutz der Elektrodenanordnung innerhalb des Batteriezellgehäuses, da die metallhaltige Schicht gleichzeitig als sogenanntes Nail penetration safety device (NSD) dienen kann. Die metallhaltige Schicht kann beispielsweise in Form einer Kupferfolie ausgeführt sein.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn die metallhaltige Schicht, insbesondere Metallfolie, zumindest oder zusätzlich auch im Bodenbereich des Batteriezellgehäuses vorgesehen ist. Dazu ist die metallhaltige Schicht zwischen der Elektrodenanordnung und der Innenfläche des Bodenbereichs des Batteriezellgehäuses vorgesehen. Der besondere Vorteil besteht darin, dass oftmals die Temperierung von Batteriezellen dadurch erfolgt, dass eine Mehrzahl von Batteriezellen mit ihrer Bodenfläche jeweils auf einer entsprechenden Temperierungs- oder Kühlplatte positioniert sind und der eigentliche Austausch von Wärmeenergie über die Bodenflächen des entsprechenden Batteriezellgehäuses erfolgt.
Auf diese Weise ist wirkungsvoll gewährleistet, dass durch Vorsehen einer metallischen Schicht insbesondere im Bodenbereich der Batteriezelle genau dort eine thermisch besonders leitfähige Anbindung der Elektrodenanordnung an das Batteriezellgehäuse erfolgt, wo vorzugsweise auch die Temperierung der Batteriezelle erfolgt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Batteriezellgehäuse hergestellt, indem ein Körper aus einem kunststoffhaltigen Material mit einer Ausnehmung versehen wird und in diese Ausnehmung die Komponenten der Batteriezelle wie insbesondere die Elektrodenanordnung und gegebenenfalls die metallische Schicht eingebracht werden. Dies bietet die Möglichkeit, in einem Arbeitsschritt auch ein Modul aus Batteriezellen darzustellen, bei dem ein Körper aus einem kunststoffhaltigen Material mit einer Vielzahl von Aussparungenen versehen und in diese Aussparung jeweils Elektrodenanordnungen der jeweiligen Batteriezellen eingebracht werden. Die Herstellung des Körpers aus einem kunststoffhaltigen Material erfolgt dabei beispielsweise durch ein Spritzgußverfahren.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle ist vorteilhafterweise als Lithium-Ionen-Zelle, Lithium-Schwefel-Zelle oder Lithium-Luft-Zelle ausgeführt, da diese Batterietypen besonders hohe elektrische Speicherdichten aufweisen. Sie lassen sich in besonders vorteilhafter Weise in stationären Energiespeichersystemen, beispielsweise zur Zwischenspeicherung von regenerativ gewonnener elektrischer Energie verwenden sowie auch in mobilen Anwendungen, beispielsweise Hybrid-, in Plug-In-Hybrid- oder in Elektrofahrzeugen, wie auch in E-Bikes. Weiterhin besteht die Möglichkeit einer Anwendung im Consumerbereich, beispielsweise bei batteriebetriebenen Computersystemen oder bei Mobiltelefonen.
Kurze Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und der in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1: eine Batteriezelle gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
2: eine Batteriezelle gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist eine Batteriezelle 10 gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Batteriezelle 10 umfasst ein Batteriezellgehäuse 11, das insbesondere aus einem kunststoffhaltigen Material oder aus einem Kunststoff hergestellt ist. Dabei kann es sich bei dem kunststoffhaltigen Material beispielsweise um einen Kompositwerkstoff aus einem oder mehreren Kunststoffmaterialien zusammen beispielsweise mit einem keramischen Material, wie bspw. Aluminiumoxid oder Bornitrid, oder einem metallischen Material handeln.
Darüber hinaus ist es auch möglich, ein Kunststoffmaterial einzusetzen, dass beispielsweise wärmeleitende Füllstoffpartikel beispielsweise aus Bornitrid oder Aluminiumoxid umfasst.
Innerhalb des Batteriezellgehäuses 11 ist beispielsweise eine Elektrodenanordnung 13 vorgesehen, die eine hier nicht dargestellte erste und zweite Elektrode umfassen kann, zwischen denen ein hier nicht dargestellter Separator positioniert ist. Im vorliegenden Fall ist die Elektrodenanordnung in gewickelter Form vorgesehen, beispielsweise in Form einer sogenannten Jelly Roll. Um die Elektrodenanordnung 13 thermisch leitend an das Batteriezellgehäuse 11 anzubinden, ist beispielsweise eine metallhaltige Schicht 12 beispielsweise in Form einer Kupferfolie oder kupferhaltigen Folie vorgesehen. Diese bedeckt die Außenkontur der Elektrodenanordnung 13 zumindest teilweise. Besonders bevorzugt ist eine Bedeckung der beiden Großflächen der Elektrodenanordnung 13 mit der metallhaltigen Schicht 12, da die metallhaltige Schicht 12 in diesem Fall gleichzeitig wirkungsvoll als Schutz vor mechanischen Beschädigungen der Elektrodenanordnung 13 dienen kann.
Kommt es in einem solchen Fall zu einem Durchdringen des Zellgehäuses 11 und gegebenenfalls auch der metallhaltigen Schicht 12 bzw. der Elektrodenanordnung 13 so ist die metallhaltige Schicht 12 in der Lage, gegebenenfalls auftretende Kurzschlüsse innerhalb der Elektrodenanordnung 13 aus der Batteriezelle abzuleiten. Gleichzeitig gewährleistet der metallische Anteil der metallischen Schicht 12 eine wirkungsvolle thermische Anbindung der Elektrodenanordnung 13 an das Batteriezellgehäuse 11.
Da üblicherweise die Temperierung der Batteriezellen dadurch erfolgt, dass im Bodenbereich einer Batteriezelle eine Kühl- oder Temperierungsplatte, die beispielsweise von einem Kühl- oder Temperierungsmedium durchströmt wird, vorgesehen ist, ist es weiterhin bevorzugt, wenn die metallhaltige Schicht 12 auch in einem dem Bodenbereich der Batteriezelle 10 zugewandtem Bereich der Elektrodenanordnung 13 vorgesehen ist und zu einer effektiven thermischen Anbindung der Elektrodenanordnung 13 an das Batteriezellgehäuse 11 führt.
Um den Effekt einer thermischen Anbindung der Elektrodenanordnung 13 insbesondere in einem dem Bodenbereich der Batteriezelle 10 zugewandtem Bereich der Elektrodenanordnung 13 weiter zu verstärken, kann zusätzlich vorgesehen werden, dass dieser Bereich, soweit Hohlräume zwischen der Elektrodenanordnung 13 der dem Batteriezellgehäuse 11 existieren, mit einer Vergußmasse 14 wärmeleitend ausgefüllt werden. Dazu kann die Vergussmasse 14 ebenfalls wärmeleitfähige Partikel insbesondere aus Aluminiumoxid oder Bohrnitrit enthalten. Die Vergußmasse 14 kann darüber hinaus elektrisch isolierend ausgebildet sein und beispielsweise auf Basis von Epoxidharzen, Novolacken, Phenolharzen oder Cyanatesterharzen, insbesondere unter Zusatz elektrisch isolierender Füllstoffe, wie Quarzmehl, Quarzglas oder Aluminiumoxid, ausgeführt werden.
Das Batteriezellgehäuse 11 wird nach Einbringung aller Batteriezellkomponenten (12, 13, 14) vorzugsweise mit einem Deckel 15 verschlossen, der zusätzlich mit einem Batteriezellterminal 16 bestückt ist. Der Deckel 15 des Batteriezellgehäuses 11 kann dabei ebenfalls aus einem kunststoffhaltigen Material ausgeführt sein, es besteht jedoch auch die Möglichkeit, diesen aus einem abweichenden Material, beispielsweise aus einem metallischen Material, auszuführen.
Das Batteriezellegehäuse 11 kann beispielsweise durch ein entsprechendes Spritzgußverfahren hergestellt werden. Dazu wird ein Körper aus dem kunststoffhaltigen Material hergestellt, der zusätzlich eine Ausnehmung derart umfasst, dass in diese Ausnehmung die sonstigen Komponenten einer Batteriezelle, wie Elektrodenanordnung 13, metallhaltige Schicht 12 und gegebenenfalls Vergußmasse 14 eingebracht werden können.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, in einem Arbeitsgang mehrere Batteriezellgehäuse herzustellen. Eine solche Vorgehensweise ist beispielsweise 2 zu entnehmen. Werden mehrere Batteriezellgehäuse 11 in miteinander verbundener Weise in einem Arbeitsgang hergestellt, so resultiert ein Batteriemodul umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen 10. Ein solches Batteriezellegehäuse 11a ist in 2 dargestellt. In einem zweiten Arbeitsgang erfolgt die Einbringung der jeweiligen Batteriezellkomponenten in Aussparungen 18a, 18b, 18c, 18d, sodass im Endzustand ein Batteriemodul mit vier Batteriezellen 10a, 10b, 10c, 10d entsteht. Auf diese Weise kann in einem Arbeitsgang ein Batteriemodul umfassend mehrere oder eine Vielzahl von Batteriezellen in einem Arbeitsgang hergestellt werden.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle lässt sich in vorteilhafter Weise als Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batteriezelle ausführen. Sie kann Anwendung finden in stationären Energiesystemen zur Zwischenspeicherung beispielsweise regenerativ gewonnener elektrischer Energie, in mobilen Systemen wie Kraftfahrzeugen, insbesondere Hybrid-, Plug-In-Hybrid-, oder Elektrofahrzeugen oder in Kleinanwendungen wie beispielsweise bei batteriebetriebenen Computersystemen, Mobiltelefonen oder im Bereich von elektrischen Handwerkergeräten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2602847 A1 [0004]
JP 2009-259748 [0005]

Claims

Batteriezelle (10) umfassend eine Elektrodenanordnung (13) mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, wobei zwischen der ersten und zweiten Elektrode ein Separator positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (13) in einem Batteriezellgehäuse (11) positioniert ist, dessen Material einen Kunststoff umfasst.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (13) eine gewickelte Elektrodenanordnung in Form einer sogenannten Jelly Roll darstellt.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Elektrodenanordnung (13) und dem Batteriezellgehäuse (11) eine metallhaltige Schicht (12), insbesondere Folie, befindet.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige Schicht (12) eine Kupferfolie ist.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige Schicht (12) im Bodenbereich des Batteriezellgehäuses (11) zwischen der Elektrodenanordnung (13) und der Innenfläche des Batteriezellgehäuses (11) zumindest bereichsweise vorgesehen ist.
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Elektrodenanordnung (13) und dem Batteriezellgehäuse (11) existierender Hohlraum zumindest teilweise mit einer Vergussmasse (14) ausgefüllt ist.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (14) als Füllstoffe Bornitrid und/oder Aluminiumoxid enthält.
Batteriezelle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine metallhaltige Schicht (12), insbesondere Folie, zwischen der Elektrodenanordnung (13) und der Vergussmasse (14) befindet.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Lithium-Ionen-Zelle, um eine Lithium-Schwefel-Zelle oder um eine Lithium-Luft-Zelle handelt.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle (10a, 10b, 10c, 10d)) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Körper aus einem kunststoffhaltigen Material (11a) mit mindestens einer Ausnehmung (18a, 18b, 18c, 18d) versehen wird, und in diese Ausnehmung (18a, 18b, 18c, 18d) in einem zweiten Schritt eine Elektrodenanordnung (13) umfassend eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode sowie einen zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode positionierten Separator eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus einem kunststoffhaltigen Material (11a) mit einer Vielzahl von Ausnehmungen (18a, 18b, 18c, 18d) versehen wird und in einem zweiten Schritt in jede Ausnehmung (18a, 18b, 18c, 18d) jeweils eine Elektrodenanordnung (13) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Körpers aus einem kunststoffhaltigen Material (11a) durch ein Spritzgussverfahren erfolgt.
Verwendung einer Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in stationären oder mobilen Energiespeichersystemen.