DE102014222324A1

DE102014222324A1 - Durchkontaktierte Batteriezelle

Info

Publication number: DE102014222324A1
Application number: DE102014222324.5A
Authority: DE
Inventors: Rene Hornung
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2034-11-01
Also published as: DE102014222324B4; DE202015002342U1

Abstract

Es wird eine Anode (10) mit Durchbrüchen (20) und einer isolierenden Beschichtung (14a), eine Kathode (12) mit Durchbrüchen (18) und einer isolierenden Beschichtung (14b), sowie ein Elektrodenensemble (13) mit entsprechender Anode (10) und Kathode (12), welche derart aufgewickelt sind, dass die Durchbrüche (20) der Anode (10) jeweils übereinander liegen und dass die Durchbrüche (18) der Kathode (12) jeweils übereinander liegen, offenbart. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Batteriezelle (32) mit entsprechendem Elektrodenensemble (13) und ein Verfahren zur Herstellung der Batteriezelle (32).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anode, eine Kathode, sowie auf ein Elektrodenensemble diese enthaltend, nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche. Desweiteren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Batteriezelle mit entsprechendem Elektrodenensemble und auf ein Verfahren zur Herstellung der Batteriezelle nach dem Oberbegriff der weiteren unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Eine Batteriezelle ist ein elektrochemischer Energiespeicher, der bei seiner Entladung die gespeicherte chemische Energie durch eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie umwandelt. Es zeichnet sich ab, dass in der Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, beispielsweise in Windkraftanlagen, als auch in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrofahrzeuge ausgelegt sind, sowie bei Elektrogeräten neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohen Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Aufgrund ihrer großen Energiedichte werden insbesondere Lithiumionen-Batterien als Energiespeicher für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge verwendet.
Ein Elektrodenensemble einer Batteriezelle umfasst eine Anode, einen Separator und eine Kathode und kann beispielsweise in gewickelter oder in gestapelter Form vorliegen. Die Anode und die Kathode weisen jeweils mindestens eine Kontaktfahne auf, welche beim Beschnitt der Anoden- und Kathodenfolien stehen gelassen werden und zur Kontaktierung der Batteriezelle dienen. Die Kontaktierung erfolgt beispielsweise durch Anschweißen eines Stromableiters an die herausstehenden Kontaktfahnen.
DE 40 19 092 A1 bezieht sich auf ein mehrschichtiges, dreidimensionales Kompositelektrodengerüst für elektrochemische Elemente und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Das Kompositelektrodengerüst umfasst ein dreidimensionales, leitfähiges Matrixmaterial als Grundkörper, in welches eine gut leitende Hilfsstruktur eingelegt ist. Dadurch ergibt sich eine Verbesserung der Stromleitung bei großflächigen, mit einem derartigen Kompositelektrodengerüst versehenen Elektroden. Die eingelegte Hilfsstruktur bewirkt, dass der Stromtransport über längere Strecken, beispielsweise bis zu einer angebrachten Stromfahne bei der Elektrode möglichst verlustfrei erfolgt. Die dreidimensionale Struktur erstreckt sich dabei in allen drei Raumrichtungen und beinhaltet metallische Substanzen oder metallisierte Substanzen, wie Fasern oder Röhren.
DE 10 2011 107 331 A1 bezieht sich auf ein Elektrodenmaterial, eine Elektrode, ein Verfahren zu deren Herstellung, eine elektrochemische Zelle und eine Batterie. Es wird ein Elektrodenmaterial offenbart, das ein elektrochemisch aktives Material aufweist, in dessen Volumen niederohmige elektrische Ableiter als feinverteilte perkolierende dreidimensionale metallische Strukturen eingebettet sind. Die dreidimensionale Struktur erstreckt sich dabei in drei Raumrichtungen und beinhaltet metallische Substanzen oder metallisierte Substanzen, wie beispielsweise Fasern oder Röhren.
DE 10 2008 041 713 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Zelle. Ein Ableiterabschnitt einer elektrischen Zelle wird mit als Lamellenverbund ausgebildeten Elektroden- und Separatorlamellen ausgeführt. Während der Herstellung werden Kontaktierungsfahnen aus Elektrodenlamellen eines Lamellenverbundes derart ausgeschnitten, dass ein Ableiterabschnitt ausgebildet ist. Der Ableiterabschnitt besteht aus mindestens einem Stapel hintereinanderliegender Kontaktierungsfahnen.
Offenbarung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Elektroden einer Batteriezelle optimal an die Anschlussterminals der Batteriezelle anzubinden.
Des Weiteren liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und prozesssichere Herstellung sowie eine dementsprechende Montage der Batteriezelle zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß werden eine Anode, eine Kathode sowie ein diese umfassendes Elektrodenensemble mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt. Desweiteren werden eine Batteriezelle mit dem entsprechenden Elektrodenensemble, Anschlussterminals und einem Gehäuse sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle mit den kennzeichnenden Merkmalen der weiteren unabhängigen Ansprüche bereitgestellt. Hierbei weist das Elektrodenensemble, umfassend eine Anode, eine Kathode und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Separator, Durchbrechungen für eine Durchkontaktierung mittels Kontaktstiften auf. Über die Kontaktstifte werden die Elektroden mit Anschlussterminals der Batteriezelle verbunden, sodass ein Stromfluss gewährleistet ist.
Unter einer Durchkontaktierung wird in diesem Sinne die Erzeugung eines Stromflusses durch eine Batteriezelle verstanden. Die Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung liegen darin, dass keine herkömmlichen Stromableiter benötigt werden, welche den zur Verfügung stehenden Platz in der Batteriezelle reduzieren und zum Gewicht der Batteriezelle beitragen. Die erfindungsgemäßen Kontaktstifte nehmen im Gegensatz hierzu nicht viel Platz ein, wodurch die Größe der Batteriezelle beispielsweise bis zu 30% und das Gewicht der Batteriezelle beispielsweise bis zu 20% reduziert sein kann im Vergleich zu Batteriezellen mit einem entsprechenden Elektrodenensemble aber herkömmlich angebrachten Stromableitern. Zudem entfallen weitere Bauteile, welche beispielsweise zur Isolation der Stromableiter herkömmlicher Batteriezellen benötigt werden.
Desweiteren können Schweißarbeiten bei der Herstellung der Batteriezelle erheblich reduziert werden, was einen großen Vorteil birgt. Schweißarbeiten zur elektrischen Anbindung des Elektrodenensembles, wie beispielsweise das Anschweißen von Stromableitern, entfallen gänzlich. Schweißarbeiten bieten die Gefahr, dass Partikel, welche beim Schweißen entstehen, ungewollt in das Elektrodenensemble gelangen und gegebenenfalls Kurzschlüsse verursachen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird so zum einen die Sicherheit der Batteriezelle erhöht und zum anderen können Prozessschritte eingespart werden. Die erfindungsgemäße Batteriezelle zeichnet sich zudem durch eine sehr einfache Montage aus.
Die Anode umfasst eine Anodenfolie, beispielsweise eine Kupferfolie, welche, insbesondere auf beiden Seiten, mit einem Aktivmaterial, beispielsweise Graphit beschichtet ist. Die Kathode umfasst eine Kathodenfolie, beispielsweise eine Aluminiumfolie, welche, insbesondere auf beiden Seiten, mit einem Aktivmaterial beschichtet ist wie beispielsweise einem lithiierten Übergangsmetalloxid, zum Beispiel Li(NiCoMn)O₂.
Vorteilhaft sind Durchbrüche in die Kathode und in die Anode eingebracht. Die Durchbrüche der Anode weisen insbesondere eine Kreisform auf und sind in regelmäßigen Abständen in die Anode eingebracht. Mit dem Begriff „in regelmäßigen Abständen“ sind in dieser Anmeldung zum einen immer gleich bleibende Abstände und zum anderen sich nach und nach vergrößernde Abstände gemeint. Die Durchbrüche der Kathode weisen insbesondere eine Kreisform auf und sind in regelmäßigen Abständen in die Anode eingebracht.
In einer weiteren vorteilhalten Ausführungsform weist die Anode Bereiche auf, in welchen isolierende Beschichtungen in regelmäßigen Abständen aufgebracht sind. Die isolierenden Beschichtungen weisen insbesondere eine Kreisform auf und sind beispielsweise in Form von Aufklebern realisiert.
Die Kathode weist ebenfalls Bereiche auf, in welchen eine, insbesondere kreisförmige, isolierende Beschichtung in regelmäßigen Abständen aufgebracht ist, welche beispielsweise in Form von Aufklebern realisiert ist. Das Elektrodenensemble umfasst vorteilhaft eine Anode, ferner eine Kathode, zwischen denen ein Separator angeordnet ist. Nach Fertigstellung des Elektrodenensembles hat dieses das Aussehen eines Elektrodenwickels, dies bedeutet, dass die Anode, der Separator und die Kathode ineinander aufgewickelt sind. Dieser Schritt erfolgt beispielsweise in einer Wickelmaschine. Alternativ liegen die Anode, der Separator und die Kathode aufeinander gestapelt vor. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Batteriezelle zeichnet sich dadurch aus, dass beispielsweise im aufgewickelten Zustand des Elektrodenensembles die Durchbrüche in der Anode übereinanderliegen, sowie dass die Durchbrüche in der Kathode übereinander liegen. Die Durchbrüche der Anode liegen vorteilhaft im Bereich der späteren Kontaktierung der Kathode und die Durchbrüche der Kathode liegen vorteilhaft im Bereich der späteren Kontaktierung der Anode.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Batteriezelle ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorteilhaft werden die Durchbrüche beispielsweise vor oder nach dem Beschichten der Kathodenfolie und der Anodenfolie mit Aktivmaterial in die Kathode und die Anode, beispielsweise durch Ausstanzen oder mittels eines Lasers, eingebracht. In den Bereichen der Durchbrüche kann die jeweilige Elektrode später nicht elektrisch kontaktiert werden, da sie nicht an dem Kontaktstift anliegt, wodurch Kurzschlüsse vermieden werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Kathode unbeschichtete Bereiche auf, welche frei von Aktivmaterial sind. Die unbeschichteten Bereiche liegen im Bereich der späteren Kontaktierung der Kathode. Da in diesen Bereichen kein Aktivmaterial auf die Kathodenfolie aufgebracht wird, wirkt beim Vorgang der Beschichtung mit Aktivmaterial keine Kraft auf die Kathodenfolien. Folglich dehnen sich die Kathodenfolien unter der Druckkraft nicht aus. Dadurch können Stromspitzen, die sich gegebenenfalls bei der späteren Kontaktierung von Anode und Kathode ergäben, unterbunden werden, die über die Betriebszeit des Elektrodenensembles gesehen nachteilige Folgen haben können.
Die isolierenden Beschichtungen, welche auf die Anode aufgebracht sind, liegen in jenem aufgewickelten Zustand im Bereich der Durchbrüche der Kathode und die isolierenden Beschichtungen, welche auf die Kathode aufgebracht sind, liegen im aufgewickelten Zustand im Bereich der Durchbrüche der Anode.
Die isolierenden Beschichtungen auf der Kathode kompensieren so die Distanz zwischen den Durchbrüchen der Anode sowie gegebenenfalls die Distanz, welche durch die abweichende Materialstärke der Anode im Bereich der unbeschichteten Bereiche der Kathode zustande kommt. Die isolierenden Beschichtungen auf der Anode kompensieren die Distanz, die durch die Durchbrüche der Kathode zustande kommt. Die isolierenden Beschichtungen sorgen somit dafür, dass sich die Anode und die Kathode, beispielsweise unter Druckeinwirkung, nicht verformen. Durch eine Verformung können sich sonst beispielsweise Funktionsminderungen der Anode bzw. der Kathode ergeben, sowie schlimmstenfalls Kurzschlüsse entstehen, was ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen würde. Zudem werden die Bereiche der Durchbrüche durch die isolierenden Beschichtungen abgedichtet, wodurch keine Partikel, beispielsweise beim späteren Einbringen der Kontaktstifte, zu den Elektroden gelangen können. Das Material der isolierenden Beschichtungen ist vorteilhaft mechanisch belastbar, weist einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Material der Anode bzw. der Kathode auf und ist beständig gegen einen Elektrolyten. Das Material der isolierenden Beschichtung ist beispielsweise ein Epoxidharz oder ein schnell aggregierender Klebstoff.
Beispielsweise im aufgewickelten Zustand des Elektrodenensembles werden in das Elektrodenensemble in einem Kontaktierungsbereich, ferner auch in den die Anode und die Kathode trennenden Separator, Durchbrechungen eingebracht, welche im Bereich der Durchbrüche der Anode bzw. der Kathode lokalisiert sind. In die Durchbrechungen werden die Kontaktstifte zur Kontaktierung des Elektrodenensembles eingebracht. Eine elektrische Verbindung zwischen dem Elektrodenensemble und den Kontaktstiften erfolgt beispielsweise durch Verpressen, durch Leitkleben oder durch Verlöten.
In vorteilhafter Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung stellen die das Elektrodenensemble durchkontaktierenden Kontaktstifte gleichzeitig Anschlussterminals der Batterie dar, die an einer Außenseite eines Gehäuses, in dem die Batteriezelle aufgenommen ist, liegen. Vorteilhaft hierbei ist, dass weitere Bauteile eingespart werden und der Prozessschritt der Kontaktierung der Kontaktstifte an die Anschlussterminals entfällt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform schließen die als Anschlussterminals der Batteriezelle fungierenden Kontaktstifte bündig mit dem Gehäuse ab, sodass beim Zusammenbau mehrerer Batteriezellen eine optimale Stapelung der Batteriezellen und somit eine hohe Packungsdichte möglich ist. In dieser Ausführungsform können die Kontaktstifte beispielsweise mehrere Batteriezellen kontaktieren. Diese verlaufen dann durch mehrere aufeinander gestapelte Batteriezellen. In einer weiteren Ausführungsform stehen die Kontaktstifte als Terminals auf einer ersten Seite aus dem Gehäuse hervor, während die Kontaktstifte auf einer zweiten Seite des Gehäuses früher abschließen als die Gehäuseaußenwand, sodass eine Einbuchtung entsteht. Beim Zusammenbau mehrerer Batteriezellen kontaktiert ein auf einer ersten Seite des Gehäuses einer ersten Batteriezelle hervorstehender Kontaktstift einen auf einer zweiten Seite des Gehäuses einer zweiten Batteriezelle in der Einbuchtung liegenden Kontaktstift, ähnlich dem Zusammenbau von Klemmbausteinen.
Vorteilhaft umfassen die Kontaktstifte das gleiche Material wie die Anoden- bzw. Kathodenfolien, da so eine besonders gute elektrische Verbindung gewährleistet wird. Vorteilhaft umfasst der Kontaktstift, welcher die Anode kontaktiert Kupfer und der Kontaktstift, welcher die Kathode kontaktiert Aluminium. Alternativ kann der Kontaktstift andere elektrisch leitende Materialien, wie beispielsweise einen Edelstahl, umfassen. Aluminium bietet den Vorteil, dass es leicht und kostengünstig ist und zudem in großen Mengen verfügbar. Kupfer und Edelstahl hingegen sind vorteilhaft bezüglich ihrer Korrosionsbeständigkeit, was unter anderem eine hohe Lebensdauer mit sich bringt. Zudem ist Kupfer gut zu verarbeiten und kann auch bei niedrigen Temperaturen optimal verformt werden. Alternativ weisen die Kontaktstifte beispielsweise eine elektrisch leitende Beschichtung auf. Die Batteriezelle wird, beispielsweise vor oder alternativ nach dem Einbringen der Durchbrechungen in das Elektrodenensemble, mit einer Presskraft beaufschlagt. Dadurch erfolgen eine Verpressung und eine kompakte Ausbildung des Elektrodenensembles, wodurch eine hohe Packungsdichte innerhalb der Batteriezelle erreicht wird. Zudem wird eine Abdichtung des Elektrodenensembles in Richtung der Durchbrechungen erzielt. Ein Wandern von Partikeln innerhalb der Batteriezelle aus den Kontaktbereichen heraus kann so verhindert werden.
In vorteilhafter Weise sind die Kontaktstifte beispielsweise als Schrauben ausgestaltet, sodass die Batteriezelle, zur Aufrechterhaltung der durch die Verpressung erzeugten Vorspannkraft, verschraubt wird. In weiterhin vorteilhafter Weise sind die Kontaktstifte als Niete ausgeführt, sodass die Batteriezelle zur Aufrechterhaltung der Vorspannkraft vernietet wird. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann der beispielsweise als Schraube oder Niet ausgestaltete Kontaktstift hohl ausgeführt sein, sodass in der Mitte des Kontaktstiftes beispielsweise ein Kühlmedium strömt bzw. die Zelle temperiert wird. Dies ist besonders vorteilhaft wenn ein Kontaktstift mehrere Batteriezellen kontaktiert.
In einer alternativen Ausführungsmöglichkeit der Erfindung werden die isolierenden Beschichtungen nicht bereits vor dem Aufwickeln des Elektrodenensembles auf die Elektroden aufgebracht, sondern es wird ein elektrisch isolierendes Material, welches später die isolierende Beschichtungen auf der Anode, bzw. der Kathode bildet, beispielsweise ein Epoxidharz oder ein Klebstoff, nach dem Einbringen der Durchbrechungen in diese eingebracht. Die isolierende Beschichtung füllt dann auch die Bereiche der Durchbrüche des Elektrodenensembles aus. Nach erneutem Einbringen von Durchbrechungen in das Elektrodenensemble wird die isolierende Beschichtung in dem Bereich, in welchem später die Kontaktstifte eingebracht werden, wieder entfernt. Eine elektrische Verbindung kann beispielsweise durch Verpressen, Leitkleben oder Verlöten erfolgen. Alternativ wird eine elektrische Verbindung der Kontaktstifte mit dem Elektrodenensemble mittels einer leitfähigen Polymerschicht erzeugt, welche in die erneut eingebrachten Durchbrechungen eingebracht wird. Diese ist beispielsweise zum Schutz mit einer metallischen Schicht überzogen. Die Aufbringung der metallischen Schicht kann beispielsweise mittels eines galvanischen Bades erfolgen, wobei beispielsweise eine Kupfer- oder eine Aluminiumschicht abgeschieden wird. Nach dem Einbringen des Kontaktstiftes kontaktiert dieser die leitfähige Polymerschicht mit aufgebrachter metallischer Schicht.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit nachfolgenden Verfahrensschritten:

a) Es wird ein erfindungsgemäßes Elektrodenensemble bereitgestellt,
b) es erfolgt das Einbringen von Durchbrechungen durch das Elektrodenensemble in einem Kontaktierungsbereich, beispielsweise durch Stanzen oder Bohren, wobei die Durchbrechungen im Bereich der Durchbrüchen der Anode bzw. der Kathode lokalisiert sind,
c) Es erfolgt das Einbringen der beispielsweise als Schraube oder Niet ausgestalteten Kontaktstifte durch die Durchbrechungen des Elektrodenensembles.

Eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktstiften und dem Elektrodenensemble wird beispielsweise durch Verpressen, Leitverklebung oder Verlöten erzeugt.
In einem alternativen Verfahren zur Herstellung der Batteriezelle erfolgen nach Schritt b) und vor Schritt c) folgende Verfahrensschritte:

b1) Es erfolgt das Einbringen einer isolierenden Beschichtung, beispielsweise eines Epoxidharzes oder eines schnell aggregierenden Klebstoffs in die Durchbrechungen des Elektrodenensembles, sodass die isolierende Beschichtung auch in die Durchbrüche der Anode und der Kathode gelangt und es erfolgt beispielsweise ein Aushärten der isolierenden Beschichtung, beispielsweise durch Bestrahlen mit UV-Strahlung. Hierdurch erfolgt eine Abdichtung des Elektrodenensembles.
b2) Es erfolgt das erneute Einbringen von Durchbrechungen durch das Elektrodenensemble in einem Kontaktierungsbereich, beispielsweise mittels Bohren oder Stanzen, wobei die Durchbrechungen im Bereich der Durchbrüche der Anode bzw. der Kathode lokalisiert sind. Im Bereich der Durchbrüche der Anode verbleibt die isolierende Beschichtung auf der Kathode und im Bereich der Durchbrüche der Kathode verbleibt die isolierende Beschichtung auf der Anode.

Eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktstiften und dem Elektrodenensemble wird beispielsweise durch Verpressen, Leitverklebung oder Verlöten erzeugt.
In einem weiteren alternativen Verfahren zur Herstellung der Batteriezelle erfolgt nach Schritt b2) und vor Schritt c) folgender Verfahrensschritt:

b3) Es erfolgt das Aufbringen einer leitfähigen Polymerschicht, beispielsweise aus Polyanilin, auf die Oberflächen der Durchbrechungen des Elektrodenensembles, um diese abzudichten und gute Bedingungen für die spätere Kontaktierung zu schaffen.

Anschließend wird diese beispielsweise mit einer metallischen Schicht, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium überzogen. Die metallische Schicht wird beispielsweise mittels eines galvanischen Bades aufgebracht, wobei beispielsweise eine Kupfer- und/oder Aluminiumschicht auf die leitfähige Polymerschicht abgeschieden wird. Durch die leitfähige Polymerschicht wird eine elektrische Verbindung erzeugt zwischen den in einem nächsten Schritt c) eingebrachten Kontaktstiften und dem Elektrodenensemble.
Die Kontaktierung erfolgt so analog einer Durchkontaktierung von Leiterplatten. Die Erzeugung einer elektrischen Verbindung durch Verpressen, Leitverklebung oder Verlöten entfällt dann.
Das Verpacken des Elektrodenensembles in ein Gehäuse kann in allen Ausführungsformen vor oder nach dem Einbringen der Durchbrechungen erfolgen. Erfolgt das Verpacken vor dem Einbringen der Durchbrechungen, so weist das Gehäuse noch nicht verschlossene Öffnungen auf. Das Gehäuse ist vorzugsweise ein flexibles Gehäuse, beispielsweise ein Gehäuse für eine Pouch-Zelle, beispielsweise eine Kunststoff-, eine Alu- und/oder eine Thermoplast-Schicht umfassend. Die Verpackung in ein flexibles Gehäuse findet beispielsweise in einer Wickelmaschine statt. Alternativ kann das Gehäuse auch ein festes, beispielsweise prismatisches Gehäuse sein, beispielsweise Aluminium oder einen Stahl umfassend.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine Aufsicht auf eine schematisch dargestellte erfindungsgemäße Anode einer Batteriezelle in einer Ausführung mit Durchbrüchen und isolierenden Beschichtungen,
2 eine Aufsicht auf eine schematisch dargestellte erfindungsgemäße Kathode einer Batteriezelle in einer Ausführung mit unbeschichteten Bereichen, isolierenden Beschichtungen und Durchbrüchen,
3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Batteriezelle in einer ersten Ausführung der Erfindung,
4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Batteriezelle mit Durchbrechungen, welche durch eine isolierende Beschichtung ausgefüllt sind nach einer alternativen Ausführung der Erfindung, und
5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Batteriezelle in einer weiteren alternativen Ausführung der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Anode 10 eines Elektrodenensembles für eine Batteriezelle. Die Anode 10 umfasst beispielsweise eine Kupferfolie, welche flächig mit Aktivmaterial 4, beispielsweise Graphit, beschichtet ist. Die Anode 10 ist beispielsweise in regelmäßigen Abständen mit Durchbrüchen 20 versehen. Die Durchbrüche 20 der Anode 10 befinden sich in einem Randbereich der in 1 streifenförmig dargestellten Anode 10. Des Weiteren sind auf die Anode 10 bereichsweise isolierende Beschichtungen 14a aufgebracht. Die isolierenden Beschichtungen 14a sind beispielsweise den Durchbrüchen 20 auf der Anode 10 gegenüberliegend, ebenfalls beispielsweise in regelmäßigen Abständen angeordnet.
2 zeigt eine Kathode 12 eines Elektrodenensembles für eine Batteriezelle. Die Kathode 12 umfasst beispielsweise eine Aluminiumfolie, welche flächig mit Aktivmaterial 6, beispielsweise einem lithiierten Übergangsmetalloxid wie Li(NiCoMn)O₂, beschichtet ist. Die Kathode 12 weist unbeschichtete Bereiche 16 auf. Diese unbeschichteten Bereiche 16 der Kathode 12 sind frei von Aktivmaterial 6 und dienen der Vermeidung von Stromspitzen bei der späteren Kontaktierung. Analog zur Darstellung gemäß 1 ist die Kathode 12 ebenfalls bereichsweise mit isolierenden Beschichtungen 14b versehen, welche beispielsweise im Zentrum der unbeschichteten Bereiche 16 liegen. Die Kathode 12 weist in regelmäßigen Abständen angeordnete Durchbrüche 18 auf, die den unbeschichteten Bereichen 16 bzw. den isolierenden Beschichtungen 14b auf der Oberseite der Kathode 12 gegenüberliegen.
3 zeigt einen Schnitt durch eine fertig montierte Batteriezelle 32, in der ein Elektrodenensemble 13 aufgenommen ist. Die Anode 10 ist beispielsweise als Anode gemäß 1 ausgebildet und die Kathode 12 ist beispielsweise als Kathode 12 gemäß 2 ausgebildet. Die Anode 10 und die Kathode 12 sind unter Zwischenschaltung eines nicht dargestellten Separators aufgewickelt, sodass das in 3 dargestellte Elektrodenensemble 13 entsteht. Die Anode 10 umfasst eine Anodenfolie 3, beispielsweise eine Kupferfolie, welche beidseitig mit einem Aktivmaterial 4, beispielsweise Graphit, beschichtet ist. Die Kathode 12 umfasst eine Kathodenfolie 5, beispielsweise eine Aluminiumfolie, welche beidseitig mit einem Aktivmaterial 6, beispielsweise einem lithiierten Übergangsmetalloxid, beschichtet ist. Hierbei weist die Kathode 12 unbeschichtete Bereiche 16 auf, welche frei von Aktivmaterial 6 sind. In die Anode 10 sind Durchbrüche 20 eingebracht, welche im Bereich der Kontaktierung der Kathode 12 liegen und in die Kathode 12 sind Durchbrüche 18 eingebracht, welche im Bereich der Kontaktierung der Anode 10 liegen. Auf der Anode 10 sind bereichsweise isolierende Beschichtungen 14a aufgebracht, die im Bereich der Durchbrüche 18 der Kathode 12 liegen sowie isolierende Beschichtungen 14b auf der Kathode 12, die im Bereich der Durchbrüche 20 der Anode 10 liegen. Die isolierenden Beschichtungen 14b auf der Kathode 12 kompensieren die Distanz, die durch die abweichende Materialstärke der Anode 10 im Bereich des unbeschichteten Bereichs 16 der Kathode 12 zustande kommt, sowie die Distanz, die auf die Durchbrüche 20 der Anode 10 zurückzuführen ist. Die isolierenden Beschichtungen 14a auf der Anode 10 kompensieren die Distanz, die durch die Durchbrüche 18 der Kathode 12 zustande kommt. Unter Druckeinwirkung würden sich die Anode 10 bzw. die Kathode 12 ohne die isolierenden Beschichtungen 14a, 14b beispielsweise verformen. Zudem werden die Bereiche der Durchbrüche 18, 20 durch die isolierenden Beschichtungen 14a, 14b abgedichtet, sodass keine Partikel von außen zu den Elektroden gelangen können. Das Material der isolierenden Beschichtungen 14a, b ist beispielsweise ein Epoxidharz. Der Durchmesser der isolierenden Beschichtungen 14a, b umfasst beispielsweise das 1,5- bis 3-fache des Durchmessers der Durchbrechungen 1. Die isolierenden Beschichtungen 14a, 14b können auch den gesamten Raum der Durchbrüche 18, 20 der Elektroden 10, 12 einnehmen. Im Bereich der Durchbrüche 18, 20 der Elektroden 10, 12 sind Durchbrechungen 1 in das Elektrodenensemble 13 eingebracht, die das gesamte Elektrodenensemble 13 durchdringen und in welche zur Durchkontaktierung jeweils ein Kontaktstift 22 eingebracht ist. Der Kontaktstift 22, welcher die Anode 10 kontaktiert, liegt direkt an der Anode 10 des Elektrodenensembles 13 an und der Kontaktstift 22, welcher die Kathode 12 kontaktiert liegt direkt an der Kathode 12 des Elektrodenensembles 13 an, sodass jeweils ein elektrisch leitender Kontakt entsteht. Eine elektrische Verbindung der Kontaktstifte 22 mit dem Elektrodenensemble 13 erfolgt durch Verpressung durch Einsatz eines Leitklebers oder durch Verlöten. In 3 bildet der Kontaktstift 22 gleichzeitig ein Anschlussterminal 28 der Batteriezelle 32. Desweiteren ist der Kontaktstift 22 beispielsweise als Schraube oder als Niet ausgeführt, sodass die Batteriezelle 32, wie in 3 dargestellt, mittels des Kontaktstiftes 22 verschraubt bzw. vernietet ist. Hierbei wird das Elektrodenensemble 13, welches in einem vorzugsweise flexiblen Gehäuse 24 verpackt ist, zunächst mit einer Presskraft 36 beaufschlagt und schließlich vor dem Lösen der Presskraft 36 über die Kontaktstifte 22 verspannt, beispielsweise durch Verschrauben oder Vernieten. In einer weiteren, nicht in 3 dargestellten Ausgestaltung sind die Kontaktstifte 22 als Hohlkörper ausgeführt und führen beispielsweise ein Kühlmedium bzw. werden über ein in den Kontaktstiften 22 zirkulierendes Medium temperiert.
Der Darstellung in 4 ist eine alternative Ausführung der erfindungsgemäßen Batteriezelle 32 in einem noch nicht fertig montierten Stadium zu entnehmen. Es ist die Batteriezelle 32 nach dem Einbringen einer isolierenden Beschichtung 14, beispielsweise eines Epoxidharzes oder eines schnell aggregierenden Klebstoffs in die Durchbrechungen 1 des Elektrodenensembles 13, dargestellt. Die Batteriezelle 32 ist analog zu der Batteriezelle 32 aus 3 aufgebaut mit dem ersten Unterschied, dass keine unbeschichteten Bereiche 16 auf der Kathode 12 vorhanden sind. Die Kathodenfolie 5 ist durchgehend mit Aktivmaterial 6 beschichtet. Ein weiterer Unterschied ergibt sich daraus, dass eine isolierende Beschichtung 14 in die Durchbrechungen 1 des Elektrodenensembles 13 eingebracht ist, welche die gesamten Durchbrechungen 1 und die Durchbrüche 18, 20 der Elektroden 10, 12 ausfüllt. Die isolierende Beschichtung 14 wird beispielsweise mittels UV-Strahlung ausgehärtet.
Anschließend werden durch die isolierende Beschichtung 14 erneut Durchbrechungen 1 durch das Elektrodenensemble 13 im Bereich der Durchbrüche 18, 20 der Elektroden 10, 12 eingebracht, sodass die isolierenden Beschichtungen 14a nur im Bereich der Durchbrüche 18 der Kathode 12 auf der Anode 10 verbleiben und dass die isolierenden Beschichtungen 14b nur im Bereich der Durchbrüche 20 der Anode 10 auf der Kathode 12 verbleiben. Eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktstiften 22 und dem Elektrodenensemble 13 erfolgt beispielsweise durch Verpressen, Leitverklebung oder Verlöten oder alternativ durch eine leitfähige Polymerschicht 60, wie in 5 dargestellt.
5 zeigt eine fertig montierte Batteriezelle 32 in einer weiteren alternativen Ausführungsmöglichkeit. Die Batteriezelle 32 ist analog zu der Batteriezelle 32 aus 4 aufgebaut. Nach dem erneuten Einbringen von Durchbrechungen 1 in das Elektrodenensemble 13, wobei die isolierende Beschichtung 14b auf der Kathode 12 im Bereich der Durchbrüche 20 der Anode 10 verbleibt und wobei die isolierende Beschichtung 14a auf der Anode 10 im Bereich der Durchbrüche 18 der Kathode 12 verbleibt, wird eine leitfähige Polymerschicht 60, beispielsweise Polyanilin auf die Oberflächen der Durchbrechungen 1 aufgebracht. Die leitfähige Polymerschicht 60 dient dazu, die Durchbrechungen 1 des Elektrodenensembles 13 abzudichten und gute Bedingungen für die spätere Kontaktierung zu schaffen. Die leitfähige Polymerschicht 60 ist beispielsweise von einer metallischen, in 5 nicht dargestellten Schicht überzogen, welche beispielsweise mittels eines galvanischen Bades aufgebracht wird, in dem beispielsweise eine Kupfer- oder Aluminiumschicht abgeschieden wird. Durch die leitfähige Polymerschicht 60 wird nach dem Einbringen der Kontaktstifte 22 eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktstiften 22 und dem Elektrodenensemble 13 erzeugt.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4019092 A1 [0004]
DE 102011107331 A1 [0005]
DE 102008041713 A1 [0006]

Claims

Anode (10) umfassend eine Anodenfolie (3), welche, insbesondere beidseitig, mit einem Aktivmaterial (4) beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (10) mit Durchbrüchen (20) versehen ist, welche insbesondere kreisförmig ausgestaltet sind und in regelmäßigen Abständen auf der Anode (10) angeordnet sind, und mit Bereichen, in denen eine, insbesondere kreisförmige, isolierende Beschichtung (14a) in regelmäßigen Abständen auf die Anode (10) aufgebracht ist.
Kathode (12) umfassend eine Kathodenfolie (5), welche, insbesondere beidseitig, mit einem Aktivmaterial (6) beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (12) mit Durchbrüchen (18) versehen ist, welche insbesondere kreisförmig ausgestaltet sind und in regelmäßigen Abständen auf der Kathode (12) angeordnet sind, und mit Bereichen, in denen eine, insbesondere kreisförmige, isolierende Beschichtung (14b) in regelmäßigen Abständen auf die Kathode (12) aufgebracht ist.
Kathode (12) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenfolie (5) unbeschichtete Bereiche (16) aufweist, welche frei von Aktivmaterial (6) sind, wobei insbesondere die isolierende Beschichtung (14b) in dem unbeschichteten Bereich (16) vorgesehen ist.
Elektrodenensemble (13) umfassend eine Anode (10) nach Anspruch 1 und eine Kathode (12) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, sowie einen zwischen der Anode (10) und der Kathode (12) angeordneten Separator, wobei die Anode (10), der Separator und die Kathode (12) derart aufgewickelt sind, dass die Durchbrüche (20) der Anode (10) jeweils übereinander liegen, dass die Durchbrüche (18) der Kathode (12) jeweils übereinander liegen, und dass die Durchbrüche (20) der Anode (10) im Bereich einer Kontaktierung der Kathode (12) und die Durchbrüche (18) der Kathode (12) im Bereich einer Kontaktierung der Anode (10) liegen.
Elektrodenensemble (13) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Anode (10) aufgebrachte isolierende Beschichtung (14a) im Bereich der Durchbrüche (18) der Kathode (12) liegt, und dass die auf die Kathode (12) aufgebrachte isolierende Beschichtung (14b) im Bereich der Durchbrüche (20) der Anode (10) liegt.
Batteriezelle (32) mit mindestens einem Elektrodenensemble (13) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, Anschlussterminals (28) zur elektrischen Kontaktierung und einem Gehäuse (24).
Batteriezelle (32) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenensemble (13) mit Durchbrechungen (1) versehen ist für eine Durchkontaktierung mittels Kontaktstiften (22).
Batteriezelle (32) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die das Elektrodenensemble (13) durchkontaktierenden Kontaktstifte (22) die Anschlussterminals (28) der Batteriezelle (32) bilden.
Batteriezelle (32) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstifte (22) Aluminium und/oder Kupfer und/oder einen Edelstahl umfassen.
Batteriezelle (32) nach einem der Ansprüche 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstifte (22) mit dem Elektrodenensemble (13) durch Verpressen, Leitkleben oder Verlöten eine elektrische Verbindung eingehen.
Batteriezelle (32) nach einem der Ansprüche 7–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstifte (22) als Schrauben oder als Nieten ausgestaltet sind über welche die Batteriezelle (32) verspannt ist.
Batteriezelle (32) nach einem der Ansprüche 7–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstifte (22) als Hohlkörper ausgeführt sind, durch welche insbesondere ein Kühlmedium strömt.
Batteriezelle (32) nach einem der Ansprüche 6–9 oder 11–12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktstift (22) eine leitfähige Polymerschicht (60) kontaktiert.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle (32) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 13 mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen eines Elektrodenensembles (13) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, b) Einbringen von Durchbrechungen (1) durch das Elektrodenensemble (13) in einem Kontaktierungsbereich, wobei die Durchbrechungen (1) im Bereich von Durchbrüchen (18, 20) einer Anode (10) bzw. einer Kathode (12) lokalisiert sind, c) Einbringen von Kontaktstiften (22) in die Durchbrechungen (1) des Elektrodenensembles (13)
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt b) und vor Schritt c) folgende Verfahrensschritte erfolgen: b1) Einbringen einer isolierenden Beschichtung (14) in die Durchbrechungen (1) des Elektrodenensembles (13) b2) Erneutes Einbringen von Durchbrechungen (1) durch das Elektrodenensemble (13) in einem Kontaktierungsbereich, wobei die Durchbrechungen (1) im Bereich der Durchbrüche (18, 20) der Anode (10) bzw. der Kathode (12) lokalisiert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktstiften (22) und dem Elektrodenensemble (13) durch Verpressen, Leitverklebung oder Verlöten erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt b2) und vor Schritt c) folgender Verfahrensschritt erfolgt: b3) Aufbringen einer leitfähigen Polymerschicht (60) auf die Oberflächen der Durchbrechungen (1).