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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle, ein Batteriemodul und eine Verwendung derselben gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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Lithiumhaltige Batteriesysteme zeigen bei Lade- bzw. Entladevorgängen eine Volumenausdehnung bzw. Schrumpfung, die im Wesentlichen auf Ein- bzw. Auslagerungsvorgänge von Lithium insbesondere im Anodenmaterial der entsprechenden Batteriezellen zurückzuführen ist. In verstärktem Maße gilt dies für Festkörper-Lithium-Ionenbatterien, die je nach Zellaufbau eine Volumenvergrößerung bzw. -kontraktion im Bereich von 10 bis 40% Ihres Volumens zeigen.
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Die periodische Volumenänderung der Batteriezellen führt zu einer hohen mechanischen Beanspruchung des Batteriezell- bzw. Batteriemodulgehäuses und somit zu einer frühzeitigen Ermüdung des Gehäusematerials. Weiterhin müssen derartige Batteriezellen bzw. Zellstapel ständig unter einer entsprechenden mechanischen Vorspannung gehalten werden, um eine einwandfreie Funktion der Batteriezellen bzw. Zellstapel sicherzustellen. Darüber hinaus sind übliche Schutzmaßnahmen, die Batteriezellen bzw. Batteriezellstapel vor Umgebungseinflüssen schützen, wie beispielsweise zutretende Feuchtigkeit, Luftsauerstoff, etc., sicherzustellen. Dies erfordert ein vorzugsweise hermetisch abgeschlossenes Verpacken entsprechender Batteriezellen.
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Diesbezüglich ist aus der
US 2013/0130087 eine Festkörperbatterie bekannt, die eine Vielzahl entsprechender Batteriezellen aufweist. Zwischen den einzelnen Batteriezellen befinden sich wärmeableitende Elemente, die mit einem Gehäuse des Batteriemoduls in wärmeleitendem Kontakt stehen. Dabei können die Seitenflächen des Batteriemodulgehäuses beispielsweise eine gefaltete Struktur einnehmen, die zu einer höheren Gehäuseoberfläche führt und somit zu einer verbesserten Wärmeabgabe.
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Weiterhin ist aus der
CN 203026620 eine weitere Batterie für elektrische Fahrzeuge bekannt, die ein wärmeabgebendes Gehäuse aufweist. Dabei weist das Gehäuse ebenfalls auf seiner Außenseite eine beispielsweise wellige Struktur auf, die zu einer besseren Wärmeabgabe führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Batteriezellgehäuse bzw. ein Batteriemodulgehäuse bereitgestellt, das Volumenänderungen der Batteriezelle bzw. eines entsprechenden Batteriezellstapels in geeigneter Weise kompensieren kann. Dies erfolgt erfindungsgemäß mit einem Batteriezellgehäuse bzw. einem Batteriemodulgehäuse sowie deren Verwendung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
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Dies beruht insbesondere darauf, dass das erfindungsgemäße Batteriezellgehäuse bzw. das erfindungsgemäße Batteriemodulgehäuse eine Bodenfläche, mindestens eine damit verbundene Seitenwand und einen Deckel aufweist, der das Batteriezellgehäuse bzw. Batteriemodulgehäuse oben abschließt. Dabei weist die Bodenfläche, die mindestens eine Seitenwand oder der Deckel eine gewellte oder gefaltete Struktur auf, derart, dass über diese Struktur das Batteriezellgehäuse bzw. das Batteriemodulgehäuse elastisch eine Volumenänderung vollziehen kann. Der besondere Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass ein Batteriezellgehäuse oder ein Batteriemodulgehäuse, welches mindestens eine Batteriezelle oder ein Batteriezellstapel enthält, insbesondere eine periodische Volumenausdehnung bzw. -kontraktion vollziehen kann.
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Während der Volumenausdehnung bzw. -kontraktion bleibt zudem eine mechanische Vorspannung beispielsweise eines derartigen Batteriezellgehäuses auf ein in der Batteriezelle lokalisiertes Elektrodenensemble erhalten. Gleiches gilt für ein entsprechend ausgeführtes Batteriemodulgehäuse, dessen mechanische Vorspannung in Bezug auf eine im Gehäuse lokalisierte Batteriezelle oder einen dort positionierten Batteriezellstapel ebenfalls erhalten bleibt. Weiterhin kann diese mechanische Vorspannung, die der einer Vorspannfeder entspricht, entsprechend den Anforderungen in Bezug auf der Höhe der mechanischen Vorspannung durch die Art und Weise, wie die gewellte bzw. gefaltete Struktur des Batteriezellgehäuse bzw. des Batteriemodulgehäuses ausgeführt ist, entsprechend eingestellt werden.
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So erlaubt beispielsweise eine höhere Anzahl von Wellen bzw. von gefalteten Bereichen des entsprechenden Batteriezell- bzw. Batteriemodulgehäuses, oder eine größere Amplitude der entsprechenden gewellten bzw. gefalteten Struktur, einen größeren Dehnungsweg und somit eine größere Volumenkontraktion bzw. Volumenausdehnung. Weiterhin kann über die Wahl des entsprechenden Gehäusematerials des Batteriezellgehäuses bzw. des Batteriemodulgehäuses die Steifigkeit der gewellten bzw. gefalteten Struktur vorgegeben werden und somit auch die Elastizität der gefalteten bzw. gewellten Struktur.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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So ist es von Vorteil, wenn das Batteriezellgehäuse bzw. das Batteriemodulgehäuse zumindest in dem Bereich, in dem die gewellte oder gefaltete Struktur vorgesehen ist, einen Werkstoff mit guten Federeigenschaften, hohem Elastizitätsmodul sowie einer hohen Streckgrenze aufweist. Ein derartiges mechanisches Eigenschaftsprofil zeigen beispielsweise Stahlwerkstoffe.
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Darüber hinaus kann auch eine Rolle spielen, dass der für die gewählte oder gefaltete Struktur verwendete Werkstoff gut umformbar ist – hier eignet sich beispielsweise Aluminium – oder dass er eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist – hier eignet sich beispielsweise Kupfer. Soll die gewellte oder die gefaltete Struktur des Batteriezellgehäuses bzw. Batteriemodulgehäuses elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen, so können auch polymere Werkstoffe bzw geeignete Kunststoffe, wie beispielsweise PVC, Polyethylene, Polyacrylate oder Polurethane verwendet werden.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn es sich bei dem Batteriezellgehäuse bzw. dem Batteriemodulgehäuse um ein quaderförmiges oder würfelförmiges Gehäuse handelt. Der besondere Vorteil besteht darin, dass beim Zusammenfügen mehrerer Batterienzellen bzw. in einem entsprechenden Batteriemodulgehäuse wenig ungenutzter Bauraum verbleibt.
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Weiterhin ist von Vorteil, wenn insbesondere die Bodenfläche und/oder der Deckel, aber auch die mindestens eine Seitenfläche mit einer Sicke oder einem geeigneten Grat versehen sind. Auf diese Weise kann die Eigensteifigkeit und Stabilität der Bodenfläche, des Deckels bzw. der einen Seitenfläche deutlich verbessert werden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Batteriezellgehäuse bzw. das Batteriemodulgehäuse zwischen der mindestens einen Seitenwand und dem Deckel ein Dichtelement auf. Dieses ist vorzugsweise so ausgeführt, dass es die obere Kante der mindestens einen Seitenwand gegenüber dem mit dieser oberen Kante der mindestens einen Seitenwand in Kontakt stehenden Deckel weitestgehend abdichtet. Darüber hinaus lässt sich der vorteilhafte Effekt erzielen, dass der Deckel gegenüber dem restlichen Batteriezell- bzw. Batteriemodulgehäuse elektrisch isoliert wird.
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Dies kann beispielsweise auch für die elektrische Kontaktierungeiner Batteriezelle bzw. eines Batteriemoduls genutzt werden, indem der Deckel des Batteriezell- bzw. Batteriemodulgehäuses als Stromableiter für einen der Pole der Batteriezelle bzw. einer Mehrzahl von Batteriezellen fungiert und die mindestens eine Seitenfläche bzw. die Bodenfläche des Batteriezell- bzw. Batteriemodulgehäuses als Batterieterminal oder Stromableiter für den anderen Pol der entsprechenden Batteriezelle bzw. eines entsprechenden Batteriezellstapels. Um dies zu realisieren, ist beispielsweise ein erster Pol bzw. sind erste Pole einer oder mehrerer entsprechender Batteriezellen mit dem Deckel des Batteriezell- bzw. Batteriemodulgehäuses verbunden und ein zweiter bzw. zweite Pole der entsprechenden Batteriezelle bzw. des entsprechenden Batteriezellstapels mit der mindestens einer Seitenfläche oder der Bodenfläche des Batteriezell- oder Batteriemodulgehäuses.
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Die Herstellung einer Batteriezelle umfassend das erfindungsgemäße Batteriezellgehäuse erfolgt vorteilhafterweise so, dass zunächst die Bodenfläche des Batteriezellgehäuses mit der mindestens einen Seitenwand des Batteriezellgehäuses verbunden wird, ein Elektrodenensemble aus einer Anode, einer Kathode und einem zwischen der Anode und Katode positionierten Elektrolyten bzw. ein entsprechender Zellstapel in dem noch offenen Batteriezellgehäuse positioniert wird und abschließend das Batteriezellgehäuse durch Aufsetzen des Deckels verschlossen wird. Dabei wird die Bodenfläche, die mindestens eine Seitenwand oder der Deckel zunächst mit einer gewellten oder gefalteten Struktur versehen. Alternativ ist es auch denkbar, die Bodenfläche mit der mindestens einen Seitenwand einstückig auszuführen, so dass ein offenes, topfförmiges Batteriezellgehäuse entsteht.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Verschließen des Batteriezellgehäuses mit dem Deckel unter einer mechanischen Vorspannung erfolgt. Dazu wird das Batteriezellengehäuse, bevor der Deckel mit der mindestens einen Seitenwand verbunden wird, zunächst in axialer Richtung auseinander gezogen oder zusammengedrückt. Diese mechanische Vorspannung bleibt während der Fixierung des Deckels auf dem noch offenen Batteriezellengehäuse vorzugsweise erhalten. Auf diese Weise erfährt der Zellstapel bzw. das Batteriezellgehäuse eine definierte mechanische Vorspannung, die nach dem Verschließen des Batteriezellgehäuses erhalten bleibt.
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Weiterhin ist von Vorteil, wenn der Deckel so auf das noch offene Batteriezellgehäuse aufgebracht wird, dass das Batteriezellgehäuse selbst hermetisch abgedichtet wird. Dabei kann der Deckel des Gehäuses, beispielsweise durch ein Fügeverfahren wie Schweißen oder Löten stoffschlüssig verbunden werden. Alternativ ist auch eine mechanische Verbindung in Form eines Bördelns etc. möglich.
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Das erfindungsgemäße Batteriezell- bzw. Batteriemodulgehäuse lässt sich vorteilhaft für lithiumhaltige Batteriesysteme wie Lithiumionenbatterien, lithiumhaltige Solid-State-Batterien, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien einsetzen. Diese können Anwendung in elektrischen Fahrzeugen, in Hybridfahrzeugen, oder in stationären Anwendungen wie beispielsweise zur Speicherung regenerativ gewonnener Energie finden.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1: die schematische Darstellung einer Batteriezelle, die ein erfindungsgemäßes Batteriezellgehäuse in einer ersten Ausführungsform umfasst,
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2: eine Batteriezelle gemäß einer zweiten Ausführungsform, die ein erfindungsgemäßes Batteriezellgehäuse gemäß einer zweiten Ausführungsform umfasst,
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3A, 3B und 3C: eine schematische Aufsicht auf eine Batteriezelle umfassend ein Batteriezellgehäuse gemäß einer dritten, vierten und fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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4: die schematische Darstellung einer Batteriezelle mit einem Batteriezellgehäuse gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine Batteriezelle 10 umfassend ein erfindungsgemäßes Batteriezellgehäuse 20 schematisch dargestellt. Das Batteriezellgehäuse 20 umfasst beispielsweise eine Bodenfläche, eine damit verbundene Seitenwand 24 und ein Deckel 26. Werden die Bodenfläche 22 bzw. der Deckel 26 mit einer kreisförmigen Geometrie versehen, so resultiert ein zylindrisches Batteriezellgehäuse 20. Erfindungsgemäß ist die Bodenfläche 22, mindestens eine Seitenwand 24 oder der Deckel 26 zumindest teilweise mit einer Struktur 28 versehen, die eine gewellte oder gefaltete Ausführung zeigt.
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Die gewellte oder gefaltete Struktur 28 wird dabei vorzugsweise derart ausgeführt, dass das Batteriezellgehäuse 20 bei Anlegen eines inneren oder äußeren Drucks reversibel bzw. elastisch sein Volumen verändern kann. Dabei wird die Elastizität der Struktur 28 beispielsweise durch die Zahl der Wellen bzw. Faltungen, durch deren Amplitude oder durch die Art des verwendeten Materials eingestellt. So eignen sich für die Struktur 28 beispielswiese Materialien, die gute Federeigenschaften, ein hohes Elastizitätsmodul sowie eine hohe Streckgrenze zeigen. Dies sind beispielsweise Stahlwerkstoffe oder Metallbleche.
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Weiterhin eignen sich für die Herstellung der Struktur 28 Werkstoffe, die sich gut umformen lassen, wie beispielsweise Aluminium. Je nach Anwendungsfall können auch elektrisch leitfähige Werkstoffe herangezogen werden, wie beispielsweise Kupfer. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, das für die Struktur 28 verwendete Material für das gesamte Batteriezellgehäuse 20 zu verwenden oder die Struktur 28 aus einem anderen Material herzustellen als das restliche Batteriezellgehäuse 20. In 1 ist die Struktur 28 in die Seitenwand 24 integriert. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Struktur 28 je nach Anwendungsfall in die Bodenfläche 22 oder den Deckel 26 zu integrieren,.
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Vorzugsweise ist die Struktur 28 voll umfänglich um das Batteriezellgehäuse 20 herum ausgebildet. Dies ist jedoch nicht zwingend. Weiterhin besteht die Möglichkeit, mehrere, beispielsweise ringförmig ausgeführte Strukturen 28, die beabstandet zueinander angeordnet sind, in die Seitenwand 24 zu integrieren.
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Die Batteriezelle 10 umfasst im Inneren des Batteriezellgehäuses 20 einen Zellstapel 30, mittels dem elektrische Energie gespeichert werden kann. Der Zellstapel 30 umfasst beispielsweise eine oder mehrere nicht dargestellte Anoden, eine oder mehrere nicht dargestellte Kathoden und zwischen der oder den Anoden und der oder den Kathoden einen nicht dargestellten Elektrolyten.
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Um zu verhindern, dass der Zellstapel 30 in elektrisch leitendem Kontakt mit dem Gehäuse 20 gelangt, umfasst die Batteriezelle 10 vorzugsweise weiterhin einen Isolator 32, der zwischen dem Zellstapel 30 und dem Batteriezellgehäuse 20 angeordnet ist. Dieser kann beispielsweise als starres Bauteil oder in Form einer flexiblen Folie ausgeführt sein. Die Batteriezelle 10 steht vorzugsweise unter einer mechanischen Vorspannung, die durch Pfeile 34 angedeutet ist.
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In 2 ist eine Batteriezelle 10 umfassend ein Batteriezellgehäuse 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.
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Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform einer Batteriezelle 10 ist zwischen der Seitenwand 24 und dem Deckel 26 ein Dichtelement 36 positioniert. Dieses ist beispielsweise aus einem gummielastischen Material ausgeführt und weist beispielsweise eine ringförmige Gestalt mit einem U-förmigen Querschnitt auf. Dabei umfasst das Dichtelement 36 vorzugsweise die obere Kante der Seitenwand 24. Zum Verschließen der Batteriezelle 10 wird der Deckel 26 vorzugsweise so auf die obere Kante der Seitenwand 24 aufgesetzt und befestigt, dass der Rand des Deckels 26 umgebogen und ggf. die Seitenwand 24 mit dem Deckel 26 zusätzlich verbördelt wird.
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Das Dichtelement 36 kann neben einer gegenüber eindringenden Medien wie Luftfeuchtigkeit und Sauerstoff abdichtenden Wirkung zusätzlich elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen. In diesem Fall kann der Deckel 26 bezogen auf das restliche Batteriegehäuse 20 mit der Seitenwand 24 und dem Boden 22 auf verschiedenen Potenzialen liegen. Dies ermöglicht es, den Deckel 26 als ersten Stromableiter bzw. als erstes Batterieterminal der Batteriezelle 10 zu verwenden und das Restgehäuse aus Boden 22 und Seitenwand 24 als zweiten Stromableiter bzw. zweites Batterieterminal.
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Der Zellstapel 30 weist beispielsweise zur Verbindung einzelner Schichten des Zellstapels 30 flexible Stromleiter 38 auf. Dies gewährleistet auch bei einer Volumenexpansion oder -kontraktion des Zellstapels 30 beispielsweise während Lade- oder Entladevorgängen eine zuverlässige elektrische Kontaktierung der einzelnen Schichten des Zellstapels 30. Der Zellstapel 30 ist beispielsweise über einen ersten elektrischen Stromableiter 38a mit dem Deckel 26 elektrisch kontaktiert und beispielsweise über einen zweiten Stromableiter 38b mit dem Boden 22. Dazu können elektrische Kontaktpunkte 40, 42 vorgesehen sein, mit denen der erste bzw. zweite Stromableiter 38a, 38b mit dem Deckel 26 bzw. dem Boden 22 verbunden ist.
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In den 3A, 3B und 3C sind Aufsichten auf geöffnete Batteriezellen 10 gemäß einer dritten, vierten bzw. fünften Ausführungsform dargestellt. In 3A weist die Bodenfläche 22 eine runde bzw. ovale Form auf. Daran angepasst zeigt auch der Batteriestapel 30 einen runden bzw. ovalen Querschnitt. In 3B weist die Bodenfläche 22 der Batteriezelle 10 einen rechteckigen bzw. quadratischen Querschnitt beispielsweise mit abgerundeten Ecken auf, und daran angepasst, der Zellstapel 30 ebenfalls einen rechteckigen bzw. quadratischen Querschnitt. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist darin zu sehen, dass bei der Herstellung des Zellstapels 30 mit einem geringeren Materialverschleiß durch Verschnitt zu rechnen ist. In 3C ist die Bodenfläche 22 der Batteriezelle 10 in einer achteckigen Form ausgeführt. Daran angepasst zeigt auch der Zellstapel 30 einen achteckigen Grundquerschnitt.
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In 4 ist eine Batteriezelle 10 mit einem Batteriezellengehäuse 20 gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist das Isolationselement 32 in Form einer isolierenden Schicht auf der Innenseite der Seitenwand 24 vorgesehen. Diese kann beispielsweise in Form einer Lackierung oder in Form einer beispielsweise selbstklebenden Folie ausgeführt sein. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit auch die Innenseite des Bodens 22 oder die Innenseite des Deckels 26 mit einer derartigen isolierenden Beschichtung des Isolationselements 32 zu versehen.
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Die in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen eines Batteriezellgehäuses 20 können sinngemäß auch auf die Ausführungsform eines Batteriemodulgehäuses übertragen werden. In diesem Fall wird anstatt des Zellstapels 30 in das Innere eines entsprechenden Batteriemodulgehäuses eine oder mehrere Batteriezellen 10 eingebracht. Auf diese Weise resultieren Batteriemodule, die Batteriemodulgehäuse aufweisen, die analog den beschriebenen Batteriezellgehäusen 20 ausgeführt sind.
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Die beschriebenen Batteriezell- bzw. Batteriemodulgehäuse eignen sich zur Verwendung lithiumhaltigen Batteriesystemen, wie beispielsweise Lithiumionenbatterien, lithiumhaltigen Solid-State-Batterien, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien. Diese wiederum finden Anwendung in E-Bikes oder Kraftfahrzeugen sowie in der stationären Speicherung elektrischer Energie.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0130087 [0004]
- CN 203026620 [0005]
