DE102015000735A1

DE102015000735A1 - Verfahren zur Fertigung einer Pouchzelle

Info

Publication number: DE102015000735A1
Application number: DE102015000735.1A
Authority: DE
Inventors: Erdal Acikgoez; Jörg Schmidt
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2016-07-21
Also published as: WO2016116467A1

Abstract

Verfahren zur Fertigung einer Pouchzelle (21), umfassend eine Grundeinheit (1) mit mehreren galvanischen Elementen und einer Ummantelung (2) aus wenigstens einem Ummantelungselement, das derart zu der Ummantelung (2) zusammengefügt wird, dass diese die Grundeinheit (1) nach außen abschließt und wenigstens eine Fügenaht (8) aufweist, wobei durch Urformen eines Werkstoffs ein stoffschlüssig mit der Ummantelung (2) verbundenes, die wenigstens eine Fügenaht (8) überdeckendes Abdichtelement (22) ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung einer Pouchzelle, umfassend eine Grundeinheit mit mehreren galvanischen Elementen und einer Ummantelung aus wenigstens einem Ummantelungselement, das derart zu der Ummantelung zusammengefügt wird, dass diese die Grundeinheit nach außen abschließt und wenigstens eine Fügenaht aufweist. Daneben betrifft die Erfindung ein Werkzeug, eine Pouchzelle und ein Kraftfahrzeug.
Seit einiger Zeit sind Pouchzellen aufgrund ihrer hohen Energiedichte im Fokus intensiver Entwicklungsbemühungen der Automobilindustrie, um eine geeignete technologische Plattform insbesondere für Traktionsbatterien in elektrischen oder hybriden Antriebssystemen zu finden. Pouchzellen bestehen typischerweise aus mehreren parallelgeschalteten galvanischen Elementen, deren Elektroden aus Folien ausgebildet sind und durch Separatoren getrennt werden. Diese Anordnung befindet sich innerhalb einer Ummantelung, die auch einen Elektrolyten aufnimmt und so eine Grundeinheit bildet. Diese wird dabei typischerweise derart nach außen abgeschlossen, dass eines oder mehrere ebenfalls aus einer Folie bestehende Ummantelungselemente mittels eines Fügeverfahrens, insbesondere Ultraschallschweißen, miteinander zu einer Ummantelung verbunden werden, so dass eine Fügenaht entsteht.
Es ist durch den dehnbare Folien umfassenden Aufbau der Pouchzelle bedingt, dass sich diese in Folge von Druckerhöhungen in ihrem Inneren beim Laden und Entladen nach außen ausdehnt und so eine erhebliche mechanische Belastung auf die Fügenaht entsteht. Hält sie dieser Belastung nicht stand, kann eine Leckage auftreten, aus der Elektrolyte austreten können. Dies wird bereits im Rahmen von Qualifizierungsverfahren hinsichtlich automotiver Anforderungen durch gezieltes Überladen überprüft. Die Dichtigkeit von Pouchzellen im Fall von ladebedingten Ausdehnungen innerhalb der Ummantelung ist daher ein bedeutendes Sicherheits- und Qualitätsmerkmal solcher Batterien.
Es ist bekannt Pouchzellen in einen mehrteiligen Dichtungsrahmen einzulegen, welcher die Fügenähte überdeckt und so die Dichtigkeit verbessern soll. Dieser Vorschlag weist allerdings den Nachteil auf, dass ein zusammengefügter Rahmen weiterhin eine potenzielle Undichtigkeitsstelle, insbesondere im Fall von mechanischen Einwirkungen von außen, wie sie bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen vorkommen, aufweist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Pouchzelle verbesserter Dichtigkeit zu schaffen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass durch Urformen eines Werkstoffs ein stoffschlüssig mit der Ummantelung verbundenes, die wenigstens eine Fügenaht überdeckendes Abdichtelement ausgebildet wird.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, ein Abdichtelement einteilig auszubilden und es so passgenau auch kleinsten Fertigungsabweichungen der Grundeinheit anzupassen, dass ein Maximum an Dichtigkeit erreicht wird. Darüber hinaus weist ein erfindungsgemäß ausgebildetes Abdichtelement keine eigenen Fügestellen oder Vergleichbares auf, was seinerseits wieder Ausgangspunkt einer Leckage sein könnte. Es wird mithin die Fügenaht als Schwachpunkt der Ummantelung durch das Abdichtelement verstärkt, ohne neue Schwachstellen hinzuzufügen, wie es beispielsweise bei einem mehrteiligen Abdichtrahmen der Fall ist.
Es wird dabei konkret bevorzugt, dass die Ummantelung zwei parallele Grundflächen sowie einen den übrigen Teil der Ummantelung umfassenden Seitenbereich aufweist und die Fügenaht ausschließlich entlang des Seitenbereichs verläuft. Es ist also vorgesehen, das wenigstens eine Abdichtelement entlang der Seitenbereiche der Grundeinheit auszubilden. So wird einerseits erreicht, dass die Dichtigkeit der Pouchzelle verbessert wird und andererseits, dass die Grundflächen Druckänderungen im Inneren der Pouchzelle dehnend ausgleichen können. Dabei sei angemerkt, dass die Grundfläche lediglich in einem Betriebszustand ohne ladebedingte Ausdehnungen parallel zueinander liegen müssen.
Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn das Abdichtelement vollständig über die Höhe des Seitenbereichs ausgebildet wird. Auf diese Weise wird die gesamte Fläche des Seitenbereichs ausgenutzt, um den das Abdichtelement mit der Ummantelung verbindenden Stoffschluss zu realisieren. So wird ein signifikant verbessertes Maß an Stabilität und Dichtigkeit des Abdichtelements realisiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt so weitergebildet, dass die Fügenaht in sich geschlossen, die Ummantelung in zwei ihrer Raumdimension vollständig umfassend verläuft, wobei das Abdichtelement rahmenartig ausgebildet ist. Bevorzugterweise verläuft die Fügenaht dabei geschlossen um den Seitenbereich herum. Diese Ausbildung eines einstückigen Rahmens bringt neben einer erhöhten Dichtigkeit auch in vorteilhafter Weise eine Verbesserung der mechanischen Stabilität der Pouchzelle mit sich. Gerade dies ist bei einer automotiven Anwendung von besonderer Bedeutung, da der Pouchzelle so insgesamt eine besonders montagefreundliche Handhabbarkeit gegeben werden kann.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Pouchzelle wenigstens ein durch die Fügenaht nach außen herausgeführtes Kontaktelement mit einer elektrisch leitenden Verbindung zu den galvanischen Elementen umfasst, wobei das wenigstens eine Kontaktelement aus dem Abdichtelement herausgeführt wird. Solche Kontaktelemente sind üblicherweise in Form flacher oder folienartiger Ableitfahnen realisiert und können so gemeinsam mit den zusammenzufügenden Teilen der Ummantelung im vorgesehenen Fügeverfahren verarbeitet werden. Bei einer erfindungsgemäßen Pouchzelle ist insofern zu beachten, dass diese herausgeführten Kontaktelemente die Dichtigkeit des Abdichtelements nicht einschränken. Es ist daher besonders sinnvoll, das Kontaktelement so durch das Abdichtelement herauszuführen, dass das Kontaktelement in einer zu seiner Durchführungsrichtung senkrechten Querschnittsebene vollständig von dem Abdichtelement umgeben wird.
Zur Realisierung des Abdichtelements kann es vorgesehen sein, als Werkstoff einen Kunststoff, insbesondere ein Polyurethan, ein Polykarbonat, ein Gemisch aus einem Polykarbonat und Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyoximethylen, ein Polyamid oder einen Schmelzklebstoff zu verwenden. Für derartige Kunststoffe, wobei auch Gemische der genannten Arten verwendet werden können, sind geeignete Urformverfahren aus dem Stand der Technik bekannt.
Es wird in diesem Zusammenhang besonders bevorzugt, dass das Abdichtelement durch Spritzgießen oder Niederdruckvergießen ausgebildet wird. Dabei ist insbesondere darauf zu achten, dass die verwendeten Drücke und Temperaturen der angewendeten Verfahren mechanische oder elektrochemische Belastungswerte der Pouchzelle nicht überschreiten. Gerade hier kann mit Vorteil ein Niederdruckvergussverfahren genutzt werden.
Es wird schließlich besonders bevorzugt, wenn zum Urformen ein Werkzeug verwendet wird, welches zumindest in einem Berührungsbereich mit der Grundeinheit und/oder dem wenigstens einen Kontaktelement aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere einer Keramik, ausgebildet ist. Ein solches Werkzeug ist üblicherweise eine dem verwendeten Urformverfahren angepasste Gussform. Elektrisch leitende Teile des Werkzeugs können prinzipiell einen Kurzschluss der galvanischen Elemente bewirken, so dass eine ausreichende Isolierung vorzusehen ist. Dabei sei klargestellt, dass nicht das gesamte Werkzeug aus dem elektrisch isolierenden Material bestehen muss, es reicht selbstverständlich auch aus nur die kurzschlussgefährdeten Berührungsbereiche mit einer, insbesondere dünnen, isolierenden Schicht auszubilden.
Die Erfindung betrifft auch ein Werkzeug zur Fertigung einer Pouchzelle wie zuvor beschrieben. Daneben betrifft die Erfindung eine Pouchzelle sowie ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Pouchzelle als eine Traktionsbatterie oder als Teil einer Traktionsbatterie. Sämtliche Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Pouchzelle und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen, so dass auch mit diesen die bereits genannten Vorteile erzielt werden können.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Grundeinheit einer Pouchzelle zur Verarbeitung im erfindungsgemäßen Verfahren in Aufsicht;
2 die Grundeinheit in Seitenansicht;
3 die Grundeinheit in einem erfindungsgemäßen Werkzeug in Seitenansicht;
4 eine erfindungsgemäße Pouchzelle mit einem rahmenartigen Abdichtelement und
5 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
1 und 2 zeigen eine Grundeinheit 1 mit einer Ummantelung 2, die zwei parallele Grundflächen 3, 4 in Längen- und Breitenausdehnung aufweist sowie einen Seitenbereich 5 aufweist. Die Grundeinheit umfasst ferner zwei elektrisch leitfähige Kontaktelemente 6, 7, welche an gegenüberliegenden Seiten der Grundeinheit 1 im Seitenbereich 5 durch die Ummantelung 2 herausgeführt sind, wobei das Kontaktelement 6 die Anode und das Kontaktelement 7 die Kathode bildet. Die Ummantelung 2 ist durch eine die Grundeinheit in einer zu den Grundflächen 3, 4 parallelen Ebene im Seitenbereich 5 mit einer Fügenaht 8 nach außen abgeschlossen.
3 zeigt ein als Gussform ausgebildetes Werkzeug 9 mit einer unteren Gussformhälfte 10 und einer oberen Gussformhälfte 11, welche jeweils eine Aussparung 12, 13 aufweisen. Diese bilden eine Kavität 14, in welcher sich die Grundeinheit 1 befindet. Die Gussformhälften 10, 11 weisen jeweils an den Seiten der Grundeinheit 1, an welchen kein Kontaktelement 7, 8 herausgeführt ist, zwei Angüsse 15, 16, 17, 18 auf, durch welche ein plastifizierter Werkstoff zur Ausbildung eines Abdichtelements eingeleitet werden kann. An der unteren Gussformhälfte 10 sind zusätzlich zwei Auswerfer 19, 20 vorgesehen, welche nach Aushärtung des Plastifikats ein Lösen der Grundeinheit 1 aus der Kavität 14 erleichtern. Das Werkzeug 9 ist an den den Kontaktelementen 7, 8 zugewandten Seiten dabei so ausgebildet, dass diese zwischen der unteren Gussformhälfte 10 und der oberen Gussformhälfte 11 hindurchgeführt werden können, um so nur in den gewünschten Bereichen mit dem Plastifikat in Berührung zu kommen. Ferner ist die Höhe der Kavität 14 derart bemessen, dass beim Befüllen des Werkzeugs 9 kein Plastifikat an die Grundfläche 3 gelangen kann, wobei ein geringfügiger Spalt zwischen der oberen Gussformhälfte 11 und der Grundfläche 3 so gering ist, dass das Plastifikat aufgrund seiner Viskosität dort nicht angelangt. Das Werkzeug 9 eignet sich so grundsätzlich für Spritzguss- und Niederdruckvergussverfahren. Das Werkzeug 9 ist aus einer Keramik, mithin einem elektrisch isolierenden Werkstoff, ausgebildet, um Kurzschlüsse während der Fertigung zu vermeiden.
Das Verfahren wird in folgenden Schritten durchgeführt: Die Grundeinheit 1 wird zunächst auf die untere Gussformhälfte 10 gelegt, welche sodann mit der oberen Gussformhälfte 11 geschlossen wird und beide gegen eine Relativbewegung zueinander gesichert werden. Zum Urformen wird dann der Werkstoff, hier ein für die Durchführung eines Niederdruckvergussverfahrens bestimmter Schmelzklebstoff, unter Wärmeeinwirkung plastifiziert und mit einem Druck zwischen 3 und 40 bar, bevorzugt zwischen 3 und 10 bar, durch die Angüsse 15, 16, 17, 18 in die Kavität 14 eingefüllt. Das Einfüllen endet, sobald der Seitenbereich 5 vollständig mit dem Plastifikat umgeben ist. Anschließend wird gewartet, bis der Werkstoff ausgehärtet ist. Nun werden die untere Gussformhälfte 10 und die obere Gussformhälfte 11 voneinander gelöst und die Grundeinheit 1 mithilfe der Auswerfer 19, 20 entnommen. Von den Angüssen 15, 16, 17, 18 herrührende überstehende Werkstoffteile werden abschließend entfernt. Damit ist die Durchführung des Verfahrens beendet.
4 zeigt eine Pouchzelle 21 in einer perspektivischen Ansicht, wie sie nach der Durchführung des Verfahrens gefertigt ist. Sie weist nunmehr einen der Kavität 14 entsprechenden Rahmen als Abdichtelement 22 auf, wodurch die in 4 nicht sichtbaren Fügenähte gegen ein Austreten von Elektrolyten im Falle einer Leckage abgedichtet sind bzw. eine Leckage der Fügenaht verhindert wird. Die Kontaktelemente 6, 7 sind ferner aus dem Abdichtelement 22 herausgeführt, so dass die Pouchzelle 21 zur weiteren Verwendung an ein elektrisches System angeschlossen werden kann. Ferner stabilisiert das Abdichtelement 22 die Pouchzelle 21 mechanisch, so dass ein vereinfachter Einbau ermöglicht ist.
5 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 23 in Seitenansicht, umfassend eine Batterie 24 mit drei Pouchzellen 21. Die Batterie 24 versorgt eine Antriebseinheit 25 mit elektrischer Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 23. Zusätzlich kann die Batterie 24 auch durch Bremsen rückgewonnene elektrische Energie aus der Antriebseinrichtung 25 speichern.

Claims

Verfahren zur Fertigung einer Pouchzelle (21), umfassend eine Grundeinheit (1) mit mehreren galvanischen Elementen und einer Ummantelung (2) aus wenigstens einem Ummantelungselement, das derart zu der Ummantelung (2) zusammengefügt wird, dass diese die Grundeinheit (1) nach außen abschließt und wenigstens eine Fügenaht (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass durch Urformen eines Werkstoffs ein stoffschlüssig mit der Ummantelung (2) verbundenes, die wenigstens eine Fügenaht (8) überdeckendes Abdichtelement (22) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (2) zwei parallele Grundflächen (3, 4) sowie einen den übrigen Teil der Ummantelung (2) umfassenden Seitenbereich (5) aufweist und die Fügenaht (8) ausschließlich entlang des Seitenbereichs (5) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdichtelement (22) vollständig über eine Höhe des Seitenbereichs (5) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügenaht (8) in sich geschlossen, die Ummantelung (2) in zwei ihrer Raumdimensionen vollständig umfassend verläuft, wobei das Abdichtelement (22) rahmenartig ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pouchzelle (21) wenigstens ein durch die Fügenaht (8) nach außen herausgeführtes Kontaktelement (6, 7) mit einer elektrisch leitenden Verbindung zu den galvanischen Elementen umfasst, wobei das wenigstens eine Kontaktelement (6, 7) aus dem Abdichtelement (22) herausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff ein Kunststoff, insbesondere ein Polyurethan, ein Polycarbonat, ein Gemisch aus einem Polycarbonat und Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyoxymethylen, ein Polyamid oder ein Schmelzklebstoff, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdichtelement (21) durch Spritzgießen oder Niederdruckvergießen ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Urformen ein Werkzeug (9) verwendet wird, welches zumindest in einem Berührungsbereich mit dem Grundkörper (1) und/oder dem wenigstens einem Kontaktelement (6, 7) aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere einer Keramik, ausgebildet ist.
Werkzeug (9) zur Fertigung einer Pouchzelle (21) mit einem Verfahren nach Anspruch 8.
Pouchzelle (21), umfassend eine Grundeinheit (1) mit mehreren galvanischen Elementen und einer Ummantelung (2) aus wenigstens einem Ummantelungselement, das derart zu der Ummantelung (2) zusammengefügt ist, dass diese die Grundeinheit (1) nach außen abschließend und wenigstens eine Fügenaht (8) aufweisend ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pouchzelle (21) ein stoffschlüssig mit der Ummantelung (2) verbundenes, die wenigstens eine Fügenaht (8) überdeckendes Abdichtelement (22) aufweist.
Pouchzelle (21) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (2) zwei zueinander parallele Grundflächen (3, 4) sowie einen den übrigen Teil der Ummantelung (2) umfassenden Seitenbereich (5) aufweist und die Fügenaht (8) ausschließlich entlang des Seitenbereichs (5) ausgebildet ist.
Pouchzelle (21) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdichtelement (22) vollständig über eine Höhe des Seitenbereichs (5) ausgebildet ist.
Pouchzelle (21) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügenaht (8) in sich geschlossen, die Ummantelung (2) in zwei ihrer Raumdimensionen vollständig umfassend ausgebildet ist, wobei das Abdichtelement (22) rahmenartig ausgebildet ist.
Pouchzelle (21) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pouchzelle (21) wenigstens ein durch die Fügenaht (8) nach außen herausgeführtes Kontaktelement (6, 7) mit einer elektrisch leitenden Verbindung zu den galvanischen Elementen umfasst, wobei das wenigstens eine Kontaktelement (6, 7) aus dem Abdichtelement (22) herausgeführt ist.
Pouchzelle (21) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdichtelement (22) aus einem Polyurethan, einem Polycarbonat, einem Gemisch aus einem Polycarbonat und Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyoxymethylen, einem Polyamid oder einem Schmelzklebstoff ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug (23), umfassend wenigstens eine Pouchzelle (21) nach einem der Ansprüche 10 bis 15 als eine Traktionsbatterie (24) oder als Teil einer Traktionsbatterie (24).