DE102015007129A1

DE102015007129A1 - Einzelzelle, elektrochemischer Energiespeicher und Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle

Info

Publication number: DE102015007129A1
Application number: DE102015007129.7A
Authority: DE
Inventors: Clemens Balke; Jens Meintschel; Dirk Schröter; Knut Welke
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2016-12-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle (1) für einen elektrochemischer Energiespeicher, umfassend eine in einem Zellgehäuse (3) angeordnete Elektrodenanordnung (2), die mit einer Anzahl von Ableitern (4) verbunden ist, die als Polkontakte aus dem Zellgehäuse (3) herausgeführt sind. Erfindungsgemäß ist zumindest im Bereich des Ableiters (4) dieser mit einem Abschnitt des Zellgehäuses (3) zumindest einmal abgewinkelt und im Bereich einer jeweiligen Biegestelle (B) ist zumindest ein Polsterelement (6) angeordnet. Weiterhin betrifft die Erfindung einen elektrochemischen Energiespeicher und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Einzelzelle (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für einen elektrochemischen Energiespeicher, umfassend eine in einem Zellgehäuse angeordnete Elektrodenanordnung, die mit einer Anzahl von Ableitern verbunden ist, wobei die Ableiter als Polkontakte aus dem Zellgehäuse herausgeführt sind. Weiterhin betrifft die Erfindung einen elektrochemischen Energiespeicher mit mehreren solcher Einzelzellen und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Einzelzelle.
Im Allgemeinen sind flach und quaderförmig ausgebildete Speicherelemente für Elektroenergie, wie beispielsweise Einzelzellen einer Batterie und Kondensatoren, deren elektrochemisch aktiver Inhalt von einer folienartigen Verpackung umgeben ist, bekannt. Derartige Einzelzellen werden Pouch-Zellen oder Coffeebag-Zellen genannt. Der elektrochemisch aktive Inhalt des Speicherelementes ist eine Elektrodenanordnung, die als Wickel oder Stapel ausgeführt ist und deren Lagen aus Anodenfolien und Kathodenfolien sowie diese elektrisch voneinander isolierenden Separatorfolien gebildet sind. Die Elektrodenfolien einer jeweiligen Polarität sind an mindestens einem Rand unbeschichtet und ragen als Fahnen aus der Elektrodenanordnung heraus und sind aneinander befestigt, insbesondere geheftet. Die jeweilige Fahne ist zur Stromeinleitung und Stromausleitung mit einem blechförmigen Ableiter verbindbar. Die Verpackung der Elektrodenanordnung ist eine Verbundfolie, die eine Diffusionssperre umfasst, mittels welcher ein Eindringen von Wasser in das Speicherelement und ein Austreten von Elektrolyt aus der Einzelzelle über die Lebensdauer des Speicherelementes weitestgehend ausgeschlossen ist.
In der nachveröffentlichten DE 10 2014 014 529 ist eine Einzelzelle für einen elektrochemischen Energiespeicher beschrieben. Die Einzelzelle umfasst eine in einem Gehäuse angeordnete Elektrodenanordnung, die mit einer Anzahl von Ableitern verbunden ist, wobei die Ableiter als Zellpole aus dem Gehäuse herausgeführt sind. Zudem ist die Elektrodenanordnung zumindest im Bereich der Ableiter und/oder die Ableiter sind zumindest einmal abgewinkelt, wobei die Abwinklung derart ausgebildet ist, dass die Ableiter und/oder die Elektrodenanordnung im Wesentlichen senkrecht zur Längsausdehnung der Elektrodenanordnung verlaufen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Einzelzelle, einen elektrochemischen Energiespeicher mit mehreren solcher Einzelzellen und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Einzelzelle anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Einzelzelle durch die in Anspruch 1, hinsichtlich des elektrochemischen Energiespeichers durch die in Anspruch 5 und hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Einzelzelle für einen elektrochemischer Energiespeicher umfasst eine in einem Zellgehäuse angeordnete Elektrodenanordnung, die mit einer Anzahl von Ableitern verbunden ist, wobei die Ableiter als Polkontakte aus dem Zellgehäuse herausgeführt sind. Erfindungsgemäß ist zumindest im Bereich des Ableiters dieser mit einem Abschnitt des Zellgehäuses zumindest einmal abgewinkelt und im Bereich einer jeweiligen Biegestelle ist zumindest ein Polsterelement angeordnet.
Dadurch, dass die Ableiter abgewinkelt sind, erstrecken sich die mittels der Ableiter gebildeten Zellpole nicht in Richtung der Längsausdehnung der Einzelzelle, so dass zumindest eine Höhe desselben und somit ein erforderlicher Bauraumbedarf der Einzelzelle verringert ist.
Mittels der senkrechten Abwinklung der Ableiter ist eine elektrische Verschaltung unmittelbar benachbarter Einzelzellen vereinfacht, da die die Zellpole bildenden Ableiter zueinander abgewinkelt sind und somit eine Anordnung insbesondere eines Zellverbinders ohne großen Aufwand möglich ist.
Da das zumindest eine Polsterelement im Bereich der jeweiligen Biegestelle angeordnet ist, wird das Risiko von Beschädigungen des Zellgehäuses, insbesondere einer innenliegenden Schicht desselben bei einem Biegeprozess zumindest wesentlich verringert.
Die Anordnung des Polsterelementes erfolgt insbesondere vor einem Biegeprozess, so dass eine mechanische Beanspruchung des Zellgehäuses im Bereich der Biegestelle verringert werden kann.
Somit kann weitestgehend sichergestellt werden, dass die innenliegende Schicht des Zellgehäuses intakt bleibt und dadurch ein Kontakt eines Elektrolyten mit einer als Diffusionssperre dienenden metallischen Schicht des Zellgehäuses weitestgehend ausgeschlossen werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Schnittdarstellung einer Explosionsdarstellung einer Einzelzelle nach dem Stand der Technik,
2 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle nach dem Stand der Technik im montierten Zustand,
3 schematisch einen vergrößerten Ausschnitt der Einzelzelle nach dem Stand der Technik,
4 schematisch eine Schnittdarstellung einer Einzelzelle mit abgewinkelten Ableitern in einer ersten Ausführungsform,
5 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Einzelzelle im Bereich des abgewinkelten Ableiters in der ersten Ausführungsform,
6 schematisch eine Schnittdarstellung einer Einzelzelle mit im Bereich einer Biegestelle angeordneten Polsterelementen in der ersten Ausführungsform vor einem Biegeprozess,
7 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle mit angeordneten Polsterelementen in der ersten Ausführungsform nach einem Biegeprozess,
8 schematisch eine Schnittdarstellung einer Einzelzelle mit angeordneten Polsterelementen in einer zweiten Ausführungsform vor einem Biegeprozess,
9 schematisch eines Schnittdarstellung der Einzelzelle mit angeordneten Polsterelementen in der zweiten Ausführungsform nach einem Biegeprozess,
10 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle in der zweiten Ausführungsform mit verlängerten Vorsiegelbändern vor einem Biegeprozess,
11 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle in der zweiten Ausführungsform mit den verlängerten Vorsiegelbändern nach einem Biegeprozess,
12 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle in der zweiten Ausführungsform mit verlängerten Vorsiegelbändern mit alternativer Befestigung vor einem Biegeprozess,
13 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Einzelzelle in der zweiten Ausführungsform mit verlängerten Vorsiegelbändern mit alternativer Befestigung vor einem Biegeprozess,
14 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle in der zweiten Ausführungsform mit verlängerten Vorsiegelbändern mit alternativer Befestigung nach einem Biegeprozess,
15 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Einzelzelle in der zweiten Ausführungsform mit verlängerten Vorsiegelbändern mit alternativer Befestigung nach einem Biegeprozess,
16 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle in der ersten Ausführungsform mit verlängerten Polsterelementen vor einem Biegeprozess,
17 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle in der ersten Ausführungsform mit verlängerten Polsterelementen nach einem Biegeprozess,
18 schematisch eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Ableiters mit zwei Vorsiegelbändern,
19 schematisch den Ableiter mit den Vorsiegelbändern im montierten Zustand,
20 schematisch eine Vorderansicht des Ableiters mit den befestigten Vorsiegelbändern,
21 schematisch eine Seitenansicht des Ableiters mit befestigten Vorsiegelbändern,
22 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Elektrodenanordnung mit den Ableitern mit den befestigen Vorsiegelbändern im nichtmontierten Zustand,
23 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Elektrodenanordnung mit einem Ableiter mit befestigten Vorsiegelbändern im nichtmontierten Zustand,
24 schematisch eine perspektivische Ansicht der Elektrodenanordnung mit den Ableitern mit befestigten Vorsiegelbändern im montierten Zustand,
25 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Elektrodenanordnung mit einem Ableiter mit befestigten Vorsiegelbändern,
26 schematisch eine perspektivische Ansicht der Elektrodenanordnung mit den Ableitern mit befestigten Vorsiegelbändern im montierten und umgeklappten Zustand,
27 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Elektrodenanordnung mit den Ableitern mit befestigten Vorsiegelbändern im montierten und umgeklappten Zustand,
28 schematisch eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Elektrodenanordnung mit befestigten Ableitern mit Vorsiegelbändern und einem Zellgehäuse,
29 schematisch eine perspektivische Ansicht des Zellgehäuses im geschlossenen Zustand,
30 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der in dem Zellgehäuse angeordneten Elektrodenanordnung,
31 schematisch eine Vorderansicht des Zellgehäuses mit Siegelnaht,
32 schematisch eine perspektivische Ansicht des Zellgehäuses nach einem Beschnitt,
33 schematisch eine perspektivische Ansicht des Zellgehäuses mit Siegelnaht nach einem Beschnitt,
34 schematisch eine Seitenansicht des Zellgehäuses nach einem Umklappen im Bereich der Siegelnaht,
35 schematisch eine Vorderansicht des Zellgehäuses nach einem Umklappen im Bereich oberhalb der Siegelnaht,
36 schematisch eine perspektivische Ansicht des Zellgehäuses nach einem Umklappen im Bereich oberhalb der Siegelnaht an einer Ableiterseite,
37 schematisch eine Seitenansicht des Zellgehäuses nach einem Umklappen im Bereich der Siegelnaht an der Ableiterseite,
38 schematisch eine Vorderansicht des Zellgehäuses nach einem Umklappen im Bereich der Siegelnaht an der Ableiterseite und
39 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes des Zellgehäuses nach einem Umklappen im Bereich der Siegelnaht an der Ableiterseite.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 bis 3 zeigen jeweils eine Schnittdarstellung einer Einzelzelle 1 nach dem Stand der Technik. In 1 ist eine Schnittdarstellung einer Explosionsdarstellung der Einzelzelle 1, in 2 eine Schnittdarstellung der Einzelzelle 1 im zusammengesetzten Zustand und in 3 ist eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Einzelzelle 1 dargestellt.
Die Einzelzelle 1 ist zur Anordnung in einer Batterie als elektrochemischer Energiespeicher, insbesondere für Fahrzeuganwendungen, vorgesehen, wobei die Batterie eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeuges, eines Hybridfahrzeuges oder eines mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeuges ist.
Eine derart ausgebildete Einzelzelle 1 ist auch unter den Bezeichnungen Coffeebag-Zelle und Pouch-Zelle bekannt, wobei ein als Elektrodenanordnung 2 ausgebildeter elektrochemischer Inhalt der Einzelzelle 1 von zwei Folienabschnitten als Gehäuseteile 3.1 umhüllt ist. Dabei bilden die beiden Gehäuseteile 3.1 ein Zellgehäuse 3.
Das jeweilige Gehäuseteil 3.1 ist aus einer Verbundfolie gebildet, welche aus einer Lage Aluminiumfolie als Diffusionssperre, die beidseitig mit Kunststoff, insbesondere einem Thermoplast, versehen ist, ausgeführt ist. Mittels der Aluminiumfolie als Diffusionssperre ist das Risiko eines Eindringens von Wasser in die Einzelzelle 1 und eines Austretens von Elektrolyt aus der Einzelzelle 1 zumindest verringert.
Die Gehäuseteile 3.1 sind zum Verschluss der Einzelzelle 1 randseitig durch einen Heißpressvorgang miteinander verschweißt, wodurch eine Siegelnaht S gebildet ist. Polkontakte der Einzelzelle 1 bildende Ableiter 4 sind an gegenüberliegenden Seiten des mittels der Gehäuseteile 3.1 gebildeten Zellgehäuses 3 aus diesem herausgeführt. Zur Aufnahme der Elektrodenanordnung 2 sind die beiden Gehäuseteile 3.1 wannenförmig, beispielsweise durch Tiefziehen, ausgeformt.
Wie oben beschrieben, ist die Elektrodenanordnung 2 im Inneren der Einzelzelle 1 angeordnet und umfasst Lagen aus Anodenfolien und Kathodenfolien, die mittels Separatoren elektrisch voneinander isoliert sind.
Beispielsweise ist die Elektrodenanordnung 2 als ein Wickel oder ein Stapel ausgeführt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik gemäß den vorliegenden 1 bis 3 sind Elektrodenfolien einer Polarität an gegenüberliegenden Rändern unbeschichtet und als Fahnen 2.1 aus der Elektrodenanordnung 2 herausgeführt und miteinander verbunden. Die jeweilige Fahne 2.1 ist mit einem Ableiter 4, welcher aus einem Blech gebildet sein kann, stoffschlüssig verbunden, wodurch ein Verbindungsbereich V ausgebildet ist. Insbesondere werden die Ableiter 4 mittels Press- und/oder Schmelzverfahren, beispielsweise Widerstandspunktschweißung, Vibrations- bzw. Ultraschallschweißung und/oder Laserschweißung, an den Fahnen 2.1 der Elektrodenfolienanordnung 2 befestigt. Alternativ oder zusätzlich sind die Ableiter 4 kraft- und/oder formschlüssig an den Fahnen 2.1 befestigt.
Mittels der Ableiter 4 als Polkontakte der Einzelzelle 1 ist eine Stromeinleitung in und eine Stromausleitung aus der Einzelzelle 1 realisierbar.
Zur verbesserten Anbindung im Bereich der Ableiter 4 und der Gehäuseteile 3.1 ist jeweils zwischen Ableiter 4 und Gehäuseteil 3.1 ein sogenanntes Vorsiegelband 5 angeordnet. Mittels der Vorsiegelbänder 5 ist ein Mindestabstand zwischen den Spannung führenden Ableitern 4 und der Aluminiumfolie der Gehäuseteile 3.1 zur elektrischen Isolation eingestellt.
Das Vorsiegelband 5 ist vorzugsweise aus einem aminosäuremodifizierten Polypropylen gebildet, wobei in der Mitte des Vorsiegelbandes 5 ein Kunststoff mit einer vergleichsweise hohen Schmelztemperatur, beispielsweise Polyethylenterephthalat, insbesondere in Vlies- oder Folienform angeordnet ist. Mittels dieses Kunststoffes ist bei dem Heißpressvorgang, insbesondere einer Heißsiegelung der oben genannte Mindestabstand einstellbar.
Die Gehäuseteile 3.1 sind nach einem Einfüllen eines Elektrolyten bei vorherrschendem Unterdruck durch eine randseitig umlaufende Siegelung aneinander befestigt, wodurch eine umlaufende Siegelnaht S gebildet ist.
Gemäß dem Stand der Technik ragen die Ableiter 4 entsprechend der Längsausdehnung der Einzelzelle 1 an gegenüberliegenden Seiten von dieser ab, wodurch ein Bauraumbedarf der Einzelzelle 1 verhältnismäßig hoch ist.
Um den Bauraumbedarf einer solchen Einzelzelle 1 zu verringern, ist vorgesehen, die sich gegenüberliegenden Ableiter 4 der Einzelzelle 1 abzuwinkeln, wie in einer Schnittdarstellung in 4 und in einer Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes einer Einzelzelle 1 in 5 gezeigt ist.
Dabei ist der Ableiter 4 der Einzelzelle 1 im Wesentlichen um 90° abgewinkelt, wobei der Verbindungsbereich V zwischen Fahne 2.1 und Ableiter 4 parallel zur Längsausdehnung der Elektrodenanordnung 2 und der Einzelzelle 1 verläuft. Insbesondere ist der Ableiter 4 senkrecht zu einer flächenmäßig größten Seite der Elektrodenanordnung 2, d. h. parallel zu einer oberen und unteren Seitenwand der Elektrodenanordnung 2 abgewinkelt.
Die Ableiter 4 sind zwischen der Siegelnaht S und dem Verbindungsbereich V abgewinkelt, wobei der jeweilige Ableiter 4 nach einem Verschließen der Einzelzelle 1 abgewinkelt wird.
Da eine Biegestelle B zwischen der Siegelnaht S und dem Verbindungsbereich V ausgebildet ist, wird weder die Siegelnaht S der beiden Folienabschnitte 3.1 noch der Verbindungsbereich V zwischen Fahne 2.1 und Ableiter 4 beim Biegeprozess, also beim Erzeugen der Abwinklung in Form der Biegestelle B, belastet.
Bei Durchführen eines Biegeprozesses zur Abwinklung des Ableiters 4 im Randbereich der Gehäuseteile 3.1 besteht die Gefahr einer Beschädigung der die Gehäuseteile 3.1 bildenden Verbundfolie durch den Ableiter 4.
Dadurch besteht insbesondere die Gefahr der Beschädigung einer innenliegenden Schicht, d. h. der die Aluminiumfolie isolierenden Kunststoffschicht. Wird diese innenliegende Schicht beschädigt, besteht das Risiko eines Kontaktes zwischen der Aluminiumfolie und dem Elektrolyt. Dadurch führt die Aluminiumfolie ein elektrisches Potential, wodurch die Gefahr von elektrochemischer Korrosion besteht.
Die Aluminiumfolie kann bei Lithium-Ionen-Zellchemie durch Flusssäure zerstört werden, die aus einer Restfeuchtigkeit der Einzelzelle 1 und einem fluorhaltigen Leitsalz gebildet wird. Im Extremfall wird die Aluminiumfolie vollständig zerstört. Dadurch besteht die Gefahr, dass das Zellgehäuse 3 undicht wird und durch auslaufenden Elektrolyt und eintretende Feuchtigkeit zerstört wird.
Um das Risiko einer Beschädigung der Einzelzelle 1 im Bereich der Biegestelle B, insbesondere bei einem Biegeprozess zumindest wesentlich zu verringern, ist vorgesehen im Bereich der Biegestelle B, d. h. zwischen das jeweilige Gehäuseteil 3.1 und den jeweiligen Ableiter 4, ein Polsterelement 6 als Einlegeteil anzuordnen, wie in der 6 und den fortfolgenden Figuren dargestellt ist.
Die 6 und 7 zeigen die Einzelzelle 1 in einer ersten Ausführungsform mit angeordneten Polsterelementen 6, wobei die Einzelzelle 1 in 6 vor und in 7 nach einem Biegeprozess dargestellt ist.
In der ersten Ausführungsform der Einzelzelle 1 sind die miteinander verbundenen Fahnen 2.1 einer Polarität in Bezug auf die Dicke der Elektrodenanordnung 2 mittig angeordnet und mit jeweils einem gerade verlaufenden Ableiter 4 verbunden.
Mittels des jeweiligen Polsterelementes 6 wird der Bereich der Biegestelle B bei dem Biegeprozess abgepolstert, wodurch eine Beschädigung der Gehäuseteile 3.1 in eben diesem Bereich, insbesondere in Bezug auf die innenliegende Schicht weitestgehend ausgeschlossen werden kann.
Das Polsterelement 6 als Einlegeteil besteht vorzugsweise aus einem elektrolytbeständigen Kunststoff, wie z. B. Polypropylen als ein- oder mehrlagiges Massiv-Schaum- und/oder Vliesmaterial.
Um den Biegeprozess nicht zu beeinträchtigen und um zu erreichen, dass die Polsterelemente 6 verhältnismäßig wenig zusätzlichen Bauraum beanspruchen, sind diese besonders bevorzugt als vergleichsweise dünne Folien ausgebildet, die zwischen den Gehäuseteilen 3.1 und den Ableitern 4 angeordnet sind.
Eine zweite Ausführungsform der Einzelzelle 1 mit angeordneten Polsterelementen 6 ist in den 8 und 9 dargestellt. Die 8 zeigt die Einzelzelle 1 vor und die 9 nach einem Biegeprozess.
In der zweiten Ausführungsform sind die miteinander verbundenen Fahnen 2.1 der jeweiligen Polarität in Bezug auf die Dicke der Elektrodenanordnung 2 seitlich angeordnet und senkrecht zur Längsausdehnung der Elektrodenanordnung 2, d. h. parallel zur Seitenkante des Elektrodenanordnung 2 umgeklappt.
Zwischen den Fahnen 2.1 und der Elektrodenanordnung 2 ist ein L-förmiger Ableiter 4 angeordnet und mit den Fahnen 2.1 verbunden.
Das Zellgehäuse 3 ist aus einem wannenförmigen Gehäuseteil 3.1 und einem weitestgehend planar ausgebildeten Gehäuseteil 3.1 gebildet.
Die vorzugsweise als Folien ausgebildeten Polsterelemente 6 zur Abpolsterung der Biegestelle B sind als separate Teile an der entsprechenden Position einlegbar.
Bevorzugt sind die Polsterelemente 6 vor einem Zusammenbau der Einzelzelle 1 stoffschlüssig an den Ableitern 4 oder einer Innenseite der Gehäuseteile 3.1 befestigt, insbesondere aufgeklebt und/oder aufgesiegelt.
In einer weiteren, kostengünstigen Ausbildung zur Vermeidung von Beschädigungen, insbesondere der innenliegenden Schicht der Gehäuseteile 3.1 im Bereich der Biegestelle B ist vorgesehen, dass das Vorsiegelband 5 gleichzeitig das Polsterelement 6 bildet. Diese Ausbildung ist in den 10 und 11 gezeigt. Mittels des Vorsiegelbandes 5 als Polsterelement 6 wird die Funktion des bereits vorhandenen Vorsiegelbandes 5 um die Funktion der Abpolsterung der Biegestelle B erweitert.
Zur Abpolsterung der Biegestelle B ist das Vorsiegelband 5 verlängert, so dass sich dieses von dem Bereich der Siegelnaht S bis zur der Biegestelle B des Ableiters 4 erstreckt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß den 10 und 11 ist das jeweilige Vorsiegelband 5 entsprechend seiner Abmessungen vollflächig an dem jeweiligen Ableiter 4 befestigt.
Die 12 bis 15 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei das Vorsiegelband 5 nur im Bereich der Siegelnaht S zum Verschluss des Zellgehäuses 3 und somit zum Verschluss der Einzelzelle 1 zwischen dem jeweiligen Gehäuseteil 3.1 und dem Ableiter 4 stoffschlüssig befestigt ist. Im Bereich der Biegestelle B ist das Vorsiegelband 5 unbefestigt.
Da das Vorsiegelband 5 nur im Bereich der Siegelnaht S befestigt ist, wird der Biegeprozess erleichtert, da ein Sandwicheffekt der Biegestelle B entfällt und dadurch eine Steifigkeit der Biegestelle B verringert wird.
Alternativ dazu, dass das Vorsiegelband 5 die Funktion der Abpolsterung übernimmt, kann auch vorgesehen sein, dass das Polsterelement 6 das Vorsiegelband 5 bildet.
In den 16 und 17 ist die Einzelzelle 1 in der ersten Ausführungsform dargestellt, wobei sowohl ein separates Vorsiegelband 5 als auch ein separates Polsterelement 6 vorgesehen sind.
Das Polsterelement 6 in Form der Folie ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zur Abpolsterung der Biegestelle B sowie zur Abschirmung des Verbindungsbereiches V zwischen den Fahnen 2.1 der Elektrodenanordnung 2 und den Ableitern 4 vorgesehen.
Die Verbindungsbereich V weist oftmals Unebenheiten auf, beispielsweise durch Abdrücke eines oberflächenstrukturierten Ultraschall-Schweißwerkzeuges und/oder durch erhabene oder eingefallene Lasernähte mit Schweißspritzern und/oder durch separate Abklebungen der Schweißstelle. Durch diese Unebenheiten kann die innenliegende Schicht der Gehäuseteile 3.1 ebenfalls beschädigt werden.
Da das Polsterelement 6 bei dem in den 16 und 17 dargestellten Ausführungsbeispiel sich über die Biegestelle B und die Verbindungsbereich V erstreckt, kann eine Beschädigung der innenliegenden Schicht durch Unebenheiten der Verbindungsbereich V und durch den Biegeprozess weitestgehend ausgeschlossen werden.
Denkbar ist auch, dass das Vorsiegelband 5 die Funktion der Abpolsterung der Biegestelle B und die Abdeckung der Verbindungsbereich V zwischen Ableitern 4 und Fahnen 2.1 der Elektrodenanordnung 2 übernimmt. Dabei ist das Vorsiegelband 5 zumindest im Bereich der Verbindungsbereich V nicht am Ableiter 4 befestigt, insbesondere stoffschlüssig angesiegelt, so dass das Vorsiegelband 5 vor der Heißsiegelung umklappar ist und die Verbindungsbereich V somit freiliegt.
Handelt es sich um eine Einzelzelle 1, welche nicht einem Biegeprozess zur Abwinklung unterzogen wird, ist vorgesehen, dass das Vorsiegelband 5 derartige Abmessungen aufweist, dass sowohl der Bereich der Siegelnaht S als auch der Bereich der Verbindungsbereich V mittels des Vorsiegelbandes 5 abgedeckt ist.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass das Vorsiegelband 5 oder das separate Polsterelement 6 derart an dem Ableiter 4 angeordnet ist, dass die Biegestelle B am Ableiter 4 vollständig von dem Polsterelement 6 eingefasst ist.
Beispielsweise ist das Vorsiegelband 5 hierzu verlängert und vollflächig an dem Ableiter 4 befestigt, wobei eine vordere und eine hintere Hälfte mittels eines Überstandes seitlich überlappen, wie in einer perspektivischen Ansicht in 19 und einer Vorderansicht in 20 gezeigt ist. 21 zeigt eine Seitenansicht des Ableiters 4 mit den verlängerten Vorsiegelbändern 5.
In 18 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines L-förmigen Ableiters 4 mit Vorsiegelbändern 5 gezeigt. Insbesondere sind die beiden Vorsiegelbänder 5 derart verlängert, dass diese den Bereich der Siegelnaht S und den Bereich der Biegestelle B abdecken.
Dadurch kann weitestgehend verhindert werden, dass bei dem Biegeprozess womöglich abplatzende Teile einer Beschichtung, insbesondere einer üblichen Nickelbeschichtung eines Ableiters 4 aus Kupfer als negativer Polkontakt, in das Zellgehäuse 3 eindringen und dort einen Kurzschluss erzeugen.
22 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Elektrodenanordnung 2 mit zwei nichtmontierten Ableitern 4 mit an diesen befestigten Vorsiegelbändern 5 für eine Einzelzelle 1 in einer dritten Ausführungsform.
Bei der dritten Ausführungsform sind die Fähnchen 2.1 beider Polaritäten an einer Seite der Elektrodenanordnung 2 angeordnet und mittels des Vorsiegelbandes 5 abgepolstert.
In 23 ist eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Elektrodenanordnung 2 mit Ableiter 4 und den an diesem befestigten Vorsiegelbändern 5 im nichtmontierten Zustand gezeigt, wobei in 24 die Elektrodenanordnung 2 mit den Ableitern 4 im montierten Zustand in einer perspektivischen Ansicht dargestellt ist.
Eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Elektrodenanordnung 2 mit befestigten Ableitern 4 ist in 25 dargestellt, wobei die Ableiter 4 mittels Ultraschallschweißens an den Fahnen 2.1 der Elektrodenanordnung 2 befestigt werden.
Die 26 und 27 zeigen jeweils eine Ansicht der Elektrodenanordnung 2 mit befestigten Ableitern 4 nach einem Umklappen derselben. Dabei sind die Ableiter 4 mit den Vorsiegelbändern 5 derart umgeklappt, dass diese parallel zur Längsausdehnung der Elektrodenanordnung 2 angeordnet sind.
Das Zellgehäuse 3 der Einzelzelle 1 in der dritten Ausführungsform weist zwei an einer Seite aneinander befestigte Gehäuseteile 3.1 auf, wodurch das Zellgehäuse 3 einteilig ausgebildet ist, wie in 28 gezeigt ist.
Da die beiden Gehäuseteile 3.1 an einer Seite aneinander befestigt sind, sind die Gehäuseteile 3.1 relativ zueinander schwenkbar, d. h. klappbar, wobei das Zellgehäuse 3 an nur drei Seiten verschlossen wird.
Insbesondere ist in 28 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Zellgehäuses 3 und der Elektrodenanordnung 2 dargestellt.
Ein Gehäuseteil 3.1 ist mittels Tiefziehens wannenförmig ausgebildet, wobei das andere Gehäuseteil 3.1 als Deckel fungiert und im Wesentlichen planar ausgebildet ist.
29 zeigt eine perspektivische Ansicht des geschlossenen Zellgehäuses 3.
Die beiden Gehäuseteile 3.1 sind mittels Heißsiegelung stoffschlüssig miteinander verbunden, wobei die Heißsiegelung in an eine Ableiterseite des Zellgehäuses 3 grenzende Eckbereiche dreieckförmig erfolgt, wie u. a. in 29 näher dargestellt ist.
Die Ableiter 4 sind mittels des verlängerten Vorsiegelbandes 5, welches somit gleichzeitig als Polsterelement 6 dient, versehen. Dabei ist das Vorsiegelband 5 zwischen der innenliegenden Schicht des jeweiligen Gehäuseteiles 3.1 und dem Ableiter 4 angeordnet. Die beiden dem jeweiligen Ableiter 4 zugeordneten Vorsiegelbänder 5 werden vor einer Montage der Einzelzelle 1, also vor einem Zusammenbau vollflächig mittels Heißsiegelung an dem Ableiter 4 fixiert, d. h. stoffschlüssig befestigt.
In 30 ist eine Schnittdarstellung der Einzelzelle 1 im Bereich des Ableiters 4 gezeigt, wobei in 31 eine Vorderansicht der Einzelzelle 1 dargestellt ist.
Insbesondere ist in 31 die als drei Streifen ausgeführte Siegelnaht S gezeigt, wobei eine Siegelung in den Eckbereichen des Zellgehäuses 3 dreiecksförmig erfolgt. Eine in Richtung der Einzelzelle 1 erforderliche Breite der Siegelnaht S bleibt dabei erhalten.
Die 32 zeigt die Einzelzelle 1 nach einem Beschnitt der beiden Eckbereiche des Zellgehäuses 3.
Seitenbereiche des Zellgehäuses 3, welche an die beschnittenen Eckbereiche und somit an die Ableiterseite angrenzen, werden zur Bauraumoptimierung der Einzelzelle 1 um 90° umgeklappt, wie in den 33, 34 und 35 näher gezeigt ist.
Eine in 35 dargestellte gestrichelte Linie kennzeichnet eine Biegelinie L für einen Biegeprozess eines Kopfbereiches der Einzelzelle 1. Dabei verläuft die Biegelinie L zwischen der stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Ableitern 4 und den Gehäuseteilen 3.1 und einem Verbindungsbereich V zwischen den Ableitern 4 und den Fahnen 2.1 der Elektrodenanordnung 2.
Der Kopfbereich der Einzelzelle 1 wird derart umgebogen, dass die Ableiter 4 um im Wesentlichen 90° zur Längsausdehnung der Einzelzelle 1, also senkrecht zur Fläche der Elektrodenanordnung 2 abgewinkelt sind.
Dadurch, dass die Eckbereiche des Zellgehäuses 3 beschnitten sind, ist die Abwinklung der Seitenbereiche und des Kopfbereiches möglich, ohne dass sich die Biegestellen B überlappen.
Die Biegestellen B, also die Abwinklungen des Zellgehäuses 3 sowohl im Kopfbereich als auch in den angrenzenden Seitenbereichen, verlaufen besonders bevorzugt nicht im Bereich der Siegelnaht S.
36 zeigt eine perspektivische Ansicht der Einzelzelle 1 nach einem Biegeprozess des Kopfbereiches und der Seitenbereiche des Zellgehäuses 3.
37 zeigt eine Seitenansicht und in 38 ist eine Vorderansicht der Einzelzelle 1 nach dem Biegeprozess gezeigt, wobei in 39 ein vergrößerter Ausschnitt einer Schnittdarstellung der Einzelzelle 1 im Bereich der Ableiter 4 gezeigt ist.
Mittels des verlängerten Vorsiegelbandes 5 als Polsterelement 6 wird das Risiko von Beschädigungen, insbesondere der innenliegenden Schicht der die Gehäuseteile 3.1 bildenden Folienabschnitte zumindest wesentlich verringert. Mittels der Vorsiegelbänder 5 erfolgt eine Abpolsterung der Biegestelle B beim Biegeprozess.
Die in den vorangegangenen Figuren beschriebenen Lösungen zur Vermeidung von Beschädigungen, insbesondere der innenliegenden Schicht der Gehäuseteile 3.1 des Zellgehäuses 3 mittels Polsterelementen 6 kann auch bei anderen Ausführungsformen von Einzelzellen 1 angewendet werden. Beispielsweise können Polsterelemente 6 als solche oder verlängerte Vorsiegelbänder 5 zur Abpolsterung bei Einzelzellen 1, bei welchen die Ableiter 4 an gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind und eine zweifache Abwinklung vorgesehen ist, angeordnet werden.
Auch ist die oben beschriebene Lösung für Einzelzellen 1 geeignet, bei denen die Ableiter 4 auf einer Seite angeordnet sind und nur ein Biegeprozess durchgeführt wird.
Sind zwei Abwinklungen vorgesehen, können diese in eine Richtung oder in zwei verschiedene Richtungen verlaufen.
Da auch die Gefahr besteht, dass beim Durchführen des Biegeprozesses eine außenliegende Schicht der Gehäuseteile 3.1 des Zellgehäuses 3 mittels eines Biegewerkzeuges beschädigt wird, kann das Zellgehäuses 3 zur Abpolsterung auch in diesem Bereich mittels eines Polsterelementes 6 in Form einer Kunststofffolie versehen und somit geschützt sein.
Dabei können beide Seiten oder nur eine Seite des Ableiters 4, insbesondere eine höher belastete mit einem Polsterelement 6 versehen sein.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele können auch in jedweder anderen geeigneten Kombination angewendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Einzelzelle
2: Elektrodenfolienanordnung
2.1: Fahne
3: Zellgehäuse
3.1: Gehäuseteil
4: Ableiter
5: Vorsiegelband
6: Polsterelement
B: Biegestelle
L: Biegelinie
S: Siegelnaht
V: Verbindungsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014014529 [0003]

Claims

Einzelzelle (1) für einen elektrochemischer Energiespeicher, umfassend eine in einem Zellgehäuse (3) angeordnete Elektrodenanordnung (2), die mit einer Anzahl von Ableitern (4) verbunden ist, die als Polkontakte aus dem Zellgehäuse (3) herausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich des Ableiters (4) dieser mit einem Abschnitt des Zellgehäuses (3) zumindest einmal abgewinkelt ist und im Bereich einer jeweiligen Biegestelle (B) zumindest ein Polsterelement (6) angeordnet ist.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Polsterelement (6) zwischen einem Gehäuseteil (3.1) und dem Ableiter (4) angeordnet ist.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Polsterelement (6) aus einem elektrolytbeständigen Kunststoff gebildet ist.
Einzelzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polsterelement (6) mittels eines zwischen jeweils einem Gehäuseteil (3.1) und dem Ableiter (4) angeordneten Vorsiegelband (5) gebildet ist.
Elektrochemischer Energiespeicher, umfassend mehrere elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zumindest im Bereich des Ableiters (4) dieser mit einem Abschnitt des Zellgehäuses (3) zumindest einmal abgewinkelt wird und im Bereich einer jeweiligen Biegestelle (B) zumindest ein Polsterelement (6) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Polsterelement (6) zwischen einem Gehäuseteil (3.1) und dem Ableiter (4) angeordnet wird.