DE102015008080A1

DE102015008080A1 - Reversible Kontaktierungsanordnung für vorrangig Lithium-lonen Batterien ein Verfahren und die Verwendung reversibler Kontaktierungseinrichtungen

Info

Publication number: DE102015008080A1
Application number: DE102015008080.6A
Authority: DE
Inventors: Alexander Bergenthal; Marco Nauroth
Original assignee: eWolff GmbH
Current assignee: Solarwatt Innovation GmbH
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2015-06-25
Publication date: 2017-01-12

Abstract

Reversible Kontaktierungsanordnung für vorrangig Lithium-Ionen Batterien ein Verfahren und die Verwendung reversibler Kontaktierungseinrichtungen.

Description

Die Erfindung betrifft eine reversible Kontaktierungsanordnung für vorrangig Lithium-Ionen Batterien, ein Verfahren und die Verwendung reversibler Kontaktierungseinrichtungen.
Die Erfindung betrifft auch die Kontaktierung von galvanischen Zellen. Solche galvanischen Zellen werden für unterschiedliche Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Technik benötigt und verwendet. Bei den meisten Anwendungen geht es neben anderen Zielsetzungen auch darum, die raumbezogene Energiedichte, also die gespeicherte Energie bezogen auf das Volumen der galvanischen Zelle zu maximieren. Galvanische Zellen eignen sich zum Aufbau von Batterien aus einer Mehrzahl solcher Zellen, weshalb solche Zellen gelegentlich auch als Batteriezellen bezeichnet werden.
Die Erfindung wird hinsichtlich elektrochemischer Speicher und oder galvanischen Einrichtungen am Beispiel einer Lithium-Ionen Batterie, einer reversiblen Kontaktierungsanordnung beschrieben, ist aber nicht auf elektrische Speicher beschränkt. Vorzugsweise und vorzüglich kann die Erfindung auf Wandler, andere elektrische Schalt-, Speicher-, und Verteileinrichtungen und dergleichen angewandt werden.
Bekannt sind flach und rechteckig gebaute galvanische Zellen deren elektrochemisch wirksamer Inhalt, meist ein sogenannter Folienstapel, von einer meist zweiteiligen folienartigen Verpackung umgeben ist, durch die elektrische Anschlüsse in Blechform (”Ableiter” oder „Ableiterbleche” oder „Ableiter-Tabs”) geführt sind. Die Folie besteht häufig aus einer beidseitig mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff beschichteten Aluminiumfolie. Derart aufgebaute Batteriezellen werden häufig Pouch-Zellen bzw. Coffeebag-Zellen oder auch aufgrund ihrer Einhausung auch Li-Polymer genannt. Li-Polymer kann sich auch direkt auf den inneren Aufbau der Zelle beziehen.
Die elektrische Spannung wird häufig durch form-, kraft- oder stoffschlüssig an die Ableiterbleche oder Ableiter-Tabs angebundene Kontaktelemente abgegriffen. Diese können ein- oder beidseitig an die Ableiter anschließen.
Die Kontaktelemente sind bei Einzelzellen direkt oder indirekt mit den elektrischen Stromverbrauchern bzw. Stromquellen verbunden bzw. dienen bei Batterien oder Zellblöcken der elektrischen Reihen- oder Parallelschaltung der Zellen, mitunter über eine elektrische Management und Steuereinrichtung, auch BMS (Batterie Management System) genannt.
Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal solcher Zellen zu anderen Zellbauformen ist, dass die Verpackung grundsätzlich nicht spannungsführend ist sondern elektrisch neutral. Die Ableiter werden isoliert durch die Verpackung hindurchgeführt.
Im Hinblick auf das Ziel, die raumbezogene Energiedichte zu maximieren, ist es häufig nachteilig, wenn die seitliche („radiale”, d. h. parallel zum flächigen Teil der Zellverpackung ausgerichtete) Herausführung der Ableiter durch Schweißstellen in der Verpackung zu einem Verlust an nutzbarem Bauraum führt.
Aus der DE 10 2007 031 674 A1 ist eine elektrochemische Energiespeichereinheit bekannt, die eine Mehrzahl vn Flachzellen umfasst. Die Flachzellen umfassen mindestens zwei Stromableiter und eine Ummantelung. Stromableiter von benachbarten Flachzellen sind über ein Verbindungselement miteinander elektrisch verbunden. Das Verbindungselement steht in thermischen Kontakt mit einer Wärmesenke. Mittels einer Niete ist die Wärmesenke formschlüssig oder kraftschlüssig mit einem Verbindungselement verbunden. Die Niete besteht aus Kunststoff.
Aus der WO 2008/016568 A2 ist eine Elektrochemische Zelle bekannt, die eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen Separator und einen Elektrolyten umfasst. Diese Elemente sind in einer Umhüllung angeordnet. Mittels eines länglichen Gegenstands, der in Form eines Nagels ausgebildet ist, wird ein elektrischer Kontakt zwischen einer Kontaktierungsoberfläche und einer der Elektroden hergestellt.
Solche Ableiter von Zellen werden zum Zwecke der Kontaktierung auch direkt verschweißt, wie beim Laserschweißen. Hier muss allerdings ein technischer Nullspalt erzeugt werden, was durch die Erzeugniseigenschaften der Batterie in der Praxis zu Problemen führt, und den Prozess weniger effizient macht.
Ultraschallschweißen erfordert je nach Konstruktion ebenfalls eine sehr hohe Fügepräzision (Ziel mindestens Positionieren mit 0,1 mm Toleranzfeld (+/–0,05 auf Sollposition).
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Kontaktierungsanordnung bereitzustellen. Diese soll auch quasi ohne Werkzeuge oder Gerät dafür einsetzen zu müssen reversibel sein und darüber hinaus beitragen, eine sichere Batterieanordnung zu schaffen.
Diese soll Bauraum einsparen. Dabei sollen die Batteriezellen ohne Schweißverfahren oder eine starke Klemmungen miteinander so verbunden werden, dass dies einfacher und reversibel wieder entbunden werden können. Bei einer reversiblen Zellverbindung im Stand der Technik durch z. B. Federkontakten, verschlechtert sich der Übergangswiderstand ”Zellfahne zu Federkontakt” durch die Oxidation der Zellableiter zusehens.
Eine genaue Bestimmung der Zellspannung, speziell unter Last, wird damit unmöglich. Dies wirkt sich nachteilig auf den Betrieb und Lebensdauer der Batterien aus und erhöht den messtechnischen und den IuK-Aufwand. Die Aufgabe stellt sich daher auch zur genaueren Spannungsbestimmung beizutragen und die nachteilige Oxidation oder auch gemeinhin Formen der Korrosion an der Kontaktierung, etwa beim Austritt von Schadgasen aus der Batterie zumindest temporär länger zu widerstehen. Dadurch soll die Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit der Batterien erhöhen helfen.
Andererseits trägt die Lösung dieser Aufgabenstellung zu Energieeffizienz und Effizienz in der Produktion bei, eine flexible Modulproduktion wird möglich und bestimmte Prozessketten und deren Überwachung, Steuerung und Prüfung können entfallen, nicht zuletzt in den Fügeprozessen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine Zellverbindungseinrichtung nach Anspruch 1.
Batterieanordnung, umfassend zumindest eine, vorzugsweise aber mehrere Elektrochemische Zellen, wobei zumindest eine Elektrochemische Zelle zumindest einen Stromableiter aufweist, der sich durch eine Umhüllung der Elektrochemischen Zelle erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zumindest eine Stromableiter mit einem Verbindungsstift in elektrisch leitender Verbindung ist.
Die Verbindung ist vorzugsweise durch Federkontakte realisiert, was eine reversible Zellverbindung mit sich bringt. Durch einfache Handhabbarkeit der Federkontakte, z. B. durch Bestücken auf einem PCB, lassen sich vom Prototyp bis in die Serie hinein sehr schnell und günstig Batteriemodule fertigen. Gemäß einer besonderen erfinderischen Ausführung wird die Verbindung durch Klemmleisten, Kontaktklemmen, Rasterstecker-buchsen und dergleichen realisiert, solange mit Zellfahne und Transferblech eine Verbindung gegeben ist.
Die Zellfahnen einer Batteriezelle werden vorzugsweise durch ein veredeltes Blech (z. B. Kupfer silberbeschichtet) äußeren Umwelteinflüssen gegenüber resistenter gemacht. Vergleiche die Diskussion dazu im Rahmen der Beschreibung der Erfindung. Durch diese erhöhte Resistenz wird die Kontaktierung mit Federkontakten auch über einen mehrjährigen Zeitraum bei nahezu gleichbleibend niedrigem Übergangswiderstand möglich.
Die Montage in der Applikation (Batteriemodul) erfolgt vorzugsweise ohne Werkzeug, die Zellfahne mit Transferblech wird vorzugsweise zwischen die Federkontakte geschoben.
Die Zellfahnen einer Batteriezelle werden durch ein oxidationsstabiles, elektrisch leitfähiges Blech (vorzugsweise Kupfer silberbeschichtet) äußeren Umwelteinflüssen gegenüber resistenter gemacht. Dies kann durch eine der beschriebenen Maßnahmen und oder deren Kombination erfolgen. Durch diese erhöhte Resistenz wird die Kontaktierung mit Federkontakten auch über einen mehrjährigen Zeitraum bei nahezu gleichbleibend niedrigem Übergangswiderstand möglich.
Nach einer erfinderischen Ausführung ist das Transferblech aus einem Organometall gefertigt, aus einem geeigneten Leiterplattenmaterial oder einem Trägermateriel zumindest mit einem Kunststoff oder einem nachwachsenden Rohstoff oder deren Anteilen.
Dieses kostengünstige veredelte Blech (Transferblech) wird mittels des Verfahrens des Clinchens/Toxens widerstandsarm an der Zellfahne angebracht. Durch die ”gasdichten” Kontaktpunkte ist die Verbindung von hoher Güte und Langzeitstabil insbesondere in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit. Die Zelle ist bis zu diesem Zeitpunkt noch nicht ”Applikations-Spezifisch”. Die Montage in der Applikation (Batteriemodul) erfolgt ohne Werkzeug, die Zellfahne mit Transferblech wird zwischen die Federkontakte geschoben.
Für eine vorzugsweise Clinch- bzw. Toxvariante erfolgt das Durchsetzfügen des Transferbleches mit der Zellfahne in einem Arbeitsschritt bei dem gleichzeitig, die Formgebung des Transferblechs und der Zellfahne in geeigneter Weise durch ein geeignetes Werkzeug stattfindet.
Gemäß einer besonderen Ausführung ist das Transferblech und der Zellableiter abgewinkelt.
Obschon die vorliegende Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungen und das Beispiel in Ihren wesentlichen Merkmalen beschrieben worden ist, versteht sich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern in dem durch die Patentansprüche. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Beispielen beschrieben.
Anwendungen mit effizienten Energiespeichern vorzugsweise mit elektrischer Energie wie vorzugsweise Lithium-Ionen Batterien oder anderer ionischer Systeme bedingen aufgrund vorzugsweise einer hohen Energie und oder Leistungsdichte in den Batterieanordnungen eine Verbindungstechnik, die den Anforderungen an langlebigen Batterien bei hohen Belastungen nachhaltig gerecht werden müssen.
Ableiter-tabs der Zellen
Vorzugsweise sind die elektrische Anschlüsse in Blechform (”Ableiter” oder „Ableiterbleche” oder „Ableiter-Tabs”) aus der Zelle geführt, diese weisen Materialien wie für die positive Seite mit Ni-plated (Nickelschicht, zumindest auf einem Teil der Ableiter-tabs) auf Al (Aluminium). Dabei können vorzugsweise zumindest Teile elektrisch oder nicht elektrisch abgeschiedene Schichten auf dem oder um das Ableiterträgermaterial des Ableiter-Tabs sein. Vorzüglich für die Kathode AL-Niplated, nicht elektrisch abgeschieden.
Vorzugsweise für die Anode Ni (Nickel, -verbindung, -derivat), elektrisch abgeschieden auf einem Kupfer, vorzugsweise einer Kupfersorte mit reduziertem Sauerstoffanteil.
Vorzugsweise weisen die Ableiter-Tabs auf:
Breiten von 20 mm–100 mm, Dicke: 0,1–0,3 mm,
Breiten von 31 mm–100 mm, 0,1–0,5 mm,
Breiten von 100 mm und darüber hinweg, bei vorzugsweise Dicken von 0,1–0,8 mm.
Ein Vorzug dieser Zellen ist grundsätzlich, dass die Länge und Steifigkeit dieser Ableiter-Tabs den Anforderungen des Batteriebaus (Verschaltung seriell und parallel) in einem Auswahlbereich eingestellt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die erfinderische Kontaktierungseinrichtung entsprechend lang und breit auf die konkrete Anwendung angepasst werden kann.
Die Folie der eigentlichen Zelle besteht häufig aus einer beidseitig mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff beschichteten Aluminiumfolie. Derart aufgebaute Batteriezellen werden häufig Pouch-Zellen bzw. Coffeebag-Zellen oder auch aufgrund Ihrer Einhausung auch Li-Polymer genannt. Li-Polymer kann sich als Bezeichnung für eine Typisierung allerdings auch direkt auf den inneren Aufbau der Zelle beziehen.
Kontaktierungsanordnung und Materialdiskussion
Kontaktstücke, Kontaktierungen, Verbinder, Zellverbinder, Kontaktierungsanordnungen oder synonym mit oder als Kontaktwerkstoffe bezeichnet und dergleichen sind wichtige Bauteile. Sie müssen ihre Funktion vom Neuzustand bis zum Ende der Lebensdauer erfüllen. Heutige Lithium-Ionen Batterien können sehr lange Lebensdauern in rauer Umgebung nachweisen, bspw. bis zu 20 Jahre oder sogar darüber hinaus.
Das Anforderungsspektrum an die Kontaktwerkstoffe ist vielfältig. Neben den typischen Kontakteigenschaften wie:
hohe Abbrandfestigkeit
hohe Verschweißresistenz
niedriger Kontaktwiderstand
gute Lichtbogenlaufeigenschaften
gutes Lichtbogenlöschverhalten
werden physikalische, mechanische und chemische Eigenschaften, wie hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, hohe Härte, hohe Korrosionsbeständigkeit usw., aber auch gute Verarbeitbarkeit sowie gute Löt- und Schweißbarkeit gewünscht. Außerdem sollen die Werkstoffe umweltfreundlich sein.
Die für Kontaktzwecke zur Verfügung stehenden Werkstoffe lassen sich je nach Zusammensetzung und Gefügeaufbau unterteilen in:
reine Metalle
Legierungen
Verbundwerkstoffe
Reine Metalle
Von dieser Werkstoffgruppe hat Silber für Schaltgeräte der Energietechnik die größte Bedeutung. Andere Edelmetalle wie Gold und die Platinmetalle kommen nur im Bereich der Informationstechnik meist in Form dünner Schichten zur Anwendung. Von den Unedelmetallen wird Wolfram für spezielle Schaltaufgaben, z. B. in Kfz-Hupen eingesetzt. Gelegentlich wird auch Kupfer, allerdings meist in unsymmetrischer Paarung mit einem silberhaltigen Kontaktwerkstoff, verwendet.
Legierungen
Neben den wenigen reinen Metallen steht eine größere Anzahl schmelztechnisch hergestellter Legierungen für Kontaktaufgaben zur Verfügung. Eine Legierung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen ihren Komponenten eine vollständige oder begrenzte gegenseitige Löslichkeit im festen Zustand besteht.
Durch Legierungsbildung gelingt es, eine Eigenschaft eines Werkstoffes auf Kosten einer anderen zu verbessern. So wird durch Legierungsbildung z. B. die Festigkeit des Grundmetalls erhöht, während die elektrische Leitfähigkeit, abhängig von der Legierungszusammensetzung, bereits bei geringen metallischen Zusätzen deutlich abnimmt.
Verbundwerkstoffe
Die Verbundwerkstoffe stellen eine Stoffgruppe dar, deren Eigenschaftsspektrum für Anwendungen als elektrische Kontakte in Schaltgeräten, in denen höhere Ströme beherrscht werden müssen, besondere Vorteile bietet.
Die für Kontaktzwecke eingesetzten metallischen Verbundwerkstoffe sind heterogene Werkstoffe, die aus zwei oder mehreren innig miteinander verbundenen Komponenten bestehen, bei denen mindestens die dem Volumen nach überwiegende Komponente ein Metall ist.
Die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe werden durch die Eigenschaften ihrer Komponenten weitgehend unabhängig voneinander bestimmt. So gelingt es z. B. in einem Werkstoff das hochschmelzende, abbrandfeste Wolfram mit dem niedrigschmelzenden, gutleitenden Kupfer oder das hochleitende Metall Silber mit dem verschweißresistenten Metalloid Grafit zu kombinieren. Ausgehend von der Pulvermischung wird vorzugsweise der Kontaktwerkstoff entstehen. Grundsätzlich kann zwischen folgenden drei Varianten unterschieden werden:
Sintern ohne flüssige Phase
Sintern mit flüssiger Phase
Tränkverfahren
Beim Sintern ohne flüssige Phase wird die Pulvermischung zunächst durch Pressen verdichtet, danach wärmebehandelt (gesintert) und ggf. durch Nachpressen weiter verdichtet. Die Sinteratmosphäre hängt dabei von der Werkstoffzusammensetzung und dem Verwendungszweck ab; z. B. Vakuum für gasarme Kontaktwerkstoffe aus Cu/Cr. Bei Werkstoffen mit hohem Silberanteil wird meist von Presslingen in Blockform ausgegangen, die nach dem Sintern durch Strangpressen zu Bändern oder Drähten umgeformt werden. Die durch Strangpressen erzielte hohe Verdichtung wirkt sich vorteilhaft auf das Abbrandverhalten der Verbundwerkstoffe aus. Nach diesem Verfahren werden die Verbundwerkstoffe Ag/Ni, Ag/Metalloxid und Ag/C hergestellt.
Reines Gold ist neben Platin das chemisch beständigste aller Edelmetalle. Gold in unlegierter Form ist für die Verwendung als Kontaktwerkstoff in elektromechanischen Bauelementen aufgrund seiner Neigung zum Kleben und Kaltschweißen auch bei kleinen Kontaktkräften weniger gut geeignet. Außerdem ist Feingold nicht ausreichend mechanisch verschleißfest und widerstandsfähig bei elektrischer Belastung. Daher beschränkt sich sein Einsatz meist auf dünne, galvanisch oder vakuumtechnisch aufgebrachte Schichten.
Zur Platingruppe zählen die Elemente Pt, Pd, Rh, Ru, Ir und Os. Für Anwendungen in der Kontakttechnik haben Platin und Palladium als Legierungsgrundmetalle sowie Ruthenium und Iridium als Legierungsbestandteile praktische Bedeutung. Pt und Pd sind zwar ähnlich korrosionsbeständig wie Au, neigen aber aufgrund ihrer katalytischen Eigenschaften dazu, an der Kontaktoberfläche adsorbierte organische Dämpfe zu polymerisieren. Bei Reibbeanspruchung der Kontaktpartner entsteht dabei als Polymerisationsprodukt das sog. brown powder, das zu einer starken Erhöhung des Kontaktwiderstandes führen kann. Daher werden Pt und Pd nicht rein, sondern ausschließlich in Legierungsform für Kontaktzwecke eingesetzt.
In der Literatur findet sich diesbezüglich vorzugsweise in: Vinaricky, E. (Hrsg.): Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg etc. 2002, Lindmayer, M.: Schaltgeräte-Grundlagen, Aufbau, Wirkungsweise. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokio, 1987, Rau, G.: Metallische Verbundwerkstoffe. Werkstofftechnische Verlagsgesellschaft, Karlsruhe 1977, Schreiner, H.: Pulvermetallurgie elektrischer Kontakte. Springer-Verlag Berlin, Göttingen, Heidelberg, 1964, Hansen. M.; Anderko, K.: Constitution of Binary Alloys. New York: Mc Graw-Hill, 1958, Shunk, F. A.: Constitution of Binary Alloy. 2 Suppl. New York; Mc Graw-Hill, 1969, Edelmetall-Taschenbuch. (Herausgeber Degussa AG, Frankfurt a. M.), Heidelberg, Hüthig-Verlag, 1995, Rau, G.: Elektrische Kontakte-Werkstoffe und Technologie. Eigenverlag G. Rau GmbH & Co., Pforzheim, 1984, Heraeus, W. C.: Werkstoffdaten. Eigenverlag W. C. 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Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung und Materialien sind, wie der Fachmann anhand der vorliegenden Beschreibung sofort erkennt, auch miteinander kombinierbar.
Für die Herstellung von vorzugsweise qualitativ hochwertigen Schalt-, Gleit- und Steckkontakten kommen vorzugsweise aufgrund der hervorragenden elektrischen, thermischen und chemischen Eigenschaften zur Zeit und in absehbarer Zukunft praktisch ausschließlich Gold, Palladium und Silber in Betracht. Palladium, Silber und deren Legierungen sind dabei die aussichtsreichsten Substitutionsmaterialien für das Gold.
Vorzugsweise trifft das auch für hochwertige Steckkontakte zu, während für abgemagerte Anforderungen ein teilweiser Ersatz des bisher eingesetzten Goldes durch Zinn oder Zinnlegierungen ist.
Palladium ist ein verformbares Metall und bei Hitze schmiedbar. Es handelt sich um ein silbrig-weißes, stark reflektierendes Metall, das an Luft sehr beständig ist. Fein verteilt bildet es ein schwarzen Pulver. Palladium ist das unedelste Platinmetall und im Vergleich zu den anderen reaktionsfreudig. Bereits in kompakter Form wird es von Salpetersäure angegriffen. Bemerkenswert ist seine Eigenschaft der Wasserstoffabsorption: Es kann mehr als das 1000-fache seines eigenen Volumen an Wasserstoffgas aufnehmen.
Reines Platin ist verformbares, silbrig-weißes Edelmetall. An Luft und Wasser sowie gegenüber Säuren ist es beständig. Platin löst sich allerdings in heißem Königswasser. Auch von geschmolzenen Alkalien wird es gelöst.
Ähnlich wie Palladium kann auch Platin ein großes Volumen von Wasserstoff aufnehmen, das in diesem Falle das eigene um das 100-fache überschreiten kann. Platin geht leicht Legierungen mit anderen Schwermetallen – wie zum Beispiel Iridium – ein.
Zusammen mit Iridium bildet es ausgesprochen harte und temperaturresistente Legierungen. Aus einer Platin-Iridium-Legierung bestehen beispielsweise wichtige Eichmaße wie das Pariser Urmeter oder das Prototyp-Kilogramm. Platinlegierungen werden unter anderem auch für Schmelztiegel, Elektroden, Spinndüsen, Automobilzündkerzen u. a. verwendet.
Silber ist ein weiches, verformbares, silbernes Metall, das ein kubisch flächenzentriertes Kristallgitter aufweist. Das Edelmetall lässt sich zu sehr dünnen Folien auswalzen oder zu Drähten ausziehen.
An Luft und im Wasser ist Silber beständig. Verunreinigungen der Luft durch Schwefelwasserstoff verursachen allerdings ein schwarzes Anlaufen des Metalls, so dass Tafelsilber beispielsweise regelmäßig gereinigt werden muss.
Von nichtoxidierenden Säuren (z. B. Salzsäure) wird es nicht angegriffen. Von Schwefelsäure und heißer, konzentrierter Salpetersäure wird es zersetzt. Gegenüber Alkalilaugen ist Silber resistent. Silber hat die besten elektrische und thermische Leitfähigkeit aller Metalle; da es aber selten und teuer ist, wird Kupfer ihm als Kabelmaterial vorgezogen.
Aus der ff. Abbildung (vgl. Kontaktwerkstoffe auf Gold-, Palladium- und Platinbasis für niedrige und mittlere elektrische Belastungen Rolf Paulsen, Bild 8) ist eine schematische Zuordnung der Werkstoffe auf Au-, Ag- und Pd-Basis zu den Schaltlastbereichen ersichtlich.
Vorzugsweise die Lastart in hohen Lastbereichen lässt den Fachmann geeignete Werkstoffe oder -kombinationen auswählen.
Die Kontaktierungsanordnung dient vorzugsweise auch der homogenen Beabstandung der Zellen, vorzugsweise der seitlichen Führung und flächigen Auflage der Ableiter.
Vorteilhaft ist die Anordnung der Kontaktierungsanordnung so gewählt, dass die Zellen definiert aufblähen oder abblasen können, andererseits darüber eingegrenzt und/oder geleitet werden. Vorzugsweise kann nach einer Ausführung die Kontaktierungsanordnung nachlassen (geht mit, dehnt sich aus), so dass durch die Ausdehnung der Zellen ein Kurzschluss oder Abriss intern vermieden werden kann, denn dadurch entsteht bspw. ein extern hoher Innenwiderstand oder die Kontaktierung bricht oder reist definiert an den Kontaktierungseinrichtung.
Vorteilhaft bietet die erfindungsgemäße Anordnung zusätzlich auch der Zellatmung sicher Raum (reversible Dickenzunahme beim Laden), Ausdehnung und Dickenzunahme werden vorteilhaft nicht behindert.
Erfindungsgemäß von besonderem Vorteil ist, dass sich die Zellen vielmehr den nötigen Freiheitsgrad nehmen können, um in allen Betriebszuständen sich zellgemäß optional auch bewegen. D. h. vorzugsweise sich auch konvex und konkav zu verbiegen, asymmetrisch zu werden, eine Welligkeit an der Rändern zu zeigen, die Ableiter zu verkanten und dergleichen.
Lithium-Ionen Batterien
Energiespeicher, im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie vorzugsweise Lithium-Ionen oder Ni-Mh Batterien, dienen der Speicherung von Energie zur späteren Nutzung. Vorteilhaft erfindungsgemäß sind nach Energie und oder Leistung optimierte Systeme.
Lithium Ionen Batterie ist dabei ein Sammelbegriff für die Vielzahl diverser sekundärer Batteriesysteme. Es gibt eine Fülle möglicher Kombinationen von Anoden, Elektrolyt und Kathodenmaterialien und design – in Varianten der Zellen. Lithium ist quasi als Linksaußen das leichteste Metall im Periodensystem (Atommasse M = 6,941 g/mol; Dichte 0,53 g/cm³) und steht am negativen Ende der elektrochemischen Spannungsreihe (–3,04 VH). Die daraus resultierende hohe theoretische Kapazität von 3860 Ah/kg und die in Kombination mit verschiedenen Kathodenmaterialien realisierbaren hohen Zellspannungen machen es zum idealen Anodenmaterial. Die Erfindung umfasst vorzugsweise auch Batterien mit metallischer Elektrode wie einer Lithiummetallelektrode. Solche Batterien können als Polymerbatterien sekundär vorteilhaft sein. Primäre Lithiumbatterien sind vorzugsweise in einer solchen erfindungsgemäßen Batterie anzuordnen, optional auch um vorteilhaft eine Notreservefunktion zur Diagnose oder Versorgung von Sicherheitsmechanismen (BMS. BMMS; embedded Elemente, Sicherheitsindikator) zu sichern.
Ist die Speicherung einer Energieform in einer, im Sinne der Erfindung, Batterie wegen technischer Probleme, ungenügender Kapazität oder Stillstandsverlusten ungünstig oder nicht möglich, wird sie in eine andere, für die Speicherung geeignetere, Energieform umgewandelt und gespeichert. Im Bedarfsfalle wird die Energie dann zurückgewandelt. Ein Beispiel ist die Wandlung chemischer Energie (Brennstoff) in thermische Energie (Wärme). Sowohl bei der Speicherung als auch bei der Energieumwandlung treten immer Verluste auf. Lithium-Ionen Batterien sind entgasungsdicht und scheiden im normalen Betriebsfall vorzugsweise kein gefährliches Knallgas aus. Man bezeichnet diese Batterien, im erfinderischen Sinne, gemeinhin auch als elektrochemische Vorrichtungen.
In Sekundärzellen weißt eine Batterie vorzugsweise auch Ionen auf. Diese Ausführung bietet den Vorteil einer erhöhten Energiedichte der Sekundärbatterie, vorzugsweise einer Energiedichte von wenigstens 40 Wh/kg.
Diverse Materialkombinationen und auch Hochvoltzellbatteriestromspeichersysteme sind erfinderisch bei den Lithium-Ionen oder Li-Metall, Li-Luft-Typen einsetzbar. Besonders vorteilhaft war bei einem Li-Ionen System mit Mischoxiden die U_max bis 4,3 V–6 V einzustellen. Statt einem Lithium System kann auch etwa eine Schwefelbatterie oder vorzugsweise auch eine Magnesiumbatterie und dergleichen vorzüglich verwendet werden.
Erfindungsgemäß von besonderem Vorteil ist der Einsatz eines Stromspeichers der auf Systemen beruht, die 5 V in Bizellentechnologie oder als Hochvoltzellen (5 V Systeme wie Spinel, LiNiMno4 und dergleichen) verwenden.
Als untere Spannungsgrenzen kommen bei einem LTO System nach dem Vorschlag der Erfindung 1,9 V oder bei einem LiFP system 2,9 V in Frage, temperaturabhängig ggf. variiert. Bei einem Hochvoltspinell Zellsystem wären dies 4,5 V vorschlagsgemäß für den optimalen Effizienzbereich.
Anwendungen mit effizienten Energiespeichern elektrischer Energie wie vorzugsweise Lithium-Ionen Batterien oder anderer ionischer Systeme bedingen aufgrund vorzugsweise einer hohen Energie und oder Leistungsdichte in den Batterieanordnungen bedingen eine Verbindungstechnik, die den Anforderungen an langlebigen Batterien bei hohen Belastungen nachhaltig gerecht werden müssen.
Als besondere Anforderungen an Lithium-Ionen-Akkumulatoren gelten exemplarisch:
Hoch- und Niedrigtemperaturfestigkeit
Strahlungstoleranz (z. B. Gammastrahlung in der Luft- und Raumfahrt)
Hoch- und Niederdruckfestigkeit (bis Grobvakuum)
Spezielle Formfaktoren für Folienkörper oder Anschlusspole
Schockresistenz, Amagnetismus
Maximierung von Energiedichte oder Leistungsdichte
Schnellladefähigkeit
Eigensicherheit
Biegeflexibilität
Langlebigkeit.
Vorzugsweise werden die Batteriezellen über die Kontaktierung passiv gekühlt oder gemeinhin temperiert. Nach einer besonderen Ausführungsform ist das Transferblech mit einer Temperiereinrichtung versehen.
Vorzugsweise ist die Temperiereinrichtung der Kontaktierungsanordnung mit Kanälen ausgestattet, die es ermöglichen, mittels eines Temperiermediums diese zu umströmen oder zu durchströmen oder auch nur anzuströmen.
Das Temperiermedium ist vorzugsweise ein Wärmeträgermittel oder eine Kühlflüssigkeit, etwa von einem Fahrzeug oder einer Maschine oder einem sonstigen Gerät oder einer Versorgungsanlage.
Das Transferblech und die Federkontaktierung erhöhen vorzugsweise die Wärmekapazität der Ableiter (Tabs). Vorzugsweise kann über das Transferblech und oder die Federkontakte Wärme an die Umgebung abgegeben oder lediglich aufgenommen werden.
Nach einem bestimmten Betriebsmodus kann die Wärme vorzugsweise zu den Zellen zurückgegeben werden.
Vorzugsweise weist die Federkontaktierung einer Rücksicherung auf, die aus einem Einrastmechanismus bestehen kann. Vorzugsweise kann dies ein Rückhaltehaken sein. Gemäß einer besonderen Ausführung kann die Batteriezelle über eine Klemm- oder Drehsicherung oder Verspannung, vorzugsweise über verspannte Abdeckungen gesichert werden.
Dies hat den Vorteil, dass eine unbeabsichtigte Lösung der Batteriezellen aus dem Verband auch bei einer Montage nicht erfolgen kann. Dies trägt zur Montagesicherheit und Betriebssicherheit der Batterie selbst signifikant bei. Auch nicht zuletzt, da die Federkontakte belegt sind, sinkt das Risiko eines Kurzschlusses.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung kann die Kontaktierungsanordnung vergossen werden. Das sichert die Anordnung zusätzlich gegen das Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit oder ist weiterhin förderlich, etwa in der Erhöhung der Vibrations- und Schockresistenz.
Die Federkontakteinheit kann gemäß einer erfinderischen Ausführung, bevorzugt so gestaltet sein, dass bei Auftreten bestimmter Kräfte, etwa durch eine mechanische Verschiebung der Batterieanordnung, diese Kontakte abreißen und somit eine zusätzliche Sicherung gegeben ist.
Dies hat den Vorteil, dass die Unfallsicherheit in Beförderung und Anwendung erhöht wird.
Durchsetzungsfügen
Durchsetzfügen (Synonyme: Druckfügen, Clinchen oder Press Joining, auch Toxen) ist herkömmlich ein Verfahren zum Verbinden von Blechen ohne Verwendung eines Zusatzwerkstoffes. Man kann es sowohl zu den Fügeverfahren als auch zu den Umformverfahren rechnen, da die Verbindung durch Umformen des Werkstoffs erreicht wird.
TOX Clinchen umfasst vorzugsweise mit den sogenannten Rundpunkten zwei eng miteinander verwandte Technologien, toxen und clinchen.
Auch als Durchsetzfügen bezeichnet, ohne Fügehilfselement, erfolgt das Clinchen im Regelfall mit der für TOX patentierten Matrize mit festem Gesenk. Eine Weiterentwicklung des Clinchen ist der TOX ClinchNiet.
Vorzugsweise werden mindestens zwei ClinchNiete gesetzt, gemäß einer besonderen Ausführung drei, vorzugsweise in einer Anordnung in einer versetzten Form oder Dreiecksform (Zimmermannsmuster). Diese erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, dass eine besonders nachhaltige Verbindung entsteht.
Mit Hilfe eines einfachen, symetrischen Niets als Fügehilfselement wird eine Clinchverbindung ”mit Kern” hergestellt. Ohne das Material zu schneiden wird im direkten Vergleich zu einem konventionellen Stanzniet eine höhere Festigkeit erreicht.
Im Fügeverfahren Clinchen (DIN 8593) wird eine druckknopfartige, formschlüssige, nicht lösbare Verbindung von zwei oder drei Blechlagen durch Kaltumformung hergestellt.
Dabei können die durch das Clinchen zu verbindenden Blechteile gleiche oder unterschiedliche Dicken aufweisen, mit Kleber- oder anderen Zwischenlagen versehen sein und aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Das Clinchen wird heute vorzugsweise in Serie mit Blechen von 0,1 mm Einzelblechdicke bis zu einer Gesamtdicke der zu fügenden Bleche von 12 mm und für Zugfestigkeiten bis 800 N/mm2 eingesetzt, es wurden bereits deutlich höhere Werte erreicht.
Ein einfacher zylindrischer Niet wird in einem Clinch-Vorgang eingepresst und verformt – ohne Schneiden, daher keine Korrosion, aber höchste Festigkeit.
Der Doppelpunkt ist verdrehsicher, Haltekräfte im Vergleich zum Einzelpunkt sind nahezu verdoppelt. Der ideale Clinchpunkt für geringe Flanschbreiten. Aktuell verfügbar im Durchmesserbereich von 2 mm bis 10 mm, größere Doppelpunkte sind darstellbar.
Es ergeben sich besondere Vorteile, wie:
Die dynamische Festigkeit ist höher als beim Punktschweißen.
Der Prozess kann automatisch überwacht und dokumentiert werden.
Eine einfache, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle ist möglich.
Das Material wird an der Verbindungsstelle verfestigt und daher widerstandsfähiger. Es tritt keine mechanische Kerbwirkung auf.
Vorzugsweise werden die mit hoher elektrischer Leitfähigkeit mittels Rund-Punkt-Blechverbindungsverfahren in den beiden Verfahrensvarianten Twinpoint und Einzelpunkt. Die Werkzeuge befinden sich vorzugsweise in drei Roboterzangen mit 55 kN Presskraft.
Die Verwendung einheitlicher C-förmiger Roboterzangen und elektromechanischer Antriebe erlaubt die flexible Nutzung der Stationen für mehrere Lastverteiler-Ausführungen. So ist die Roboterzange zum Verbinden von Stromschienen mit Midi-Fuse mit einem universellen Twinpoint-Werkzeugsatz ausgerüstet, das Stromschienen aus 1,5 mm dickem Material mit solchem aus wahlweise 0,6 oder 0,4 mm dünnem Material verbinden kann.
Ähnlich bei der Roboterzange zum Einzelpunkt-Verbinden mit Megafuse- und B+-Stromschienen: Mit demselben Werkzeug werden hier die Materialkombinationen 2,5 mm in 1,5 mm bzw. 2,0 mm in 1,5 mm gefügt. Die dritte Pressstation schließlich ist mit einem Einzelpunkt-Werkzeugsystem zum Verbinden von Stromschienen der Materialkombination 2,0 mm in 1,0 mm ausgelegt. Für noch mehr Flexibilität gibt es außerdem eine weitere Roboterzange mit einem Einzelpunkt-Werkzeug sowie eine Maschinenzange mit einem Rund-Punkt-Werkzeug.
Dieses kostengünstig veredelte Blech (Transferblech) wird vorzugsweise mittels des Verfahrens des Clinchens/Toxens widerstandsarm angebracht. Durch die ”luftdichten” Kontaktpunkte ist die Verbindung von hoher Güte und Langzeitstabil. Die Zelle ist bis zu diesem Zeitpunkt noch nicht ”Applikations-Spezifisch”.
Dies hat die genannten besonderen Vorteile, darüber hinaus ist somit eine Ausgangsposition für die vorteilhafte Kontaktierung der Zellen zu seriell wie parallel verschaltbaren Batteriebaugruppen, -modulen oder Batterien selbst gegeben.
Die Batteriezellen werden somit vorteilhaft ohne Schweißverfahren oder eine starke Klemmungen miteinander reversibel und dauerhaft vorzugsweise oxidationsfrei verbunden.
Wenigstens ein Stromableiter, vorzugsweise zwei Stromableiter erstrecken sich aus der Umhüllung hinaus und dienen zum Anschließen der Elektrodenstapel. Die nach außen sich erstreckenden Stromableiter stellen dabei vorzugsweise den Pluspolanschluss und den Minuspolanschluss der Elektrochemischen Zelle dar. Jedoch können sich auch mehrere Stromableiter aus der Umhüllung erstrecken, vorzugsweise vier Stromableiter. Wenn die Elektrochemische Zelle dabei zwei Elektrodenstapel aufweist, die miteinander in Reihe geschaltet sind, so sind zwei Elektroden unterschiedlicher Elektrodenstapel miteinander verbunden.
Ein Stromableiter ist dabei ein Element, welches aus einem stromleitenden Material hergestellt ist. Es dient zur Leitung von Strom zwischen zwei geometrisch voneinander getrennten Punkten. Im vorliegenden Fall ist ein Stromableiter mit einem Elektrodenstapel verbunden. Vorzugsweise ist der Stromableiter dabei mit allen gleichartigen Elektroden eines Elektrodenstapels verbunden, d. h. entweder mit den Kathoden oder mit den Anoden. Es ist selbstverständlich, dass ein Stromableiter nicht mit den Kathoden und Anoden eines Elektrodenstapels gleichzeitig verbunden ist, da dies zu einem Kurzschluss führen würde. Jedoch kann ein Stromableiter mit unterschiedlichen Elektroden von unterschiedlichen Elektrodenstapeln verbunden sein, so z. B. bei einer Reihenschaltung der beiden Elektrodenstapel. Wenigstens ein Stromableiter erstreckt sich aus der Umhüllung und kann dabei zum Anschließen der Elektrochemischen Zellen nach außen dienen. Der Stromableiter kann mit einer oder mehreren Elektroden einstückig ausgebildet sein.
1 zeigt die Seitenansicht (Schnittbild) der erfindungsgemäßen Anordnung bestehend aus mindestens einem flachen Ableiter 1, einem Transferblech 2, einer oder mehreren Durchsetzfügeverbindungen 3, mindestens einem reversiblen elektrischen Kontakt 4 und dem Zellkörper 5.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007031674 A1 [0009]
WO 2008/016568 A2 [0010]

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DIN 8593 [0087]

Claims

Reversible Kontaktierungsanordnung für vorranging Lithium-Ionen Batterien, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transferblech angeordnet ist.
Reversible Kontaktierungsanordnung für vorranging Lithium-Ionen Batterien nach Anspruch 1, wonach ein Transferblech auf dem Ableiter angeordnet ist.
Reversible Kontaktierungsanodnung für flache Ableiter für vorrangig Lithium-Ionen Batterien, dadurch gekennzeichnet, dass der flache Ableiter über ein Transferblech elektrisch leitfähig mit einer reversiblen Kontaktierungsvorrichtung in Kontakt steht und als solcher verwendet wird.
Verfahren und Vorrichtung zur Verwendung von reversibel kontaktierten Transferblechen auf flachen Ableitern.