DE102015010383A1

DE102015010383A1 - Einzelzelle und Verbundzelle

Info

Publication number: DE102015010383A1
Application number: DE102015010383.0A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Beck; Andreas Hintennach
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-08-08
Filing date: 2015-08-08
Publication date: 2016-03-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle (1) für eine elektrische Batterie mit einem Zellgehäuse (2), einer innerhalb des Zellgehäuses (2) angeordneten elektrochemisch aktiven Elektrodenanordnung (3), einem Pluspol (+) und – einem Minuspol (–), wobei der Pluspol (+) und der Minuspol (–) jeweils als Ableiter (4, 5) an gegenüberliegenden Seiten des Zellgehäuses (2) von der Elektrodenanordnung (3) durch das Zellgehäuse (2) nach außen geführt sind. Erfindungsgemäß sind Fluchten (F1, F2) einander zugewandter seitlicher Ränder (4.2, 5.1) der Ableiter (4, 5) beabstandet zueinander. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verbundzelle (6) mit zumindest zwei solchen Einzelzellen (1), wobei die Einzelzellen (1) elektrisch miteinander verschaltet und derart zueinander angeordnet sind, dass der den Pluspol (+) bildende Ableiter (4) einer Einzelzelle (1) und der den Minuspol (–) bildende Ableiter (5) der weiteren Einzelzelle (1) auf der gleichen Seite der Verbundzelle (6) angeordnet sind und einander zugewandte seitliche Ränder (4.2, 5.1) dieser Ableiter (4, 5) beabstandet zueinander sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine elektrische Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verbundzelle mit zumindest zwei solchen Einzelzellen.
Aus der DE 10 2011 120 505 A1 ist eine Batterie mit einer Anzahl von elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen bekannt. Jede Einzelzelle weist eine elektrochemisch aktive Elektrodenfolienanordnung, einen Pluspol, einen Minuspol und mindestens eine Hilfselektrode auf, wobei die elektrochemisch aktive Elektrodenfolienanordnung von einer folienartigen Hülle umgeben ist. Dabei sind der Pluspol und der Minuspol der Einzelzelle aus der Hülle herausgeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Einzelzelle und eine verbesserte Verbundzelle mit zumindest zwei solchen Einzelzellen anzugeben.
Hinsichtlich der Einzelzelle wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Verbundzelle durch die im Anspruch 2 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Einzelzelle für eine elektrische Batterie umfasst ein Zellgehäuse, eine innerhalb des Zellgehäuses angeordnete, elektrochemisch aktive Elektrodenanordnung, einen Pluspol und einen Minuspol, wobei der Pluspol und der Minuspol jeweils als Ableiter an gegenüberliegenden Seiten des Zellgehäuses von der Elektrodenanordnung durch das Zellgehäuse nach außen geführt sind.
Erfindungsgemäß sind Fluchten einander zugewandter seitlicher Ränder der Ableiter beabstandet zueinander.
Somit ist es möglich, in einfacher Weise, insbesondere durch serielle elektrische Verschaltung mehrerer Einzelzellen so genannte Verbundzellen, auch als Doppelzellen oder Mehrfachzellen bezeichnet, zu bilden. Dieser Umstand ermöglicht einen Einsatz der Einzelzellen mit geringem Montageaufwand auch dann, wenn diese eine relativ geringe Zellspannung gegenüber Lithium-Ionen-Einzelzellen aufweisen, da aufgrund der elektrischen Verschaltung und Vormontage der Einzelzellen zu Verbundzellen die Montage der Verbundzellen zu einer elektrischen Batterie im Vergleich zu Lithium-Ionen-Einzelzellen nicht erhöht ist. Insbesondere ist somit auch ein Einsatz von Einzelzellen mit geringen elektrischen Zellspannungen, beispielsweise von Lithium-Schwefel-Einzelzellen, zur Verwendung in elektrischen Batterien für Fahrzeuganwendungen, beispielsweise als Starter- oder Traktionsbatterie, möglich.
Ferner wird dadurch, dass die Fluchten der einander zugewandten seitlichen Ränder der an gegenüberliegenden Seiten des Zellgehäuses angeordneten Ableiter beabstandet zueinander sind (im Folgenden als versetzt gegenüberliegende Anordnung der Ableiter bezeichnet), eine Verbesserung eines Betriebs der Einzelzelle ermöglicht. Insbesondere werden aufgrund der versetzt gegenüberliegenden Anordnung der Ableiter Unterschiede verschiedener lokaler Betriebszustände der Einzelzelle verringert und somit eine Alterung der Einzelzelle reduziert. Die verschiedenen lokalen Betriebszustände zeichnen sich beispielsweise durch unterschiedliche elektrische Spannungen, unterschiedliche elektrische Potenziale einer Kathode und Anode der Einzelzelle und/oder unterschiedliche, aus einer Zellreaktion und/oder einem elektrischen Stromfluss resultierende Reaktionswärmen aus. Auch kann eine Gefahr von Kurzschlüssen zwischen Ableitern benachbart angeordneter Einzelzellen effizient verringert werden.
Die Bildung der Verbundzellen ermöglicht weiterhin eine Verringerung einer Anzahl von Zellverbindern zur Bildung einer elektrischen Batterie, wodurch Übergangwiderstände und daraus folgend eine Verlustwärme verringert sind. Somit wird der Wirkungsgrad der Batterie gesteigert und die Alterung der Einzelzellen weiter verringert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Einzelzelle, und
2 schematisch eine perspektivische Ansicht von einer Verbundzelle mit zwei parallel zueinander angeordneten und elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine perspektivische Ansicht eines möglichen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einzelzelle 1 dargestellt, wobei die Einzelzelle 1 als so genannte Pouchzelle ausgebildet ist.
Die Einzelzelle 1 umfasst ein folienartiges Zellgehäuse 2, wobei innerhalb des Zellgehäuses 2 eine elektrochemisch aktive Elektrodenanordnung 3, beispielsweise ein Elektrodenfolienstapel aus abwechselnd gestapelten Anoden- und Kathodenfolien sowie zwischen diesen angeordneten Separatorfolien, angeordnet ist. In einer möglichen Ausgestaltung ist die Elektrodenanordnung 3 aus einer Lithium-Schwefel-Zellchemie gebildet.
Weiterhin umfasst die Einzelzelle einen Pluspol + und einen Minuspol –, wobei der Pluspol + und der Minuspol – jeweils als Ableiter 4, 5 an gegenüberliegenden Seiten des Zellgehäuses 2 von der Elektrodenanordnung 3 durch das Zellgehäuse 2 nach außen geführt sind. Bei einer Ausbildung der Elektrodenanordnung 3 als Elektrodenfolienstapel sind hierzu jeweils alle Anodenfolien und jeweils alle Kathodenfolien elektrisch miteinander und mit jeweils einem Ableiter 4, 5 verbunden.
Die Ableiter 4, 5 zeichnen sich jeweils durch zwei seitliche Ränder 4.1, 4.2, 5.1, 5.2 und jeweils einen oberen Rand 4.3, 5.3 aus und sind derart an den gegenüberliegenden Seiten des Zellgehäuses 2 von der Elektrodenanordnung 3 durch das Zellgehäuse 2 nach außen geführt, dass zwischen Fluchten F1, F2 einander zugewandter seitlicher Ränder 4.2, 5.1 der Ableiter 4, 5 ein Abstand d mit einem Wert von größer Null ausgebildet ist.
Bei einer Verwendung mehrerer solcher Einzelzellen 1 zur Erzeugung einer elektrischen Starter- und/oder Traktionsbatterie für ein Fahrzeug sind hohe elektrische Zellspannungen der Einzelzellen 1 gewünscht, um mit einer geringen Anzahl von Einzelzellen 1 und somit einer geringen Anzahl elektrischer Kontaktierungen zwischen diesen bei geringen Übergangswiderständen, geringem mechanischen Fertigungsaufwand und einem geringen Kühlbedarf hohe elektrische Endpotenziale von elektrischen Serienschaltungen der Einzelzellen 1 zu erreichen. Hohe Endpotenziale sind erstrebenswert, da damit erforderliche elektrische Ströme verringert werden können. Dabei ergibt sich eine geringe Erzeugung von Verlustwärme durch den elektrischen Widerstand. Weiterhin weist eine von der Batterie elektrisch versorgte Leistungselektronik ihren optimalen Wirkungsgrad innerhalb gewisser Spannungsgrenzen auf. Für diese Spannungsgrenzen besteht eine ausreichende Verfügbarkeit von kostengünstigen Halbleitern und Bauteilen zur Herstellung der Leistungselektronik.
Um diese hohe elektrische Spannung auch für Einzelzellen 1 zu erreichen, welche eine geringe Zellspannung aufweisen, werden zumindest zwei der Einzelzellen 1 zu einer Verbundzelle 6 elektrisch seriell verschaltet.
Ein mögliches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verbundzelle 6 zeigt 2. Dabei sind die Einzelzellen 1 elektrisch seriell miteinander verschaltet und derart zueinander angeordnet, dass jeweils ein den Pluspol + bildender Ableiter 4 einer Einzelzelle 1 und ein den Minuspol – bildender Ableiter 5 der weiteren Einzelzelle 1 auf der gleichen Seite der Verbundzelle 6 angeordnet sind. Zwischen einander zugewandten seitlichen Rändern 4.2, 5.1 dieser Ableiter 4, 5 ist der Abstand d ausgebildet.
Bei der so erzeugten Verbundzelle 6 ist eine Gefahr von elektrischen Kurzschlüssen zwischen den Ableitern 4, 5 der unmittelbar benachbart angeordneten Einzelzellen 1 minimiert. Gleichzeitig ist diese Anordnung sehr geeignet zur Integration der Verbundzelle 6 in eine elektrische Batterie, da sich die beiden nicht elektrisch verbundenen Ableiter 4, 5 auf der gleichen Seite der Verbundzelle 6, im dargestellten Ausführungsbeispiel oben, befinden und einfach kontaktierbar sind.
Die Verbundzelle 6 ist mit sehr geringem Übergangswiderstand zwischen den elektrisch gekoppelten Ableitern 4, 5 der Einzelzellen 1 sehr kostengünstig herstellbar, wobei aus dem Stand der Technik bekannte aufwändige Mischungen verschiedener Aktivmaterialien in einer Elektrode sowie von hoher Alterung betroffene Hochvolt-Aktivmaterialien und mit diesen kombinierbare Elektrolyten nicht erforderlich sind.
Auch ist lediglich ein nicht näher dargestelltes Verbundzellgehäuse zur Einhausung zweier Einzelzellen 1 erforderlich, so dass ein Material- und Kostenaufwand sowie eine Masse gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Lösung verringert sind.
Bezugszeichenliste

1: Einzelzelle
2: Zellgehäuse
3: Elektrodenanordnung
4: Ableiter
4.1: seitlicher Rand
4.2: seitlicher Rand
4.3: oberer Rand
5: Ableiter
5.1: seitlicher Rand
5.2: seitlicher Rand
5.3: oberer Rand
6: Verbundzelle
d: Abstand
F1: Flucht
F2: Flucht
+: Pluspol
–: Minuspol

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011120505 A1 [0003]

Claims

Einzelzelle (1) für eine elektrische Batterie mit – einem Zellgehäuse (2), – einer innerhalb des Zellgehäuses (2) angeordneten, elektrochemisch aktiven Elektrodenanordnung (3), – einem Pluspol (+) und – einem Minuspol (–), – wobei der Pluspol (+) und der Minuspol (–) jeweils als Ableiter (4, 5) an gegenüberliegenden Seiten des Zellgehäuses (2) von der Elektrodenanordnung (3) durch das Zellgehäuse (2) nach außen geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass – Fluchten (F1, F2) einander zugewandter seitlicher Ränder (4.2, 5.1) der Ableiter (4, 5) beabstandet zueinander sind.
Verbundzelle (6) mit zumindest zwei Einzelzellen (1) nach Anspruch 1, wobei die Einzelzellen (1) elektrisch miteinander verschaltet und derart zueinander angeordnet sind, dass – der den Pluspol (+) bildende Ableiter (4) einer Einzelzelle (1) und der den Minuspol (–) bildende Ableiter (5) der weiteren Einzelzelle (1) auf der gleichen Seite der Verbundzelle (6) angeordnet sind und – einander zugewandte seitliche Ränder (4.2, 5.1) dieser Ableiter (4, 5) beabstandet zueinander sind.
Verbundzelle (6) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (1) elektrisch seriell miteinander verschaltet sind.