DE102015010426A1 - Einzelzelle für eine elektrische Batterie - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle (1') für eine elektrische Batterie mit einer flachen Elektrodenanordnung (4) und einem aus zumindest zwei Folienabschnitten (3.1, 3.2) gebildeten Zellgehäuse (3), wobei die Elektrodenanordnung (4) innerhalb des Zellgehäuses (3) angeordnet ist, elektrische Pole (P1, P2) der Elektrodenanordnung (4) mit Ableitern (7, 8) verbunden sind und die Ableiter (7, 8) in einem Bereich zwischen den beiden Folienabschnitten (3.1, 3.2) elektrisch isoliert und fluiddicht nach außen geführt sind, wobei die zwei Folienabschnitte (3.1, 3.2) miteinander und mit den Ableitern (7, 8) mittels einer die Elektrodenanordnung (4) randseitig umlaufenden Siegelnaht (S) verbunden sind. Erfindungsgemäß ist zumindest ein elektrischer Pol (P1, P2) der Elektrodenanordnung (4) und/oder zumindest ein mit diesem Pol (P1, P2) verbundener Ableiter (7, 8) derart im Inneren des Zellgehäuses (3) abgewinkelt, dass zwischen einer Flachseite des Ableiters (7, 8) und einer Flachseite der Elektrodenanordnung (4) ein Ableiterwinkel (α) im Bereich von 60° bis 120° eingeschlossen ist. Weiterhin verläuft die Siegelnaht (S) in zumindest zwei Ebenen, wobei zwischen zumindest einer Ebene der Siegelnaht (S) und einer Flachseite der Elektrodenanordnung (4) ein Siegelnahtwinkel (β) im Bereich von 60° bis 120° eingeschlossen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine elektrische Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus dem Stand der Technik sind allgemein elektrische Batterien bekannt. Eine solche elektrische Batterie umfasst eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen. Die Einzelzellen umfassen jeweils eine innerhalb eines Zellgehäuses angeordnete Elektrodenanordnung und einen Elektrolyten.
  • Als Einzelzellen sind so genannte Pouchzellen oder Coffeebag-Zellen bekannt, welche als Flachzellen ausgebildet sind und bei welchen das Zellgehäuse aus einer folienartigen Verpackung gebildet ist. Unter Flachzellen werden hierbei Einzelzellen verstanden, deren Höhe und Breite um ein Vielfaches größer sind ist als deren Dicke. Die Elektrodenanordnung ist ein flacher, aus mehreren, jeweils durch eine Separatorfolie getrennten Anodenfolien und Kathodenfolien gebildeter Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel. Durch das Zellgehäuse sind elektrische Pole der Elektrodenanordnung elektrisch isoliert nach außen geführt, wobei die Pole als flache Anschlussfahnen in Blechform oder so genannte Ableiter ausgebildet sind. Die Ableiter verlaufen dabei mit ihren Flachseiten parallel zu Flachseiten der Einzelzelle. Nach einer Anordnung der Elektrodenanordnung innerhalb des Zellgehäuses und einem Einfüllen des Elektrolyten in dieses werden zwei sich gegenüberliegende und im Wesentlichen parallel verlaufende Folien randseitig und umlaufend miteinander verbunden. Hierbei wird durch partielles Aufschmelzen einer auf Innenseiten der Folien aufgebrachten Schicht oder Beschichtung und anschließender Erstarrung der Beschichtung eine randseitig umlaufende Siegelnaht erzeugt. Die Siegelnaht verläuft dabei in einer Ebene, wobei die Ebene parallel zu den Flachseiten der Einzelzelle verläuft.
  • Eine Einzelzelle für eine Batterie beschreibt die DE 10 2013 016 618 A1 . Die Einzelzelle umfasst einen Stapel von Elektroden und Separatoren, welche zusammen mit einem Elektrolyt zwischen Folien eingeschlossen sind. Die Folien sind umlaufend um den Stapel zu einer Siegelnaht verschweißt, wobei durch die Siegelnaht zwei Anschlussfahnen ragen. Dabei ist die Siegelnaht in einem Randbereich eingerollt oder mindestens zweifach eingeschlagen ausgebildet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Einzelzelle für eine elektrische Batterie anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Einzelzelle gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Einzelzelle für eine elektrische Batterie umfasst eine flache Elektrodenanordnung und ein aus zumindest zwei Folienabschnitten gebildetes Zellgehäuse, wobei die Elektrodenanordnung innerhalb des Zellgehäuses angeordnet ist, elektrische Pole der Elektrodenanordnung mit Ableitern verbunden sind und die Ableiter in einem Bereich zwischen den beiden Folienabschnitten elektrisch isoliert und fluiddicht nach außen geführt sind, wobei die zwei Folienabschnitte miteinander und mit den Ableitern mittels einer die Elektrodenanordnung randseitig umlaufenden Siegelnaht verbunden sind.
  • Unter Folienabschnitten werden dabei vorliegend sowohl Abschnitte einer einstückigen Folie als auch separate Folien verstanden.
  • Erfindungsgemäß ist zumindest ein elektrischer Pol der Elektrodenanordnung und/oder zumindest ein mit diesem Pol verbundener Ableiter derart im Inneren des Zellgehäuses abgewinkelt, dass zwischen einer Flachseite des Ableiters und einer Flachseite der Elektrodenanordnung ein Ableiterwinkel im Bereich von 60° bis 120° eingeschlossen ist. Weiterhin verläuft die Siegelnaht in zumindest zwei Ebenen, wobei zwischen zumindest einer Ebene der Siegelnaht und einer Flachseite der Elektrodenanordnung ein Siegelnahtwinkel im Bereich von 60° bis 120° eingeschlossen ist.
  • Aufgrund der Abwinklung des zumindest einen Pols und/oder des zumindest einen Ableiters sowie des Verlaufs der Siegelnaht in zumindest zwei Ebenen ist die Einzelzelle besonders kleinbauend und somit bauraumsparend ausgebildet, so dass ein Bauraumbedarf einer die Einzelzelle umfassenden Batterie kostengünstig verringert werden kann. Weiterhin entfallen aufgrund der Abwinklung des zumindest einen Pols und/oder des zumindest einen Ableiters im Inneren des Zellgehäuses, welche bereits vor der Versiegelung des Zellgehäuses erfolgt, nachträgliche Umformungen von Bestandteilen der Einzelzelle, so dass eine Gefahr von aus solchen Umformungen resultierenden Beschädigungen im Siegelnahtbereich und im Inneren der Einzelzellen minimiert ist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch eine Explosionsdarstellung eines Schnitts einer Einzelzelle nach dem Stand der Technik,
  • 2 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts der Einzelzelle gemäß 1 im montierten Zustand im Bereich eines Ableiters,
  • 3 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle gemäß 1 und eines Versiegelungswerkzeugs während einer Erzeugung einer Siegelnaht,
  • 4 schematisch eine Explosionsdarstellung eines Schnitts eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einzelzelle,
  • 5 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle gemäß 4 und eines Versiegelungswerkzeugs,
  • 6 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle gemäß 4 und eines Versiegelungswerkzeugs während einer Erzeugung einer Siegelnaht in einem ersten Zustand,
  • 7 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle gemäß 4 und eines Versiegelungswerkzeugs während einer Erzeugung einer Siegelnaht in einem zweiten Zustand,
  • 8 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle gemäß 4 im montierten Zustand,
  • 9 schematisch eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einzelzelle und eines Versiegelungswerkzeugs,
  • 10 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle und des Versiegelungswerkzeugs gemäß 5 während einer Erzeugung einer Siegelnaht,
  • 11 schematisch eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einzelzelle im montierten Zustand,
  • 12 schematisch eine Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einzelzelle und eines Versiegelungswerkzeugs während einer Erzeugung einer Siegelnaht,
  • 13 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle gemäß 12 im montierten Zustand,
  • 14 schematisch eine Schnittdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einzelzelle und eines Versiegelungswerkzeugs während einer Erzeugung einer Siegelnaht,
  • 15 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle gemäß 14 im montierten Zustand,
  • 16 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung einer Elektrodenanordnung,
  • 17 schematisch eine perspektivische Ansicht der Elektrodenanordnung gemäß 16,
  • 18 schematisch eine perspektivische Ansicht der Elektrodenanordnung gemäß
  • 16 während einer Anordnung in einem ersten Ausführungsbeispiel eines Zellgehäuses,
  • 19 schematisch eine perspektivische Ansicht einer aus der Elektrodenanordnung und dem Zellgehäuse gemäß 18 gebildeten Einzelzelle in einem Versiegelungswerkzeug vor einer Erzeugung einer Siegelnaht,
  • 20 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle und des Versiegelungswerkzeugs gemäß 19 vor der Erzeugung der Siegelnaht,
  • 21 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle und des Versiegelungswerkzeugs gemäß 19 während der Erzeugung der Siegelnaht,
  • 22 schematisch eine perspektivische Ansicht der Einzelzelle gemäß 19 im montierten Zustand,
  • 23 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts der Einzelzelle gemäß 22,
  • 24 schematisch eine perspektivische Ansicht der Elektrodenanordnung gemäß 16 während einer Anordnung in einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Zellgehäuses,
  • 25 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Einzelzelle mit der Elektrodenanordnung und dem Zellgehäuse gemäß 24 im montierten Zustand, und
  • 26 schematisch eine Schnittdarstellung von Abbrüchen der Einzelzelle gemäß 25.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In den 1 bis 3 ist in verschiedenen Darstellungen und Ansichten eine Einzelzelle 1 nach dem Stand der Technik dargestellt. 3 zeigt die Einzelzelle 1 gemeinsam mit einem Versiegelungswerkzeug 2 während einer Erzeugung einer Siegelnaht S. Die Einzelzelle 1 ist dabei als so genannte Pouchzelle oder Coffeebag-Zelle ausgebildet.
  • Hochvolt-Batterien für Fahrzeuganwendungen, wie beispielsweise Hybrid-, Plugin- oder Elektrofahrzeuge, oder für Stationäranwendungen, wie beispielsweise Stromversorger oder Stromspeicher, bestehen aus einer Mehrzahl elektrisch in Reihe und/oder parallel geschalteten elektrochemischen Einzelzellen 1, wie sie in den 1 bis 3 dargestellt sind.
  • Die Einzelzelle 1 umfasst ein Zellgehäuse 3, welches einen elektrochemisch aktiven Inhalt umschließt und vor der Umgebung abschirmt. Ein elektrochemisch aktiver Teil der Einzelzelle 1 ist eine Elektrodenanordnung 4, welche als Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel flach ausgebildet ist. Unter einer flachen Ausbildung wird dabei verstanden, dass eine Höhe und Breite der Elektrodenanordnung 4 um ein Vielfaches größer sind als deren Dicke. Der Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel ist durch mehrere Lagen aus Kathoden- und Anodenfolien, insbesondere beschichtete Aluminium- und Kupferfolien mit einer Dicke von 10 μm bis 20 μm bei einer Lithium-Ionen-Zellchemie, gebildet, die jeweils durch eine Separatorlage getrennt sind. Beispielsweise umfasst der Elektrodenstapel einzelne Blätter aus gestapelten Kathoden, Anoden und Separatoren.
  • Eine mögliche, nicht gezeigte Ausgestaltung sieht vor, dass ein bandförmiger Separator in Z-Form gefaltet ist und die Kathoden- und Anodenblätter seitlich in sich bildende Taschen eingeschoben sind. Alternativ ist der bandförmige Separator gewickelt oder flachgewickelt, wobei die Kathoden- und Anodenblätter an entsprechenden Stellen eingelegt sind.
  • Eine weitere mögliche, nicht gezeigte Ausgestaltung sieht vor, Kathoden, Anoden und Separatoren als Endlosmaterial auszuführen und diese zu wickeln oder flachzuwickeln.
  • Die Anoden- und Kathodenlagen der Elektrodenanordnung 4 sind an mindestens einem Rand unbeschichtet ausgebildet und ragen aus dem Elektrodenstapel oder -wickel in der Form von Fahnen 5, 6 heraus, wo sie optional miteinander zu einem Paket verbunden, beispielsweise geheftet, sind. Die Fahnen 5, 6 bilden elektrische Pole P1, P2 der Elektrodenanordnung 4 und sind im Inneren der Einzelzelle 1 mit durch das Zellgehäuse 3 ragenden flachen und in Blechform ausgebildeten Ableitern 7, 8 verbunden. Diese Verbindung wird mittels stoffschlüssiger Press- und/oder Schmelzschweißverfahren, wie beispielsweise einer Widerstandspunktschweißung, einer Vibrations- oder Ultraschallschweißung oder Laserschweißung, und/oder mittels einer kraftschlüssigen Anbindung, wie beispielsweise eine Nietung, und/oder mittels einer formschlüssigen Verbindung, wie beispielsweise einem Durchsetzfügen durch so genanntes Clinchen oder Toxen, erzeugt.
  • Die Ableiter 7, 8 sind elektrisch isoliert durch das Zellgehäuse 3 nach außen geführt, um eine Stromeinleitung und Stromausleitung zu ermöglichen. In einer möglichen Ausgestaltung ist ein am Pluspol (= Pol P1) angeordneter Ableiter 7 aus Aluminium und ein am Minuspol (= Pol P2) angeordneter Ableiter 8 aus Kupfer gebildet.
  • Das Zellgehäuse 3 der als Pouchzelle ausgebildeten Einzelzelle 1 ist aus einer folienartigen Verpackung gebildet. Diese Verpackung umfasst eine Verbundfolie, welche eine Lage Aluminiumfolie als Diffusionssperre mit einer Dicke von ca. 40 μm umfasst, so dass über eine Lebensdauer der Einzelzelle 1 keine Feuchtigkeit und andere Fremdstoffe in diese eindringen und kein Elektrolyt nach außen gelangt. Die Aluminiumfolie ist beidseitig mit einem Kunststoff, insbesondere einem Thermoplast, beschichtet, wobei eine Gesamtdicke der Verbundfolie ca. 150 μm beträgt.
  • Die Beschichtung auf einer der Elektrodenanordnung 4 zugewandten Innenseite ist beispielsweise aus Polypropylen gebildet, welches einen relativ niedrigen Schmelzpunkt besitzt, so dass zwei Folienabschnitte 3.1, 3.2 zum Verschluss der Einzelzelle 1 miteinander anhand eines Heißpressvorgangs, auch als Siegelung bezeichnet, verschweißt werden können.
  • Die Beschichtung auf einer der Elektrodenanordnung 4 abgewandten Außenseite ist beispielsweise aus Polyethylen gebildet, welches einen höheren Schmelzpunkt als Polypropylen aufweist und zum Schutz der Aluminiumfolie vor Beschädigungen bei mechanischer Beanspruchung vorgesehen ist.
  • Zu einer verbesserten Anpassung an eine Kontur der Elektrodenanordnung 4 wird in einer möglichen Ausgestaltung zumindest einer der Folienabschnitte 3.1, 3.2 beispielsweise in einer Wannenform tiefgezogen.
  • Zu einer verbesserten Anbindung der Ableiter 7, 8 an die Folienabschnitte 3.1, 3.2 im Bereich der Siegelnaht S, das heißt zur Verbesserung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Metall des jeweiligen Ableiters 7, 9 und dem auf der Innenseite der Aluminiumfolie aufgebrachten Kunststoff sowie zum Ausgleich einer Materialstärke des Ableiterblechs in einem Kantenbereich, sind im Bereich zwischen den Ableitern 7, 8 und den Folienabschnitten 3.1, 3.2 beidseitig auf den Ableitern 7, 8 so genannte Vorsiegelbänder 9 angeordnet. Diese Vorsiegelbänder 9 sind beispielsweise aus aminosäuremodifiziertem Polypropylen gebildet, wobei in einer Bandmitte ein Kunststoff höherer Schmelztemperatur, beispielsweise Polyethylen in Vlies- oder Folienform, angeordnet ist. Dieser in der Bandmitte angeordnete Kunststoff mit hoher Schmelztemperatur stellt beim Siegeln einen zur elektrischen Isolation zwischen den spannungsführenden Ableitern 7, 8 und der Aluminiumfolie der Folienabschnitte 3.1, 3.2 erforderlichen Mindestabstand sicher und bewirkt bei der Siegelung einen so genannten Hardstop.
  • Die Ableiter 7, 8 umfassen zur Sicherstellung der stoffschlüssigen Verbindung zum Vorsiegelband 9 vorzugsweise eine reaktive Beschichtung oder Oberfläche. Dabei umfasst der Ableiter 7 aus Aluminium beispielsweise eine Chromatierung oder Eloxierung und der Ableiter 8 aus Kupfer beispielsweise eine Vernickelung.
  • Nach einer Anordnung der Elektrodenanordnung 4 innerhalb des Zellgehäuses 3 und einem Einfüllen eines nicht gezeigten Elektrolyten werden unter Vakuum die Folienabschnitte 3.1, 3,2 miteinander und mit den Ableitern 7, 8 mittels einer die Elektrodenanordnung 4 randseitig umlaufenden Siegelnaht S verbunden und somit das Zellgehäuse 3 fluiddicht verschlossen. Die Siegelnaht S verläuft dabei in einer Ebene, wobei die Ebene parallel zu Flachseiten der Einzelzelle 1 verläuft.
  • Da die Siegelnaht S in Querrichtung aus Polypropylen besteht, muss diese eine Mindestbreite zur Sicherstellung eines geringen Wasserdampfeintrags durch Diffusion über die Lebensdauer der Einzelzelle 1 besitzen. Die Breite der Siegelnaht S liegt beispielsweise bei einer Lebensdauer im Bereich von 10 Jahren, in welchem sich die Einzelzelle 1 umlaufend vergrößert, bei 4 mm bis 10 mm, wie z. B. 5,5 mm.
  • Hierzu werden die Folienabschnitte 3.1, 3,2 mit der darin angeordneten Elektrodenanordnung 4 und dem Elektrolyten zwischen zwei beheizten Werkzeughälften 2.1, 2.2, auch als Siegelbrillen bezeichnet, angeordnet. Mittels dieser Werkzeughälften 2.1, 2.2 werden die Kunststoffinnenbeschichtungen der beiden gegenüberliegenden Folienabschnitte 3.1, 3.2 und im Ableiterbereich die Kunststoffinnenbeschichtungen der Folienabschnitte 3.1, 3.2 und eine Oberfläche der Vorsiegelbänder 9 partiell aufgeschmolzen und durch anschließendes Erkalten verbunden.
  • Die zur Siegelung verwendeten temperierbaren, insbesondere mit einer Heizung zum Aufschmelzen eines Siegelmaterials und einer aktiven Kühlung zur Beschleunigung des Erkaltens versehenen Siegelbrillen sind in einer ebenen Form ausgeführt. In einer möglichen Ausgestaltung besitzen die Siegelbrillen im Bereich der Ableiter 7, 8 eine Strukturierung in Tiefenrichtung, um eine durch die Ableiter 7, 9 und die Vorsiegelbänder 9 erzeugte partielle Aufdickung auszugleichen.
  • Nach der Erzeugung der Siegelnaht S erfolgt ein im Wesentlichen umlaufender Beschnitt der durch herausquellendes Siegelmaterial undefinierten Außenkante der Einzelzelle 1, beispielsweise mittels eines Stanzwerkzeugs mit Formeinsatz oder durch Beschnitt von Kanten der Einzelzelle 1 mit Rollmessern.
  • Nachteilig an der parallel in der einen Ebene zur Flachseite der Einzelzelle 1 verlaufenden Siegelnaht S und den ebenfalls parallel zu dieser Flachseite angeordneten Ableitern 7, 8 weist die Einzelzelle 1 große Abmessungen auf und erfordert einen großen Bauraum.
  • Eine Biegung oder Faltung der Ableiter 7, 8 und der Siegelnaht S ist aufgrund einer hohen Steifigkeit der Einzelzelle 1 nur sehr schwer möglich. Insbesondere ist es erforderlich, Vorkehrungen zur Verhinderung einer Rückfederung der gebogenen oder gefalteten Teile zu treffen. Weiterhin muss ein Biegeradius insbesondere beim Falten der kompletten Einzelzelle 1 im Ableiterbereich relativ groß gewählt werden, um Beschädigungen im Bereich des Zellgehäuses 3, der Siegelnaht S und im Zellinneren zu vermeiden.
  • Die 4 bis 8 zeigen in verschiedenen Darstellungen und Ansichten ein mögliches erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einzelzelle 1' sowie insbesondere in den 5 bis 7 diese gemeinsam mit einem Versiegelungswerkzeug 2.
  • Um die Nachteile der in den 1 bis 3 dargestellten Einzelzelle 1 nach dem Stand der Technik zu überwinden, ist vorgesehen, dass zumindest ein elektrischer Pol P1, P2 der Elektrodenanordnung 4 und/oder zumindest ein mit diesem Pol P1, P2 verbundener Ableiter 7, 8 derart im Inneren des Zellgehäuses 3 abgewinkelt ist, dass zwischen einer Flachseite des Ableiters 7, 8 und einer Flachseite der Elektrodenanordnung 4 bzw. einer Flachseite der Einzelzelle 1' ein Ableiterwinkel α im Bereich von 60° bis 120° eingeschlossen ist und die Siegelnaht S in zumindest zwei Ebenen verläuft, wobei zwischen zumindest einer Ebene der Siegelnaht S und einer Flachseite der Elektrodenanordnung 4 ein Siegelnahtwinkel β im Bereich von 60° bis 120° eingeschlossen ist.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind beide Pole P1, P2, d. h. die Stromableiterfahren 5, 6 jeweils um den Ableiterwinkel α von 90° abgewinkelt und mit ebenen und flachen Ableitern 7, 8 verbunden, wobei die Ableiter 7, 8 in die gleiche Richtung gerichtet sind. Auch der Siegelnahtwinkel β beträgt 90°, wobei die Siegelnaht S im Querschnitt u-förmig ausgebildet ist und in drei Ebenen verläuft. Zwei dieser Ebenen verlaufen dabei im rechten Winkel zu einer dritten Ebene und parallel zueinander.
  • Die Abwinklung der Pole P1, P2 befindet sich im Inneren des Zellgehäuses 3, wobei die Abwinklung bereits vor der Versiegelung des Zellgehäuses 3 erzeugt wird.
  • Der Folienabschnitt 3.1 ist wannenförmig und der Folienabschnitt 3.2 ist u-förmig vorgeformt.
  • Verläuft die Siegelnaht S wie im dargestellten Ausführungsbeispiel in drei Ebenen oder in mehr als drei Ebenen, wobei zumindest zwei Ebenen zumindest in Näherung parallel verlaufen, erfolgt die Erzeugung der Siegelnaht S in mehreren Schritten, so dass ein Toleranzausgleich möglich ist und eine Siegelnahtdicke in allen Ebenen individuell eingestellt werden kann. Hierbei überlappen sich Flächen der einzelnen Teilsiegelungen, damit die Dichtheit der Siegelnaht S sichergestellt ist. Dieser Umstand ist in den 7 und 8 näher dargestellt, wobei die Siegelnaht S gemäß 7 zunächst in einem ersten Bereich erzeugt wird und anschließend gemäß 8 durch relative Verschiebung der Werkzeughälfte 2.2 zur Werkzeughälfte 2.1 in einem zweiten Bereich erzeugt wird.
  • In den 9 und 10 sind in verschiedenen Darstellungen und Ansichten ein mögliches erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einzelzelle 1' und ein Versiegelungswerkzeug 2 dargestellt.
  • Im Unterschied zu dem in den 4 bis 8 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel betragen der Ableiterwinkel α und der Siegelnahtwinkel β mehr als 90°, insbesondere 95°. Aufgrund dieser Ausbildung ist es möglich, dass die Siegelnaht S in einem Arbeitsschritt erfolgen kann, da die Werkzeughälfte 2.2 frei von Hinterschnitten in die u-förmige Ausformung eingesetzt und wieder aus dieser herausgeführt werden kann.
  • Alternativ ist es in nicht dargestellter Weise möglich, dass das Versiegelungswerkzeug 2 als Rollenwerkzeug ausgebildet ist und dass die Siegelnaht S in der Art erzeugt wird, dass das Rollenwerkzeug über einen Nahtbereich geführt wird. Somit sind bei ausreichend großen Radien beliebige Konturen in einem Arbeitsschritt siegelbar.
  • 11 zeigt eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einzelzelle 1' im montierten Zustand. Wie in dem in den 4 bis 8 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel betragen der Ableiterwinkel α und der Siegelnahtwinkel β jeweils 90°. Abweichend zum ersten Ausführungsbeispiel sind beide Pole P1, P2, d. h. die Stromableiterfahren 5, 6 jeweils um den Ableiterwinkel α von 90° in entgegengesetzte Richtungen abgewinkelt, so dass auch die Ableiter 7, 8 in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind. Die erzeugte Siegelnaht S weist im Querschnitt eine Z-Form auf.
  • In 12 ist eine Schnittdarstellung eines möglichen vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einzelzelle 1' und des Versiegelungswerkzeugs 2 während der Verbindung der Folienabschnitte 3.1, 3.2 im Bereich der Siegelnaht S abseits der Ableiter 7, 8 dargestellt. 13 zeigt die Einzelzelle 1' im montierten Zustand.
  • Die Einzelzelle 1' ist im Bereich der Ableiter 7, 8 in nicht näher dargestellter Weise gemäß einem von den in den 4 bis 11 dargestellten Ausführungsbeispielen ausgebildet.
  • Zusätzlich sind die Folienabschnitte 3.1, 3.2 und die Siegelnaht S im verbundenen Bereich abseits der Ableiter 7, 8 in der dargestellten Weise gebogen. Hierdurch kann eine Vergrößerung Siegelnahtbreite und somit einer Diffusionsstrecke bei kleinen Außenabmessungen der Einzelzelle 1' erzielt werden, da die gesiegelten Bereiche der Folienabschnitte 3.1, 3.2 vergrößert werden können. Auch kann bei gleichbleibender effektiver Siegelnahtbreite eine Verkleinerung des Bauraumbedarfs der Einzelzelle 1' erreicht werden.
  • Die gebogene Struktur wird dabei während der Erzeugung der Siegelnaht S durch die entsprechend geformten Werkzeughälften 2.1, 2.2 erzeugt, wobei die Struktur in Richtung der Werkzeughälften 2.1, 2.2 frei von Hinterschnitten ausgeführt ist.
  • In 14 ist eine Schnittdarstellung eines möglichen fünften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einzelzelle 1' und des Versiegelungswerkzeugs 2 während der Verbindung der Folienabschnitte 3.1, 3.2 im Bereich der Siegelnaht S abseits der Ableiter 7, 8 dargestellt. 15 zeigt die Einzelzelle 1' im montierten Zustand.
  • Im Unterschied zu dem in den 12 und 13 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel sind die Folienabschnitte 3.1, 3.2 und die Siegelnaht S im verbundenen Bereich abseits der Ableiter 7, 8 derart gebogen, dass diese im Querschnitt in diesem Bereich eine Mäanderform aufweisen.
  • In den 16 bis 23 sind Komponenten eines möglichen sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einzelzelle 1' und die Einzelzelle 1' selbst während deren Herstellung zu unterschiedlichen Zeitpunkten dargestellt.
  • In diesem Ausführungsbeispiel sind beide Ableiter 7, 8 an einer Stirnseite der Elektrodenanordnung 4 mit den Fahnen 5, 6 verbunden, insbesondere verschweißt. Hierbei ragen die Fahnen 5, 6 zunächst gerade, d. h. parallel zur Flachseite der Elektrodenanordnung 4 aus dieser heraus und werden mit den Ableitern 7, 8 verbunden. Hierdurch ist ein beidseitiger Zugang zur Schweißstelle möglich. Anschließend erfolgt die Abwinklung der Fahnen 5, 6, so dass Flachseiten der Ableiter 7, 9 in einem Ableiterwinkel α von 90° zu der Flachseite der Elektrodenanordnung 4 angeordnet sind.
  • Das Zellgehäuse 3 ist aus einer einteiligen Folie mit zwei an einer Stirnseite verbundenen Folienabschnitten 3.1, 3.2 gebildet. Dabei ist der Folienabschnitt 3.1 als wannenförmig tiefgezogenes Bauteil ausgebildet und der Folienabschnitt 3.2 als Deckel.
  • Nach einer Anordnung der Elektrodenanordnung 4 und des Elektrolyten innerhalb des Folienabschnitts 3.1, wird der Folienabschnitt 3.2 geklappt und das Zellgehäuse 3 verschlossen.
  • Anschließend wird das Zellgehäuse 3 innerhalb einer korrespondierend zum Folienabschnitt 3.1 ausgebildeten Werkzeughälfte 2.1 des Versiegelungswerkzeugs 2 angeordnet und die Siegelnaht S wird mittels der Werkzeughälften 2.1, 2.2 erzeugt. Aufgrund der einteiligen Folie ist die Erzeugung der Siegelnaht S an nur drei Seiten des Zellgehäuses 3 erforderlich. Somit wird der Bauraumbedarf der Einzelzelle 1' weiter verringert, da im geklappten Bereich der verbundenen Folienabschnitte 3.1, 3.2 auf der den Ableitern 7, 8 gegenüberliegenden Seite des Zellgehäuses 3 die so genannte Fußsiegelnaht entfallen kann und dort keine Überlappung der Folienabschnitte 3.1, 3.2 erforderlich ist.
  • Die erzeugte Siegelnaht S im Bereich der Ableiter 7, 8 auf einer Ebene, welche senkrecht zur Flachseite der Elektrodenanordnung 4 und zur Flachseite der Einzelzelle 1' ausgebildet ist. In Seitenbereichen der Einzelzelle 1' verläuft die Siegelnaht S dagegen parallel zur Flachseite der Elektrodenanordnung 4 und zur Flachseite der Einzelzelle 1'. Somit ergibt sich ein L-förmiger Querschnitt der Siegelnaht S. Die Siegelung wird dabei in einem Arbeitsschritt durchgeführt.
  • Zur Erzeugung dieser Siegelnaht S weist die Werkzeughälfte 2.1 eine korrespondierende L-förmige Kontur auf. Im Bereich der Ableiter weist die Werkzeughälfte 2.1 zu den Ableitern 7, 8 korrespondierende Aussparungen auf.
  • Die 24 bis 26 zeigen Komponenten eines möglichen siebten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einzelzelle 1' und die Einzelzelle 1' selbst während deren Herstellung zu unterschiedlichen Zeitpunkten.
  • Im Unterschied zu dem in den 16 bis 23 dargestellten sechsten Ausführungsbeispiel ist das Zellgehäuse 3 aus einer zweiteiligen Folie gebildet. Das heißt beide Folienabschnitte 3.1, 3.2 sind vor der Siegelung separate Teile.
  • Beide Folienabschnitte 3.1, 3.2 sind als tiefgezogene wannenförmige Teile ausgebildet und werden vor der Siegelung derart ineinander gesteckt, dass die erzeugte Siegelnaht S in vier Ebenen erzeugt wird, wobei alle vier Ebenen senkrecht zur Flachseite des Elektrodenstapels 4 und zur Flachseite der Einzelzelle 1' verlaufen. Dabei weist die Siegelnaht S einen U-förmigen Querschnitt auf. Zur Erzeugung der Siegelnaht S ist das Versiegelungswerkzeug 2 beispielsweise als Rollenwerkzeug ausgebildet, wobei zwei beheizte und gegeneinander gepresste Rollen, zwischen welchen die zu siegelnden Bereiche der Folienabschnitte 3.1, 3.2 angeordnet sind, entlang der Bereiche derart geführt werden, dass eine einen Ring bildende Siegelnaht S erzeugt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Einzelzelle (Stand der Technik)
    1'
    Einzelzelle
    2
    Versiegelungswerkzeug
    2.1
    Werkzeughälfte
    2.2
    Werkzeughälfte
    3
    Zellgehäuse
    3.1
    Folienabschnitt
    3.2
    Folienabschnitt
    4
    Elektrodenanordnung
    5
    Fahne
    6
    Fahne
    7
    Ableiter
    8
    Ableiter
    9
    Vorsiegelband
    P1
    Pol
    P2
    Pol
    S
    Siegelnaht
    α
    Ableiterwinkel
    β
    Siegelnahtwinkel
  • 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 102013016618 A1 [0004]

Claims (5)

  1. Einzelzelle (1') für eine elektrische Batterie mit – einer flachen Elektrodenanordnung (4) und – einem aus zumindest zwei Folienabschnitten (3.1, 3.2) gebildeten Zellgehäuse (3), wobei – die Elektrodenanordnung (4) innerhalb des Zellgehäuses (3) angeordnet ist, – elektrische Pole (P1, P2) der Elektrodenanordnung (4) mit Ableitern (7, 8) verbunden sind und – die Ableiter (7, 8) in einem Bereich zwischen den beiden Folienabschnitten (3.1, 3.2) elektrisch isoliert und fluiddicht nach außen geführt sind, – wobei die zwei Folienabschnitte (3.1, 3.2) miteinander und mit den Ableitern (7, 8) mittels einer die Elektrodenanordnung (4) randseitig umlaufenden Siegelnaht (S) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest ein elektrischer Pol (P1, P2) der Elektrodenanordnung (4) und/oder zumindest ein mit diesem Pol (P1, P2) verbundener Ableiter (7, 8) derart im Inneren des Zellgehäuses (3) abgewinkelt ist, dass zwischen einer Flachseite des Ableiters (7, 8) und einer Flachseite der Elektrodenanordnung (4) ein Ableiterwinkel (α) im Bereich von 60° bis 120° eingeschlossen ist und – die Siegelnaht (S) in zumindest zwei Ebenen verläuft, – wobei zwischen zumindest einer Ebene der Siegelnaht (S) und einer Flachseite der Elektrodenanordnung (4) ein Siegelnahtwinkel (β) im Bereich von 60° bis 120° eingeschlossen ist.
  2. Einzelzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ableiterwinkel (α) und der Siegelnahtwinkel (β) 90° betragen.
  3. Einzelzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableiter (7, 8) in im Wesentlichen entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind.
  4. Einzelzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienabschnitte (3.1, 3.2) und die Siegelnaht (S) im verbundenen Bereich abseits der Ableiter (7, 8) zumindest einfach gefaltet und/oder zumindest einfach gebogen und/oder zumindest einfach gerollt sind.
  5. Einzelzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienabschnitte (3.1, 3.2) und die Siegelnaht (S) im verbundenen Bereich abseits der Ableiter (7, 8) derart gebogen sind, dass diese im Querschnitt in diesem Bereich eine Mäanderform aufweisen.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2018233930A1 (de) * 2017-06-20 2018-12-27 Robert Bosch Gmbh Batteriezelle
CN113871805A (zh) * 2021-09-02 2021-12-31 东莞新能德科技有限公司 电芯、电池、电芯的制造方法及电子设备
DE102020126467A1 (de) 2020-10-09 2022-04-14 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Batteriezelle mit mehreren Elektrodeneinheiten in einem gemeinsamen Batteriezellgehäuse
DE102020213462A1 (de) 2020-10-26 2022-04-28 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013016618A1 (de) 2013-10-08 2015-05-21 Daimler Ag Batterieeinzelzelle und Hochvoltbatterie

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