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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, umfassend ein prismatisch ausgebildetes Zellengehäuse mit einer Deckfläche, an welcher ein negatives Terminal und ein positives Terminal angeordnet sind, und mindestens einen innerhalb des Zellengehäuses angeordneten Elektrodenwickel mit einer Kathode, welche einen Kathodenanschlussbereich aufweist, und mit einer Anode, welche einen Anodenanschlussbereich aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Batteriesystem, welches mindestens eine erfindungsgemäße Batteriezelle umfasst.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybridfahrzeuge oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch bei Elektronikgeräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
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Hierbei finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive und eine negative Elektrode auf, an denen Lithium-Ionen bei einem Ladevorgang sowie bei einem Entladevorgang reversibel einlagern sowie wieder auslagern können. Ein solcher Vorgang wird auch als Interkalation, beziehungsweise Deinterkalation bezeichnet.
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Eine Batteriezelle umfasst in der Regel eine oder mehrere Elektrodeneinheiten, welche in Form einer Wicklung ausgestaltet sind. Eine Elektrodeneinheit weist zwei folienartig ausgebildete Elektroden auf, nämlich eine Anode und eine Kathode. Die Elektroden sind unter Zwischenlage eines Separators zu einem Elektrodenwickel, welcher auch als Jelly-Roll bezeichnet wird, gewunden. Die beiden Elektroden des Elektrodenwickels werden mittels Kollektoren elektrisch mit Polen der Batteriezelle, welche auch als Terminals bezeichnet werden, verbunden.
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Eine Batteriezelle weist ferner ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium besteht. Das Zellengehäuse ist in der Regel prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltet und druckfest ausgebildet. Nach dem Verbinden der Elektroden mit den Terminals wird eine Elektrolytlösung in das Zellengehäuse gefüllt.
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Aus der
EP 2 675 000 A1 ist eine gattungsgemäße Batteriezelle mit mehreren Elektrodenwickeln bekannt. Die Anode und die Kathode ragen dabei jeweils an entgegengesetzten Seiten parallel zu den Wickelachsen aus den Elektrodenwickeln heraus und sind an Kollektoren angeschlossen. Die Kollektoren verlaufen im Wesentlichen senkrecht zu den Wickelachsen der Elektrodenwickel und verbinden die Anoden und die Kathoden mit den Terminals der Batteriezelle.
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Lithium-Ionen-Batteriezellen sind verhältnismäßig empfindlich gegen Umwelteinflüsse, insbesondere gegen Luft und Feuchtigkeit. Das erwähnte Zellengehäuse bietet Schutz gegen besagte Umwelteinflüsse. Mehrere solcher Batteriezellen können zu einem Batteriesystem, welches auch als Batteriepack bezeichnet wird, zusammengefasst werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche ein prismatisch ausgebildetes Zellengehäuse mit einer Deckfläche, an welcher ein positives Terminal und ein negatives Terminal angeordnet sind, umfasst. Die Batteriezelle umfasst ferner mindestens einen innerhalb des Zellengehäuses angeordneten Elektrodenwickel mit einer Anode, welche einen Anodenanschlussbereich aufweist, und mit einer Kathode, welche einen Kathodenanschlussbereich aufweist.
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Erfindungsgemäß erstrecken sich der Kathodenanschlussbereich und der Anodenanschlussbereich des mindestens einen Elektrodenwickels nebeneinander von dem Elektrodenwickel auf genau eine Stirnfläche des Zellengehäuses zu, welche rechtwinklig zu der Deckfläche verläuft.
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Es ist auch denkbar, mindestens zwei Elektrodenwickel mit jeweils einer Anode, welche einen Anodenanschlussbereich aufweist, und mit jeweils einer Kathode, welche einen Kathodenanschlussbereich aufweist, innerhalb des Zellengehäuses anzuordnen. Dabei erstrecken sich die Kathodenanschlussbereiche und die Anodenanschlussbereiche der mindestens zwei Elektrodenwickel nebeneinander von den Elektrodenwickeln auf genau die Stirnfläche des Zellengehäuses zu, welche rechtwinklig zu der Deckfläche verläuft.
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Die mindestens zwei Elektrodenwickel sind dabei vorteilhaft derart innerhalb des Zellengehäuses angeordnet, dass die Anodenanschlussbereiche der beiden Elektrodenwickel einander zugewandt sind, oder dass die Kathodenanschlussbereiche der beiden Elektrodenwickel einander zugewandt sind.
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Vorzugsweise ist der Kathodenanschlussbereich oder der Anodenanschlussbereich des mindestens einen Elektrodenwickels elektrisch mit einem ersten Kollektor verbunden, welcher sich zwischen dem Elektrodenwickel und der Stirnfläche des Zellengehäuses auf die Deckfläche des Zellengehäuses zu erstreckt und mit einem der Terminals verbunden ist.
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Wenn mindestens zwei Elektrodenwickel innerhalb des Zellengehäuses angeordnet sind, so sind die Kathodenanschlussbereiche oder die Anodenanschlussbereiche der mindestens zwei Elektrodenwickel vorzugsweise elektrisch jeweils mit einem ersten Kollektor verbunden, wobei die ersten Kollektoren sich zwischen den Elektrodenwickeln und der Stirnfläche des Zellengehäuses auf die Deckfläche des Zellengehäuses zu erstrecken.
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Vorzugsweise ist der erste Kollektor zumindest weitgehend aus Kupfer gefertigt. Insbesondere ist der erste Kollektor dabei mit dem Anodenanschlussbereich der Anode sowie mit dem negativen Terminal verbunden.
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Vorzugsweise ist das Zellengehäuse quaderförmig ausgebildet und weist sechs Flächen mit drei verschieden großen Flächeninhalten auf, wobei jeweils zwei der sechs Flächen mit gleich großen Flächeninhalten einander gegenüber liegen. Die Stirnfläche, auf die sich die Anodenanschlussbereiche und die Kathodenanschlussbereich zu erstrecken, grenzt dabei an die Deckfläche an und weist, ebenso wie die gegenüberliegende Stirnfläche, einen kleinsten Flächeninhalt der Flächen des Zellengehäuses auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Anodenanschlussbereich oder der Kathodenanschlussbereich des mindestens einen Elektrodenwickels elektrisch mit einem zweiten Kollektor verbunden, welcher sich zwischen dem Elektrodenwickel und einer Frontfläche des Zellengehäuses erstreckt. Die Frontflächen weisen dabei einen größten Flächeninhalt der Flächen des Zellengehäuses auf. Der zweite Kollektor ist dabei auch mit einem der Terminals elektrisch verbunden.
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Wenn mindestens zwei Elektrodenwickel innerhalb des Zellengehäuses angeordnet sind, so sind die Anodenanschlussbereiche oder die Kathodenanschlussbereiche der mindestens zwei Elektrodenwickel vorzugsweise elektrisch jeweils mit einem zweiten Kollektor verbunden, wobei die zweiten Kollektoren sich zwischen den Elektrodenwickeln und jeweils einer Frontfläche des Zellengehäuses erstrecken. Die Frontflächen weisen dabei einen größten Flächeninhalt der Flächen des Zellengehäuses auf.
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Vorzugsweise ist der zweite Kollektor zumindest weitgehend aus Aluminium gefertigt. Insbesondere ist der zweite Kollektor dabei mit dem Kathodenanschlussbereich der Kathode sowie mit dem positiven Terminal verbunden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Kathodenanschlussbereich und dem Anodenanschlussbereich des mindestens einen Elektrodenwickels eine Isolationsfolie vorgesehen, welche sich auf die Stirnfläche des Zellengehäuses zu erstreckt.
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Die Kathode und die Anode sind unter Zwischenlage mindestens eines Separators zu dem Elektrodenwickel gewickelt. Vorteilhaft ist die Isolationsfolie dabei durch den mindestens einen Separator gebildet.
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Es wird auch ein Batteriesystem vorgeschlagen, welches mindestens eine erfindungsgemäße Batteriezelle umfasst.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
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Vorteile der Erfindung
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Eine erfindungsgemäße Batteriezelle benötigt innerhalb ihres Zellengehäuses einen geringeren Raumbedarf für die Kollektoren. Das eingesparte Volumen innerhalb des Zellengehäuses kann zu einer Vergrößerung des Volumens des Elektrodenwickels genutzt werden. Dadurch steigt die Kapazität der Batteriezelle bei gleichen Abmessungen des Zellengehäuses.
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Vorteilhaft sind auch zwei Elektrodenwickel in einem Zellengehäuse anzuordnen. Die Kollektoren der Anoden verlaufen dabei von den Anschlussbereichen der Anoden an derselben Stirnfläche entlang, welche den kleinsten Flächeninhalt der Flächen eines quaderförmigen Zellengehäuses aufweist, zu dem negativen Terminal. Damit benötigen diese beiden Kollektoren das geringstmögliche Volumen. Die Kollektoren der Kathoden sind um die beiden Elektrodenwickel herum zu dem anderen Terminal geführt. Dabei sind diese Kollektoren verhältnismäßig dünn ausgeführt und beanspruchen somit ebenfalls nur ein geringes Volumen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Elektrodenwickels für eine Batteriezelle,
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2 eine schematische, perspektivische, Darstellung einer Deckplatte mit Kollektoren für eine Batteriezelle,
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3 eine schematische, perspektivische, Darstellung einer Batteriezelle ohne Zellengehäuse,
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4 eine schematische Frontalansicht auf die Batteriezelle aus 3 und
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5 eine schematische, perspektivische, halbtransparente Darstellung einer Batteriezelle ohne Kollektoren.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Eine in 5 dargestellte Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Zellengehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Es auch denkbar, dass das Zellengehäuse 3 elektrisch nicht leitend, insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt ist oder mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet ist.
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Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden.
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Das quaderförmig ausgebildete Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 weist sechs Flächen mit drei verschieden großen Flächeninhalten auf, wobei jeweils zwei Flächen mit gleich großen Flächeninhalten einander gegenüber liegen. Die Flächen mit den größten Flächeninhalten werden im Folgenden als erste Frontfläche 33 und zweite Frontfläche 34 bezeichnet. Die Flächen mit den kleinsten Flächeninhalten werden im Folgenden als erste Stirnfläche 35 und zweite Stirnfläche 36 bezeichnet. Die verbleibenden Flächen mit den mittelgroßen Flächeninhalten werden im Folgenden als Deckfläche 31 und als Bodenfläche 32 bezeichnet.
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Die Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 ist von einer Deckplatte 23 gebildet. Die Terminals 11, 12 sind beabstandet voneinander an der Deckplatte 23 des Zellengehäuses 3 angeordnet. Dabei liegt das negative Terminal 11 benachbart zu der ersten Stirnfläche 35, und das positive Terminal 12 liegt benachbart zu der zweiten Stirnfläche 36. Die Bodenfläche 32 ist der Deckfläche 31 gegenüber liegend angeordnet.
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In 1 ist ein Elektrodenwickel 10 für eine Batteriezelle 2 schematisch dargestellt. Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 sind vorliegend zwei derartige Elektrodenwickel 10 angeordnet, welche jeweils zwei Elektroden, nämlich eine Kathode 14 und eine Anode 16, aufweisen. Es ist aber auch denkbar, dass nur ein Elektrodenwickel 10 in dem Zellengehäuse 3 angeordnet ist. Die Kathode 14 und die Anode 16 des Elektrodenwickels 10 sind jeweils folienartig ausgeführt und unter Zwischenlage eines Separators um eine nicht dargestellte Wickelachse zu je dem Elektrodenwickel 10 gewickelt. Innerhalb des Zellengehäuses 3 ist ferner ein Elektrolyt vorhanden.
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Die folienartig ausgebildete Kathode 14 des Elektrodenwickels 10 umfasst einen folienartig ausgebildeten Stromableiter, welcher mit einem kathodischen Aktivmaterial beschichtet ist. Der folienartig ausgebildete Stromableiter der Kathode 14 ist vorliegend aus Aluminium gefertigt.
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Aus dem Elektrodenwickel 10 ragt ein unbeschichteter Rand des Stromableiters der Kathode 14 heraus. Der unbeschichtete Rand des Stromableiters der Kathode 14 bildet einen Kathodenanschlussbereich 24, welcher elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden ist.
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Die folienartig ausgebildete Anode 16 des Elektrodenwickels 10 umfasst einen folienartig ausgebildeten Stromableiter, welcher mit einem anodischen Aktivmaterial beschichtet ist. Der folienartig ausgebildete Stromableiter der Anode 16 ist vorliegend aus Kupfer gefertigt.
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Aus dem Elektrodenwickel 10 ragt ein unbeschichteter Rand des Stromableiters der Anode 16 heraus. Dieser unbeschichtete Rand des Stromableiters der Anode 16 bildet einen Anodenanschlussbereich 26, welcher elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden ist.
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Der Anodenanschlussbereich 26 und der Kathodenanschlussbereich 24 ragen somit nebeneinander an derselben Stirnseite aus dem Elektrodenwickel 10 heraus. Innerhalb des Zellengehäuses 3 erstrecken sich der Anodenanschlussbereich 26 und der Kathodenanschlussbereich 24 von dem Elektrodenwickel 10 auf die erste Stirnfläche 35 des Zellengehäuses 3 zu.
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Zwischen dem Anodenanschlussbereiche 26 und dem Kathodenanschlussbereiche 24 des Elektrodenwickels 10 ist eine Isolationsfolie 21 angeordnet, welche den Anodenanschlussbereich 26 von dem Kathodenanschlussbereich 24 elektrisch isoliert. Vorliegend ist die Isolationsfolie 21 Teil des Separators, welcher zwischen der Anode 16 und der Kathode 14 des Elektrodenwickels 10 vorgesehen sind.
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In 2 ist eine schematische, perspektivische, Darstellung einer Deckplatte 23 mit Kollektoren 41, 51 für eine Batteriezelle 2 gezeigt. Die in 2 gezeigte Einheit dient zur Aufnahme von zwei Elektrodenwickeln 10.
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In 3 ist eine Batteriezelle 2 ohne Zellengehäuse 3 perspektivisch dargestellt. Die Batteriezelle 2 umfasst vorliegend zwei Elektrodenwickel 10, es ist aber auch denkbar, dass nur ein Elektrodenwickel 10 vorgesehen ist.
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Zur elektrischen Verbindung der Anoden 16 mit dem negativen Terminal 11 sind zwei erste Kollektoren 41 vorgesehen. Dabei ist jeder Anodenanschlussbereich 26 der Anoden 16 der beiden Elektrodenwickel 10 mit je einem der ersten Kollektoren 41 verbunden, vorliegend verschweißt. Die ersten Kollektoren 41 sind vorliegend aus Kupfer gefertigt.
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Die ersten Kollektoren 41 verlaufen von den Anodenanschlussbereichen 26 zunächst parallel zu der ersten Stirnfläche 35 und nahe der ersten Stirnfläche 35 auf die Deckplatte 23 zu. Die ersten Kollektoren 41 sind mit dem negativen Terminal 11 verbunden. Die ersten Kollektoren 41 sind vorliegend aus Kupfer gefertigt.
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Die ersten Kollektoren 41 sind vorliegend als separate Teile ausgestaltet. Die ersten Kollektoren 41 können auch einstückig ausgebildet sein. In diesem Fall sind die Anodenanschlussbereiche 26 beider Elektrodenwickel 10 mit dem gleichen, einzigen ersten Kollektor 41 verbunden.
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Zur elektrischen Verbindung der Kathoden 14 mit dem positiven Terminal 12 sind zwei zweite Kollektoren 51 vorgesehen. Dabei ist jeder Kathodenanschlussbereich 24 der Kathoden 14 der beiden Elektrodenwickel 10 mit je einem der zweiten Kollektoren 51 verbunden, vorliegend verschweißt. Die zweiten Kollektoren 51 sind vorliegend aus Aluminium gefertigt.
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Die zweiten Kollektoren 51 weisen jeweils einen ersten Bereich 52 auf, welcher parallel zu der ersten Stirnfläche 35 nahe der ersten Stirnfläche 35 verläuft, und welcher mit je einem der Kathodenanschlussbereiche 24 der Elektrodenwickel 10 verbunden ist. Ferner weist jeder zweite Kollektor 51 einen zweiten Bereich 53 auf, welcher mit dem positiven Terminal 12 verbunden ist.
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Die zweiten Kollektoren 51 weisen auch jeweils einen mittigen Bereich 55 auf, welcher mit dem ersten Bereich 52 und mit dem zweiten Bereich 53 verbunden ist. Die mittigen Bereiche 55 der zweiten Kollektoren 51 erstrecken sich dabei parallel zu den Frontflächen 33, 34. Dabei ist der mittige Bereich 55 von einem der zweiten Kollektoren 51 zwischen einem der Elektrodenwickel 10 und der ersten Frontfläche 33 angeordnet, und der mittige Bereich 55 des anderen zweiten Kollektors 51 ist zwischen dem anderen Elektrodenwickel 10 und der zweiten Frontfläche 34 angeordnet. Somit sind die mittigen Bereiche 55 der zweiten Kollektoren 51 also beidseitig der beiden Elektrodenwickel 10 angeordnet.
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Die zweiten Kollektoren 51 sind vorliegend als separate Teile ausgestaltet. Die zweiten Kollektoren 51 können auch einstückig ausgebildet sein. Dazu sind jeweils die zweiten Bereiche 53 der beiden zweiten Kollektoren 51 miteinander verbunden.
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Die beiden Elektrodenwickel 10 der Batteriezelle 2 sind vorliegend elektrisch parallel geschaltet. Zwischen den ersten Kollektoren 41 und dem Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 sind nicht dargestellte Isolatoren vorgesehen, welche die Anoden 16 und die ersten Kollektoren 41 elektrisch von dem Zellengehäuse 3 isolieren. Zwischen den zweiten Kollektoren 51 und dem Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 sind ebenfalls nicht dargestellte elektrische Isolatoren vorgesehen, welche die Kathoden 14 und die zweiten Kollektoren 51 elektrisch von dem Zellengehäuse 3 isolieren.
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Eine Frontalansicht auf die Batteriezelle 2 ohne Zellengehäuse 3 aus 3 ist in 4 dargestellt.
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Das Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 kann auch aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt sein. Ebenfalls kann das Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet sein. In diesen Fällen sind keine Isolatoren zwischen den ersten Kollektoren 41 und dem Zellengehäuse 3 sowie zwischen den zweiten Kollektoren 51 und dem Zellengehäuse 3 erforderlich.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervor gehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen des fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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