DE102015202894A1 - Batteriezelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (2), umfassend eine folienartig ausgebildete Ummantelung (4) und mindestens eine innerhalb der Ummantelung (4) angeordnete Elektrodeneinheit (10) mit zwei Elektroden, nämlich einer Kathode und einer Anode. Innerhalb der Ummantelung (4) ist ein Rahmenteil (30) angeordnet, welches die Elektrodeneinheit (10) zumindest teilweise umgibt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, welche eine folienartig ausgebildete Ummantelung und mindestens eine innerhalb der Ummantelung angeordnete Elektrodeneinheit mit zwei Elektroden, nämlich einer Kathode und einer Anode, umfasst.
  • Stand der Technik
  • 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.
  • 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. Eine Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batteriezellen sind Batteriezellen mit einer Post-Lithium-Ionen Technologie, beispielsweise Lithium-Schwefel oder Lithium-Luft.
  • Eine Batteriezelle umfasst in der Regel eine oder mehrere Elektrodeneinheiten. Eine Elektrodeneinheit weist zwei folienartig ausgebildete Elektroden auf, nämlich eine Anode und eine Kathode. Die Elektroden sind beispielsweise unter Zwischenlage eines Separators zu einem Elektrodenwickel, welcher auch als Jelly-Roll bezeichnet wird, gewunden. Auch können die Elektroden unter Zwischenlage eines Separators in Form eines Elektrodenstapels übereinander geschichtet sein. Die beiden Elektroden des Elektrodenwickels sowie des Elektrodenstapels werden mittels zweier Kollektoren elektrisch mit zwei Polen der Batteriezelle, welche auch als elektrische Terminals bezeichnet werden, verbunden.
  • Es sind unterschiedliche Bauformen für Batteriezellen bekannt. Beispielsweise weist eine Batteriezelle ein prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltetes Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium gefertigt und druckfest ausgebildet ist. Innerhalb des Zellengehäuses ist die Elektrodeneinheit angeordnet. Auch sind Batteriezellen mit kreiszylindrisch ausgestaltetem Zellengehäuse bekannt.
  • Ferner sind Batteriezellen mit einer folienartig ausgebildeten Ummantelung bekannt. Innerhalb der Ummantelung ist eine Elektrodeneinheit mit zwei Elektroden angeordnet. Die folienartige Ummantelung ist beispielsweise eine Aluminiumverbundfolie und weist eine Dicke von 100 Mikrometern bis 150 Mikrometern auf. Nach Einführen der Elektrodeneinheit in die Ummantelung wird darin vorhandene Luft mittels Unterdruck abgesaugt und die Ummantelung wird verschweißt.
  • Eine gattungsgemäße Batteriezelle ist beispielsweise in der DE 102 25 041 A1 offenbart. Die Batteriezelle umfasst eine Elektrodeneinheit, welche von einer Folie umgeben ist. Dabei sind die Kollektoren der Elektrodeneinheit mittels eines zusätzlichen Kunststofffilms abgedeckt.
  • Aus der US 2009/0286150 A1 geht eine verhältnismäßig flach ausgestaltete Batteriezelle hervor, welche einen Stützrahmen aufweist. Der Stützrahmen ist dabei zweiteilig ausgebildet und erhöht insbesondere die mechanische Stabilität der Batteriezelle.
  • Die WO 95/29513 A1 offenbart eine Rahmenkonstruktion für eine Elektrodeneinheit einer Batteriezelle. Es sind einzelne steife Wände vorgesehen, die um die Elektrodeneinheit herum angeordnet sind und beispielsweise mittels eines Klebebandes verbunden sind.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche eine folienartig ausgebildete Ummantelung und mindestens eine innerhalb der Ummantelung angeordnete Elektrodeneinheit mit zwei Elektroden, nämlich einer Kathode und einer Anode, umfasst.
  • Erfindungsgemäß ist innerhalb der Ummantelung ein Rahmenteil angeordnet, welches die Elektrodeneinheit zumindest teilweise umgibt.
  • Die Elektrodeneinheit ist beispielsweise als Elektrodenstapel ausgebildet und annähernd prismatisch, insbesondere annähernd quaderförmig, ausgestaltet.
  • Das Rahmenteil verhindert vorteilhaft eine Berührung von Kanten der Elektrodeneinheit mit der Ummantelung.
  • Vorzugsweise weist das Rahmenteil vier Seitenwände auf, welche die Elektrodeneinheit umgeben.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens eine Seitenwand des Rahmenteils eine Aussparung zur Durchführung eines Kollektors der Elektrodeneinheit auf.
  • Das Rahmenteil ist vorzugsweise einteilig ausgebildet.
  • Besonders vorzugsweise ist das Rahmenteil wannenartig ausgebildet.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind nach außen weisende Kanten des Rahmenteils abgerundet oder angefast.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Rahmenteil ein Federelement, welches zwischen einer Fläche der Elektrodeneinheit und der Ummantelung angeordnet ist.
  • Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
  • Vorteile der Erfindung
  • Bei einer erfindungsgemäß ausgestalteten Batteriezelle verhindert das Rahmenteil zuverlässig Beschädigungen der Elektrodeneinheit. Die Elektroden sowie der Separator, welcher bei Batteriezellen mit Post-Lithium-Ionen Technologie vorzugsweise keramisch ausgebildet ist, sind verhältnismäßig hart und spröde und somit für Beschädigungen durch Druck anfällig. Insbesondere sind bei einer erfindungsgemäß ausgestalteten Batteriezelle die Kanten der Elektrodeneinheit vor mechanischer Beschädigung geschützt. Kurzschlüsse und sonstige Defekte, die aus solch einer Beschädigung resultieren können, sind somit vermieden.
  • Das Rahmenteil schützt die Elektrodeneinheit auch bei einer Volumenänderung. Elektrodeneinheiten in Batteriezellen mit Post-Lithium-Ionen Technologie erfahren eine solche Volumenänderung zwischen einem voll geladenen Zustand und einem entladenen Zustand. Bei einem Ladevorgang dehnt sich die Elektrodeneinheit aus.
  • Auch verhindert das Rahmenteil eine Beschädigung der Ummantelung durch die Kanten der Elektrodeneinheit. Wenn nach Einführen der Elektrodeneinheit in die Ummantelung die darin vorhandene Luft mittels Unterdruck abgesaugt wird, ist eine Berührung der teilweise scharfen Kanten der Elektrodeneinheit mit der Ummantelung verhindert.
  • Das Rahmenteil ist kostengünstig herstellbar. Auch sind die Montage der Elektrodeneinheit in dem Rahmenteil sowie die Montage des Rahmenteils in der Ummantelung verhältnismäßig einfach und nicht aufwendig. Somit sind die Materialkosten sowie die Montagekosten der Batteriezelle nur unwesentlich erhöht. Auch hat das Rahmenteil nur einen verhältnismäßig geringen Platzbedarf. Das Volumen der Batteriezelle ist somit durch das Rahmenteil nur unwesentlich vergrößert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Darstellung einer Batteriezelle,
  • 2 eine perspektivische Darstellung eines Rahmenteils für eine Batteriezelle,
  • 3 einen Schnitt durch ein Rahmenteil für eine Batteriezelle gemäß einer Abwandlung,
  • 4 eine Elektrodeneinheit einer Batteriezelle und
  • 5 einen Schnitt durch eine Batteriezelle.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist eine Batteriezelle perspektivisch dargestellt. Die Batteriezelle 2 umfasst eine folienartig ausgebildete Ummantelung 4, innerhalb welcher eine Elektrodeneinheit 10, die in dieser Darstellung nicht sichtbar ist, angeordnet ist. Die Elektrodeneinheit 10 umfasst eine Kathode und eine Anode sowie einen ersten Kollektor 24 und einen zweiten Kollektor 26. Die Anode ist dabei mit dem ersten Kollektor 24 elektrisch verbunden, und die Kathode ist mit dem zweiten Kollektor 26 elektrisch verbunden. Die Kollektoren 24, 26 ragen durch dafür vorgesehene Öffnungen in der Ummantelung 4 aus der Ummantelung 4 heraus und sind von außen zugänglich und elektrisch kontaktierbar.
  • Bei der Ummantelung 4 handelt es sich um eine Aluminiumverbundfolie. Die Ummantelung 4 weist vorliegend eine Dicke zwischen 100 µm bis 150 µm auf. Selbstverständlich kann die Ummantelung 4 auch aus einem anderen Material hergestellt sein und eine abweichende Dicke aufweisen.
  • Die Elektrodeneinheit 10 umfasst mehrere Einheitszellen, wobei jede Einheitszelle eine plattenförmig ausgebildete Kathode und eine plattenförmig ausgebildete Anode umfasst. Zwischen der plattenförmig ausgebildeten Kathode und der plattenförmig ausgebildeten Anode ist ein plattenförmig ausgebildeter Separator vorgesehen. Mehrere solcher Einheitszellen sind zu einem Elektrodenstapel übereinander geschichtet angeordnet und bilden die Elektrodeneinheit 10.
  • Von jeder plattenförmig ausgebildeten Kathode ragt jeweils eine Kathodenkontaktfahne weg. Ebenso ragt von jeder plattenförmig ausgebildeten Anode eine Anodenkontaktfahne weg. Die Kathodenkontaktfahnen von jeder Einheitszelle werden miteinander sowie mit dem ersten Kollektor 24 stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt. Ebenso werden alle Anodenkontaktfahnen aller Einheitszellen miteinander sowie mit dem zweiten Kollektor 26 stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt.
  • Die Elektrodeneinheit 10 ist von einem in dieser Darstellung ebenfalls nicht sichtbaren Rahmenteil 30 umgeben. Das Rahmenteil 30 und die Elektrodeneinheit 10 befinden sich somit im Inneren der Ummantelung 4. Bei der Fertigung der Batteriezelle 2 werden das Rahmenteil 30 zusammen mit der Elektrodeneinheit 10 in die Ummantelung 4 eingeführt. Anschließend wird in der Ummantelung 4 vorhandene Luft abgesaugt und danach wird die Ummantelung 4 verschweißt und luftdicht geschlossen. Das Rahmenteil 30 verhindert insbesondere eine Berührung von Kanten der Elektrodeneinheit 10 mit der Ummantelung 4.
  • In 2 ist ein Rahmenteil 30 für eine Batteriezelle 2 perspektivisch dargestellt. Das Rahmenteil 30 umfasst eine erste Seitenwand 31, eine zweite Seitenwand 32, eine dritte Seitenwand 33, und eine vierte Seitenwand 34. Das Rahmenteil 30 ist beispielsweise aus Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyimid oder Polyphenylensulfid gefertigt. Auch Kombinationen oder Mischungen aus den besagten Werkstoffen sind denkbar.
  • Die vier Seitenwände 31, 32, 33, 34 des Rahmenteils 30 sind derart angeordnet, dass das Rahmenteil 30 annähernd quaderförmig ausgestaltet ist. Dabei liegt die erste Seitenwand 31 der dritten Seitenwand 33 gegenüber. Ebenso liegt die zweite Seitenwand 32 der vierten Seitenwand 34 gegenüber. Die erste Seitenwand 31 und die dritte Seitenwand 33 verlaufen parallel zueinander. Die zweite Seitenwand 32 und die vierte Seitenwand 34 verlaufen ebenfalls parallel zueinander. Die erste Seitenwand 31 und die dritte Seitenwand 33 verlaufen annähernd rechtwinklig zu der zweiten Seitenwand 32 und der vierten Seitenwand 34.
  • Vorliegend weisen die Seitenwände 31, 32, 33, 34 eine Wandstärke von etwa 0,5 mm auf. Denkbar sind auch andere Wandstärken, insbesondere zwischen 0,25 mm und 1 mm. Die vier Seitenwände 31, 32, 33, 34 umschließen einen Freiraum 38, welcher zur Aufnahme der in 2 nicht dargestellten Elektrodeneinheit 10 dient.
  • In der ersten Seitenwand 31 sind zwei Aussparungen 35 vorgesehen. Der Freiraum 38 ist annähernd quaderförmig gestaltet, und dient wie bereits erwähnt, der Aufnahme der Elektrodeneinheit 10. Die Aussparungen 35 dienen der Durchführung des ersten Kollektors 24 sowie des zweiten Kollektors 26 aus dem Freiraum 38 heraus.
  • Das Rahmenteil 30 ist vorliegend einstückig ausgebildet. Das bedeutet, die Seitenwände 31, 32, 33 und 34 sind einteilig miteinander verbunden. Aber auch eine mehrteilige Ausgestaltung des Rahmenteils 30 ist mit separaten Seitenwänden 31, 32, 33, 34 ist denkbar.
  • Das Rahmenteil 30 weist Kanten 39 auf, welche nach außen weisen. Die Kanten 39 des Rahmenteils 30 sind abgerundet oder angefast. Das bedeutet, die Kanten 39 des Rahmenteils 30 sind insbesondere nicht scharf oder spitz ausgebildet. Dadurch ist vermieden, dass die Kanten 39 des Rahmenteils 30 die Ummantelung 4 der Batteriezelle 2 beschädigen.
  • Alternativ ist es denkbar, das Rahmenteil 30 wannenartig auszubilden. In diesem Fall umfasst das Rahmenteil 30 neben den vier Seitenwänden 31, 32, 33 und 34 noch eine Bodenfläche, auf welcher die Elektrodeneinheit 10 dann aufliegt, und seitlich von den vier Seitenwänden 31, 32, 33, 34 umgeben ist.
  • Ein Schnitt durch ein Rahmenteil 30 für eine Batteriezelle 2 gemäß einer Abwandlung ist in 3 dargestellt. Das Rahmenteil 30 umfasst ein Federelement 37, welches mit der ersten Seitenwand 31, der zweiten Seitenwand 32, der dritten Seitenwand 33 und der vierten Seitenwand 34 verbunden ist. Das Federelement 37 deckt also eine Fläche des Rahmenteils 30 zumindest annähernd vollständig ab.
  • Im in der Batteriezelle 2 eingebauten Zustand ist das Federelement 37 zwischen einer Fläche der Elektrodeneinheit 10 und der Ummantelung 4 angeordnet. Das Federelement 37 verursacht somit eine Kraft zwischen der Ummantelung 4 und der Elektrodeneinheit 10 und eliminiert somit eventuell vorhandenes Spiel in der Batteriezelle 2.
  • Eine Elektrodeneinheit 10 einer Batteriezelle 2 ist in 4 perspektivisch dargestellt. Die Elektrodeneinheit 10 ist, wie bereits erwähnt, als Elektrodenstapel ausgebildet und umfasst mehrere Einheitszellen, welche jeweils eine plattenförmig ausgebildete Kathode und eine plattenförmige Anode umfassen, welche jeweils mittels eines plattenförmig ausgebildeten Separators voneinander getrennt sind.
  • Die Elektrodeneinheit 10 ist prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgestaltet. Von einer Stirnfläche der Elektrodeneinheit 10 ragen der erste Kollektor 24 und der zweite Kollektor 26 weg. Die Elektrodeneinheit 10 weist Abmessungen auf, welche etwa denen des Freiraums 38 des Rahmenteils 30 entsprechen. Die Elektrodeneinheit 10 füllt somit den Freiraum 38 des Rahmenteils 30 annähernd vollständig aus.
  • Ein Schnitt durch eine Batteriezelle 2 ist in 5 dargestellt. Die Ummantelung 4 umgibt das Rahmenteil 30 und die Elektrodeneinheit 10. Die Kollektoren 24 und 26, von denen in der gezeigten Darstellung nur der erste Kollektor 24 sichtbar ist, durchragen die Aussparungen 35, welche in der ersten Seitenwand 31 des Rahmenteils 30 vorgesehen sind.
  • Die Elektrodeneinheit 10 ist annähernd vollständig zwischen der ersten Seitenwand 31 und der dritten Seitenwand 33 angeordnet. Ebenso ist die Elektrodeneinheit 10 vollständig zwischen der hier nicht dargestellten zweiten Seitenwand 32 und der ebenfalls nicht dargestellten vierten Seitenwand 34 angeordnet.
  • Wie aus der in 5 gezeigten Darstellung ersichtlich, sind die Seitenwände 31, 33, aber auch die nicht sichtbaren Seitenwände 32, 34, geringfügig größer als die Dicke der Elektrodeneinheit 10. Das bedeutet, die Seitenwände 31, 32, 33, 34 erstrecken sich in mindestens einer Richtung weiter als die Elektrodeneinheit 10. Die Elektrodeneinheit 10 ist somit vollständig von den Seitenwänden 31, 32, 33 und 34 umgeben. Insbesondere ist somit eine Berührung von Kanten der Elektrodeneinheit 10 mit der Ummantelung 4 verhindert.
  • Die Elektrodeneinheit 10 ist durch zusätzliche Mittel beispielsweise kraftschlüssig und/oder formschlüssig in dem Freiraum 38 des Rahmenteils 30 fixierbar. Beispielsweise sind passende elastische Abstandshalter zwischen der Elektrodeneinheit 10 und mindestens einer der Seitenwände 31, 32, 33, 34 einsetzbar.
  • Aber auch eine Fixierung der Elektrodeneinheit 10 in dem Freiraum 38 des Rahmenteils 30 mittels Klebens ist denkbar. Insbesondere eignet sich dazu ein elastischer Kleber, welcher beispielsweise auf Acrylbasis oder auf Silikonbasis hergestellt ist. Der Kleber kann dabei Zwischenräume, welche zwischen der Elektrodeneinheit 10 und mindestens einer der Seitenwände 31, 32, 33, 34 verbleiben, ausfüllen und somit die Elektrodeneinheit 10 innerhalb des Rahmenteils fixieren.
  • 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.
  • 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 10225041 A1 [0007]
    • US 2009/0286150 A1 [0008]
    • WO 95/29513 A1 [0009]

Claims (10)

  1. Batteriezelle (2), umfassend eine folienartig ausgebildete Ummantelung (4) und mindestens eine innerhalb der Ummantelung (4) angeordnete Elektrodeneinheit (10) mit zwei Elektroden, nämlich einer Kathode und einer Anode, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Ummantelung (4) ein Rahmenteil (30) angeordnet ist, welches die Elektrodeneinheit (10) zumindest teilweise umgibt.
  2. Batteriezelle (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodeneinheit (10) als Elektrodenstapel ausgebildet ist und annähernd prismatisch, insbesondere annähernd quaderförmig, ausgestaltet ist.
  3. Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenteil (30) eine Berührung von Kanten der Elektrodeneinheit (10) mit der Ummantelung (4) verhindert.
  4. Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenteil (30) vier Seitenwände (31, 32, 33, 34) aufweist, welche die Elektrodeneinheit (10) umgeben.
  5. Batteriezelle (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Seitenwand (31) mindestens eine Aussparung (35) zur Durchführung eines Kollektors (24, 26) der Elektrodeneinheit (10) aufweist.
  6. Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenteil (30) einteilig ausgebildet ist.
  7. Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenteil (30) wannenartig ausgebildet ist.
  8. Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach außen weisende Kanten (39) des Rahmenteils (30) abgerundet oder angefast sind.
  9. Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenteil (30) ein Federelement (37) umfasst, welches zwischen einer Fläche der Elektrodeneinheit (10) und der Ummantelung (4) angeordnet ist.
  10. Verwendung einer Batteriezelle (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
DE102015202894.1A 2015-02-18 2015-02-18 Batteriezelle Pending DE102015202894A1 (de)

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