DE102015208652A1

DE102015208652A1 - Hybride Batteriekomponente und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102015208652A1
Application number: DE102015208652.6A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Daub; André Heckert; Tobias Zeilinger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2015-05-11
Publication date: 2016-11-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hybride Batteriekomponente sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Batteriekomponente weist ein erstes Bauteil mit einer Oberfläche auf, die zumindest in einem ersten Oberflächenbereich elektrisch leitfähig ist. Des Weiteren weist die Batteriekomponente ein zweites Bauteil mit einer Oberfläche auf, die zumindest in einem zweiten Oberflächenbereich elektrisch leitfähig ist, sowie eine Isolationsschicht aus einem elektrisch nicht-leitenden thermoplastischen Kunststoffmaterial, die zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil angeordnet ist. Die Isolationsschicht haftet dabei an dem ersten Oberflächenbereich einerseits und dem zweiten Oberflächenbereich andererseits klebstofffrei mittels mechanischer Adhäsion und koppelt so die beiden Bauteile an diesen Oberflächenbereichen mechanisch und isoliert diese gleichzeitig elektrisch, insbesondere auch thermisch voneinander.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hybride Batteriekomponente sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie mit einer solchen hybriden Batteriekomponente.
In zahlreichen Anwendungen ist es notwendig, zunächst separate Bauteile miteinander zu verbinden und dabei mechanisch so zu koppeln, dass über die Kopplung mechanische Kräfte übertragen werden können, welche insbesondere Zug-, Schub- oder Scherkräfte sein können. Bei einigen dieser Anwendungen ist es zudem erforderlich, dass bei der Kopplung gleichzeitig eine elektrische und/oder thermische Isolation zwischen den zu verbindenden Bauteilen aufrechterhalten wird. Diese kann vor alter dann relevant sein, wenn die Bauteile aus einem leitfähigen Material, insbesondere aus Metall bestehen.
Vor diesem Hintergrund ist es aus dem Stand der Technik bekannt, zwei metallische Bauteile mittels einer Kunststofffolie zu einer hybriden Batteriekomponente zu verbinden, indem die Kunststofffolie zwischen die beiden Bauteile eingebracht und mit diesen mittels eines Klebstoffs verklebt wird. Die Kunststofffolie gewährleistet dabei die elektrische bzw. thermische Isolation, und die mechanische Kopplung wird über den Klebstoff bereitgestellt, der eine stoffschlüssige Haftung zwischen den Metalloberflächen der Bauteile einerseits und der Kunststoffschicht andererseits erzeugt. In diesem Zusammenhang offenbart die deutschen Patentschrift DE 197 21 731 C1 ein Mehrschicht-Material sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Dabei werden mindestens eine thermoplastische Kunststofffolie und mindestens eine Metallfolie mittels eines als Klebstoff dienenden Polymer-Films mit einer Schichtdicke größer als der Rauhtiefe der Kunststofffolien-Oberfläche unter Druck verpresst und quellverschweißt.
Darüber hinaus ist eine Vielzahl verschiedener Verfahren zur Strukturierung von Oberflächen, insbesondere mittels Laserbestrahlung, bekannt, mittels derer Oberflächenstrukturen mit Abmessungen im Submikrometerbereich erzeugt werden können. So ist etwa in der internationalen Patentanmeldung WO 2013/091606 A2 ein derartiges Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche eines Werkstücks beschrieben. Ein Verfahren zur Oberflächenvorbehandlung von Aluminiumoberflächen mittels Laser vor der Erzeugung von hybriden Verbindungen solcher Aluminiumflächen mittels dazwischenliegender faserverstärkter Kunststoffschichten ist in HECKERT André, ZAEH Michael F, Laser Surface Pre-Treatment of Aluminium for Hybrid Joints with Glass Fibre Reinforced Thermoplastics, Physics Procedia, Band 56, 2014, Seiten 1171–1181, online verfügbar unter www.sciencedirect.com beschrieben.
Im Bereich der Batterietechnik, insbesondere im Hinblick auf Fahrzeugbatterien, ist es des Weiteren bekannt, mehrere, bevorzugt stapelweise angeordnete Batteriezellen miteinander mechanisch zu einem Batteriemodul zu koppeln und Kühlvorrichtungen zur Kühlung der Batteriezellen vorzusehen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Verbindung von Bauteilen einer Batterie zu deren mechanischen Kopplung bei gleichzeitiger elektrischer Isolation dazwischen zu verbessern.
Eine Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht durch eine hybride Batteriekomponente gemäß Anspruch 1, eine Batterie gemäß Anspruch 11 mit einer derartigen Batteriekomponente, sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 12 zur Herstellung einer hybriden Batteriekomponente.
Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine hybride Batteriekomponente. Die Batteriekomponente weist ein erstes Bauteil mit einer Oberfläche auf, die zumindest in einem ersten Oberflächenbereich elektrisch leitfähig ist. Des Weiteren weist die Batteriekomponente ein zweites Bauteil mit einer Oberfläche auf, die zumindest in einem zweiten Oberflächenbereich elektrisch leitfähig ist, sowie eine Isolationsschicht aus einem elektrisch nicht-leitenden thermoplastischen Kunststoffmaterial, die zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil angeordnet ist. Die Isolationsschicht haftet dabei an dem ersten Oberflächenbereich einerseits und dem zweiten Oberflächenbereich andererseits klebstofffrei mittels mechanischer Adhäsion und koppelt so die beiden Bauteile an diesen Oberflächenbereichen mechanisch und isoliert diese gleichzeitig elektrisch voneinander.
Unter einer „hybriden Batteriekomponente” im Sinne der Erfindung ist ein Bauteil einer Batterie zu verstehen, das aus mehreren zumindest teilweise materialverschiedenen miteinander verbundenen Einzelteilen, d. h. einzelnen Bauteilen, zu einer Einheit zusammengesetzt ist.
Unter einer „Batterie” im Sinne der Erfindung ist ein elektrischer Energiespeicher zu verstehen, der wenigstens eine galvanische Primär- oder Sekundärzelle, bevorzugt eine Zusammenschaltung mehrerer gleichartiger galvanischer Primär- oder Sekundärzellen, aufweist. Insbesondere kann eine solche Batterie auch ein Batteriemodul eines mehrere einzelne solche Batteriemodule aufweisenden Energiespeichers sein. Bei der Batterie kann es sich um eine Fahrzeugbatterie, insbesondere zur Versorgung eines Fahrzeugantriebs, handeln. Insbesondere sind Lithium-Ionen-Batterien oder Metall/Luft-Batterien „Batterien” im Sinne der Erfindung.
Ein Material ist „elektrisch leitfähig” bzw. „elektrisch leitend” im Sinne der Erfindung, wenn es frei bewegliche Ladungsträger besitzt und somit zum Transport geladener Teilchen, also zur Stromleitung, benutzt werden kann. Insbesondere sind Metalle elektrisch leitfähig im Sinne der Erfindung. Dasselbe gilt für nicht-metallische Materialien, die eine elektrische Leitfähigkeit (bei 25°C) von mehr als 1 S/m (Ω^–1m^–1) aufweisen.
Unter einem „thermoplastischen Kunststoffmaterial” ist im Sinne der Erfindung ein organisches, polymeres Kunststoffmaterial, insbesondere ein Polyolefin, zu verstehen, das sich in einem bestimmten Temperaturbereich reversibel verformen lässt, insbesondere verschweissbar ist. Zu den Thermoplasten zählen insbesondere: Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polylactat (PLA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK), Polybutylenterephthalat (PBT) und Polyvinylchlorid (PVC).
Unter „mechanischer Adhäsion” ist im Sinne der Erfindung die formschlüssige Verankerung eines Stoffes, hier insbesondere eines thermoplastischen Kunststoffs, in Oberflächenstrukturen eines Fügepartners, hier der Oberfläche eines Bauteils, zu verstehen. Die Oberflächenstrukturen können dabei insbesondere – bevorzugt künstlich erzeugte – Kapillaren, Poren und Hinterschneidungen aufweisen. Die mechanische Verankerung beruht auf dem Eindrangen des Stoffes, insbesondere durch Fließen und anschließendes Erstarren, in die Oberflächenstrukturen des Fügepartners.
Mögliche Vorteile der Erfindung liegen dabei zum einen darin, dass der Bedarf für ein Klebstoffsystem zur Verbindung der Bauteile entfällt und trotzdem hohe Verbindungsfestigkeiten erreicht werden können, die sonst nur mit aufwendigen und kostenintensiven Spezialklebesystemen möglich wären. Außerdem entfallen entsprechend Aushärtezeiten für Klebstoffe. Dies kann zu einer signifikanten Prozessbeschleunigung führen, selbst wenn in Ausführungsformen der Erfindung bei der Verbindung der Bauteile mit der Isolationsschicht letztere zur Erreichung eines thermoplastischen Zustands erwärmt wird und anschließen abkühlen muss, da das Abkühlen in der Regel deutlich schneller verläuft (typischerweise wenige Sekunden) als ein Aushärten eines geeigneten Klebstoffs (typischerweise zumindest einige Minuten oder länger). Zudem kann die effektive Dicke der Isolationsschicht in der hybriden Batteriekomponente aufgrund ihrer thermoplastischen Verformbarkeit während des Fügens – und somit auch deren Isolationswirkung – in einem gewissen Bereich genau und Variabel eingestellt werden.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der hybriden Batteriekomponente und deren Weiterbildungen beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird, beliebig miteinander sowie mit den im Weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform weisen der erste Oberflächenbereich, der zweite Oberflächenbereich oder beide zumindest abschnittsweise eine Oberflächenstruktur mit Strukturelementen auf, deren Abmessungen im Mikrometerbereich oder im Sub-Mikrometerbereich, bevorzugt im Nanometerbereich, liegen und die zumindest teilweise formschlüssig mit einem plastifizierten Oberflächenabschnitt der Isolationsschicht ausgefüllt oder davon umgeben sind. Auf diese Weise lässt sich die Haftung zwischen den Fügepartnern, d. h. zwischen einem der Oberflächenbereiche einerseits und der Isolationsschicht andererseits, besonders effektiv und insbesondere auch ganzflächig im gesamten Verbindungsbereich ausbilden, was eine besonders hohe Haftung ermöglicht. Zudem sind keine weiteren Haftungsvorrichtungen oder Haftungsmittel dafür erforderlich. Die Strukturelemente können insbesondere die Form von Poren, Kapillaren, Schnitten oder Vorsprüngen annehmen. In einer bevorzugten Weiterbildung kann wenigstens eines der Strukturelemente eine Hinterschneidung in dem entsprechenden ersten bzw. zweiten Oberflächenbereich aufweisen oder darstellen. Auch aus Kombinationen der genannten Strukturformen gebildete Strukturelemente sind denkbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Oberflächenstruktur überwiegend, bevorzugt im Wesentlichen, aus einem Oxid des Werkstoffs des zugehörigen ersten bzw. zweiten Bauteils gebildet. Insbesondere kann das Oxid dabei Strukturelemente mit Dimensionen im Nanometerbereich aufweisen, was zur Vergrößerung der Oberfläche der so vorbehandelten Oberflächenbereiche und zur weiteren Verstärkung der Haftung zwischen den Bauteilen und der Isolationsschicht genutzt werden kann. Die Oberflächenstruktur kann insbesondere einfach und schnell im Rahmen eines Oxidationsprozesses, insbesondere durch Laserbestrahlung des ersten bzw. zweiten Oberflächenbereichs, erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die durch die Isolationsschicht vermittelte Haftung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil eine Scherzugfestigkeit von wenigstens 5 MPa, bevorzugt von wenigstens 10 MPa auf. Dies kann insbesondere durch entsprechend gewählte Oberflächenstrukturierung im ersten bzw. zweiten Oberflächenbereich, insbesondere unter Verwendung von Hinterschneidungen ausreichender Anzahl bzw. Oberflächendichte, erreicht werden. Auf diese Weise kann die Batteriekomponente vorteilhaft auch in Batterieformen eingesetzt werden, bei denen starke Zug- oder Scherkräfte an der Verbindungsfläche auftreten können und insbesondere auch die durch die Isolationsschicht vermittelte elektrische bzw. thermische Isolation einer solchen Beanspruchung standhalten muss. Eine solche Anwendung kann insbesondere bei Batteriemodulen auftreten, wo die einzelnen Batteriezellen zum einen miteinander mechanisch gekoppelt, zum anderen aber deren Gehäuse bzw. Einfassungen oder Verspannvorrichtungen (z. B. Druckplatten) voneinander elektrisch isoliert bleiben müssen, selbst wenn bei Erschütterungen des Batteriemoduls, insbesondere bei Fahrzeugbatterien, erhebliche Kräfte auf deren einzelnen Bauteile wirken können und die Verbundstelle zwischen ihnen stark belastet werden kann. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die hybride Batteriekomponente eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Elektrodenkontakts auf und die Isolationsschicht ist so angeordnet, dass sie das erste Bauteil, das zweite Bauteil oder beide zumindest abschnittsweise von der Oberfläche der Ausnehmung elektrisch isoliert.
Unter einem „Elektrodenkontakt” im Sinne der Erfindung ist dabei ein elektrisch leitendes Bauelement einer Batterie, insbesondere einer Batteriezelle zu verstehen, das in elektrischer Verbindung mit wenigstens einer in einer Einhüllung (z. B. Batteriegehäuse, „Coffeebag”-Hülle oder Zellengehäuse) angeordneten Elektrode der Batterie steht, insbesondere daran befestigt oder integral mit dieser ausgebildet ist, und eine elektrische Verbindung der Elektrode in den Außenbereich der Einhüllung bereitstellt. Insbesondere sind sogenannte „Stromableiter” Elektrodenkontakte im Sinne der Erfindung. Dabei handelt es sich bei Stromableitern typischerweise um Metallstücke, die mit einer oder mehreren gleichgepolten Elektroden im Inneren der Einhüllung elektrisch und mechanisch verbunden sind, und die nach außen führen, so dass die Elektroden über entsprechende Stromableiter von außerhalb der Einhüllung kontaktierbar sind.
Bei dieser Ausführungsform kann die hybride Batteriekomponente vorteilhaft zur mechanischen Ausformung bzw. Stabilisierung einer Durchführung für den Elektrodenkontakt in der Einhüllung dienen, wobei die Isolationsschicht je nach Ausgestaltung dafür sorgt, dass der Elektrodenkontakt zumindest von einem der Bauteile elektrisch isoliert bleibt. So kann etwa in einer Weiterbildung dieser Ausführungsform eines der beiden Bauteile der hybriden Batteriekomponente mit dem Elektrodenkontakt außerhalb der Einhüllung verbunden sein und bevorzugt sogar zur Kontaktierung des Elektrodenkontakts dienen, während das andere Bauteil davon elektrisch isoliert bleibt. Das kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn das andere Bauteil die Einhüllung berührt, insbesondere um deren Durchführungsbereich zu stabilisieren oder auszubilden, und die Einhüllung nicht elektrisch mit dem Elektrodenkontakt verbunden sein soll. In einer bevorzugten Implementierung dieser Ausführungsform weisen das erste Bauteil, des zweite Bauteil und die Isolationsschicht jeweils eine Ausnehmung auf, wobei die Ausnehmungen übereinander gestapelt liegen und so zusammen die Ausnehmung der Batteriekomponente zur Aufnahme eines Elektrodenkontakts bilden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das erste Bauteil eine Batteriezelle und das zweite Bauteil eine weitere Batteriezelle, eine Druckplatte oder eine Kühlvorrichtung. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine mechanisch robuste und gleichzeitig elektrisch isolierende Verbindung zwischen mehreren Batteriezellen bzw. zwischen einer oder mehreren Batteriezellen und wenigstens einer Druckplatte oder einer Kühlvorrichtung zum Kühlen der Batterie bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Isolationsschicht eine Kunststofffolie. Insbesondere kann die Kunststofffolie gemäß einer Weiterbildung im Wesentlichen aus wenigstens einem der folgenden Werkstoffe gefertigt sein: Polyamid (PA), Polycarbonat (PC) oder Polyethylen (PE). Weitere mögliche Folienwerkstoffe wurden bereits vorausgehend im Zusammenhang mit dem Begriff „thermoplastisches Kunststoffmaterial” genannt. Auf diese Weise kann die Isolationsschicht kostengünstig aus einer handelsüblichen Folie erzeugt werden, die zudem im Fertigungsprozess leicht handhabbar ist, da sie leicht zugeschnitten und in fester Form zwischen die zu verbindenden Bauteile eingebracht und mit dem ersten bzw. zweiten Oberflächenbereichen unter Druck bzw. thermoplastischer Verformung in kürzester Zeit fest verbunden werden kann, anders als dies etwa bei einer Herstellung der Isolationsschicht aus einem flüssigen Ausgangsstoff der Fall wäre.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die minimale Stärke der Isolationsschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Oberflächenbereich 30 μm. Auf diese Weise kann die Batteriekomponente vorteilhaft insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeugbatteriemodul zur mechanischen Kopplung und gleichzeitigen elektrischen und ggf. auch thermischen Isolation von Bauteilen des Batteriemoduls, insbesondere von benachbarten Batteriezellen, ausgebildet sein. Die genannte Mindeststärke der Isolationsschicht liefert dabei zum Einen bei üblichen Fahrzeugbatterien mit Spannungen bis hin zu einigen hundert Volt einen ausreichenden Isolationswert, z. B. elektrische Durchschlagsfestigkeit und/oder thermische Wärmeübertragungskoeffizienten. Zum Anderen sorgt sie für eine ausreichende Robustheit der Isolation gegenüber bei Fahrzeugen typischerweise in Betracht zu ziehenden, auch starken Erschütterungen wie etwa bei einem Unfall mit Frontalzusammenstoß.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die elektrische Durchschlagsfestigkeit der Isolationsschicht im Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Oberflächenbereich zumindest 1000 V. Auf diese Weise ist die Verwendung der Batteriekomponente insbesondere auch zur Isolation von leitenden Bauteilen ermöglicht, die eine entsprechend hohe Spannung führen können, insbesondere bei Hochvoltbatterien.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere für Elektro- oder Hybridfahrzeuge, mit einer hybriden Batteriekomponente gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, bzw. einer oder mehrerer seiner Ausführungsformen desselben.
Insbesondere kann dabei die hybride Batteriekomponente gemäß bevorzugter Ausführungsformen zur Ausbildung einer Zellverspannung bzw. Zellverbindung eingesetzt sein, die wenigstens zwei Batteriezellen mechanisch koppelt. Die Batteriekomponente kann auch als eines ihrer Bauteile eine Kühlvorrichtung oder wenigstens eine Batteriezelle des Batteriemoduls aufweisen, wobei die Batteriekomponente die Kühlvorrichtung elektrisch von der wenigstens einen Batteriezelle des Batteriemoduls Isoliert. Wie schon vorausgehend beschrieben, kann die Batteriekomponente gemäß einiger Ausführungsformen auch zur Ausbildung einer Elektrodenkontaktdurchführung ausgebildet sein und dafür eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Elektrodenkontakts aufweisen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hybriden Batteriekomponente, insbesondere gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Das Verfahren umfasst einen ersten Fügeschritt zum Verbinden eines ersten Bauteils der Batteriekomponente mit einer ersten Seite einer Isolationsschicht aus einem elektrisch nicht-leitendem thermoplastischen Kunststoffmaterial, wobei das erste Bauteil eine Oberfläche aufweist, die zumindest in einem ersten Oberflächenbereich elektrisch leitfähig ist. Des Weiteren umfasst das Verfahren einen zweiten Fügeschritt zum Verbinden eines zweiten Bauteils der Batteriekomponente mit einer zweiten Seite der Isolationsschicht, wobei das zweite Bauteil eine Oberfläche aufweist, die zumindest in einem zweiten Oberflächenbereich elektrisch leitfähig ist. Dabei erfolgt das Verbinden des ersten Bauteils und des Bauteile mit der Isolationsschicht so unter Zuführung von Wärme, dass dabei das thermoplastische Kunststoffmaterial zumindest teilweise plastifiziert wird und somit die Isolationsschicht an dem ersten Oberflächenbereich einerseits und dem zweiten Oberflächenbereich andererseits klebstofffrei mittels mechanischer Adhäsion befestigt wird, wodurch die beiden Bauteile an diesen Oberflächenbereichen durch die Isolationsschicht mechanisch miteinander gekoppelt und gleichzeitig elektrisch voneinander isoliert werden. Bevorzugt findet das Verbinden unter Druckbeaufschlagung statt, so dass dabei die beides Bauteile unter Druck mit der Isolationsschicht in Kontakt gebracht werden.
Die bereits vorausgehend zum ersten und zweiten Aspekt der Erfindung genannten Vorteile ergeben sich entsprechend auch für das Verfahren bzw. damit hergestellte hybride Batteriekomponenten.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und dessen Weiterbildungen beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird, beliebig miteinander sowie mit den vorausgehend beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden der erste Fügeschritt und der zweite Fügeschritt im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt (einstufiges Verfahren). Dies ist insbesondere dann vorteilhaft im Sinne einer einfacheren und schnelleren Prozessführung, wenn die Stärke und Beschaffenheit der Fügepartner so gewählt ist, dass bereits in einem einzigen Prozessschritt genug Wärme bzw. Druck zugeführt werden kann, um die Verformung des thermoplastischen Kunststoffmaterials zum Aufbau der mechanischen Adhäsion aufzubringen. Dies ist in der Regel insbesondere bei geringen Stärken der Isolationsschicht bzw. einer geringen Wärmekapazität oder Wärmeabfuhr an den zu verbindenden Bauteilen der Fall. Alternativ kann der Prozess gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform auch mehrstufig ausgeführt werden, wobei zunächst die Verbindung zwischen dem ersten Oberflächenbereich und der Isolationsschicht und sodann die Verbindung zwischen dem zweiten Oberflächenbereich und der Isolationsschicht hergestellt wird. Dies erlaubt insbesondere die Verwendung verschiedener Prozessparameter, etwa Druck oder Temperatur, für die beiden einzelnen Verbindungen und kann vor allem bei größeren Stärken der Isolationsschicht bzw. bei einer höheren Wärmekapazität oder Wärmeabfuhr an den zu verbindenden Bauteilen gegenüber dem einstufigen Prozess vorteilhaft sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren des Weiteren einen Vorbereitungsschritt, bei dem der erste Oberflächenbereich oder der zweite Oberflächenbereich, oder beide, mittels eines Lasers mit einer die mechanische Adhäsionshaftung verstärkenden Oberflächenstruktur versehen werden, bevor im ersten bzw. im zweiten Fügeschritt die Verbindung des jeweiligen Oberflächenbereichs mit der Isolationsschicht erfolgt. Mittels des Lasers kann vorteilhaft effizient und schnell eine gewünschte Oberflächenstrukturierung zur Erhöhung der Haftkraft an den Fügebereichen erzeugt werden. Die Lasertechnik erlaubt dabei insbesondere die leichte Herstellung von Hinterschneidungen oder anderen vorbestimmten Strukturelementen, die etwa mittels anderer Strukturierungstechniken wie etwa chemischer Behandlung, Sandstrahlen o. ä. nicht ohne weiteres herstellbar sind. In einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt dabei eine zumindest teilweise Oxidation des Oberflächenbereichs unter Ausbildung einer haftverstärkenden Oberflächenstruktur.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Prozessparameter der Fügeschritte zum Verbinden der Oberflächenbereiche mit der Isolationsschicht so gewählt, dass die Isolationsschicht der resultierenden hybriden Batteriekomponente im Bereich der Verbindung eine vorbestimmte Stärke aufweist, die geringer ist, als die Ausgangsstärke der Isolationsschicht in diesem Bereich vor den Fügeschritten. Insbesondere kann eine Kunststofffolie als Isolationsschicht dienen, die unter Druck und gegebenenfalls Zufuhr von Wärme auf eine geringere Stärke reduziert wird, wobei gleichzeitig die mechanische Adhäsion zur Haftung am jeweiligen Fügepartner erzeugt wird. Durch gezielte Wahl der Prozessparameter, insbesondere Druck und/oder Temperatur, kann dabei die Stärke der entstehenden Isolationsschicht der hybriden Batteriekomponente anwendungsspezifisch gezielt auf eine gewünschte Stärke eingestellt werden, welche zu gewünschten geometrischen Abmessungen und/oder Isolationsstärken korrespondiert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
Dabei zeigt
9 schematisch im Querschnitt entlang der in 2 gezeigten Schnittlinie A-A den exemplarischen Aufbau eines als hybride Batteriekomponente ausgebildeten anodenseitigen Elektrodenkontakts einer galvanischen Zelle einer Fahrzeugbatterie, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
2 schematisch eine Aufsicht auf die den Elektrodenkontakt aufweisende obere Seitenfläche der galvanische Zelle mit hybrider Batteriekomponente aus 1;
3 schematisch und vergrößert die Fügestellen zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil des Elektrodenkontakts gemäß 1;
4 schematisch den Aufbau einer Fahrzeugbatterie aus mehreren Zellen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei Druckplatten, Batteriezellen bzw. eine Kühlvorrichtung die mittels einer Isolationsschicht verbundenen ersten bzw. zweiten Bauteile darstellen; und
5 ein Flussdiagramm zur Illustration einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer hybriden Batteriekomponente, insbesondere eines anodenseitigen Elektrodenkontakts gemäß 1.
Zunächst wird auf 1 Bezug genommen, die einen Elektrodenkontakt, insbesondere einen Anodenelektrodenkontakt, einer Fahrzeugbatterie im Querschnitt entlang einer in 2 gekennzeichneten Schnittlinie A-A zeigt. Der Elektrodenkontakt dient dazu, eine sich innerhalb einer Batteriezelle 6 befindliche Elektrode 4 von außerhalb der Zelle elektrisch kontaktieren zu können. Dazu ist ein als Stromableiter 5 dienender Metallstreifen mit der im Wesentlichen aus Lithium oder einem lithiumhaltigen Metall bestehenden Elektrode 4 verschweißt. Die Elektrode 4 und der Stromableiter 5 sind flexibel, so dass zu deren Fixierung eine ringförmige Batteriekomponente vorgesehen ist, welche den Stromableiter 5 und einen Teil der Elektrode 4 umgibt. Die ringförmige Batteriekomponente ist aus einem ersten Bauteil 1 und einem zweiten Bauteil 2 aufgebaut, die jeweils ringförmig und so übereinander angeordnet sind, das ihre Ringöffnungen übereinander zu liegen kommen, um eine Ausnehmung zur Aufnahme des Stromableiters 5 und eines sich daran anschließenden Teils der Elektrode 4 zu bilden. Unter „ringförmig” ist in diesem Zusammenhang eine Form zu verstehen, die eine Querschnitt aufweist, der durch die Fläche zwischen zwei jeweils geschlossenen Linien definiert ist, von denen eine die andere umgibt, ohne diese zu schneiden. Eine Ringform kann somit insbesondere ein Kreisring sein, ist aber nicht darauf beschränkt. So ist etwa in 2 die Ringform des Bauteils 1 durch zwei ineinander liegende im Wesentlichen rechteckige Linien definiert.
Zwischen dem ersten Bauteil 1 und dem zweiten Bauteil 2 ist eine aus einer Folie aus nichtleitendem Kunststoff, etwa PE, gebildete Isolationsschicht 3 angeordnet, die ebenfalls eine Ringform mit einem Falzbereich (in 1 bzw. 2 horizontal dargestellter Teil der Isolationsschicht 3) aufweist, wobei sich der Falzbereich in einen Zwischenraum zwischen dem ersten Bauteil 1 und dem zweiten Bauteil 2 erstreckt und diese somit elektrisch voneinander isoliert. So kann das erste Bauteil 1 mit dem Stromableiter 5 elektrisch verbunden sein und somit zur Kontaktierung der Elektrode 4 dienen, ohne dass dabei über das zweite Bauteil 2 eine elektrische Verbindung zur Oberfläche der Batteriezelle 6 entsteht. An den Kontaktflächen im Bereich des Falzes zwischen dem ersten Bauteil 1 und der Isolationsschicht 3 einerseits und zwischen dem zweiten Bauteil 2 und der Isolationsschicht 3 andererseits sind die Bauteile 1 bzw. 2 und die Isolationsschicht 3 mittels mechanischer Adhäsion klebstoffrei verbunden, so dass neben der erwähnten elektrischen Isolation auch eine mechanische Kopplung der Bauteile 1 und 2 besteht. Der sich an den Falzbereich anschließende Halsbereich der Isolationsschicht (in 1 bzw. 2 vertikal dargestellter Teil der Isolationsschicht 3) erstreckt sich in einen Zwischenraum zwischen dem zweiten Bauteil 2 und der Elektrode 4 und isoliert diese somit voneinander elektrisch.
In 3 ist die ringförmige Batteriekomponente aus 1 nochmals vergrößert dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen wieder dieselbe Bedeutung haben. Die Isolationsschicht 3 ist einerseits mit einem ersten Oberflächenbereich 1a des Bauteils 1 sowie andererseits mit einem zweiten Oberflächenbereich 2a des Bauteils 2 mittels mechanischer Adhäsion verbunden. Zur Erhöhung der Adhäsionswirkung sind die Oberflächenbereiche 1 und 2 künstlich strukturiert, wobei – wie in 3 mittels unterschiedlicher Strukturgröße (nicht-maßstabsgetreu) schematisch dargestellt – der Oberflächenbereich 1a eine Struktur im Mikrometerbereich aufweist, während der Oberflächenbereich 2 eine Strukturierung im Nanometerbereich aufweist. Beide Strukturierungen enthalten insbesondere Hinterschneidungen und sind mit dem durch Plastifizierung verformten Kunststoffmaterial der Isolationsschicht gefüllt. Das Bauteil 2 kann optional auch an der Kontaktfläche zwischen dem zweiten Bauteil 2 und dem Halsbereich der Isolationsschicht künstlich strukturiert sein, oder aber, wie dargestellt, ohne eine solche Strukturierung ausgebildet sein.
4 zeigt gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch den Aufbau einer Fahrzeugbatterie aus mehreren Batteriezellen. Dabei sind mehrere Batteriezellen 6 zu einem Batteriestapel zusammengefasst, der an seinen beiden Seiten jeweils mit einer Druckplatte 7 abgeschlossen wird. Die beiden sich an den gegenüberliegenden Enden des Zellstapels befindlichen Druckplatten 7 sind über Verspannungselemente 9, die insbesondere Zuganker sein können, an mehreren Seiten des Zellstapels verbunden. Mittels der unter Zug stehenden Verspannungselemente 9 ist der Zellstapel so verspannt, dass dadurch der dazwischen liegende Zellstapel unter Druck steht und als Ganzes fixiert ist. Zusätzlich ist zwischen jeder der Druckplatten 7 und der jeweils benachbarten Batteriezelle 6 eine Isolationsschicht 3 aus Kunststoffmaterial vorgesehen, die zum einen dazu dient, den Zellstapel elektrisch von der jeweiligen Druckplatte 7 zu isolieren und zum anderen mittels mechanischer Adhäsion eine mechanische Kopplung zwischen der Druckplatte 7 und der unmittelbar benachbarten Batteriezelle 6 zu schaffen. Optional kann – wie dargestellt – an einer oder mehreren Seiten des Zellstapels eine Kühlvorrichtung zur Kühlung 10 für den Zellstapel vorgesehen sein. Bevorzugt dienen zwischen den einzelnen Batteriezellen 6 angeordnete Wärmeleitplatten 8 dazu, die bei den in den Batteriezellen 6 durch elektrochemische Reaktionen erzeugte Wärme zu erfassen und zur Kühlvorrichtung 10 zu leiten. Die Wärmeleitplatten sind mittels einer zweiten Isolationsschicht 3a aus Kunststoff mit einer Oberfläche der Kühlvorrichtung verbunden, so dass eine elektrische Isolation zwischen der Kühlvorrichtung 10 und den Batteriezellen 6 besteht. Die Isolationsschicht 3a vermittelt zur (zumindest zusätzlichen) Befestigung der Kühlvorrichtung 10 eine mechanische Haftung zwischen den Wärmeleitplatten 8 und der Kühlvorrichtung 10 mittels mechanischer Adhäsion, auf gleiche Weise wie die Isolationsschicht 3 in 1. Sie ist jedoch so dünn ausgeführt, dass die Wärmeleitung von den Wärmeleitplatten 8 zu Kühlvorrichtung durch die Isolationsschicht 3a nur unwesentlich vermindert wird, ohne dass die gewünschte Isolationswirkung dabei aufgehoben wird.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zu Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
Bezugszeichenliste

1: erstes Bauteil der hybriden Batteriekomponente
1a: erster Oberflächenbereich
2: zweites Bauteil der hybriden Batteriekomponente
2a: zweiter Oberflächenbereich
3, 3a: Isolationsschicht, insbesondere Kunststofffolie
4: Elektrode, insbesondere Anodenelektrode
5: Stromableiter
6: Batteriezelle
7: Druckplatte
8: Wärmeleitplatte
9: Verspannungselement, insbesondere Zuganker
10: Kühlvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19721731 C1 [0003]
WO 2013/091606 A2 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

HECKERT André, ZAEH Michael F, Laser Surface Pre-Treatment of Aluminium for Hybrid Joints with Glass Fibre Reinforced Thermoplastics, Physics Procedia, Band 56, 2014, Seiten 1171–1181 [0004]
www.sciencedirect.com [0004]

Claims

Hybride Batteriekomponente, aufweisend: ein erstes Bauteil (1) mit einer Oberfläche, die zumindest in einem ersten Oberflächenbereich (1a) elektrisch leitfähig ist; ein zweites Bauteil (2) mit einer Oberfläche, die zumindest in einem zweiten Oberflächenbereich (2a) elektrisch leitfähig ist; eine zwischen dem ersten Bauteil (1) und dem zweiten Bauteil (2) angeordneten Isolationsschicht (3) aus einem elektrisch nicht-leitenden thermoplastischen Kunststoffmaterial; wobei die Isolationsschicht (3) an dem ersten Oberflächenbereich (1a) einerseits und dem zweiten Oberflächenbereich (2a) andererseits klebstofffrei mittels mechanischer Adhäsion haftet und so die beiden Bauteile (1, 2) an diesen Oberflächenbereichen (1a, 2a) mechanisch koppelt und gleichzeitig elektrisch voneinander isoliert.
Hybride Batteriekomponente gemäß Anspruch 1, wobei der erste Oberflächenbereich (1a), der zweite Oberflächenbereich (2a) oder beide zumindest abschnittsweise eine Oberflächenstruktur mit Strukturelementen auf, deren Abmessungen im Mikrometerbereich oder im Sub-Mikrometerbereich, bevorzugt im Nanometerbereich, liegen und die zumindest teilweise formschlüssig mit einem plastifizierten Oberflächenabschnitt der Isolationsschicht ausgefüllt oder davon umgeben sind.
Hybride Batteriekomponente gemäß Anspruch 2, wobei wenigstens eines der Strukturelemente eine Hinterschneidung in dem entsprechenden ersten bzw. zweiten Oberflächenbereich darstellt.
Hybride Batteriekomponente gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Oberflächenstruktur überwiegend, bevorzugt im Wesentlichen, aus einem Oxid des Werkstoffs des zugehörigen ersten bzw. zweiten Bauteils gebildet ist.
Hybride Batteriekomponente gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Batteriekomponente eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Elektrodenkontakts (4?) aufweist und die Isolationsschicht ist so angeordnet, dass sie das erste Bauteil (1), das zweite Bauteil (2) oder beide zumindest abschnittsweise von der Oberfläche der Ausnehmung elektrisch isoliert.
Hybride Batteriekomponente gemäß Anspruch 5, wobei das erste Bauteil (1), das zweite Bauteil (2) und die Isolationsschicht (3) jeweils eine Ausnehmung aufweisen, wobei die Ausnehmungen übereinander gestapelt liegen und so zusammen die Ausnehmung der Batteriekomponente zur Aufnahme eines Elektrodenkontakts (4?) bilden.
Hybride Batteriekomponente gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste Bauteil (1) eine Batteriezelle (6) und das zweite Bauteil (2) eine weitere Batteriezelle (6), eine Druckplatte (7) oder eine Kühlvorrichtung (10) ist.
Hybride Batteriekomponente gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Isolationsschicht (3) eine Kunststofffolie ist.
Hybride Batteriekomponente gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Isolationsschicht (3) im Wesentlichen aus wenigstens einem der folgenden Werkstoffe gefertigt ist: – Polyamid, PA; – Polycarbonat, PC; – Polyethylen, PE.
Hybride Batteriekomponente gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei: die minimale Stärke der Isolationsschicht (3) zwischen dem ersten Oberflächenbereich (1a) und dem zweiten Oberflächenbereich (2a) 30 μm beträgt; oder die elektrische Durchschlagsfestigkeit der Isolationsschicht im Bereich zwischen dem ersten Oberflächenbereich (1a) und dem zweiten Oberflächenbereich (2a) zumindest 1000 V beträgt; oder beides.
Batterie (1), insbesondere für Elektro- oder Hybridfahrzeuge, mit einer hybriden Batteriekomponente (2) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung einer hybriden Batteriekomponente, insbesondere einer Batteriekomponente gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Verfahren umfasst: einen ersten Fügeschritt zum Verbinden eines ersten Bauteils (1) der Batteriekomponente mit einer ersten Seite einer Isolationsschicht (3) aus einem elektrisch nicht-leitendem thermoplastischen Kunststoffmaterial, wobei das erste Bauteil (1) eine Oberfläche aufweist, die zumindest in einem ersten Oberflächenbereich (1a) elektrisch leitfähig ist; und einen zweiten Fügeschritt zum Verbinden eines zweiten Bauteils (2) der Batteriekomponente mit einer zweiten Seite der Isolationsschicht (3), wobei das zweite Bauteil (2) eine Oberfläche aufweist, die zumindest in einem zweiten Oberflächenbereich (2a) elektrisch leitfähig ist; wobei das Verbinden des ersten Bauteils (1) und der Bauteile mit der Isolationsschicht unter Zuführung von Wärme so erfolgt, dass dabei das thermoplastische Kunststoffmaterial zumindest teilweise plastifiziert wird und so die Isolationsschicht (3) an dem ersten Oberflächenbereich (1a) einerseits und dem zweiten Oberflächenbereich (2a) andererseits klebstofffrei mittels mechanischer Adhäsion befestigt wird, wodurch die beiden Bauteile (1, 2) an diesen Oberflächenbereichen (1a, 2a) durch die Isolationsschicht (3) mechanisch miteinander gekoppelt und gleichzeitig elektrisch voneinander isoliert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei der erste Fügeschritt und der zweite Fügeschritt im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, des Weiteren umfassend: einen Vorbereitungsschritt, bei dem der erste Oberflächenbereich (1a) oder der zweite Oberflächenbereich (2a), oder beide, mittels eines Lasers mit einer die mechanische Adhäsionshaftung verstärkenden Oberflächenstruktur mit Strukturelementen mit Abmessungen im Mikrometerbereich oder im Sub-Mikrometerbereich, bevorzugt im Nanometerbereich, versehen werden, bevor im ersten bzw. Im zweiten Fügeschritt die Verbindung des jeweiligen Oberflächenbereichs mit der Isolationsschicht (3) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Prozessparameter der Fügeschritte zum Verbinden der Oberflächenbereiche (1a, 2a) mit der Isolationsschicht (3) so gewählt werden, dass die Isolationsschicht (3) der resultierenden hybriden Batteriekomponente im Bereich der Verbindung eine vorbestimmte Stärke aufweist, die geringer ist, als die Ausgangsstärke der Isolationsschicht (3) in diesem Bereich vor den Fügeschritten.