DE102015217037A1

DE102015217037A1 - Elektrische Speicherzelle mit einem während der Deckelherstellung angeformten Isolationsabschnitt

Info

Publication number: DE102015217037A1
Application number: DE102015217037.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Höfler; Jan-Oliver Roth; Matthias Wagner; Thomas Wöhrle; Sung-jin Kim; Sebastian Scharner; Matthias Tschech; Jens Vetter; Tobias Zeilinger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-09-07
Filing date: 2015-09-07
Publication date: 2016-10-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Speicherzelle (1), mit den Schritten: Fixieren einer Grundplatte (12) eines Deckels (5) und eines Pols (6), der sich durch den Deckel (5) erstreckt; Einbringen von verformbarem elektrischem Isolationsmaterial zwischen die Grundplatte (12) und den Pol (6), wobei sich das Isolationsmaterial in einer Ebene parallel zur Grundplatte (12) in eine Ausnehmung des Pols (6) erstreckt; Aushärten des Isolationsmaterials zum Herstellen eines Isolators (13), so dass der Pol (6) an der Grundplatte (12) fixiert und gegenüber der Grundplatte (12) elektrisch isoliert ist; Einfügen eines elektrochemischen Elements (3) in ein Gehäuse (2) der Speicherzelle (1), und Verschließen des Gehäuses (2) mit dem Deckel (5). Somit fixiert der Isolator (13) bereits bei der Deckelherstellung einen der Pole (6). Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine so hergestellte Speicherzelle.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Speicherzelle, insbesondere für Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden solch einer Speicherzelle.
Elektrische Energiespeicher, wie sie beispielsweise in Elektro- und Hybridfahrzeugen verwendet werden, umfassen in der Regel mehrere elektrisch parallel oder in Serie zueinander geschaltete Zellen.
Solche Speicherzellen vom Stand der Technik weisen ein metallisches Gehäuse auf, in dem ein elektrochemisches Element aufgenommen ist, wobei das Gehäuse mit einem Deckel verschlossen wird, durch den sich Pole erstrecken, über die von der Außenseite das Potential des elektrochemischen Elements abgegriffen werden kann.
Der Zusammenbau solcher Speicherzellen umfasst die Handhabung von zahlreichen Einzelbauteilen, insbesondere der Zusammenbau, das Einsetzen und die Montageüberprüfung der Pole in den Deckel ist aufwendig, da hierzu die Handhabung einer Vielzahl von Einzelbauteilen erforderlich ist. Dies führt zu relativ hohen Herstellungskosten. Auch bei der Montage einer Vielzahl an Einzelbauteilen müssen Undichtheiten zwischen diesen Bauteilen ausgeschlossen werden, was zusätzlichen Aufwand verursacht.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstigere Speicherzelle zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine ein Verfahren zum Herstellen einer Speicherzelle gemäß Anspruch 1 und eine Speicherzelle gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Speicherzelle bereitgestellt, mit den Schritten Fixieren einer Grundplatte eines Deckels und eines Pols, der sich durch den Deckel erstreckt; Einbringen von verformbarem elektrischen Isolationsmaterial zwischen die Grundplatte und den Pol, wobei sich das Isolationsmaterial in einer Ebene parallel zur Grundplatte in eine Ausnehmung des Pols erstreckt; Aushärten des Isolationsmaterials zum Herstellen eines Isolators, so dass der Pol an der Grundplatte fixiert und gegenüber der Grundplatte elektrisch isoliert ist; Einfügen eines elektrochemischen Elements in ein Gehäuse der Speicherzelle, und Verschließen des Gehäuses mit dem Deckel. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Pol direkt während der Deckelherstellung mit Isolationsmaterial umformt, welches die Aufgaben der Befestigung, der Abdichtung und der Isolation gegenüber der Umwelt bzw. dem Gehäuse übernimmt. Durch einen derartigen Aufbau reduziert sich die Bauteilanzahl und der Montageprozess kann erheblich vereinfacht werden, weil ein nachträglicher Einbau des Isolators und des zugehörigen Pols entfällt. Dieses Verfahren kann beispielsweise sowohl für ein Speicherzellengehäuse aus Aluminium oder Edelstahl als auch aus Kunststoff verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfassen die Schritte des Einbringens und Aushärtens einen Gießprozess.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Gießprozess ein Spritzgießprozess.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht der Isolator aus einem Kunststoffmaterial. Besonders gute Ergebnisse werden mit Polypropylen (PP) erzielt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Verfahren weitergebildet, wobei der Pol auf der einen Seite des Deckels einen Stromkollektor bildet und auf der anderen Seite des Deckels einen Stromabgriff bildet, über den ein elektrisches Potential des Stromkollektors abgreifbar ist, wobei das Verfahren ferner den Schritt aufweist: Verschweißen des Stromkollektors mit dem elektrochemischen Element. Dadurch können Blechbügel (Strombügel) entfallen was eine weitere Bauteilverringerung zur Folge hat.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird bei den Schritten des Einfügens und Aushärtens der dem Isolator zugewandte Bereich der Grundplatte beidseitig mit dem Isolationsmaterial bedeckt. Dadurch entsteht eine Hinterschneidung zwischen Grundplatte und Pol, was den Pol noch besser im Deckel hält und fixiert.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Ausbildens eines weiteren Pols mit einem Stromabgriff und einem Stromkollektor in einer einstückigen Weise mit der Grundplatte.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Speicherzelle bereitgestellt mit einem elektrochemischen Element; einem Gehäuse zur Einhausung des elektrochemischen Elements; einem Deckel zum Verschließen des Gehäuses, wobei der Deckel eine Grundplatte und zumindest einen Pol aufweist, der sich durch den Deckel hindurch erstreckt und auf der einen Seite des Deckels einen Stromkollektor bildet, der elektrisch mit dem elektrochemischen Element verbunden ist, und auf der anderen Seite des Deckels einen Stromabgriff bildet, über den ein elektrisches Potential des Stromkollektors abgreifbar ist; wobei zwischen dem Pol und der Grundplatte ein elektrischer Isolator so eingeformt und ausgehärtet ist, dass die Grundplatte und der Pol nicht elektrisch in Kontakt kommen, wobei sich der Isolator in einer Ebene parallel zur Grundplatte in eine Ausnehmung des Pols erstreckt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speicherzelle so weitergebildet, dass der Stromkollektor direkt mit dem elektrochemischen Element verschweißt ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speicherzelle so ausgebildet, dass sich die Grundplatte in die Ausnehmung erstreckt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speicherzelle so weitergebildet, dass der dem Isolator zugewandte Bereich der Grundplatte beidseitig mit dem Isolator bedeckt ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speicherzelle so weitergebildet, dass der Isolator aus einem Kunststoffmaterial besteht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speicherzelle so weitergebildet, dass der Pol zwei Längsenden mit jeweiligen Stirnflächen aufweist, wovon eine Stirnfläche mit dem Stromabgriff verbunden ist und die andere Stirnfläche mit dem elektrochemischen Element verbunden ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speicherzelle so weitergebildet, dass ein weiterer Pol mit einem Stromabgriff und einem Stromkollektor vorgesehen ist, welcher einstückig mit der Grundplatte ausgebildet ist.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
1 ist eine dreidimensionale Ansicht einer erfindungsgemäßen Speicherzelle, und
2 ist eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines Deckels der Speicherzelle aus 1.
1 zeigt eine Speicherzelle 1 in einer dreidimensionalen Ansicht. Mehrere solcher Speicherzellen 1 werden elektrisch parallel oder in Serie zueinander geschaltet und bilden ein Speichermodul. Die Speicherzellen 1 sind vorzugsweise ausgebildet als Lithium-Zelle, Lithium-Batterie, Lithium-Akkumulator, besonders bevorzugt als Lithium-Ionen-Zelle, Lithium-Ionen-Batterie oder Lithium-Ionen-Akkumulator. Mehrere parallel oder in Serie geschaltete Speichermodule bilden einen elektrischen Energiespeicher, wie er beispielsweise in Elektro- und Hybridfahrzeugen verwendet wird. Die Speicherzelle 1 aus 1 umfasst ein Gehäuse 2, einen elektrochemisches Element 3, Isolationshalterungen 4 und einen Deckel 5. Das Gehäuse 2 kann aus Metall- (beispielsweise Aluminium oder Edelstahl) oder Kunststoff hergestellt sein. Die Isolationshalterungen 4 werden zwischen dem in das Gehäuse 2 eingefügten elektrochemischen Element 3 und dem Gehäuse 2 angeordnet. Der Deckel 5 umfasst zwei Pole 6 und 7, die einerseits Stromkollektoren 8, 9 und andererseits Stromabgriffe 10, 11 ausbilden. Die Stromkollektoren 8, 9 sind jeweils mit einer Kathode oder Anode des elektrochemischen Elements 3 elektrisch verbunden. Über die Stromabgriffe 10, 11 kann jeweils das Potential des zugeordneten Stromkollektors 8, 9 abgegriffen werden. Die Pole 6, 7 erstrecken sich dabei durch eine Grundplatte 12 des Deckels 5 hindurch. Die Grundplatte 12 ist vorzugsweise elektrisch leitfähig und vorzugsweise aus Metall (insbesondere Aluminium), kann aber auch aus Kunststoff sein. Beide Pole 6, 7 können, wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, ausgebildet werden. Es ist aber auch möglich, dass nur einer der Pole 6, 7 auf diese Weise ausgebildet wird, vorzugsweise der Anoden-Pol, und der andere Pol, vorzugsweise der Kathoden-Pol, einstückig mit einer Grundplatte 12 des Deckels 5 ausgebildet ist, beispielsweise durch Fließpressen. Der Deckel 5 wird zum Verschließen des Gehäuses 2 beispielsweise per Laserschweißen mit dem Gehäuse 2 verschweißt. Anschließend wird über eine wieder verschließbare Füllöffnung im Deckel 5 ein Elektrolyt in das Gehäuse 2 gefüllt.
2 ist eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts des Deckels 5 der Speicherzelle 1 aus 1. Zur Fixierung zumindest eines der Pole 6 an der Grundplatte 12 wird in dem Bereich zwischen dem Pol 6 und der Grundplatte 12 ein elektrisch isolierendes Isolationsmaterial in verformbarem (vorzugsweise flüssigem) Zustand eingebracht und ausgehärtet. Die erfolgt vorzugsweise durch einen Gießprozess, beispielsweise einem Spritzgießprozess. Dies kann jedoch, insbesondere bei langfaserverstärkten Thermoplasten, auch durch Einpressen und anschließendem Aushärten realisiert werden. Der Isolator 13 ist vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial, einem Duroplast, einem Thermoplast oder Silikon. Es sind verschiedene Ausführungen denkbar. Beispielsweise ist möglich, dass eine Öffnung (beispielsweise rund oder viereckig) in der Grundplatte 12 vorgesehen ist, in der der Pol 6 so angeordnet ist, dass ein Freiraum zwischen der Öffnungskante und der Außenseite des Pols 6 entsteht, der mit dem Isolator 13 aufgefüllt wird. Ferner ist möglich, dass die Grundplatte 12 beim Pol 6 endet und die restliche Fläche, die nötig ist um das Gehäuse 2 zu verschließen, mit dem Isolator 13 aufgefüllt wird, so dass der Isolator 13 als Fortsetzung der Grundplatte 12 ausgebildet ist, durch welche sich der Pol 6 erstreckt. Der Pol 6 ist im Querschnitt (mit der Grundplatte als Schnittebene) beispielsweise rund, oval, quadratisch oder rechteckig. Eine nach innen, zum elektrochemischen Element 3 weisende Stirnfläche 16 des Pols 6 ist direkt mit einer Elektrodenfolie des elektrochemischen Elements 3 verschweißt, wodurch bügelförmige Stromkollektoren, wie sie der Stand der Technik verwendet, entfallen können. Dies bedeutet, dass der Stromkollektor 8 nur im Bereich zwischen der Grundplatte 12/dem Isolator 13 angeordnet ist und nicht im Bereich zwischen dem elektrochemischen Element 3 und dem Speichergehäuse 2. Der Stromabgriff 10 kann beispielsweise aus Aluminium und der Stromkollektor 8 aus Kupfer sein, die entlang einer Schweißnaht 14 miteinander verschweißt sind und den Pol 6 ausbilden. Eine Ausnehmung 15 verläuft, innerhalb einer Ebene, die parallel zur Grundplatte 12 verläuft, in Umfangsrichtung um den Pol 6 herum. Die Abmessung der Ausnehmung in einer Normalrichtung zur Grundplatte 12 ist größer als die Dicke der Grundplatte 12. Vorzugsweise ragt die Grundplatte 12 in die Ausnehmung 15 hinein. Dieses Hineinragen kann auch nur auf einer Seite des Pols 6 realisiert sein. Soll die Grundplatte 12 ringsum in die Ausnehmung 15 hineinragen, dann müsste die Verschweißung von Stromkollektor 8 und Stromabgriff 10 nach Einfügen dieser in die Öffnung der Grundplatte 12 durchgeführt werden oder der bereits verschweißte Pol müsste gekühlt (und somit leicht verkleinert) in die Öffnung eingefügt werden. Vorzugsweise enthält die Ausnehmung 15 die Fügestelle von Stromkollektor 8 und Stromabgriff 10, so dass die Schweißnaht 14 vom Isolator 13, der in die Ausnehmung 15 spritzgegossen wird, abgedeckt wird. Dies hat den Vorteil, dass der im Pol 6 ausgeführte Materialübergang von Kupfer auf Aluminium abgedichtet wird und keine weiteren Maßnahmen ergriffen werden müssen.
Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf die offenbarten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Speicherzelle (1), mit den Schritten: Fixieren einer Grundplatte (12) eines Deckels (5) und eines Pols (6), der sich durch den Deckel (5) erstreckt; Einbringen von verformbarem elektrischem Isolationsmaterial zwischen die Grundplatte (12) und den Pol (6), wobei sich das Isolationsmaterial in einer Ebene parallel zur Grundplatte (12) in eine Ausnehmung des Pols (6) erstreckt; Aushärten des Isolationsmaterials zum Herstellen eines Isolators (13), so dass der Pol (6) an der Grundplatte (12) fixiert und gegenüber der Grundplatte (12) elektrisch isoliert ist; Einfügen eines elektrochemischen Elements (3) in ein Gehäuse (2) der Speicherzelle (1), und Verschließen des Gehäuses (2) mit dem Deckel (5).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Schritte des Einbringens und Aushärtens einen Gießprozess umfassen.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Gießprozess ein Spritzgießprozess ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Isolator (13) aus einem Kunststoffmaterial besteht.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Pol (6) auf der einen Seite des Deckels (5) einen Stromkollektor (8) bildet und auf der anderen Seite des Deckels (5) einen Stromabgriff (10) bildet, über den ein elektrisches Potential des Stromkollektors (8) abgreifbar ist, wobei das Verfahren ferner den Schritt aufweist: Verschweißen des Stromkollektors (8) mit dem elektrochemischen Element (3).
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei den Schritten des Einfügens und Aushärtens der dem Isolator (13) zugewandte Bereich der Grundplatte (12) beidseitig mit dem Isolationsmaterial bedeckt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend den Schritt: Ausbilden eines weiteren Pols (7) mit einem Stromabgriff (7) und einem Stromkollektor (9) in einer einstückigen Weise mit der Grundplatte (12).
Speicherzelle (1) mit einem elektrochemischen Element (3); einem Gehäuse (2) zur Einhausung des elektrochemischen Elements (3); einem Deckel (5) zum Verschließen des Gehäuses (2), wobei der Deckel (5) eine Grundplatte (12) und zumindest einen Pol (6) aufweist, der sich durch den Deckel (5) hindurch erstreckt und auf der einen Seite des Deckels (5) einen Stromkollektor (8) bildet, der elektrisch mit dem elektrochemischen Element (3) verbunden ist, und auf der anderen Seite des Deckels (5) einen Stromabgriff (10) bildet, über den ein elektrisches Potential des Stromkollektors (8) abgreifbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Pol (6) und der Grundplatte (12) ein elektrischer Isolator (13) so eingeformt und ausgehärtet ist, dass die Grundplatte (12) und der Pol (6) nicht elektrisch in Kontakt kommen, wobei sich der Isolator (13) in einer Ebene parallel zur Grundplatte (12) in eine Ausnehmung (15) des Pols (6) erstreckt.
Speicherzelle (1) gemäß Anspruch 8, wobei der Stromkollektor (8) direkt mit dem elektrochemischen Element (3) verschweißt ist.
Speicherzelle (1) gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei sich die Grundplatte (12) in die Ausnehmung (15) erstreckt.
Speicherzelle (1) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der dem Isolator (13) zugewandte Bereich der Grundplatte (12) beidseitig mit dem Isolator (13) bedeckt ist.