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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Batteriezelle mit einem metallischen Gehäuse nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle. Desweiteren betrifft die Erfindung eine Batterie mit einer solchen Batteriezelle.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Batterien, wie insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, wenigstens aus einem Batteriemodul oder vorteilhaft auch aus einer Mehrzahl an Batteriemodulen bestehen. Weiterhin weist ein Batteriemodul zudem bevorzugt eine Vielzahl an einzelnen Batteriezellen auf, welche untereinander zu dem Batteriemodul verschaltet sind. Dazu weisen die einzelnen Batteriezellen jeweils einen positiven sowie einen negativen Spannungsabgriff auf und sind mittels Zellverbindern seriell oder parallel miteinander verschaltet. Bei einer parallelen Verschaltung der einzelnen Batteriezellen miteinander erhöht sich die Kapazität bzw. Stromstärke des Batteriemoduls, während sich bei einer seriellen Verschaltung der einzelnen Batteriezellen miteinander die Spannung des Batteriemoduls erhöht.
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Der positive bzw. negative Spannungsabgriff einer einzelnen Batteriezelle ist dabei an einer zu einer Umgebung benachbarten Außenseite des Gehäuses der Batteriezelle angeordnet und ist zudem elektrisch mit einem positiven bzw. negativen Pol eines in einem Inneren der Batteriezelle aufgenommenen Elektrodenverbundes verbunden. Dadurch verringert sich aufgrund des durch die Spannungsabgriffe und deren Verschaltung mittels Zellverbindern benötigen Bauraumes die realisierbare Energiedichte eines Batteriemoduls.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise aus der
DE 10 2011 076 919 A1 eine Batteriezelle aufweisend ein Gehäuse mit wenigstens einem in dem Gehäuse angeordneten Elektrodenverbund bekannt. Dabei weist das Gehäuse zwei den Elektrodenverbund von der Umgebung im Wesentlichen separierende Gehäuseelemente auf. Ein erstes Gehäuseelement ist elektrisch mit einem positiven Pol des Elektrodenverbundes verbunden und ein zweites Gehäuseelement ist elektrisch mit einem negativen Pol des Elektrodenverbundes verbunden. Weiterhin ist zwischen dem ersten Gehäuseelement und dem zweiten Gehäuseelement ein Isolationselement angeordnet. Damit ist die Batteriezelle am ersten Gehäuseelement und am zweiten Gehäuseelement elektrisch kontaktierbar, wodurch die realisierbare Energiedichte durch einen Verzicht auf separate an einer zur Umgebung benachbarten Außenseite des Gehäuses angeordnete Spannungsabgriffe erhöht werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Batteriezelle mit einem metallischen Gehäuse und das Verfahren zu deren Herstellung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass zumindest ein Isolationselement, welches zwischen einem ersten Gehäuseelement und einem zweiten Gehäuseelement des metallischen Gehäuses zur elektrischen Isolation angeordnet ist, zumindest eine Barriereschicht aufweist und die zumindest eine Barriereschicht insbesondere eine Diffusion von Lösungsmittel des Elektrolyten und von Feuchtigkeit durch das Isolationselement hindurch verringert. Dadurch kann ein in dem Inneren des metallischen Gehäuses aufgenommener Elektrodenverbund insbesondere besser vor Einflüssen aus der Umgebung der Batteriezelle geschützt werden als bei aus dem Stand der Technik bekannten Batteriezellen.
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Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, mit einem metallischen Gehäuse zur Verfügung gestellt. Dabei ist in dem metallischen Gehäuse ein Elektrodenverbund aufgenommen. Weiterhin weist das metallische Gehäuse ein erstes Gehäuseelement auf, welches elektrisch mit einem positiven Pol des Elektrodenverbundes verbunden ist, und ein zweites Gehäuseelement, welches elektrisch mit einem negativen Pol des Elektrodenverbundes verbunden ist. Desweiteren weist die Batteriezelle zumindest ein zur elektrischen Isolation der beiden Gehäuseelemente voneinander ausgebildetes Isolationselement auf, das zwischen den beiden Gehäuseelementen angeordnet ist. Dabei weist das zumindest eine Isolationselement zumindest eine Barriereschicht auf.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung oder des im unabhängigen Anspruch angegeben Verfahrens möglich.
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Das erste Gehäuseelement, das zweite Gehäuseelement und das zwischen dem ersten Gehäuseelement und dem zweiten Gehäuseelement zur elektrischen Isolation der Gehäuseelemente voneinander angeordnete Isolationselement bilden bevorzugt einen den Elektrodenverbund aufnehmenden Innenraum aus, welcher insbesondere zu einer Umgebung der Batteriezelle abgeschlossen ist, wodurch der in dem Innenraum aufgenommene Elektrodenverbund von der Umgebung getrennt ist. Dadurch kann der Elektrodenverbund insbesondere in der Art von einer Umgebung der Batteriezelle getrennt sein, dass nur über das erste Gehäuseelement die elektrische Spannung eines positiven Pols des Elektrodenverbundes abgegriffen werden kann und nur über das zweite Gehäuseelement die elektrische Spannung eines negativen Pols des Elektrodenverbundes. Weiterhin verringert die Anordnung zumindest einer Barriereschicht eine unerwünschte Diffusion durch das Isolationselement hindurch.
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Da insbesondere das erste Gehäuseelement mit dem positiven Pol des Elektrodenverbundes und das zweite Gehäuseelement mit dem negativen Pol des Elektrodenverbundes elektrisch verbunden ist, kann die positive Spannung des Elektrodenverbundes an dem ersten Gehäuseelement und die negative Spannung an dem zweiten Gehäuseelement abgegriffen werden. Dadurch ist es aber notwendig, dass das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäuseelement elektrisch durch die Anordnung des Isolationselements voneinander isoliert sind. Desweiteren kann das Isolationselement auch für eine elektrische Isolation des metallischen Gehäuses gegenüber der Umgebung, insbesondere gegenüber einer Kühlplatte, ausgebildet sein.
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Das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäuseelement sind dabei aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff ausgebildet. Insbesondere können das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäuseelement aus einem metallischen Werkstoff, wie beispielsweise aus Aluminium oder einer Stahl-Nickel-Mischung, ausgebildet sein. Weiterhin können das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäuseelement aus vernickeltem Stahl und/oder aus vernickeltem Aluminium ausgebildet sein.
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Insbesondere kann das Isolationselement das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäuseelement mechanisch miteinander verbinden, insbesondere zu einer formschlüssigen Verbindung des ersten Gehäuseelements und des zweiten Gehäuseelements. Weiterhin kann das Isolationselement, insbesondere über die Auswahl eines Werkstoffs mit einem geeigneten Elastizitätsmodul, derart ausgebildet sein, dass auf die Gehäuseelemente wirkende Belastungen ausgeglichen werden können, ohne dass Risse im Isolationselement entstehen oder die Batteriezelle geschädigt wird.
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Es ist zweckmäßig, dass an einer Außenfläche des metallischen Gehäuses zumindest eine Barriereschicht angeordnet ist. Als Außenfläche des metallischen Gehäuses ist dabei insbesondere eine zu einer Umgebung der Batteriezelle benachbart angeordnete Oberfläche des metallischen Gehäuses bezeichnet. Dabei ist die zumindest eine Barriereschicht insbesondere derart an der Außenfläche des metallischen Gehäuses angeordnet, dass eine Diffusion an Verbindungstellen zwischen dem metallischen Gehäuses und dem Isolationselement verringert werden kann. Insbesondere ist es dazu auch möglich, dass die zumindest eine Barriereschicht durchgängig an einer Außenseite des Isolationselements und an einer Außenfläche des metallischen Gehäuses angeordnet ist, um Verbindungsstellen zu schützen. Dadurch ist es möglich, eine Diffusion von Lösungsmittel oder Feuchtigkeit durch das zumindest eine Isolationselement hindurch weiter zu verringern.
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Von Vorteil ist es, wenn die zumindest eine Barriereschicht aus einem Kunststoff-Aluminium-Verbund ausgebildet ist. Bevorzugt ist die zumindest eine Barriereschicht aus einem Polyethylen-Aluminium-Verbund ausgebildet. Insbesondere ist die Barriereschicht dabei als ein Dreischichtverbund ausgebildet, welcher eine Trägerschicht, eine Barriere und eine Heißsiegelschicht umfasst, wobei die Barriere zwischen der Trägerschicht und der Heißsiegelschicht angeordnet ist. Die Trägerschicht kann insbesondere aus Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, Polyphtalamid, Polyethersulfon, Polyethylenimin, Polyphtalat oder Polyethylenterephthalat ausgebildet sein und wird direkt an dem zumindest einen Isolationselement angeordnet. Die Barriere kann insbesondere aus einer Aluminiumfolie ausgebildet sein. Desweiteren kann die Barriere als eine auf die Trägerschicht aufgedampfte Aluminium- oder Keramikschicht ausgebildet sein. Die Barriere dient dazu, eine Diffusion durch die Barriereschicht hindurch zu verhindern bzw. zu verringern. Die Heißsiegelschicht ist insbesondere aus Polyethylen ausgebildet und dient dazu, durch Heißsiegeln eine Verbindung zwischen der Barriereschicht und dem Isolationselement herzustellen. Insbesondere ist die Trägerschicht aus Polyethylen ausgebildet, die Barriere aus Aluminium und die Heißsiegelschicht aus Polyethylen, so dass ein als PE-AL-PE-Barriereschicht bezeichneter Dreischichtverbund ausgebildet ist. Desweiteren kann die Barriereschicht oder die Barriere als Siliziumoxidschicht ausgebildet sein. Vorzugsweise umfasst der Dreischichtverbund weitere Schichten insbesondere zur Erhöhung der mechanischen Stabilität, wobei der Dreischichtverbund insbesondere zwei weitere Schichten umfassen kann und somit als ein Fünfschichtverbund ist. An dieser Stelle sei schon angemerkt, dass wie später beschrieben auch eine Verbindung durch Kleben oder Klebebänder möglich ist.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die zumindest eine Barriereschicht an einer zu einer Umgebung der Batteriezelle benachbarten Außenfläche des zumindest einen Isolationselements angeordnet. Das zumindest eine Isolationselement weist insbesondere eine Mehrzahl an Oberflächen auf. Dabei umfasst die Mehrzahl an Oberflächen zumindest eine benachbart zu dem ersten Gehäuseelement angeordnete Oberfläche, zumindest eine benachbart zu dem zweiten Gehäuseelement angeordnete Oberfläche, zumindest eine benachbart zu dem den Elektrodenverbunden aufnehmenden Innenraum angeordnete Oberfläche und zumindest eine benachbart zu der Umgebung der Batteriezelle angeordnete Oberfläche, wobei nur eine benachbart zu der Umgebung der Batteriezelle angeordnete Oberfläche als Außenfläche des zumindest einen Isolationselements bezeichnet ist. Die Anordnung der zumindest einen Barriereschicht an einer zur Umgebung der Batteriezelle benachbarten Außenfläche des zumindest einen Isolationselements hat den Vorteil, dass diese Außenfläche von der Umgebung aus zugänglich ist und damit eine einfache Anordnung der zumindest einen Barriereschicht möglich ist. Selbstverständlich kann die zumindest eine Barriereschicht auch an einer zu dem ersten Gehäuseelement, dem zweiten Gehäuseelement oder dem Innenraum der Batteriezelle benachbart angeordneten Oberfläche des zumindest einen Isolationselements angeordnet sein. Weiterhin kann auch an einer Mehrzahl an Oberflächen des zumindest einen Isolationselements jeweils eine Barriereschicht angeordnet sein, welche insbesondere auch einstückig ausgebildet sein können.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist die zumindest eine Barriereschicht in das zumindest eine Isolationselement integriert. Dadurch kann sich der Montageaufwand während der Herstellung der Batteriezelle verringern, da die Anordnung der Barriereschicht während der Montage entfällt. Insbesondere kann die zumindest eine Barriereschicht in ein Inneres des zumindest einen Isolationselements integriert sein. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass eine in ein Inneres des zumindest einen Isolationselements integrierte Barriereschicht von außen zumindest teilweise nicht sichtbar ist. Dabei ist es insbesondere auch möglich, eine Mehrzahl von Barriereschichten, welche nebeneinander angeordnet sein können, in das Isolationselement zu integrieren.
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Vorteilhafterweise sind das erste Gehäuseelement und/oder das zweite Gehäuseelement halbschalenförmig ausgebildet. Dabei ist es auch möglich, dass das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäuseelement identisch ausgebildet sind.
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Insbesondere weist das halbschalenförmig ausgebildete erste Gehäuseelement eine erste Stirnfläche, eine erste Innenfläche und eine erste Außenfläche auf. Als erste Innenfläche ist dabei eine benachbart zu dem den Elektrodenverbund aufnehmenden Innenraum angeordnete Oberfläche des ersten Gehäuseelements bezeichnet. Als erste Außenfläche ist dabei eine benachbart zu der Umgebung der Batteriezelle angeordnete Oberfläche des ersten Gehäuseelements bezeichnet. Als erste Stirnfläche ist dabei eine benachbart zu der ersten Innenfläche und der ersten Außenfläche angeordnete Oberfläche des ersten Gehäuseelements bezeichnet, wobei die erste Stirnfläche insbesondere zwischen der ersten Innenfläche und der ersten Außenfläche angeordnet ist. Insbesondere weist das halbschalenförmig ausgebildete zweite Gehäuseelement eine zweite Stirnfläche, eine zweite Innenfläche und eine zweite Außenfläche auf. Als zweite Innenfläche ist dabei eine benachbart zu dem den Elektrodenverbund aufnehmenden Innenraum angeordnete Oberfläche des zweiten Gehäuseelements bezeichnet. Als zweite Außenfläche ist dabei eine benachbart zu der Umgebung der Batteriezelle angeordnete Oberfläche des zweiten Gehäuseelements bezeichnet. Als zweite Stirnfläche ist dabei eine benachbart zu der zweiten Innenfläche und der zweiten Außenfläche angeordnete Oberfläche des zweiten Gehäuseelements bezeichnet, wobei die zweite Stirnfläche insbesondere zwischen der zweiten Innenfläche und der zweiten Außenfläche angeordnet ist. Insbesondere sind die erste Stirnfläche und die zweite Stirnfläche benachbart zueinander angeordnet und werden nur durch das zumindest eine Isolationselement voneinander getrennt.
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Zweckmäßigerweise bedeckt das zumindest eine Isolationselement die erste und zweite Stirnfläche vollständig und bedeckt weiterhin zumindest eine Innenfläche und zumindest eine Außenfläche des ersten und des zweiten Gehäuseelements zumindest teilweise. Dadurch kann eine zuverlässige elektrische Isolation der beiden Gehäuseelemente voneinander sichergestellt werden.
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Es ist zweckmäßig, dass das zumindest eine Isolationselement H-förmig oder T-förmig ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass eine zuverlässige elektrische Isolation des ersten Gehäuseelements sowie des zweiten Gehäuseelements voneinander möglich ist und gleichzeitig eine mechanisch zuverlässige Verbindung des ersten Gehäuseelements mit dem zweiten Gehäuseelement möglich ist.
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Von Vorteil ist es, wenn das zumindest eine Isolationselement zumindest eine Sollbruchstelle aufweist. Die Sollbruchstelle ist dabei dazu eingerichtet, oberhalb eines innerhalb des metallischen Gehäuses vorliegenden Drucks aufzubrechen. Insbesondere bricht die Sollbruchstelle oberhalb eines Drucks von 6 bar auf. Dies hat den Vorteil, dass ein kontrolliertes Bersten der Batteriezelle ermöglicht werden kann.
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Insbesondere ist der Elektrodenverbund, welcher bevorzugt in einem von dem ersten und dem zweiten Gehäuseelement sowie dem zumindest einen Isolationselement ausgebildeten Innenraum aufgenommen ist, als Elektrodenstack oder als Elektrodenwickel ausgebildet.
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Alle im Zusammenhang mit der beschriebenen erfindungsgemäßen Batteriezelle erwähnten Weiterbildungen und Vorteile gelten selbstverständlich auch weiterhin im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder der Batterie.
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Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer oben beschriebenen Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, mit einem metallischen Gehäuse, welches ein erstes Gehäuseelement und ein zweites Gehäuseelement aufweist. Dabei wird in dem metallischen Gehäuse ein Elektrodenverbund derart aufgenommen, dass das erste Gehäuseelement elektrisch mit einem positiven Pol des Elektrodenverbundes und dass das zweite Gehäuseelement elektrisch mit einem negativen Pol des Elektrodenverbundes verbunden wird. Zwischen den beiden Gehäuseelementen wird zumindest ein Isolationselement angeordnet. An einer Außenfläche des zumindest einen Isolationselements und/oder an einer Außenfläche des metallischen Gehäuses wird eine Barriereschicht angeordnet.
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Von Vorteil ist es, wenn die Barriereschicht durch Heißsiegeln mit der Außenfläche des zumindest einen Isolationselements und/oder der Außenfläche des metallischen Gehäuses verbunden wird. Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, wenn die Barriereschicht als oben beschriebener zumindest drei Schichten umfassender Dreischichtverbund ausgebildet ist, welcher bevorzugt als PE-AL-PE-Barriereschicht ausgebildet ist, wobei weitere Schichten zu einer Erhöhung der mechanischen Stabilität möglich sind.
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Weiterhin von Vorteil ist es, wenn die Barriereschicht durch Kleben mit der Außenfläche des zumindest einen Isolationselement und/oder der Außenfläche des metallischen Gehäuses verbunden wird. Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, wenn das Kleben über 2k-Epoxy-Klebesysteme, thermische aktivierbare Klebesysteme oder durch UV-Strahlung aktivierbare Klebesysteme erfolgt.
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Des Weiteren kann es von Vorteil sein, wenn die Barriereschicht als Klebeband ausgebildet ist, welches zumindest eine Barriere zur Begrenzung der Diffusion aufweist. Dadurch kann auf einfache Weise eine Verbindung hergestellt werden.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezelle ist für Batterien im mobilen Einsatz, insbesondere in Elektrofahrzeugen und E-Bikes, verwendbar und für Batterien für die Anwendung im stationären Betrieb.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt
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1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle in einer perspektivischen Ansicht,
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2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle in einer Schnittdarstellung,
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2a eine Ausführungsform eines T-förmigen Isolationselements in einer Schnittdarstellung,
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3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle in einer Schnittdarstellung,
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4 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle in einer Schnittdarstellung,
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4a eine Ausführungsform eines H-förmigen Isolationselements in einer Schnittdarstellung,
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5 eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle in einer Schnittdarstellung,
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6 eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle in einer Schnittdarstellung und
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6a eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle in einer Schnittdarstellung.
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Die 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1.
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Die Batteriezelle 1 weist ein metallisches Gehäuse 2 auf, in welchem ein in der 1 nicht zu erkennender Elektrodenverbund 3 aufgenommen ist.
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Desweiteren weist das metallische Gehäuse 2 ein erstes Gehäuseelement 4 und ein zweites Gehäuseelement 5 auf. Das erste Gehäuseelement 4 ist mit einem in 1 nicht zu erkennenden positiven Pol 8 des ebenfalls nicht zu erkennenden Elektrodenverbundes 3 elektrisch verbunden. Das zweite Gehäuseelement 5 ist mit einem in 1 nicht zu erkennenden negativen Pol 9 des ebenfalls nicht zu erkennenden Elektrodenverbundes 3 elektrisch verbunden.
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Das erste Gehäuseelement 4 und das zweite Gehäuseelement 5 des metallischen Gehäuses 2 der in der 1 gezeigte Batteriezelle 1 sind halbschalenförmig ausgebildet.
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Weiterhin ist in der 1 eine Barriereschicht 6 zu erkennen, die bevorzugt an später noch beschriebenen Außenflächen des metallischen Gehäuses 2 und eines Isolationselements 10 angeordnet ist.
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Das metallische Gehäuse 2, das erste Gehäuseelement 4 und das zweite Gehäuseelement 5, welche insbesondere halbschalenförmig ausgebildet sind, der Elektrodenverbund 3 sowie die Ausbildung und die Anordnung der Barriereschicht 6 werden anhand der nachfolgenden 2 bis 6 näher beschrieben. Dabei sind in den 2 bis 6 jeweils Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Batteriezellen 1 gezeigt, welche in einer Schnittdarstellung gemäß der in der 1 gezeigten Ebene 7 gezeigt sind. Bei den gezeigten Schnittdarstellungen wurde aber aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils darauf verzichtet, den gesamten Schnitt darzustellen.
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Die 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 in einer Schnittdarstellung gemäß der in 1 gezeigten Ebene 7.
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Der in 2 nun zu erkennende Elektrodenverbund 3 kann dabei als Elektrodenwickel oder als Elektrodenstack ausgebildet sein. Desweiteren weist der Elektrodenverbund 3 zumindest einen positiven Pol 8 und zumindest einen negativen Pol 9 auf. Dabei ist der zumindest eine positive Pol 8 mit dem ersten Gehäuseelement 4 elektrisch verbunden. Dabei ist der zumindest eine negative Pol 9 mit dem zweiten Gehäuseelement 5 elektrisch verbunden. Dadurch kann das erste Gehäuseelement 4 den positiven Pol der gesamten Batteriezelle 1 ausbilden und das zweite Gehäuseelement 5 kann den negativen Pol der gesamten Batteriezelle 1 ausbilden, so dass auf zusätzliche Spannungsabgriffe am metallischen Gehäuse 2 der Batteriezelle 1 verzichtet werden kann. Für eine solche Ausbildung der Batteriezelle 1 ist es aber erforderlich, dass das erste Gehäuseelement 4 und das zweite Gehäuseelement 5 elektrisch voneinander isoliert sind. Dazu weist die Batteriezelle 1 zumindest ein zur elektrischen Isolation der beiden Gehäuseelemente 4, 5 voneinander ausgebildetes Isolationselement 10 auf. Das Isolationselement 10 ist zwischen den beiden Gehäuseelementen 4, 5 angeordnet.
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An dieser Stelle soll nun noch einmal detaillierter auf die Ausbildung des ersten Gehäuseelements 4 und des zweiten Gehäuseelements 5 eingegangen werden. Wie bereits ausgeführt sind das erste Gehäuseelement 4 und das zweite Gehäuseelement 5 halbschalenförmig ausgebildet. Im Wesentlichen weist ein solches halbschalenförmig ausgebildetes Gehäuseelement 4, 5 eine einen Boden ausbildende erste Gehäusewand 11 und zumindest eine eine Seitenwand ausbildende zweite Gehäusewand 12 auf. Bei prismatisch ausgebildeten ersten bzw. zweiten Gehäuseelementen 4, 5 weist ein solches erstes bzw. zweites Gehäuseelement 4, 5 vier insbesondere rechtwinklig zueinander und rechtwinklig zu der den Boden ausbildenden ersten Gehäusewand 11 angeordnete zweite Gehäusewände 12 auf. An der dem Boden gegenüberliegenden Seite ist das halbschalenförmig ausgebildete erste bzw. zweite Gehäuseelement 4, 5 geöffnet und weist keine weitere Gehäusewand auf. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass das Innere des halbschalenförmig ausgebildeten ersten bzw. zweiten Gehäuseelements 4, 5 von der dem Boden gegenüberliegenden Seite zugänglich ist. Wie insbesondere aus der 1 und der 2 zu erkennen ist, können die Gehäusewände über abgerundete Verbindungsstellen miteinander verbunden sein.
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Die den Boden ausbildende erste Gehäusewand 11 des ersten Gehäuseelements 4 weist eine Innenfläche 111 und eine Außenfläche 112 auf. Weiterhin weist die zweite Gehäusewand 12 des ersten Gehäuseelements 4 eine erste Innenfläche 121 und eine erste Außenfläche 122 auf. Desweiteren weist die zweite Gehäusewand 12 eine erste Stirnfläche 125 auf. Die Innenfläche 111 und die erste Innenfläche 121 sind jeweils benachbart zu einem den Elektrodenverbund 3 aufnehmenden Innenraum 14 des metallischen Gehäuses 2 angeordnet. Die Außenfläche 112 und die erste Außenfläche 122 sind jeweils benachbart zu einer Umgebung 13 des metallischen Gehäuses 2 angeordnet. Die erste Stirnfläche 125 ist benachbart zu der ersten Innenfläche 121 und der ersten Außenfläche 122 angeordnet, insbesondere ist die erste Stirnfläche 125 zwischen der ersten Innenfläche 121 und der ersten Außenfläche 122 angeordnet. Insbesondere soll die erste Stirnfläche 125 einen Übergangsbereich der zweiten Gehäusewand 12 des ersten Gehäuseelements 4 bezeichnen, welcher weder direkt benachbart zu der Umgebung 13 noch zu dem Innenraum 14 angeordnet ist.
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Die den Boden ausbildende erste Gehäusewand 11 des zweiten Gehäuseelements 5 weist eine Innenfläche 113 und eine Außenfläche 114 auf. Weiterhin weist die zweite Gehäusewand 12 des zweiten Gehäuseelements 5 eine zweite Innenfläche 123 und eine zweite Außenfläche 124 auf. Desweiteren weist die zweite Gehäusewand 12 eine zweite Stirnfläche 126 auf. Die Innenfläche 113 und die zweite Innenfläche 123 sind jeweils benachbart zu dem den Elektrodenverbund 3 aufnehmenden Innenraum 14 des metallischen Gehäuses 2 angeordnet. Die Außenfläche 114 und die zweite Außenfläche 124 sind jeweils benachbart zu einer Umgebung 13 des metallischen Gehäuses 2 angeordnet.
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Die zweite Stirnfläche 126 ist benachbart zu der zweiten Innenfläche 123 und der zweiten Außenfläche 124 angeordnet, insbesondere ist die zweite Stirnfläche 125 zwischen der zweiten Innenfläche 123 und der zweiten Außenfläche 124 angeordnet. Insbesondere soll die zweite Stirnfläche 126 einen Übergangsbereich der zweiten Gehäusewand 12 des zweiten Gehäuseelements 5 bezeichnen, welcher weder direkt benachbart zu der Umgebung 13 noch zu dem Innenraum 14 angeordnet ist.
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Wie aus den 1 und 2 zu erkennen ist, sind das erste Gehäuseelement 4 und das zweite Gehäuseelement 5 des metallischen Gehäuses 2 in der Art angeordnet, dass die Öffnungen der beiden Gehäuseelement 4, 5 einander zugewandt angeordnet sind und insbesondere die beiden Stirnflächen 125, 126 benachbart zu einander angeordnet sind und nur durch das zumindest eine Isolationselement 10 voneinander getrennt werden. Dadurch bilden die ersten Gehäusewände 11 sowie die zweiten Gehäusewände 12 den Innenraum 14 aus, welcher den Elektrodenverbund 3 aufnimmt. Der Innenraum 14 ist durch die ersten Gehäusewände 11 und die zweiten Gehäusewände 12 jedoch nur fast vollständig geschlossen, da wie insbesondere aus 2 zu erkennen ist, die erste Stirnfläche 125 und die zweiten Stirnfläche 126 noch durch einen Abstand 15 voneinander beabstandet angeordnet sind. Dieser Abstand 15 verhindert somit einen direkten Kontakt der beiden Gehäuseelement 4, 5, welche jeweils mit zumindest einem Pol 8, 9 des Elektrodenverbundes 3 verbunden sind.
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Das zumindest eine Isolationselement 10 der Batteriezelle 1 ist dabei zumindest teilweise zwischen dem ersten Gehäuseelement 4 und dem zweiten Gehäuseelement 5 zur elektrischen Isolation der beiden Gehäuseelemente 4, 5 voneinander angeordnet. Dabei ist das Isolationselement 10 in der Art angeordnet, dass das Isolationselement 10 die erste Stirnfläche 125 und die zweite Stirnfläche 126 vollständig bedeckt. Insbesondere ist das Isolationselement 10 zumindest teilweise zwischen der ersten Stirnfläche 125 und der zweiten Stirnfläche 126 angeordnet, so dass das Isolationselement 10 dazu dient, den Abstand 15 aufrecht zu erhalten oder einen minimalen Wert für den Abstand 15 nicht zu unterschreiten. Damit dient das Isolationselement 10 zu einer mechanischen Aufrechterhaltung des Abstands 15.
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Das in 2 gezeigte Isolationselement 10 ist T-förmig ausgebildet. Darunter soll verstanden sein, dass das Isolationselement 10, wie in der 2a gezeigt ist, einen ersten Teil 101 aufweist, welcher insbesondere zwischen der ersten Stirnfläche 125 und der zweiten Stirnfläche 126 angeordnet werden kann und damit zur Aufrechterhaltung des Abstands 15 dient, und einen zweiten Teil 102 aufweist, welcher insbesondere außerhalb des metallischen Gehäuses 2 angeordnet werden kann und zu einer sicheren mechanischen Verbindung der beiden Gehäuseelemente 4, 5 dient. Die gestrichelte Linie soll dabei zu einem besseren Verständnis der Abgrenzung zwischen dem ersten Teil 101 und dem zweiten Teil 102 dienen. Das Isolationselement 10 ist bevorzugt einstückig ausgebildet. Der erste Teil 101 und der zweite Teil 102 des Isolationselements 10 sind insbesondere rechtwinklig zu einander angeordnet, wobei der erste Teil 101 mittig an dem zweiten Teil 102 angeordnet ist.
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Das Isolationselement 10 kann bevorzugt mit dem ersten Gehäuseelement 4 und dem zweiten Gehäuseelement 5 durch Kleben verbunden werden. Dadurch ist zwischen dem ersten Gehäuseelement 4 und dem Isolationselement 10, insbesondere dem zweiten Teil 102 des T-förmig ausgebildeten Isolationselements 10, sowie zwischen dem zweiten Gehäuseelement 5 und dem Isolationselement 10, insbesondere dem zweiten Teil 102 des T-förmigen Isolationselement 10, jeweils eine Klebeschicht 16 angeordnet. Durch die Verbindung des Isolationselements 10 mit dem ersten Gehäuseelement 4 und dem zweiten Gehäuseelement 5 wird zum einen der Innenraum 14 vollständig abgeschlossen und zum anderen kann eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Gehäuseelement 4 und dem zweiten Gehäuseelement 5 ausgebildet werden. Dadurch kann auf zusätzlich Fixierungsmittel für eine Stabilisierung des metallischen Gehäuses 2 der Batteriezelle 1 verzichtet werden.
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Das Isolationselement 10 weist zudem eine Barriereschicht 6 auf.
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Wie aus der 2a zu erkennen ist, weist das T-förmig ausgebildete Isolationselement 10 bevorzugt eine Mehrzahl an Oberflächen 103 auf. Zumindest eine Oberfläche 104 kann benachbart zu einer der ersten Außenflächen 122, 124 oder der ersten Innenfläche 121, 123 des metallischen Gehäuses 2 der Batteriezelle 1 angeordnet werden und kann insbesondere durch Kleben mit einer der ersten Außenflächen 122, 124 oder der ersten Innenfläche 121, 123 des metallischen Gehäuses 2 verbunden werden. Zumindest eine Oberfläche 105 kann benachbart zu der ersten Stirnfläche 125 oder der zweiten Stirnfläche 126 angeordnet werden. Zumindest eine Oberfläche 106 kann benachbart zu dem Innenraum 14 der Batteriezelle 1 angeordnet werden. Zumindest eine Oberfläche 107 kann benachbart zu der Umgebung 14 der Batteriezelle 1 angeordnet werden und wird auch als Außenfläche 107 bezeichnet. Mit anderen Worden ausgedrückt bedeutet dies, dass nur solche Oberflächen 103 als eine Außenfläche 107 bezeichnet sind, welche nach dem Zusammenbau der Batteriezelle 1 nicht direkt mir einer der ersten Außenflächen 122, 124 des metallischen Gehäuses 2 der Batteriezelle 1 verbunden sind, die erste Stirnfläche 125 oder die zweite Stirnfläche 126 bedecken oder direkt benachbart zu dem Innenraum 14 der Batteriezelle angeordnet sind. Nochmals mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass nur die Außenflächen 107 nach dem Zusammenbau der Batteriezelle 1 und insbesondere vor der Anordnung der Barriereschicht 6 von der Umgebung 13 der Batteriezelle 1 aus erkennbar sind. Die in 2a gezeigte Ausführungsform eines Isolationselements 10 kann für eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 gemäß 2 verwendet werden.
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Bei der in der 2 gezeigten ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 ist an einer Außenfläche 107 eine Barriereschicht 6 angeordnet.
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Weiterhin ist aus der 2 zu erkennen, dass an einer der Außenflächen 122, 124 des metallischen Gehäuses 2, insbesondere der ersten Außenfläche 122 und der zweiten Außenfläche 124, eine Barriereschicht 6 angeordnet ist. Dabei ist die Barriereschicht 6 derart ausgebildet, dass diese sowohl an einer Außenfläche 122, 124 des metallischen Gehäuses 2 als auch an einer zur Umgebung 13 benachbarten Außenfläche 107 angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, benachbart zu der Umgebung 13 liegende Verbindungsstellen zwischen dem metallischen Gehäuse 2 und dem Isolationselement 10, welche mit Position 17 bezeichnet sind, mit einer Barriereschicht 6 zu bedecken.
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Desweiteren zeigt die 2, dass das Isolationselement 10 zumindest eine Sollbruchstelle 25 aufweist. Insbesondere weist das Isolationselement 10, welches in 2 gezeigt ist, zwei Sollbruchstellen 25 auf. Die Sollbruchstellen 25 sollen oberhalb eines bestimmten innerhalb des Innenraums 14 vorliegenden Drucks ein definiertes Aufbrechen des Isolationselements 10 ermöglichen, um so einen kontrollieren Druckabbau zu ermöglichen.
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Die 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 in einer Schnittdarstellung gemäß der in 1 gezeigten Ebene 7.
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Die in 3 gezeigte zweite Ausführungsform einer Batteriezelle 1 unterscheidet sich von der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform einer Batteriezelle 1 insbesondere durch die Anordnung des T-förmig ausgebildeten Isolationselement 10, welches nun derart angeordnet ist, dass der zweite Teil 102 nicht außerhalb des metallischen Gehäuses 2, sondern innerhalb des metallischen Gehäuses 2 angeordnet ist.
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Insbesondere ist das Isolationselement 10 durch Kleben mit der ersten Innenfläche 121 und der zweiten Innenfläche 123 verbunden, so dass zwischen dem Isolationselement 10 und der ersten Innenfläche 121 und der zweiten Innenfläche 123 eine Klebeschicht 16 angeordnet ist.
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Desweitern weisen das erste Gehäuseelement 4 und das zweite Gehäuseelement 5, wie aus der 3 zu erkennen ist, jeweils eine zur Aufnahme des Isolationselements 10 eingerichtete Aussparung 19 auf. Insbesondere sind die Aussparungen 19 derart ausgebildet, dass diese den zweiten Teil 102 des in 2a gezeigten und T-förmig ausgebildeten Isolationselements 10 aufnehmen können. Dabei kann die in 2a gezeigte Ausführungsform eines Isolationselements 10 auch für eine zweite Ausführungsform einer Batteriezelle 1 gemäß 3 verwendet werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die oben gemachten Definitionen der Oberflächen 104 bis 107 weiterhin gelten, so dass die Bezugszeichen 104 bis 107 aus 2a für die zweite Ausführungsform der Batteriezelle 1 gemäß 3 nicht mehr gelten.
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Weiterhin weist die in 3 gezeigte Batteriezelle 1 eine Barriereschicht 6 auf, die insbesondere planar ausgebildet ist und an der ersten Außenfläche 122, der zweiten Außenfläche 124 und dem Isolationselement 10, insbesondere der Außenfläche 107, angeordnet ist. Dabei kann die Barriereschicht 6 mit der ersten Außenfläche 122, der zweiten Außenfläche 124 und dem Isolationselement durch Kleben oder Heißsiegeln verbunden werden, wobei bei einem Kleben wie aus 3 zu erkennen ist, eine Klebeschicht 16 angeordnet ist.
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Die in 3 gezeigte zweite Ausführungsform hat den Vorteil, dass die mechanische Stabilität der Batteriezelle 1 auch bei einer Zunahme des Druckes in dem Innenraum 14 erhalten bleibt, da der zweite Teil 102 des Isolationselements 10 die Kräfte aufnehmen kann.
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Die 4 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 in einer Schnittdarstellung gemäß der in 1 gezeigten Ebene 7.
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Dabei unterscheidet sich die in 4 gezeigte dritte Ausführungsform einer Batteriezelle 1 von den in den 1 und 2 gezeigten ersten bzw. zweiten Ausführungsformen im Wesentlichen dadurch, dass das Isolationselement 10 H-förmig ausgebildet ist.
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Das H-förmige Isolationselement 10 kombiniert dabei die in der 2 gezeigte Anordnung des zweiten Teils 102 des T-förmigen Isolationselements 10 außerhalb des metallischen Gehäuses 2 mit der in der 3 gezeigten Anordnung des zweiten Teils 102 des T-förmigen Isolationselements 10 innerhalb des metallischen Gehäuses 2.
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Die 4a zeigt eine Ausführungsform eines H-förmig ausgebildeten Isolationselements 10. Dabei sollen die im Zusammenhang mit der 2a gemachten Definitionen der Oberflächen 104 bis 107 weiterhin gelten. Wie aus der 4a zu erkennen ist, weist das Isolationselement 10 einen ersten Teil 101, welcher zwischen der ersten Stirnfläche 125 und der zweiten Stirnfläche 126 angeordnet ist und zwei an gegenüberliegenden Seiten des H-förmigen Isolationselement 10 angeordnete zweite Teile 102 auf, wobei der eine der zwei zweiten Teile 102 außerhalb des metallischen Gehäuses 2 angeordnet wird und der anderen der zwei zweiten Teile 102 innerhalb des metallischen Gehäuses 2 angeordnet wird und insbesondere in Aussparungen 19 aufgenommen wird.
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Das H-förmig ausgebildete Isolationselement 10 kann wie bereits beschrieben durch Kleben oder Heißsiegeln mit dem ersten Gehäuseelement 4 und/oder dem zweiten Gehäuseelement 5 verbunden werden, so dass zwischen dem ersten Gehäuseelement 4 bzw. dem zweiten Gehäuseelement 5 und dem H-förmig ausgebildeten Isolationselement 10 eine Klebeschicht 16 angeordnet ist, insbesondere eine Mehrzahl an Klebeschichten 16 angeordnet sind.
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An der zur der Umgebung 13 benachbarten Außenfläche 107 des Isolationselements 10 weist das Isolationselement 10 eine bereits beschriebene Barriereschicht 6 auf.
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Das H-förmige Isolationselement 10 dient für eine sichere elektrische Isolation zwischen den beiden Gehäuseelement 4, 5 und kann gleichzeitige eine stabile mechanische Verbindung zwischen den beiden Gehäuseelementen 4, 5 gewährleisten.
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Die 5 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 in einer Schnittdarstellung gemäß der in 1 gezeigten Ebene 7.
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Die in 5 gezeigte vierte Ausführungsform einer Batteriezelle 1 unterscheidet sich von den bisher beschriebenen Ausführungsformen dadurch, dass die Batteriezelle 1 weiterhin zusätzlich zumindest ein weiteres Isolationselement 20 aufweist. Die in 5 gezeigte vierte Ausführungsform einer Batteriezelle 1 weist insbesondere zwei weitere Isolationselemente 20 auf. Das zumindest eine weitere Isolationselement 20 dient dazu den isolierten Bereich der Batteriezelle 1 gegenüber der Umgebung 13 zu vergrößern.
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Weiterhin weist die vierte Ausführungsform eine Barriereschicht 16 auf, welche an einer Außenfläche 107 des zumindest einen Isolationselement 10 und an einer Außenfläche 107 der zwei weiteren Isolationselemente 20 angeordnet ist.
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Weiterhin ist aus der 5 zu erkennen, dass das zumindest eine Isolationselement 10 und das zumindest eine weitere Isolationselement 20 durch eine Klebeschicht 16, welche zur Verbindung des metallischen Gehäuses 2 mit der Barriereschicht 6 dient getrennt sind.
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Die 6 zeigt eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 in einer Schnittdarstellung gemäß der in 1 gezeigten Ebene 7.
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Im Unterschied zu den bereits beschriebenen Ausführungsformen sind das erste Gehäuseelement 4 und das zweite Gehäuseelement 5 nicht identisch ausgebildet. Insbesondere unterscheiden sich die zweite Gehäusewand 12 des ersten Gehäuseelements 4 und die zweite Gehäusewand 12 des zweiten Gehäuseelements 5, wobei wie aus der 6 zu erkennen ist, eine die Tiefe des halbschalenförmig ausgebildeten ersten Gehäuseelements 4 charakterisierende Länge 21 größer ist als eine die Tiefe des halbschalenförmig ausgebildeten zweiten Gehäuseelements 5 charakterisierende Länge 22. Bevorzugt ist die Länge 21 doppelt so groß wie die Länge 22.
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Wie aus der 6 zu erkennen ist, weist die Batteriezelle 1 zwei Isolationselemente 10 auf. Insbesondere weist das erste Gehäuseelement 4 ein erstes Isolationselement 21 auf und das zweite Gehäuseelement 5 weist ein zweites Isolationselement 22 auf. Das erste Isolationselement 21 ist dabei zwischen der Innenfläche 111 und dem Elektrodenverbund 3 sowie zwischen der ersten Innenfläche 121 und dem Elektrodenverbund 3 angeordnet. Das zweite Isolationselement 22 ist dabei zwischen der Innenfläche 113 und dem Elektrodenverbund 3 sowie zwischen der zweiten Innenfläche 123 und dem Elektrodenverbund 3 angeordnet. Dabei ist der positive Pol 8 bzw. der negative Pol 9 des Elektrodenverbundes 3 aber dennoch elektrisch mit dem ersten Gehäuseelement 4 bzw. dem zweiten Gehäuseelement 5 verbunden.
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Desweiteren ist das zweite Isolationselement 22 derart ausgebildet, dass das zweite Isolationselement 22 die erste Außenseite 122 zumindest teilweise bedeckt. Weiterhin ist das zweite Isolationselement 22 zwischen der ersten Stirnfläche 125 und der zweiten Stirnfläche 126 angeordnet und dient so damit zu einer Sicherstellung der elektrischen Isolation.
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Weiterhin ist aus der 6 zu erkennen, dass die Batteriezelle 1 eine Barriereschicht 6 aufweist. Die Barriereschicht 6 ist dabei an der zweiten Außenfläche 124 der zweiten Gehäusewand 12 des zweiten Gehäuseelements 5 und an der Außenfläche 107 des zweiten Isolationselements 22 angeordnet. Dadurch kann eine Diffusion von Lösungsmittel oder Feuchtigkeit durch das erste Isolationselement 21 und/oder das zweite Isolationselement 22 hindurch verringert werden.
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Die 6a zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 in einer Schnittdarstellung.
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Die in der 6a gezeigte Batteriezelle 1 weist ein Isolationselement 10 auf, welches derart ausgebildet ist, dass das Isolationselement 10 zwischen der ersten Stirnfläche 125 und der zweiten Stirnfläche 126 angeordnet ist, und dass das Isolationselement 10 an der zweiten Innenfläche 123 und an der ersten Außenfläche 122 angeordnet ist. Dadurch kann auf eine einfache Weise eine sichere elektrische Isolation und zuverlässige mechanische Verbindung bereitgestellt werden.
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Weiterhin weist die Batteriezelle 1 gemäß 6a eine Barriereschicht 6 auf, welche an der Außenfläche 107 des Isolationselements 10 und an der zweiten Außenfläche 124 der zweiten Gehäusewand 12 des zweiten Gehäuseelements 5 angeordnet ist. Dadurch kann ein zuverlässiger Diffusionsschutz gewährleistet werden, welcher insbesondere Verbindungsstellen 17 zuverlässig sichert. Selbstverständlich ist es möglich, das Isolationselement 10 und die Barriereschicht 6, wie oben beschrieben durch Kleben oder Heißsiegeln mit dem metallischen Gehäuse 2 bzw. dem Isolationselement 10 zu verbinden.
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Alle durch die Zeichnungen beschriebenen Ausführungsformen dienen nur dem besseren Verständnis der Erfindung und können gegebenenfalls beliebig miteinander kombiniert werden und sollen die Erfindung keinesfalls einschränken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011076919 A1 [0004]
