DE102016003441A1

DE102016003441A1 - Batterie sowie Verfahren zur Herstellung einer Batterie

Info

Publication number: DE102016003441A1
Application number: DE102016003441.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hintennach
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-03-19
Filing date: 2016-03-19
Publication date: 2016-11-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (10), mit einem Gehäuse (12), welches einen Innenraum (14) aufweist und mit zumindest zwei Feststoffzellen (16), welche in dem Innenraum (14) angeordnet sind und welche miteinander elektrisch verbunden sind, wobei die Batterie (10) eine Haltevorrichtung (18) aufweist, welche zum Halten der zumindest zwei Feststoffzellen (16) in dem Innenraum (14) eine vorbestimme Kraft auf die zumindest zwei Feststoffzellen (16) ausübt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 7.
Aus dem Stand der Technik sind Batterien bekannt, welche mehrere Feststoffzellen umfassen. Dabei können die Feststoffzellen in einem Innenraum des Gehäuses der Batterie angeordnet sein. Hierzu beschreibt die WO 2013/127573 A1 eine Feststoffzelle, welche eine ein Lithium enthaltende Anode, eine Kathode und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Lithiumionen leitenden Festkörperelektrolyseseparator umfasst. Um die Sicherheit und Zyklenbeständigkeit der Zelle zu verbessern, umfasst die Kathode einen Verbundwerkstoff, welcher mindestens einen Lithiumionen leitenden Feststoffkörperelektrolyten umfasst. Ferner sind eine entsprechende Feststoffbatterie sowie ein damit ausgestattetes mobiles oder stationäres System vorgesehen.
Bei den Feststoffzellen kann es sich beispielsweise um Metall-Polymer-Zellen handeln, welche Feststoffelektrolyte aufweisen können. Diese Feststoffelektrolyte können aufgrund ihrer Brüchigkeit insbesondere in verhältnismäßig kleinen Aufbauten nur schlecht in größeren Flächen verarbeitet werden. Darüber hinaus wäre das Gießen oder Präparieren größerer Folienstücke nur maschinell in sehr großem Umfang möglich. Insbesondere bei dem Einsatz der Feststoffzellen mit Energiespeicher in Kraftfahrzeugen besteht die Problematik, dass infolge von Vibrationen Rissbildungen auftreten können.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterie der eingangs genannten Art, welche Feststoffzellen umfasst, bereitzustellen, welche zuverlässiger betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine erfindungsgemäße Batterie umfasst ein Gehäuse, welches einen Innenraum aufweist. Darüber hinaus umfasst die Batterie zumindest zwei Feststoffzellen, welche in dem Innenraum angeordnet sind und welche elektrisch miteinander verbunden sind. Des Weiteren weist die Batterie eine Haltevorrichtung auf, welche zum Halten der zumindest zwei Feststoffzellen in dem Innenraum eine vorbestimmte Kraft auf die zumindest zwei Feststoffzellen ausübt.
Die Batterie kann beispielsweise in Kraftwagen als elektrischer Energiespeicher eingesetzt werden. Alternativ dazu kann die Batterie in einem stationären oder mobilen Energiespeicher eingesetzt werden. Die Batterie umfasst das Gehäuse, welches aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gebildet sein kann. In dem Innenraum des Gehäuses können mehrere Feststoffzellen angeordnet sein. Die Feststoffzellen können beispielsweise Feststoffelektrolyte umfassen. Die Feststoffzellen können auch als Metall-Polymer-Zellen ausgebildet sein. Mit der Haltevorrichtung können die Feststoffzellen in dem Innenraum gehalten werden. Beispielsweise können die Feststoffzellen übereinander als Stapel in dem Innenraum angeordnet sein. Dabei kann der Stapel an einer ersten Seite durch eine Gehäusewand abgestützt sein. An einer gegenüberliegenden zweiten Seite kann mit der Haltevorrichtung die Haltekraft aufgebracht werden. Mithilfe der Haltevorrichtung kann dabei eine Kraft beziehungsweise ein Druck auf die Feststoffzellen ausgeübt werden. Somit können die einzelnen Feststoffzellen beziehungsweise die Keramikschichten der Feststoffzellen ideal miteinander verpresst werden. Die Feststoffzellen können sich in Abhängigkeit vom Ladezustand unterschiedlich ausdehnen. Dadurch, dass die Haltevorrichtung die Feststoffzellen in dem Innenraum hält beziehungsweise einen Druck auf diese ausübt, kann auch bei unterschiedlichen Ausdehnungsformen eine elektrische Verbindung zwischen den Feststoffzellen garantiert werden. Ferner kann die mechanische Belastung auf die Feststoffzellen gering gehalten werden.
Bevorzugt weist die Haltevorrichtung ein Federelement auf, welches als die vorbestimmte Kraft eine Federkraft auf die zumindest zwei Feststoffzellen ausübt. Die Haltevorrichtung kann das Federelement umfassen, welches beispielsweise an einem Deckelelement angeordnet ist. Mit diesem Deckelelement kann zudem das Gehäuse verschlossen werden. Mit dem Federelement, welches beispielsweise nach Art einer Spiralfeder ausgebildet sein, kann auf einfache und kostengünstige Weise eine konstante Kraft zum Halten der Feststoffzellen im Innenraum bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsform sind die zumindest zwei Feststoffzellen entlang einer Haupterstreckungsrichtung des Gehäuses übereinander angeordnet. Die jeweiligen Feststoffzellen können im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet sein. Dies bedeutet insbesondere, dass die Feststoffzellen bei der Anordnung in dem Gehäuse entlang einer Haupterstreckungsrichtung des Gehäuses eine geringere räumliche Ausdehnung aufweisen als in Gehäusequerrichtung. Die jeweiligen Feststoffzellen können Kontakte aufweisen, durch welche bei der Anordnung der Feststoffzellen in dem Gehäuse ein elektrischer Kontakt zwischen benachbarten Feststoffzellen bereitgestellt wird. Somit können die Feststoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Gehäuse quaderförmig oder zylinderförmig ausgebildet. Wenn das Gehäuse quaderförmig ausgebildet ist können beispielsweise mehrere Gehäuse besonders bauraumsparend nebeneinander angeordnet werden. Falls das Gehäuse zylinderförmig ausgebildet ist, bringt dies den Vorteil mit sich, dass ein solches Gehäuse von außen effektiv gekühlt werden kann.
Bevorzugt umfasst die Batterie eine Kühleinrichtung zum Kühlen der zumindest zwei Feststoffzellen. Bevorzugt weist die Kühleinrichtung zumindest einen Kühlkanal auf, welcher durch eine Ausnehmung in dem Gehäuse gebildet ist und welcher von einem Kühlmedium durchströmbar ist. In einer Gehäusewand oder an der Außenseite des Gehäuses kann zumindest ein Kühlkanal vorgesehen sein, welcher mit einem Kühlmedium, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, durchströmt werden kann. Somit kann eine effektive Kühlung der Feststoffzellen ermöglicht werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Batterie umfasst das Bereitstellen eines Gehäuses, welches einen Innenraum aufweist. Ferner werden zumindest zwei Feststoffzellen in dem Innenraum angeordnet und elektrisch miteinander verbunden. Ferner wird eine Haltevorrichtung an dem Gehäuse angeordnet, welche zum Halten der zumindest zwei Feststoffzellen in dem Innenraum eine vorbestimmte Kraft auf die zumindest zwei Feststoffzellen ausübt.
Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterie beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Fig. eine schematische Längsschnittansicht einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. zeigt eine schematische Darstellung einer Batterie 10 in einer Längsschnittansicht. Die Batterie 10 kann beispielsweise in einem Kraftwagen als elektrischer Energiespeicher verwendet werden. Alternativ dazu kann die Batterie 10 in einem stationären Energiespeicher eingesetzt werden. Die Batterie 10 umfasst ein Gehäuse 12, welches aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gebildet sein kann. Das Gehäuse 12 ist vorliegend zylinderförmig ausgebildet. Das Gehäuse 12 weist einen Innenraum 14 auf, in dem eine Mehrzahl von Feststoffzellen 16 angeordnet werden können. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind beispielhaft drei Feststoffzellen 16 in dem Innenraum 14 dargestellt.
Die Feststoffzellen 16 können beispielsweise aus einer Keramik gebildet sein. Die Feststoffzellen 16 können auch entsprechende Feststoffelektrolyte umfassen. Die Feststoffzellen 16 sind im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet und weisen einen runden Querschnitt auf. Dabei sind die Feststoffzellen 16 entlang einer Haupterstreckungsrichtung 22 der Batterie 10 übereinander angeordnet. Die Feststoffzellen 16 weisen vorliegend entlang der Haupterstreckungsrichtung 22 eine geringere räumliche Erstreckung auf als entlang einer Gehäusequerrichtung 28. Die jeweiligen Feststoffzellen 16 können Elektroden aufweisen, die in die Schichten eingegossen sind. Über diese Elektroden können die benachbarten Feststoffzellen 16 miteinander elektrisch verbunden werden. Ferner kann ein Leitpolymer zwischen den Schichten aufgebracht werden.
Die Anordnung der Feststoffzellen 16 in dem Gehäuse ist rein beispielhaft. Durch die Anordnung der Feststoffzellen 16 in dem Innenraum 14 des Gehäuses 12 kann eine Reihenschaltung der einzelnen Feststoffzellen 16 ermöglicht werden. Dabei kann beispielsweise mit einer der Feststoffzellen 16 eine elektrische Spannung von 3,5 Volt bereitgestellt werden. Durch die Reihenschaltung mehrerer Feststoffzellen 16 kann beispielsweise insgesamt eine Spannung von 60 Volt erreicht werden. Ferner kann es vorgesehen sein, dass mehrere Batterien 10 elektrisch parallel geschaltet werden. Beispielsweise können mehrere Batterien 10 zu einem Batteriepack verbunden werden. Dies ermöglicht insgesamt die Bereitstellung einer verhältnismäßig hohen Endspannung, die beispielsweise 360 Volt betragen kann. Hierzu können beispielsweise sechs Batterien 10 elektrisch parallel geschaltet werden. Durch eine Parallelschaltung von mehreren Batterien 10 kann auch bei dem Ausfall einer der Batterien 10 das Batteriepack weiter betrieben werden.
Die Batterie 10 umfasst ferner eine Haltevorrichtung 16, welcher wiederum ein Deckelelement 26 sowie ein Federelement 20 umfasst. Die Darstellung der Haltevorrichtung 16 ist vorliegend rein schematisch. Mit dem Federelement 20 kann eine Kraft, insbesondere eine Federkraft, bereitgestellt werden, mittels welcher die Feststoffzellen 16 in dem Innenraum 14 gehalten werden. Dabei kann das Deckelelement 26 dazu dienen, das Gehäuse 12 zu verschließen. Durch die Haltekraft beziehungsweise die Federkraft, die mit der Haltevorrichtung 18 bereitgestellt wird, können die einzelnen Feststoffzellen 16 miteinander verpresst werden. Somit können die jeweiligen Feststoffzellen 16 unabhängig von ihrer aktuellen Ausdehnungsform zuverlässig in dem Innenraum 14 gehalten werden. Zudem kann die mechanische Alterung infolge der Ausdehnung der Feststoffzellen 16 in dem nicht dehnbaren Gehäuse 12 vermieden werden. Ferner kann durch die Haltevorrichtung 18 der elektrische Kontakt zwischen den einzelnen Feststoffzellen 16 garantiert werden. Damit kann erreicht werden, dass der Innenwiderstand im Wesentlichen konstant bleibt.
Darüber hinaus umfasst die Batterie 10 eine Kühleinrichtung 30, welche zum Kühlen der Feststoffzellen 16 dient. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Kühleinrichtung 30 mehrere Kühlkanäle 24 beziehungsweise Kühlschlitze, durch welche ein Kühlmedium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, strömen kann. Alternativ dazu könnte eine vollständige Umspülung einer Außenwand des Gehäuses 12 zur Kühlung verwendet werden. Somit kann insgesamt ein zuverlässiger Betrieb der Batterie 10 gewährleistet werden.
Bezugszeichenliste

10: Batterie
12: Gehäuse
14: Innenraum
16: Feststoffzelle
18: Haltevorrichtung
20: Federelement
22: Haupterstreckungsrichtung
24: Kühlkanal
26: Deckelelement
28: Gehäusequerrichtung
30: Kühleinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2013/127573 A1 [0002]

Claims

Batterie (10), mit einem Gehäuse (12), welches einen Innenraum (14) aufweist, und mit zumindest zwei Feststoffzellen (16), welche in dem Innenraum (14) angeordnet sind und welche miteinander elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (10) eine Haltevorrichtung (18) aufweist, welche zum Halten der zumindest zwei Feststoffzellen (16) in dem Innenraum (14) eine vorbestimme Kraft auf die zumindest zwei Feststoffzellen (16) ausübt.
Batterie (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (18) ein Federelement (20) aufweist, welche als die vorbestimmte Kraft eine Federkraft auf die zumindest zwei Feststoffzellen (16) ausübt.
Batterie (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Feststoffzellen (16) entlang einer Haupterstreckungsrichtung (22) des Gehäuses (12) übereinander angeordnet sind.
Batterie (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) quaderförmig oder zylinderförmig ausgebildet ist.
Batterie (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (10) eine Kühleinrichtung (30) zum Kühlen der zumindest zwei Feststoffzellen (16) umfasst.
Batterie (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung zumindest einen Kühlkanal (24) aufweist, welcher durch eine Ausnehmung in dem Gehäuse (12) gebildet ist und welcher von einem Kühlmedium durchströmbar ist.
Verfahren zur Herstellung einer Batterie (10), bei welchem ein Gehäuse (12), welches einen Innenraum (14) aufweist, bereitgestellt wird, bei dem zumindest zwei Feststoffzellen (16) in dem Innenraum (14) angeordnet und diese miteinander elektrisch verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haltevorrichtung (18) an dem Gehäuse (12) angeordnet wird, welche zum Halten der zumindest zwei Feststoffzellen (16) in dem Innenraum (14) eine vorbestimmte Kraft auf die zumindest zwei Feststoffzellen (16) ausübt.