DE102016206334A1

DE102016206334A1 - Energiespeicherzellengehäuse, Engergiespeicherzele und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102016206334A1
Application number: DE102016206334.0A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Daub; Tobias Zeilinger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2017-10-19

Abstract

Ein erster Erfindungsgesichtspunkt betrifft ein Energiespeicherzellengehäuse (6) zur Aufnahme eines elektrochemischen Elements (4). Das Energiespeicherzellengehäuse (8) weist ein elektrisch leitfähiges erstes Gehäuseteil (8) mit einer ersten Wandung (12) auf. Erfindungsgemäß ist die ersten Wandung (12) zum Anschweißen eines ersten Elektrodenanschlusses (34) des in dem ersten Gehäuseteils (8) aufgenommenen elektrochemischen Elements (4) von außen, insbesondere durch Laserschweißen, vorbereitet. Die Erfindung betrifft auch eine Energiespeicherzelle (2) und ein Verfahren zur Herstellung derselben.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiespeicherzellengehäuse zur Aufnahme eines elektrochemischen Elements, eine Energiespeicherzelle und ein Verfahren zu deren Herstellung.
STAND DER TECHNIK
Aus der DE 10 2012 218 991 A1 ist eine Energiespeicherzelle zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug zum alleinigen oder unterstützenden Antrieb des Kraftfahrzeugs über einen Elektromotor bekannt, umfassend ein elektrisch leitfähiges Gehäuse mit zumindest einer ersten, zweiten und dritten Außenwandung, wobei die erste Außenwandung von der zweiten Außenwandung beabstandet ist, und wobei die dritte Außenwandung die erste und die zweite Außenwandung miteinander verbindet, zumindest ein im Gehäuse angeordnetes, elektrochemisches Element mit einem anodischen Anschluss und einem kathodischen Anschluss, einen elektrisch leitend mit dem anodischen Anschluss verbundenen anodischen Stromabgriff auf der ersten Außenwandung, und einen elektrisch leitend mit der ersten oder dritten Außenwandung verbundenen kathodischen Stromabgriff, wobei der kathodische Anschluss im Inneren des Gehäuses mit der zweiten Außenwandung elektrisch und thermisch leitend verbunden ist. Der kathodische Anschluss im Inneren des Gehäuse, welcher das elektrochemische Element mit der zweiten Außenwandung verbindet, ermöglicht einen Stromfluss vom elektrochemischen Element über das Gehäuse zum kathodischen Stromabgriff sowie eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem elektrochemischen Element und der zweiten Außenfläche. In dem elektrochemischen Element entstehende Wärme kann über ein metallisches Element, nämlich den kathodischen Anschluss, direkt an die zweite Außenfläche des Gehäuses abgeführt werden. Da sich an der zweiten Außenfläche kein Stromabgriff befindet, kann die zweite Außenfläche des Gehäuses zur Kühlung der Energiespeicherzelle verwendet werden. Die zweite Außenwandung bildet eine Bodenwandung und die dritte Außenwandung bildet eine Seitenwandung eines Gehäusetopfs, und die erste Außenwandung ist als Gehäusedeckel, welcher eine durch die dritte Außenwandung berandete Öffnung des Gehäusetopfs verschließt, ausgeführt. Das Gehäuse ist insgesamt quaderförmig, sodass die dritte Außenwandung durch vier Außenflächen (genauer: vier rechtwinklig verbundene Wandungsteile) gebildet wird.
In der genannten Offenlegung ist die Art der Verbindung des kathodischen Anschlusses mit der zweiten Außenwandung im Inneren des Gehäuses nicht näher ausgeführt. Denkbar ist ein Anpressen durch elastische Kräfte, die aber im Laufe der Zeit nachlassen können und nicht als dauerhaft sichere Verbindung angesehen werden können. Zudem könnte der kathodische Anschluss bei Erschütterungen oder Lagewechseln an der Innenseite der zweiten Außenwandung scheuern, was zur Erzeugung zusätzlicher Reibungswärme, zur Verschlechterung des elektrischen Kontakts und zum Anfallen von Materialabrieb führen könnte, der in das Inneren des elektrochemischen Elements eindringen und Kurzschlüsse und Durchbrennen der Zelle bewirken könnte. Eine feste Anbindung ist daher wünschenswert. Hierzu Ist beispielsweise eine Anbindung durch Ultraschall- oder Widerstandsschweißen von der Innenseite her denkbar. Dies ist jedoch aufgrund der sehr schlechten Zugänglichkeit der Fügezone nur schwer realisierbar. Beispielsweise müsste im Inneren des Elektrodenwickels des elektrochemischen Elements eine Durchgangsöffnung offengehalten werden, um eine Schweißelektrode oder eine Sonotrode von innen zu der Fügestelle führen zu können. Dies führt zu einem Totvolumen innerhalb der Zelle, das sich negativ auf die Energiedichte der Zelle auswirkt. Auch ist eine Prüfung der Schweißnaht kaum möglich.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Aufbau und die Herstellung einer Energiespeicherzelle im Hinblick auf die oben genannten Aspekte zu verbessern. Insbesondere bestehen Teilaufgaben der Erfindung darin, eine Konstruktion einer Energiespeicherzelle derart bereitzustellen, dass eine betriebssichere, feste und dauerhafte elektrisch und thermisch leitende Anbindung eines ersten Elektrodenanschlusses an einer Wandung eines Energiespeicherzellengehäuses hergestellt werden kann, ohne über das Innere des Energiespeicherzellengehäuses auf die Fügestelle zuzugreifen, und dass eine Überprüfung der Fügestelle von außen möglich ist. Die vorstehende Aufgabe bzw. ihre Teilaufgaben wird bzw. werden wenigstens in Teilaspekten mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Erfindungsgesichtspunkt betrifft ein Energiespeicherzellengehäuse zur Aufnahme eines elektrochemischen Elements. Das Energiespeicherzellengehäuse weist ein elektrisch leitfähiges erstes Gehäuseteil mit einer ersten Wandung auf. Erfindungsgemäß ist die erste Wandung zum Anschweißen eines ersten Elektrodenanschlusses des in dem Energiespeicherzellengehäuse aufgenommenen elektrochemischen Elements von außen, insbesondere durch Laserschweißen, vorbereitet.
Da die erste Wandung zum Anschweißen eines ersten Elektrodenanschlusses des in dem ersten Gehäuseteil aufgenommenen elektrochemischen Elements von außen vorbereitet ist, kann eine Anbindung eines ersten Elektrodenanschlusses durch Schweißen von außen hergestellt werden, so dass nicht über das Innere des Energiespeicherzellengehäuses auf die Fügestelle zugegriffen werden muss. Insbesondere muss im Inneren eines Elektrodenwickels des elektrochemischen Elements keine Durchgangsöffnung offengehalten werden, um eine Schweißelektrode oder eine Sonotrode von innen zu der Fügestelle zu führen. Ein Totvolumen innerhalb der Zelle kann minimiert werden, was sich positiv auf die Energiedichte der Zelle auswirkt. Durch das Anschweißen wird eine betriebssichere, feste und dauerhafte elektrisch und thermisch leitende Anbindung geschaffen. Eine Überprüfung der Fügestelle, die sich als Schweißnaht zeigt, ist von außen ohne weiteres möglich. Durch Laserschweißen können mechanische und thermische Belastungen des elektrochemischen Elements gering gehalten oder weitgehend vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Wandung mittels einer Durchbrechung zum Anschweißen des ersten Elektrodenanschlusses vorbereitet. Dabei kann die Durchbrechung wenigstens einen bzw. eine

– eines durchgehenden ersten Schlitzes, welcher sich in einer ersten Richtung erstreckt,
– einer Reihe von zweiten Schlitzen, welche sich koaxial oder im Wesentlichen koaxial zueinander in der ersten Richtung erstrecken,
– eines oder einer Reihe von dritten Schlitzen, welche sich parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander in einer zweiten Richtung rechtwinklig oder im Wesentlichen rechtwinklig zu der ersten Richtung anschließt, erstreckt bzw. erstrecken, wobei wenigstens einer der dritten Schlitze vorzugsweise mit dem ersten oder einem der zweiten Schlitze verbunden ist, und
– eines oder eine Anordnung von Rundlöchern

Wenn die ersten Wandung eine Sicke aufweist, welche die Durchbrechung aufweist, können die Schweißnaht und eventuelle Überstände in der Sicke aufgenommen werden. Dadurch kann eine besonders sichere Verbindung zwischen dem ersten Elektrodenanschluss und der ersten Wandung durchgeführt werden und ist nachträglich gut von außen prüfbar.
Vorzugsweise weist das erste Gehäuseteil eine topfartige Struktur auf. Dabei kann die erste Wandung eine Bodenwandung sein, und eine zweite Wandung kann eine Seitenwandung der topfartigen Struktur bilden, die an die erste Wandung einstückig oder elektrisch leitend verbunden anschließt. In einem Abstand von der ersten Wandung kann eine durch die zweiten Wandung berandete Einführungsöffnung zum Einführen des elektrochemischen Elements vorgesehen ist. Die Einführungsöffnung kann dabei eine Ebene definieren, welche zu der ersten Wandung parallel verläuft. Das erste Gehäuseteil kann verschiedene Formen annehmen, vorzugsweise prismatisch, insbesondere quaderförmig, bevorzugt flach quaderförmig, oder zylindrisch, bevorzugt flach zylindrisch ausgebildet sein. Wenn beispielsweise die zweite Wandung einen viereckrohrförmigen, bevorzugt flach rechteckrohrförmigen Querschnitt aufweist, können mehrere hiermit aufgebaute, (flach) quaderförmige Energiespeicherzellen vorteilhaft mit ihren Flachseiten zueinander zu Modulen zusammengefasst werden. In dieser Ausführungsform kann die zweite Wandung vier zueinander senkrechte Wandungsteile aufweisen, die zusammengesetzt oder einstückig ausgebildet sein können. In einer alternativen Ausführungsform kann die zweite Wandung einen zylinderrohrförmigen Querschnitt aufweisen. Aufgrund der topfartigen Bauweise kann das erste Gehäuseteil die Energiespeicherzelle aufnehmen. Das erste Gehäuseteil kann durch ein zweites Gehäuseteil im Bereich der Einführungsöffnung verschließbar sein. Das zweite Gehäuseteil kann deckelförmig ausgebildet sein. Das zweite Gehäuseteil kann insbesondere elektrisch leitend mit dem ersten Gehäuseteil verbindbar sein und kann einen ersten, mit dem zweiten Gehäuseteil elektrisch verbundenen Stromabgriff und einen zweiten, von dem zweiten Gehäuseteil elektrisch isolierten Stromabgriff aufweisen. Da dann der erste Stromabgriff elektrisch über das zweite Gehäuseteil und das erste Gehäuseteil mit dem ersten Elektrodenanschluss verbunden ist, kann der gesamte Stromabgriff an dem zweiten Gehäuseteil stattfinden. D. h., an der Außenfläche des ersten Gehäuseteils befindet sich kein Stromabgriff, und die Außenfläche des zweiten Gehäuseteils kann zur Kühlung der Energiespeicherzelle verwendet werden.
Die Erfindung ist vorteilhaft anwendbar, wenn der erste Elektrodenanschluss ein kathodischer Anschluss ist. Häufig ist der kathodische Anschluss mit Aluminium ausgeführt. Wenn das Energiespeicherzellengehäuse bzw. das erste Gehäuseteil ebenfalls mit Aluminium hergestellt ist, ist die Materialpaarung gut schweißbar. Selbstverständlich kann das Prinzip auch für einen anodischen Anschluss oder beide Elektrodenanschlüsse der Energiespeicherzelle angewendet werden.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle, welche ein elektrochemisches Element und ein Energiespeicherzellengehäuse aufweist. Dabei ist ein erster Elektrodenanschluss des elektrochemischen Elements von außen an eine erste Wandung eines ersten Gehäuseteils des Energiespeicherzellengehäuses angeschweißt, vorzugsweise lasergeschweißt. Das Energiespeicherzellengehäuse ist vorzugsweise gemäß dem vorstehend beschriebenen Erfindungsgesichtspunkt ausgebildet. Der erste Elektrodenanschluss kann ein kathodischer Anschluss sein.
Da die Anbindung des ersten Elektrodenanschlusses durch Schweißen von außen hergestellt ist, weist die Energiespeicherzelle die wesentlichen Merkmale des Energiespeicherzellengehäuses des vorherigen Erfindungsgesichtspunkts auf. Daher kann sie auch die gleichen oder entsprechenden Ausgestaltungen, Abwandlungen und Vorteile aufweisen, sodass auf die hierzu getroffenen Feststellungen Bezug genommen werden kann.
Demnach kann der erste Elektrodenanschluss des elektrochemischen Elements wenigstens teilweise in einer in der ersten Wandung vorgesehenen Durchbrechung aufgenommen sein. Mit anderen Worten, der erste Elektrodenanschluss ist durch Formgebung oder entsprechende Formteile an die Form der Durchbrechung angepasst und von außen mit der ersten Wandung des ersten Gehäuseteils verschweißt. Alternativ kann der erste Elektrodenanschluss des elektrochemischen Elements wenigstens teilweise an einer Innenfläche der ersten Wandung anliegen und durch eine in der ersten Wandung vorgesehene Durchbrechung hindurch von außen angeschweißt sein. In beiden Alternativen gilt für die Ausbildung der Durchbrechung das zum vorherigen Erfindungsgesichtspunkt Gesagte.
Wie oben ausgeführt, kann das erste Gehäuseteil zur Aufnahme der Energiespeicherzelle topfförmig ausgebildet sein und durch ein deckelförmiges zweites Gehäuseteil verschlossen und insbesondere elektrisch leitend verbunden sein. Das zweite Gehäuseteil kann die Stromabgriffe aufweisen.
Wenn die Energiespeicherzelle so ausgebildet Ist, dass eine an der Verschweißungsstelle ausgebildete Schweißnaht eben oder im Wesentlichen eben mit einer Außenfläche der ersten Wandung fluchtet oder hinter diese zurückweicht, kann die Außenfläche der ersten Wandung glatt an einer Wärmesenke anliegen und von dem elektrochemischen Element über den ersten Elektrodenanschluss aufgenommene Wärme wirksam an diese Wärmesenke abgeben.
Wenn zusätzlich eine Außenfläche der ersten Wandung mit einer elektrisch isolierenden Schicht, insbesondere einer Folie, überzogen ist, kann eine Wärmesenke, an welcher die erste Wandung anliegt, von der Energiespeicherzelle elektrisch entkoppelt werden.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Energiespeicherzelle. Das Verfahren weist die Schritte auf:

– Vorbereiten eines Energiespeicherzellengehäuses mit einem elektrisch leitfähigen ersten Gehäuseteil, welches eine erste Wandung aufweist, wobei das Energiespeicherzellengehäuse vorzugsweise nach dem ersten Erfindungsgesichtspunkt ausgebildet ist;
– Vorbereiten eines elektrochemischen Elements, welches einen aktiven Teil, einen ersten Elektrodenanschluss und einen zweiten Elektrodenanschluss aufweist;
– Einführen des elektrochemischen Elements in das Energiespeicherzellengehäuse; und
– Verschweißen des ersten Elektrodenanschlusses des elektrochemischen Elements mit der ersten Wandung des ersten Gehäuseteils von außen, vorzugsweise durch Laserschweißen.

Da das Verfahren die wesentlichen Merkmale des vorherigen Erfindungsgesichtspunkts verwirklicht, kann es auch die gleichen oder entsprechenden Ausgestaltungen und Abwandlungen ermöglichen und die gleichen oder entsprechenden Vorteile aufweisen.
In Ausführungsformen weist das Verfahren den dem Schritt des Verschweißens vorangehenden Schritt auf:

– Aufnehmen wenigstens eines Teils des ersten Elektrodenanschlusses in einer in der ersten Wandung vorgesehenen Durchbrechung, oder
– Anlegen eines vorzugsweise flächigen Teils des ersten Elektrodenanschlusses an eine Innenfläche der ersten Wandung wenigstens in einem Bereich einer in der ersten Wandung vorgesehenen Durchbrechung.

Wenn das Verfahren ferner den Schritt eines Anbringens einer Zughilfe an dem ersten Elektrodenanschluss aufweist und der Schritt des Einführens des elektrochemischen Elements unter Zuhilfenahme der Zughilfe erfolgt, indem die Zughilfe durch die Durchbrechung hindurch geführt wird, kann die Montage besonders schnell und einfach bewerkstelligt werden. Dabei kann die Zughilfe ein aus der Gruppe, welche eine Kunststoffplatte, ein Blech, eine Greifvorrichtung, einen oder mehrere Drähte und dergleichen aufweist, ausgewähltes Element aufweisen. Ferner kann das Anbringen der Zughilfe einen aus der Gruppe, welche Anschweißen, Anlöten, Ankleben, Anklemmen, Ergreifen und dergleichen aufweist, ausgewählten Prozess aufweisen.
Dem Schritt des Anbringens der Zughilfe kann der Schritt eines Hindurchführens der Zughilfe durch die Durchbrechung der ersten Wandung hindurch vorausgehen. Das Hindurchführen kann insbesondere von der Außenseite der ersten Wandung aus geschehen. Dies kann Vorteile in der Prozessführung aufweisen. Beispielsweise kann der erste Gehäuseteil mit der Zughilfe vorbereitet und an einem anderen Ort mit der elektrochemischen Speicherzelle zusammengeführt werden.
Der Schritt des Vorbereitens des elektrochemischen Elements kann den Schritt eines Anpassens des ersten Elektrodenanschlusses an die anschließenden Verfahrensschritte aufweisen. Das Anpassen kann wenigstens eine der folgenden Maßnahmen aufweisen:

– Umformen eines ersten Elektrodenfolienendes oder eines ersten Ableiters des elektrochemischen Elements,
– Anbringen eines ersten Ableiters geeigneter Form an einem ersten Elektrodenfolienende des elektrochemischen Elements, oder Anbringen eines ersten Ableiters an dem ersten Elektrodenfolienende des elektrochemischen Elements und anschließendes Umformen des ersten Ableiters.

Das Verfahren kann ferner einen Schritt eines Ebnens einer Außenfläche der ersten Wandung, um eine ebene oder im Wesentlichen ebene Fläche zu erzeugen, aufweisen. Das Ebnen kann wenigstens eine der folgenden Maßnahmen aufweisen:

– Abtragen von Schweißüberständen, insbesondere durch Schleifen, Schneiden, Hobeln, Stemmen, Fräsen, Abziehen, Walzen, Pressen,
– Abschneiden von Überständen,
– Biegen oder einfaches oder mehrfaches Falten von Überständen,
– Auffüllen von Kavitäten, insbesondere mit einer Wärmeleitpaste oder einem Lot.

Das Verfahren kann ferner einen Schritt eines Aufbringens einer elektrisch isolierenden, insbesondere wärmeleitenden, vorzugsweise dünnen Schicht auf einer Außenfläche der ersten Wandung.
Das Verfahren kann ferner einen Schritt eines Verschließens der Einführungsöffnung mit einem zweite Gehäuseteil aufweisen. Dabei kann das Verschließen insbesondere ein elektrisch leitendes Verbinden des zweiten Gehäuseteils mit dem ersten Gehäuseteil aufweisen. Hierdurch kann eine Energiespeicherzelle hergestellt werden, bei welcher ein elektrisches Potential der ersten Elektrode des elektrochemischen Elements über die erste Wandung und die zweite Wandung auch am zweiten Gehäuseteil anliegt und dort abgegriffen werden kann.
Hierzu kann der zweite Gehäuseteil einen ersten Stromabgriff, welcher mit dem zweiten Gehäuseteil elektrisch leitend verbunden ist, aufweisen. Ferner kann der zweite Gehäuseteil einen zweiten Stromabgriff, welcher von dem zweiten Gehäuseteil elektrisch isoliert ist, aufweisen; dabei kann das Verfahren einen Schritt eines Verbindens des zweiten Stromabgriffs mit dem zweiten Elektrodenanschluss des elektrochemischen Elements aufweisen.
Die in Bezug auf die einzelnen Erfindungsgesichtspunkte und ihre Ausführungsformen, Varianten, Optionen, Alternativen erwähnten Merkmale und deren Vorteile sind nicht auf den jeweiligen Erfindungsgesichtspunkt beschränkt, sondern können direkt oder analog auf die anderen Erfindungsgesichtspunkte angewendet bzw. diesen unterstellt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigt bzw. zeigen:
1 eine Querschnittsansicht einer Energiespeicherzelle nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 eine Längsschnittansicht der Energiespeicherzelle von 1,
3 eine perspektivische Ansicht eines ersten Gehäuseteils der Energiespeicherzelle von 1,
4 eine Längsschnittansicht eines bodenseitigen Endes der Energiespeicherzelle von 1 in einem vormontierten Zustand,
5 eine Längsschnittansicht eines bodenseitigen Endes einer Energiespeicherzelle nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
6 eine bodenseitige Ansicht eines ersten Gehäuseteils nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
7 eine bodenseitige Ansicht eines ersten Gehäuseteils nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
8 eine perspektivische Ansicht eines ersten Gehäuseteils nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
9 eine bodenseitige Ansicht des ersten Gehäuseteils von 8,
10 bis 13 jeweils eine Längsschnittansicht eines bodenseitigen Endes einer Energiespeicherzelle in Verfahrensschritten eines Herstellungsverfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
14 eine Längsschnittansicht eines bodenseitigen Endes einer Energiespeicherzelle in einem Verfahrensschritt eines Herstellungsverfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
15 eine Längsschnittansicht eines bodenseitigen Endes einer Energiespeicherzelle in einem Verfahrensschritt eines Herstellungsverfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
16 eine Seitenansicht eines bodenseitigen Endes einer Energiespeicherzelle in einem Verfahrensschritt eines Herstellungsverfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
17 eine Seitenansicht eines bodenseitigen Endes einer Energiespeicherzelle in einem Verfahrensschritt eines Herstellungsverfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
18 eine Längsschnittansicht einer Energiespeicherzelle in einem Verfahrensschritt eines Herstellungsverfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
19 eine Längsschnittansicht eines bodenseitigen Endes einer Energiespeicherzelle in einem Verfahrensschritt eines Herstellungsverfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
20 eine Längsschnittansicht eines bodenseitigen Endes einer Energiespeicherzelle in einem Verfahrensschritt eines Herstellungsverfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
21 eine Längsschnittansicht eines bodenseitigen Endes einer Energiespeicherzelle in einem Verfahrensschritt eines Herstellungsverfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
22 ein Ablaufdiagramm eines grundsätzlichen Ablaufs eines Herstellungsverfahrens nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Dabei sind gleiche Bauteile in mehreren Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bauelemente und Merkmale, Zwecke und Wirkungen, die in Bezug auf ein Ausführungsbespiel beschrieben werden, sind, soweit nicht ausdrücklich oder ersichtlich ausgeschlossen, als in jedem anderen Ausführungsbeispiel anwendbar anzunehmen und sollen auch in Bezug auf das jeweils andere Ausführungsbeispiel als offenbart gelten, auch wenn sie dort nicht ausdrücklich gezeigt und/oder beschrieben werden. Es versteht sich ferner, dass die Zeichnungen als schematisch zu verstehen sind und ihnen keine Einschränkungen im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Größewerhältnisse entnommen werden sollen, es sei denn, dies wäre ausdrücklich so beschrieben.
Ein erstes Ausführungsbeispiel wird nun anhand der Darstellung in 1 bis 4 beschrieben. Dabei ist 1 eine Querschnittsansicht einer Energiespeicherzelle 2 nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, ist 2 eine Längsschnittansicht der Energiespeicherzelle 2 entlang einer Linie II-II in Pfeilrichtung gesehen, ist 3 eine perspektivische Ansicht eines ersten Gehäuseteils 8 der Energiespeicherzelle 2, und ist 4 eine Längsschnittansicht eines bodenseitigen Endes der Energiespeicherzelle 2 in einem vormontierten Zustand. Unter einem bodenseitigen Ende wird ein Ende im Bereich einer ersten Wandung 12 des ersten Gehäuseteils 8 verstanden, die einen Boden der topfartigen Struktur des ersten Gehäuseteils 8 bildet.
Wie in 1 und 2 gezeigt, weist eine Energiespeicherzelle 2 ein elektrochemisches Element 4 auf, das in einem Energiespeicherzellengehäuse 6 aufgenommen ist.
Das Energiespeicherzellengehäuse 6 weist ein erstes Gehäuseteil 8, welches topfförmig ausgebildet ist, und ein zweites Gehäuseteil 10, welches deckelförmig ausgebildet ist, auf. Das erste Gehäuseteil 8 und das zweite Gehäuseteil 10 sind jeweils aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff wie etwa Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Das zweite Gehäuseteil 10 ist mit dem ersten Gehäuseteil 8 elektrisch leitend verbunden. Das erste Gehäuseteil 8 weist eine erste Wandung 12, die auch als eine Bodenwandung bezeichnet werden kann, und eine zweite Wandung 14, die auch als eine Seitenwandung bezeichnet werden kann, auf. Wie in 3 gezeigt, ist das erste Gehäuseteil 8 von außen gesehen flach quaderförmig. D. h., die zweite Wandung 14 weist vier rechtwinklig aneinander anschließende Teilwandungen (nicht näher bezeichnet), die einen geschlossenen, rechteckrohrförmigen Querschnitt ausbilden, auf, ist an einem Ende durch die erste Wandung 12 begrenzt und berandet an einem der ersten Wandung 12 entgegengesetzten Ende (in einem Abstand von der ersten Wandung 12) eine Einführungsöffnung 15 (hier nicht sichtbar). Je zwei gegenüberliegende Teilwandungen der zweiten Wandung 14 sind zueinander parallel, und die Einführungsöffnung 15 Ist zu der ersten Wandung 12 parallel. Gemäß der Darstellung in 1 und 2 trägt das zweite Gehäuseteil 10 einen ersten Stromabgriff 16 und einen zweiten Stromabgriff 18. Der erste Stromabgriff 16 ist mit dem zweiten Gehäuseteil 10 elektrisch leitend verbunden. Der zweite Stromabgriff 18 ist durch eine Isolierung 20 von dem zweiten Gehäuseteil 10 elektrisch isoliert.
Das elektrochemische Element 4 weist einen aktiven Teil 22 auf, der von einer elektrisch isolierenden Hülle (nicht näher bezeichnet) umhüllt ist. Der aktive Teil 22 weist in an sich bekannter Weise eine gestapelte, gefaltete, gerollte oder gewickelte Anordnung von Kathodenfolie(n), Anodenfolie(n), Elektrolyt(folie(n)) und gegebenenfalls Isolator(folie(n)) auf. Auf der Seite der ersten Wandung 10 des ersten Gehäuseteils 8 ragt von dem aktiven Teil 22 ein erstes Folienende 30 ab, das mit einem ersten Ableiter 32 elektrisch leitend verbunden ist. Das erste Folienende 30 und der erste Ableiter 32 werden zusammen auch als erster Elektrodenanschluss 34 des elektrochemischen Elements 4 bezeichnet. Der erste Ableiter 32 ist durch eine Schweißnaht 36 mit der ersten Wandung 14 des ersten Gehäuseteils 8 elektrisch leitend verbunden. Da das zweite Gehäuseteil 10 mit dem ersten Gehäuseteil 8 und der erste Stromabgriff 16 mit dem zweiten Gehäuseteil 10 jeweils elektrisch leitend verbunden sind, liegt an dem ersten Stromabgriff 16 das Potential des ersten Elektrodenanschlusses 34 an. Auf der Seite des zweiten Gehäuseteils 10 bzw. der Einführungsöffnung 15 ragt von dem aktiven Teil 22 des elektrochemischen Elements 4 ein zweites Folienende 24 ab, das mit einem zweiten Ableiter 26 elektrisch leitend verbunden ist. Das zweite Folienende 24 und der zweite Ableiter 26 werden zusammen auch als zweiter Elektrodenanschluss 28 des elektrochemischen Elements 4 bezeichnet. Der zweite Ableiter 26 verläuft durch den Isolator 20 hindurch und ist mit dem zweiten Stromabgriff 18 elektrisch leitend verbunden. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit ist das erste Folienende 30 ein kathodisches Folienende und ist das zweite Folienende 24 ein anodisches Folienende. Somit ist der erste Ableiter 32 ein kathodischer Ableiter, ist der erste Elektrodenanschluss 34 ein kathodischer Anschluss, ist der zweite Ableiter 26 ein anodischer Ableiter und ist der zweite Elektrodenanschluss 28 ein anodischer Anschluss.
Die erste Wandung 12 trägt an ihrer Außenseite eine isolierende Schicht 38. Die isolierende Schicht 38 ist aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, der einer an dem ersten Elektrodenanschluss 34 des elektrochemischen Elements 4 anliegenden, maximal zu erwartenden Temperatur betriebssicher widersteht, hergestellt und weist eine Dicke auf, die einen guten Wärmedurchgang gewährleistet. Obschon in der Figur nicht näher dargestellt, können mehrere Energiespeicherzellen 2 zu einem Modul zusammengefasst sein, wobei die jeweiligen Bodenwandungen 34 an einer gemeinsamen Wärmesenke anliegen. Über die jeweiligen isolierenden Schichten 38 ist die Wärmesenke von den Energiespeicherzellen 2 elektrisch entkoppelt, ist jedoch ein guter Wärmeübergang von dem aktiven Teil 22 des elektrochemischen Elements 4 zu der Wärmesenke gewährleistet. Ein Beispiel einer derartigen modularen Zusammenfassung kann beispielsweise der eingangs erwähnten DE 10 2012 218 991 A1 , auf deren Offenbarungsgehalt diesbezüglich vollumfänglich Bezug genommen wird, entnommen werden.
Wie in 3 gezeigt, weist die erste Wandung 12 des ersten Gehäuseteils 8 eine Schweißvorbereitung in Form einer Durchbrechung 40 auf, die durch einen durchgehenden ersten Schlitz 41 gebildet wird. Mittels der Durchbrechung 40 ist das erste Gehäuseteil 8 zum Anschweißen des ersten Elektrodenanschlusses 34 des elektrochemischen Elements 4 von außen vorbereitet. Ein vormontierter Zustand der Energiespeicherzelle 2 vor dem Verschweißen ist in einem bodenseitigen Ausschnitt in 4 gezeigt. Hier ist dargestellt, wie der erste Ableiter 32, der einen T-förmigen Querschnitt aufweist und mit dem ersten Folienende verbunden ist an der Innenseite der ersten Wandung 14 anliegt und der Durchbrechung 40 zugewandt ist. In diesem Zustand ist es möglich, den ersten Ableiter 32 von außen mit der ersten Wandung 14 durch die Durchbrechung 40 hindurch zu verschweißen und die Schweißnaht 36 in 1 und 2 auszubilden. Die Verschweißung kann insbesondere durch Laserstrahlschweißen (oder kurz Laserschweißen) hergestellt sein. Die Verbindung zwischen dem ersten Ableiter 32 und dem ersten Folienende 30 kann beispielsweise durch Ultraschallschweißen hergestellt sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine dieser Herstellungsweisen beschränkt.
Die Ausbildung des ersten Elektrodenanschlusses 34 mit dem T-förmigen ersten Ableiter 32 ist nur eine beispielhafte Ausbildung. Es versteht sich, dass der erste Elektrodenanschluss 34 auf vielfältige Weise ausgebildet sein kann, wie auch aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beispielhaft, aber nicht abschließend, hervorgeht. Alle weiteren Ausführungsbeispiele können im Übrigen als Varianten, Abwandlungen oder Weiterbildungen des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels angesehen werden, sodass auf die grundsätzlichen Erläuterungen dieses Ausführungsbeispiels stets ergänzend Bezug genommen werden kann, soweit dies nicht im Hinblick auf die konkreten Abwandlungen anderer Ausführungsbeispiele ersichtlich oder ausdrücklich ausgeschlossen ist.
Eine Abwandlung ist beispielsweise in 5 gezeigt, die eine Längsschnittansicht eines bodenseitigen Endes einer Energiespeicherzelle nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist kein erster Ableiter vorgesehen. Stattdessen wird der erste Elektrodenanschluss 34 allein durch das erste Folienende 30 gebildet, wobei die einzelnen Folienschichten auf geeignete Weise zusammengepresst und gebogen sind, sodass sie an der Innenseite der ersten Wandung 14 gegenüber der Durchbrechung 40 zu liegen kommen und direkt durch die Durchbrechung 40 hindurch mit der ersten Wandung 14 verschweißt werden können.
Eine weitere Abwandlung ist in 6 gezeigt, die eine bodenseitige Ansicht eines ersten Gehäuseteils 8 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Durchbrechung 40 nicht durch einen durchgehenden Schlitz, sondern durch eine Reihe von zweiten Schlitzen 42, die sich koaxial zueinander in einer Richtung parallel zu der längeren Kante der ersten Wandung 12 erstrecken, gebildet.
Eine weitere Abwandlung ist in 7 gezeigt, die eine bodenseitige Ansicht eines ersten Gehäuseteils 8 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Durchbrechung 40 durch eine Reihe von zweiten Schlitzen 42, die sich koaxial zueinander in einer Richtung parallel zu der längeren Kante der ersten Wandung 12 erstrecken, und eine Reihe von dritten Schlitzen 44, die sich parallel zueinander in einer Richtung parallel zu der kürzeren Kante der ersten Wandung 12 erstrecken und mit den zweiten Schlitzen 42 verbunden sind, gebildet.
Eine weitere Abwandlung ist in 8 bis 13 gezeigt, wobei 8 eine perspektivische Ansicht eines ersten Gehäuseteils 8 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, 9 eine bodenseitige Ansicht des ersten Gehäuseteils 8 dieses Ausführungsbeispiels ist, und 10 bis 13 jeweils eine Längsschnittansicht eines bodenseitigen Endes einer Energiespeicherzelle 2 mit dem ersten Gehäuseteil 8 dieses Ausführungsbeispiels in Verfahrensschritten eines Herstellungsverfahrens sind, wobei das Herstellungsverfahren wie auch die dadurch hergestellte Energiespeicherzelle jeweils für sich genommen weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bilden.
Gemäß der Darstellung in 8 bis 13 weist die erste Wandung 12 des ersten Gehäuseteils 8 eine Sicke 46 auf, in welcher die Durchbrechung 40 in Form des durchgehenden (ersten) Schlitzes 41 ausgebildet ist. Als Sicke 46 wird im Sinne dieser Anmeldung eine nach innen gerichtete Einbuchtung bzw. Einprägung verstanden. Anders als in den vorherigen Ausführungsbeispielen muss der erste Elektrodenanschluss 34 bei dem ersten Gehäuseteil 8 in dieser Abwandlung nicht an der Innenseite der ersten Wandung 12 anliegen, sondern kann durch die Durchbrechung 40 hindurch ragen bzw. teilweise darin aufgenommen sein und in der Sicke 46 von außen angeschweißt sein.
10 bis 13 zeigen Verfahrensschritte eines beispielhaften Herstellungsverfahrens in dieser Abwandlung. 10 zeigt einen Schritt eines Einführens des elektrochemischen Elements 4 in das erste Gehäuseteil 8 über die Einführungsöffnung (hier nicht dargestellt) des ersten Gehäuseteils 8. Wie in 10 gezeigt, weist das elektrochemische Element 4 einen stirnseitig von dem aktiven Teil 22 abragenden ersten Elektrodenanschluss 34 auf. Der erste Elektrodenanschluss 34 kann, muss aber nicht, einen mit dem Folienende verbundenen Ableiter aufweisen; zur Vereinfachung der Darstellung ist der erste Elektrodenanschluss 34 hier als Einheit dargestellt. Zunächst werden zwei Retainer 48 in das erste Gehäuseteil 8 eingeführt (Einführungsrichtung 50). Die Retainer 48 haben die Aufgabe, den aktiven Teil 22 des elektrochemischen Elements 4 zu stützen und gegen Erschütterungen und/oder Schweißhitze zu schützen. Danach oder gleichzeitig wird das elektrochemische Element 4 mit dem ersten Elektrodenanschluss 34 voran in das erste Gehäuseteil 8 eingeführt, bis sich der aktive Teil 22 über die Retainer 48 an der Innenseite der ersten Wandung 12 abstützt und der erste Elektrodenanschluss 34 teilweise in der Durchbrechung 40 aufgenommen ist, wie es in 11 gezeigt ist.
11 zeigt einen Schritt eines Verschweißens des ersten Elektrodenanschlusses 34 des elektrochemischen Elements mit der ersten Wandung 12 des ersten Gehäuseteils 8 von außen. Dieser Schritt wird mittels einer Laserschweißvorrichtung 54 durchgeführt, die in einer Verschiebungsrichtung 56 verschiebbar und in einer Schwenkrichtung 58 schwenkbar ist. Die dargestellten Bewegungsrichtungen der Laserschweißvorrichtung 54 sind dabei als beispielhaft, nicht zwingend und nicht abschließend zu verstehen. So kann die Laserschweißvorrichtung zusätzlich und/oder ausschließlich in einer Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene verschiebbar und/oder schwenkbar sein. Mittels eines von der Laserschweißvorrichtung 54 abgegebenen Laserstrahls 60 wird der erste Elektrodenanschluss 34 in der Sicke 46 mit der ersten Wandung 12 des ersten Gehäuseteils 8 verschweißt, um die in 12 dargestellte Schweißnaht 36 auszubilden.
12 zeigt einen Schritt eines Ebnens einer Außenfläche der ersten Wandung 12. Wie in 12 gezeigt, weist die Schweißnaht 36 in diesem Ausführungsbeispiel eine Erhebung auf, welche den thermischen Kontakt mit einer Wärmesenke (nicht dargestellt) beeinträchtigen könnte. Zum Ebnen der Außenfläche wird ein Werkzeug 62 (hier etwa ein Meißel) in einer Bewegungsrichtung 64 über die Außenfläche der ersten Wandung 12 geführt, um die Erhebung der Schweißnaht 36 abzutragen. Die dargestellte Bewegungsrichtung 64 ist dabei als beispielhaft, nicht zwingend und nicht abschließend zu verstehen. So kann das Werkzeug zusätzlich oder ausschließlich in einer Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene bewegbar sein. Auch ist das Abtragen durch einen Meißel als beispielhaft zu verstehen. Es kann grundsätzlich jedes geeignete Verfahren zum Abtragen der Erhebung eingesetzt werden.
13 zeigt den Zustand nach Abtragen der Erhebung der Schweißnaht 36. Wie in 13 gezeigt, bilden die Außenfläche der ersten Wandung 12 und die Schweißnaht 36 nun eine ebene Fläche.
Das Verfahren kann weitere Verfahrensschritte aufweisen. Beispielsweise wird im Rahmen des Verfahrens der zweite Elektrodenanschluss 28 mit dem zweiten Stromabgriff 18 verbunden und wird das topfförmige erste Gehäuseteil 8 durch das deckelförmige zweite Gehäuseteil 10 verschlossen. Vorteilhaft, aber nicht zwingend, werden diese Verfahrensschritte vor dem Verschweißen des ersten Elektrodenanschlusses 34 mit der ersten Wandung 12 oder wenigstens vor dem Ebnen durchgeführt, um ein Eindringen von Schweiß- und sonstigen Bearbeitungsrückständen in das Innere der Zelle 2 zu vermeiden. Vorbereitende Verfahrensschritte betreffen das Vorbereiten des ersten Gehäuseteils 8, des zweiten Gehäuseteils 10 und des elektrochemischen Elements 4, insbesondere von dessen zweiten und ersten Anschlüssen 28, 34 durch entsprechende Formgebung der Folienenden 24, 30 und/oder Anbringen und/oder Ausformen der Ableiter 26, 32 (vgl. hierzu 1, 2). Abschließende Verfahrensschritte werden später im Zusammenhang mit 16 und 17 beschrieben werden.
Eine weitere Abwandlung ist in 14 gezeigt, welche eine Längsschnittansicht eines bodenseitigen Endes einer Energiespeicherzelle in einem Verfahrensschritt eines Herstellungsverfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 14 gezeigt, weist die Schweißnaht 36 nach dem Schweißen eine Kavität 66 auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Kavität 66 entweder belassen, sofern eine ausreichende Wärmeübergangsfläche durch den Rest der ersten Wandung 12 gewährleistet ist, oder mit einer Wärmeleitpaste (nicht näher dargestellt) aufgefüllt und so geebnet, um eine ebene Fläche mit der Außenfläche der ersten Wandung 12 herzustellen.
Eine weitere Abwandlung ist in 15 gezeigt, welche eine Längsschnittansicht eines bodenseitigen Endes einer Energiespeicherzelle in einem Verfahrensschritt eines Herstellungsverfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine nach dem Schweißen verbleibende Kavität tiefer als bei dem in 14 gezeigten Ausführungsbeispiels. Um eine ebene Fläche mit der Außenfläche der ersten Wandung 12 herzustellen, wird die Kavität gemäß der Darstellung in 15 mit einem Lot 68 gefüllt, wobei ein Lötwerkzeug 70 zum Einsatz kommt.
Es versteht sich, dass das Ebnen weggelassen werden kann, wenn durch das Schweißverfahren eine hinreichend ebene Fläche hergestellt werden kann oder verbleibende Unebenheiten die weitere Verwendung der Energiespeicherzelle 2 nicht beeinträchtigen.
Ein ergänzender Verfahrensschritt zu den in 10 bis 15 gezeigten Verfahren ist in 16 gezeigt, welche eine Seitenansicht eines bodenseitigen Endes einer Energiespeicherzelle 2 in einem Verfahrensschritt eines Herstellungsverfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Gemäß der Darstellung in 16 wird nach den vorstehend beschriebenen Schritten des Verschweißens und ggf. Ebnens eine isolierende Schicht 72, in diesem Ausführungsbeispiel eine Folie, auf die bodenseitigen Außenfläche der Energiespeicherzelle 2 aufgebracht und mittels einer Walzenanordnung 73, die optional beheizbar ist, angepresst.
Eine Abwandlung des Schritts eines Aufbringens einer isolierenden Schicht 72 ist in 17 gezeigt, welche eine Seitenansicht eines bodenseitigen Endes einer Energiespeicherzelle in einem Verfahrensschritt eines Herstellungsverfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 17 gezeigt, wird nach den vorstehend beschriebenen Schritten des Verschweißens und ggf. Ebnens eine isolierende Schicht 72 durch eine Bedampfungsvorrichtung 74 auf die bodenseitigen Außenfläche der Energiespeicherzelle 2 aufgedampft (Plasma 76 oder dergleichen).
Eine Abwandlung des Schritts eines Einführens des elektrochemischen Elements 4 ist in 18 gezeigt, welche eine Längsschnittansicht einer Energiespeicherzelle 2 in einem Verfahrensschritt eines Herstellungsverfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Gemäß der Darstellung in 18 wird vorab eine Zughilfe 78 an dem ersten Elektrodenanschluss 34 angebracht und durch die Durchbrechung 40 hindurch geführt (Zugrichtung 80) und sodann weiter durchgezogen, um das elektrochemische Element 4 in die Einführungsöffnung einzuführen und in das erste Gehäuseteil 8 zu ziehen (Einführungsrichtung 52). Alternativ kann die Zughilfe 78 zuerst von der Bodenseite (also der Seite der ersten Wandung 12) her in das erste Gehäuseteil 8 hinein und auf der anderen Seite durch die Einführungsöffnung hinaus geführt, dann mit dem ersten Elektrodenanschluss 34 verbunden und dann wieder zurück gezogen werden (Zugrichtung 80), um das elektrochemische Element 4 in den erste Gehäuseteil 8 einzuführen und darin zu Positionieren.
Für die Anbringung der Zughilfe 78 an dem ersten Elektrodenanschluss 34 kann jedes geeignete Verfahren verwendet werden und kann die Zughilfe 78 in geeigneter Weise gestaltet sein. Beispielsweise kann die Zughilfe 78 angeschweißt werden, etwa durch ein Ultraschallschweißverfahren. Alternativ kann die Zughilfe 78, wahlweise temporär, angeklebt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Zughilfe 78 eine stirnseitige Schlitzung oder Spreizung aufweist, in welche der erste Elektrodenanschluss 34 eingeklemmt wird, oder dass sowohl die Zughilfe 78 als auch der erste Elektrodenanschluss 34 eine Hakenform aufweisen, die zum Zwecke des Einziehens miteinander verhakt werden, oder dass die Zughilfe 78 eine Greifvorrichtung aufweist, mit welcher der erste Elektrodenanschluss 34 ergriffen wird.
Nach dem Einführen und Positionieren des elektrochemischen Elements 4 kann die Zughilfe 78 mit angeschweißt werden und dann ein Überstand entfernt, beispielsweise abgeschnitten werden. Alternativ kann die Zughilfe 78 vor dem Verschweißen entfernt werden. Eine weitere Möglichkeit ist in 19 gezeigt, welche eine Längsschnittansicht eines bodenseitigen Endes der Energiespeicherzelle 2 in einem Verfahrensschritt eines Herstellungsverfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei dieser Abwandlung wird die Zughilfe 78 nach Einführen und Positionieren des elektrochemischen Elements 4 mehrfach gefaltet und in die Sicke 46 gestopft und sodann mit der ersten Wandung 12 verschweißt.
Eine weitere Abwandlung ist in 20 gezeigt, welche eine Längsschnittansicht eines bodenseitigen Endes einer Energiespeicherzelle in einem Verfahrensschritt eines Herstellungsverfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei dieser Abwandlung wird ein erstes Gehäuseteil 8 verwendet, das in Abwandlung des in 8 und 9 gezeigten Ausführungsbeispiels eine Durchbrechung 40 mit einem ersten Schlitz 41 aufweist, der nicht mittig, sondern außermittig entlang einer Längskante der Sicke 46 verläuft. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist auch der erste Elektrodenanschluss 34 nicht mittig, sondern in Richtung einer der Flachseiten des aktiven Teil 22 des elektrochemischen Elements 4 entsprechend der Lage des ersten Schlitzes 41 versetzt angeordnet. Nach dem Hindurchführen des ersten Elektrodenanschlusses 34 wird dieser auf der Außenseite der ersten Wandung 12 in der Sicke 46 umgeklappt und sodann an den Rändern verschweißt (Schweißnähte 36).
Eine weitere Abwandlung ist in 21 gezeigt, welche eine Längsschnittansicht eines bodenseitigen Endes einer Energiespeicherzelle in einem Verfahrensschritt eines Herstellungsverfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Abwandlung greift wieder die Ausführung des ersten Gehäuseteils 8 ohne Sicke auf, wie sie in 1 bis 7 gezeigt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß 21 ist die Durchbrechung 40 in Form eines durchgehenden (ersten) Schlitzes ähnlich dem zuvor gezeigten Ausführungsbeispiel außermittig angeordnet. Das mittig aus dem aktiven Teil 22 herausgeführte erste Folienende 30 wird mit einem L-förmigen ersten Ableiter 32 verbunden, z. B. mittels Ultraschallschweißens, und sodann umgeklappt, so dass ein äußerer Schenkel des ersten Ableiters 32 außermittig, entsprechend der Lage der Durchbrechung 40 von dem aktiven Teil 22 wegragt und in die Durchbrechung 40 eingeführt wird, wo er dann von außen mit der ersten Wandung 12 verschweißt wird.
22 zeigt ein Ablaufdiagramm des grundsätzlichen Ablaufs eines Herstellungsverfahrens einer Energiespeicherzelle 2 nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
S221: Vorbereiten der Bauelemente (elektrochemisches Element 4, erstes Gehäuseteil 8, zweites Gehäuseteil 10);
S222: Einführen des elektrochemischen Elements 4 in das erste Gehäuseteil 8;
S223: Anschließen des zweiten Elektrodenanschlusses 28 an dem zweiten Stromabgriff 18;
S224: Verschließen des ersten Gehäuseteils 8 mit dem zweiten Gehäuseteil 10;
S225: Verschweißen des ersten Elektrodenanschlusses 34 mit der ersten Wandung 12 des ersten Gehäuseteils 8;
S226: Ebnen der Bodenseite der ersten Gehäuseteils 8;
S227: Aufbringen einer isolierenden Schicht.
Die Erfindung ist nicht durch die Reihenfolge der in 22 gezeigten Schritte begrenzt. Beispielsweise kann Schritt S224 nach S225 oder gar nach S226 erfolgen, wenn auf andere Weise sichergestellt ist, dass Prozessrückstände der Schritte S225 und/oder S226 nicht ins Innere der Zelle gelangen. Einzelne Schritte können weggelassen werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, sofern sie nicht Bestandteil eines unabhängigen Anspruchs sind.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele, -varianten, -alternativen und Abwandlungen beschrieben und in den Figuren veranschaulicht. Diese Beschreibungen und Darstellungen sind rein schematisch und schränken den Schutzumfang der Ansprüche nicht ein, sondern dienen nur der beispielhafter Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich, dass die Erfindung auf vielfältige Weise ausgeführt und abgewandelt werden kann, ohne den Schutzumfang der Patentansprüche zu verlassen. Etwa ist in den vorstehenden Ausführungsbeispielen das erste Gehäuseteil 8 mit der ersten Wandung 12 und der zweiten Wandung 14 als einstückiges Bauteil beschrieben worden, das beispielsweise durch Kaltverformung wie etwa Tiefziehen eines Blechs hergestellt sein kann. Freilich ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, und das erste Gehäuseteil 8 kann aus einzelnen Blechen, welche dann die erste Wandung 12 und Teilwandungen der zweiten Wandung 14 bilden, oder einem Blech, welches dann die erste Wandung 12 bildet, und einem Rechteckrohr, welches dann die zweite Wandung 14 bildet, etwa durch Schweißen oder Löten zusammengefügt sein. Auch ist die Erfindung nicht auf flach oder überhaupt quaderförmige Zellen beschränkt, sondern kann auch auf zylindrische Zellen angewendet werden. Die Durchbrechung ist nicht auf Schlitze beschränkt, sondern kann auch Bohrungen umfassen, wobei die Schweißung dann punktförmig erfolgen kann. Ferner kann statt zweier balkenförmiger Retainer 48 eine einziger, je nach Ausbildung des ersten Elektrodenanschlusses 34 plattenförmiger oder rechteckringförmiger Retainer verwendet werden oder der Retainer ganz weggelassen werden. Der erste Stromabgriff 16 muss nicht zwingend auf dem zweiten Gehäuseteil 10 vorgesehen sein, sondern kann auch auf der zweiten Wandung 14, insbesondere auf den schmalen Teilwandungen, vorgesehen sein. Die Verwendung von Retainern 48 ist optional. Zusätzlich oder anstelle von Retainern 48 können seitliche Führungselemente für das elektrochemische Element 4 vorgesehen sein. Das Vorsehen einer Durchbrechung als Schweißvorbereitung ist nicht zwingend; stattdessen kann auch eine Schwächung bzw. Ausdünnung der ersten Wandung 12 von außen und/oder von innen als Schweißvorbereitung vorgesehen sein, wobei der erste Elektrodenanschluss vorzugsweise an der Schwächungsstelle anliegt oder in diese hineinragt, und die Verschweißung dann an diesen Stellen von außen erfolgen. Obschon aufgrund chemischer und werkstofftechnischer Gegebenheiten vorzugsweise die Anode des elektrochemischen Elements deckelseite und die Kathode bodenseitig vorliegen, ist grundsätzlich auch eine Umkehrung der Elektrodenlage denkbar und sind erfindungsgemäß für die Kathodenseite vorgesehenen Maßnahmen und Merkmale grundsätzlich auch anwendbar, wenn die Anode an die ersten Wandung anzuschließen ist.
Einzelne Merkmale und/oder Merkmalskombinationen der beschriebenen Ausführungsbeispiele können für sich genommen als Ausführungsformen der Erfindung verstanden werden, sofern sie unter den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche in ihrer breitesten Auslegung fallen, und können auch in anderen Ausführungsbeispielen Anwendung finden, selbst wenn sie dort nicht explizit beschrieben sind. Insbesondere sind Alternativen einer Art von Verfahrensschritt mit jeder Alternative einer anderen Art von Verfahrensschritt kombinierbar, sofern es physikalisch möglich ist. Als Arten von Verfahrensschritten sind die Schritte des Vorbereitens, Einführens, Verschweißens, Ebnens, Aufbringens einer isolierenden Schicht, etc. zu verstehen.
Bezugszeichenliste

2: Energiespeicherzelle
4: elektrochemisches Element
6: Energiespeicherzellengehäuse
8: Erstes Gehäuseteil (Topf)
10: Zweites Gehäuseteil (Deckel)
12: Erste Wandung (Bodenwandung)
14: zweite Wandung (Seitenwandung)
15: Einführungsöffnung
16: Erster (kathodischer) Stromabgriff
18: Zweiter (anodischer) Stromabgriff
20: Isolation
22: Folienwickel
24: Zweites (anodisches) Folienende
26: Zweiter (anodischer) Ableiter
28: Zweiter Elektrodenanschluss (anodischer Anschluss)
30: Erstes (kathodisches) Folienende
32: Erster (kathodischer) Ableiter
34: Erster Elektrodenanschluss (kathodischer Anschluss)
36: Schweißnaht
38: isolierende Schicht
40: Durchbrechung (Schweißvorbereitung)
41: erster Schlitz
42: zweiter Schlitz
44: dritter Schlitz
46: Sicke
48: Retainer
50: Einführungsrichtung
52: Einführungsrichtung
54: Laserschweißvorrichtung
56: Verschiebungsrichtung
58: Schwenkrichtung
60: Laserstrahl
62: Werkzeug
64: Bewegungsrichtung
66: Kavität
68: Lot
70: Lötwerkzeug
72: isolierende Schicht
73: Walzenanordnung
74: Bedampfungsvorrichtung
76: Plasma
78: Zughilfe
80: Zugrichtung

Die vorstehende Liste der Bezugszeichen ist integraler Bestandteil der Beschreibung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012218991 A1 [0002, 0053]

Claims

Energiespeicherzellengehäuse (6) zur Aufnahme eines elektrochemischen Elements (4), wobei das Energiespeicherzellengehäuse (6) ein elektrisch leitfähiges erstes Gehäuseteil (8) mit einer ersten Wandung (12), die zur Kontaktierung mit einem ersten Elektrodenanschluss (34) des elektrochemischen Elements (4) vorgesehen ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wandung (12) zum Anschweißen des ersten Elektrodenanschlusses (34) des in dem Energiespeicherzellengehäuse (6) aufgenommenen elektrochemischen Elements (4) von außen, insbesondere durch Laserschweißen, vorbereitet ist.
Energiespeicherzellengehäuse (6) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wandung (12) mittels einer Durchbrechung (40) zum Anschweißen des ersten Elektrodenanschlusses (34) vorbereitet ist.
Energiespeicherzellengehäuse (6) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechung (40) wenigstens einen bzw. eine – eines durchgehenden ersten Schlitzes (41), welcher sich in einer ersten Richtung erstreckt, – einer Reihe von zweiten Schlitzen (42), welche sich koaxial oder im Wesentlichen koaxial zueinander vorzugsweise in der ersten Richtung erstrecken, – eines oder einer Reihe von dritten Schlitzen (44), welche sich parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander in einer zweiten Richtung vorzugsweise rechtwinklig oder im Wesentlichen rechtwinklig zu der ersten Richtung erstreckt bzw. erstrecken, wobei wenigstens einer der dritten Schlitze (44) vorzugsweise mit dem ersten Schlitz (41) oder einem der zweiten Schlitze (42) verbunden ist, und – eines oder einer Anordnung von Rundlöchern aufweist, wobei die erste Kante vorzugsweise länger als die zweite Kante ist.
Energiespeicherzellengehäuse (6) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wandung (12) eine Sicke (46) aufweist, welche die Durchbrechung (40) aufweist.
Energiespeicherzellengehäuse (6) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseteil (8) eine topfartige Struktur aufweist, wobei die erste Wandung (12) eine Bodenwandung ist, eine zweiten Wandung (14), die eine Seitenwandung der topfartigen Struktur bildet, an die erste Wandung (12) einstückig oder elektrisch leitend verbunden anschließt und in einem Abstand von der ersten Wandung (12) eine durch die zweiten Wandung (14) berandete Einführungsöffnung (15) zum Einführen des elektrochemischen Elements (4) vorgesehen ist, wobei die Einführungsöffnung (15) vorzugsweise eine Ebene definiert, welche zu der ersten Wandung (12) parallel verläuft, wobei das erste Gehäuseteil (8) vorzugsweise prismatisch, insbesondere quaderförmig, bevorzugt flach quaderförmig, oder zylindrisch, bevorzugt flach zylindrisch ausgebildet ist, wobei das erste Gehäuseteil (8) vorzugsweise durch ein zweites Gehäuseteil (10) im Bereich der Einführungsöffnung (15) verschließbar und insbesondere elektrisch leitend verbindbar ist, wobei das zweite Gehäuseteil (10) vorzugsweise einen ersten Stromabgriff (16), der mit dem zweiten Gehäuseteil (10) elektrisch verbunden ist, und einen zweiten Stromabgriff (18), der von dem zweiten Gehäuseteil (10) elektrisch isoliert ist, aufweist.
Energiespeicherzellengehäuse (8) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Elektrodenanschluss (34) ein kathodischer Anschluss ist.
Energiespeicherzelle (2), welche ein elektrochemisches Element (4) und ein Energiespeicherzellengehäuse (6) aufweist, wobei ein erster Elektrodenanschluss (34) des elektrochemischen Elements (4) von außen an eine erste Wandung (12) eines ersten Gehäuseteils (8) des Energiespeicherzellengehäuses (6) angeschweißt, vorzugsweise lasergeschweißt ist, wobei das Energiespeicherzellengehäuse vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist, und wobei der erste Elektrodenanschluss (34) vorzugsweise ein kathodischer Anschluss ist.
Energiespeicherzelle (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Elektrodenanschluss (34) des elektrochemischen Elements (4) wenigstens teilweise in einer in der ersten Wandung (12) vorgesehenen Durchbrechung (40) aufgenommen ist.
Energiespeicherzelle (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Elektrodenanschluss (34) des elektrochemischen Elements (4) wenigstens teilweise an einer Innenfläche der ersten Wandung (12) anliegt und durch eine in der ersten Wandung (12) vorgesehene Durchbrechung (40) hindurch angeschweißt ist.
Energiespeicherzelle (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine an der Verschweißungsstelle ausgebildete Schweißnaht (36) eben oder im Wesentlichen eben mit einer Außenfläche der ersten Wandung (12) fluchtet oder hinter diese zurückweicht.
Energiespeicherzelle (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenfläche der ersten Wandung (12) mit einer elektrisch isolierenden Schicht (38), insbesondere einer Folie, überzogen ist.
Verfahren zum Herstellen einer Energiespeicherzelle (2) mit den Schritten: – Vorbereiten eines Energiespeicherzellengehäuses (6) mit einem elektrisch leitfähigen ersten Gehäuseteil (8), welches eine erste Wandung (12) aufweist, wobei das Energiezellenspeichergehäuse (2) vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist; – Vorbereiten eines elektrochemischen Elements (4), welches einen aktiven Teil (22), einen ersten Elektrodenanschluss (34) und einen zweiten Elektrodenanschluss (28) aufweist; – Einführen des elektrochemischen Elements (4) in das Energiespeicherzellengehäuse (6); und – Verschweißen des ersten Elektrodenanschlusses (34) des elektrochemischen Elements (4) mit der ersten Wandung (12) des ersten Gehäuseteils (8) von außen, vorzugsweise durch Laserschweißen,
Verfahren nach Anspruch 12, weiter gekennzeichnet durch den dem Schritt des Verschweißens vorangehenden Schritt: – Aufnehmen wenigstens eines Teils des ersten Elektrodenanschlusses (34) in einer in der ersten Wandung (12) vorgesehenen Durchbrechung (40), oder – Anlegen eines vorzugsweise flächigen Teils des ersten Elektrodenanschlusses (34) an eine Innenfläche der ersten Wandung (12) wenigstens in einem Bereich einer in der ersten Wandung (12) vorgesehenen Durchbrechung (40).
Verfahren nach Anspruch 13, weiter gekennzeichnet durch den Schritt: – Anbringen einer Zughilfe (78) an dem ersten Elektrodenanschluss (34), wobei die Zughilfe (78) insbesondere ein aus der Gruppe, welche eine Kunststoffplatte, ein Blech, eine Greifvorrichtung, einen oder mehrere Drähte und dergleichen aufweist, ausgewähltes Element aufweist; wobei das Anbringen der Zughilfe (78) insbesondere einen aus der Gruppe, welche Anschweißen, Anlöten, Anklemmen, Ergreifen und dergleichen aufweist, ausgewählten Prozess aufweist; und wobei der Schritt des Einführens des elektrochemischen Elements (4) unter Zuhilfenahme der Zughilfe (78) erfolgt, indem die Zughilfe (78) durch die Durchbrechung (40) hindurch geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, weiter gekennzeichnet durch den dem Schritt des Anbringens der Zughilfe (78) vorausgehenden Schritt: – Hindurchführen der Zughilfe (78) durch die Durchbrechung (40) der ersten Wandung (12) hindurch, insbesondere von einer Außenseite der ersten Wandung (12) aus.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vorbereitens des elektrochemischen Elements (4) den Schritt aufweist: – Anpassen des ersten Elektrodenanschlusses (34) an die anschließenden Verfahrensschritte, wobei das Anpassen wenigstens eine der folgenden Maßnahmen aufweist: – Umformen eines ersten Folienendes (30) oder eines ersten Ableiters (32) des elektrochemischen Elements (4), – Anbringen eines ersten Ableiters (32) von geeigneter Form an einem ersten Folienende (30) des elektrochemischen Elements (4), oder Anbringen eines ersten Ableiters (32) an dem ersten Elektrodenfolienende (30) des elektrochemischen Elements (4) und anschließendes Umformen des ersten Ableiters (32).
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, weiter gekennzeichnet durch einen Schritt eines Ebnens einer Außenfläche der ersten Wandung (12), um eine ebene oder im Wesentlichen ebene Fläche zu erzeugen, wobei das Ebnen wenigstens eine der folgenden Maßnahmen aufweist: – Abtragen von Schweißüberständen, insbesondere durch Schleifen, Hobeln, Stemmen, Fräsen, Abziehen, Walzen, Pressen, Abschneiden von Überständen, – Biegen oder einfaches oder mehrfaches Falten von Überständen, – Auffüllen von Kavitäten (66), insbesondere mit einer Wärmeleitpaste oder einem Lot (68).
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, weiter gekennzeichnet durch einen Schritt eines Aufbringens einer elektrisch isolierenden, insbesondere wärmeleitenden, vorzugsweise dünnen Schicht (38) auf einer Außenfläche der ersten Wandung (12).
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei die erste Wandung (12) des ersten Gehäuseteils (8) eine Bodenwandung ist, eine zweite Wandung (14) an die erste Wandung (12) einstückig oder elektrisch leitend verbunden anschließt und eine Seitenwandung bildet, und in einem Abstand von der ersten Wandung (12) eine durch die zweite Wandung (14) berandete Einführungsöffnung (15) zum Einführen des elektrochemischen Elements (4) vorgesehen ist, wobei die Einführungsöffnung (15) vorzugsweise eine Ebene definiert, welche zu der ersten Wandung (12) parallel verläuft, und weiter gekennzeichnet durch einen Schritt eines Verschließens der Einführungsöffnung (15) mit einem zweiten Gehäuseteil (10), wobei das Verschließen insbesondere ein elektrisch leitendes Verbinden des zweiten Gehäuseteils (10) elektrisch leitend mit dem ersten Gehäuseteil (8) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gehäuseteil (10) aufweist: – einen ersten Stromabgriff (16), welcher mit dem zweiten Gehäuseteil (10) elektrisch leitend verbunden ist, und/oder – einen zweiten Stromabgriff (18), welcher von dem zweiten Gehäuseteil (10) elektrisch isoliert ist, wobei das Verfahren einen Schritt eines Verbindens des zweiten Stromabgriffs (18) mit dem zweiten Elektrodenanschluss (28) des elektrochemischen Elements (4) aufweist, wobei vorzugsweise der erste Elektrodenanschluss (34) ein kathodischer Anschluss ist und der zweite Elektrodenanschluss (28) ein anodischer Anschluss ist.