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HINTERGRUND
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Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Möglichkeit, die Abdichtung prismatisch geformter Batteriezellen zu verbessern und im spezielleren auf die Verwendung von Sperrschichten, die aus extrem hydrophoben Materialien im Bereich der Kanten oder Grenzen von gestapelten planaren Batteriezellen hergestellt sind, als Möglichkeit, die Korrosionsresistenz zu verbessern und die Dampfdurchlässigkeit durch Regionen zu vermindern, in denen benachbarte Zellen angefügt sind.
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Lithium-basierte Batterien werden im automobilen und ähnlichen Verkehrsbereichen eingesetzt, um herkömmliche Verbrennungsmotoren (ICE) im Falle von Hybridelektrofahrzeugen (HEV) zu ergänzen oder im Falle von rein elektrischen Fahrzeugen (EV) zu ersetzen. Die Fähigkeit, Energie sowohl aus portablen und stationären Quellen als auch aus vom Fahrzeug bereitgestellter, zurückgewonnener kinetischer Energie passiv zu speichern, prädestiniert diese Batterien, als Teil eines Antriebssystems für PKW, LKW, Busse, Motorräder und ähnliche Fahrzeugplattformen eingesetzt zu werden. Der Fluss elektrischen Stroms in die und aus den einzelnen Zellen (d. h., eine einzelne elektrochemische Einheit) verhält sich so, dass ein Kombinieren mehrerer solcher Zellen in eine entsprechend größere Baugruppe (wie etwa Module oder Pakete), eine Erhöhung des Stroms oder der Spannung ermöglicht, um den gewünschten Energieausstoß zu generieren. Im vorliegenden Kontext bestehen größere Modul- und Paketbaugruppen aus einer oder mehrerer Zellen, die in Serie aneinander gefügt (für erhöhte Spannung), parallel aneinander gefügt (für erhörten Strom) oder beides, und die Baugruppen können zusätzliche Strukturen enthalten, um die korrekte Installation und den korrekten Betrieb dieser Zellen zu gewährleisten. Eine gewöhnlich in Fahrzeugen verwendete Form des Batteriepakets wird als Leistungsbatterie bezeichnet, während eine andere als Energiebatterie bezeichnet wird. Solche und vergleichbare Batterien sind zum Beispiel in US 2012 / 0 148 888 A1 und
JP 2007 -
265 879 A beschrieben.
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In der Leistungsbatteriepaketvariante, sind die Zellen, aus denen das Batteriepaket besteht, als prismatische (d. h. rechteckige) Behälter ausgeführt, die ein stabiles äußeres Gehäuse definieren, das als Zellengehäuse bezeichnet wird. In der Energiebatteriepaketvariante, befinden sich die einzelnen Zellen in einer dünneren, flexiblen, prismatischen Tasche. In Situationen, in denen die Tasche eine Umhüllungsstruktur für die elektrisch aktiven internen Komponenten formt, haben die Erfinder die äußere Peripherie der dicht anliegenden planaren Taschenoberflächen mit Klebstoff-basierten Heißsiegeln zusammengefügt. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Heißsiegel (die aus einer oder mehreren Schichten Polypropylen, Nylon, Polyethylen und Klebstoff bestehen können) keinen Schutz gegen nach innen wirkende Sauerstoff- und Wasserdampf-Permeation an den Kanten oder ein nach außen gerichtetes Austreten von Elektrolytlösungsmitteldampf an den Kanten bieten, und dass diese Vorgänge - wenn sie nicht untersucht werden - zu einem vorzeitigen Zellversagen oder einem Leistungsabfall führen. Anstrengungen, ein zusätzliches Merkmal für die Reduktion der Anfälligkeit für solche Leckagen bereitzustellen, sind vergeblich, da sie sehr komplex und teuer sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte prismatische Batteriezelle zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine prismatische Batteriezelle, bestehend aus: mindestens einer Anodenregion, mindestens einer Kathodenregion und einer Elektrolytregion, um den Ionenfluss zwischen den Regionen zu ermöglichen, einer Umhüllung, die als Gehäuse oder Hülle fungiert, die um die Anoden-, Kathoden- und Elektrolyregion herum geformt ist; eine Vielzahl elektrisch leitender Laschen, die entlang mindestens einer Kante des Stapels nach außen ragt, die in der Umhüllung/im Gehäuse/in der Hülle geformt ist; und eine Sperre, die entlang einer wesentlichen Gesamtheit der Kante geformt ist. Die Sperrschicht definiert mindestens eine „geringe Durchlässigkeit“-Eigenschaft. In einer bevorzugten Form ist die Abgrenzung als eine relativ flexible Metaltasche ausgeführt, während sie in einer anderen Form als stabiler Plastikbehälter ausgeführt ist. Wenn die Ausführung die einer Tasche ist, sind die Oberflächen, die die Tasche bilden, bevorzugt aluminiumbasiert und sind relativ dünn (zum Beispiel etwa 40 Mikrometer Dicke).
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In der vorliegenden Offenbarung werden der Begriff „Batterie“ und seine Varianten so verstanden, dass er einzelne Batteriezellen (wie etwa die oben genannten prismatisch geformten Zellen) sowie größere aus diesen Zellen bestehende Baugruppen (wie zum Beispiel Module, Pakete oder ähnliches) beinhaltet, und dass Bezüge auf jede einzelne Komponente oder auf Kombinationen, die solche Komponenten beinhalten, aus dem Kontext hervorgehen. Gleichermaßen wird ein Durchschnittsfachmann verstehen, dass während der Begriff „Batteriepaket“ hier für die Erläuterung eine wesentlich komplette Batteriebaugruppe für die Verwendung in Antriebsleistungs- und anderen Hochleistungsanwendungen verwendet wird, ähnliche Begriffe - wie „Batterieeinheit“ oder ähnliches - auch verwendet werden können, um eine solche Baugruppe zu beschreiben und dass beide Begriffe gleichermaßen verwendet werden können, ohne dass das Verständnis verloren geht. Im Bezug auf die einzelnen Batteriezellen ermöglicht ihr prismatischer Aufbau ihre Stapelung oder ihre Ausrichtung innerhalb eines Gehäuses, sodass beim Einlegen der gestapelten Batteriezellen in das Volumen, das vom Gehäuse definiert wird, ein relativ einfaches, unkompliziertes, leitendes Element, das in oder an der Gehäuseabdeckung geformt ist, einfach mit der Sammelschiene oder dem Strompfad verbunden werden kann, sodass der in den Zellen generierte Strom zum Verbraucher übertragen wird.
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Im vorliegenden Kontext wird das Batteriepaket als wesentlich komplette Baugruppe oder System aus Komponenten angesehen, die benötigt werden, um ein Fahrzeug anzutreiben, für die das Batteriepaket ausgelegt wurde, während Batteriemodule oder einzelne Batteriezellen als (wie oben stehend erwähnt) Unterkomponenten des Gesamtsystems betrachtet werden. Gleichermaßen kann eine Baugruppe aus Komponenten für ein Batteriepaket für die Verwendung in automobilen Anwendungen - neben einer Vielzahl von Batteriezellen - Kühlplatten, Rahmen, Ablagen, Sicherungsmechanismen und andere Ausrüstung umfassen, das zwar keine elektrische Energie erzeugt aber trotzdem eine wichtigen Teil des gesamten Batteriesystems darstellt.
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In einer bevorzugten Variante werden LiIonen- oder Li-S-Batterien verwendet; letztere wegen ihrer im Vergleich zur ersteren höheren Energiedichte (etwa 500 W*h/kg gegenüber etwa 150 bis 200 W*h/kg), da das Schwefel-Gastatom im zwei Lithium-Ionen aufnehmen kann, wohingegen die Gastatome in Lithium-Ionen-Batterien nur weniger als ein Lithium-Ion aufnehmen können.
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Bezüglich eines weiteren Aspektes der Erfindung, beinhaltet eine prismatische Batteriezelle, wie oben stehend erläutert, sowohl eine Anoden-, Kathoden- und Elektrolytregion als auch die Laschen und taschenartigen Hüllen, deren Oberflächen durch ein Heißsiegel zusammengefügt sind. Der Versiegelungsbereich, der verwendet wird, um die Oberflächen der Umhüllung zusammenzufügen, ist wesentlich von der Umgebung durch eine Sperrschichtbeschichtung isoliert, die eine wesentlich flache Hauptoberfläche hat, die so ausgeformt ist, dass sie in die Richtung weist, die wesentlich orthogonal zu einer wesentlich flachen Hauptoberfläche ist, die durch das Heißsiegel geformt wird. Eine zusätzliche Behandlungsmaßnahme wird auf der Sperrschichtbeschichtung durchgeführt, um ihre hydrophoben Eigenschaften zu verbessern; eine dieser Maßnahmen beinhaltet eine zusätzliche Schicht aus hydrophobem Material, während andere eine verbesserte Oberflächenrauheit beinhalten.
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Nach noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Methode für die Herstellung einer prismatischen Batteriezelle zur Verminderung der Diffusion an den Kanten offenbart. Die Methode beinhaltet das Anordnen einer Batteriezelle dergestalt, dass sie eine zuvor erwähnte Anodenregion, Kathodenregion und Elektrolytregion hat, die alle von einer Umhüllung umschlossen sind, die aus einem Paar gegenüberliegender, wesentlich flachen Oberflächen besteht, die zusammenwirkend entlang der entsprechenden, wesentlich peripheren Versiegelungsbereiche zusammengefügt sind. Zudem sind Laschen hergestellt, die aus einer oder mehreren Kanten der Umhüllung so hervorstehen, dass sie mit einem passenden Verbraucher für den Strom, der in der Anoden-, Kathoden- und Elektrolytregion erzeugt wird, angeschlossen werden kann. Ein gering durchlässige Sperrschichtbeschichtung befindet sich über dem Versiegelungsbereich entlang mindestens eines Abschnitts einer Kante, die von den zusammengefügten Oberflächen definiert wird. Wie zuvor können zusätzliche Behandlungen oder Schichten in Kombination mit der Sperrschichtbeschichtung verwendet werden, um ihr hydrophobes Verhalten zu verbessern.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung kann am besten verstanden werden, wenn sie zusammen mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Strukturen mit gleichen Referenzzahlen bezeichnet werden und in denen:
- 1 ein Fahrzeug mit Hybridantriebssystem in Form eines Batteriepakets und einem Verbrennungsmotor zeigt;
- 2 Details einer einzelnen prismatischen Pouchbatteriezelle, und ihre Anordnung in einem gedachten Energiebatteriepaket zeigt;
- 3 eine perspektivische Ansicht einer alternativen prismatischen Pouch-Ausführung der Batteriezelle zeigt;
- 4 ein gedachtes Heißsiegel, das zwischen zwei dicht aneinander zusammengefügten Umhüllungstaschenoberflächen der Zellen aus den 2 und 3 geformt ist, und die Anordnung einer einlagigen Sperrschichtbeschichtung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 5 eine andere Ansicht der Anordnung der Sperrschichtbeschichtung zeigt, diesmal wird eine vielschichtige Ausführung gezeigt; und
- 6A bis 6D verschiedene Grade hydrophilen und hydrophoben Verhaltens einer Oberflächenverbesserungsbeschichtung zeigt, wobei das hydrophobe Verhalten zusammen mit der Sperrschichtbeschichtung aus den 4 und 5 verwendet wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Zunächst mit Bezug auf 1, wird ein Fahrzeug 1 gezeigt, das zusammen mit der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann. Fahrzeug 1 beinhaltet ein Hybridantriebssystem in Form einer elektrischen Energiequelle, die aus einem konventionellen Verbrennungsmotor 5 und einem fiktiven Batteriepaket 10 besteht, beide wirken mit einem oder mehreren elektrischen Motoren und einem Getriebe (zum Beispiel in Form eines Planetengetriebes) zusammen, die einen Antriebsstrang 15 bilden. Ein solches Fahrzeug ist als Hybridelektrofahrzeug (HEV) bekannt. Es wird von Fachleuten einzusehen sein, dass das Fahrzeug 1 nicht zwingend einen Verbrennungsmotor 5 benötigt, in einem solchen Fall handelt es sich nicht um ein HEV, sondern um ein Elektrofahrzeug (EV); beide Ausführungen befinden sich innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung. Wie im Rest der Offenbarung erläutert, kann das Batteriepaket 10 entweder eine Leistungsbatterie oder eine Energiebatterie sein, wobei sich die entsprechende Variante aus dem Kontext ergibt. Es wird angenommen, dass zusätzliche Komponenten des Antriebsstrangs (von welchen keine gezeigt sind), die bei der Bereitstellung von Antriebsenergie an einem oder mehrerer Räder behilflich sind und mit dem Batteriepaket 10 und/oder Verbrennungsmotor 5 gekoppelt sind, rotierende Wellen, Achsen, Steuerungen und ähnliches beinhalten. Während das Fahrzeug 1 als Auto dargestellt ist, gilt die Anwendbarkeit des Hybridantriebssystems auf andere solche automobilen Ausführungen (wie LKW, Busse, Luftfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Raumfahrzeuge und Motorräder) als Teil des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung.
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Als Nächstes mit Bezug auf 2 und 3, ist das Batteriepaket 10 die elektrische Stromquelle für Fahrzeug 1, und besteht aus einer Vielzahl prismatischer Lithium-Ionen Pouch-Batteriezellen 100, die einander zugewandt ausgerichtet (ähnlich wie ein Kartenstapel) sind, entlang einer Stapelrichtung, -dimension oder -achse A-A und B-B. Eine Gruppe einer Vielzahl einzelner Zellen 100 kann innerhalb größerer Module 200 genannten Einheiten zusammengefasst werden, die wiederum mit einem Gehäuse platziert werden, um das Batteriepaket 10 zu definieren. Es wird von Fachleuten einzusehen sein, dass der doppelte Charakter der gezeigten Stapelachsen sich speziell auf das Batteriepaket 10 in T-Form beschränkt und bei anderen (nicht gezeigten) Varianten, bei denen alle Batteriezellen 100 entlang einer gemeinsamen Achse (wie etwa Achse A-A) ausgerichtet sind, kein Bezug zu zusätzlichen Stapelachsen genommen werden muss. In jedem Fall wird die Stapelausrichtung einer jeden Batteriezelle 100, die hier erläutert wird, aus dem Kontext ersichtlich. Wie auch bei den zusätzlichen Komponenten des Antriebsstrangs, die oben erläutert wurden, kann andere Ausrüstung für die Integration des Batteriepakets 10 in das Fahrzeug 1 (unter anderem) ein Batteriesystemüberwachungseinheit (BSM), eine manuelle Service-Trennschaltereinheit (MSD) sowie eine Batterieabschalteinheit und ergänzende Strukturen zur elektrischen Steuerung, für eine strukturellen Halt, Kühlung, elektrische Verbindungen (zum Beispiel über Sammelschienen und Kabel) und ähnliches beinhalten. In der gezeigten Energiebatterie-Ausführung, sind die einzelnen Zellen 100, aus denen das Batteriepaket 10 besteht, als rechteckige (d. h. prismatische) Taschen 101 mit zusammengefügten, im Allgemeinen flachen Oberflächen 102, 104 ausgeführt. Positive und negative Endpunkte in Form von herausragenden Laschen 106, 108 können sich an einer Kante 110 (vorliegend an der oberen Kante in 2 gezeigt) der Außenseite der Tasche 101 befinden, um als elektrischer Kontakt für die Verbindung (zum Beispiel mittels Sammelschiene) mit einem äußeren Verbraucher oder Schaltkreis zu dienen. In einer anderen Ausführung, können die Laschen 106, 108 sich aus gegenüberliegenden Kanten der taschenförmigen Umhüllung erstrecken (wie in 3 gezeigt); es wird von Fachleuten einzusehen sein, dass die Auswahl der Position der Laschen 106, 108 sowohl vom Platz in der automobilen Umgebung, als auch von der bevorzugten Platzierung der stromsammelnden Sammelschienen oder vergleichbarer Energieverkabelung abhängig ist, und jede Variante Teil des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung ist. Darüber hinaus ist im vorliegenden Kontext die Kante die Region der Tasche 101, die durch eine und um eine Naht 117 herum definiert wird, an der das Kleben oder ähnliches Zusammenfügen der gegenüberliegenden Oberflächen 102, 104 stattfindet. Es wird von Fachleuten einzusehen sein, dass im Falle von prismatischen Batteriezellen 100, ein solches Zusammenfügen vier Kanten definiert, und dass zur Minimierung von Diffusion und damit verbundener Gasdurchlässigkeit eine wesentliche Gesamtheit aller vier Kanten auf die hier offenbarte Weise behandelt werden muss, wobei beachtet wird, dass die Bereiche, die direkt an die hervorstehenden Laschen 106, 108 grenzen, möglicherweise eine geringere Sperrschichtbeschichtungsregelmäßigkeit aufweist, wie an Stellen, an denen keine solchen überstehenden Elemente vorhanden sind. Wie unten stehend genauer erläutert wird, ist die Naht 117 die Stelle zwischen den zusammengefügten, gegenüberliegenden Oberflächen 102, 104und ist Teil einer Heißsiegelkante 118 (die wiederum Teil eines peripher befestigten Heißsiegels 114 ist, das unten stehend zusammen mit 4 und 5 genauer erläutert wird) und darüber befindet sich eine Sperrschichtbeschichtung 116 entlang der Kante . Da die Abmessungen der Beschichtungen, Schichten, Dichtungen und die damit zusammenhängenden Strukturen, die hier erläutert werden, sehr klein sind (zum Beispiel im Mikrometerbereich), sind die Eigenschaften, die in den vorliegenden Figuren abgebildet sind, darüber hinaus nicht maßstabsgetreu, um eine bessere Verbildlichung des erfindungsgemäßen Konzepts zu ermöglichen. Daher ist die Sperrschichtbeschichtung 116 dargestellt, als ob sie eine beachtliche Dicke der Zelle 100 oder einer ihrer zusammengefügten, gegenüberliegenden Oberflächen 102, 104einnimmt, obwohl ihre tatsächlichen Abmessungen wesentlich schmaler sind und nur die Weite beansprucht, die tatsächlich nötig ist, um die Heißsiegelkante 118 abzudecken, die an der Naht 117geformt ist.
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Beide Varianten der Zelle 100, die in den 2 und 3 abgebildet sind, definieren eine gestapelte Art einer internen Elektrodenstruktur, die von der flexiblen Tasche101 umhüllt ist, deren Oberflächen 102, 104 in einer Ausführung aus Aluminiumfolie mit schützender Polymerbeschichtung besteht; innerhalb der Tasche 101 sind eine Anzahl blattförmige negative kohlenstoffbasierte Elektroden (Anoden, nicht gezeigt) mit einer der Laschen 106verbunden und eine Anzahl blattförmiger positiver manganbasierter Speicherelektroden (Kathoden, nicht gezeigt) sind mit der anderen Lasche 108verbunden; diese Elektroden sind mit einem Elektrolyt gestapelt, das ein poröses Medium für den Austausch elektrischer Ladungsionen von der Speicheranode zur chemischen Bindung an die Kathode bereitstellt, während es gleichzeitig als Isolator oder Separater zwischen beiden Elektroden fungiert. Wie auf dem Gebiet der Erfindung verstanden wird, kann die Batteriezelle 100 wieder aufgeladen werden, indem ein Strom genutzt wird, um die Lithium-Ionen gewaltsam von der Kathode zu trennen und sie durch das Elektrolyt zurück zur Anode zu senden. Im vorliegenden Kontext bilden die gestapelte Anode, Kathode und das Elektrolyt eine aktive Region (auch bezeichnet als Zellenelektrodenstapel, im Allgemeinen dargestellt als 112) in der elektrischer Strom erzeugt wird und die komplett von den zusammengefügten Oberflächen aus Aluminiumfolie 102, 104 umhüllt sind.
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Obwohl die in der Variante der Energiebatterie verwendete Zelle 100 im Allgemeinen flach ausgeführt ist, kann die Zelle 100 seitlich eine trapezförmiges Profil annehmen, bei der ein Teil der Tasche 101 entlang einer passenden Stapelachse A-A um die aktive Region 112 relativ dick ist (wie besonders in 2 gezeigt), wenn verglichen mit der Peripherie, die das Heißsiegel 114 überdeckt, das sich im Bereich befindet in dem die Folie der Oberflächen 102, 104 zusammengefügt sind. Es wird von Fachleuten einzusehen sein, dass die Batterie, die nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, nicht auf die Ausführungen und Beispiele beschränkt ist, die hier dargestellt werden, und dass vielfältige Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzumfang zu verlassen. Es wird ebenfalls von Fachleuten einzusehen sein, dass diverse einzelne, sich abwechselnde positive und negative Elektroden in jeder aktiven Region 112 zusammen gruppiert sein können und entlang der Stapelrichtung voneinander beabstandet sein können, um durch nicht leitende Separatoren (nicht gezeigt) elektrisch isoliert zu sein. Verdrahtung von jeder negativen Elektrode werden in der Tasche 101 der Zelle 100 zusammengefasst und zur Lasche 108geführt, während Verdrahtung von jeder positiven Elektrode gleichfalls zusammengefasst und zur Lasche 106 geführt werden. Wie besonders in 3 zu sehen ist, erstreckt sich der Perimeterbereich, der durch das Heißsiegel 114 definiert wird, über die aktive Region 112 jeder Zelle 100 hinaus; auf diese Weise kann, wenn ein Teil des peripheren Heißsiegels 114 im Verlauf des Zusammenbaus der Tasche 101 umgefaltet und gecrimpt wird (nicht gezeigt), der Teil der Heißsiegelkante 118 auch durch crimpen verbunden werden.
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Als Nächstes mit Bezug auf 4 ist eine Seitenansicht einer vielschichtigen Variante der Heißsiegelkante 118 gezeigt, die am Perimeter der Tasche 101 aus den 2 und 3 geformt wird; gezeigt wird ebenso die Platzierung einer vereinfachten Version der Sperrschichtbeschichtung 116 darüber. Obgleich zur einfacheren Darstellung so dargestellt, dass nur die Heißsiegelkante 118 in der Figur dargelegt ist, kann die Sperrbeschichtung 116 auch so groß hergestellt werden, dass sie beide Seiten der Umfangfläche, die durch das Heißsiegel 114 definiert ist, überlappt. Wesentlich agiert die Sperrschichtbeschichtung 116 als ein elektrischer Isolator zwischen der Heißsiegelkante 118 und anderen leitenden Oberflächen im Batteriepaket aus 2 und stellt eine zusätzliche Korrosionsbeständigkeit für die Heißsigelkante 118 bereit. Die Heißsigelkante 118 besteht aus mehreren Schichten 118A eines folienartigen Materials (wie etwa Polyethylenterephthalat (PET) oder Polypropylen), die sandwichartig mit einer Verstärkerfolie (wie etwa Nylon) 118B, Klebstoff- oder Kleberschicht 118C, Aluminiumfolienschicht 118D und der eigentlichen inneren Heißsiegelschicht 118E verbunden sind, wobei die letztere bevorzugt aus Polypropylen besteht. In einer anderen Ausführung (nicht gezeigt) können die beiden Foilenschichten 118A, 118B aus einem einzelnen durchgehenden Material, wie etwa PET, Nylon, Polypropelen oder ähnlichem sein. In der gezeigten Ausführung formen die verschiedenen Schichten 118A bis 118E ein Paarstapel, der an der Mittellinie der Naht 117 der Tasche 101 gespiegelt ist. Die Stapeldimension ist die, das die freilegenden Oberflächen der Schichten 118A bis 118E senkrecht zur Stapelachse A-A der Zelle 100 sind.
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Als Nächstes mit Bezug auf 5 in Zusammenhang mit den 2 bis 4 ist die Sperrschichtbeschichtung 116 über der durchlässigen Heißsiegelkante 118 platziert. Sie wird vorliegend in 4 als einzelne Schicht oder Blatt gezeigt und mit drei Blättern (beinhaltend eine Schicht eines Entkopplungsblatts 116A , umgeben von einer sandwichartigen Struktur mit einem Paar Sperrblätter 116B) in 5, es wird von Fachleuten einzusehen sein, dass diese und andere Ausführungen im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung liegen. Beispielsweise kann ein vielschichtiger Stapel, der mehr als eine Sperrschichtbeschichtung 116 beinhaltet, gebildet werden. Ebenso kann auch ein einfaches Sperrblatt 116B ohne Entkopplungsblatt 116A gebildet werden; die Wahl zwischen beiden wird von vielfältigen Gestaltungsüberlegungen bestimmt, darunter Kosten, Einfachheit der Umsetzung, Grad der benötigten Permeationsresistenz oder ähnliches. In Ausführungen in denen beide Arten von Blättern abwechselnd in einer gestapelten Beziehung positioniert werden, bestehen die Sperrblätter 116B aus einem anorganischen Material (bevorzugt ein Oxid wie etwa Al2O3, SiO2, TiO2 oder Zink-Zinn-Oxid (ZTO)), während die Entkopplungsblätter 116A aus einem Material bestehen, das bereits gute Planarisierungseigenschaften aufgezeigt hat, als Möglichkeit, potentielle Bruchquellen in angrenzenden Sperrblättern 116B abzumildern. Beispiele solcher Materialien beinhalten Kohlenstoff, fluorierte Kohlenstoffe oder Silikate. Auf diese Weise bietet das Sperrblatt (oder die Blätter) 116B die nötige hohe Permeationsresistenz, während das Entkopplungsblatt (oder die Blätter) 116A helfen, die strukturelle Stabilität der Sperrschichtbeschichtung 116 insgesamt zu verbessern und einen verwundeneren Gas- oder Dampfpermeationspfad PP bereitstellt. Eine exemplarische Positionierungstechnik für das Sperrblatt 116B kann Sputtern beinhalten, während eine exemplarische Positionierungstechnik für das Entkopplungsblatt 116A Nasslackieren und/oder CVD oder PECVD beinhalten können. Darüber hinaus kann, abhängig von der Wahl der Oxide, die Wasserdampfdurchlässigkeitsrate (WVTR) stark verkleinert werden (zum Beispiel zwischen 1 Gramm je Quadratmeter pro Tag und 0,01 Gramm je Quadratmeter pro Tag für eine Dicke des Sperrblatts 116B von zwischen 10 Nanometern und 400 Nanometern).
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In einer bevorzugten Ausführung, ist das Entkopplungsblatt 116A auf beiden Seiten von Sperrblättern 116B umgeben, um das relativ durchlässige Entkopplungsblatt 116A der Umgebung weniger auszusetzen. Zudem wirkt die senkrechte Anordnung der Sperrschichtbeschichtung 116 über die zusammengefügte Heißsiegelkante 118 und die Taschenoberflächen 102, 104 einer seitlichen Diffusion von Luft, Wasserdampf oder in der aktiven Region 112 als Nebenprodukt des elektrochemischen Prozesses entstehende Lösungsmittelgase entgegen, die möglich wird, da wenigstens einige der Komponenten (wie etwa die Polypropylen-basierte Heißsiegelschicht 118E), aus denen die Heißsiegelkante 118 besteht, gas- und wasserdampfdurchlässig sind. Auch wenn die WVTR nicht mittels traditioneller Diffusionsprotokolle beschrieben werden kann, kann die richtige Materialauswahl genutzt werden, um die Durchlässigkeit (zum Beispiel Kubikzentimeter O2 je Meter pro Tag pro Atomsphäre) und Durchlasseigenschaften (Kubikzentimeter O2 je Quadratmeter pro Tag pro Atmosphäre) zu minimieren.
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Die Sperrschichtbeschichtung 116 könnte das Heißsiegeln der Tasche 101 der Batteriezelle wesentlich vereinfachen, indem sie die Weite des Heißsiegelperimeters 114 in 3 verringert und stattdessen die Sperrschichtbeschichtung 116 auf der Heißsiegelkante 118 verwendet wird, um die verringerte Weite des Heißsiegelperimeters 114 auszugleichen, wodurch der gleiche oder ein besserer Grad an Resistenz gegen Wasser- und Elektrolytdampfdurchlässigkeit erreicht wird.
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Das würde dazu führen, dass die Energiedichte (zum Beispiel gemessen in W*h/Liter) der Batteriezelle 100 verbessert wird.
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Wie besonders in 2 gezeigt, erinnert die Sperrschichtbeschichtung 116 an eine bilderrahmenartige Struktur um die Peripherie der Tasche 101. Als solche ist sie bevorzugt so auszurichten, dass die Oberfläche mit den größeren Abmessungen senkrecht zur Schichtstapelrichtung der Oberfläche der Heißsiegelkante 118 positioniert wird. Daher, würde die Hauptoberfläche neben die Heißsiegelkante 118 in 4 gestellt, würde die Hauptoberfläche der Sperrschichtbeschichtung 116 seitlich nach innen weisen; das hätte den Effekt, dass die gesamte Dicke T (welche in einer exemplarischen Ausführung zwischen etwa 160 Mikrometer und 220 Mikrometer messen würde) der Heißsiegelkante 118 überspannt werden würde. In einer bevorzugteren Ausführung würde die Sperrschichtbeschichtung 116 leicht über die gegenüberliegenden Enden der Heißsiegelkante 118 ragen; diese überlappende Abdeckung bewirkt eine weitere Reduktion jeglicher Diffusion durch die Kante. In beiden Ausführungen sorgt die Sperrschichtbeschichtung 116 dafür, dass Wasserdampf, Elektrolytgase oder andere Flüssigkeiten, die auf andere Weise an der Kante durch die Heißsieglkante 118 diffundieren würden, eine weitere Schutzstruktur mit niedriger Durchlässigkeit passieren müssen.
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Als Nächstes mit Bezug auf 6A bis 6D zusammen mit 5 zeigt der Einfluss von hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften, die der äußersten Oberfläche (wie etwa Sperrblatt 116B) der Barriereschichtbeschichtung 116 verliehen werden, die Fähigkeit eines flüssigen Tröpfchens D, eine Oberfläche zu benetzen, wobei die erste (6A) einen hohen Grad an Benetzbarkeit zeigt und die nächsten zwei (6B und 6C) sukzessive sinkenden Wert zeigen. Im vorliegenden Kontext sind die geringen Grade an Benetzbarkeit, wie sie vom Tröpfchen in 6C belegt werden, im Allgemeinen konsistent mit hydrophoben Materialien. Wie oben beschrieben, erwächst zumindest ein Teil des Vorteils der Sperrschichtbeschichtung 116 daraus, dass es mindestens ein Sperrblatt 116B mit geringer Durchlässigkeit hat. In einer bevorzugten Ausführung beinhaltet die Sperrschichtbeschichtung 116 des weiteren Beschichtungen oder Behandlungen (hier auch als Material zur Oberflächenverbesserung bezeichnet) zur Oberflächenverbesserung CSE, das zwischen benachbarte Blätter oder Schichten positioniert werden um die gesamte Sperrschichtbeschichtung 116 hydrophober zu machen, wie in 6C gezeigt, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass Wasser (oder andere Flüssigkeiten die sich auf der Oberfläche sammeln) abperlen anstatt die Oberfläche zu benetzen. Das wiederum verhindert die Diffusion von Wasser- und Elektrolytdampf und Sauerstoff. Besonders mit Bezug auf 6D wird eine Oberfläche im vorliegenden Kontext dann als „hydrophob“ betrachtet, wenn der Kontaktwinkel θC (gemessen mit der Youngschen Gleichung oder einem gleichwertigen Ansatz) zwischen 90 Grad und 180 Grad liegt. Eine spezifischere Untergruppe hydrophober Materialien ist die, bei der der Kontaktwinkel bei über 150 Grad liegt; diese werden als „superhydrophobe“ Materialien bezeichnet. Die Erfinder haben bestimmt, dass Kontaktwinkel im Bereich von mehr als 110 Grad zu bevorzugen sind und dass die mit einem Winkel von über 130 Grad noch bevorzugter sind und am meisten bevorzugt, die mir 150 Grad sind.
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Solche Beschichtungen zur Oberflächenverbesserung CSE können eine zusätzliche oberste Beschichtung beinhalten, die entweder aus einer Beschichtung wie etwa Polytetrafluorethylen (PTFE, wie etwa Teflon(W oder ähnliches), fluoriertem Kohlenstoff, Zeolith, Metaloxid, Bismuth, Parylenen und Siloxan besteht oder durch eine Oberflächenbehandlungsschicht aus Fettsäuren. Eine Art der des Beschichtung mit fluoriertem Kohlenstoff beinhaltet die Modifizierung von amorphem Kohlenstoff, sodass ein Fluor-basiertes Dotierungsmaterial die die amorphe Kohlenstoffschicht hoch hydrophob macht; solch ein Material (welches einen vielschichtigen Kohlenstoffbeschichtungsstapel bildet) kombiniert die geringen Reibungseigenschaften von PTFE mit der Wasserresistenz der tetraedrischen amorphen Kohlenstoffschicht (ta-C). In einer bevorzugten Ausführung können eine oder mehrere dieser Beschichtungen zur Oberflächenverbesserung CSE als Schicht über dem Sperrblatt 116B verwendet werden, oder als Teil einer Zwischenschicht zwischen dem Sperrblatt 116B und dem Entkopplungsblatt 116A, um eine sandwichartige Struktur zu bilden. Darüber hinaus, kann eine solche Beschichtung zur Oberflächenverbesserung CSE funktionalisiert werden; dadurch werden fluorierte Molekülgruppen zur Oberfläche hinzugefügt, um sie hydrophober zu machen und dabei gleichzeitig die gute Robustheit zu erhalten.
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Es wird bevorzugt, dass Auftragen diverser Beschichtungen, einschließlich der Sperrschichtbeschichtung 116, entweder mit oder ohne einer zusätzlichen hydrophoben Schicht (so wie etwa die Beschichtung zur Oberflächenverbesserung CSE als zu oberst aufgetragene Schicht) durch einfache, kostengünstige Prozesse durchgeführt wird, welche Tauschen, Aufsprühen oder Beschichtung per Atmosphärendruck. In einem anderen bevorzugten Ansatz, werden diese Materialien durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebracht. In einem anderen bevorzugtem Ansatz kann die Methode der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) angewendet werden; ein solcher Ansatz eignet sich besonders gut für Siloxan-ähnliche Materialien und Siliziumdioxid-ähnliche Materialien. Die Erfinder haben bestimmt, dass Siloxan-ähnliche Schichten besonders passend sind, da sie sehr hydrophob sind und bestimmte Methylgruppen und Polymethylsiloxan enthalten, welche hilfreich bei (a) der Reduktion der Oberflächenenergie und (b) bei der Formung der Sperrschichtbeschichtung 116 sind und sie (c) als Grundierung für Klebstoffe dienen. Ebenso zeigen plasmapolymerisierte Fluorkohlenstoffe hydrophobes Verhalten und verfügen zudem über geringe Reibungskoeffizienten und verbinden so Struktur und Reaktionsträgheit. Diese Eigenschaften helfen dabei, die Benetzbarkeit und Reibung einer aufgetragenen Sperrschichtbeschichtung 116 zu verringern. In einer Ausführung haben diese Materialien einen Kontaktwinkel von zwischen 117 und 137 Grad gezeigt. In einer anderen Ausführung kann atmosphärische Plasmapolymerisation genutzt werden. Während ein solcher Ansatz bisher zur Vorreinigung und Aktivierung von Beschichtungen auf Metallen und Kunststoffen für industrielle Werkzeuge verwendet wird, haben die Erfinder bestimmt, dass solch ein Ansatz angewendet werden kann, um multifunktionale Beschichtungen aufzubringen, die bisher entweder mit einem Sol-Gel- oder PECVD-Prozess verarbeitet werden. Als solche werden Siliziumdioxid- und Titandioxidschichten durch einen Plasmastrahl aufgeschichtet, welcher wiederum so angepasst werden, dass er wie gewünscht hydrophile oder hydrophobe Funktionen hat. Beispielsweise kann ein Substrat mit Siliziumdioxid-ATitandioxidvorläufem beschichtet werden, die danach von einem Plasmastrahl kondensiert werden. Eine Nachbehandlung kann durchgeführt werden, wenn die Beschichtung hydrophil sein soll, während eine solche Nachbehandlung nicht nötig ist, wenn die Beschichtung hydrophob sein soll. In einer wiederum anderen Ausführung kann Ionenstrahlmodifikation oder eine ähnliche Elektrolytablagerung angewendet werden. Im Fall des Ionenstrahls werden Atome von der Substratoberfläche abgeplatzt, indem hochenergetische Ionen auf die Oberfläche gerichtet werden. Auf de Oberflächen werden Kuhlen erzeugt, welche Längen im Nanometer- und Mikrometerbereich aufweisen, was der Oberfläche eine Rauheit in zwei Größenordnungen verleiht (auch als Rauheit-auf-Rauheit bezeichnet, die dem unten erläuterten Lotosblüteneffekt ähnelt). Dies raut die Oberfläche auf und erzeugt eine große Oberfläche auf der Oberfläche und erhöht somit die hydrophoben Eigenschaften. Die kann mittels konventionellem Plasma oder einem Ionenbeschussprozess durchgeführt werden, wobei der energetische Ionenstrahl (beispielsweise zwischen einigen Zehn und mehreren Hundert Kiloelektronenvolts (KeV)) auf die Oberfläche einwirkt und wobei jedes Ion im Strahl in der Lage ist, mehrere Atome beim Auftreffen auf der Oberfläche zu lösen.
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In einem wiederum anderen Ansatz könnten Nanodrähte aus Zinkoxid (ZnO) galvanisch aufgebracht werden und zusammen mit einer Beschichtung aus langkettigen Fettsäuren wie etwa Stearinsäure oder Palmitinsäure verwendet werden, um die superhydrophoben Eigenschaften zu bewahren, wobei Kontaktwinkel von bis zu 176° möglich sind, was es extrem wasserabweisend macht. Solche Nanodrähte sind zwischen 2 und 5 µm lang, 100-200 nm im Durchmesser und führen dazu, dass die entstehenden drahtähnlichen ZnO-Strukturen mit einer Spitze enden, die nanoskalige Rauheit aufweist. Die durch Galvanik entstandene Schicht wird ohne Zwischenschritte für 24 Stunden in eine Ethanollösung mit Stearinsäure oder Palmitinsäure getaucht, um das superhydrophobe Verhalten zu erzielen. Die Erfinder haben eine Rauheit in zwei Größenordnungen an der Spitze der Drähte beobachtet, worin die Hydropobizität der aufgenommenen Stearinsäure mit der multiskalaren Rauheit des Lotosblatts und mit der einhergehenden wachsigen Beschichtung niedriger Oberflächenenergie.
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Die Oberfläche die der äußersten Schicht der Sperrschichtbeschichtung 116 entspricht, kann auch behandelt werden, um die Textur ihrer Oberfläche zu verbessern, da texturiertere Oberflächen dazu tendieren, „Lotoseffekte“ und ein zusätzliches hydrophobes Verhalten aufzuweisen. Für die Fähigkeit der Beschichtung 116, eine hoch hydrophobe Oberfläche zu bilden, um Dampfdurchlässigkeit und hier erläuterte, durch Diffusion bedingte Phänomene zu reduzieren, ist die Robustheit; diese ist besonders im Bereich von automobilen Batterien wichtig, wo andererseits eine Langzeitverwendung in breiten Temperatur- und Feuchtigkeitsbereichen die Langlebigkeit von Sperrschichtbeschichtungen 116 beeinträchtigen würde. Zu diesem Zweck sind einige der anderen wünschenswerten Eigenschaften für die Sperrschichtbeschichtung 116 unter anderem eine Beständigkeit gegenüber organischen und anorganischen Substanzen (Säuren, Basen, Gasen, Wasserdampf), hohe elektrische Isolation (einschließlich hoher dielektrischer Stärke), Biokompatibilität und eine biostabile, lochfreie Schichtbildung, gleichmäßige Schichtdicke, kein Ausgasen, hohe Verschleißfestigkeit (mindestens eine Härte von 92 Shore-A), Temperaturstabilität bis zu 100° C, oder ähnliches.
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Es wird angemerkt, dass Begriffe wie „bevorzugt,“ „normalerweise,“ und „typischerweise“ hier nicht zur Einschränkung des erfindungsgemäßen Schutzumfangs verwendet werden oder implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, essenziell oder sogar wichtig für die erfindungsgemäße Struktur oder Funktion sind. Stattdessen werden diese Begriffe verwendet, um lediglich die alternative oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die in einer bestimmten Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können aber nicht müssen. Gleichermaßen werden Begriffe wie „wesentlich“ genutzt, um eine inhärente Ungewissheit auszudrücken, die jedem quantitativen Vergleich, Wert, jeder Abmessung oder jeder Darstellung innewohnen kann. Es wird auch verwendet, den Grad darzustellen, mit dem eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne die grundlegende Funktion der behandelten Materie zu ändern.
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Zum Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung wird angemerkt, dass der Begriff „Gerät“ hier genutzt wird, um eine Kombination aus Komponenten und einzelne Komponenten unabhängig davon darzustellen, ob die Komponenten mit anderen Komponenten kombiniert sind. Beispielsweise kann ein Gerät nach der vorliegenden Erfindung eine Batterie oder ähnliche Quelle für elektrische Energie aufweisen, welche wiederum verwendet wird, um kinetische Energie bereitzustellen. Ein Gerät kann sich auch auf ein Fahrzeug beziehen, dass die Quelle der kinetischen Energie oder anderer Ausrüstung enthält, aus der das Fahrzeug besteht, oder die zusammen mit dem Fahrzeug oder der Quelle für kinetische Energie genutzt wird; die Art des Geräts wird aus dem Kontext ersichtlich. Darüber hinaus, werden Variationen der Begriffe „automobil“, „automotiv“, „fahrzeuglich“, oder ähnliches werden generisch verstanden es sei denn, der Kontext gibt etwas anderes vor. Als solches werden Bezüge auf ein Automobil so verstanden, dass sie KFZ, LKW, Busse, Motorräder und ähnliche Fortbewegungsmittel abdecken, es sei denn, der Kontext spezifiziert die Verwendung. Ebenso kann die Erfindung zusammen mit Batteriezellen außerhalb automobiler Anwendungen verwendet werden, wo temperaturempfindliche Ausrüstung eventuell zusätzlichen Temperaturschutz benötigt; solche zusätzlichen Ausführungen werden so verstanden, dass sie unter den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen.
