DE102016208813A1

DE102016208813A1 - Batteriezelle mit gefaltetem Laminat

Info

Publication number: DE102016208813A1
Application number: DE102016208813.0A
Authority: DE
Inventors: Anthony Ottomano; Qian Lin; Yan Wu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2016-05-21
Publication date: 2016-12-01
Also published as: CN106207280A; US20160351865A1

Abstract

Es werden Verfahren und durch diese gebildete Batteriezellen beschrieben, mit denen sich Probleme durch eine freiliegende Metallschicht an der Umfangskante eines flexiblen Laminats, welches eine Tasche für Batteriezellen bildet, minimieren lassen. Die Versiegelung der Umfangskanten der Tasche wird optimiert, indem die Anschlüsse der elektrochemischen Zelle durch Perforierungen einer gefalteten Kante des flexiblen Laminats geführt werden. Die gefaltete Kante weist keine freiliegende Metallschicht auf und erfordert kein Material zur Versiegelung oder ein durch die Anschlüsse erschwertes Versiegelungsverfahren.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Technik betrifft Batteriezellen, u. a. Batteriezellen mit Laminattasche mit verbesserter elektrischer Isolation, sowie Verfahren zur Herstellung solcher Batteriezellen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der folgende Abschnitt bietet Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, bei denen es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
Eine Batteriezelle kann eine saubere, effiziente und umweltfreundliche Stromquelle für verschiedene Anwendungen bieten, darunter den Antrieb eines hybriden oder rein elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Eine Art von Batteriezelle ist die Lithium-Ionen-Batterie. Eine Lithium-Ionen-Batterie kann wiederaufladbar sein und in einer Vielzahl von Formen und Größen hergestellt werden, so dass sie in den dafür vorgesehenen Platz im Elektrofahrzeug passt. Die Batteriezelle kann zum Beispiel prismatisch geformt sein, damit die Batteriezellen gestapelt werden können. Eine Vielzahl einzelner Batteriezellen, die sich in einem Batteriepack befinden und genügend Strom für den Betrieb eines Elektrofahrzeugs liefern.
Eine prismatische Batteriezelle kann durch ein Paar aus mehreren Kunststoff- und Metallschichten bestehenden Laminatblättern, die eine elektrochemische Zelle umschließend verschweißt oder wärmeversiegelt sind und so die Komponenten der Batteriezelle in sich versiegeln, eine Taschenform erhalten. Die Tasche kann zum Beispiel aus einer oder mehreren Folien bestehen, über der sich auf jeder Seite eine thermoplastische Schicht befindet. Der Batteriezellenpack kann ein Laminatblatt mit einer Vertiefung oder Mulde umfassen. Die elektrochemischen Zellkomponenten sind in oder auf der Vertiefung oder Mulde der kunststoffbeschichteten Metallschicht angeordnet. Das andere Laminatblatt wird sodann auf die Komponenten der Batteriezelle gelegt und die Laminatblätter rundum zusammengeschweißt, z. B. durch Wärmeversiegelung an den Kanten, so dass eine geschlossene Tasche entsteht.
Die effektive Nutzung der Batteriezelle kann von elektrisch isolierenden Teilen der Batteriezelle abhängen, durch die die gewünschten elektrisch leitenden Pfade erhalten und die Komponenten der Batteriezellen unversehrt bleiben. Während des Auf- und Entladens der Batteriezelle wird Elektrizität von verschiedenen Materialien und Flüssigkeiten geleitet. Beim Material der Tasche kann mit einer oder mehreren Metallschichten im Laminat eine hermetische Versiegelung für die elektrochemische Zelle erzielt werden. Der Erhalt der elektrischen Neutralität der Metallschicht von den umgebenden Komponenten kann bei bestimmten Anwendungen für eine bessere Leistung und eine möglichst lange Lebensdauer der Zelle von Bedeutung sein, wie z. B. Fahrzeugbatteriepacks. Eine angemessene Isolierung der Metallschichten kann die elektrische Isolation verbessern.
Es besteht ein kontinuierlicher Bedarf nach einer Optimierung des Batteriepacks und der Integrität der Komponenten und einem gleichzeitigen Erhalt der elektrisch isolierten Teile der Batteriezelle und einem Erhalt der gewünschten elektrisch leitenden Pfade der Batteriezelle.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Technik umfasst Artikel zu Herstellung, Systemen und Verfahren in Bezug auf Batteriezellen mit einer Tasche aus flexiblem Laminat, aus dem mindestens ein Anschluss ragt.
Es sind Batteriezellen vorgesehen, die eine elektrochemische Zelle mit einem Anschluss und flexiblem Laminat in Form einer Tasche beinhalten. Die Tasche besteht aus einer Innen- und einer Außenseite, wobei die elektrochemische Zelle auf der Innenseite angebracht ist. Die Tasche beinhaltet eine gefaltete Kante des flexiblen Laminats, welche eine Perforierung aufweist, wobei die Anschlussklemme durch die Perforierung geführt ist und ein Teil des Anschlusses auf der Außenseite der Tasche hinausragt. Das flexible Laminat kann eine Barriereschicht beinhalten, wobei es sich bei der Barriereschicht um eine Metallschicht handeln kann, die elektrisch leitend sein kann.
Es werden Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle beschrieben, die die Perforierung eines flexiblen Laminats zur Herstellung der dort befindlichen Perforierung beinhalten. Durch die Perforierung wird ein Anschluss einer elektrischen Zelle geführt. Aus dem flexiblen Laminat wird eine Tasche gebildet, wobei diese eine Innen- und eine Außenseite aufweist. Die elektrochemische Zelle ist auf der Innenseite angebracht, und der Anschluss wird durch die Perforierung geführt. Ein Teil des Anschlusses befindet sich auf der Außenseite der Tasche. Das flexible Laminat kann zu einer gefalteten Kante umgeschlagen werden, wobei sich die Perforierung auf der gefalteten Kante befindet.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und spezifischen Beispiele dieser Zusammenfassung dienen ausschließlich zur Veranschaulichung und stellen keinesfalls den gesamten Umfang der vorliegenden Offenbarung dar.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die hier enthaltenen Zeichnungen dienen ausschließlich zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen oder den gesamten Umfang der vorliegenden Offenbarung dar.
1 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform mit einem flexiblem Laminat, aus dem eine Tasche für Batteriezellen gebildet ist.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Blatts des flexiblen Laminats aus 1 mit einer Faltlinie, wobei das flexible Laminat an der Faltlinie zwei Perforierungen aufweist.
3 ist eine teilweise Vorderseitenaufrissansicht einer elektrochemischen Batteriezelle, bei der zwei Anschlüsse der elektrochemischen Batteriezelle durch die Perforierungen von 2 geführt sind, wobei das flexible Laminat zurückgeschlagen ist.
4 zeigt eine teilweise Vorderseitenaufrissansicht der elektrochemischen Batteriezelle aus 3, wobei die elektrochemische Batteriezelle mit wärmeversiegelten Kanten und Isolierband am Rand der ungefalteten Kanten des flexiblen Laminats versehen ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die folgende Beschreibung der Technik ist lediglich ein Beispiel für den Gegenstand, die Herstellung und Nutzung einer oder mehrerer Erfindungen und soll Umfang, Anwendung oder Nutzungen einer spezifischen Erfindung in diesem Antrag oder in anderen Anträgen, die Priorität vor diesem Antrag beanspruchen, oder daraus entstehenden Patenten nicht einschränken. Was die offenbarten Verfahren angeht, so ist die Reihenfolge der präsentierten Schritt als beispielhaft zu betrachten; die Reihenfolge der Schritte kann sich daher in den verschiedenen Ausführungsformen gegebenenfalls unterscheiden. Sofern nicht ausdrücklich anderweitig angegeben, sind alle numerischen Angaben in dieser Beschreibung als durch den Begriff „etwa“ modifiziert zu verstehen, und alle geometrischen Deskriptoren sind als durch den Begriff „im Wesentlichen“ bei der Beschreibung des weitesten Umfangs der Technik modifiziert zu verstehen.
Die vorliegende Technik bezieht sich auf verschiedene Batteriezellen, darunter eine Batteriezelle mit einer elektrochemischen Batteriezelle und einem flexiblem Laminat. Die elektrochemische Batteriezelle kann mindestens einen Anschluss haben, und das flexible Laminat kann zu einer Tasche geformt sein. Die Tasche kann aus einer Innen- und einer Außenseite bestehen, wobei die elektrochemische Zelle auf der Innenseite angebracht sein kann. Die Tasche kann eine gefaltete Kante des flexiblen Laminats aufweisen, in der sich eine Perforierung befindet. Der Anschluss kann durch die Perforierung geführt sein, wobei sich ein Teil des Anschlusses auf der Außenseite der Tasche befinden kann.
Es werden verschiedene Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle beschrieben, wobei die Verfahren eine Perforierung des flexiblen Laminats zur Herstellung der dort befindlichen Perforierung beinhalten können. Der Anschluss der elektrochemischen Batteriezelle kann durch die Perforierung geführt sein. Aus dem flexiblen Laminat kann eine Tasche gebildet sein, wobei diese eine Innen- und eine Außenseite aufweist. Die elektrochemische Batteriezelle kann auf der Innenseite angeordnet sein, und der Anschluss kann durch die Perforierung geführt sein, so dass sich ein Teil des Anschlusses auf der Außenseite der Tasche befinden kann.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Technik sind weiter mit Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschrieben.
In 1 wird ein Querschnitt einer Ausführungsform mit einem flexiblem Laminat 100, aus dem eine Tasche für Batteriezellen gebildet ist, gezeigt. Das flexible Laminat 100 kann eine Vielzahl von Schichten unterschiedlicher Dicke beinhalten, darunter mindestens eine Barriereschicht und/oder mindestens eine Polymerschicht mit elektrisch nicht leitenden Schichten. Die Barriereschicht kann mindestens eine Metallschicht beinhalten, und die Polymerschicht kann mindestens eine thermoplastische Schicht beinhalten, darunter verschiedene Polyefine, Polyamide und Polyester. Diese Schichten können das Durchdringen verschiedener Flüssigkeiten und deren Durchgang durch das flexible Laminat verhindern, u. a. verschiedener Gase und Flüssigkeiten, die in er elektrochemischen Batteriezelle zum Einsatz kommen oder die beim Laden und Entladen entstehen. Solche Flüssigkeiten können flüssige elektrolytische Lösungen mit aus diesen entstehenden organischen Lösungsmitteln, Elektrolyten, Zusatzstoffen und Gasen beinhalten. Wo die Barriereschicht eine Metallschicht beinhaltet, kann die Metallschicht elektrisch leitend sein.
Die Ausführungsform des flexiblen Laminats 100 in 1 weist folgende Schichten und ungefähre Dicken auf: Eine Polyethylen-Terephtalatschicht 105 (12 Mikrometer), eine Nylonschicht 110 (15 Mikrometer), eine Aluminiumschicht 115 (40 Mikrometer) und eine Polypropylenschicht 120 (80 Mikrometer). Haftschichten 125 (< 5 Mikrometer) aus Klebstoff oder Leim werden verwendet, um die Aluminiumschicht 115 mit der Nylonschicht 110 bzw. der Polypropylenschicht 120 zu verbinden. Die Polyethylen-Terephtalatschicht 105 bildet eine Außenfläche 130 der Tasche für die Batteriezellen, und die Polypropylenschicht 120 bildet eine Innenfläche 135 der Tasche für die Batteriezellen.
In 2 wird ein Blatt des flexiblen Laminats 100 mit einer darin geformten Faltlinie 140 gezeigt. An der Faltlinie 140 befinden sich zwei Perforierungen 145 im flexiblen Laminat 140. Das flexible Laminat 100 kann so gefaltet oder geknickt werden, dass die Faltlinie 140 entsteht, wobei sich anhand der Faltlinie 140 bestimmen lässt, wo die Perforierungen 145 vorzunehmen sind. Alternativ können die Perforierungen 145 im flexiblen Blatt 100 vorgenommen und das Blatt entlang der perforierten Stellen 145 gefaltet oder geknickt werden. Die Darstellung der Faltlinie 140 soll als Markierung der Stelle der Perforierungen 145 und der Stelle, an der das flexible Laminat 100 in 2 zurückgeschlagen wird, dienen. In bestimmten Ausführungsformen kann jedoch keine Faltlinie 140 im flexiblen Laminat 100 gebildet werden, da das flexible Laminat 100 bei der Herstellung der Batteriezelle mit einer einzigen Umfaltung gefaltet werden kann und das gefaltete flexible Laminat 100 anschließend unter Umständen nicht mehr entfaltet oder geöffnet wird, um eine Faltlinie 140 offenzulegen. Die Verfahren beinhalten zudem eine gleichzeitige Faltung des flexiblen Laminats 100 und eine Perforierung des flexiblen Laminats 100 zur Herstellung der Perforierungen 145. Die Perforierungen 145 im flexiblen Laminat 100 können auf verschiedenen Wegen hergestellt werden, und zwar u. a. durch Schneiden und/oder Stanzen von Löchern in das flexible Laminat 100 mithilfe verschiedener Stempel, Stanzen, Klingen, Walzen, erwärmten Werkzeugen, Lasern usw. Nach Wunsch können mehr oder weniger Perforierungen vorgenommen werden. Außerdem können die Perforierungen jede beliebige Form aufweisen.
In 3 wird ein Teil einer Batteriezelle 150 gezeigt. Durch jede Perforierung 145 ist ein Anschluss 155 einer elektrochemischen Zelle (nicht dargestellt) geführt. Das flexible Laminat 100 ist zurückgeschlagen und bildet eine gefaltete Kante 160 aus. In jeder gefalteten Kante 160 führt ein Anschluss 155 durch das flexible Laminat 100. Weitere Kanten 165 der Batteriezelle 150 werden ausgebildet, indem zwei Kanten des flexiblen Laminats 100 zusammengeführt werden, wenn das flexible Laminat 100 gefaltet wird. Um jeden Anschluss 155 kann neben jeder Perforierung 145 ein Isolator 170 gelegt werden, um den Anschluss 155 vom flexiblen Laminat 100 elektrisch zu isolieren. Der Isolator 170 kann darüber hinaus als Versiegelung dienen, um etwaige Zwischenräume oder Lücken zwischen dem Anschluss 155 und der Perforierung 145 im flexiblen Laminat 100 zu schließen. Der Isolator 170 kann beispielsweise als eine Manschette um den Anschluss 155 ausgebildet sein. Der Isolator 170 kann auch so ausgebildet sein, dass er bei Wärme ganz oder teilweise schmilzt und die Batteriezelle 150 so weiter versiegelt. Die gesamte gefaltete Kante 160, einschließlich des Isolators 170, kann wärmeversiegelt werden.
In 4 ist das flexible Laminat 100 zu einer Tasche 175 mit einer Innenseite 180 (siehe Teil des flexiblen Laminats 100 in 2, welcher die Innenseite 180 bildet) und einer Außenseite 185 ausgebildet. Die elektrochemische Zelle (nicht abgebildet) der Batteriezelle 150 ist auf der Innenseite 180 der Tasche 175 angeordnet, und die Anschlüsse 155 der elektrochemischen Zelle sind durch die Perforierungen 145 geführt, so dass sich ein Teil jedes Anschlusses 155 auf der Außenseite 185 der Tasche 175 befindet. Die verbundenen Kanten 165 der Batteriezelle 150, die durch Zusammenführen der beiden Kanten des flexiblen Laminats 100 beim Falten des flexiblen Laminats 100 gebildet werden, können durch Wärmeversiegelung und Abdecken mit einem Material 190, wie z. B. Isolierband, versiegelt werden. Es ist nicht nötig, die gefaltete Kante 160 mit dem Material 190 zu versiegeln und abzudecken. Auf diese Weise ist beispielsweise kein umständliches Kleben entlang der gefalteten Kante 160 nötig, an der der Verlauf des Isolierbandes durch die durch die Perforierungen 145 entlang der gefalteten Kante 160 führenden Anschlüsse 155 unterbrochen wird. Die verbundenen Kanten 165 der Batteriezelle 150, einschließlich des Isolators 170, können ebenfalls wärmeversiegelt werden.
Eine Versiegelung der verbundenen Kanten 165 mit dem Material 190 (z. B. Isolierband) kann etwa freiliegende, elektrisch leitende Schichten am Rand des flexiblen Laminats 100 elektrisch isolieren. Beispielsweise kann eine Barriereschicht des flexiblen Laminats 100 aus einer Metallschicht elektrisch leitend sein und an den Umfangskanten des flexiblen Laminats 100 freiliegen; z. B. die Aluminiumschicht 115 in 1. Das Material 190 reduziert oder verhindert entsprechend die Leitung von elektrischem Strom durch die Barriereschicht und minimiert die Reaktion oder Korrosion der Barriereschicht anhand verschiedener in der Batteriezelle 150 befindlichen oder diese berührenden Flüssigkeiten.
Die vorliegende Technik bietet entsprechend mehrere Nutzen und Vorteile bei der Optimierung des Packs und der Leistung der Batteriezelle 150. Das Anbringen des Materials 190 (z. B. Isolierband) entlang der Umfangskante der Batteriezelle 150 wird durch die gefaltete Kante 160 mit den durch die Perforierungen 145 ragenden Anschlüssen 155 vereinfacht, da das Material 190 so nicht entlang der gefalteten Kante 160 angebracht werden muss. Im Gegensatz zu den verbundenen Kanten 165 verfügt die gefaltete Kante 160 nicht über eine freiliegende Barriereschicht wie eine Metall-/leitende Schicht (z. B. Aluminiumschicht 115 in 1). Dadurch muss das Material 190 nicht entlang der gefalteten Kante 160 angebracht werden, wo dies durch die die Kante durchdringenden Anschlüsse 155 erschwert und ein Anbringungsverfahren für das Material 190 erfordern würde, welches die durch die Kante ragenden Anschlüsse 155 berücksichtigt.
Es werden beispielhafte Ausführungsformen beschrieben, damit diese Offenbarung ausführlich ist und dem Fachmann deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details beschrieben, wie z. B. Beispiele für spezifische Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein tiefgreifendes Verständnis für die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Für den Fachmann wird offensichtlich, dass keine spezifischen Details angewendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen auf viele verschiedene Weisen ausgeführt werden können und dass diese nicht als der gesamte Umfang der Offenbarung zu betrachten sind. In manchen beispielhaften Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Technologien nicht im Detail beschrieben. Der Umfang der vorliegenden Technik lässt entsprechende Änderungen, Modifikationen und Variationen mancher Ausführungsformen und von Materialien, Zusammensetzungen und Methoden bei im Wesentlichen ähnlichen Ergebnissen zu.

Claims

Batteriezelle, Folgendes umfassend: eine elektrochemische Batteriezelle mit einem ersten Anschluss und ein eine Tasche ausbildendes flexibles Laminat, wobei die Tasche eine Innen- und eine Außenseite aufweist, die elektrochemische Batteriezelle auf der Innenseite angebracht ist, die Tasche eine gefaltete Kante des flexiblen Laminat mit einer ersten Perforierung aufweist und der erste Anschluss durch die erste Perforierung geführt ist, wobei sich ein Teil des ersten Anschlusses auf der Außenseite der Tasche befindet.
Batteriezelle nach Anspruch 1, worin die elektrochemische Batteriezelle einen zweiten Anschluss beinhaltet.
Batteriezelle nach Anspruch 2, worin die gefaltete Kante eine zweite Perforierung beinhaltet, der erste Anschluss durch die erste Perforierung geführt ist und sich ein Teil des ersten Anschlusses auf der Außenseite der Tasche befindet und der zweite Anschluss durch die zweite Perforierung geführt ist und sich ein Teil des zweiten Anschlusses auf der Außenseite der Tasche befindet.
Batteriezelle nach Anspruch 1, worin das flexible Laminat eine Barriereschicht beinhaltet.
Batteriezelle nach Anspruch 4, worin die Barriereschicht eine Metallschicht beinhaltet.
Batteriezelle nach Anspruch 5, worin die Metallschicht Aluminium beinhaltet.
Batteriezelle nach Anspruch 1, worin das flexible Laminat eine elektrisch leitende Metallschicht zwischen einer ersten Polymerschicht und einer zweiten Polymerschicht beinhaltet.
Batteriezelle nach Anspruch 1, worin die Tasche eine verbundene Kante beinhaltet, die von zwei Kanten des flexiblen Laminats gebildet wird.
Batteriezelle nach Anspruch 8, worin die verbundene Kante mit einem Material bedeckt ist.
Batteriezelle nach Anspruch 9, worin das Material ein elektrisch isolierendes Material beinhaltet.