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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle und ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle.
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Bestehende Batteriezellen verfügen in der Regel über keinen speziellen thermischen Pfad für die Entwärmung der Batteriezelle, was die Dauerleistung und Spitzenbelastung limitiert.
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Aus der
DE 10 2009 027 178 A1 ist ein Batteriezelle bekannt, umfassend ein Gehäuse und einen im Gehäuse angeordneten Zellkern, wobei der Zellkern einen Wickel enthält, der eine axiale Wicklung von mindestens drei Schichten aufweist, einer Anodenschicht, einer Kathodenschicht und einer Separatorschicht, wobei die Anodenschicht an einem axialen Ende des Wickels zu einer Elektrode zusammengefasst und mit einem negativen Zellpol verbunden ist und die Kathodenschicht am gegenüberliegenden Ende der axialen Enden des Wickels zu einer Elektrode zusammengefasst und mit einem positiven Zellpol verbunden ist. Dabei ist eine der Elektroden mit mindestens einem im Gehäuse angeordneten Elektrodenwärmeleiter direkt wärmeleitend verbunden. Der mindestens eine Elektrodenwärmeleiter ist wärmeleitend mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Wärmetauscher verbunden, sodass Wärme in axialer Richtung des Wickels aus dem Zellkern ableitbar und anschließend dem Wärmetauscher zuführbar ist, wobei alle Elektrodenwärmeleiter der Batteriezelle zusammengenommen eine Wärmeleitfläche bilden, über die mindestens 50 % der aus dem Zellkern abgeleiteten Wärme dem Wärmetauscher zuführbar ist.
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Aus der
DE 10 2013 204 675 A1 ist eine Batteriezelle für eine Batterie bekannt, wobei die Batteriezelle in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei die Batteriezelle einen Wickel mit einem ersten Anschluss aufweist. Dabei ist ein Kontaktelement zwischen einem zweiten Anschluss des Wickels und dem Gehäuse, wobei das Kontaktelement als ein elektrischer und ein thermischer Leiter oder als ein elektrischer Isolator und ein thermischer Leiter zum Verbinden des Wickels an das Gehäuse ausgebildet ist.
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Das Kontaktelement weist einen Querschnitt auf, der größer als der Querschnitt des ersten Anschlusses ist und/oder der ausgebildet ist, einen von einer Energiespeicherdichte des Wickels abhängigen Wärmestrom in einer vorbestimmten Zeit von dem Wickel über das Kontaktelement an das Gehäuse zu leiten, wobei der zweite Anschluss vom ersten Anschluss elektrisch isoliert ist.
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Neben den gewickelten Ausführungsformen sind auch gestapelte Ausführungsformen bekannt. Des Weiteren sind auch gewickelte Ausführungen mit einem relativ großen Radius möglich.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Batteriezelle zu schaffen, bei der die Wärmeabfuhr aus dem Zellkern verbessert ist. Ein weiteres technisches Problem ist, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle zur Verfügung zu stellen.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Batteriezelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Batteriezelle umfasst mehrere Elektrodenlagen unterschiedlicher Polarität, die alternierend übereinander liegend angeordnet sind, wobei die Elektrodenlagen gleicher Polarität an mindestens einer Stelle miteinander elektrisch verbunden sind. Die Elektrodenlagen sind dabei gestapelt oder mit einem relativ großen Radius gewickelt. Dabei sind jeweils benachbarte Elektrodenlagen gleicher Polarität durch Öffnungen in der dazwischen liegenden Elektrodenlage unterschiedlicher Polarität direkt miteinander verbunden oder durch thermisch leitende Elemente miteinander verbunden. Der Grundgedanke dabei ist, mittels einer Volumenkontaktierung verstärkt Wärme aus den innenliegenden Elektrodenlagen zu den äußeren Elektrodenlagen zu führen, sodass ein Temperaturgradient über die Zelle reduziert wird.
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Dies erfolgt entweder durch eine direkte Verbindung der Elektrodenlagen, wodurch diese auch gleichzeitig elektrisch miteinander verbunden sind. Alternativ erfolgt mindestens eine thermische Verbindung durch die thermisch leitenden Elemente. Dabei ist anzumerken, dass zwischen zwei Elektrodenlagen unterschiedlicher Polarität noch ein Separator angeordnet ist, sodass bei der direkten Verbindung auch der Separator Öffnungen aufweisen muss.
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In einer Ausführungsform sind die thermisch leitenden Elemente auch elektrisch leitfähig, sodass alle Elektrodenlagen gleicher Polarität elektrisch verbunden sind, sodass die Pole der Batteriezelle einfach an die äußeren Elektrodenlagen angeschlossen werden können.
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Die leitenden Elemente sind vorzugsweise Stifte oder Platten.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die beiden äußeren Elektrodenlagen als Metallpolplatten ausgebildet, sodass diese besonders gut Wärme abgeben können als auch einfach kontaktiert werden können. Insbesondere kann dann die äußere elektrische Kontaktierung ausschließlich über diese Metallplatten erfolgen.
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In einer weiteren Ausführungsform weisen die Elektrodenlagen Öffnungen für die leitenden Elemente auf, die kleiner als die Außenabmessungen der leitenden Elemente sind. Somit wird ein Durchstecken vereinfacht, wobei aber trotzdem eine Kontaktierung erhalten bleibt.
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Weiter vorzugsweise werden die leitenden Elemente mit den zugehörigen Elektrodenlagen verschweißt, sodass eine feste Verbindung hergestellt wird.
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Das Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle mit mehreren Elektrodenlagen unterschiedlicher Polarität, die alternierend übereinander liegend angeordnet werden, wobei die Elektrodenlagen gleicher Polarität an mindestens einer Stelle elektrisch miteinander verbunden werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass jeweils benachbarte Elektrodenlagen gleicher Polarität durch Öffnungen in den dazwischen liegenden Elektrodenlage unterschiedlicher Polarität direkt miteinander verbunden oder durch thermisch leitende Elemente miteinander verbunden werden. Hierdurch wird die Wärme von den innenliegenden Elektrodenlagen verbessert zu den äußeren Elektrodenlagen geleitet, wo die Wärme effektiv abgeführt werden kann, beispielsweise an einen Wärmetauscher. Die thermisch leitenden Elemente sind dabei vorzugsweise jeweils mit allen Elektrodenlagen einer Polarität verbunden.
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In einer Ausführungsform werden die Elektrodenlagen durch Verprägung miteinander verbunden.
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In einer weiteren Ausführungsform werden die thermisch leitenden Elemente mit mindestens einer Elektrodenlage verschweißt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch die Elektrodenlagen einer Batteriezelle,
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2 eine Teildarstellung einer direkten Kontaktierung durch Verprägung und
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3 eine schematische Querschnittsdarstellung durch die Elektrodenlagen einer Batteriezelle (Stand der Technik).
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Bevor die Erfindung näher erläutert wird, soll zunächst der Stand der Technik kurz erläutert werden. In 3 ist eine Batteriezelle 1 dargestellt, die ein Gehäuse 2 sowie sechs Elektrodenlagen 11–16 aufweist. Dabei weisen die Elektrodenlagen 11, 13 und 15 und die Elektrodenlagen 12, 14 und 16 jeweils die gleiche Polarität auf. Zwischen zwei benachbarten Elektrodenlagen ungleicher Polarität (z. B. Elektrodenlage 11 und 12) ist ein nicht dargestellter Separator angeordnet, der für die ebenfalls nicht dargestellte Elektrolytflüssigkeit durchlässig ist. An den Rändern werden die Elektrodenlagen 11, 13, 15 bzw. 12, 14 16 gleicher Polarität durch Verbindungsstellen an einem gemeinsamen Punkt verbunden, der dann zu einem entsprechenden Plus- bzw. Minuspol-Anschluss geführt ist. Die im Innern des Elektrodenlagen-Stapels erzeugte Wärme wird dabei primär seitlich über die Verbindungsstellen abgeführt. Dies führt zu einem relativ großen Wärmegradienten von der Mitte zu den Rändern des Stapels.
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Batteriezelle 1 in einer ersten Ausführungsform dargestellt, wobei das Gehäuse 2 nicht dargestellt ist. Dabei sind die Elektrodenlagen 11, 13 und 15 durch thermisch und elektrisch leitende Elemente 17 miteinander verbunden, die vorzugsweise gleichmäßig über die Fläche der Elektrodenlagen 11, 13, 15 verteilt sind. Dabei sind die leitenden Elemente 17 durch Öffnungen 18 in den Elektrodenlagen 12, 14 geführt. Entsprechend sind die Elektrodenlagen 12, 14, 16 durch thermisch und elektrisch leitende Elemente 19 miteinander verbunden, die durch Öffnungen 20 in den Elektrodenlagen 13 und 15 geführt sind. Die Öffnungen 18, 20 sind dabei ausreichend groß gewählt, um eine elektrische Isolierung zwischen den leitenden Elementen 17, 19 mit den Elektrodenlagen unterschiedlicher Polarität sicherzustellen. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass im Bereich der Durchstoßpunkte (bzw. Löcher 18, 20) aktivmaterialfreie Bereiche vorgesehen sind. In diesem Fall können die Löcher 18, 20 kleiner gewählt werden. Weiter kann vorgesehen sein, dass im Bereich der Durchstoßpunkte bzw. Löcher zusätzlich Isolierungsmaterialien eingebracht sind, die beispielsweise aufgedruckt oder zwischengelegt sind oder durch chemische oder thermische Umwandlung gebildet werden. Die beiden äußeren Elektrodenlagen 11 und 16 des Stapels sind als Metallpolplatte beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer ausgebildet. Durch die thermisch und elektrisch leitenden Elemente 17, 19 wird die im Innern des Stapels entstehende Wärme zu den äußeren Metallpolplatten abgeführt. Die Kontaktierung der Batteriepole kann direkt an den Metallpolplatten erfolgen. Die thermisch und elektrisch leitenden Elemente 17, 19 sind ebenfalls vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer.
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Wenn die Elemente 17, 19 nur thermisch leitend sind, so müssen die Elektrodenlagen wie in 3 kontaktiert werden. Die Öffnungen 18, 20 sind vorzugsweise Löcher, die in die Elektrodenlagen 12–15 gestanzt werden. Die Elektrodenlagen, die durch ein jeweiliges Element thermisch und elektrisch verbunden werden sollen, können durch diese durchstoßen werden, wobei vorzugsweise hierzu an den Durchstoßpunkten kleinere Löcher freigestanzt werden, um den Durchstoß zu erleichtern, wobei der Durchmesser der Löcher kleiner as der Durchmesser der Elemente 17, 19 ist.
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In der 2 ist ein Ausschnitt einer Batteriezelle 1 dargestellt, wobei nur die drei Elektrodenlagen 11, 12 und 13 in einem kleinen Bereich dargestellt sind. Dabei sind die beiden Elektrodenlagen 11 und 13 direkt miteinander verbunden, wobei diese hierzu im Bereich der Öffnung 18 miteinander verprägt sind. Über diese Kontaktstellen kann dann die Wärme aus dem Innern zu den äußeren Elektrodenlagen (hier 11) abgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009027178 A1 [0003]
- DE 102013204675 A1 [0004]
