DE102017200656A1

DE102017200656A1 - Stromabnehmer

Info

Publication number: DE102017200656A1
Application number: DE102017200656.0A
Authority: DE
Inventors: Mark Kotik; Mehul Botadra
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-01-21
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2017-07-27
Also published as: CN106992302A; CN106992302B; US9780381B2; US20170214057A1

Abstract

Eine elektrochemische Zelle umfasst eine Elektrodenbaugruppe, die in einem Zellengehäuse angeordnet ist. Ein erster U-förmiger Stromabnehmer ist zwischen dem Zellengehäuse und der Elektrodenbaugruppe angeordnet und ist mit einem positiven Elektrodenabschnitt der Elektrodenbaugruppe elektrisch verbunden. Ein zweiter U-förmiger Stromabnehmer ist zwischen dem Zellengehäuse und der Elektrodenbaugruppe angeordnet und ist mit einem negativen Elektrodenabschnitt der Elektrodenbaugruppe elektrisch verbunden. Der erste und der zweite Stromabnehmer wirken zusammen, um alle Seiten der Elektrodenbaugruppe zu umgeben und die Elektrodenbaugruppe in der gewünschten Konfiguration zu halten, ohne dass eine separate Halteeinrichtung erforderlich ist.

Description

HINTERGRUND
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, die eine gestapelte oder gefaltete Anordnung von Elektrodenplatten und in der Zelle angeordnete U-förmige Stromabnehmer umfasst, die eine elektrische Verbindung mit den Elektrodenplatten bilden und zusammenwirken, um die Elektrodenplatten in einer gewünschten Konfiguration zu halten.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Batteriepacks liefern Energie für verschiedene Technologien, die von tragbaren Elektronikgeräten bis zu erneuerbaren Energiesystemen und umweltfreundlichen Fahrzeugen reichen. Zum Beispiel verwenden Hybridelektrofahrzeuge einen Batteriepack und einen Elektromotor in Verbindung mit einer Verbrennungskraftmaschine, um eine Kraftstoffeffizienz zu erhöhen. Batteriepacks werden aus einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen ausgebildet. Die Zellen werden in zwei- oder dreidimensionalen Arrays angeordnet und werden in Reihe oder parallel elektrisch verbunden.
Verschiedene Zellenarten sind entstanden, um mit den Platzanforderungen einer sehr breiten Vielfalt von Montagesituationen umzugehen, und zu den häufigsten Arten, die in Fahrzeugen verwendet werden, gehören zylindrische Zellen, prismatische Zellen und Pouch-Zellen. Unabhängig von der Zellenart umfasst jede Zelle eine Elektrodenbaugruppe, die innerhalb eines Zellengehäuses zusammen mit einem Elektrolyt dicht verschlossen ist, um eine Energieerzeugungs- und -speichereinheit zu bilden. Die Elektrodenbaugruppe kann eine abwechselnde Anordnung von positiven und negativen Elektrodenelementen, die durch dazwischen liegende Separatorplatten getrennt sind, umfassen und kann in verschiedenen Ausgestaltungen bereitgestellt werden, einschließlich einer gestapelten Anordnung von einzelnen Elektrodenblättern, eines länglichen Elektrodenpaares, das zu einer Jelly-Roll-Anordnung gewickelt ist, oder eines länglichen Elektrodenpaares, das z-förmig gefaltet ist, um eine gestapelte Anordnung auszubilden.
Der volumetrische Energieerzeugungs-Wirkungsgrad der Zelle, der durch das Verhältnis vom (Volumen der innerhalb der Zelle angeordneten Elektrodenbaugruppe) zum (Volumen des Zellengehäuses) bestimmt wird, ist vergleichsweise niedrig. Zum Beispiel können manche zylindrische Zellen, die eine Jelly-Roll-Elektrodenbaugruppe aufweisen, einen volumetrischen Wirkungsgrad von 80 bis 90 Prozent aufweisen, und manche prismatische Zellen, die eine Jelly-Roll-Elektrodenbaugruppe aufweisen, können einen volumetrischen Wirkungsgrad von 60 bis 75 Prozent aufweisen. Herkömmlicherweise kann eine Zelle des prismatischen oder des Pouch-Typs, die eine gestapelte Anordnung von einzelnen Elektrodenplatten aufweist, einen höheren volumetrischen Wirkungsgrad aufweisen als eine, die eine Jelly-Roll-Anordnung aufweist, jedoch ist die Herstellung der gestapelten Anordnung schwieriger und für Fehler anfällig und daher kostenintensiver als jene der Jelly-Roll-Anordnung. Außerdem wird in manchen Pouch-Zellen ein Stapelband, das die gestapelte oder gefaltete Anordnung von Elektroden umgibt, verwendet, um die Elektroden in der gewünschten gestapelten und ausgerichteten Konfiguration zu halten. Zusätzlich zu dem Stapelband umfassen solche Pouch-Zellen außerdem Stromabnehmer, die im Zellengehäuse angeordnet sind und die eine elektrische Verbindung zwischen Elektrodenelementen einer gegebenen Polarität und einem entsprechenden Anschluss bereitstellen. Es ist wünschenswert, den volumetrischen Energieerzeugungs-Wirkungsgrad der Zelle zu erhöhen, während die Komplexität der Zellbestandteile reduziert wird.
KURZDARSTELLUNG
In manchen Aspekten umfasst eine elektrochemische Zelle ein Zellengehäuse und eine in dem Zellengehäuse angeordnete Elektrodenbaugruppe. Die Elektrodenbaugruppe umfasst positive Elektrodenabschnitte, die abwechselnd mit negativen Elektrodenabschnitten angeordnet sind. Die positiven Elektrodenabschnitte und die negativen Elektrodenabschnitte sind durch mindestens einen Separator getrennt und entlang einer Stapelachse gestapelt. Die elektrochemische Zelle umfasst einen ersten Stromabnehmer, der zwischen dem Zellengehäuse und der Elektrodenbaugruppe angeordnet ist und mit einem von den positiven Elektrodenabschnitten und den negativen Elektrodenabschnitten elektrisch verbunden ist. Der erste Stromabnehmer weist eine erste Basis und ein erstes Paar Schenkel auf, die sich parallel von gegenüberliegenden Enden der ersten Basis erstrecken, um ein erstes U-förmiges Element zu bilden. Ein Querschnitt des ersten Stromabnehmers umfasst die erste Basis und jeden Schenkel des ersten Paars Schenkel, die eine erste Ebene definieren. Außerdem umfasst die elektrochemische Zelle einen zweiten Stromabnehmer, der zwischen dem Zellengehäuse und der Elektrodenbaugruppe angeordnet ist und elektrisch mit einem anderen von den positiven Elektrodenabschnitten und den negativen Elektrodenabschnitten verbunden ist. Der zweite Stromabnehmer weist eine zweite Basis und ein zweites Paar Schenkel auf, die sich parallel von gegenüberliegenden Enden der zweiten Basis erstrecken, um ein zweites U-förmiges Element zu bilden, und ein Querschnitt des zweiten Stromabnehmers umfasst die zweite Basis und jeden Schenkel des zweiten Paars Schenkel, die eine zweite Ebene definieren. Die zweite Ebene ist quer zu der ersten Ebene.
Die elektrochemische Zelle kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen: Jede von der ersten Basis und der zweiten Basis ist quer zur Stapelachse. Jeder Schenkel des ersten Paars Schenkel und jeder Schenkel des zweiten Paars Schenkel gehen durch eine gemeinsame Ebene hindurch. Jeder von dem ersten Stromabnehmer und dem zweiten Stromabnehmer umfasst eine Innenfläche, die dem Elektrodenstapel zugewandt ist, und eine Außenfläche, die der ersten Fläche entgegengesetzt ist, eine Umfangsrandfläche, die sich zwischen der Innenfläche und der Außenfläche erstreckt, und einen Anschluss, der von einem Abschnitt der Umfangsrandfläche hervorsteht. Der Anschluss des ersten Stromabnehmers steht von einem Rand der ersten Basis hervor. Der Anschluss des ersten Stromabnehmers ist eine Platte, die entlang des Rands der ersten Basis gefaltet ist, so dass sie sich in einer Ebene erstreckt, die im Allgemeinen quer zu Ebenen liegt, die durch jeden Schenkel des ersten Paars Schenkel definiert sind. Der Anschluss des zweiten Stromabnehmers steht von einem freien Ende eines Schenkels des zweiten Paars Schenkel hervor. Der Anschluss des zweiten Stromabnehmers ist eine Platte, die entlang des freien Endes gefaltet ist, so dass sie über dem einen Schenkel liegt. Das Zellengehäuse ist aus Schichten eines flexiblen flächenhaften Materials ausgebildet, die entlang einer Dichtungslinie miteinander verknüpft sind, um einen Beutel (Pouch) zu bilden, der Anschluss des ersten Stromabnehmers geht durch einen ersten Abschnitt der Dichtungslinie und zwischen den Schichten aus dem flexiblen flächenhaften Material hindurch, so dass er außerhalb des Zellengehäuses angeordnet wird, der zweite Stromabnehmer geht durch einen zweiten Abschnitt der Dichtungslinie und zwischen Schichten aus dem flexiblen flächenhaften Material hindurch, so dass er außerhalb des Zellengehäuses angeordnet wird, und der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt liegen auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrodenbaugruppe. Der erste Stromabnehmer und der zweite Stromabnehmer wirken zusammen, um alle Seiten der Elektrodenbaugruppe zu umgeben und die positiven Elektrodenabschnitte, die negativen Elektrodenabschnitte und den mindestens einen Separator in einer gestapelten Konfiguration zu halten.
In manchen Aspekten umfasst eine elektrochemische Zelle ein Zellengehäuse und eine in dem Zellengehäuse angeordnete Elektrodenbaugruppe. Die Elektrodenbaugruppe umfasst positive Elektrodenabschnitte, die abwechselnd mit negativen Elektrodenabschnitten angeordnet sind, und die positiven Elektrodenabschnitte und die negativen Elektrodenabschnitte sind durch mindestens einen Separator getrennt und entlang einer Stapelachse gestapelt. Die elektrochemische Zelle umfasst einen ersten Stromabnehmer, der zwischen dem Zellengehäuse und der Elektrodenbaugruppe angeordnet ist und mit einem von den positiven Elektrodenabschnitten und den negativen Elektrodenabschnitten elektrisch verbunden ist. Der erste Stromabnehmer weist eine erste Basis und ein erstes Paar Schenkel auf, die sich parallel von gegenüberliegenden Enden der ersten Basis erstrecken, um ein erstes U-förmiges Element zu bilden. Die elektrochemische Zelle umfasst außerdem einen zweiten Stromabnehmer, der zwischen dem Zellengehäuse und der Elektrodenbaugruppe angeordnet ist. Der zweite Stromabnehmer ist mit einem anderen von den positiven Elektrodenabschnitten und den negativen Elektrodenabschnitten elektrisch verbunden. Der zweite Stromabnehmer weist eine zweite Basis und ein zweites Paar Schenkel auf, die sich parallel von gegenüberliegenden Enden der zweiten Basis erstrecken, um ein zweites U-förmiges Element zu bilden. Das erste Paar Schenkel umfasst einen a-Schenkel und einen b-Schenkel. Der a-Schenkel ist auf einer ersten Seite der Elektrodenbaugruppe angeordnet und ist mit dem einen von den positiven Elektrodenabschnitten und den negativen Elektrodenabschnitten auf der ersten Seite elektrisch verbunden. Der b-Schenkel ist auf einer zweiten Seite der Elektrodenbaugruppe angeordnet, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt. Der b-Schenkel ist mit dem einen von den positiven Elektrodenabschnitten und den negativen Elektrodenabschnitten auf der zweiten Seite der Elektrodenbaugruppe elektrisch verbunden. Das zweite Paar Schenkel umfasst einen c-Schenkel und einen d-Schenkel. Der c-Schenkel ist auf einer dritten Seite der Elektrodenbaugruppe angeordnet und ist mit dem anderen von den positiven Elektrodenabschnitten und den negativen Elektrodenabschnitten auf der dritten Seite elektrisch verbunden. Die dritte Seite grenzt an die erste Seite und die zweite Seite an. Der d-Schenkel ist auf einer vierten Seite der Elektrodenbaugruppe angeordnet. Die vierte Seite liegt der dritten Seite gegenüber, und der d-Schenkel ist mit dem anderen von den positiven Elektrodenabschnitten und den negativen Elektrodenabschnitten auf der vierten Seite der Elektrodenbaugruppe elektrisch verbunden.
Die elektrochemische Zelle kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen: Jede von der ersten Basis und der zweiten Basis ist quer zur Stapelachse. Der a-Schenkel, der b-Schenkel, der c-Schenkel und der d-Schenkel gehen durch eine gemeinsame Ebene hindurch. Jeder von dem ersten Stromabnehmer und dem zweiten Stromabnehmer umfasst eine Innenfläche, die dem Elektrodenstapel zugewandt ist, und eine Außenfläche, die der ersten Fläche entgegengesetzt ist, eine Umfangsrandfläche, die sich zwischen der Innenfläche und der Außenfläche erstreckt, und einen Anschluss, der von einem Abschnitt der Umfangsrandfläche hervorsteht. Der Anschluss des ersten Stromabnehmers steht von einem Rand der ersten Basis hervor. Der Anschluss des ersten Stromabnehmers ist eine Platte, die entlang des Rands der ersten Basis gefaltet ist, so dass sie sich in einer Ebene erstreckt, die im Allgemeinen quer zu Ebenen liegt, die durch jeden Schenkel des ersten Paars Schenkel definiert sind. Der Anschluss des zweiten Stromabnehmers steht von einem freien Ende eines Schenkels des zweiten Paars Schenkel hervor. Der Anschluss des zweiten Stromabnehmers ist eine Platte, die entlang des freien Endes gefaltet ist, so dass sie über dem einen Schenkel liegt. Das Zellengehäuse ist aus Schichten eines flexiblen flächenhaften Materials ausgebildet, die entlang einer Dichtungslinie miteinander verknüpft sind, um einen Beutel (Pouch) zu bilden, der Anschluss des ersten Stromabnehmers geht durch einen ersten Abschnitt der Dichtungslinie und zwischen den Schichten aus dem flexiblen flächenhaften Material hindurch, so dass er außerhalb des Zellengehäuses angeordnet wird, der zweite Stromabnehmer geht durch einen zweiten Abschnitt der Dichtungslinie und zwischen Schichten aus dem flexiblen flächenhaften Material hindurch, so dass er außerhalb des Zellengehäuses angeordnet wird, und der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt liegen auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrodenbaugruppe. Der erste Stromabnehmer und der zweite Stromabnehmer wirken zusammen, um alle Seiten der Elektrodenbaugruppe zu umgeben und die positiven Elektrodenabschnitte, die negativen Elektrodenabschnitte und den mindestens einen Separator in einer gestapelten Konfiguration zu halten.
Durch Bereitstellen der Stromabnehmer in einer U-förmigen Konfiguration, ist es vorteilhafterweise möglich, dass der Stromabnehmer die Elektrodenstapel-Haltefunktion ausübt, die vorher durch ein Stapelband bereitgestellt war, und dass das Stapelband von dem Zellengehäuse weggelassen wird. Da das Stapelband weggelassen wird, sind die Anzahl und Komplexität der Bestandteile des Zellengehäuses und daher die Herstellungskosten reduziert.
In einigen Ausführungsformen können die U-förmigen Stromabnehmer mit Elektrodenausgestaltungen verwendet werden, in denen Nasen von den Elektrodenplatten des Elektrodenstapels hervorstehen, und in denen Nasen unterschiedlicher Polarität auf gegenüberliegenden Seiten des Elektrodenstapels oder auf angrenzenden Seiten des Elektrodenstapels angeordnet sind. Insbesondere stehen die U-förmigen Stromabnehmer in direktem Kontakt und bilden elektrische Verbindungen mit Nasen derselben Polarität. In einigen Ausführungsformen sind die elektrischen Verbindungen zwischen den U-förmigen Stromabnehmern und den Nasen frei von Schweißstellen. Aus diesem Grund können die U-förmigen Stromabnehmer mit verschiedenen Elektrodenstapelausgestaltungen, einschließlich einer gestapelten, einer Jelly-Roll- oder einer gefalteten Konfiguration, verwendet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine teilweise auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Batteriepacks, der ein Array von Pouch-Zellen umfasst.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Pouch-Zelle.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht der Pouch-Zelle von 2, die entlang der Linie 3-3 von 2 gezeigt ist.
4 ist eine perspektivische Ansicht der Elektrodenbaugruppe.
5 ist eine perspektivische Ansicht der positiven (Beta-)Elektrode.
6 ist eine Querschnittsansicht der Elektrode von 5, die entlang der Linie 6-6 gezeigt ist.
7 ist eine perspektivische Ansicht der negativen Elektrode.
8 ist eine Querschnittsansicht der Elektrode von 7, die entlang der Linie 8-8 gezeigt ist.
9 ist eine perspektivische Ansicht der Alpha-Elektrode in einer aufgefächerten Konfiguration, die die zwischen einem Paar Separatoren angeordnete negative Elektrode zeigt.
10 ist eine perspektivische Ansicht der Alpha-Elektrode in einer gestapelten Konfiguration, die die zwischen dem Paar Separatoren angeordnete negative Elektrode umfasst.
11 ist eine Querschnittsansicht der Elektrode von 10, die entlang der Linie 11-11 gezeigt ist.
12 ist eine schematische perspektivische Ansicht der Elektrodenbaugruppe, wobei die Separatoren zur Klarheit weggelassen wurden.
13 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Ecke der Elektrodenbaugruppe, die die Separatoren umfasst.
14 ist eine perspektivische Ansicht der Elektrodenbaugruppe zur Verwendung als eine Zeichenerklärung für 15.
15 ist eine perspektivische Ansicht des Abschnitts der Elektrodenbaugruppe von 14, der durch den Bereich A angezeigt wird.
16 ist eine perspektivische Ansicht des positiven und des negativen Stromabnehmers in einer zusammengebauten Konfiguration und der Umhüllung der Elektrodenbaugruppe.
17 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des positiven und des negativen Stromabnehmers und der Elektrodenbaugruppe.
18 ist eine perspektivische Ansicht des ersten Stromabnehmers.
19 ist eine perspektivische Ansicht des ersten Stromabnehmers, der von einer im Verhältnis zur Ansicht von 18 entgegengesetzten Seite gezeigt ist.
20 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Abschnitts des ersten Stromabnehmers, der durch gebrochene Linien in 19 angezeigt und mit dem Verweis auf 20 versehen ist.
21 ist eine perspektivische Ansicht des zweiten Stromabnehmers.
22 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Abschnitts des zweiten Stromabnehmers, der durch gebrochene Linien in 21 angezeigt und mit dem Verweis auf 22 versehen ist.
23 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Abschnitts des zweiten Stromabnehmers, der durch gebrochene Linien in 21 angezeigt und mit dem Verweis auf 23 versehen ist.
24 ist eine schematische Querschnittsansicht der Pouch-Zelle von 2, die entlang der Linie 24-24 von 2 gezeigt wird, wobei der Querschnitt einer Draufsicht auf eine gemeinsame Ebene Pc entspricht.
25 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Pouch-Zelle einer alternativen Ausführungsform, die der in 3 dargestellten Ansicht entspricht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf 1 bis 4 umfasst ein zum Bereitstellen von elektrischer Energie verwendeter Batteriepack 1 ein Array von elektrochemischen Zellen 20, die elektrisch miteinander verbunden sind und innerhalb eines Batteriepackgehäuses 2 untergebracht sind. Das Batteriepackgehäuse 2 umfasst einen Behälterabschnitt 3 und einen abnehmbaren Deckel 4. Die Zellen 20 sind Lithium-Ionen-Pouch-Zellen, die eine Elektrodenbaugruppe 40 (3) umfassen, die innerhalb eines Zellengehäuses 22 zusammen mit einem Elektrolyt (zum Beispiel einem Lithiumsalz in einem organischen Lösungsmittel) dicht verschlossen ist, um eine Energieerzeugungs- und -speichereinheit zu bilden. In einigen Ausführungsformen können Gruppen von Zellen 20 zusammen gebündelt werden, um Batteriemodule (nicht dargestellt) auszubilden, die wiederum innerhalb des Batteriepackgehäuses 2 untergebracht werden. Jedoch sind in der dargestellten Ausführungsform die Zellen 20 nicht zu Modulen gebündelt, und sind stattdessen direkt mit Anschlüssen 5, 6 des Batteriepackgehäuses elektrisch verbunden. Innerhalb des Batteriepackgehäuses 2 sind die Zellen 20 in Reihe oder parallel elektrisch verbunden.
Jede Zelle 20 umfasst ein Zellengehäuse 22 des Pouch-Typs, eine Elektrodenbaugruppe 40, die ein gefaltetes Elektrodenpaar 41 umfasst, und ein Paar Stromabnehmer 102, 202. Jeder Stromabnehmer 102, 202 bildet eine elektrische Verbindung mit einer entsprechenden Elektrode 44, 46 von dem Elektrodenpaar 41. Außerdem wirken die Stromabnehmer 102, 202 zusammen, um die Elektrodenbaugruppe 40 zu umhüllen und die Elektrodenbaugruppe 40 in einer gewünschten gefalteten und gestapelten Konfiguration zu halten, wie nachstehend ausführlicher besprochen.
Das Zellengehäuse 22 weist eine rechteckige Form auf und umfasst sechs orthogonale Flächen. Die sechs Flächen definieren zusammen einen dicht verschlossenen Innenraum, der durch die Elektrodenbaugruppe 40 belegt wird. In der dargestellten Ausführungsform ist das Zellengehäuse 21 eine Baugruppe aus zwei Zuschnitten eines flächigen Metall-kaschierten Polymerfolienmaterials. Jeder Zuschnitt wird gefaltet, um die Form eines offenen Kastens auszubilden. Der erste Zuschnitt entspricht einem verhältnismäßig tiefen Kasten, der als ein Behälter dient, der zum Aufnehmen der Elektrodenbaugruppe 40 dimensioniert ist. Der zweite Zuschnitt entspricht einem verhältnismäßig flachen Kasten, der als eine Abdeckung dient, die den offenen Behälter verschließt. Eine kontinuierliche abgedichtete Verknüpfung wird entlang einer Anschlussstelle zwischen dem Behälter und der Abdeckung ausgebildet, um einen dicht verschlossenen rechteckigen Beutel (Pouch) zu bilden, der eine Tiefe aufweist, die größer ist als die Tiefe mancher herkömmlicher Zellengehäuse des Pouch-Typs. Zum Beispiel ist in einigen Ausführungsformen die Tiefe größer als 20 mm. In der dargestellten Ausführungsform ist das Zellengehäuse 22 würfelförmig und weist Längen-, Breiten- und Höhenabmessungen auf, die 90 mm oder mehr betragen.
Das Elektrodenpaar 41 umfasst eine positive Elektrode 44, eine negative Elektrode 46, einen ersten Separator 47 und einen zweiten Separator 48. Die Elektroden 44, 46 und die Separatoren 47, 48 sind längliche Materialstreifen. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Streifen“ auf eine Geometrie, die eine Breite, die im Verhältnis zu der Dicke groß (z.B. der Größenordnung von 100 größer) ist, und eine Länge, die im Verhältnis zu der Breite groß (z.B. der Größenordnung von 100 größer) ist, umfasst. Zum Beispiel können in manchen Anwendungen die Elektroden 44, 46 eine Dicke von 0,04 mm bis 0,10 mm, eine Breite von 20 mm bis 35 mm und eine Länge von 20 m oder mehr aufweisen. Da die Elektroden 44, 46 im Vergleich zu der gesamten Zellendicke sehr dünn sind (sie weisen z.B. eine Dicke der Größenordnung von mehreren zehn oder hundert Millimetern auf), sind sie in 3 schematisch dargestellt.
Unter Bezugnahme auf 5 und 6 können die positive und die negative Elektrode 44, 46 jeweils eine geschichtete Struktur aufweisen, um ein Einführen und/oder eine Bewegung von Lithium-Ionen zu erleichtern. Zum Beispiel umfasst in der dargestellten Ausführungsform die positive Elektrode 44 ein erstes Substrat 50, das aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material, wie z.B. Kupfer, ausgebildet ist. Außerdem umfasst die positive Elektrode 44 ein erstes aktives Material 53, wie z.B. Graphit, das auf beiden Seiten des ersten Substrats 50 angeordnet ist. Das erste aktive Material 53 wird entlang der gesamten Länge des ersten Substrats 50, z.B. in einem Druckprozess, bereitgestellt. Das erste aktive Material 53 wird derart aufgebracht, dass ein Raum zwischen Längsrändern 51, 52 der positiven Elektrode 44 und dem ersten aktiven Material 53 besteht, wodurch eine positive klare Bahn aus freiliegenden Substrat entlang jedes Längsrands 51, 52 der positiven Elektrode 44 bereitgestellt wird. Die positiven klaren Bahnen werden periodisch eingekerbt (z.B. ausgeschnitten), wodurch positive Nasen 55 entlang der Längsränder 51, 52 der positiven Elektrode 44 zwischen benachbarten Kerben ausgebildet werden. Die positiven Nasen 55 sind elektrisch leitfähig und frei von aktiven Material. Außerdem sind die positiven Nasen 55a an einem Längsrand 51 von den positiven Nasen 55b an dem gegenüberliegenden Längsrand 52 entlang der Längsrichtung versetzt.
Unter Bezugnahme auf 7 und 8 umfasst die negative Elektrode 46 ein zweites Substrat 70, das aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material, wie z.B. Aluminium, ausgebildet ist. Außerdem umfasst die negative Elektrode 46 ein zweites aktives Material 73, wie z.B. eine lithierte Metalloxidbeschichtung, die auf beiden Seiten des zweiten Substrats 70 angeordnet ist. Das zweite aktive Material 73 wird entlang der gesamten Länge des zweiten Substrats 70, z.B. in einem Druckprozess, bereitgestellt. Das zweite aktive Material 73 wird derart aufgebracht, dass ein Raum zwischen Längsrändern 71, 72 der negativen Elektrode 46 und dem zweiten aktiven Material 73 besteht, wodurch eine negative klare Bahn aus einem freiliegenden Substrat entlang jedes Längsrands 71, 72 der negativen Elektrode 43 bereitgestellt wird. Die negativen klaren Bahnen werden periodisch eingekerbt, wodurch negative Nasen 75 entlang der Längsränder 71, 72 der negativen Elektrode 46 zwischen benachbarten Kerben ausgebildet werden. Die negativen Nasen 75 sind elektrisch leitfähig und frei vom aktiven Material 73. Die negativen Nasen 75a an einem Längsrand 71 sind von den negativen Nasen 75b an dem gegenüberliegenden Längsrand 72 entlang der Längsrichtung versetzt.
Unter Bezugnahme auf 9 bis 11 sind der erste und der zweite Separator 47, 48 jeweils eine durchlässige Membran, die derart wirkt, dass die positive und die negative Elektrode 44, 46 getrennt gehalten werden, um elektrische Kurzschlüsse zu verhindern, während auch ein Durchgang von ionischen Ladungsträgern, die in dem Elektrolyt bereitgestellt sind und die benötigt werden, um die Schaltung während des Stromdurchgangs innerhalb der Zelle 20 zu schließen, ermöglicht wird. Der erste und der zweite Separator 47, 48 werden aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z.B. einer dreischichtigen Polypropylen-Polyethylen-Polypropylen-Membran, ausgebildet.
Eine von der positiven Elektrode 44 und der negativen Elektrode 46 wird zwischen dem ersten und dem zweiten Separator 47, 48 angeordnet, so dass sie in einer geschichteten Konfiguration angeordnet wird, in der die Elektrode zwischen den Separatoren 47, 48 eingepfercht ist, und bildet eine Teilbaugruppe, die nachstehend als die Alpha-Elektrode 80 bezeichnet wird. In der dargestellten Ausführungsform ist die negative Elektrode 46 zwischen dem ersten und dem zweiten Separator 47, 48 angeordnet und bildet zusammen mit dem ersten und dem zweiten Separator 47, 48 die Alpha-Elektrode 80. Die andere von der positiven Elektrode 44 und der negativen Elektrode 46 ist nicht zwischen Separatoren angeordnet (z.B. ist sie frei von Separatoren), und wird nachstehend als die Beta-Elektrode 60 bezeichnet. In der dargestellten Ausführungsform bildet die positive Elektrode 44 die Beta-Elektrode 60.
Ähnlich der positiven und der negativen Elektrode 44, 46 weisen die Alpha-Elektrode 80 und die Beta-Elektrode 60 jeweils eine dünne, längliche Form auf und umfassen eine Längsabmessung, die der Längsrichtung entspricht, eine Breitenabmessung in einer zu der Längsrichtung senkrechten Richtung und kleiner als sie, und eine Dickenabmessung in einer Richtung, die sowohl zu der Längs- als auch zu der Breitenabmessung senkrecht ist, wobei die Dickenabmessung kleiner ist als die Breitenabmessung. In der Alpha-Elektrode 80 stehen die Nassen 75 der negativen Elektrode 46 über den ersten Separator 47 und den zweiten Separator 48 in Breitenrichtung hinaus hervor.
Unter Bezugnahme auf 12 und 13 sind die Alpha-Elektrode 80 und die Beta-Elektrode 60 jeweils z-förmig gefaltet, und werden während des z-Faltungsprozesses miteinander quergewebt, so dass sie den Elektrodenstapel 42 bilden. Innerhalb des Elektrodenstapels 42 wechseln sich im Allgemeinen plane Abschnitte der Alpha-Elektrode mit im Allgemeinen planen Abschnitten der Beta-Elektrode 60 in einer geschichteten Konfiguration ab, und eine Stapelachse 43 des Elektrodenstapels 42 erstreckt sich durch eine Mitte des Elektrodenstapels 42 in einer Richtung, die zur Stapelrichtung parallel und zu den planen Abschnitten senkrecht ist. Nun werden Einzelheiten der quergewebten und gefalteten Konfiguration der Elektrodenbaugruppe 40 beschrieben.
Die Alpha-Elektrode 80 wird in einer kontinuierlichen Folge von z-Falten angeordnet. In jeder einzelnen z-Falte wird die Alpha-Elektrode 80 in eine erste Richtung A1 um eine Achse 92, die parallel zu einer ersten Faltachse 91 ist, gefaltet, so dass ein zweiter Abschnitt 80b der Alpha-Elektrode 80 über einem ersten Abschnitt 80a der Alpha-Elektrode 80 liegt. Die Alpha-Elektrode 80 wird außerdem in eine zweite Richtung A2 um eine andere Achse 93, die parallel zu der ersten Faltachse 91 ist, gefaltet, so dass ein dritter Abschnitt 80c der Alpha-Elektrode 80 über dem ersten Abschnitt 80a der Alpha-Elektrode 80 liegt. In der z-Falte der Alpha-Elektrode 80 ist die erste Richtung A1 der zweiten Richtung A2 entgegengesetzt, und der erste Abschnitt 80a, der zweite Abschnitt 80b und der dritte Abschnitt 80c der Alpha-Elektrode 80 sind in einer gestapelten Konfiguration entlang der Stapelachse 43 angeordnet. Die erste Faltachse 91 ist zu den Längsrändern 71, 72 der negativen Elektrode 46 senkrecht und erstreckt sich in die Breitenrichtung der negativen Elektrode 46. Außerdem sind die resultierenden Falten F1, F2 in der Alpha-Elektrode um die Achsen 92, 93 an einer Position zwischen benachbarten Paaren entgegengesetzter Nasen 75a, 75b gefertigt.
Ähnlich der Alpha-Elektrode 80 wird die Beta-Elektrode 60 in einer kontinuierlichen Folge von z-Falten angeordnet. In jeder einzelnen z-Falte wird die Beta-Elektrode 60 in eine dritte Richtung A3 um eine Achse 95, die parallel zu einer zweiten Faltachse 94 ist, gefaltet, so dass ein zweiter Abschnitt 60b der Beta-Elektrode 60 über einem ersten Abschnitt 60a der Beta-Elektrode 60 liegt. Die Beta-Elektrode 60 wird außerdem in eine vierte Richtung A4 um eine andere Achse 96, die parallel zu der zweiten Faltachse 94 ist, gefaltet, so dass ein dritter Abschnitt 60c der Beta-Elektrode 60 über dem ersten Abschnitt 60a der Beta-Elektrode 60 liegt. In der z-Falte der Beta-Elektrode 60 ist die dritte Richtung A3 zu der vierten Richtung A4 entgegengesetzt, und die zweite Faltachse 94 ist sowohl zu der ersten Faltachse 91 als auch der Stapelachse 43 senkrecht. Die zweite Faltachse 94 ist zu den Längsrändern 51, 52 der positiven Elektrode 44 senkrecht und erstreckt sich in die Breitenrichtung der positiven Elektrode 44. Außerdem sind die resultierenden Falten F3, F4 in der Beta-Elektrode 60 um die Achsen 95, 96 an einer Position zwischen benachbarten Paaren entgegengesetzter Nasen 55a, 55b gefertigt.
Vor dem z-förmigen Falten werden die Alpha- und die Beta-Elektrode 80, 60 derart angeordnet, dass die Längsränder 51, 52 der Beta-Elektrode 60 zu den Längsrändern 71, 72 der Alpha-Elektrode 80 senkrecht sind, und die ersten Abschnitte 80a, 60a jeder Elektrode 80, 60 werden gestapelt. Die so angeordneten Alpha- und Beta-Elektrode 80, 60 werden gleichzeitig in Querrichtungen z-förmig gefaltet, so dass z-Falten der Alpha-Elektrode 80 mit den z-Falten der Beta-Elektrode 60 verflochten werden, und so dass der erste, der zweite und der dritte Abschnitt 60a, 60b, 60c der Beta-Elektrode 60 entlang der Stapelachse 43 gestapelt werden, um sich mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Abschnitt 80a, 80b, 80c der Alpha-Elektrode 80 abzuwechseln. Das heißt, der erste Abschnitt 60a der Beta-Elektrode 60 wird zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 80a, 80b der Alpha-Elektrode 80 geschichtet, der zweite Abschnitt 60b der Beta-Elektrode 60 wird zwischen dem zweiten und dem dritten Abschnitt 80b, 80c der Alpha-Elektrode 80 geschichtet, und der dritte Abschnitt 60c der Beta-Elektrode 60 liegt über dem dritten Abschnitt 80c der Alpha-Elektrode 80.
Bei dieser Ausgestaltung sind die Nasen 55a, 55b, 75a, 75b zwischen den entsprechenden Falten F1, F2, F3, F4 angeordnet. Die positiven Nasen 55a, die einem Längsrand 51 der positiven Elektrode 44 entsprechen, sind im Verhältnis zu den positiven Nasen 55b des entgegengesetzten Längsrands 52 auf einer gegenüberliegenden Seite des Elektrodenstapels 42 angeordnet. Außerdem sind die negativen Nasen 75a an einem Längsrand 71 der negativen Elektrode 46 im Verhältnis zu den negativen Nasen 75b des gegenüberliegenden Längsrands 72 auf einer gegenüberliegenden Seite des Elektrodenstapels 42 und im Verhältnis zu den positiven Nasen 55a, 55b an einer angrenzenden Seite des Elektrodenstapels 42 angeordnet.
Unter Bezugnahme auch auf 14 und 15 werden in einigen Ausführungsformen die Nasen 55a, 55b, 75a, 75b über die entsprechende Seite des Elektrodenstapels 42 gefaltet, so dass sie über der Seite des Elektrodenstapels 42 liegen. Aufgrund der gestapelten und geschichteten Ausgestaltung der Elektrodenabschnitte innerhalb des Elektrodenstapels 42 liegen die gefalteten Nasen auf einer gegebenen Seite des Elektrodenstapels 42 übereinander und sind entlang der Richtung der Stapelachse 43 leicht versetzt und weisen daher die Erscheinung von Lamellen auf. Zum Beispiel liegen, wie in 15 zu sehen, die positiven Nasen 55a über den Falten F1 und übereinander auf einer Seite des Elektrodenstapels 42, und die negativen Nasen 75a liegen über den Falten F3 und übereinander entlang einer angrenzenden (orthogonalen) Seite des Elektrodenstapels 42. Die Nasen 55a, 55b, 75a, 75b werden verwendet, um elektrische Verbindungen mit den Stromabnehmern 102, 202 auszubilden, wie nachstehend besprochen. Um sicherzustellen, dass verhindert wird, dass die gefalteten negativen Nasen 75a, 75b die (positive) Beta-Elektrode 60 in der Nähe der Falte F3 kontaktieren, können der erste und der zweite Separator 47, 48 auch Nasen 47a, 48a umfassen. Nur die Nase 47a ist in der Ansicht von 15 zu sehen, und die Nase 48a, die dem zweiten Separator 48 entspricht, liegt unter der Nase 47a und ist daher nicht sichtbar. Die negative Nase 75a ist mit einer hinreichenden Länge bereitgestellt, um über die Separatornasen 47a, 48a hinaus hervorzustehen, wodurch die negativen Nasen 75 eine elektrische Verbindung zum Beispiel mit einem Stromabnehmer 202 (nachstehend besprochen) bilden können.
Die Elektrodenbaugruppe 40 in der z-förmig gefalteten und querverwobenen Anordnung weist einen volumetrischen Wirkungsgrad auf, der mit dem volumetrischen Wirkungsgrad mancher Elektrodenbaugruppen, die eine gestapelte Anordnung von einzelnen Elektroden umfassen, vergleichbar ist, aber sie ist aufgrund des kontinuierlichen Charakters des quergewobenen z-Faltungsprozesses leichter herzustellen und weniger anfällig für Fehler.
Unter Bezugnahme auf 16 und 17 weist der resultierende Elektrodenstapel 42 eine im Großen und Ganzen rechteckige Form auf, und umfasst ein erstes Ende 37 und ein zweites Ende 39, das dem ersten Ende 37 entgegengesetzt ist. Das erste und das zweite Ende 37, 39 sind quer zu der Stapelachse 43. Der Elektrodenstapel 42 umfasst vier Seiten 30, 32, 34, 36, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 37, 39 erstrecken und die eine erste Seite 30, eine zweite Seite 32, die an die erste Seite 30 angrenzend ist, eine dritte Seite 34, die der ersten Seite 30 gegenüberliegt und an die zweite Seite 32 angrenzend ist, und eine vierte Seite 36, die der zweiten Seite 32 gegenüberliegt und an die erste und die dritte Seite 30, 34 angrenzend ist, umfassen. In der dargestellten Ausführungsform sind die positiven Elektrodennasen 55a auf der ersten Seite 30 des Elektrodenstapels angeordnet und die positiven Elektrodennasen 55b sind auf der dritten Seite 34 des Elektrodenstapels angeordnet. Außerdem sind die negativen Elektrodennasen 75a auf der zweiten Seite 32 des Elektrodenstapels angeordnet und die negativen Elektrodennasen 75b sind auf der vierten Seite 36 des Elektrodenstapels angeordnet.
Der erste Stromabnehmer 102 ist mit einer oder mehreren von den positiven Nasen 55 der positiven Elektrode 44 elektrisch verbunden. Der erste Stromabnehmer 102 ist zwischen dem Zellengehäuse 22 und der Elektrodenbaugruppe 40 angeordnet und ist derart ausgelegt, dass er Strom an einen positiven Anschluss 140, der außerhalb des Zellengehäuses 22 angeordnet ist, leitet. Außerdem umfasst die Zelle 20 ferner einen zweiten Stromabnehmer 202, der mit einer oder mehreren von den negativen Nasen 75 der negativen Elektrode 46 elektrisch verbunden ist. Der zweite Stromabnehmer 202 ist zwischen dem Zellengehäuse 22 und der Elektrodenbaugruppe 40 angeordnet und ist derart ausgelegt, dass er Strom an einen negativen Anschluss 240, der außerhalb des Zellengehäuses 22 angeordnet ist, leitet.
Unter Bezugnahme auf 17 bis 20 sind der erste Stromabnehmer 102 und der zweite Stromabnehmer 202 dahingehend einander ähnlich, dass jeder aus einem elektrisch leitfähigen Blattmaterial ausgebildet ist, das zu einer allgemeinen U-Form angeordnet ist, aber es liegen Unterscheide zwischen dem ersten Stromabnehmer 102 und dem zweiten Stromabnehmer 202 vor, wie nachstehend beschrieben sein wird.
Der erste Stromabnehmer 102 weist eine erste Basis 104 und ein erstes Paar Schenkel 116, 120 auf, die sich parallel von gegenüberliegenden Enden der ersten Basis 104 erstrecken, um die U-förmige Struktur zu bilden. Das erste Paar Schenkel umfasst einen a-Schenkel 116 und einen b-Schenkel 120. Ein Querschnitt des ersten Stromabnehmers 102, der die erste Basis 104 und jeden Schenkel 116, 120 des ersten Paars Schenkel umfasst und zu einem Rand 104a der Basis 104 parallel ist, definiert eine erste Ebene P1 (in gebrochenen Linien in 17 dargestellt). Wenn mit der Elektrodenbaugruppe 40 zusammengebaut, ist der a-Schenkel 116 auf der ersten Seite 30 des Elektrodenstapels 42 angeordnet und ist mit den positiven Nasen 55a der positiven Elektrode 44 auf der ersten Seite 30 des Stapels elektrisch verbunden. Der b-Schenkel 120 ist auf der gegenüberliegenden, dritten Seite 34 des Elektrodenstapels 42 angeordnet. Der b-Schenkel 120 ist mit den positiven Nasen 55b der positiven Elektrode 44 auf der dritten Seite 34 des Stapels elektrisch verbunden. Außerdem ist eine Innenfläche 128 des ersten Stromabnehmers 102 dem Elektrodenstapel 42 zugewandt, und eine Außenfläche 130, die der Innenfläche 128 entgegengesetzt ist, weist zum Zellengehäuse 22 hin. Der erste Stromabnehmer 102 ist im Verhältnis zu dem Elektrodenstapel 42 derart ausgerichtet, dass die erste Basis 104 quer zu der Stapelachse 43 ist und über dem ersten Ende 37 des Stapels liegt.
Der erste Stromabnehmer umfasst eine Umfangsrandfläche 132, die sich zwischen der Innenfläche 128 und der Außenfläche 130 erstreckt, und ein Anschluss 140 (z.B. der positive Anschluss) steht von einem Abschnitt der Umfangsrandfläche 132 hervor. Insbesondere steht der positive Anschluss 140 von einem Rand 104a der ersten Basis 104 hervor. Der positive Anschluss 140 ist eine Platte, die eine Breite aufweist, welche dem Abstand zwischen dem a-Schenkel 116 und dem b-Schenkel 120 entspricht. Der positive Anschluss 140 ist entlang des Rands 104a der ersten Basis 104 gefaltet, so dass er sich in einer Ebene erstreckt, die zu der Stapelachse 43 parallel und im Allgemeinen quer zu Ebenen ist, die durch jeden Schenkel 116, 120 des ersten Paars Schenkel definiert sind. Die erste Basis 104 ist derart dimensioniert, dass ein Spalt g1 zwischen jedem Schenkel 116, 120 und der Innenfläche des positiven Anschlusses 140 (20) besteht. Beim Gebrauch tritt der positive Anschluss 140 aus dem Zellengehäuse 22 heraus, indem er zwischen den Blättern, die das Zellengehäuse 22 bilden, und durch die abgedichtete Verknüpfung, die die Blätter verknüpft, hindurchgeht, und liegt aufgrund der gefalteten Ausgestaltung des positiven Anschlusses 140 über einer Außenfläche einer Seite des Zellengehäuses 22. Der Spalt g1 ist derart dimensioniert, dass er die Seite des Zellengehäuses 22 darin aufnimmt.
Unter Bezugnahme auf 17 und 21 bis 24 weist der zweite Stromabnehmer 202 eine zweite Basis 204 und ein zweites Paar Schenkel 216, 220 auf, die sich parallel von gegenüberliegenden Enden der zweiten Basis 204 erstrecken, um die U-förmige Struktur zu bilden. Das zweite Paar Schenkel umfasst einen c-Schenkel 216 und einen d-Schenkel 220. Ein Querschnitt des zweiten Stromabnehmers 202, der die zweite Basis 204 und jeden Schenkel 216, 220 des zweiten Paars Schenkel umfasst und zu einem Rand 204a der Basis 204 parallel ist, definiert eine zweite Ebene P2 (in gebrochenen Linien in 17 dargestellt). Wenn mit der Elektrodenbaugruppe 40 zusammengebaut, ist der c-Schenkel 216 auf der zweiten Seite 32 des Elektrodenstapels 42 angeordnet und ist mit den negativen Nasen 75a der negativen Elektrode 46 auf der zweiten Seite 32 des Stapels elektrisch verbunden. Der d-Schenkel 220 ist auf der gegenüberliegenden, vierten Seite 36 des Elektrodenstapels 42 angeordnet. Der d-Schenkel 220 ist mit den negativen Nasen 75b der negativen Elektrode 46 auf der vierten Seite 36 des Stapels elektrisch verbunden. Außerdem ist eine Innenfläche 228 des zweiten Stromabnehmers 202 dem Elektrodenstapel 42 zugewandt, und eine Außenfläche 230, die der Innenfläche 228 entgegengesetzt ist, weist zum Zellengehäuse 22 hin. Der zweite Stromabnehmer 202 ist im Verhältnis zu dem Elektrodenstapel 42 derart ausgerichtet, dass die zweite Basis 204 quer zu der Stapelachse 43 ist und über dem zweiten Ende 39 des Stapels liegt.
Der zweite Stromabnehmer 202 umfasst eine Umfangsrandfläche 232, die sich zwischen der Innenfläche 228 und der Außenfläche 230 erstreckt, und ein Anschluss 240 (z.B. der negative Anschluss) steht von einem Abschnitt der Umfangsrandfläche 232 hervor. Insbesondere steht der negative Anschluss 240 von einem freien Ende 220a des d-Schenkels 220 hervor. Der negative Anschluss 240 ist eine Platte, die eine Breite aufweist, welche einer Breite des d-Schenkels 220 entspricht, und ist entlang des freien Endes 220a des d-Schenkels gefaltet, so dass er über der Außenfläche des d-Schenkels 220 liegt. Folglich erstreckt sich der negative Anschluss 240 in einer Ebene, die im Allgemeinen parallel zu Ebenen ist, die durch jeden Schenkel 216, 220 des zweiten Paars Schenkel definiert sind. Die Falte ist derart ausgestaltet, dass ein Spalt g2 zwischen einer Außenfläche des d-Schenkels 220 und der Innenfläche des negativen Anschlusses 240 vorhanden ist (22). Beim Gebrauch tritt der negative Anschluss 240 aus dem Zellengehäuse 22 heraus, indem er zwischen den Blättern, die das Zellengehäuse 22 bilden, und durch die abgedichtete Verknüpfung, die die Blätter verknüpft, hindurchgeht, und liegt aufgrund der gefalteten Ausgestaltung des negativen Anschlusses 220 über einer Außenfläche einer Seite des Zellengehäuses 22. Der Spalt g2 ist derart dimensioniert, dass er die Seite des Zellengehäuses 22 darin aufnimmt. In der dargestellten Ausführungsform sind der negative Anschluss 240 und der positive Anschluss 140 auf gegenüberliegenden Seiten des Zellengehäuses 22 angeordnet.
Durch Bereitstellen der Stromabnehmer 102, 202 in einer U-förmigen Ausgestaltung und derartiges Anordnen von ihnen um die Elektrodenbaugruppe 40 herum, dass sich die Stromabnehmerbasen 104, 204 auf gegenüberliegenden Seiten des Elektrodenstapels 42 befinden und die Stromabnehmer 102, 202 offen einander zugewandt sind, wird der Elektrodenstapel 42 in der gewünschten Konfiguration festgehalten, ohne dass eine separate Stapelhalteeinrichtung erforderlich ist. In dieser Ausgestaltung ist die erste Ebene P1 quer zu der zweiten Ebene P2 (17), und die Schenkel 116, 120 des ersten Stromabnehmers 102 und die Schenkel 216, 220 des zweiten Stromabnehmers 202 gehen jeweils durch eine gemeinsame Ebene Pc (gezeigt mit gebrochenen Linien in 16) hindurch, die zwischen der ersten und der zweiten Basis 104, 204 (24) angeordnet und zu ihnen parallel ist. Folglich wirken der erste Stromabnehmer 102 und der zweite Stromabnehmer 202 zusammen, um alle Seiten 30, 32, 34, 36, 37, 39 der Elektrodenbaugruppe 40 zu umgeben und um die Abschnitte 60a, 60b, 60c der positiven Elektrode und die Abschnitte 80a, 80b, 80c der negativen Elektrode und die Separatoren 47, 48 in der vorstehend beschriebenen gestapelten Konfiguration zu halten.
In den dargestellten Ausführungsformen umfassen die U-förmigen Stromabnehmer 102, 202 jeweils einen Anschluss 140, 240, der von einer Umfangsrandfläche 132, 232 davon hervorsteht. Der Anschluss 140, 240 ist auf dem entsprechenden Stromabnehmer 102, 202 angeordnet, um den Anschluss 140, 240 an dem ersten Ende 37 der Elektrodenbaugruppe 40 zu platzieren und daher den Anschluss 140, 240 in der Nähe der kontinuierlichen abgedichteten Verknüpfung anzuordnen, die zum Verknüpfen der Blätter, welche das Zellengehäuse 22 des Pouch-Typs bilden, verwendet wird. Diese Anschlussposition erleichtert einen Durchgang des Anschlusses 140, 240 zwischen den Blättern und durch die abgedichtete Verknüpfung.
Unter Bezugnahme auf 25 werden alternative Ausführungsformen in Betracht gezogen, in denen U-förmige Stromabnehmer 302, 402 ohne die Anschlüsse 140, 240 ausgebildet werden. In derartigen alternativen Ausführungsformen weisen die Stromabnehmer 302, 402 jeweils eine reine U-Form auf (z.B. weisen sie drei im Allgemeinen plane Abschnitte auf, die in einer U-Konfiguration ohne zusätzliche Vorsprünge oder gefaltete Abschnitte angeordnet sind). Zum Beispiel umfasst eine elektrochemische Pouch-Zelle 320 einen ersten U-förmigen Stromabnehmer 302 und einen zweiten U-förmigen Stromabnehmer 402. Der erste Stromabnehmer 302 weist eine erste Basis 304 und ein erstes Paar Schenkel 316, 320 auf, die sich parallel von gegenüberliegenden Enden der ersten Basis 304 erstrecken, und der zweite Stromabnehmer 402 weist eine zweite Basis 404 und ein zweites Paar Schenkel 416, 420 auf (nicht in der in 25 dargestellten Ansicht zu sehen), die sich parallel von gegenüberliegenden Enden der zweiten Basis 404 erstrecken. Jeder Stromabnehmer 302, 402 leitet Strom aus dem Inneren der Zelle 320 an eine Außenseite der Zelle 320 über eine Öffnung 350, 352 in dem Zellengehäuse 322 an einer Position, die von der abgedichteten Verknüpfung 354 beabstandet ist. Die Öffnung 350, 352 ist auf einer Seite des Zellengehäuses 322 angeordnet, die über dem entsprechenden Stromabnehmer 302, 402 liegt, unabhängig davon, ob sie über einer Basis 304, 404 oder einem Schenkel 316, 320, 416, 420 liegt. Daher kann die Öffnung 350, 352 auf einer Seite oder einem Ende des Zellengehäuses 322 angeordnet werden. Des Weiteren kann ein Beliebiges von der Basis 304, 404 und den Schenkeln 316, 320, 416, 420 der U-Form verwendet werden, um Strom über die entsprechende Öffnung 350, 352 an eine Außenstruktur, wie z.B. eine Außenanschlussplatte 360, 362, zum Beispiel durch direkten Kontakt mit der Anschlussplatte 360, 362 über die Öffnung zu leiten. Zum Beispiel kontaktiert in der dargestellten Ausführungsform ein Schenkel 316 des ersten Stromabnehmers 302 direkt einen ersten Anschluss 360 über eine erste Öffnung 350 und leitet Strom an ihn, und die Basis 404 des zweiten Stromabnehmers 402 kontaktiert direkt einen zweiten Anschluss 362 über eine zweite Öffnung 352 und leitet Strom an ihn. Obwohl „direkter Kontakt“ aufgrund des schematischen Charakters der Figur nicht in 25 dargestellt ist, ist ein direkter Kontakt aufgrund der relativen Dünne der jeweiligen Komponenten und/oder aufgrund einer angelegten äußeren Kraft, die den Stromabnehmer und die Aufspannplatte zusammendrückt, möglich.
Obwohl die hier beschriebene Alpha-Elektrode 80 die negative Elektrode 46, die zwischen ein Paar Separatoren 47, 48 eingepfercht ist, umfasst und die Beta-Elektrode 60 die positive Elektrode 44, die frei von Separatoren ist, umfasst, ist die Elektrodenbaugruppe 40 nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt. Zum Beispiel umfasst in einigen Ausführungsformen die Alpha-Elektrode 80 die positive Elektrode 44, die zwischen das Paar Separatoren 47, 48 eingepfercht ist, und die Beta-Elektrode 60 umfasst die negative Elektrode 46, die frei von Separatoren ist. In anderen Ausführungsformen umfasst die Alpha-Elektrode 80 die positive Elektrode 44, die zwischen das Paar Separatoren 47, 48 eingepfercht ist, und die Beta-Elektrode 60 umfasst die negative Elektrode 46, die zwischen ein zweites Paar Separatoren (nicht dargestellt) eingepfercht ist.
Obwohl die positive und die negative Elektrode 44, 46 derart beschrieben wurden, dass sie Nasen 55, 75, die entlang jedes Längsrands ausgebildet sind, aufweisen, sind die positive und die negative Elektrode 44, 46 nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt. Zum Beispiel weisen in einigen Ausführungsformen die positive und/oder die negative Elektrode 60, 80 Nasen 55, 75 auf, die entlang eines Längsrands ausgebildet sind, und der gegenüberliegende Längsrand ist frei von Nasen 55, 75. In diesem Beispiel kann das aktive Material auf der Elektrodenfläche bis zu dem Längsrand, der von den Nasen frei ist, abgeschieden werden, wodurch eine erhöhte Produktivität und daher eine Zelle mit einem größeren volumetrischen Wirkungsgrad bereitgestellt wird.
Obwohl Beispielmaterialien zum Verwenden beim Ausbilden der positiven Elektrode 44, die das erste Substrat 50 und das erste aktive Material 53 umfasst, der negativen Elektrode 46, die das zweite Substrat 70 und das zweite aktive Material 73 umfasst, und der Separatoren 47, 48 beschrieben wurden, wird in Betracht gezogen, dass andere Materialien verwendet werden können, und dass die zum Ausbilden der positiven Elektrode 44, der negativen Elektrode 46 und/oder der Separatoren 47, 48 verwendeten Materialien durch die Anforderungen der konkreten Anwendung bestimmt werden.
In der dargestellten Ausführungsform werden die Elektroden als ein Paar längliche Elektroden bereitgestellt, das in einer z-gefalteten und quergewobenen Konfiguration angeordnet wird. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass die U-förmigen Stromabnehmer 102, 202 mit anderen Elektrodenausgestaltungen verwendet werden können, einschließlich einer gestapelten Anordnung von einzelnen Elektrodenblättern, eines Paars länglicher Elektroden, das zu einer Jelly-Roll-Anordnung gewickelt ist, oder eines Paars länglicher Elektroden, das z-förmig gefaltet ist.
Obwohl der erste Stromabnehmer 102 derart beschrieben wurde, dass er den entlang der ersten Basis 104 ausgebildeten positiven Anschluss 140 aufweist, und der zweite Stromabnehmer 202 derart beschrieben wurde, dass er den entlang des freien Endes 220a des d-Schenkels 220 ausgebildeten negativen Anschluss 240 aufweist, sind der erste und der zweite Stromabnehmer 102, 202 nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt. Zum Beispiel weist in einigen Ausführungsformen der erste Stromabnehmer 102 den positiven Anschluss 140 auf, der entlang eines freien Endes eines der Schenkel 116, 120 ausgebildet ist, und der zweite Stromabnehmer 202 weist den negativen Anschluss 240 auf, der entlang der zweiten Basis 204 ausgebildet ist.
In der dargestellten Ausführungsform weist der positive Anschluss 140 eine Breite auf, die dem Abstand zwischen dem a-Schenkel 116 und dem b-Schenkel 120 entspricht, und der negative Anschluss 240 weist eine Breite auf, die einer Breite des d-Schenkels 220 entspricht. Diese vergleichsweise breite Breite stellt vorteilhafterweise einen Anschluss bereit, der den größten Teil einer Seite der Pouch-Zelle 20 abdeckt, wodurch die elektrische Verbindungsfläche des Anschlusses maximiert wird. Jedoch wird in Betracht gezogen, dass die Breiten des positiven und des negativen Anschlusses 140, 240 kleiner sein können als jene, die in der dargestellten Ausführungsform gezeigt sind. Zum Beispiel kann die Breite des positiven Anschlusses 140 in einem Bereich von 1 bis 99 Prozent des Abstandes zwischen dem a-Schenkel 116 und dem b-Schenkel 120 liegen, und die Breite des negativen Anschlusses kann in einem Bereich von 1 bis 99 Prozent der Breite des d-Schenkels 220 liegen.
Obwohl das Zellengehäuse 21 hier derart beschrieben wurde, dass es ein Pouch-Zellengehäuse ist, welches aus einer Metall-kaschierten Folie ausgebildet ist, ist das Zellengehäuse 21 nicht auf dieses Material oder diese Ausgestaltung beschränkt. Zum Beispiel kann das Zellengehäuse 21 aus anderen Materialien ausgebildet werden und/oder es kann derart ausgebildet werden, dass es eine prismatische, zylindrische oder eine andere Konfiguration aufweist.
Obwohl die Zellen 20 hier derart beschrieben wurden, dass sie Lithium-Ionen-Zellen sind, sind sie nicht auf diesen Typ von Zellchemie beschränkt. Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen die Zellen 20 Nickel-Cadmium, Nickel-Metall-Hydrid, Blei-Säure oder eine andere Art von Zellchemie sein.
Ausgewählte Ausführungsbeispiele der Batteriezelle und der Stromabnehmer wurden vorstehend mit einigen Einzelheiten beschrieben. Es versteht sich, dass hier lediglich Strukturen beschrieben wurden, die als notwendig zur Erklärung dieser Vorrichtungen betrachtet werden. Es wird angenommen, dass andere herkömmliche Strukturen und jene von Hilfs- und Zusatzkomponenten des Batteriesystems einem Fachmann bekannt sind und von ihm verstanden werden. Obwohl Arbeitsbeispiele der Batteriezelle und der Stromabnehmer vorstehend beschrieben wurden, sind des Weiteren die Batteriezelle und/oder die Stromabnehmer nicht auf das vorstehend beschriebene Arbeitsbeispiel beschränkt, sondern es können verschiedene Designänderungen ausgeführt werden, ohne von den in den Ansprüchen dargelegten Vorrichtungen abzuweichen.

Claims

Elektrochemische Zelle, umfassend: ein Zellengehäuse, eine Elektrodenbaugruppe, die in dem Zellengehäuse angeordnet ist, wobei die Elektrodenbaugruppe positive Elektrodenabschnitte, die abwechselnd mit negativen Elektrodenabschnitten angeordnet sind, umfasst, wobei die positiven Elektrodenabschnitte und die negativen Elektrodenabschnitte durch mindestens einen Separator getrennt und entlang einer Stapelachse gestapelt sind, einen ersten Stromabnehmer, der zwischen dem Zellengehäuse und der Elektrodenbaugruppe angeordnet ist und mit einem von den positiven Elektrodenabschnitten und den negativen Elektrodenabschnitten elektrisch verbunden ist, wobei der erste Stromabnehmer eine erste Basis und ein erstes Paar Schenkel aufweist, die sich parallel von gegenüberliegenden Enden der ersten Basis erstrecken, um ein erstes U-förmiges Element zu bilden, wobei ein Querschnitt des ersten Stromabnehmers die erste Basis und jeden Schenkel des ersten Paars Schenkel, die eine erste Ebene definieren, umfasst, und einen zweiten Stromabnehmer, der zwischen dem Zellengehäuse und der Elektrodenbaugruppe angeordnet ist und mit einem anderen von den positiven Elektrodenabschnitten und den negativen Elektrodenabschnitten elektrisch verbunden ist, wobei der zweite Stromabnehmer eine zweite Basis und ein zweites Paar Schenkel aufweist, die sich parallel von gegenüberliegenden Enden der zweiten Basis erstrecken, um ein zweites U-förmiges Element zu bilden, wobei ein Querschnitt des zweiten Stromabnehmers die zweite Basis und jeden Schenkel des zweiten Paars Schenkel, die eine zweite Ebene definieren, umfasst und die zweite Ebene quer zu der ersten Ebene ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei jede von der ersten Basis und der zweiten Basis quer zu der Stapelachse ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei jeder Schenkel des ersten Paars Schenkel und jeder Schenkel des zweiten Paars Schenkel durch eine gemeinsame Ebene hindurchgehen.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei jeder von dem ersten Stromabnehmer und dem zweiten Stromabnehmer umfasst: eine Innenfläche, die dem Elektrodenstapel zugewandt ist, eine Außenfläche, die der ersten Fläche entgegengesetzt ist, eine Umfangsrandfläche, die sich zwischen der Innenfläche und der Außenfläche erstreckt, und einen Anschluss, der von einem Abschnitt der Umfangsrandfläche hervorsteht.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, wobei der Anschluss des ersten Stromabnehmers von einem Rand der ersten Basis hervorsteht.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, wobei der Anschluss des ersten Stromabnehmers eine Platte ist, die entlang des Rands der ersten Basis gefaltet ist, so dass sie sich in einer Ebene erstreckt, die im Allgemeinen quer zu Ebenen liegt, die durch jeden Schenkel des ersten Paars Schenkel definiert sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, wobei der Anschluss des zweiten Stromabnehmers von einem freien Ende eines Schenkels des zweiten Paars Schenkel hervorsteht.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7, wobei der Anschluss des zweiten Stromabnehmers eine Platte ist, die entlang des freien Endes gefaltet ist, so dass sie über dem einen Schenkel liegt.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, wobei das Zellengehäuse aus Schichten eines flexiblen flächenhaften Materials ausgebildet ist, die entlang einer Dichtungslinie miteinander verknüpft sind, um einen Beutel zu bilden, der Anschluss des ersten Stromabnehmers durch einen ersten Abschnitt der Dichtungslinie und zwischen den Schichten aus dem flexiblen flächenhaften Material hindurchgeht, so dass er außerhalb des Zellengehäuses angeordnet wird, der zweite Stromabnehmer durch einen zweiten Abschnitt der Dichtungslinie und zwischen Schichten aus dem flexiblen flächenhaften Material hindurchgeht, so dass er außerhalb des Zellengehäuses angeordnet wird, und der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrodenbaugruppe liegen.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der erste Stromabnehmer und der zweite Stromabnehmer zusammenwirken, um alle Seiten der Elektrodenbaugruppe zu umgeben und die positiven Elektrodenabschnitte, die negativen Elektrodenabschnitte und den mindestens einen Separator in einer gestapelten Konfiguration zu halten.
Elektrochemische Zelle, umfassend: ein Zellengehäuse, eine Elektrodenbaugruppe, die in dem Zellengehäuse angeordnet ist, wobei die Elektrodenbaugruppe positive Elektrodenabschnitte, die abwechselnd mit negativen Elektrodenabschnitten angeordnet sind, umfasst, wobei die positiven Elektrodenabschnitte und die negativen Elektrodenabschnitte durch mindestens einen Separator getrennt und entlang einer Stapelachse gestapelt sind, einen ersten Stromabnehmer, der zwischen dem Zellengehäuse und der Elektrodenbaugruppe angeordnet ist und mit einem von den positiven Elektrodenabschnitten und den negativen Elektrodenabschnitten elektrisch verbunden ist, wobei der erste Stromabnehmer eine erste Basis und ein erstes Paar Schenkel aufweist, die sich parallel von gegenüberliegenden Enden der ersten Basis erstrecken, um ein erstes U-förmiges Element zu bilden, und einen zweiten Stromabnehmer, der zwischen dem Zellengehäuse und der Elektrodenbaugruppe angeordnet ist und mit einem anderen von den positiven Elektrodenabschnitten und den negativen Elektrodenabschnitten elektrisch verbunden ist, wobei der zweite Stromabnehmer eine zweite Basis und ein zweites Paar Schenkel aufweist, die sich parallel von gegenüberliegenden Enden der zweiten Basis erstrecken, um ein zweites U-förmiges Element zu bilden, wobei das erste Paar Schenkel einen a-Schenkel und einen b-Schenkel umfasst, der a-Schenkel auf einer ersten Seite der Elektrodenbaugruppe angeordnet ist und mit dem einen von den positiven Elektrodenabschnitten und den negativen Elektrodenabschnitten auf der ersten Seite elektrisch verbunden ist, der b-Schenkel auf einer zweiten Seite der Elektrodenbaugruppe angeordnet ist, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt, der b-Schenkel mit dem einen von den positiven Elektrodenabschnitten und den negativen Elektrodenabschnitten auf der zweiten Seite der Elektrodenbaugruppe elektrisch verbunden ist, das zweite Paar Schenkel einen c-Schenkel und einen d-Schenkel umfasst, der c-Schenkel auf einer dritten Seite der Elektrodenbaugruppe angeordnet ist und mit dem anderen von den positiven Elektrodenabschnitten und den negativen Elektrodenabschnitten auf der dritten Seite elektrisch verbunden ist, wobei die dritte Seite an die erste Seite und die zweite Seite angrenzt, der d-Schenkel auf einer vierten Seite der Elektrodenbaugruppe angeordnet ist, wobei die vierte Seite der dritten Seite gegenüberliegt, und der d-Schenkel mit dem anderen von den positiven Elektrodenabschnitten und den negativen Elektrodenabschnitten auf der vierten Seite der Elektrodenbaugruppe elektrisch verbunden ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 11, wobei jede von der ersten Basis und der zweiten Basis quer zu der Stapelachse ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 11, wobei der a-Schenkel, der b-Schenkel, der c-Schenkel und der d-Schenkel durch eine gemeinsame Ebene hindurchgehen.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 11, wobei jeder von dem ersten Stromabnehmer und dem zweiten Stromabnehmer umfasst: eine Innenfläche, die dem Elektrodenstapel zugewandt ist, eine Außenfläche, die der ersten Fläche entgegengesetzt ist, eine Umfangsrandfläche, die sich zwischen der Innenfläche und der Außenfläche erstreckt, und einen Anschluss, der von einem Abschnitt der Umfangsrandfläche hervorsteht.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 14, wobei der Anschluss des ersten Stromabnehmers von einem Rand der ersten Basis hervorsteht.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 15, wobei der Anschluss des ersten Stromabnehmers eine Platte ist, die entlang des Rands der ersten Basis gefaltet ist, so dass sie sich in einer Ebene erstreckt, die im Allgemeinen quer zu Ebenen liegt, die durch jeden Schenkel des ersten Paars Schenkel definiert sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 14, wobei der Anschluss des zweiten Stromabnehmers von einem freien Ende eines Schenkels des zweiten Paars Schenkel hervorsteht.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 17, wobei der Anschluss des zweiten Stromabnehmers eine Platte ist, die entlang des freien Endes gefaltet ist, so dass sie über dem einen Schenkel liegt.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 11, wobei das Zellengehäuse aus Schichten eines flexiblen flächenhaften Materials ausgebildet ist, die entlang einer Dichtungslinie miteinander verknüpft sind, um einen Beutel (Pouch) zu bilden, der Anschluss des ersten Stromabnehmers durch einen ersten Abschnitt der Dichtungslinie und zwischen den Schichten aus dem flexiblen flächenhaften Material hindurchgeht, so dass er außerhalb des Zellengehäuses angeordnet wird, der zweite Stromabnehmer durch einen zweiten Abschnitt der Dichtungslinie und zwischen Schichten aus dem flexiblen flächenhaften Material hindurchgeht, so dass er außerhalb des Zellengehäuses angeordnet wird, und der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrodenbaugruppe liegen.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 14, wobei der erste Stromabnehmer und der zweite Stromabnehmer zusammenwirken, um alle Seiten der Elektrodenbaugruppe zu umgeben und die positiven Elektrodenabschnitte, die negativen Elektrodenabschnitte und den mindestens einen Separator in einer gestapelten Konfiguration zu halten.