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Die Erfindung betrifft eine elektrische Speicherzelle und ein Fahrzeug mit solch einer elektrischen Speicherzelle.
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Elektrische Energiespeicher, wie sie beispielsweise in Elektro- und Hybridfahrzeugen verwendet werden, umfassen in der Regel mehrere elektrisch parallel oder in Serie zueinander geschaltete Speicherzellen.
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Solche Speicherzellen vom Stand der Technik weisen ein metallisches Gehäuse auf, in dem ein elektrochemisches Element aufgenommen ist, wobei das Gehäuse mit einem Deckel verschlossen wird, durch den sich Pole erstrecken, über die von der Außenseite das Potential des elektrochemischen Elements abgegriffen werden kann.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei gleichbleibendem Bauraum eine Kapazität der Speicherzelle zu erhöhen. Diese Aufgabe wird durch eine Speicherzelle gemäß Anspruch 1 und ein Fahrzeug gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Speicherzelle, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bereitgestellt, mit einem elektrochemischen Element; einem Gehäuse zur Einhausung des elektrochemischen Elements; einem Deckel zum Verschließen des Gehäuses, wobei der Deckel eine Grundplatte und zumindest einen Pol aufweist, der in einer Öffnung der Grundplatte angeordnet ist (und sich durch die Grundplatte erstreckt), wobei der Pol auf der Gehäuse-zugewandten Seite einen Stromkollektor aufweist, der elektrisch mit dem elektrochemischen Element verbunden ist, und auf der Gehäuse-abgewandten Seite einen Stromabgriff aufweist, über den ein elektrisches Potential des Stromkollektors abgreifbar ist, wobei zwischen dem Pol und der Grundplatte ein elektrischer Isolator so angeordnet ist, dass die Grundplatte und der Pol nicht elektrisch in Kontakt kommen, und wobei der Stromabgriff, der Stromkollektor und der Isolator nicht-zerstörungsfrei lösbar miteinander verbunden sind. Diese Verbindung aus Isolator, Stromabgriff und Stromkollektor ermöglicht, dass die Pole nicht von der Grundplatte des Deckels hervorstehen müssen, sondern bündig zur Grundplatte in den Deckel integriert werden können. Dadurch wird der Bauraum, den die Pole ansonsten benötigen würden, eingespart und das Speicherzellengehäuse kann, bei gleichbleibendem Bauraumbedarf, höher gebaut werden, wodurch wiederum das elektrochemische Element vergrößert werden kann, was in einer größeren Kapazität resultiert.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der Stromkollektor aus Kupfer und der Stromabgriff aus Aluminium.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ragt der Pol auf der Gehäuse-abgewandten Seite nicht über die Grundplatte hinaus.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speicherzelle so ausgebildet, dass der Isolator aus Keramik oder Aluminiumoxid ist und mit der Grundplatte, dem Stromabgriff und dem Stromkollektor mittels Ultraschallschweißen verbunden ist oder aus Kunststoff ist und mit der Grundplatte, dem Stromabgriff und dem Stromkollektor mittels Heißpressen verbunden ist. Diese Art der Verbindung stellt eine serienmäßig realisierbare Lösung dar, welche geeignet ist, der bei der fertigmontierten Speicherzelle auf die Verbindung wirkenden Kraft standzuhalten.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der Stromabgriff und der Stromkollektor per Ultraschallschweißen miteinander verbunden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die Öffnung der Grundplatte, auf der Gehäuse-abgewandten Seite einen kleineren Öffnungsquerschnitt als auf der Gehäuse-zugewandten Seite. Dadurch wird an der Öffnung eine Stufe ausgebildet, welche dabei unterstützt, den Pol entgegen einer nach außen gerichteten Krafteinwirkung im Deckel zu halten.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speicherzelle so ausgebildet, dass der Isolator den Pol ringartig umgibt und einen ersten Abschnitt aufweist, von dem eine nach Innen (d.h. zum Pol hin) weisende Fläche mit dem Stromabgriff verbunden ist, und einen zweiten Abschnitt aufweist, von dem eine nach Innen weisende Fläche mit dem Stromkollektor verbunden ist, wobei eine Öffnungsquerschnittsfläche (innerhalb einer Ebene parallel zur Grundplatte) des ersten Abschnitts kleiner ist als eine Öffnungsquerschnittsfläche (innerhalb einer Ebene parallel zur Grundplatte) des zweiten Abschnitts.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speicherzelle so ausgebildet, dass der Isolator die Öffnung überspannt, auf der Gehäuse-abgewandten Seite des Isolators der Stromabgriff an dem Isolator befestigt ist, und eine Isolatoröffnung vorgesehen ist, in welche oder durch welche sich der Stromabgriff und/oder der Stromkollektor erstreckt, so dass der Stromabgriff und der Stromkollektor durch die Isolatoröffnung hindurch miteinander verbunden sind. „Überspannen“ ist dabei im Sinne von vollständig abdecken zu verstehen, d.h. dass in einer Draufsicht senkrecht zur Grundplatte eine Breite des Isolators größer ist als die der Öffnung und eine Länge des Isolators größer ist als die der Öffnung.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Isolator plattenförmig. Dadurch lässt sich die Speicherzelle einfacher automatisiert herstellen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf der Gehäuse-zugewandten Seite des Isolators der Stromkollektor an dem Isolator befestigt ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Stromkollektor in der Isolatoröffnung angeordnet und eine Gehäuse-zugewandte Seite des Stromkollektors weist dieselbe Querschnittsfläche (innerhalb einer Ebene parallel zur Grundplatte) auf wie die Querschnittsfläche (innerhalb einer Ebene parallel zur Grundplatte) des Stromkollektors innerhalb der Isolatoröffnung.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speicherzelle so ausgebildet, dass der Isolator zumindest eine erste und zweite Isolatorschale aufweist, die jeweils die Form einer Schale mit einer Bodenfläche und einer diese umlaufenden Wandung hat, wobei der Stromabgriff in der ersten Isolatorschale befestigt ist und der Stromkollektor in der zweiten Isolatorschale befestigt ist, wobei an der Öffnung der Grundplatte eine Isolatoröffnung vorgesehen ist, in welche sich der Stromabgriff und/oder der Stromkollektor erstreckt, so dass der Stromabgriff und der Stromkollektor durch die Isolatoröffnung hindurch miteinander verbunden sind.
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Darüber hinaus stellt die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Speicherzelle bereit.
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
- 1 ist eine schematische Darstellung eines Vergleichs zwischen einer herkömmlichen Speicherzelle links und einer erfindungsgemäßen Speicherzelle rechts, und
- 2a ist eine schematische Draufsicht eines Abschnitts eines Deckels der erfindungsgemäßen Speicherzelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2b ist eine schematische Schnittdarstellung des Deckels aus 2a;
- 3a ist eine schematische Draufsicht eines Abschnitts eines Deckels der erfindungsgemäßen Speicherzelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3b ist eine schematische Schnittdarstellung des Deckels aus 3b;
- 4a ist eine schematische Draufsicht eines Abschnitts eines Deckels der erfindungsgemäßen Speicherzelle gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4b ist eine schematische Schnittdarstellung des Deckels aus 4b;
- 5a ist eine schematische Draufsicht eines Abschnitts eines Deckels der erfindungsgemäßen Speicherzelle gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 5b ist eine schematische Schnittdarstellung des Deckels aus 5b.
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1 zeigt schematisch auf der linken Seite eine herkömmliche Speicherzelle 1, bei der Pole 2 von einer Grundplatte 3 eines Deckels 4 hervorstehen. Genauer stehen die Pole 2 um eine Höhe h von der Grundplatte 3 hervor. Auf der rechten Seite in 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Speicherzelle 10 dargestellt. Mehrere solcher Speicherzellen 10 werden elektrisch parallel oder in Serie zueinander geschaltet und bilden ein Speichermodul. Die Speicherzellen 10 sind vorzugsweise ausgebildet als Lithium-Zelle, Lithium-Batterie, Lithium-Akkumulator, besonders bevorzugt als Lithium-Ionen-Zelle, Lithium-Ionen-Batterie oder Lithium-Ionen-Akkumulator. Mehrere parallel oder in Serie geschaltete Speichermodule bilden einen elektrischen Energiespeicher, wie er beispielsweise in Elektro- und Hybridfahrzeugen zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet wird. Die Speicherzelle 10 aus 1 umfasst ein Gehäuse 11, einen im Gehäuse 11 aufgenommenes elektrochemisches Element (nicht dargestellt) und einen Deckel 12. Das Gehäuse 11 hat vorzugsweise eine innen hohle Quaderform, welche nur auf einer Seite offen ist. Das Gehäuse 11 kann aus Metall- (beispielsweise Aluminium oder Edelstahl) oder Kunststoff hergestellt sein. Der Deckel 12 umfasst zwei Pole 13 und 14, die sich durch eine Grundplatte 15 des Deckels 12 hindurch erstrecken. Die Grundplatte 15 ist vorzugsweise elektrisch leitfähig und vorzugsweise aus Metall (insbesondere Aluminium), kann aber auch aus Kunststoff sein. Beide Pole 13, 14 können, wie im Folgenden beschrieben ausgebildet werden. Es ist aber auch möglich, dass nur einer der Pole 13, 14 auf diese Weise ausgebildet wird, vorzugsweise der Anoden-Pol, und der andere Pol, vorzugsweise der Kathoden-Pol, einstückig mit der Grundplatte 15 des Deckels 12 ausgebildet ist. Der Deckel 12 wird zum Verschließen des Gehäuses 11 beispielsweise per Laserschweißen mit dem Gehäuse 11 verschweißt. Anschließend wird über eine wieder verschließbare Füllöffnung im Deckel 12 ein Elektrolyt in das Gehäuse 11 gefüllt.
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Wie in 1 erkennbar, sind die Pole 13, 14 auf der Gehäuse-abgewandten Seite vorzugsweise bündig zur Grundplatte 15, zumindest stehen sie nicht über die Grundplatte 15 hervor. Dies führt dazu, dass der Bauraum der Höhe h einer Vergrößerung/Erhöhung des Gehäuses 11 zur Verfügung steht, wodurch ein größeres elektrochemisches Element verwendet werden kann, was zu einem Kapazitätsgewinn führt.
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Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben, wie ein derartiger flacher Deckel umsetzbar ist.
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2a ist eine schematische Draufsicht eines Abschnitts eines Deckels 112 der erfindungsgemäßen Speicherzelle 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und 2b ist eine schematische Schnittdarstellung des Deckels 112 aus 2a. Der Deckel 112 ist ein Beispiel für den Deckel 12 aus 1. Der in 2a dargestellte Abschnitt des Deckels 112 umfasst eine Grundplatte 115, welche ein Beispiel für die Grundplatte 15 aus 1 ist. Ein Pol 113 ist ein Ausführungsbeispiel für zumindest einen der Pole 13, 14 aus 1. Der Pol 113 weist einen Stromabgriff 116 und einen Stromkollektor 117 auf. In allen Ausführungsbeispielen dieser Erfindung ist der Stromkollektor jeweils mit einer Kathode oder Anode des elektrochemischen Elements elektrisch verbunden. Ferner kann über den Stromabgriff jeweils das Potential des zugeordneten Stromkollektors abgegriffen werden. In allen Ausführungsbeispielen dieser Erfindung ist eine Gehäuse-abgewandte Seite des Stromabgriffs vorzugsweise bündig, d.h. nicht überstehend und nicht zurückversetzt, zur Gehäuse-abgewandten Seite der Grundplatte. Ebenso ist in allen Ausführungsbeispielen dieser Erfindung eine Gehäuse-abgewandte Seite des Stromkollektors mit einer Gehäuse-zugewandten Seite des Stromabgriffs nicht-zerstörungsfrei lösbar, insbesondere mittels Ultraschallschweißen, verbunden. Im ersten Ausführungsbeispiel ist sowohl der Stromabgriff 116 als auch der Stromkollektor 117 plattenförmig. Eine Fläche (innerhalb einer Ebene parallel zur Grundplatte 115) des Stromabgriffs 116 ist dabei kleiner als eine Fläche des Stromkollektors 117, insbesondere ist sowohl eine Länge als auch eine Breite (innerhalb einer Ebene parallel zur Grundplatte 115) des Stromabgriffs 116 kleiner als die des Stromkollektors 117. Eine Öffnung der Grundplatte 115, in welcher der Pol 113 angeordnet ist, ist auf einer Gehäuse-abgewandten Seite der Grundplatte kleiner als auf einer Gehäuse-zugewandten Seite der Grundplatte 115, genauer ist eine Öffnungsquerschnittsfläche der Öffnung auf der Gehäuse-abgewandten Seite kleiner als auf der Gehäuse-zugewandten Seite. Zwischen dem Verbund aus Stromabgriff 116 und Stromkollektor 117 einerseits und der Grundplatte 115 andererseits ist ein Isolator 118 vorgesehen, welcher den Stromabgriff 116 und den Stromkollektor 117 elektrisch gegenüber der Grundplatte 115 isoliert. Der Isolator 118 umgibt den Verbund aus Stromabgriff 116 und Stromkollektor 117 geschlossen ringförmig. Im Querschnitt senkrecht zur Plattenebene der Grundplatte 115 hat der Isolator 118 ein sog. Z-Profil, d.h. zwischen Stromabgriff 116 und Grundplatte 115 sowie zwischen Stromkollektor 117 und Grundplatte 115 ist jeweils einen senkrecht zur Grundplatte 115 verlaufender Abschnitt vorhanden, welche über einen parallel zur Grundplatte 115 verlaufenden Abschnitt verbunden sind. In allen Ausführungsbeispielen dieser Erfindung ist der Isolator nicht-zerstörungsfrei lösbar mit der Grundplatte, dem Stromabgriff und dem Stromkollektor verbunden. Für den Fall, dass der Isolator aus Keramik oder Aluminiumoxid ist, wird diese Verbindung mittels Ultraschallschweißen hergestellt. Für den Fall dass der Isolator aus Kunststoff ist, wird diese Verbindung mittels Heißpressen hergestellt. Der Stromabgriff ist mit dem Stromkollektor an einer Berührungsfläche per Ultraschallschweißen verbunden.
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3a ist eine schematische Draufsicht eines Abschnitts eines Deckels 212 der erfindungsgemäßen Speicherzelle 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und 3b ist eine schematische Schnittdarstellung des Deckels 212 aus 3a. Der Deckel 212 ist ein Beispiel für eine Ausführung des Deckels 12 aus 1. Der in 3a dargestellte Abschnitt des Deckels 212 umfasst eine Grundplatte 215, welche ein Beispiel für die Grundplatte 15 aus 1 ist. Ein Pol 213 ist ein Ausführungsbeispiel für zumindest einen der Pole 13, 14 aus 1. Der Pol 213 weist einen Stromabgriff 216 und einen Stromkollektor 217 auf. Der Stromabgriff 216 ist plattenförmig. Eine Öffnung der Grundplatte 215, in welcher der Pol 213 angeordnet ist, ist auf einer Gehäuse-abgewandten Seite der Grundplatte kleiner als auf einer Gehäuse-zugewandten Seite der Grundplatte 215, genauer ist eine Öffnungsquerschnittsfläche der Öffnung auf der Gehäuse-abgewandten Seite kleiner als auf der Gehäuse-zugewandten Seite. Ein plattenförmiger Isolator 218 erstreckt sich parallel zur Grundplatte 215 und zum Stromabgriff 216. Eine Gehäuse-zugewandte Seite des Stromabgriffs 216 berührt flächig eine Gehäuse-abgewandte Seite des Isolators 218. Der Isolator 218 überspannt die Öffnung der Grundplatte 215, d.h. eine Fläche (bzgl. der Plattenform) des Isolators 218 ist größer als eine Öffnungsquerschnittsfläche der Öffnung, insbesondere ist eine Breite des Isolators 218 größer als eine Breite der Öffnung und eine Länge des Isolators 218 größer als eine Länge der Öffnung. Der Stromkollektor 117 ist plattenförmig mit einem Vorsprung 219 auf seiner Gehäuse-zugewandten Seite, der sich in eine Isolatoröffnung erstreckt, welche den Isolator 218 durchdringt. Eine Gehäuse-abgewandte Seite des Vorsprungs 219 ist mit einer Gehäuse-zugewandten Seite des Stromabgriffs 216 per Ultraschallschweißen verbunden. Eine Fläche des Stromabgriffs 216 ist dabei kleiner als eine Fläche des Isolators 218. Der Vorsprung 219 könnte ebenso am Stromabgriff 216 vorgesehen sein oder es ist ein Vorsprung mit einer Teilhöhe an beiden vorgesehen, wobei in allen Fällen der Stromabgriff 216 mit dem Stromkollektor 217 über die Isolatoröffnung elektrisch und mechanisch verbunden sind.
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4a ist eine schematische Draufsicht eines Abschnitts eines Deckels 312 der erfindungsgemäßen Speicherzelle 10 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung und 4b ist eine schematische Schnittdarstellung des Deckels 312 aus 3a. Der Deckel 312 entspricht dem Deckel 212 aus den Figuren 2a und 2b, sodass auf dessen Beschreibung verwiesen wird. Einziger Unterschied ist, dass der Stromkollektor 317 nicht wie der Stromkollektor 217 aus einer Plattenform mit Vorsprung 219 aufgebaut ist. Der Stromkollektor 317 füllt die Isolatoröffnung des Isolators 318 (der dem Isolator 218 entspricht) vollständig aus. Für einen guten Kontakt ist diese Formgebung zum Gehäuse hin leicht verlängert.
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5a ist eine schematische Draufsicht eines Abschnitts eines Deckels 412 der erfindungsgemäßen Speicherzelle 10 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung und 5b ist eine schematische Schnittdarstellung des Deckels 412 aus 4a. Der Deckel 412 ist ein Beispiel für eine Ausführung des Deckels 12 aus 1. Der in 5a dargestellte Abschnitt des Deckels 412 umfasst eine Grundplatte 415, welche ein Beispiel für die Grundplatte 15 aus 1 ist. Ein Pol 413 ist ein Ausführungsbeispiel für zumindest einen der Pole 13, 14 aus 1. Der Pol 413 weist einen Stromabgriff 416 und einen Stromkollektor 417 auf. Beide sind plattenförmig mit zumindest einem Vorsprung 419. Im dargestellten Beispiel haben beide jeweils zwei Vorsprünge 419. In der Grundplatte 415 ist zumindest eine Öffnung ausgebildet, in welche die Vorsprünge 419 hinein oder hindurch ragen. Im dargestellten Beispiel sind zwei Öffnungen vorhanden. Ein Isolator 418 weist eine erste Isolatorschale 420 und eine zweite Isolatorschale 421 auf, die jeweils die Form einer Schale mit einer Bodenfläche und einer diese umlaufenden Wandung hat. Der Stromabgriff 416 ist in der ersten Isolatorschale 420 befestigt ist und der Stromkollektor 417 ist in der zweiten Isolatorschale 421 befestigt jeweils mittels der erwähnten materialabhängigen Verbindungsmethode (Heißpressen, Ultraschallschweißen). In der Grundplatte der Isolatorschalen ist eine Isolatoröffnung vorgesehen, in welche sich die Vorsprünge 419 des Stromabgriffs und/oder des Stromkollektors 417 erstrecken, so dass der Stromabgriff und der Stromkollektor durch die Isolatoröffnung hindurch miteinander verbunden sind.
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Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf die offenbarten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.
