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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle, auf eine Batterie sowie die Verwendung derselben nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Eine Batteriezelle ist ein elektrochemischer Energiespeicher, der bei seiner Entladung die gespeicherte chemische Energie durch eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie umwandelt. Es zeichnet sich ab, dass in der Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, wie auch bei Elektronikgeräten neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
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Aufgrund ihrer hohen Energiedichte sowie ihrer äußerst geringen Selbstentladung werden insbesondere Lithiumionen-Batterien als Energiespeicher für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge verwendet.
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Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Eine Batteriezelle weist ferner ein Zellengehäuse auf. Innerhalb des Zellengehäuses ist die Elektrodeneinheit angeordnet. Das Zellengehäuse ist beispielsweise prismatisch, kreiszylindrisch oder als flexibles Pouchgehäuse ausgestaltet.
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Die beiden Elektroden der Elektrodeneinheit sind beispielsweise elektrisch mit Polen der Batteriezelle verbunden, welche auch als Terminals bezeichnet werden.
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Eine Art der Batteriezellen bilden die sogenannten Nutshell-Zellen. Klassischerweise kennt man diese Bauform von den sogenannten „Knopfzellen“. In größeren Volumen und somit höherem Energie- und Leistungsinhalt wird das Prinzip der Nutshell auch im Automotive-Bereich angewandt. Hierbei umfasst die Batteriezelle beispielsweise zwei Gehäuseteile, welche, wie bei den klassischen Knopfzellen, beispielsweise die Anoden- bzw. Kathodenableitung darstellen. Im Inneren des Zellgehäuses ist zumindest eine Elektrodeneinheit, umfassend zumindest eine Anode, zumindest eine Kathoden und zumindest einen Separator angeordnet, welche übereinander gestapelt oder ineinander aufgewickelt vorliegen können. Die Anode bzw. die Kathode sind beispielsweise jeweils mit einem der Gehäuseteile elektrisch verbunden.
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Die Gehäuseteile, die einen Hohlraum bilden, in welchem die Anode/n, Kathode/n und der Separator angeordnet sind, sind beispielsweise über ein elektrisches Isolationselement miteinander verklebt. Die Gehäuseteile sind im Endmontagezustand fest und quasi unlösbar miteinander verbunden und nur über das Isolationselement elektrisch voneinander isoliert. Dies führt üblicherweise dazu, dass das Gehäusevolumen bereits im Ausgangszustand größer gestaltet werden muss, um Volumenänderungen, beispielsweise eine Volumenzunahme der Anode/n- und Kathode/n in primärer Abhängigkeit von zeit-/betriebs- und ladezustandsabhängiger Situation orthogonal bzw. senkrecht zu den Folienlagen aufzunehmen. Dieses Totvolumen beträgt in der Regel ca. 15% - ca. 20% des Gesamtvolumens der Batteriezelle und verschlechtert somit die volumetrische Energiedichte der Batteriezelle.
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In der
KR 2013-0114624 ist eine Batterie beschrieben, welche ein Gehäuse mit zwei Gehäusehälfte aufweist, wobei zwischen den Gehäusehälften eine Spiralfeder angeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Über die Lebensdauer einer Batteriezelle erhöht sich deren Innendruck und es kommt zu einem Aufquellen der Batteriezelle, was unter anderem auf das Aufquellen des aktiven Materials der Elektroden beispielsweise bei Lithiumionen-Batteriezellen durch Einlagerung und Abscheidung von Lithium bei Ladevorgängen und/oder auf eine Gasbildung im Inneren der Batteriezelle zurückzuführen ist. Dies kann zu einer Abnahme der Speicherkapazität führen und somit zu einer verfrühten Alterung der Batteriezelle was wiederum einen erheblichen Leistungsverlust der Batteriezelle bedeutet.
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Erst nach längerem Betrieb der Batteriezelle und in Abhängigkeit von deren Ladezustand werden sich die Anode/n- bzw. Kathode/n an Innenseiten bzw. Innenoberflächen der Gehäuseteile anlegen. Das entsprechende Volumen für die Volumenvergrößerung der Folien von ca. 25% des gesamten Volumens muss somit von Anfang an vorgehalten werden. Unter anderem können hierdurch in der Regel die thermischen Gegebenheiten der Elektroden bzw. der Batteriezellen nicht genau erfasst bzw. gemessen werden, wodurch unter ungünstigen Umständen Fehlbelastungen der Batteriezellen vorkommen, da aufgrund des fehlenden mittelbaren oder unmittelbaren Kontakts zwischen den Elektroden und dem Zellengehäuse die Wärme nicht abgeführt werden kann.
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Nicht zu determinierende Wärmeübergänge können unter ungünstigen Umständen innerhalb der Batteriezelle zur partiellen Überlastung und somit zur thermischen Alterung und zu einem vorzeitigem Ausfall der Batteriezellen führen. Im ungünstigsten Fall ist auch ein sogenanntes thermisches Durchgehen (engl. thermal runaway) der Batteriezelle nicht ausgeschlossen. Ebenso ergeben sich durch die undefinierten Zustände zur Wärmeübertragung innerhalb der Batteriezelle erschwerte Bedingungen für das Temperaturmanagement der einzelnen Batteriezelle, der Module und des gesamten Batteriepacks.
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Erfindungsgemäß werden eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithiumionen-Batteriezelle, eine Batterie sowie die Verwendung derselben mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt.
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Es wird eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithiumionen-Batteriezelle, vorgeschlagen, welche ein Zellengehäuse und eine in dem Zellengehäuse angeordnete Elektrodeneinheit umfasst, wobei das Zellengehäuse ein erstes Gehäuseteil, und ein zweites Gehäuseteil aufweist. Dabei werden die beiden Gehäuseteile durch flexible Klammern aufeinander zu gedrückt, sodass die Gehäuseteile aufgrund sich ausdehnendem oder abnehmendem Zellvolumen frei im Rahmen des Auslenkungsvermögens der flexiblen Klammern in einer axialen Richtung bewegbar sind. Hierbei liegt keine deren Beweglichkeit beeinflussende direkte oder indirekte Verbindung zwischen den Gehäuseteilen vor.
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Vorteilhaft hierbei ist, dass die Elektrodeneinheit bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Batteriezelle stets an beiden Gehäuseteilen anliegen kann. Es ist nicht erforderlich, ein Totvolumen innerhalb des Zellengehäuses vorzusehen, in welchem sich die Elektrodeneinheit ausdehnen kann. Dadurch, dass kein Totvolumen existiert und somit auch keine Luftschicht zwischen der Elektrodeneinheit und den Gehäuseteilen ist die Wärmeableitung deutlich verbessert. Thermische Inhomogenitäten innerhalb des Zellengehäuses, welche ansonsten thermische Alterung und einen Ausfall der Batteriezelle verursachen könnten, sind somit weitgehend vermieden. Insbesondere wird ein thermisches Durchgehen der Batteriezelle mit einer folgenden exothermen Reaktion, welche zur Zerstörung der Batteriezelle führen würde, vermieden. Dadurch ist eine exaktere Auslegung der Batteriezelle mit einer exakteren Überwachung und einer exakteren Ansteuerung durch ein Batteriemanagementsystem möglich. Durch das verringerte oder auch fehlende Totvolumen ist die Effizienz, insbesondere die Energiedichte der Batteriezelle erhöht. Auch sind die Anforderungen an ein Kühlsystem zur Kühlung der Batteriezelle einfacher zu berechnen und das Kühlsystem kann einfacher ausgelegt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Batteriezelle ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die flexiblen Klammern Federstahlklammern, insbesondere U-förmige Federstahlklammern. Vorteilhaft hierbei ist, dass diese im montierten Zustand sehr flach auf den Gehäuseteilen aufliegen, sodass kaum zusätzlicher Platz verbraucht wird. Auf diese Weise ist ein volumenoptimiertes Stapeln und somit eine hohe Packungsdichte mehrerer Batteriezellen nebeneinander oder aufeinander in einem Batteriemodul und/oder in einer Batterie gewährleistet. Desweiteren sind Federstahlklammern einfach zu montieren und kostengünstig.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind zwei flexible Klammern an sich gegenüberliegenden Seitenflächen der Gehäuseteile angebracht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere flexible Klammern an jeweils sich gegenüberliegenden Seitenflächen der Gehäuseteile angebracht. Vorteilhaft hierbei ist, dass sich die Kräfte, welche von den flexiblen Klammern auf die Gehäuseteile ausgeübt werden gleichmäßig verteilen und sich so eine besonders gute und gleichmäßige Anlagerung der Innenoberflächen der Gehäuseteile an die Elektrodeneinheit ergibt. Dadurch sind unter anderem eine verbesserte Wärmeableitung und Überwachung der Batteriezelle möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform überlappen ein erster Randbereich des ersten Gehäuseteils und ein zweiter Randbereich des zweiten Gehäuseteils einander in axialer Richtung teilweise. Die Randbereiche der Gehäuseteile sind somit koaxial zueinander angeordnet und sind relativ zueinander in einer axialen Richtung verschiebbar. Die besagte axiale Richtung ist dabei die Richtung, in welche sich die Elektrodeneinheit bevorzugt ausdehnt.
Vorteilhaft hierbei ist, dass genügend Spielraum vorhanden ist, um einer Ausdehnung der Elektrodeneinheit nachzugeben, sodass der Überlappungsbereich mit der Ausdehnung der Elektrodeneinheit kleiner wird und die Gehäuseteile die Elektrodeneinheit dennoch dicht einschließen und schützen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bildet das erstes Gehäuseteil ein negatives Terminal und das zweite Gehäuseteil bildet ein positives Terminal oder das erste Gehäuseteil bildet ein positives Terminal und das zweite Gehäuseteil bildet ein negatives Terminal.
Über die Terminals kann eine von der Batteriezelle zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle über die Terminals auch geladen werden. Vorteilhaft hierbei ist, dass keine separaten Bauteile als Terminals benötigt werden, wodurch Arbeitszeit, Bauraum und Kosten eingespart werden.
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Die Gehäuseteile sind beispielsweise aus einem Metall, beispielsweise aus Aluminium oder Hilumin, gefertigt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befindet sich eine Innenseite des ersten Gehäuseteils in unmittelbarem Kontakt mit mindestens einer Anode oder einer Kathode und eine Innenseite des zweiten Gehäuseteils befinden sich in unmittelbarem Kontakt mit mindestens einer Anode oder einer Kathode. Vorteilhaft hierbei ist, dass Bauteile eingespart werden, wie beispielsweise Stromkollektoren, welche herkömmlich die Kathode/n und die Anode/n mit den entsprechenden Terminals bzw. hier Gehäuseteilen verbindet. Dadurch werden Arbeitszeit, Bauraum und Kosten eingespart.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Isolationselement vorgesehen, welches die Gehäuseteile elektrisch voneinander isoliert, insbesondere durch ein ein- oder mehrstückiges Isolationselement.
Der erste Randbereich des ersten Gehäuseteils und der zweite Randbereich des zweiten Gehäuseteils sind beispielsweise in einer Richtung rechtwinklig zu der axialen Richtung vorzugsweise voneinander beabstandet angeordnet. Zwischen dem ersten Randbereich des ersten Gehäuseteils und dem zweiten Randbereich des zweiten Gehäuseteils befindet sich somit ein Spalt, in welchem das Isolationselement beispielsweise angeordnet ist.
Vorteilhaft bei der Verwendung eines Isolationselements ist, dass es nicht zu einem Kurzschluss zwischen den beiden Gehäuseteilen kommen kann, insbesondere wenn die Gehäuseteile als Terminals fungieren. Dies erhöht die Sicherheit und Lebensdauer der Batteriezelle.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezelle bzw. eine Batterie umfassend die erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), in einer stationären Batterie, in einer Batterie in einer marinen Anwendung oder in einer Batterie in einer aeronautischen Anwendung.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1: die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit flexiblen Klammern.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches beispielsweise elektrisch leitend ausgeführt ist. Das Zellengehäuse 3 weist ein erstes Gehäuseteil 61 und ein zweites Gehäuseteil 62 auf. Die Gehäuseteile 61, 62 sind beispielsweise aus einem Metall, beispielsweise aus Aluminium und/oder Hilumin, gefertigt. In dem Zellengehäuse 3 ist eine Elektrodeneinheit 10 aufgenommen. Die Elektrodeneinheit 10 umfasst zumindest eine Anode, eine Kathode und einen Separator. Das erste Gehäuseteil 61 bildet beispielsweise ein negatives Terminal 11 und das zweite Gehäuseteil 62 bildet beispielsweise ein positives Terminal 12. Eine Innenseite des ersten Gehäuseteils 61 befinden sich in unmittelbarem Kontakt mit mindestens einer Anode der Elektrodeneinheit 10 und eine Innenseiten des zweiten Gehäuseteils 62 befinden sich in unmittelbarem Kontakt mit mindestens einer Kathode der Elektrodeneinheit 10.
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Das erste Gehäuseteil 61 weist einen ersten Randbereich 63 auf und das zweite Gehäuseteil 62 weist einen zweiten Randbereich 64 auf. Die Randbereiche 63, 64 sind parallel zu der axialen Richtung X orientiert.
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Die Gehäuseteile 61, 62 sind in axiale Richtung X ineinander geschoben und nehmen die Elektrodeneinheit 10 zwischen sich auf. Die Gehäuseteile 61, 62 des Zellengehäuses 3 sind dabei derart relativ zueinander angeordnet, dass der erste Randbereich 63 des ersten Gehäuseteils 61 und der zweite Randbereich 64 des zweiten Gehäuseteils 62 in axialer Richtung X einander teilweise überlappen. Die Randbereiche 63, 64 der Gehäuseteile 61, 62 sind somit koaxial zueinander angeordnet.
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Das erste Gehäuseteil 61 und das zweite Gehäuseteil 62 sind beispielsweise durch ein in 1 nicht dargestelltes Isolationselement elektrisch voneinander isoliert. Der erster Randbereich 63 des ersten Gehäuseteils 61 und der zweite Randbereich 64 des zweiten Gehäuseteils 62 sind in einer Richtung rechtwinklig zu der axialen Richtung X voneinander beabstandet angeordnet. In dem so vorliegenden Spalt zwischen dem ersten Randbereich 63 des ersten Gehäuseteils 61 und dem zweiten Randbereich 64 des zweiten Gehäuseteils 62 ist das Isolationselement beispielsweise angeordnet.
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Die beiden Gehäuseteile 61, 62 werden durch flexible Klammern 30, insbesondere Federstahlklammern, aufeinander zu gedrückt. In 1 sind zwei flexible Klammern 30 auf sich gegenüberliegenden Seitenflächen der Gehäuseteile 61, 62 angebracht. Die Gehäuseteile 61, 62 sind aufgrund sich ausdehnendem oder abnehmendem Zellvolumen frei im Rahmen des Auslenkungsvermögens der flexiblen Klammern 30 in einer axialen Richtung X bewegbar. Dies ist möglich, da das erste Gehäuseteil 61 und das zweite Gehäuseteils 62 nicht fest und unlösbar miteinander verbunden sind.
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Das nicht dargestellte Isolationselement ist dabei beispielsweise elastisch verformbar, sodass es in der Lage ist Bewegungen der Gehäuseteile 61, 62 relativ zueinander zu folgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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