DE102017211112A1 - Batteriezelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (2), umfassend ein Zellengehäuse, in welchem eine Elektrodeneinheit (10) angeordnet ist, wobei die Elektrodeneinheit (10) eine mit einem negativen Terminal (11) elektrisch verbundene Anode und eine mit einem positiven Terminal (12) elektrisch verbundene Kathode aufweist, wobei das Zellengehäuse ein erstes Gehäuseteil (61), welches das negative Terminal (11) bildet, und ein zweites Gehäuseteil (62), welches das positive Terminal (12) bildet, aufweist. Das erste Gehäuseteil (61) ist aus einem Hybridmaterial gefertigt, welches eine erste Schicht (81) aus Kupfer und eine zweite Schicht (82) aus Aluminium umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, welche ein Zellengehäuse umfasst, in welchem eine Elektrodeneinheit angeordnet ist, wobei die Elektrodeneinheit eine mit einem negativen Terminal elektrisch verbundene Anode und eine mit einem positiven Terminal elektrisch verbundene Kathode aufweist, und wobei das Zellengehäuse ein erstes Gehäuseteil, welches das negative Terminal bildet, und ein zweites Gehäuseteil, welches das positive Terminal bildet, aufweist.
  • Stand der Technik
  • Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
  • Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen Stromableiter, auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Die Elektroden der Batteriezelle sind folienartig ausgebildet und unter Zwischenlage eines Separators, welcher die Anode von der Kathode trennt, zu einem Elektrodenwickel gewunden oder zu einem Elektrodenstapel mit mehreren Elektrodenlagen gestapelt. Die Elektroden und der Separator sind von einem in der Regel flüssigen Elektrolyt umgeben.
  • Eine Batteriezelle weist ferner ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium besteht. Innerhalb des Zellengehäuses ist die Elektrodeneinheit angeordnet. Das Zellengehäuse ist beispielsweise prismatisch, insbesondere quaderförmig, oder auch kreiszylindrisch ausgestaltet. Auch andere Bauformen für Zellengehäuse sind bekannt.
  • Die beiden Elektroden der Elektrodeneinheit sind elektrisch mit Polen der Batteriezelle verbunden, welche auch als Terminals bezeichnet werden. Die Terminals der Batteriezelle können dabei an dem Zellengehäuse angebracht und elektrisch von dem Zellengehäuse isoliert sein. Es ist aber auch denkbar, dass das Zellengehäuse ein erstes Gehäuseteil, welches das negative Terminal bildet, und ein zweites Gehäuseteil, welches das positive Terminal bildet, aufweist, wobei die beiden Gehäuseteile elektrisch voneinander isoliert sind.
  • Aus der DE 10 2011 076 919 A1 ist eine gattungsgemäße Batteriezelle bekannt, die eine Elektrodeneinheit aufweist, die in einem metallischen Gehäuse angeordnet ist. Das Gehäuse umfasst dabei zwei Gehäuseteile, die durch ein Isolationselement elektrisch voneinander isoliert sind. Die Anode und die Kathode der Elektrodeneinheit sind mit je einem der beiden Gehäuseteile elektrisch verbunden. Die beiden Gehäuseteile bilden somit die Terminals der Batteriezelle.
  • Aus der US 2014/0011074 A1 sind Lithium-Ionen-Batteriezellen bekannt, welche mittels Verbindungselementen miteinander verbunden, insbesondere seriell verschaltet sind. Die Batteriezellen weisen jeweils ein prismatisches Zellengehäuse auf, in welchem eine Elektrodeneinheit angeordnet ist. Ein positives Terminal ist einstückig mit einem Deckel des prismatischen Zellengehäuses ausgebildet. Ein negatives Terminal, welches aus einem Verbundmaterial gefertigt ist, durchragt eine Öffnung in dem Deckel des Zellengehäuses. Das Verbundmaterial umfasst beispielsweise eine Schicht aus Kupfer, eine Schicht aus Aluminium und eine dazwischen liegende Schicht aus Nickel.
  • Aus der US 2015/0086867 A1 ist eine Lithium-Ionen-Batteriezelle bekannt, welche ein prismatisches Zellengehäuse aufweist, in welchem eine Elektrodeneinheit angeordnet ist. Ein positives Terminal und ein negatives Terminal durchragen jeweils eine Öffnung in einem Deckel des Zellengehäuses. Das negative Terminal weist ein Verbundmaterial auf, welches beispielsweise eine Schicht aus Kupfer und eine Schicht aus Aluminium umfasst.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithiumionen-Batteriezelle, vorgeschlagen, welche ein Zellengehäuse umfasst, in welchem eine Elektrodeneinheit angeordnet ist. Dabei weist die Elektrodeneinheit eine mit einem negativen Terminal elektrisch verbundene Anode und eine mit einem positiven Terminal elektrisch verbundene Kathode auf. Das Zellengehäuse weist ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil auf. Das erste Gehäuseteil bildet das negative Terminal, und das zweite Gehäuseteil bildet das positive Terminal.
  • Erfindungsgemäß ist das erste Gehäuseteil des Zellengehäuses aus einem Hybridmaterial gefertigt, welches eine erste Schicht aus Kupfer und eine zweite Schicht aus Aluminium umfasst. Die erste Schicht aus Kupfer und die zweite Schicht aus Aluminium sind dabei insbesondere elektrisch leitend miteinander verbunden. Somit kann ein elektrischer Strom von der ersten Schicht aus Kupfer zu der zweiten Schicht aus Aluminium, sowie auch in umgekehrte Richtung, fließen.
  • Vorzugsweise umfasst das Hybridmaterial des ersten Gehäuseteils dabei genau zwei Schichten, nämlich die erste Schicht aus Kupfer und die zweite Schicht aus Aluminium. Das Hybridmaterial des ersten Gehäuseteils umfasst also vorzugsweise keine dritte Schicht.
  • Vorzugsweise grenzt die erste Schicht des Hybridmaterials aus Kupfer dabei unmittelbar an die zweite Schicht des Hybridmaterials aus Aluminium an. Insbesondere ist also keine Zwischenschicht zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht vorgesehen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Anode der Elektrodeneinheit mit der ersten Schicht des Hybridmaterials aus Kupfer verbunden. Beispielsweise sind die Anode der Elektrodeneinheit und die erste Schicht des Hybridmaterials aus Kupfer dabei miteinander stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt. Vorteilhaft weist die Anode dabei einen Stromableiter aus Kupfer auf, der mit der ersten Schicht des Hybridmaterials aus Kupfer stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt, wird. Somit können gleichartige Materialien verschweißt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Gehäuseteil des Zellengehäuses derart angeordnet, dass die erste Schicht des Hybridmaterials aus Kupfer der Elektrodeneinheit zugewandt ist, und dass die zweite Schicht des Hybridmaterials aus Aluminium der Elektrodeneinheit abgewandt ist. Das bedeutet, dass die erste Schicht des Hybridmaterials aus Kupfer weist zu einem Inneren des Zellengehäuses, und die zweite Schicht des Hybridmaterials aus Aluminium weist nach außen.
  • Vorzugsweise ist das zweite Gehäuseteil des Zellengehäuses aus Aluminium gefertigt. Insbesondere besteht das zweite Gehäuseteil des Zellengehäuses aus Aluminium, weist also kein weiteres Material auf. Beispielsweise sind die Kathode der Elektrodeneinheit und das zweite Gehäuseteil des Zellengehäuses aus Aluminium dabei miteinander stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt. Vorteilhaft weist die Kathode dabei einen Stromableiter aus Aluminium auf, der mit dem zweiten Gehäuseteil des Zellengehäuses aus Aluminium stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt, wird. Somit können gleichartige Materialien verschweißt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Isolationselement vorgesehen, welches die beiden Gehäuseteile, und damit auch die beiden Terminals, voneinander elektrisch isoliert. Gleichzeitig dichtet das Isolationselement das Innere des Zellengehäuses nach außen ab, so dass beispielsweise kein Elektrolyt aus dem Inneren des Zellengehäuses austreten kann, und dass keine Feuchtigkeit in das Innere des Zellengehäuses gelangen kann.
  • Besonders vorteilhaft ist die Elektrodeneinheit dabei formschlüssig in dem Isolationselement gehalten. Das Isolationselement erfüllt somit noch eine weitere Funktion.
  • Besonders vorteilhaft sind auch das erste Gehäuseteil des Zellengehäuses und das zweite Gehäuseteil des Zellengehäuses formschlüssig in dem Isolationselement gehalten. Das Isolationselement erfüllt somit noch eine weitere Funktion.
  • Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), in einer stationären Batterie, insbesondere zur Netzstabilisierung in Haushalten, in einer Batterie in einer marinen Anwendung, beispielsweise beim Schiffsbau oder in Jet-Skis, oder in einer Batterie in einer aeronautischen Anwendung, insbesondere beim Flugzeugbau. Auch weitere Anwendungen sind denkbar.
  • Vorteile der Erfindung
  • Eine erfindungsgemäße Batteriezelle weist ein vereinfachtes und robustes Design auf. Vorteilhaft ist auch die Anzahl der erforderlichen Bauteile reduziert. Ein elektrischer Widerstand zwischen den Elektroden und den Terminals ist vorteilhaft reduziert. Dadurch ist beispielsweise einen Integration einer Schnellentladevorrichtung (Fast Discharge Device) in die Batteriezelle möglich. Innerhalb des Zellengehäuses wird Raum eingespart, insbesondere auch, da das Isolationselement mehrere Funktionen übernimmt. Das Isolationselement dient einerseits dazu, die Elektroden, die Konnektorelemente sowie die Gehäuseteile verschiedener Polarität voneinander elektrisch zu isolieren. Andererseits dient das Isolationselement auch dazu, die Konnektorelemente sowie die Gehäuseteile formschlüssig aufzunehmen und zu halten. Ferner dient das Isolationselement, ähnlich wie ein konventioneller Retainer, zur Positionierung der Elektrodeneinheit innerhalb des Zellengehäuses. Ferner ist eine Integration mehrerer Batteriezellen in ein Batteriemodul vereinfacht möglich. Alle Batteriezellen in einem solchen Batteriemodul weisen ausschließlich Terminals aus Aluminium auf. Besagte Terminals und sind daher verhältnismäßig einfach miteinander zu verbinden, beispielsweise durch Schweißen.
  • Figurenliste
  • Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle,
    • 2 eine perspektivische geschnittene Darstellung eines Zellengehäuses der Batteriezelle aus 1 und
    • 3 eine geschnittene Darstellung eines Teilbereichs der Batteriezelle aus 1.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
  • 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches elektrisch leitend ausgeführt ist. Das Zellengehäuse 3 weist ein erstes Gehäuseteil 61 und ein zweites Gehäuseteil 62 auf, welche durch ein umlaufendes Isolationselement 80 elektrisch voneinander isoliert sind. Das erste Gehäuseteil 61 bildet ein negatives Terminal 11, und das zweite Gehäuseteil 62 bildet ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden.
  • Das erste Gehäuseteil 61 ist aus einem Hybridmaterial gefertigt, welches vorliegend zwei metallische Materialschichten umfasst. Das zweite Gehäuseteil 62 ist vorliegend aus Aluminium gefertigt. Somit sind die beiden Gehäuseteile 61, 62 elektrisch leitfähig.
  • Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist eine Elektrodeneinheit 10 angeordnet, welche zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, aufweist. Vorliegend ist die Elektrodeneinheit 10 als Elektrodenwickel ausgebildet, und die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und unter Zwischenlage eines Separators 18 zu dem Elektrodenwickel gewunden. Es ist auch denkbar, dass die Elektrodeneinheit 10 als Elektrodenstapel ausgebildet ist, wobei Schichten der Anode 21 und Schichten der Kathode 22 unter Zwischenlage je einer Schicht des Separators 18 übereinander gestapelt sind.
  • Im Inneren des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist vorliegend ein flüssiger Elektrolyt vorgesehen. Die Elektrodeneinheit 10 der Batteriezelle 2 mit der Anode 21, der Kathode 22 und dem Separator 18 sind von dem flüssigen Elektrolyt umgeben.
  • Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial 41, welches folienartig ausgeführt ist. Die Anode 21 umfasst ferner einen Stromableiter 31, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das anodische Aktivmaterial 41 und der Stromableiter 31 der Anode 21 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden. Somit ist auch die Anode 21 folienartig ausgebildet.
  • Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial 42, welches folienartig ausgeführt ist. Die Kathode 22 umfasst ferner einen Stromableiter 32, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 und der Stromableiter 32 der Kathode 22 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden. Somit ist auch die Kathode 22 folienartig ausgebildet.
  • Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Von dem Stromableiter 31 der Anode 21 ragen Anodenkontaktfahnen weg, welche elektrisch mit einem negativen Konnektorelement 51 verbunden sind. Das negative Konnektorelement 51 ist elektrisch mit dem ersten Gehäuseteil 61 verbunden. Somit ist die Anode 21 über das negative Konnektorelement 51 elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden. Alternativ können die Anodenkontaktfahnen auch unmittelbar mit dem ersten Gehäuseteil 61 verbunden sein. Das negative Konnektorelement 51 ist in diesem Fall nicht erforderlich.
  • Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Von dem Stromableiter 32 der Kathode 22 ragen Kathodenkontaktfahnen weg, welche elektrisch mit einem positiven Konnektorelement 52 verbunden sind. Das positive Konnektorelement 52 ist elektrisch mit dem zweiten Gehäuseteil 62 verbunden. Somit ist die Kathode 22 über das positive Konnektorelement 52 elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden. Alternativ können die Kathodenkontaktfahnen auch unmittelbar mit dem zweiten Gehäuseteil 62 verbunden sein. Das positive Konnektorelement 52ist in diesem Fall nicht erforderlich.
  • 2 zeigt eine perspektivische geschnittene Darstellung eines Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 aus 1. Die im Inneren des Zellengehäuses 3 befindliche Elektrodeneinheit 10 der Batteriezelle 2 ist dabei nicht dargestellt.
  • Das erste Gehäuseteil 61, welches das negative Terminal 11 bildet, und das zweite Gehäuseteil 62, welches das positive Terminal 12 bildet, sind durch das umlaufende Isolationselement 80 elektrisch voneinander isoliert. Das Isolationselement 80 dient auch zur Abdichtung des Inneren des Zellengehäuses 3 nach außen, so dass insbesondere kein Elektrolyt aus dem Inneren des Zellengehäuses 3 austreten kann, und dass keine Feuchtigkeit in das Innere des Zellengehäuses 3 eindringen kann.
  • Das erste Gehäuseteil 61 des Zellengehäuses 3 und das zweite Gehäuseteil 62 des Zellengehäuses 3 sind formschlüssig in dem Isolationselement 80 gehalten.
  • Das Isolationselement 80 ist vorliegend mit dem ersten Gehäuseteil 61 und mit dem zweiten Gehäuseteil 62 verklebt.
  • 3 zeigt eine geschnittene Darstellung eines Teilbereichs der Batteriezelle 2 aus 1. Die im Inneren des Zellengehäuses3 befindliche Elektrodeneinheit 10 der Batteriezelle 2 liegt an dem Isolationselement 80 an und ist formschlüssig in dem Isolationselement 80 gehalten.
  • Das erste Gehäuseteil 61 ist aus einem Hybridmaterial gefertigt, welches eine erste Schicht 81 aus Kupfer und eine zweite Schicht 82 aus Aluminium umfasst. Dabei grenzt die erste Schicht 81 des Hybridmaterials aus Kupfer unmittelbar an die zweite Schicht 82 des Hybridmaterials aus Aluminium an.
  • Das erste Gehäuseteil 61 des Zellengehäuses 3 ist derart angeordnet, dass die erste Schicht 81 des Hybridmaterials aus Kupfer der Elektrodeneinheit 10 zugewandt ist. Die zweite Schicht 82 des Hybridmaterials aus Aluminium ist der Elektrodeneinheit 10 abgewandt. Die erste Schicht 81 des Hybridmaterials aus Kupfer weist somit zu dem Inneren des Zellengehäuses 3. Die zweite Schicht 82 des Hybridmaterials aus Aluminium weist nach außen, also von der Elektrodeneinheit 10 im Inneren weg.
  • Die Anode 21 der Elektrodeneinheit 10 ist mit der innen liegenden ersten Schicht 81 des Hybridmaterials aus Kupfer verbunden. Dabei sind die Anode 21 der Elektrodeneinheit 10 und die nach innen weisende erste Schicht 81 des Hybridmaterials aus Kupfer stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere verschweißt.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011076919 A1 [0006]
    • US 2014/0011074 A1 [0007]
    • US 2015/0086867 A1 [0008]

Claims (10)

  1. Batteriezelle (2), insbesondere Lithiumionen-Batteriezelle, umfassend ein Zellengehäuse (3), in welchem eine Elektrodeneinheit (10) angeordnet ist, wobei die Elektrodeneinheit (10) eine mit einem negativen Terminal (11) elektrisch verbundene Anode (21) und eine mit einem positiven Terminal (12) elektrisch verbundene Kathode (22) aufweist, wobei das Zellengehäuse (3) ein erstes Gehäuseteil (61), welches das negative Terminal (11) bildet, und ein zweites Gehäuseteil (62), welches das positive Terminal (12) bildet, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseteil (61) aus einem Hybridmaterial gefertigt ist, welches eine erste Schicht (81) aus Kupfer und eine zweite Schicht (82) aus Aluminium umfasst.
  2. Batteriezelle (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridmaterial des ersten Gehäuseteils (61) genau zwei Schichten (81, 82), nämlich die erste Schicht (81) aus Kupfer und die zweite Schicht (82) aus Aluminium umfasst.
  3. Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (81) unmittelbar an die zweite Schicht (82) angrenzt.
  4. Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (21) mit der ersten Schicht (81) verbunden ist.
  5. Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseteil (61) derart angeordnet ist, dass die erste Schicht (81) der Elektrodeneinheit (10) zugewandt ist, und dass die zweite Schicht (82) der Elektrodeneinheit (10) abgewandt ist.
  6. Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gehäuseteil (62) aus Aluminium gefertigt ist.
  7. Batteriezelle (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolationselement (80) vorgesehen ist, welches die Gehäuseteile (61, 62) voneinander elektrisch isoliert.
  8. Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodeneinheit (10) formschlüssig in dem Isolationselement (80) gehalten ist.
  9. Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseteil (61) und das zweite Gehäuseteil (62) formschlüssig in dem Isolationselement (80) gehalten sind.
  10. Verwendung einer Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche 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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