DE102017216673A1 - Elektrochemische energiespeichervorrichtung mit einem hartschalenzellgehäuse und ein verfahren zur herstellung dieser - Google Patents

Elektrochemische energiespeichervorrichtung mit einem hartschalenzellgehäuse und ein verfahren zur herstellung dieser Download PDF

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Hideki Ogihara
Nikolaos Tsiouvaras
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung mit einem Hartschalenzellgehäuse, ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung mit einem Hartschalenzellgehäuse, eine Batterie mit einer solchen elektrochemischen Energiespeichervorrichtung, ein Kraftfahrzeug mit einer solchen elektrochemischen Energiespeichervorrichtung sowie ein tragbares oder stationäres Gerät mit einer solchen elektrochemischen Energiespeichervorrichtung, wobei eine Isolationsschicht in zwei Schritten auf die gesamte Außenfläche des Hartschalenzellgehäuses und des Gehäusedeckels aufgebracht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung mit einem Hartschalenzellgehäuse, ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung mit einem Hartschalenzellgehäuse, eine Batterie mit einer solchen elektrochemischen Energiespeichervorrichtung, ein Kraftfahrzeug mit einer solchen elektrochemischen Energiespeichervorrichtung sowie ein tragbares oder stationäres Gerät mit einer solchen elektrochemischen Energiespeichervorrichtung.
  • Elektrochemische Energiespeichervorrichtungen verfügen über die Möglichkeit, chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Insbesondere wird diese Energieumwandlung häufig in Batterien angewendet, welche als Energiespeicher eine Energieversorgung rund um die Uhr gewährleisten können. Insbesondere wird in diversen Multimediageräten, wie etwa einem Smartphone oder einem Laptop, aber auch bei elektrifizierten Antrieben für Kraftfahrzeuge das Prinzip der elektrochemischen Energieumwandlung verwendet.
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, elektrochemische Energiespeichervorrichtung zu verwenden, welche ein Hartschalenzellgehäuse aufweisen, wobei dieses wenigstens eine elektrische Isolationsschicht aufweist. Aus der DE 10 2012 214 864 A1 ist beispielsweise eine Batteriezelle mit einem elektrisch leitfähigen Batteriezellengehäuse sowie einer an einer Außenseite des Batteriezellengehäuses anhaftenden und das Batteriezellengehäuse elektrisch isolierende Isolationsschicht bekannt.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine verbesserte elektrochemische Energiespeichervorrichtung mit einem Hartschalenzellgehäuse zu schaffen. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung mit einem Hartschalenzellgehäuse bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es eine Batterie mit einer solchen elektrochemischen Energiespeichervorrichtung zu schaffen. Ebenfalls ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Kraftfahrzeug mit einer solchen elektrochemischen Energiespeichervorrichtung bereitzustellen. Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung ein verbessertes tragbares oder stationäres Gerät, aufweisend eine solche elektrochemische Energiespeichervorrichtung, bereitzustellen.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung mit einem Hartschalenzellgehäuse gemäß Anspruch 1, eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung mit einem Hartschalenzellgehäuse gemäß Anspruch 11, eine Batterie mit einer solchen elektrochemischen Energiespeichervorrichtung gemäß Anspruch 12, einem Kraftfahrzeug mit einer solchen elektrochemischen Energiespeichervorrichtung gemäß Anspruch 13 sowie einem tragbaren oder stationären Gerät mit einer solchen elektrochemischen Energiespeichervorrichtung gemäß Anspruch 14.
  • Ein erster Aspekt Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung mit einem Hartschalenzellgehäuse, aufweisend folgende Schritte:
    • - Aufbringen einer ersten, insbesondere elektrischen, Isolationsschicht auf einen ersten Teilbereich der Außenseite des Hartschalenzellgehäuses und/oder eines Gehäusedeckels des Hartschalenzellgehäuses;
    • - Formieren einer Elementarzelle mit einer Anode, einer Kathode, einem Separator und einem Elektrolyt, welche sich in dem Hartschalenzellgehäuse befindet und mit zwei Stromabnehmern verbunden ist; und
    • - Aufbringen einer zweiten, insbesondere elektrischen, Isolationsschicht auf wenigstens einen zweiten noch unbeschichteten Teilbereich der Außenseite des Hartschalenzellgehäuses und auf die Außenseite des Gehäusedeckels, welcher form- und/oder reibschlüssig auf dem Hartschalenzellgehäuse angeordnet ist;
    wobei der erste und der zweite Teilbereich die gesamte Außenfläche des Hartschalenzellgehäuses und des Gehäusedeckels umfassen.
  • Bei der Herstellung von elektrochemischen Energiespeichervorrichtungen erfolgt das Auftragen einer Isolationsschicht erfindungsgemäß in zwei Schritten. Dadurch kann erreicht werden, dass die Isolationsschicht in einem ersten Schritt wenigstens auf einen ersten Teilbereich des Hartschalenzellgehäuses und/oder des Gehäusedeckels aufgetragen wird, wobei die elektrochemische Energiespeichervorrichtung noch keine elektrochemische Ladung aufweist. Beim Aufbringen der zweiten Isolationsschicht befindet sich die elektrochemische Energiespeichervorrichtung durch den vorherigen Formierungsschritt der Elementarzelle bereits in einem wenigstens teilgeladenen Zustand, weshalb das Aufbringen der zweiten Isolationsschicht eine Gefahr darstellt. Insbesondere müssen Schutzmaßnahmen ergriffen werden, welche kostenintensiv sind und Mitarbeiter schützen sollen, wenn beispielsweise elektrische Funkenbildung während des Applizierungsvorgangs zu Verpuffungen und/oder Explosionen der elektrochemischen Energiespeichervorrichtung führen.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann somit erreicht werden, dass das Aufbringen eine Isolationsschicht verteilt auf zwei Schritte ausführbar ist, sodass die Zeit zum Auftragen der Isolationsschicht, in welcher sich die elektrochemische Energiespeichervorrichtung wenigstens im teilgeladenen Zustand befindet, signifikant reduziert, vorzugsweise minimiert werden kann. Ferner kann erreicht werden, dass Mitarbeiter, welche an der Herstellung der elektrochemischen Energiespeichervorrichtung beteiligt sind, weniger gefährdet sind, insbesondere weniger lang gefährdet sind. Darüber hinaus können auch Kosten eingespart werden, welche aufgrund von Schutzmaßnahmen zum Aufbringen einer Isolationsschicht auf eine teilgeladene elektrochemische Energiespeichervorrichtung ergriffen werden müssen.
  • Eine Elementarzelle im Sinne der Erfindung ist eine Vorrichtung zur, insbesondere spontanen, Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Insbesondere wird jede Kombination von zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten als Elementarzelle bezeichnet, wobei diese Elementarzellen als Gleichspannungsquellen dienen. Der charakteristische Wert ist vorzugsweise eine eingeprägte Spannung. Unter einer Kapazität einer Elementarzelle versteht man vorzugsweise ein Produkt aus Entladungsstromstärke mal Zeit, auch mit Nominalkapazität bezeichnet.
  • Unter einer Batterie im Sinne der Erfindung wird eine Zusammenschaltung mehrerer gleichartiger Elementarzellen bezeichnet. Insbesondere kann unter einer Batterie auch ein Akkumulator bzw. ein sogenannter Akku verstanden werden.
  • Unter einer Kathode im Sinne der Erfindung wird eine Elektrode verstanden, an der Elektronen einem Bauteil zugeführt werden. In dem Bauteil kann ein Elektrolyt vorliegen. Entsprechend können an dieser Elektrode Reduktionsreaktionen ablaufen, z.B. positive Ionen entladen werden. Entsprechend der elektrischen Polarität zwischen den Elektroden wird einer Kathode entweder ein Pluspol (+) oder ein Minuspol (-) zugeordnet. Bei freiwillig ablaufenden Redoxreaktionen, wie beim Entladevorgang von Batterien, ist die Kathode die positive Elektrode. Bei einer durch angelegte Spannung erzwungenen Redoxreaktion, wie der Elektrolyse, ist die Kathode die negativ polarisierte Elektrode.
  • Unter einer Anode im Sinne der Erfindung wird eine Elektrode verstanden, die beispielsweise aus einem Elektrolyten unter Elektronenaufnahme Anionen entlädt oder Kationen erzeugt, also Oxidationsreaktionen stattfinden lässt. Eine Anode entspricht somit einem Elektronenakzeptor bzw. verhält sich formal wie ein Oxidationsmittel. Die Anode ist die Gegenelektrode zur Kathode, die Elektronen abgibt und an der reduzierende Prozesse ablaufen. Anionen wandern zur Anode und Kationen zur Kathode. Die Polarität einer Anode kann positiv oder negativ sein, wenn elektrochemische Vorgänge ablaufen.
  • Ein tragbares Gerät im Sinne der Erfindung ist eine elektronische Vorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, in einem vorbestimmten Anwendungsbereich eingesetzt zu werden. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um ein tragbares Gerät, welches wenigstens einem Gerät der nachfolgenden Liste zugeordnet werden kann: Smartphone, Handy, Pager, schnurloses Telefon, Tablet, Laptop, Werkzeugmaschine, insbesondere Bohrmaschine, Strahler, insbesondere Baustrahler, Lampe, insbesondere Taschenlampe.
  • Ein stationäres Gerät im Sinne der Erfindung ist eine elektronische Vorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, in einem vorbestimmten Anwendungsbereich eingesetzt zu werden. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um ein stationäres Gerät, welches für den Einsatz zum Speichern von elektrischer Energie wie etwa von einer Solarzelle stammend vorgesehen ist. Ferner ist das stationäre Gerät vorzugsweise zum Einsatz für wenigstens einen vorbestimmten Zeitraum lediglich an einem Ort vorgesehen, um beispielsweise selbst-erzeugte regenerative Energie wie etwa resultierend aus Solar-, Wind- und/oder Wasserkraft zu speichern, um diese vorzugsweise bei Nacht nutzen zu können.
  • Ein Hartschalenzellgehäuse im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung, welche die Elementarzelle wenigstens gegen äußere Einflüsse, wie etwa Feuchtigkeit, und/oder gegen Diffundieren von Elektrolyt aus der elektrochemischen Energiespeichervorrichtung heraus, schützt. Vorzugsweise ist das Hartschalenzellgehäuse derart ausgebildet, sodass Verformungen des Hartschalenzellgehäuses wenigstens im Wesentlichen zu einer geringen, insbesondere keiner, Beschädigung der Elementarzelle führen, welche sich in dem Hartschalenzellgehäuse befindet. Insbesondere kann das Hartschalenzellgehäuse in der Form eines Zylinders, eines Prismas, eines Würfels, und/oder eines Quaders ausgebildet sein. Vorzugsweise weist das Hartschalenzellgehäuse bereits einen Gehäusedeckel auf, mit welchem das Hartschalenzellgehäuse verschließbar ist. Vergleiche hierzu auch den Stand der Technik über verschiedene Gehäuse- und Verpackungsformen: Thomas Wöhrle in Kapitel 9 in Handbuch Lithium-Ionen-Batterien, Springer, 2013, Herausgeber: Reiner Korthauer.
  • Ein Gehäusedeckel im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung, welche das verschließen des Hartschalenzellgehäuses an einer Öffnung, welche zum Einsetzen der Elementarzelle ausgebildet ist, insbesondere an einem oberen Bereich, ermöglicht, sodass eine Elementarzelle, welche sich innerhalb des Hartschalenzellgehäuses befindet, von der Umwelt wenigstens im Wesentlichen abgedichtet ist. Insbesondere kann der Deckel mittels Reib- und/oder Formschluss, insbesondere durch ein Gewinde, mit dem Hartschalenzellgehäuse verbunden werden, sodass die Elementarzelle, welche sich in dem Hartschalenzellgehäuse befindet, geschützt ist.
  • Eine Isolationsschicht im Sinne der Erfindung ist eine Schichtung, welche ein, insbesondere elektrisches, Wechselwirken zwischen dem Hartschalenzellgehäuse und der Umwelt verringert, vorzugsweise verhindert.
  • Unter der Außenseite des Hartschalenzellgehäuses und/oder des Gehäusedeckels ist der Bereich zu verstehen, welcher von der Elementarzelle, welche sich innerhalb des Hartschalenzellgehäuses befindet, abgewandt ist.
  • Eine Korona-Behandlung im Sinne der Findung ist ein elektrochemisches Verfahren zur Oberflächenmodifikation. Mittels einer elektrischen Hochspannungs-Entladung wird eine Oberfläche derart behandelt, sodass diese für das Aufbringen beispielsweise einer Isolationsschicht besser geeignet ist.
  • Eine Formierung im Sinne der Erfindung ist eine Erstbeladung der Elementarzelle. Vorzugsweise werden darüber hinaus essentielle Deckschichten aufgebaut.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung überschneiden sich der erste und der zweite Teilbereich an maximal 10 %, vorzugsweise 1 bis 8 %, weiter vorzugsweise 5 %, der gesamten Außenfläche des Hartschalenzellgehäuses und/oder der gesamten Außenfläche des Gehäusedeckels. Vorzugsweise kann damit gewährleistet werden, dass in einem Grenzbereich, an welchem der erste Teilbereich den zweiten Teilbereich tangiert, keine Lücken vorhanden sind, sodass die Isolationsschicht des Hartschalenzellgehäuses und/oder des Gehäusedeckels gegenüber der Umwelt durchgängig ist und vorzugsweise ein elektrisches Wechselwirken der elektrochemischen Energiespeichervorrichtung mit der Umwelt verringert, vorzugsweise verhindert wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst der erste Teilbereich mindestens 90 %, vorzugsweise 90 bis 95 %, weiter vorzugsweise 93 %, der gesamten Außenfläche des Hartschalenzellgehäuses und/oder der gesamten Außenfläche des Gehäusedeckels. Vorzugsweise kann somit erreicht werden, dass das Auftragen einer Isolationsschicht größtenteils dann erfolgt, wenn sich die elektrochemische Energiespeichervorrichtung noch in keinem geladenen Zustand befindet. Insbesondere können somit Schutzmaßnahmen, welche beim Auftragen eine Isolationsschicht auf das Hartschalenzellgehäuse oder den Gehäusedeckel in einem wenigstens teilgeladenen Zustand der elektrochemischen Energiespeichervorrichtung ergriffen werden müssen, zeitlich reduziert, insbesondere minimiert werden. Dies erlaubt nicht nur eine Kostenreduzierung in der Herstellung der elektrochemischen Energiespeichervorrichtung, sondern auch eine Reduzierung des Zeitraums, in welchem eine Gefahr beim Auftragen einer, insbesondere zweiten, Isolationsschicht auf eine wenigstens teilgeladene elektrochemische Energiespeichervorrichtung besteht.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die erste und/oder die zweite Isolationsschicht wenigstens eine Lackierung, insbesondere eine Polyurethan-Lackierung, auf. Dieser Kunststoff und/oder Kunstharz, welcher insbesondere hart, spröde, weich oder auch elastisch ausgebildet sein kann, isoliert die elektrochemische Energiespeichervorrichtung gegenüber der Umwelt, insbesondere gegen elektrische Einflüsse. Vorzugsweise ist Polyurethan besonders geeignet bei elektrochemischen Energiespeichervorrichtungen, welche insbesondere starken Witterungs- und Temperatureinflüssen ausgesetzt sind, da ein Entstehen von Rissen und/oder anderen Störpunkten in Bezug auf eine Isolierung der Isolationsschicht verringert, vorzugsweise verhindert wird. Weiter vorzugsweise ist Polyurethan aufgrund seiner Haftungseigenschaften an der Außenseite des Hartschalenzellgehäuses und/oder Gehäusedeckels zu bevorzugen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die erste und/oder die zweite Isolationsschicht wenigstens ein Klebeband, insbesondere Polyester und/oder Polyimid und/oder Polyamid und/oder Polyaramid aufweisend, mit Naturkautschuk und/oder Acrylat und/oder Polysiloxan auf. Vorzugsweise ist ein Klebeband aufgrund seiner Haftungseigenschaften an der Außenseite des Hartschalenzellgehäuses und/oder des Gehäusedeckels zu bevorzugen. Insbesondere ist das Verwenden eines Klebebands in Bezug auf die zweite Isolationsschicht zu bevorzugen, da lediglich ein kleiner Teilbereich isoliert werden muss. Dies kann mittels einem Klebeband zeitoptimiert erfolgen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Verfahren folgenden zusätzlichen Schritt auf:
    • - Eindosieren von Elektrolyt über wenigstens eine Öffnung am Gehäusedeckel in die Elementarzelle.
  • Vorzugsweise geschieht das Eindosieren des Elektrolyten über eine Öffnung am Gehäusedeckel in die Elementarzelle, sodass ein versehentliches Verteilen des Elektrolyten außerhalb der Elementarzelle verhindert wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Verfahren wenigstens einen der folgenden zusätzlichen Schritte auf:
    • - Modifizieren der Außenseite des Hartschalenzellgehäuses und/oder der Außenseite des Gehäusedeckels mittels einer Korona-Behandlung;
    • - Einsetzen der Elementarzelle in das Hartschalenzellgehäuse;
    • - Verbinden des Gehäusedeckels mit dem Hartschalenzellgehäuse;
    • - Versiegeln des Gehäusedeckels mit dem Hartschalenzellgehäuse mittels Laserschweißen und/oder Ultraschallschweißen; und
    • - Versiegeln der Öffnung am Gehäusedeckel mittels Einpressen von Verschlusskugeln und/oder Laserschweißen.
  • Durch das Modifizieren der Außenseite des Hartschalenzellgehäuses und/oder der Außenseite des Gehäusedeckels mittels einer Korona-Behandlung kann erreicht werden, dass ein Aufbringen einer Isolationsschicht auf die Außenseite des Hartschalenzellgehäuses und/oder des Gehäusedeckels verbessert, vorzugsweise optimiert, wird. Darüber hinaus erlaubt das Versiegeln des Gehäusedeckels und/oder der Öffnung am Gehäusedeckel ein sicheres Verschließen, sodass die Elementarzelle wenigstens im Wesentlichen vor äußeren Einflüssen wie etwa Feuchtigkeit und/oder auch vor Diffundieren des Elektrolyt aus der Elementarzelle, insbesondere dem Hartschalenzellgehäuse und/oder dem Gehäusedeckel, heraus, geschützt ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Elementarzelle als eine Alkalimetall-Zelle, insbesondere eine Lithium-Zelle oder eine Lithium-Ionen-Zelle, ausgebildet. Vorzugsweise sind Alkalimetalle aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften bei der elektrochemischen Energieumwandlung und Energiespeicherung zu bevorzugen. Weiter vorzugsweise weist eine Lithium-Ionen-Zelle einen geringeren, insbesondere keinen, sogenannten Memory-Effekt auf, bei welchem die effektive Kapazität in Abhängigkeit der Zeit stetig sinkt, sodass insbesondere bei häufigen Lade- und Entladezyklen eine Lithium-Ionen-Zelle zu bevorzugen ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Hartschalenzellgehäuse und/oder der Gehäusedeckel aus Aluminium und/oder Stahl ausgebildet. Vorzugsweise kann somit erreicht werden, dass ein Wechselwirken der elektrochemischen Energiespeichervorrichtung mit der Umwelt wenigstens im Wesentlichen größtenteils verhindert wird, da weder Feuchtigkeit in die Elementarzelle hinein noch Elektrolyt aus der Elementarzelle heraus in die Umwelt dringen kann.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Isolationsschicht eine Dicke von mindestens 10 µm, vorzugsweise 10 bis 50 µm, weiter vorzugsweise 20 bis 40 µm, am bevorzugtesten eine Dicke von 30 µm auf. Vorzugsweise erlaubt diese Dicke der Isolationsschicht, dass insbesondere eine elektrische Wechselwirkung des Hartschalenzellgehäuses und/oder des Gehäusedeckels mit der Umwelt verringert, vorzugsweise verhindert werden kann.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie, welcher wenigstens zwei elektrochemische Energiespeichervorrichtungen aufweist.
  • Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, welches wenigstens eine erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeichervorrichtung aufweist. Die Anwendung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichervorrichtung insbesondere im Automobilsektor ist aufgrund der stetig wechselnden Witterungseinflüsse wie etwa Regen und/oder auch Temperatureinflüsse wie etwa Hitze und Kälte vorteilhaft, da die elektrochemische Energiespeichervorrichtung robuster gegen diese Witterungs- und Temperatureinflüsse ist.
  • Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft ein tragbares oder stationäres Gerät, welches wenigstens eine erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeichervorrichtung aufweist. Die Anwendung von elektrochemischen Energiespeichervorrichtungen in tragbaren Geräten, insbesondere Kommunikationsendgeräten, ist aufgrund der Langlebigkeit sowie der Isolationseigenschaften der erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichervorrichtungen zu bevorzugen.
  • Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung und dessen vorteilhafte Ausgestaltung beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten auch für den zweiten, dritten, vierten und fünften Aspekt der Erfindung und dessen vorteilhafte Ausgestaltung sowie umgekehrt.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren, in denen durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechende Elemente der Erfindung verwendet werden. Es zeigen wenigstens teilweise schematisch:
    • 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung mit einem Hartschalenzellgehäuse;
    • 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hartschalenzellgehäuses und eines Gehäusedeckels; und
    • 3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichervorrichtung.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung 1 mit einem Hartschalenzellgehäuse 2.
  • In einem ersten Arbeitsschritt 101 wird die Außenseite des Hartschalenzellgehäuses 2 und/oder die Außenseite des Gehäusedeckels 3 mittels einer Korona-Behandlung modifiziert, sodass vorzugsweise die Außenseite des Hartschalenzellgehäuses 2 und/oder des Gehäusedeckels 3 eine verbesserte Oberfläche zum Aufbringen einer Isolationsschicht 4 aufweist.
  • In einem zweiten Arbeitsschritt 102 wird eine erste, insbesondere elektrische, Isolationsschicht auf einen ersten Teilbereich der Außenseite des Hartschalenzellgehäuses 2 und/oder des Gehäusedeckels 3 des Hartschalenzellgehäuses 2 aufgebracht.
  • In einem weiteren Arbeitsschritt 103 wird eine Elementarzelle 9 in das Hartschalenzellgehäuse 2 eingesetzt.
  • In einem weiteren Arbeitsschritt 104 wird der Gehäusedeckel 3 mit dem Hartschalenzellgehäuse 2 verbunden, sodass diese eine vorzugweise formschlüssige und/oder reibschlüssige Verbindung eingehen, sodass ein Diffundieren von Elektrolyt aus der Elementarzelle 9 heraus oder auch ein Eindringen von Feuchtigkeit aus der Umwelt in die Elementarzelle 9 hinein verhindert wird.
  • In einem weiteren Arbeitsschritt 105 wird der Gehäusedeckel 3 mit dem Hartschalenzellgehäuse 2 mittels Laserschweißen und/oder Ultraschallschweißen versiegelt.
  • In einem weiteren Arbeitsschritt 106 wird Elektrolyt über wenigstens eine Öffnung 8 am Gehäusedeckel 3 in die Elementarzelle 9 eindosiert.
  • In einem weiteren Arbeitsschritt 107 wird die Öffnung 8 am Gehäusedeckel 3 mittels Einpressen von Verschlusskugeln und/oder Laserschweißen versiegelt.
  • In einem weiteren Arbeitsschritt 108 wird eine Elementarzelle 9 aufweisend eine Anode, eine Kathode, einen Separator und ein Elektrolyt formiert, wobei sich die Elementarzelle 9 in dem Hartschalenzellgehäuse 2 befindet und mit 2 Stromabnehmern 6, 7 verbunden ist.
  • In einem letzten Arbeitsschritt 109 wird eine zweite, insbesondere elektrische, Isolationsschicht 4 auf wenigstens einen zweiten noch unbeschichteten Teilbereich 5 der Außenseite des Hartschalenzellgehäuses 2 und auf die Außenseite des Gehäusedeckels 3, welcher form- und/oder reibschlüssig auf dem Hartschalenzellgehäuse 2 angeordnet ist, aufgebracht. Somit umfassen der erste und der zweite Teilbereich die gesamte Außenfläche des Hartschalenzellgehäuses 2 und des Gehäusedeckels 3.
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hartschalenzellgehäuses 2 und eines Gehäusedeckels 3. Eine, insbesondere erste, Isolationsschicht 4 ist dabei bereits auf dem Hartschalenzellgehäuse 2 und dem Gehäusedeckel 3 aufgetragen, wobei sich diese Isolationsschicht 4 lediglich auf einen ersten Teilbereich des Hartschalenzellgehäuses 2 und des Gehäusedeckels 3 erstreckt. Vorzugsweise umfasst dieser erste Teilbereich mindestens 90 %, vorzugsweise 90 bis 95 %, weiter vorzugsweise 93 %, der gesamten Außenfläche des Hartschalenzellgehäuses 2 oder der gesamten Außenfläche des Gehäusedeckels 3. Ein zweiter noch unbeschichteter Teilbereich 5 ist ebenfalls jeweils an der Außenseite des Hartschalenzellgehäuses 2 sowie der Außenseite des Gehäusedeckels 3 angeordnet, wobei dieser zweite Teilbereich 5 noch von keiner Isolationsschicht 4 bedeckt ist.
  • Innerhalb des Hartschalenzellgehäuses 2 ist eine Elementarzelle 9 angeordnet, welche mit zwei Stromabnehmern, nämlich einem ersten Stromabnehmer 6 und einem zweiten Stromabnehmer 7, verbindbar ist. Ferner weist die Elementarzelle 9 eine Anode, eine Kathode, einen Separator und ein Elektrolyt auf. Vorzugsweise handelt es sich bei dieser Elementarzelle 9 um eine Alkalimetall-Zelle, insbesondere um eine Lithium-Zelle oder eine Lithium-Ionen-Zelle.
  • Das Hartschalenzellgehäuse 2 und/oder der Gehäusedeckel 3 sind ferner aus Aluminium und/oder Stahl ausgebildet. Am und/oder im Gehäusedeckel 3 ist eine Öffnung 8 angeordnet, mittels welcher Elektrolyt in die Elementarzelle 9 eindosiert werden kann.
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichervorrichtung 1. Diese Darstellung stellt die bereits durch das erfindungsgemäße Verfahren 100 hergestellte elektrochemische Energiespeichervorrichtung 1 dar, wobei eine Unterscheidung zwischen dem Hartschalenzellgehäuse 2 und den Gehäusedeckel 3 nicht mehr möglich ist, da die Isolationsschicht 4, insbesondere die erste und die zweite Isolationsschicht, vollständig auf der Außenfläche des Hartschalenzellgehäuses 2 und des Gehäusedeckels 3 aufgebracht ist. Am Gehäusedeckel 3 sind der erste und der zweite Stromabnehmer 6, 7 angeordnet, um die elektrochemische Energiespeichervorrichtung 1 mit einem Verbraucher zu verbinden.
  • Vorzugsweise überschneiden sich der erste und der zweite Teilbereich, wobei es sich bei dem zweiten Teilbereich um den noch unbeschichteten Teilbereich 5 handelt, an maximal 10 %, Vorzugseite 2 bis 8 %, weiter vorzugsweise 5 %, der gesamten Außenfläche des Hartschalenzellgehäuses 2 oder der gesamten Außenfläche des Gehäusedeckels 3.
  • Des Weiteren kann es vorgesehen sein, dass die Isolationsschicht 4, insbesondere die erste und/oder die zweite Isolationsschicht, wenigstens eine Lackierung, insbesondere eine Polyurethan-Lackierung, aufweist. Ferner kann es auch vorgesehen sein, dass die Isolationsschicht 4, insbesondere die erste und/oder die zweite Isolationsschicht, wenigstens ein Klebeband, insbesondere Polyester und/oder Polyimid und/oder Polyamid und/oder Polyaramid aufweisend, mit Naturkautschuk und/oder Acrylat und/oder Polysiloxan aufweist.
  • Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn die Isolationsschicht 4, insbesondere die erste und/oder die zweite Isolationsschicht, eine Dicke von mindestens 10 µm, vorzugsweise 10 bis 50 µm, weiter vorzugsweise 20 bis 40 µm, aber bevorzugtesten eine Dicke von 30 µm, aufweist.
  • Diese elektrochemische Energiespeichervorrichtung 1 kann auch durch Zusammenschluss wenigstens zweier elektrochemischer Energiespeichervorrichtungen 1 zu einer Batterie zusammengeschlossen werden, sodass auch Verbraucher, welche mehr elektrische Energie benötigen als eine einzige elektrochemische Energiespeichervorrichtung 1 liefern kann, diese erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeichervorrichtung 1 in einem Verbund nutzen können.
  • Darüber hinaus kann diese elektrochemische Energiespeichervorrichtung auch in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, verwendet werden. Ferner kann diese elektrochemische Energiespeichervorrichtung 1 auch in einem tragbaren oder stationären Gerät verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    elektrochemische Energiespeichervorrichtung
    2
    Hartschalenzellgehäuse
    3
    Gehäusedeckel
    4
    Isolationsschicht
    5
    unbeschichteter Teilbereich
    6
    erster Stromabnehmer
    7
    zweiter Stromabnehmer
    8
    Öffnung
    9
    Elementarzelle
    100
    Verfahren
  • 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 102012214864 A1 [0003]

Claims (14)

  1. Verfahren (100) zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung (1) mit einem Hartschalenzellgehäuse (2), aufweisend folgende Schritte: - Aufbringen (102) einer ersten, insbesondere elektrischen, Isolationsschicht (4) auf einen ersten Teilbereich der Außenseite des Hartschalenzellgehäuses (2) und/oder eines Gehäusedeckels (3) des Hartschalenzellgehäuses (2); - Formieren (108) einer Elementarzelle (9) mit einer Anode, einer Kathode, einem Separator und einem Elektrolyt, welche sich in dem Hartschalenzellgehäuse (2) befindet und mit zwei Stromabnehmern (6, 7) verbunden ist; und - Aufbringen (109) einer zweiten, insbesondere elektrischen, Isolationsschicht (4) auf wenigstens einen zweiten noch unbeschichteten Teilbereich (5) der Außenseite des Hartschalenzellgehäuses (2) und auf die Außenseite des Gehäusedeckels (3), welcher form- und/oder reibschlüssig auf dem Hartschalenzellgehäuse (2) angeordnet ist; wobei der erste und der zweite Teilbereich die gesamte Außenfläche des Hartschalenzellgehäuses (2) und des Gehäusedeckels (3) umfassen.
  2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei sich der erste und der zweite Teilbereich an maximal 10 %, vorzugsweise 2 bis 8 %, weiter vorzugsweise 5 %, der gesamten Außenfläche des Hartschalenzellgehäuses (2) und/oder der gesamten Außenfläche des Gehäusedeckels (3) überschneiden.
  3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Teilbereich mindestens 90 %, vorzugsweise 90 bis 95 %, weiter vorzugsweise 93 %, der gesamten Außenfläche des Hartschalenzellgehäuses (2) und/oder der gesamten Außenfläche des Gehäusedeckels (3) umfasst.
  4. Verfahren (100) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder die zweite Isolationsschicht (4) wenigstens eine Lackierung, insbesondere eine Polyurethan-Lackierung, aufweist.
  5. Verfahren (100) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder die zweite Isolationsschicht (4) wenigstens ein Klebeband, insbesondere Polyester und/oder Polyimid und/oder Polyamid und/oder Polyaramid aufweisend, mit Naturkautschuk und/oder Acrylat und/oder Polysiloxan aufweist.
  6. Verfahren (100) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend folgenden zusätzlichen Schritt: - Eindosieren (106) von Elektrolyt über wenigstens eine Öffnung (8) am Gehäusedeckel (3) in die Elementarzelle (9).
  7. Verfahren (100) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend wenigstens einen der folgenden zusätzlichen Schritte: - Modifizieren (101) der Außenseite des Hartschalenzellgehäuses (2) und/oder der Außenseite des Gehäusedeckels (3) mittels einer Korona-Behandlung; - Einsetzen (103) der Elementarzelle (9) in das Hartschalenzellgehäuse (2); - Verbinden (104) des Gehäusedeckels (3) mit dem Hartschalenzellgehäuse (2); - Versiegeln (105) des Gehäusedeckels (3) mit dem Hartschalenzellgehäuse (2) mittels Laserschweißen und/oder Ultraschallschweißen; und - Versiegeln (107) der Öffnung (8) am Gehäusedeckel (3) mittels Einpressen von Verschlusskugeln und/oder Laserschweißen.
  8. Verfahren (100) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elementarzelle (9) als eine Alkalimetall-Zelle, insbesondere eine Lithium-Zelle oder eine Lithium-Ionen-Zelle, ausgebildet ist.
  9. Verfahren (100) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hartschalenzellgehäuse (2) und/oder der Gehäusedeckel (3) aus Aluminium und/oder Stahl ausgebildet ist.
  10. Verfahren (100) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolationsschicht (4) eine Dicke von mindestens 10 µm, vorzugsweise 10 bis 50 µm, weiter vorzugsweise 20 bis 40 µm, am bevorzugtesten eine Dicke von 30 µm, aufweist.
  11. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung (1), hergestellt nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche.
  12. Batterie, aufweisend wenigstens zwei elektrochemische Energiespeichervorrichtungen (1) nach Anspruch 11.
  13. Kraftfahrzeug, aufweisend wenigstens eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 11.
  14. Tragbares oder stationäres Gerät, aufweisend wenigstens eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 11.
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