DE102018132716A1

DE102018132716A1 - Energiespeicherzelle mit Zell-Stapel und Hardcase-Gehäuse und Verfahren zum Herstellen derselben

Info

Publication number: DE102018132716A1
Application number: DE102018132716.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Woehrle
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2020-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle, aufweisend: Stapeln einer Vielzahl von Zellkomponenten, einschließlich zumindest einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode und eines Separators zur Ausbildung einer Energiespeicherzelle, wobei die Elektroden jeweils eine Ableiterfahne aufweisen; Verbinden der Ableiterfahnen der positiven Elektroden mit einem ersten Ableiter und der Ableiterfahnen der negativen Elektroden mit einem zweiten Ableiter; Fixieren der relativen Lage der gestapelten Zellkomponenten zueinander mittels zumindest einer Fixierungsstruktur, bei der zumindest ihre Oberfläche aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist; und Einbringen des Stapels aus den fixierten Zellkomponenten in ein Hardcase-Gehäuse. Die Erfindung betrifft auch eine Energiespeicherzelle, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle mit Zell-Stapel und Hardcase-Gehäuse, insbesondere Lithium- oder Lithium-Ionen-Zelle, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich durch eine hohe spezifische Energie, eine hohe Zuverlässigkeit und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Ihr Einsatz in verschiedenen Gebieten, insbesondere auf dem Gebiet der Elektromobilität, gewinnt daher zunehmend an Bedeutung. Weitere Aspekte der Lithium-Ionen-Batterien sind in dem Aufsatz „Lithium-Ionen-Zelle“ von Thomas Wöhrle beschrieben. Dieser Aufsatz ist abgedruckt in dem Kapitel 9 des Buches: Handbuch Lithium-Ionen-Batterien, Springer Verlag, 2013, Editor Reiner Korthauer.
Um eine Schädigung der Lithium oder Lithium-Ionen-Zelle durch Feuchte zu verhindern, wird in der Praxis ein Gehäuse mit einem metallischen Anteil verwendet, wobei der metallische Anteil die eigentliche Sperre gegen die Luftfeuchte ist. Bei einer Pouch-Zelle werden die gestapelten oder gefalteten aktiven Schichten der Zelle von einer flexiblen, mehrlagigen Aluminium-Verbundfolie eingeschlossen. Dabei weist die mehrlagige Aluminium-Verbundfolie eine mittig angeordnete Aluminium-Walz-Folie auf, die beidseitig von Kunststofffolien umgeben ist. Die Sperre gegen Luftfeuchtigkeit übernimmt bei dieser Zelle die Aluminium-Folie. Bei rein metallischen Hardcase-Gehäusen hingegen werden die gestapelten oder gefalteten aktiven Schichten der Zelle von einem festen Blech, beispielsweise Aluminiumblech, eingeschlossen. Dieses schützt sowohl gegen mechanische Einwirkung als auch gegen Luftfeuchte. Auch Edelstahl basierte Gehäuse sind möglich.
1 zeigt schematisch eine Lithium-Ionen-Zelle 100 mit einem metallischen Hardcase-Gehäuse 101. Dieses Gehäuse ist prismatisch ausgeformt und umschließt eine stapelförmige Anordnung der aktiven Schichten der Zelle, die in 2 schematisch dargestellt ist und im Folgenden auch als Zell-Stapel oder Stapel bezeichnet wird. Die aktiven Schichten weisen positive Elektroden 112 und negative Elektroden 113 auf, die im Zell-Stapel 110 abwechselnd angeordnet sind. Zwei gegenüberliegende Elektroden sind jeweils von einem Separator 113 voneinander getrennt und elektrisch isoliert. Jede der positiven Elektroden 112 weist eine Ableiterfahne 122 zum Ableiten eines elektrischen Stromes auf. Dabei sind die Ableiterfahnen 122 der positiven Elektroden 112 räumlich nahe beieinander angeordnet, um mit dem ersten Ableiter 102 der Lithium-lonen-Zelle 100 verschaltet werden zu können. Ebenso weist jede der negativen Elektroden 113 eine Ableiterfahne 123 auf, die von den Ableiterfahnen 122 der positiven Elektroden 112 beabstandet ist. Die Ableiterfahnen 123 der negativen Elektroden 113 sind räumlich nahe beieinander angeordnet, um mit dem zweiten Ableiter 103 der Lithium-Ionen-Zelle 100 verschaltet werden zu können. Die Verschaltung der Ableiterfahnen 122 mit dem ersten Ableiter 102 sowie die Verschaltung der Ableiterfahnen 123 mit dem zweiten Ableiter 103 sind schematisch in der 3 gezeigt. Der in dieser Figur gezeigte Zell-Stapel 120 weist zudem eine Auffächerung seiner aktiven Schichten auf, die bei den derzeit bekannten Herstellungsverfahren in ungewollter Weise auftritt.
Lithium-Ionen-Zellen 100 mit prismatisch ausgeformten Hardcase-Gehäuse 101 und einem Zell-Stapel 110 können hohe Energiedichten erreichen, da das Volumen des Gehäuses durch die gestapelte Anordnung der aktiven Schichten optimal ausgefüllt wird. Trotzdem finden derzeit Lithium-Ionen-Zellen mit prismatisch ausgeformten Hardcase-Gehäuse und Zell-Stapel derzeit kaum Anwendung, weil ihre Herstellung schwierig ist. Der Verfahrensschritt, der die Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle 100 erschwert, ist in der 3 schematisch dargestellt. Diese Figur zeigt, dass beim Einsetzen des Zell-Stapels 120 in das Hardcase-Gehäuse 101 dieser auffächert, und die (metallischen) Ränder 104 des Hardcase-Gehäuses 101 die aufgefächerten aktiven Schichten 112 und 113 des Zell-Stapels 120 beim Einsetzen ins Hardcase-Gehäuse 101 mechanisch beschädigen. Der Einsatz eines Zell-Stapels 120 in eine Aluminium-Verbundfolie (Softpack) wäre unproblematisch, weil der Zell-Stapel nicht hartes Metall sondern die flexible, innere Kunststofffolie der Aluminium-Verbundfolie streifen würde. Jedoch bietet eine so hergestellte Pouch-Zelle nur geringen Schutz gegen mechanische Einwirkungen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Energiespeicherzelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, bereitzustellen, die gegen mechanische Einwirkungen geschützt und einfach herstellbar ist, und ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle bereitzustellen, das den Einsatz des Stapels in das Hardcase-Gehäuse erleichtert.
Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft Energiespeicherzelle, insbesondere eine Alkalimetallzelle, aufweisend:

eine Vielzahl von Zellkomponenten, die zu einem Stapel gestapelt sind, wobei die Vielzahl der Zellkomponenten zumindest eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen Separator der Energiespeicherzelle enthalten;
eine Fixierungsstruktur zum Fixieren der relativen Lage der gestapelten Zellkomponenten zueinander, wobei zumindest die Oberfläche der Fixierungsstruktur aus einem elektrischen Isolationsmaterial gefertigt ist, und die Fixierungsstruktur die Außenfläche des Stapels zumindest an einer Stelle bedeckt; und
ein Hardcase-Gehäuse, das den mit der Fixierungsstruktur bedeckten Stapel umgibt.

Dadurch kann eine Energiespeicherzelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, bereitgestellt werden, die einfach herstellbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Außenfläche des Stapels eine erste Seitenfläche, eine dieser gegenüberliegenden zweite Seitenfläche und eine zwischen den beiden Seitenflächen liegende Mantelfläche auf, und
die Fixierungsstruktur bedeckt zumindest einen Teil der Mantelfläche und umschließt den Stapel entlang seiner Mantelfläche.
Vorzugsweise ist der Teil der Mantelfläche, den die Fixierungsstruktur bedeckt, der ersten Seitenfläche anliegend.
Dadurch kann das Auffächern der Zellkomponenten der Vielzahl von Zellkomponenten beim Herstellen der Energiespeicherzelle verhindert werden. Weil die Zellkomponenten nicht auffächern, werden diese, insbesondere die aktiven Schichten, beim Einsetzen des Stapels in das Hardcase-Gehäuse nicht an den Rändern des Hardcase-Gehäuses beschädigt. Dadurch kann eine gleichbleibende Qualität der Energiespeicherzelle gewährleistet werden. Auch kann dadurch das Fixieren/Straffen der Fixierungsstruktur auf der Außenfläche des Stapels erleichtert werden.
Stapel, die nur entlang der Mantelfläche oder entlang einem Teil davon mit der Fixierungsstruktur umschlossen/umgeben sind, können insbesondere in Kombination mit Hardcase-Gehäusen aus Glas verwendet werden. Hardcase Zellen bestehend aus Glas sind aus der DE102014210390A1 bekannt. Da Glas ohnehin ein Isolator ist, muss die Außenfläche des Stapels nicht extra gegen die Gehäusewand elektrisch isoliert sein. Glas weist eine sehr hohe Sperrfähigkeit gegen Feuchte auf, und kommt als Material für ein Hardcase-Gehäuse in Frage. Feste Kunststoffgehäuse mit einer Barrierefolie als Schutzschicht gegen Feuchte sind aus der EP2791990B1 bekannt.
In einer bevorzugten Ausführungsform bedeckt die Fixierungsstruktur auch die erste Seitenfläche zumindest teilweise.
Dadurch können die Seiten der Zellkomponenten, die die erste Seitenfläche des Stapels bilden, besser vor Beschädigung durch die Ränder des Hardcase-Gehäuses geschützt werden. Die Fixierungsstruktur kann nicht nur das Auffächern der Zellkomponenten verhindern, sondern auch die Seiten der Zellkomponenten vor mechanischer Einwirkung schützen, insbesondere die Seiten der Zellkomponenten, die die erste Seitenfläche des Stapels bilden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist jede Elektrode eine Ableiterfahne zum Ableiten eines Stromes auf,
der Stapel enthält einen ersten Ableiter und einen zweiten Ableiter, die vorzugsweise beide auf der zweiten Seitenfläche angeordnet sind,
der erste Ableiter ist mit der Ableiterfahne einer positiven Elektrode und der zweite Ableiter mit der Ableiterfahne einer negativen Elektrode verbunden, und
die Außenfläche des Stapels ist bis auf den ersten Ableiter und den zweiten Ableiter mit der Fixierungsstruktur bedeckt.
Dadurch kann die gesamte Außenfläche des Stapels vor Beschädigung durch die Ränder des Hardcase-Gehäuses sowie durch sonstige mechanische Einwirkung geschützt werden. Auch können dadurch die Bewegungsmöglichkeiten der Zellkomponenten zueinander eingeschränkt oder auf null gesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Fixierungsstruktur einen kunststoffbasierten elektrischen Isolationsfilm/-folie auf.
Dadurch kann die Fixierungsstruktur auf dem Stapel einfach appliziert werden. Auch kann dadurch die Fixierungsstruktur durchstoßfest und kompatibel zur inneren Zellchemie einer Lithium-Zelle ausgebildet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Fixierungsstruktur eines der folgenden Materialien oder eine Kombination davon: Polyethylennaphthalat (PEN), Polyethylenterephthalat (PET), Polyolefin, Polyester, Epoxidharz, Polyurethan und Polyimid.
Dadurch kann insbesondere in einer Lithium-Ionen-Zelle eine Fixierungsstruktur eingesetzt werden, die mechanisch, chemisch und elektrochemisch stabil ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der Fixierungsstruktur 10 µm bis 200 µm, vorzugsweise 25 µm bis 75 µm.
Dadurch kann einerseits sichergestellt werden, dass die Zellkomponenten des Stapels auf Dauer fixiert bleiben, und somit eine Beschädigung der Zellkomponenten durch das Hardcase-Gehäuse oder sonstige mechanische Einwirkung vermieden wird; und andererseits kann der Stapel durch den mechanischen Eintrag, der für das Applizieren (Fixieren) der Fixierungsstruktur auf dem Stapel notwendig ist, nicht geschädigt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der Fixierungsstruktur 50 µm.
Dadurch kann der Aufwand für das Applizieren der Fixierungsstruktur auf den Stapel minimiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Hardcase-Gehäuse prismatisch und enthält ein Metall.
Dadurch kann das Hardcase-Gehäuse resistent gegen mechanische Einwirkungen und gegen das Eindringen von Feuchtigkeit ausgebildet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Energiespeicherzelle als Lithium-Zelle, vorzugsweise als Lithium-Ionen-Zelle, ausgebildet ist.
Dadurch kann die spezifische Energie der Energiespeicherzelle weiter erhöht werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle, aufweisend:

Stapeln einer Vielzahl von Zellkomponenten, einschließlich zumindest einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode und eines Separators zur Ausbildung einer Energiespeicherzelle, wobei die Elektroden jeweils eine Ableiterfahne aufweisen;
Verbinden der Ableiterfahnen der positiven Elektroden mit einem ersten Ableiter und der Ableiterfahnen der negativen Elektroden mit einem zweiten Ableiter;
Fixieren der relativen Lage der gestapelten Zellkomponenten zueinander mittels zumindest einer Fixierungsstruktur, bei der zumindest ihre Oberfläche aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist; und
Einbringen des Stapels aus den fixierten Zellkomponenten in ein Hardcase-Gehäuse.

Dadurch kann die Herstellung der Energiespeicherzelle wesentlich erleichtert werden. Insbesondere kann damit ein Auffächern der Zellkomponenten sowie eine durch das Auffächern bedingte Beschädigung der Zellkomponenten verhindert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vielzahl von Zellkomponenten zu einem Stapel gestapelt, die Außenfläche des Stapels weist eine erste Seitenfläche, eine dieser gegenüberliegenden zweite Seitenfläche und eine zwischen den beiden Seitenflächen liegende Mantelfläche auf, und
beim Fixieren wird zumindest ein Teil der Mantelfläche mit der Fixierungsstruktur so bedeckt, dass diese den Stapel entlang seiner Mantelfläche umschließt. Vorzugsweise ist der Teil der Mantelfläche, den die Fixierungsstruktur bedeckt, der ersten Seitenfläche anliegend.
Dadurch kann nicht nur eine Auffächerung der Zellkomponenten sondern auch eine Beschädigung des Teiles der Mantelfläche vermieden werden, der mit dem elektrischen Isolationsmaterial bedeckt ist. Auch kann dadurch das Fixieren/Straffen der Fixierungsstruktur auf der Außenfläche des Stapels erleichtert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vielzahl von Zellkomponenten zu einem Stapel gestapelt, und beim Fixieren wird die Außenfläche des Stapels bis auf den ersten und zweiten Ableiter mit der Fixierungsstruktur bedeckt.
Dadurch kann die gesamte Außenfläche des Stapels vor Beschädigung durch die Ränder des Hardcase-Gehäuses sowie durch sonstige mechanische Einwirkung geschützt werden. Darüber hinaus können sämtliche Bewegungsmöglichkeiten der Zellkomponenten zueinander eingeschränkt oder auf null gesetzt werden, was das Einführen des Stapels in das Hardcase-Gehäuse erleichtern kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vielzahl von Zellkomponenten zu einem Stapel gestapelt, die Fixierungsstruktur bedeckt die Außenfläche des Stapels zumindest an einer Stelle, und die Fixierungsstruktur wird an der Außenfläche des Stapels insbesondere durch Kleben oder Wärmebehandlung fixiert.
Dadurch kann der aus der Vielzahl von Zellkomponenten gebildete Stapel zusammengepresst und der Kontakt zwischen Fixierungsstruktur und Außenfläche des Stapels auf Dauer sichergestellt werden. Das kann nicht nur vor einer Beschädigung des Stapels durch das Hardcase-Gehäuse (bspw. beim Einführen des Stapels in das Gehäuse) schützen, sondern auch die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Zelle erhöhen. Diese Erhöhung der Lebensdauer kann aus der verstärkten Kontaktierung resultieren, die eine Folge des Druckes der applizierten Fixierungsstruktur auf den Stapel ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Fixierungsstruktur eine kunststoffbasierte elektrische Isolationsfilm/-folie auf, und diese hat eine Dicke von 10 µm bis 200 µm, vorzugsweise 25 µm bis 100 µm, vorzugsweise 50 µm.
Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Vielzahl von Zellkomponenten im Stapel auf Dauer zusammengepresst bleiben, eine Beschädigung des Stapels durch das Hardcase-Gehäuse vermieden wird, und der Stapel durch den mechanischen Eintrag, der für das Applizieren/Fixieren der Fixierungsstruktur erforderlich ist, nicht geschädigt wird.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und deren Weiterbildungen beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung erläuterten Merkmale und Vorteile gelten entsprechend auch für die weiteren Aspekte der Erfindung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Dabei zeigt

1 schematisch eine Lithium-Ionen-Zelle mit einem metallischen Hardcase-Gehäuse;
2 schematisch eine stapelförmige Anordnung der Zellkomponenten einer Lithium-lonen-Zelle;
3 schematisch ein Herstellungsverfahren einer Lithium-Ionen-Zelle mit metallischem Hardcase-Gehäuse;
4a schematisch die durch das Stapeln von Zellkomponenten erhaltene stapelförmige Anordnung eines Zell-Stapels;
4b schematisch die durch das Verschalten der Ableiterfahnen gleicher Polarität erhaltene Anordnung sowie die Auffächerung des Zell-Stapels;
4c schematisch das Überziehen des Zell-Stapels mit einer zylinder- oder sackförmigen kunststoffbasierten elektrischen Isolationsfolie (bspw. Schrumpfschlauch);
4d schematisch den mit der kunststoffbasierten elektrischen Isolationsfolie abgedeckten Zell-Stapel;
4e schematisch das Einführen des mit der kunststoffbasierten elektrischen Isolationsfolie bedeckten Zell-Stapels in ein Hardcase-Gehäuse aus Metall;
4f schematisch eine Lithium-Ionen-Zelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die nach dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde;
4g schematisch den am unteren Teil seiner Mantelfläche mit der kunststoffbasierten elektrischen Isolationsfolie bedeckten Zell-Stapel;
4h schematisch das Einführen des mit der kunststoffbasierten elektrischen Isolationsfolie bedeckten Zell-Stapels in ein Hardcase-Gehäuse aus Glas; und
4i schematisch eine Lithium-Ionen-Zelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die nach dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.

Die 4a bis 4e zeigen schematisch ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses Verfahren weist auf: Stapeln einer Vielzahl von Zellkomponenten, einschließlich zumindest einer positiven Elektrode 112, einer negativen Elektrode 113 und eines Separators 111, wobei die Elektroden 112 und 113 jeweils eine Ableiterfahne aufweisen; Verbinden der Ableiterfahnen 122 der positiven Elektroden 112 mit einem ersten Ableiter 102 und der Ableiterfahnen 123 der negativen Elektroden 113 mit einem zweiten Ableiter 103; Fixieren der relativen Lage der gestapelten Zellkomponenten zueinander mittels zumindest einer Fixierungsstruktur 125, bei der zumindest ihre Oberfläche aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist; und Einbringen des Zell-Stapels 130 aus den fixierten Zellkomponenten in ein Hardcase-Gehäuse 131.
4a zeigt schematisch einen durch das Stapeln der Vielzahl von Zellkomponenten erhaltenen Zellstapel 110. Die Vielzahl der Zellkomponenten, welche zumindest eine positive Elektrode 112, eine negative Elektrode 113 und einen Separator 111 aufweist, werden so gestapelt, dass sich positive Elektroden 112 und negative Elektroden 113 im Stapel gegenseitig abwechseln und zwei gegenüberliegende Elektroden jeweils durch einen Separator 111 getrennt sind. Auch sind die Ableiterfahnen 122 der positiven Elektroden 112 räumlich nahe beieinander angeordnet, um mit dem ersten Ableiter 102 verbunden werden zu können. Die Ableiterfahnen 123 der negativen Elektroden 113 sind von den Ableiterfahnen 122 der positiven Elektroden 112 beabstandet und ebenfalls räumlich nahe beieinander angeordnet, um mit dem zweiten Ableiter 103 verbunden werden zu können. Der Zellstapel 110 kann in Verbindung mit einem Elektrolyten eine Lithium-Ionen-Zelle bilden.
4b zeigt schematisch den durch das Verbinden der Ableiterfahnen 122 der positiven Elektroden 112 mit dem ersten Ableiter 102 und der Ableiterfahnen 123 der negativen Elektroden 113 mit dem zweiten Ableiter 103 erhaltenen Zell-Stapel 120. Diese Figur zeigt auch eine Auffächerung der Zellkomponenten im Zellstapel 120. Diese Auffächerung kann vor oder beim Verbinden der Ableiterfahnen mit dem jeweiligen Ableiter zustande kommen. Die Auffächerung der Zellkomponenten kann das Einbringen des Zellstapels 120 in ein Hardcase-Gehäuse erschweren. Das Hardcase-Gehäuse, das prismatisch und aus Metall gefertigt sein kann, weist eine Einführöffnung auf, die von Kanten umrandet ist. Beim Einführen des Zell-Stapels in das Hardcase-Gehäuse können die aufgefächerten Zellkomponenten an den Kanten beschädigt werden, was die Qualität der Lithium-Ionen-Zelle beeinträchtigen würde.
Um die Auffächerung der Zellkomponenten des Zellstapels 120 zu verhindern, aber auch um die Zellkomponenten gegen sonstige mechanische Einwirkungen zu schützen, wird vor dem Einführen des Zell-Stapels 120 in ein Hardcase-Gehäuse die relative Lage der gestapelten Zellkomponenten zueinander mittels einer Fixierungsstruktur fixiert. Damit die Fixierungsstruktur die Elektroden des Zell-Stapels 120 nicht kurzschließt, ist diese aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt oder weist zumindest eine elektrisch isolierende Oberfläche auf. Wenn das Hardcase-Gehäuse elektrisch leitend ist, bspw. weil dieses Metall enthält, ist die Fixierungsstruktur auch derart ausgebildet, dass sie die Elektroden des Zell-Stapels von den Hardcase-Gehäuse elektrisch isoliert.
Unter einem elektrisch isolierenden Material und einer elektrisch isolierenden Oberfläche wird bspw. ein elektrischer Nichtleiter verstanden, der eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10^-8 S·cm^-1 sowie einen spezifischen Widerstand von über 10⁸ Ω·cm aufweist. Die elektrische Leitfähigkeit des elektrischen Nichtleiters ist im Vergleich zu der elektrischen Leitfähigkeit der Elektroden des Zell-Stapels und der Ableiter gering und daher nicht relevant.
Als Fixierungsstruktur eignet sich insbesondere ein kunststoffbasierter elektrischer Isolationsfilm oder eine kunststoffbasierte elektrische Isolationsfolie, weil diese einfach auf der Außenfläche des Zell-Stapels appliziert werden können, äußerst durchstoßfest und kompatibel zur inneren Zellchemie einer Lithium-Ionen-Zelle sind. Ein kunststoffbasierter elektrischer Isolationsfilm oder eine kunststoffbasierte elektrische Isolationsfolie kann eines der folgenden Materialien oder eine Kombination davon enthalten: Polyethylennaphthalat (PEN), Polyethylenterephthalat (PET), Polyolefin, Epoxidharz, Polyurethan, Polyester und Polyimid. Die Dicke des auf die Außenfläche des Zell-Stapels aufgetragenen kunststoffbasierten elektrischen Isolationsfilms oder der kunststoffbasierten elektrischen Isolationsfolie beträgt 10 µm bis 200 µm, vorzugsweise 25 µm bis 100 µm. Diese Dicken Stellen einerseits sicher, dass der Isolationsfilm/-folie nicht reißt, und somit die Zellkomponenten des Zell-Stapels auf Dauer fixiert bleiben; und andererseits ist der für das Applizieren des Isolationsfilms/-folie auf den Zell-Stapel erforderliche mechanische Eintrag klein genug, um den Zell-Stapel nicht zu beschädigen. Kunststoffbasierte elektrische Isolationsfolien/-filme mit einer Dicke von 50 µm erfüllen diese Anforderungen optimal und werden daher besonders bevorzugt.
Das Fixieren der relativen Lage der Zellkomponenten des Zellstapels 120 mittels einer kunststoffbasierten elektrischen Isolationsfolie kann, wie in 4c schematisch gezeigt, durch Überziehen des Zell-Stapels 120 mit einer zylinder- oder sackförmigen kunststoffbasierten elektrischen Isolationsfolie 125, bspw. Schrumpfschlauch, und anschließender Fixierung derselben auf der Außenfläche des Zellstapels 120 erfolgen. Durch das Fixieren der kunststoffbasierten elektrischen Isolationsfolie 125 (oder der Fixierungsstruktur im Allgemeinen) auf der Außenfläche des Zellstapels 120 können die Zellkomponenten durch die kunststoffbasierte elektrische Isolationsfolie 125 zusammengepresst werden, und somit ihre Bewegungsmöglichkeiten relativ zueinander eingeschränkt oder ganz verhindert werden.
Das Fixieren der kunststoffbasierten elektrischen Isolationsfolie 125 auf der Außenfläche des Zellstapels 120 kann auch eine bestehende Auffächerung der Zellkomponenten rückgängig machen. Auch können die Zellkomponenten des Zell-Stapels 120 vor dem Überziehen mit der Isolationsfolie 125 neuausgerichtet werden, und die Isolationsfolie 125 auf der Außenfläche des neuausgerichteten Zell-Stapel 120s appliziert werden; oder die Isolationsfolie 125 wird noch vor einem Auffächern der Zellkomponenten auf der Außenfläche des Zell-Stapels 120 appliziert.
Das Applizieren der Isolationsfolie 125 auf der Außenfläche des Zell-Stapels 120 kann eine Auffächerung der Zellkomponenten verhindern oder eine bestehende Auffächerung der Zellkomponenten rückgängig machen, und somit den Zell-Stapel in eine Form bringen, die in das Hardcase-Gehäuse passt.
Das Fixieren der der kunststoffbasierten elektrischen Isolationsfolie 125 auf der Außenfläche des Zell-Stapels 120 kann durch Kleben oder Wärmebehandlung erfolgen.
4d zeigt schematisch einen Zell-Stapel 130, dessen Außenfläche bis auf den ersten Ableiter 102 und den zweiten Ableiter 103 mit der kunststoffbasierten elektrischen Isolationsfolie 125 (als Fixierungsstruktur) bedeckt ist, und der nach dem bisher beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Weil die Fixierungsstruktur 125 des Zell-Stapels 130 eine Auffächerung des Zell-Stapels 130 verhindert, kann dieser, wie in 4e gezeigt, mühelos und passend durch die Einführöffnung 134 des Hardcase-Gehäuses 131 in dieses eingeführt werden. Auch schützt die Fixierungsstruktur 125 vor einer Beschädigung des Zell-Stapels 130 durch die Kanten 135, die die Einführöffnung 134 umranden, oder vor sonstigen mechanischen Einwirkungen.
Die Einführöffnung 134 des Hardcase-Gehäuses 131, welches in seinem Innern den Zell-Stapel 130 aufnimmt, wird nach dem Einführen des Zell-Stapels 130 in das Hardcase-Gehäuse 131 mit einem Deckel 136 dicht verschlossen. Dieser Vorgang ist in den Figuren nicht dargestellt.
4f zeigt schematisch eine Lithium-Ionen-Zelle 140 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die nach dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Das erste erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf die Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen beschränkt, sondern kann auch für die Herstellung anderer Energiespeicherzellen, bspw. Alkalimetall-Zellen, insbesondere aber für Lithium-Zellen angewendet werden.
Eine erfindungsgemäße Energiespeicherzelle, wie sie bspw. in der 4f dargestellt ist, weist demnach auf: eine Vielzahl von Zellkomponenten, die zu einem Stapel (oder Zell-Stapel) gestapelt sind, wobei die Vielzahl der Zellkomponenten zumindest eine positive Elektrode 112, eine negative Elektrode 113 und einen Separator 111 enthalten; eine Fixierungsstruktur 125 zum Fixieren der relativen Lage der gestapelten Zellkomponenten zueinander, wobei zumindest die Oberfläche der Fixierungsstruktur aus einem elektrischen Isolationsmaterial gefertigt ist, und die Fixierungsstruktur die Außenfläche des Stapels zumindest an einer Stelle bedeckt; und ein Hardcase-Gehäuse, das den mit der Fixierungsstruktur 125 bedeckten Stapel umgibt.
In der in 4f gezeigten Ausführungsform ist die Fixierungsstruktur 125 eine kunststoffbasierte elektrische Isolationsfolie, die die Außenfläche des Stapels 130 bis auf den ersten Ableiter und den zweiten Ableiter bedeckt.
Die 4a bis 4c und die 4g bis 4h zeigen schematisch ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses unterscheidet sich von dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren darin, dass die kunststoffbasierte elektrische Isolationsfolie 155 (als Fixierungsstruktur) nur auf einem Teil oder Teilen der Außenfläche des Zell-Stapels 153 appliziert wird, wobei der Teil der Außenfläche, auf dem die kunststoffbasierte elektrische Isolationsfolie 155 nicht appliziert wird, über den ersten Ableiter 102 und den zweiten Ableiter 103 des Zell-Stapels 153 hinausgeht; und ein Hardcase-Gehäuse 141 verwendet wird, das zumindest nichtelektrisch leitende Oberflächen aufweist. Beispielsweise kann dieses Hartcase-Gehäuse aus Glas gefertigt sein. Daher gilt das für die 4a und 4b Gesagte in gleicher Weise auch für das zweite erfinderische Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle. Das in Bezug auf die 4c Gesagte unterscheidet sich von dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren nur darin, dass die zylinder- oder sackförmige kunststoffbasierte elektrische Isolationsfolie 155 nicht über den ganzen Zell-Stapel 120 gezogen wird, und nur auf einem Teil oder Teilen der Außenfläche des Zell-Stapels 153 fixiert wird. Obwohl die kunststoffbasierte elektrische Isolationsfolie 155 nur einen Teil der Außenfläche des Zell-Stapels 153 bedeckt, bleiben die positiven Elektroden 112 und die negativen Elektroden 113 des Zell-Stapels 150 voneinander elektrisch isoliert, da das Hardcase-Gehäuses 141 nichtelektrisch leitende Oberflächen aufweist.
Ein nach dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Zell-Stapel 150 ist schematisch in 4g gezeigt. Die Außenfläche des Zell-Stapels 150, der bspw. eine prismatische Form aufweist, enthält eine erste Seitenfläche 151, eine dieser gegenüberliegenden zweite Seitenfläche 152 und eine zwischen den beiden Seitenflächen liegende Mantelfläche 153. Die kunststoffbasierte elektrische Isolationsfolie 155 (als Fixierungsstruktur) bedeckt die erste Seite 151, einen Teil der Mantelfläche 153, die der ersten Seite 151 anliegt, und umschließt den Zell-Stapel 150 entlang der Mantelfläche 153. Weil die Fixierungsstruktur 155 eine Auffächerung des Zell-Stapels 150 verhindert, kann dieser, wie in 4h gezeigt, mühelos und passend durch die Einführöffnung 144 des Hardcase-Gehäuses 141 in dieses eingeführt werden. Auch schützt die Fixierungsstruktur 155 vor einer Beschädigung der mit der Isolationsfolie 155 abgedeckten Teile des Zell-Stapels 150.
Die Einführöffnung 144 des Hardcase-Gehäuses 141, welches in seinem Innern den Zell-Stapel 150 aufnimmt, wird mit einem Deckel 146 dicht verschlossen. Auch dieser Vorgang ist in den Figuren nicht dargestellt.
4i zeigt schematisch eine Lithium-Ionen-Zelle 160 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die nach dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Auch das zweite erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen beschränkt, sondern kann auch für die Herstellung anderer Energiespeicherzellen, bspw. Alkalimetall-Zellen, insbesondere aber für Lithium-Zellen angewendet werden.
Eine erfindungsgemäße Energiespeicherzelle, wie sie bspw. in 4i dargestellt ist, kann demnach auch aufweisen: eine Vielzahl von Zellkomponenten, die zu einem Stapel gestapelt sind, wobei die Vielzahl der Zellkomponenten zumindest eine positive Elektrode 112, eine negative Elektrode 113 und einen Separator 111 der Energiespeicherzelle enthalten; eine Fixierungsstruktur 155 zum Fixieren der relativen Lage der gestapelten Zellkomponenten zueinander, wobei zumindest die Oberfläche der Fixierungsstruktur 155 aus einem elektrischen Isolationsmaterial gefertigt ist, und die Fixierungsstruktur die Außenfläche des Stapels zumindest an einer Stelle bedeckt; und ein Hardcase-Gehäuse 147, das den mit der Fixierungsstruktur 155 bedeckten Stapel umgibt, wobei die Fixierungsstruktur 155 nur auf einem Teil oder Teilen der Außenfläche des Zell-Stapels 153 appliziert ist, und der Teil der Außenfläche, auf dem die Fixierungsstruktur 155 nicht appliziert wird, über den ersten Ableiter 102 und den zweiten Ableiter 103 des Zell-Stapels 153 hinausgeht.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
Bezugszeichenliste

100: Energiespeicherzelle
101: Gehäuse einer Energiespeicherzelle
102: Ableiter der Energiespeicherzelle (bspw. positiver)
103: Ableiter der Energiespeicherzelle (bspw. negativer)
104: Einführöffnung des Gehäuses
105: Kante der Umrandung der Einführöffnung des Gehäuses
110: Stapel einer Vielzahl von Zellkomponenten
111: Separator
112: Positive Elektrode
113: Negative Elektrode
120: Stapel der Vielzahl von Zellkomponenten, deren Ableiterfahnen mit den jeweiligen Ableiter verschaltet sind
122: Ableiter der positiven Elektroden
123: Ableiter der negativen Elektroden
125: Kunststoffbasierter elektrischer Isolationsfilm/-folie
130: Stapel, der mit dem elektrischen Isolationsfilm/-folie voll bedeckt ist
131: Gehäuse, bspw. aus elektrisch leitendem Material (Metall)
134: Einführöffnung des Gehäuses
135: Kante der Umrandung der Einführöffnung des Gehäuses
136: Deckel, mit dem die Einführöffnung des Gehäuses verschlossen ist
137: Mit dem Deckel verschlossenes Gehäuse
140: Energiespeicherzelle (bspw. Lithium- oder Lithium-Ionen-Zelle)
141: Gehäuse, bspw. aus elektrisch nichtleitendem Material (Glas)
144: Einführöffnung des Gehäuses
145: Kante der Umrandung der Einführöffnung des Gehäuses
146: Deckel, mit dem die Einführöffnung des Gehäuses verschlossen ist
147: Mit dem Deckel verschlossenes Gehäuse
150: Stapel, der mit dem elektrischen Isolationsfilm/-folie teilweise bedeckt ist
151: Erste (untere) Seitenfläche des Stapels
152: Zweite (obere) Seitenfläche des Stapels
153: Mantelfläche des Stapels
155: Kunststoffbasierter elektrischer Isolationsfilm/-folie
160: Energiespeicherzelle (bspw. Lithium- oder Lithium-Ionen-Zelle)

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 102014210390 A1 [0012]
EP 2791990 B1 [0012]

Claims

Energiespeicherzelle, insbesondere eine Alkalimetallzelle, aufweisend: eine Vielzahl von Zellkomponenten, die zu einem Stapel (110, 120) gestapelt sind, wobei die Vielzahl der Zellkomponenten zumindest eine positive Elektrode (112), eine negative Elektrode (113) und einen Separator (111) der Energiespeicherzelle enthalten; eine Fixierungsstruktur (125, 155) zum Fixieren der relativen Lage der gestapelten Zellkomponenten zueinander, wobei zumindest die Oberfläche der Fixierungsstruktur aus einem elektrischen Isolationsmaterial gefertigt ist, und die Fixierungsstruktur die Außenfläche des Stapels zumindest an einer Stelle bedeckt; und ein Hardcase-Gehäuse (137,147), das den mit der Fixierungsstruktur (125, 155) bedeckten Stapel (120) umgibt.
Energiespeicherzelle nach Anspruch 1, wobei die Außenfläche des Stapels eine erste Seitenfläche (151), eine dieser gegenüberliegenden zweite Seitenfläche (152) und eine zwischen den beiden Seitenflächen liegende Mantelfläche (153) aufweist, und die Fixierungsstruktur (155) zumindest einen Teil der Mantelfläche (153) bedeckt und den Stapel entlang seiner Mantelfläche umschließt.
Energiespeicherzelle nach Anspruch 2, wobei die Fixierungsstruktur (155) auch die erste Seitenfläche (151) zumindest teilweise bedeckt.
Energiespeicherzelle nach Anspruch 3, wobei jede Elektrode eine Ableiterfahne zum Ableiten eines Stromes aufweist, der Stapel (120) einen ersten Ableiter (102) und einen zweiten Ableiter (103) enthält, die vorzugsweise beide auf der zweiten Seitenfläche angeordnet sind, der erste Ableiter (102) mit der Ableiterfahne (122) einer positiven Elektrode (112) und der zweite Ableiter (103) mit der Ableiterfahne (123) einer negativen Elektrode (113) verbunden ist, und die Außenfläche des Stapels (120) bis auf den ersten Ableiter und den zweiten Ableiter mit der Fixierungsstruktur (125) bedeckt ist.
Energiespeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fixierungsstruktur (125, 155) eine kunststoffbasierte elektrische Isolationsfilm/- folie aufweist.
Energiespeicherzelle nach Anspruch 5, wobei die Fixierungsstruktur (125, 155) eines der folgenden Materialien oder eine Kombination davon enthält: Polyethylennaphthalat (PEN), Polyethylenterephthalat (PET), Polyolefin, Polyester und Polyimid.
Energiespeicherzelle nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Dicke der Fixierungsstruktur (125, 155) 10 µm bis 200 µm, vorzugsweise 25 µm bis 100 µm, beträgt.
Energiespeicherzelle nach Anspruch 7, wobei die Dicke der Fixierungsstruktur (125, 155) 50 µm beträgt.
Energiespeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hardcase-Gehäuse (137) prismatisch ist und ein Metall enthält.
Energiespeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energiespeicherzelle als Lithium-Zelle ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend: Stapeln einer Vielzahl von Zellkomponenten, einschließlich zumindest einer positiven Elektrode (112), einer negativen Elektrode (113) und eines Separators (111) zur Ausbildung einer Energiespeicherzelle, wobei die Elektroden jeweils eine Ableiterfahne aufweisen; Verbinden der Ableiterfahnen (122) der positiven Elektroden (112) mit einem ersten Ableiter (102) und der Ableiterfahnen (123) der negativen Elektroden (113) mit einem zweiten Ableiter (103); Fixieren der relativen Lage der gestapelten Zellkomponenten zueinander mittels zumindest einer Fixierungsstruktur (125, 155), bei der zumindest ihre Oberfläche aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist; und Einbringen des Stapels aus den fixierten Zellkomponenten in ein Hardcase-Gehäuse (131,141).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Vielzahl von Zellkomponenten zu einem Stapel gestapelt sind, die Außenfläche des Stapels eine erste Seitenfläche (151), eine dieser gegenüberliegenden zweite Seitenfläche (152) und eine zwischen den beiden Seitenflächen liegende Mantelfläche (153) aufweist, und beim Fixieren zumindest ein Teil der Mantelfläche (153) mit der Fixierungsstruktur (155) so bedeckt wird, dass diese den Stapel entlang seiner Mantelfläche (153) umschließt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Vielzahl von Zellkomponenten zu einem Stapel gestapelt sind, und beim Fixieren die Außenfläche des Stapels (120) bis auf den ersten und zweiten Ableiter (102; 103) mit der Fixierungsstruktur (125) bedeckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Vielzahl von Zellkomponenten zu einem Stapel gestapelt sind, die Fixierungsstruktur (125, 155) die Außenfläche des Stapels (120) zumindest an einer Stelle bedeckt, und die Fixierungsstruktur an der Außenfläche des Stapels (120) vorzugsweise durch Kleben oder Wärmebehandlung fixiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Fixierungsstruktur (125, 155) eine kunststoffbasierte elektrische Isolationsfilm/-folie aufweist, und diese eine Dicke von 10 µm bis 200 µm, vorzugsweise 25 µm bis 100 µm, vorzugsweise 50 µm hat.