DE102018203052A1 - Battery and method of manufacturing a battery - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batterie (100) mit einem prismatischen Gehäuse (102) und einem Zellstapel (104) mit verschiedenpoligen Elektrodenlagen (106), die je zumindest eine über eine aktive Fläche (108) der Elektrodenlage (106) überstehende Kontaktfahne (110) zum elektrischen Kontaktieren der Elektrodenlage (106) aufweisen, wobei die Kontaktfahnen (110) gleichpoliger Elektrodenlagen (106) aneinander ausgerichtet angeordnet sind und zu je zumindest zwei gleichpoligen Kontaktfahnenbündeln (112) mit einer im Wesentlichen gleichen Anzahl gleichpoliger Kontaktfahnen (110) zusammengefasst sind, wobei die gleichpoligen Elektrodenlagen (106) über die entsprechenden gleichpoligen Kontaktfahnenbündel (112) und eine Pressschweißverbindung (114) mit einem entsprechenden Ableiter (116) des Gehäuses (102) elektrisch leitend verbunden sind The present invention relates to a battery (100) with a prismatic housing (102) and a cell stack (104) with different-pole electrode layers (106) each having at least one contact lug (FIG. 10) over an active surface (108) of the electrode layer (106). 110) for electrically contacting the electrode layer (106), wherein the contact lugs (110) of the same pole electrode layers (106) are arranged aligned with each other and at least two gleichpoligen contact lobe bundles (112) are combined with a substantially equal number of gleichpoliger contact lugs (110) wherein the gleichpoligen electrode layers (106) via the corresponding gleichpoligen contact lugs bundle (112) and a pressure welding connection (114) with a corresponding arrester (116) of the housing (102) are electrically connected
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft eine Batterie und ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie.The invention relates to a battery and a method for manufacturing a battery.
Stand der TechnikState of the art
Eine Batterie weist Anschlüsse zum Transportieren von elektrischer Energie aus beziehungsweise in einen elektrochemischen Energiespeicher auf, die auf einer Außenseite eines Gehäuses oder einer Hülle der Batterie zugänglich sind. Die Anschlüsse sind im Inneren der Batterie mit Elektroden des Energiespeichers verbunden. Gleichpolige Elektroden werden gemeinsam kontaktiert und elektrisch leitend mit dem entsprechenden Anschluss verbunden.A battery has terminals for transporting electrical energy or in an electrochemical energy storage, which are accessible on an outer side of a housing or a shell of the battery. The connections are connected inside the battery with electrodes of the energy storage. Gleichpolige electrodes are contacted together and electrically connected to the corresponding terminal.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Batterie und ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes ergeben sich aus der Beschreibung und sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.Against this background, a battery and a method for manufacturing a battery according to the independent claims are presented with the approach presented here. Advantageous developments and improvements of the approach presented here emerge from the description and are described in the dependent claims.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, eine erforderliche Länge von Kontaktfahnen zum elektrischen Kontaktieren von Elektroden eines Energiespeichers einer Batterie im Vergleich zu herkömmlichen Implementierungen von Batterien zu verkürzen und so einen elektrischen Widerstand der Kontaktfahnen zu verringern. Ein elektrischer Stromfluss durch die Kontaktfahnen führt dadurch insbesondere bei einer Schnellentladung der Zelle zu einer verringerten Erwärmung. Zusätzlich wird ein Platzbedarf zum Kontaktieren des Energiespeichers verringert, wodurch der Energiespeicher im Verhältnis zu einem Gesamtvolumen der Batterie vergrößert werden kann. Bei normalem Betrieb tritt die joulsche Erwärmung aufgrund der dann fließenden geringeren Ströme nicht so stark auf. Dabei wird auch kein alternativer, extrem niederohmiger Strompfad zu einem internen Kurzschluss benötigt.Embodiments of the present invention may advantageously enable a required length of tabs for electrically contacting electrodes of an energy storage of a battery to be shortened as compared to conventional implementations of batteries, thereby reducing electrical resistance of the tabs. An electric current flow through the contact lugs thereby leads to a reduced heating, in particular in the case of rapid discharge of the cell. In addition, a space requirement for contacting the energy storage is reduced, whereby the energy storage can be increased in proportion to a total volume of the battery. In normal operation, the Joule heating does not occur as much due to the lower currents flowing then. There is no need for an alternative, extremely low-impedance current path to an internal short circuit.
Es wird eine Batterie vorgestellt, die ein prismatisches Gehäuse und einen Zellstapel mit verschiedenpoligen Elektrodenlagen aufweist, die je zumindest eine über eine aktive Fläche der Elektrodenlage überstehende Kontaktfahne zum elektrischen Kontaktieren der Elektrodenlage aufweisen, wobei die Kontaktfahnen gleichpoliger Elektrodenlagen aneinander ausgerichtet angeordnet sind und zu je zumindest zwei gleichpoligen Kontaktfahnenbündeln mit einer im Wesentlichen gleichen Anzahl gleichpoliger Kontaktfahnen zusammengefasst sind, wobei die gleichpoligen Elektrodenlagen über die entsprechenden gleichpoligen Kontaktfahnenbündel und eine Pressschweißverbindung mit einem entsprechenden Ableiter des Gehäuses elektrisch leitend verbunden sind.A battery is presented which has a prismatic housing and a cell stack with electrode layers of different polarity, each of which has at least one contact lug projecting over an active area of the electrode layer for electrically contacting the electrode layer, wherein the contact lugs of the same pole electrode layers are arranged aligned with one another and at least one each two gleichpoligen contact lobe bundles are combined with a substantially equal number of gleichpoliger contact lugs, wherein the gleichpoligen electrode layers are electrically connected via the corresponding gleichpoligen contact lug bundles and a pressure welding connection with a corresponding arrester of the housing.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:Furthermore, a method for manufacturing a battery is presented, wherein the method comprises the following steps:
Stapeln eines verschiedenpolige Elektrodenlagen umfassenden Zellstapels, wobei über eine aktive Fläche des Zellstapels überstehende Kontaktfahnen gleichpoliger Elektrodenlagen aneinander ausgerichtet angeordnet werden;Stacking a cell stack comprising different polar electrode layers, whereby contact lugs of uniform-pole electrode layers protruding beyond an active area of the cell stack are arranged aligned with one another;
Bündeln der gleichpoligen Kontaktfahnen zu zumindest je zwei Kontaktfahnenbündeln, wobei pro Kontaktfahnenbündel eine im Wesentlichen gleiche Anzahl an Kontaktfahnen gebündelt wird; undBundling the same-pole contact lugs to at least two respective contact lug bundles, wherein a substantially equal number of contact lugs is bundled per contact lug bundle; and
Pressschweißen der gleichpoligen Kontaktfahnenbündel an je einen Ableiter eines Gehäuses der Batterie, um die gleichpoligen Elektrodenlagen über die entsprechenden Kontaktfahnenbündel elektrisch leitend mit dem entsprechenden Ableiter zu verbinden.Pressure welding of the homopolar contact lugs bundle to each one arrester of a housing of the battery to connect the gleichpoligen electrode layers via the corresponding contact lugs electrically conductive to the corresponding arrester.
Unter einer Batterie kann ein Akkumulator beziehungsweise eine Sekundärbatterie zum Speichern und erneuten Bereitstellen von elektrischer Energie verstanden werden. Die elektrische Energie kann in einem Zellstapel aus gestapelten Einzelzellen elektrochemisch gespeichert werden. Der Zellstapel kann als Stack bezeichnet werden. Die elektrische Energie kann über elektrisch leitende Elektrodenlagen in den Zellstapel hinein beziehungsweise aus dem Zellstapel heraus geleitet werden. Eine Einzelzelle ist jeweils zwischen zwei verschiedenpoligen Elektrodenlagen des Zellstapels ausgebildet.A battery can be understood as an accumulator or a secondary battery for storing and re-supplying electrical energy. The electrical energy can be stored electrochemically in a cell stack of stacked single cells. The cell stack can be called a stack. The electrical energy can be conducted via electrically conductive electrode layers into the cell stack or out of the cell stack. A single cell is formed in each case between two different pole electrode layers of the cell stack.
Die Elektrodenlagen einer Einzelzelle sind also unterschiedlichen elektrischen Polen der Batterie zugeordnet. Die verschiedenpoligen Elektrodenlagen können unterschiedliche elektrisch leitenden Materialien aufweisen. Beispielsweise können die verschiedenpoligen Elektrodenlagen Kupferfolie beziehungsweise Aluminiumfolie aufweisen. Eine Einzelzelle kann als Elementarstack bezeichnet werden. In einem Elementarstack liegen immer Doppelbeschichtungen vor. Eine Elektrodenlage ist also beidseitig mit dem gleichen Material beschichtet. Dadurch ergibt sich eine Abfolge aus einer Anodenschicht, Kupfer Cu, einer weiteren Anodenschicht, einem Separator, einer Kathodenschicht, Aluminium AI und einer weiteren Kathodenschicht. Der Lagenaufbau der einzelnen Elektroden besteht dabei aus einer Trägerfolie auf die die elektrochemisch aktive Schicht aufgetragen wird. Im Fall der Anode ist die Trägerfolie beispielsweise aus Kupfer Cu oder einem anderen auf dem Anodenpotential elektrochemisch stabilen Elektronenleiter. Im Fall der Kathode ist die Trägerfolie beispielsweise aus Aluminium AI oder einem anderen auf dem Kathodenpotential elektrochemisch stabilen Elektronenleiter. Die elektrochemisch aktive Schicht ist eine poröse Schicht aus Speichermaterial und einem elektronisch leitenden Leitadditiv. Die Schicht ist porös, um Lithium-Ionen als leitenden Flüssigelektrolyt aufzunehmen. Alternativ kann auch eine Festkörperzelle ohne Porosität und Separator aufgebaut sein. Die Festkörperzelle kann einen lithiumionenleitenden Festelektrolyten und sowohl Lithium Ionen leitende Additive als auch elektronisch leitende Additive in beiden Elektroden nebst den Speichermaterialien enthalten. The electrode layers of a single cell are therefore assigned to different electrical poles of the battery. The different pole electrode layers may have different electrically conductive materials. For example, the different-pole electrode layers may comprise copper foil or aluminum foil. A single cell can be called an elementary stack. In an elementary stack there are always double coatings. An electrode layer is therefore coated on both sides with the same material. This results in a sequence of an anode layer, copper Cu, another anode layer, a separator, a cathode layer, aluminum Al and another cathode layer. The layer structure of the individual electrodes consists of a Carrier film on which the electrochemically active layer is applied. In the case of the anode, the carrier foil is made, for example, of copper Cu or another electrochemically stable electron conductor at the anode potential. In the case of the cathode, the carrier foil is made, for example, of aluminum Al or another electrochemically stable electron conductor at the cathode potential. The electrochemically active layer is a porous layer of memory material and an electronically conductive additive. The layer is porous to receive lithium ions as a conductive liquid electrolyte. Alternatively, a solid state cell without porosity and separator can be constructed. The solid state cell may contain a lithium ion conductive solid electrolyte and both lithium ion conductive additives and electronically conductive additives in both electrodes together with the memory materials.
Zum Bilden der Einzelzellen tragen die unterschiedlichen Elektrodenlagen auf aktiven Flächen unterschiedliche elektrochemisch aktive Materialien zum Speichern der elektrischen Energie. Die Elektrodenlagen sind elektrisch voneinander isoliert. Im Zellstapel sind die Elektrodenlagen parallel zueinander mit gleichmäßigen Abständen angeordnet. Zum Kontaktieren weisen die Elektrodenlagen elektrisch leitende Kontaktfahnen ohne elektrochemisch aktive Materialien auf. Die Kontaktfahnen stehen über die aktiven Flächen über. Die Kontaktfahnen sind einstückig mit den Elektrodenlagen ausgebildet, beispielsweise aus einer gemeinsamen Metallfolie. Verschiedenpolige Kontaktfahnen berühren sich nicht. Gleichpolige Kontaktfahnen sind zu zumindest zwei Kontaktfahnenbündeln zusammengefasst. Zwei gleichpolige Kontaktfahnenbündel bilden dabei ein Doppelbündel aus. Eine Polarität kann auch mit einem einzelnen Bündel aller gleichpoligen Kontaktfahnen und die andere Polarität kann mit einem Doppelbündel ausgestattet sein. Der Zellstapel weist zumindest vier Kontaktfahnenbündel auf. Ein Kontaktfahnenbündel kann zu einer Schweißfläche zum Erstellen einer elektrisch leitenden Verbindung der Kontaktfahnen untereinander, zu dem anderen gleichpoligen Kontaktfahnenbündel und zu dem Ableiter zusammengefasst werden.To form the single cells, the different electrode layers on active surfaces carry different electrochemically active materials for storing the electrical energy. The electrode layers are electrically isolated from each other. In the cell stack, the electrode layers are arranged parallel to each other with uniform intervals. For contacting, the electrode layers have electrically conductive contact lugs without electrochemically active materials. The contact lugs overflow over the active surfaces. The contact lugs are integrally formed with the electrode layers, for example of a common metal foil. Differently polar contact lugs do not touch each other. Gleichpolige contact lugs are summarized to at least two contact lobe bundles. Two gleichpolige contact lug bundles form a double bundle. One polarity can also be equipped with a single bundle of all the same pole contact lugs and the other polarity can be equipped with a double bundle. The cell stack has at least four contact lug bundles. A bundle of contact lugs can be combined to form a welding surface for establishing an electrically conductive connection of the contact lugs with one another, to the other same-pole contact lug bundle and to the arrester.
Der Strompfad ist aufgrund des Sicherheitskonzepts der Schnellentladeeinrichtung extrem niederohmig. Dabei können die Batteriezellen ein oder zwei Terminals aufweisen. Bei der Ausführung mit einem Terminal trägt das Zellgehäuse die andere Polarität. Bei der Ausführung mit zwei Terminals kann das Gehäuse neutral, auf einem floating Potential beziehungsweise schwebenden Potenzial oder auf einer Polarität liegen.Due to the safety concept of the quick-charging device, the current path is extremely low-impedance. The battery cells can have one or two terminals. In the version with a terminal, the cell housing carries the other polarity. In the case of the two-terminal version, the housing can be neutral, at a floating potential or floating potential or at one polarity.
Ein Gehäuse kann eine feste Hülle zum Schutz des Zellstapels sein. Im Gegensatz zu sogenannten Pouch-Batteriezellen, bei dem der Zellstapel von einer flexiblen Folie umgeben ist, ist das Gehäuse im Wesentlichen formstabil, d.h. das von dem Gehäuse umschlossene Volumen verändert sich bei normalem Betrieb der Batteriezelle allenfalls unwesentlich, beispielsweise weniger als 10% oder weniger als 5% oder 2%. Ein prismatisches Gehäuse kann beispielsweise eine rechteckige Grundfläche aufweisen. Ein Ableiter kann ein elektrisch leitender Teil des Gehäuses sein, an dem die elektrische Energie auf einer Außenseite der Batterie abgegriffen werden kann. Die zwei Ableiter der Batterie sind voneinander elektrisch isoliert. Der hier vorgestellte Ansatz kann auch in einer Pouchzelle verwendet werden.A housing may be a solid shell to protect the cell stack. In contrast to so-called pouch battery cells, in which the cell stack is surrounded by a flexible film, the housing is substantially dimensionally stable, i. the enclosed by the housing volume changes at most insignificant in normal operation of the battery cell, for example, less than 10% or less than 5% or 2%. A prismatic housing may for example have a rectangular base. An arrester may be an electrically conductive part of the housing, at which the electrical energy can be tapped on an outside of the battery. The two arresters of the battery are electrically isolated from each other. The approach presented here can also be used in a pouch cell.
Pressschweißen kann beispielsweise Ultraschallschweißen oder Reibschweißen sein. Beim Pressschweißen werden zumindest zwei Materialien durch Druck und Reibung erhitzt, bis sie zumindest pastös sind und in pastösem Zustand miteinander vermischt. Eine zum Verschweißen der Materialien notwendige Energie wird beim Pressschweißen somit überwiegend in Form mechanischer Energie bereitgestellt. Insbesondere das Ultraschallschweißen ermöglicht dabei unter anderem eine vorteilhafte Prozessführung und/oder vorteilhafte Schweißergebnisse. Beispielsweise werden die zu verschweißenden Materialien schonend und auf nicht zu hohe Temperaturen erhitzt. Außerdem können mehrere Kontaktfahnen in einem gemeinsamen Prozessschritt miteinander und/oder mit dem Ableiter des Gehäuses verschweißt werden. Die die Folienverbindung kann auch durch andere Verfahren, wie beispielsweise Kleben, Laserschweißen, Crimpen, Löten oder Verpressen erfolgen. Dabei ist alles, was eine mechanisch stabile Verbindung mit homogen niedrigem Widerstand zwischen den Folien und zum Ableiter erstellt nutzbar.Press welding can be, for example, ultrasonic welding or friction welding. In pressure welding, at least two materials are heated by pressure and friction until they are at least pasty and mixed together in pasty state. An energy necessary for welding the materials is thus provided predominantly in the form of mechanical energy during pressure welding. In particular, the ultrasonic welding allows, inter alia, an advantageous process control and / or advantageous welding results. For example, the materials to be welded are gently heated and not too high temperatures. In addition, several contact lugs can be welded together and / or with the arrester of the housing in a common process step. The film connection can also be made by other methods, such as gluing, laser welding, crimping, soldering or compression. Everything that creates a mechanically stable connection with homogeneously low resistance between the foils and the arrester can be used.
Der Zellstapel kann zumindest zwei flächig aufeinander gestapelte Teilstapel aufweisen. Jeder Teilstapel kann zumindest zwei verschiedenpolige Kontaktfahnenbündel aufweisen. Bei der Herstellung können die zwei Teilstapel zuerst gestapelt werden und die Kontaktfahnen gebündelt werden. Die vorgefertigten Teilstapel können zu dem Zellstapel zusammengefügt werden. Die Kontaktfahnenbündel können so einfacher hergestellt werden.The cell stack may have at least two partial stacks stacked on top of one another. Each partial stack can have at least two different-pole contact lug bundles. During production, the two partial stacks can be stacked first and the tabs bundled. The prefabricated partial stacks can be joined together to form the cell stack. The contact lugs bundles can be made easier.
An einer Trennebene der Teilstapel, d.h. dort, wo eine zu äußerst liegende Elektrodenlage eines der Teilstapel einer zu äußerst liegenden Elektrodenlage des anderen der Teilstapel gegenüberliegt, können zwei verschiedenpolige Elektrodenlagen eine Einzelzelle des Zellstapels ausbilden. Mit anderen Worten können die beiden an der Trennebene einander gegenüberliegenden, zu äußerst liegenden Elektrodenlage der beiden Teilstapel unterschiedliche Polaritäten aufweisen, sodass sie eine Einzelzelle der Batterie bilden. Alternativ können an der Trennebene zwei gleichpolige Elektrodenlagen benachbart angeordnet sein. Die Trennebene kann die Mitte des Zellstapels repräsentieren, wenn die Teilstapel gleich viele Elektrodenlagen aufweisen. Durch eine zusätzliche Einzelzelle kann eine Energiedichte der Batterie erhöht werden. Durch zwei voneinander getrennte und optional voneinander isolierte Teilstapel kann eine elektrische Verschaltung des Zellstapels anforderungsgemäß eingestellt werden. Beispielsweise können die Teilstapel in Reihe geschaltet werden. At a dividing plane of the partial stacks, ie where an electrode layer lying too far opposite one of the partial stacks of an electrode layer lying too far opposite the other of the partial stack, two different pole electrode layers can form a single cell of the cell stack. In other words, the two opposite to each other on the separation plane, to extremely lying electrode position of the two partial stacks may have different polarities, so that they form a single cell of the battery. Alternatively, two gleichpolige electrode layers adjacent to the parting plane be arranged. The parting plane may represent the middle of the cell stack if the part stacks have the same number of electrode layers. An additional single cell can increase the energy density of the battery. By two separate and optionally mutually isolated partial stack, an electrical interconnection of the cell stack can be set according to requirements. For example, the partial stacks can be connected in series.
Korrespondierende gleichpolige Elektrodenlagen der beiden Teilstapel können über ihre Kontaktfahnen einstückig zusammenhängen. Einer der Teilstapel kann auf den anderen Teilstapel geklappt sein, sodass die Elektrodenlagen der beiden Teilstapel parallel zur Trennebene angeordnet sind und die Teilstapel einander gegenüber liegen. Die Teilstapel können zeitgleich gestapelt werden. Je zwei Kontaktfahnenbündel können eine gemeinsame Schweißfläche aufweisen. An der Schweißfläche kann Material eingespart werden, da die Hälfte der zu schweißenden Lagen entfällt.Corresponding Gleichpolige electrode layers of the two sub-stacks can be integrally connected via their contact lugs. One of the partial stacks can be folded onto the other partial stacks, so that the electrode layers of the two partial stacks are arranged parallel to the dividing plane and the partial stacks face each other. The partial stacks can be stacked at the same time. Each pair of contact lug bundles may have a common welding surface. Material can be saved at the welding area, as half of the layers to be welded are eliminated.
Das Gehäuse kann eine Deckelbaugruppe mit einer Deckelplatte und einer elektrisch von der Deckelplatte isolierten Terminaldurchführung aufweisen. Die Deckelplatte kann den einen Ableiter der Batterie ausbilden. Die Terminaldurchführung kann den anderen Ableiter der Batterie ausbilden. Die Terminaldurchführung ist elektrisch isoliert von der Deckelplatte. Die Terminaldurchführung kann in einer Aussparung der Deckelplatte angeordnet sein. Der Zellstapel kann zuerst mit der Deckelbaugruppe verbunden werden. Anschließend kann der Zellstapel in einen Rest des Gehäuses eingeführt werden beziehungsweise von dem Rest des Gehäuses umschlossen werden.The housing may have a cover assembly with a cover plate and an electrically insulated from the cover plate terminal bushing. The cover plate can form the one arrester of the battery. The terminal bushing can form the other end of the battery. The terminal bushing is electrically insulated from the cover plate. The terminal bushing can be arranged in a recess of the cover plate. The cell stack can first be connected to the lid assembly. Subsequently, the cell stack can be inserted into a remainder of the housing or enclosed by the remainder of the housing.
Die Terminaldurchführung kann zwei unterschiedliche, miteinander walzplattierte Materialien aufweisen. Eine heterogene niederohmige Verbindung der Materialien ist herausfordernd. Um den elektrischen Widerstand gering zu halten, wird eine Legierungszone sehr dünn gehalten. Dafür eignen sich zum Beispiel ebenfalls Reibschweißverfahren. Verschiedene Materialien können unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Beispielsweise kann eines der Materialien zum Pressschweißen der Kontaktfahnenbündel besonders gut geeignet sein. Ebenso kann zumindest eines der Materialien erforderlich zum Vermeiden von Korrosion und/oder Elektrokorrosion sein. Die Materialien können Metallmaterialien sein. Beispielsweise können Kupfer beziehungsweise eine Kupferlegierung und Aluminium beziehungsweise eine Aluminiumlegierung miteinander walzplattiert sein.The terminal bushing may have two different, roll-clad materials. A heterogeneous low-resistance compound of the materials is challenging. To keep the electrical resistance low, an alloying zone is kept very thin. Friction welding methods, for example, are also suitable for this purpose. Different materials can fulfill different tasks. For example, one of the materials for pressure welding of the contact lug bundles may be particularly well suited. Likewise, at least one of the materials may be required to prevent corrosion and / or electrocorrosion. The materials may be metal materials. For example, copper or a copper alloy and aluminum or an aluminum alloy may be roll-bonded together.
Schweißflächen der Pressschweißverbindungen an der Deckelplatte und an der Terminaldurchführung können quer zu einer Ebene der Elektrodenlagen ausgerichtet sein und im Wesentlichen höhengleich angeordnet sein. Alternativ können die Schweißflächen einen Höhenversatz zueinander aufweisen. Dann können die mit der Terminaldurchführung verschweißten Kontaktfahnen kürzer als die mit der Deckelplatte verschweißten Kontaktfahnen sein. Die Schweißflächen können Teil der Kontaktfahnenbündel sein. Durch die Ausrichtung quer zu den Elektrodenlagen kann Platz eingespart werden. Für die höhengleiche Anordnung der Schweißflächen kann die Terminaldurchführung großflächig in die Deckelplatte eingelassen sein. Für die Anordnung mit Höhenversatz kann die Terminaldurchführung an der Innenseite über die Deckelplatte überstehen. Die Terminaldurchführung kann eine innen auf die Deckelplatte aufgesetzte Kontaktplatte aufweisen.Welding surfaces of the pressure weld connections on the cover plate and on the terminal leadthrough can be aligned transversely to a plane of the electrode layers and be arranged substantially equal in height. Alternatively, the welding surfaces may have a height offset from one another. Then the welded to the terminal bushing tabs can be shorter than the welded to the cover plate tabs. The welding surfaces may be part of the contact lug bundles. By aligning transversely to the electrode layers space can be saved. For the same height arrangement of the welding surfaces, the terminal bushing can be embedded in a large area in the cover plate. For the arrangement with height offset, the terminal bushing on the inside over the cover plate can survive. The terminal bushing may have a patch on the inside of the cover plate contact plate.
Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen als Batterie und als Verfahren zum Herstellen einer Batterie beschrieben sind.It should be understood that some of the possible features and advantages of the invention are described herein with reference to different embodiments as a battery and as a method of manufacturing a battery.
Figurenlistelist of figures
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
- Die
1a bis1d zeigen eine Darstellung eines Herstellungsablaufs einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
2 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Pressschweißverbindung an einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
3 zeigt eine Darstellung eines Pressschweißverfahrens an einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel; - Die
4a bis4f zeigen eine Darstellung eines Herstellungsablaufs einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel; und - Die
5a bis5d zeigen eine Darstellung eines Herstellungsablaufs einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- The
1a to1d show an illustration of a manufacturing process of a battery according to an embodiment; -
2 shows a sectional view through a pressure-welded connection to a battery according to an embodiment; -
3 shows a representation of a pressure welding method on a battery according to an embodiment; - The
4a to4f show an illustration of a manufacturing process of a battery according to an embodiment; and - The
5a to5d show an illustration of a manufacturing process of a battery according to an embodiment.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.The figures are only schematic and not to scale. Like reference numerals designate the same or equivalent features in the figures.
Ein interner Kurzschluss einer Batteriezelle, wie beispielsweise durch ein Eindringen eines Nagels, durch einen leitfähigen Partikel oder durch ein Überstrapazieren der Zelle bei z.B. einen Unfall führt zu einer internen Wärmeentstehung, die zu einem thermischen Durchgehen der Batteriezelle und zu einer Explosionsgefahr führen kann.An internal short circuit of a battery cell, such as by penetration of a nail, by a conductive particle or by overstressing the cell at e.g. An accident leads to internal heat generation, which can lead to thermal runaway of the battery cell and to a risk of explosion.
Eine Schnellentladeeinrichtung transferiert die Wärmeentstehung zu einer Außenseite eines Zellstapels der Batteriezelle und erzeugt einen dauerhaften Bypass zu der defekten Batteriezelle. Die Schnellentladeeinrichtung reduziert so den Wärmeeintrag im Stapel. Dadurch bleibt ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug bei einem Schaden einer Batteriezelle nicht liegen. Durch die Schnellentladeeinrichtung werden ebenfalls Explosion und Flammen vermieden, die zu einer Gefährdung der Insassen, Dritter und/oder der Umwelt führen können. Ein etwaiges Liegenbleiben kann zusätzlich verhindert werden, wenn die durch die Schnellentladeeinrichtung ohne Durchgang elektrochemisch deaktivierte Zelle weiterhin kurzgeschlossen die Reihenschaltung der Zellen aufrecht erhält oder durch eine Sekundäreinrichtung bei Parallelschaltung von Zellen aus dem Kreis ausgeschlossen wird, z.B. durch eine zusätzliche Sch melzsicheru ng. A fast discharge device transfers the heat to an outside of a cell stack of the battery cell and creates a permanent bypass to the defective battery cell. The fast discharge device thus reduces the heat input in the stack. As a result, a vehicle, in particular an electric vehicle, does not remain in the event of damage to a battery cell. The fast discharge device also avoids explosions and flames, which can endanger the occupants, third parties and / or the environment. A possible stoppage can be additionally prevented if the electrochemically deactivated by the quick discharge device without continuity cell further short-circuited maintains the series connection of the cells or is excluded by a secondary device with parallel connection of cells from the circle, eg by an additional Melzsicheru ng.
Die Integration der Schnellentladeeinrichtung verändert das Zelldesign in Bezug auf eine Kontaktierung des Zellstapels, da ein elektrischer Widerstand sehr kritisch ist. Ebenfalls verändert die Integration der Schnellentladeeinrichtung eine volumenbezogene Energiedichte der Batteriezelle und eine Kühlung der Batteriezelle.The integration of the rapid discharge device alters the cell design with respect to a contacting of the cell stack, since an electrical resistance is very critical. Likewise, the integration of the quick-charging device alters a volume-related energy density of the battery cell and a cooling of the battery cell.
Die Zellstapelverbindung durch Kontaktfahnen der Elektroden stellt einen elektrischen Stromfluss von und zu den Elektroden-Stromsammelfolien zu und von den Terminals der Batteriezelle im normalen zyklischen Betrieb und bei einer Schnellentladung sicher.The cell stack connection by tabs of the electrodes ensures electrical current flow from and to the electrode current collecting foils to and from the terminals of the battery cell during normal cyclic operation and rapid discharge.
Normalerweise sind die Kontaktfahnen Vorsprünge der Kupfer- beziehungsweise Aluminium Stromsammelfolien der Anoden- beziehungsweise Kathodenschichten mit definierter aber variabler Länge. Die Kontaktfahnen werden gebündelt und mit dem Terminal verschweißt.Normally, the tabs are projections of the copper or aluminum current collecting foils of the anode and cathode layers, respectively, of defined but variable length. The tabs are bundled and welded to the terminal.
Da die Kontaktfahnen dünne Folien sind und in ihrer Breite durch Abmessungen der Batteriezelle begrenzt sind, weisen sie eine geringe Querschnittsfläche auf. Daher sollte eine freie Länge der Kontaktfahnen möglichst gering sein, beispielsweise 5 mm. Die freie Länge kennzeichnet dabei die Länge zwischen dem aktiven (beschichteten) Bereich und dem Schweißpunkt zum Terminal.Since the tabs are thin films and are limited in width by dimensions of the battery cell, they have a small cross-sectional area. Therefore, a free length of the contact lugs should be as low as possible, for example 5 mm. The free length indicates the length between the active (coated) area and the welding point to the terminal.
Lange Kontaktfahnen führen zu einem hohen elektrischen Widerstand, der linear mit der Länge zunimmt. Dieser Widerstand hat einen großen Einfluss auf einen elektrischen Gesamtwiderstand des Strompfads.Long contact lugs lead to a high electrical resistance, which increases linearly with the length. This resistance has a major influence on a total electrical resistance of the current path.
Lange Kontaktfahnen führen zu einer verringerten Ausnutzung eines Zellenvolumens, da der für die Zellanbindung genutzte Raum nicht zu einer elektrochemisch aktiven Fläche der Batteriezelle beiträgt und so eine volumenbezogene Energiedichte der Batteriezelle senkt.Long contact lugs lead to a reduced utilization of a cell volume, since the space used for the cell connection does not contribute to an electrochemically active area of the battery cell and thus lowers a volume-related energy density of the battery cell.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden daher je zwei Kontaktfahnenbündel zum Kontaktieren der Anoden- beziehungsweise Kathodenschichten verwendet. Dadurch kann die freie Länge der Kontaktfahnen um näherungsweise 50 Prozent reduziert werden. Beispielsweise kann ein Mittelwert der freien Länge von 10 mm auf 5 mm reduziert werden. So kann der elektrische Widerstand der Kontaktfahnen ebenfalls um näherungsweise 50 Prozent reduziert werden. Beispielsweise kann ein Widerstand von kleiner 100 µΩ erreicht werden. Weiterhin kann das für die Kontaktierung des Zellenstapels erforderliche Volumen ebenfalls um näherungsweise 50 Prozent verringert werden.In the approach presented here, two contact lobe bundles are therefore used to contact the anode and cathode layers, respectively. As a result, the free length of the contact lugs can be reduced by approximately 50 percent. For example, an average free length of 10 mm can be reduced to 5 mm. Thus, the electrical resistance of the contact lugs can also be reduced by approximately 50 percent. For example, a resistance of less than 100 μΩ can be achieved. Furthermore, the volume required to contact the cell stack can also be reduced by approximately 50 percent.
Die
Jede Elektrodenlage
Die Kontaktfahnen
Hier ist von dem Gehäuse
Der Rest des Gehäuses
In
In
In
In
In einem Ausführungsbeispiel sind die beiden Teilstapel
In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die beiden Teilstapel
Mit anderen Worten zeigt
Eine zusätzliche Anodenlage oder Kathodenlage ist dann vorhanden, wenn die Stapel identisch aufgebaut sind, wobei die zusätzliche Lage nicht zur Kapazität der Batterie
Keine besagte Trennschicht zwischen den Stapeln ist vorhanden, wenn die besagten Stapel nicht identisch sind.No said separating layer between the stacks is present if said stacks are not identical.
Die Fahnen des ersten Typs sind kürzer als die Fahnen des zweiten Typs. Ein optionaler Schnellentladepfad ist zwischen den besagten Fahnen des ersten Typs und den besagten Fahnen des zweiten Typs angeordnet und bildet einen elektrischen Pfad mit einem niedrigen elektrischen Widerstand. Hier sind die Fahnen verschieden lang, da eine Stufe zwischen der Terminaldurchführung
Die Doppelbündelung ermöglicht eine homogene Stromstärkenverteilung im Stapel durch näherungsweise gleich lange Fahnen. Der ungleiche Stapelaufbau ermöglicht den Verzicht auf eine Lage, was zu einer höheren Energiedichte führt. Der Abstand der Nominal-Länge der kürzesten Fahne zur längsten Fahne wird etwa halbiert, da die Fahnenlänge etwa halbiert wird.The double bundling allows a homogeneous current distribution in the stack by approximately the same length flags. The unequal stack construction makes it possible to dispense with one layer, which leads to a higher energy density. The distance between the nominal length of the shortest flag to the longest flag is about halved, since the flag length is about halved.
Die zwei Teilstapel
Die Terminaldurchführung
Auf der Innenseite liegen eine Kontaktfläche der Deckelplatte
Die Verbindung der Kontaktfahnen
Die
Auf der Außenseite wird der Stift
Durch die auf der Innenseite der Batterie
In einem Ausführungsbeispiel ist der Stift
In
Der Stift
Mit anderen Worten wird in
In
Mit anderen Worten werden in
In
Mit anderen Worten wird in
In
Mit anderen Worten werden in
In
Mit anderen Worten wird in
In
Mit anderen Worten wird in
In einem Ausführungsbeispiel hängen je zwei gleichpolige Elektrodenlagen unterschiedlicher Teilstapel
Die
Mit anderen Worten kann die Doppelbündelverbindung auch unter Verwendung eines zusätzlichen Leiters erfolgen, der Teil des Terminals ist oder vor oder nach dem Verbinden der Doppelbündel mit dem Terminal verbunden wird. Dadurch können die Doppelbündel im Wesentlichen parallel zu einer Stapelrichtung des Zellstapels
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „bestehen...aus“, „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.Finally, it should be noted that terms such as "consist ... of", "having", "comprising", etc., do not exclude other elements or steps, and terms such as "a" or "an" do not exclude a multitude. Reference signs in the claims are not to be considered as limiting.
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