DE102018208654A1 - Hybride Batteriekomponente und Verfahren zum Herstellen einer hybriden Batteriekomponente - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Hybride Batteriekomponente (10) angegeben, aufweisend ein beidseitig offenes, mit einer Elektrolytlösung gefülltes Kunststoffgehäuse (12), einen in dem Kunststoffgehäuse (12) angeordneten Elektrodenstapel (24) mit mindestens einer Kathode (28) und mindestens einer Anode (26), und zwei Deckel (14, 16) aus einem metallischen Material, wobei ein erster Deckel (14) eine erste Öffnung (18) und ein zweiter Deckel (16) eine zweite Öffnung (20) des Kunststoffgehäuses (12) vollständig fluiddicht abdeckt, und wobei die mindestens eine Anode (26) über ein erstes Kontaktelement (30) mit dem ersten Deckel (14) und die mindestens eine Kathode (28) über ein zweites Kontaktelement (32) mit dem zweiten Deckel (16) elektrisch leitend verbunden ist. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer hybriden Batteriekomponente (10) angegeben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine hybride Batteriekomponente und ein Verfahren zum Herstellen einer hybriden Batteriekomponente.
  • Hybride Batteriekomponenten, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, werden aktuell als Pouchzellen, prismatische Zellen oder Rundzellen gefertigt. Bei Pouchzellen werden die Elektroden in eine Kunststofffolie eingeschweißt. Prismatische Zellen haben ein metallisches, rechteckiges und Rundzeilen ein metallisches, zylindrisches Gehäuse.
  • Pouchzellen und zylindrische Zellen haben den Nachteil, dass Elemente, welche die Zellsicherheit erhöhen, kaum in die jeweiligen Gehäuse integriert werden können. Bei prismatischen Zellen können solche Sicherheitselemente einfacher in dem Gehäuse integriert werden, allerdings sind prismatische Zellen in der Herstellung teuer.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hybride Batteriekomponente mit einer hohen Zellsicherheit bereitzustellen, die günstig in ihrer Herstellung ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine hybride Batteriekomponente, aufweisend ein beidseitig offenes, mit einer Elektrolytlösung gefülltes Kunststoffgehäuse, einen in dem Kunststoffgehäuse angeordneten Elektrodenstapel mit mindestens einer Kathode und mindestens einer Anode, und zwei Deckel aus einem metallischen Material, wobei ein erster Deckel eine erste Öffnung und ein zweiter Deckel eine zweite Öffnung des Kunststoffgehäuses vollständig fluiddicht abdeckt, und wobei die mindestens eine Anode über ein erstes Kontaktelement mit dem ersten Deckel und die mindestens eine Kathode über ein zweites Kontaktelement mit dem zweiten Deckel elektrisch leitend verbunden ist.
  • Eine derart ausgebildete hybride Batteriekomponente ist besonders kostengünstig, insbesondere aufgrund der Verwendung eines Kunststoffgehäuses. Beispielsweise ist das Kunststoffgehäuse ein Spritzgussteil. Dabei lassen sich im Kunststoffgehäuse verschiedene Strukturen und Elemente integrieren, ohne dass sich dies nachteilig auf die Herstellkosten auswirkt. Die metallischen Deckel können gleichzeitig als Kontaktfläche nach außen dienen.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist eine verschließbare Einfüllöffnung im Kunststoffgehäuse vorgesehen, um das Gehäuse mit der Elektrolytlösung zu befüllen. Dies hat den Vorteil, dass das Befüllen des Kunststoffgehäuses mit der Elektrolytlösung nach der Montage beider Deckel erfolgen kann. Zum Beispiel kann das Befüllen mittels einer Düse erfolgen, die in die Einfüllöffnung gesteckt werden kann. Das Risiko, dass beim Befüllen Elektrolytlösung vergossen wird, ist dadurch minimiert.
  • Beispielsweise bestehen die Deckel aus Aluminium, wobei zumindest der an der Anodenseite angeordnete Deckel zumindest an einer mit der Elektrolytlösung in Kontakt stehenden Fläche eine Schutzschicht aufweist. Die Schutzschicht enthält beispielsweise Kupfer oder besteht aus Kupfer. Dadurch ist der Deckel vor Korrosion geschützt. Die Deckel können jedoch auch aus anderen geeigneten Metallen hergestellt sein.
  • Vorzugsweise ist in dem Kunststoffgehäuse eine Kühlung integriert, insbesondere in Form eines oder mehrerer Kühlkanäle. Diese können entweder beim Spritzgießen direkt in dem Kunststoffgehäuse ausgebildet werden oder durch nachträgliche Bearbeitung des Kunststoffgehäuses gebildet werden.
  • Um die Zellsicherheit der Batteriekomponente zu erhöhen, kann in dem Kunststoffgehäuse mindestens ein Sicherheitselement integriert sein. Zum Beispiel kann in dem Kunststoffgehäuse eine Berstmembran angeordnet sein, die bei einem vorgegebenen Druck nachgibt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Berstmembran einteilig mit dem Gehäuse geformt. Dabei ist die Berstmembran beispielsweise ein Bereich des Kunststoffgehäuses, in dem eine Gehäusewandung dünner ist, als das die umliegende Gehäusewandung, insbesondere so dünn, dass die Gehäusewandung bei einem definierten Druck reißt. Alternativ kann die Berstmembran ein separates Bauteil sein, das nach der Herstellung des Kunststoffgehäuses in diesem integriert wird, beispielsweise durch thermisches Fügen.
  • Die Deckel sind vorzugsweise mittels mechanischer Adhäsion an dem Kunststoffgehäuse befestigt. Zu diesem Zweck sind die Oberflächen der Deckel zumindest bereichsweise strukturiert, derart, dass der strukturierte Bereich der Deckel Strukturelemente im Mikrometerbereich und/oder im Sub-Mikrometerbereich aufweist. Dadurch kann die Batteriekomponente besonders kompakt und ohne zusätzliche Befestigungselemente hergestellt sein, was sich wiederum vorteilhaft auf die Herstellkosten auswirkt. Auch auf die Verwendung eines Klebstoffes kann verzichtet werden.
  • Die Aufgabe wird des Weiteren erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer hybriden Batteriekomponente, die wie vorhergehend beschrieben ausgebildet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    1. a) ein beidseitig offenes Kunststoffgehäuse und zwei Deckel aus einem metallischen Material werden bereitgestellt,
    2. b) die Oberfläche der Deckel wird zumindest bereichsweise strukturiert, derart, dass der strukturierte Bereich der Deckel Strukturelemente im Mikrometerbereich und/oder im Sub-Mikrometerbereich aufweist,
    3. c) ein erster Deckel wird auf einer ersten Öffnung des Kunststoffgehäuses angeordnet und unter Zuführung von Wärme mit dem Kunststoffgehäuse fest verbunden,
    4. d) ein Elektrodenstapel mit mindestens einer Kathode und mindestens einer Anode wird in dem Kunststoffgehäuse angeordnet und
    5. e) nach Schritt d) wird der zweite Deckel auf der zweiten Öffnung des Kunststoffgehäuses angeordnet und unter Zuführung von Wärme mit dem Kunststoffgehäuse fest verbunden.
  • Eine gemäß diesem Verfahren hergestellte Batteriekomponente kann besonders kostengünstig sein.
  • Zwischen Schritt c) und e) oder nach Schritt e) kann eine Elektrolytlösung in das Kunststoffgehäuse eingefüllt werden. Wird das Kunststoffgehäuse zwischen Schritte c) und e) mit der Elektrolytlösung gefüllt, also nach der Montage des ersten Deckels, aber vor der Montage des zweiten Deckels, kann auf eine Einfüllöffnung im Kunststoffgehäuse verzichtet werden. Ein Befüllen des Kunststoffgehäuses nach Schritt e), das heißt, nach der Montage beider Deckel, hat den Vorteil, dass das Befüllen einfacher ist und die Gefahr des Verschüttens von Elektrolytlösung während der Montage minimiert ist.
  • Die mindestens eine Kathode und die mindestens eine Anode werden vorzugsweise jeweils über ein Kontaktelement mit dem ersten Deckel beziehungsweise dem zweiten Deckel elektrisch leitend verbunden, wobei die Kontaktelemente mittels thermischen Fügens mit den Deckeln verbunden werden. Durch das thermische Fügen kann eine zuverlässige elektrisch leitende Verbindung zwischen den Kontaktelementen und den Deckeln hergestellt werden, sodass die Deckel wiederum als Kontaktflächen nach außen dienen können.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
    • - 1 schematisch eine erfindungsgemäße hybride Batteriekomponente und
    • - 2 schematisch eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Hybridkomponente.
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße hybride Batteriekomponente 10 mit einem beidseitig offenen Kunststoffgehäuse 12 und zwei Deckeln 14, 16 aus einem metallischen Material. Dabei deckt ein erster Deckel 14 eine erste Öffnung 18 des Kunststoffgehäuses 12 und ein zweiter Deckel 16 eine zweite Öffnung 20 des Kunststoffgehäuses 12 fluiddicht ab, sodass ein abgeschlossener Innenraum 22 gebildet ist. Dieser ist mit einer Elektrolytlösung gefüllt. Das Kunststoffgehäuse 12 ist in der gezeigten Ausführungsform als rechteckiger Rahmen ausgebildet. Vorzugsweise ist das Kunststoffgehäuse 12 ein Spritzgussteil, insbesondere aus Polypropylen.
  • Die Deckel 14, 16 sind beispielsweise durch mechanische Adhäsion an dem Kunststoffgehäuse 12 befestigt. Es sind jedoch auch andere Möglichkeiten denkbar, um die Deckel 14, 16 an dem Kunststoffgehäuse zu befestigen, zum Beispiel durch Kleben oder zusätzliche Befestigungselemente.
  • Die Deckel 14, 16 können aus Aluminium bestehen, wobei zumindest der an der Anodenseite angeordnete Deckel 14 zumindest an einer mit der Elektrolytlösung in Kontakt stehenden Fläche eine Schutzschicht aufweist.
  • Die Batteriekomponente 10 umfasst des Weiteren einen im Kunststoffgehäuse 12 angeordneten Elektrodenstapel 24 mit mehrere Anoden 26 und mehrere Kathoden 28, die alternierend angeordnet sind.
  • Die Anoden 26 sind über ein erstes Kontaktelement 30 mit dem ersten Deckel 14 und die Kathoden 28 über ein zweites Kontaktelement 32 mit dem zweiten Deckel 16 elektrisch leitend verbunden. Zu diesem Zweck weisen die Elektroden 26, 28 beispielsweise jeweils eine umfangsseitig überstehende Lasche auf, an der die Elektroden 26, 28 jeweils mit den Kontaktelement 30, 32 kontaktiert werden können. Die Laschen aller Anoden 26 und die Laschen aller Kathoden 28 sind dabei in einer Draufsicht auf den Elektrodenstapel 24 jeweils deckungsgleich angeordnet. Die Laschen sind der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt, dem Fachmann sind derartige Kontaktierungen jedoch hinreichend bekannt.
  • Die Kontaktelemente 30, 32 sind als Blechstreifen ausgebildet, die sich jeweils entlang dem Elektrodenstapel 24 bis zu den Deckeln 14, 16 erstrecken und mit diesen elektrisch leitend verbunden sind, zum Beispiel durch thermisches Fügen, insbesondere durch Laser- oder Ultraschallschweißen. Dadurch können die Deckel 14, 16 nach Außen als Kontaktierung dienen und die Batteriekomponente 10 kann im Sinne einer bipolaren Zelle genutzt werden.
  • Im Kunststoffgehäuse 12 können zusätzlich Kühlkanäle 34 und/oder Sicherheitselemente, wie beispielsweise einen Berstmembran 36, integriert sein. Dadurch ist eine Zellsicherheit der Batteriekomponente 10 erhöht. In 1 sind diese Elemente der Einfachheit halber nicht dargestellt, 2 zeigt jedoch schematisch mehrere Kühlkanäle 34, die entlang einer Seite des rechteckigen Kunststoffgehäuses 12 verlaufen, sowie eine Berstmembran 36. Die Berstmembran 36 ist beispielsweise ein Bereich mit einer geringeren Wandstärke als die umliegende Wandung des Kunststoffgehäuses 12.
  • Anhand von 2 wird nachfolgend schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer hybriden Batteriekomponente 10 beschrieben.
  • Zunächst werden ein beidseitig offenes Kunststoffgehäuse 12 und zwei Deckel 14, 16 aus einem metallischen Material bereitgestellt. Die Oberfläche der Deckel 14, 16 wird zumindest bereichsweise strukturiert, insbesondere in einem Bereich 38, der nach der Montage in Kontakt mit dem Kunststoffgehäuse 12 steht.
  • Der strukturierte Bereich 38 der Deckel 14, 16 weist insbesondere Strukturelemente im Mikrometerbereich und/oder im Sub-Mikrometerbereich auf. Durch die Strukturelemente sind im strukturierten Bereich 38 Hinterschnitte und/oder Vertiefungen gebildet.
  • Danach wird ein erster Deckel 14 auf einer ersten Öffnung 18 des Kunststoffgehäuses 12 angeordnet und unter Zuführung von Wärme mit dem Kunststoffgehäuse 12 fest verbunden.
  • Anschließend wird der Elektrodenstapel 24 im Innenraum 22 des Kunststoffgehäuses 12 angeordnet.
  • Nachdem der Elektrodenstapel 24 im Kunststoffgehäuse 12 angeordnet ist, kann der zweite Deckel 16 auf der zweiten Öffnung 20 des Kunststoffgehäuses 12 angeordnet und unter Zuführung von Wärme mit dem Kunststoffgehäuse 12 fest verbunden werden.
  • Bei der Verbindung der Deckel 14, 16 mit dem Kunststoffgehäuse 12 wird durch das Zuführen von Wärme das Kunststoffgehäuse 12 teilweise aufgeschmolzen, und zwar derart, dass flüssiger Kunststoff des Kunststoffgehäuses 12 in die Strukturelemente, insbesondere in die Vertiefungen und Hinterschnitte der Deckel 14,16, hineinfließen kann. Nach der Kunststoff wieder abgekühlt und ausgehärtet ist, ist das Kunststoffmaterial in den Deckeln 14, 16 verankert und hält somit die Deckel 14, 16 fest am Kunststoffgehäuse 12. Man spricht dabei auch von mechanischer Adhäsion.
  • Nach dem Befestigen des ersten Deckels 14 und vor dem Befestigen des zweiten Deckels 16 an dem Kunststoffgehäuse 12 kann eine der Einfachheit halber nicht dargestellte Elektrolytlösung in das Kunststoffgehäuse 12 gefüllt werden. Alternativ kann die Elektrolytlösung nach dem Befestigen beider Deckel 14, 16 über eine Einfüllöffnung in das Kunststoffgehäuse 12 eingefüllt werden.
  • Die Anoden 26 und die Kathoden 28 des Elektrodenstapels 24 werden jeweils über die Kontaktelemente 30, 32 mit dem ersten Deckel 14 beziehungsweise dem zweiten Deckel elektrisch leitend verbunden, wobei die Kontaktelemente 30, 32 mittels thermischen Fügens, insbesondere durch Laser- oder Ultraschallschweißen, mit den Deckeln 14, 16 verbunden werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann nach dem Befestigen des ersten Deckels 14 an dem Kunststoffgehäuse 12 der Elektrodenstapel 24 über das erste Kontaktelement 30 an dem Deckel 14 befestigt werden. Dadurch ist der Elektrodenstapel 24 in einer gewünschten Position fixiert und kann nicht mehr verrutschen, wenn der zweite Deckel 16 befestigt wird. Zudem ist es möglich, dabei eine Montagehilfe in dem Kunststoffgehäuse 12 anzuordnen, die den Elektrodenstapel 24 in einer gewünschten Position hält, bis dieser an dem ersten Deckel 14 befestigt ist. Alternativ kann der Elektrodenstapel 24 auch bereits vor dem Befestigen des ersten Deckels 14 an dem Kunststoffgehäuse 12 an dem Deckel 14 befestigt werden. Der Elektrodenstapel 24 wird dann beim Aufsetzen des Deckels 14 auf dem Kunststoffgehäuse 12 in das Gehäuse 12 eingeführt.

Claims (9)

  1. Hybride Batteriekomponente (10), aufweisend ein beidseitig offenes, mit einer Elektrolytlösung gefülltes Kunststoffgehäuse (12), einen in dem Kunststoffgehäuse (12) angeordneten Elektrodenstapel (24) mit mindestens einer Kathode (28) und mindestens einer Anode (26), und zwei Deckel (14, 16) aus einem metallischen Material, wobei ein erster Deckel (14) eine erste Öffnung (18) und ein zweiter Deckel (16) eine zweite Öffnung (20) des Kunststoffgehäuses (12) vollständig fluiddicht abdeckt, und wobei die mindestens eine Anode (26) über ein erstes Kontaktelement (30) mit dem ersten Deckel (14) und die mindestens eine Kathode (28) über ein zweites Kontaktelement (32) mit dem zweiten Deckel (16) elektrisch leitend verbunden ist.
  2. Hybride Batteriekomponente (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine verschließbare Einfüllöffnung im Kunststoffgehäuse (12) vorgesehen ist, um das Gehäuse (12) mit der Elektrolytlösung zu befüllen.
  3. Hybride Batteriekomponente (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckel (14, 16) aus Aluminium bestehen, wobei zumindest der an der Anodenseite angeordnete Deckel (14) zumindest an einer mit der Elektrolytlösung in Kontakt stehenden Fläche eine Schutzschicht aufweist.
  4. Hybride Batteriekomponente (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kunststoffgehäuse (12) eine Kühlung integriert ist.
  5. Hybride Batteriekomponente (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kunststoffgehäuse (12) mindestens ein Sicherheitselement integriert ist.
  6. Hybride Batteriekomponente (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckel (14, 16) mittels mechanischer Adhäsion an dem Kunststoffgehäuse (12) befestigt sind.
  7. Verfahren zum Herstellen einer hybriden Batteriekomponente (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) ein beidseitig offenes Kunststoffgehäuse (12) und zwei Deckel (14, 16) aus einem metallischen Material werden bereitgestellt, b) die Oberfläche der Deckel (14, 16) wird zumindest bereichsweise strukturiert, derart, dass der strukturierte Bereich (38) der Deckel (14, 16) Strukturelemente im Mikrometerbereich und/oder im Sub-Mikrometerbereich aufweist, c) ein erster Deckel (14) wird auf einer ersten Öffnung (18) des Kunststoffgehäuses (12) angeordnet und unter Zuführung von Wärme mit dem Kunststoffgehäuse (12) fest verbunden, d) ein Elektrodenstapel (24) mit mindestens einer Kathode (28) und mindestens einer Anode (26) wird in dem Kunststoffgehäuse (12) angeordnet und e) nach Schritt d) wird der zweite Deckel (16) auf der zweiten Öffnung (20) des Kunststoffgehäuses (12) angeordnet und unter Zuführung von Wärme mit dem Kunststoffgehäuse (12) fest verbunden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schritt c) und e) oder nach Schritt e) eine Elektrolytlösung in das Kunststoffgehäuse (12) eingefüllt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kathode (28) und die mindestens eine Anode (26) jeweils über ein Kontaktelement (30, 32) mit dem ersten Deckel (14) beziehungsweise dem zweiten Deckel (16) elektrisch leitend verbunden werden, wobei die Kontaktelemente (30, 32) mittels thermischen Fügens mit den Deckeln (14, 16) verbunden werden.
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