DE102018213193A1

DE102018213193A1 - Batteriezelle, Batteriemodul diese enthaltend sowie Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102018213193A1
Application number: DE102018213193.7A
Authority: DE
Inventors: Leonore Glanz; Mareen Rosenkranz; Anne Buchkremer; Matthias Musialek; Michael Raedler; Felix Eberhard Hildebrand; Karim Bahroun; Henrik Wolfgang Behm; Torsten Maenz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-08-07
Filing date: 2018-08-07
Publication date: 2020-02-13

Abstract

Es wird eine Batteriezelle, insbesondere lithiumhaltige Sekundärzelle, enthaltend eine Elektrodenanordnung (18) aus einer Anode (27) und einer Kathode (28) und einem zwischen der Anode (27) und der Kathode (28) positionierten Separator (26) beschrieben, wobei die Batteriezelle (10) ein teilkristallines Polymer umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle, ein Batteriemodul diese enthaltend, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Aufgrund der verfügbaren hohen spezifischen Energie werden heute sogenannte Lithium-Ionen-Batterien als Energiequellen bei Elektrofahrzeugen verwendet. Diese Lithium-Ionen-Batterien umfassen eine Vielzahl von Batteriezellen, die ihrerseits jeweils eine negative Elektrode in Form einer Anode sowie eine positive Elektrode in Form einer Kathode beinhalten. Dabei wird die Anode und die Kathode durch eine flüssige oder auch feste Elektrolytschicht voneinander getrennt. Beim Laden einer derartigen Batteriezelle werden beispielsweise Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode transportiert und umgekehrt beim Entladen einer derartigen Batteriezelle von der Anode zur Kathode. Beide Transportprozesse erfolgen durch den Elektrolyten hindurch. Wird beispielsweise als Anode eine Lithiummetall-Anode verwendet, so findet beim Laden der Batteriezelle eine Volumenzunahme statt, sodass eine vollständig geladene Zelle beispielsweise ein um ca. 15% höheres Volumen einnimmt als eine entladene Zelle.
Dies führt beispielsweise innerhalb der Batteriezelle zu einer räumlichen Verschiebung beispielsweise von Stromableitern innerhalb der Zelle und zu einer Veränderung der räumlichen Ausfüllung der Batteriezelle. Dies birgt enorme Schwierigkeiten hinsichtlich der Konstruktion eines Batteriemoduls mit einer Vielzahl derartiger Zellen. Werden beispielsweise Schäume oder ähnlich kompressible Materialien verwendet, welche eine derartige Volumenausdehnung abfangen können, so kommt es unter Umständen zu einer starken Druckzunahme auf Elektroden und Separatoren in den jeweiligen Batteriezellen, je nach dem, ob die Batteriezelle momentan geladen oder entladen vorliegt. Ein weiteres technisches Problem besteht darin, dass derartige druckabfangende Schichten während der Fertigung zusätzlich großtechnisch in Batteriezellen transferiert werden müssen. Da gleichzeitig derartige druckabfangende Schichten möglichst ein Idealvolumen innerhalb der Batteriezellen einnehmen sollten, kommt es hier zu einem Konflikt zwischen leichter Bearbeitbarkeit und möglichst guter Raumausfüllung während der Herstellung von Batteriezellen.
Diesbezüglich ist es aus der US 2016/226042 bekannt, ein Gehäuse für eine Batteriezelle vorzusehen, das auf seiner Innenseite polymere Temperaturmanagementmaterialien umfasst. Dabei handelt es sich um phase change materials.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle, ein Batteriemodul, ein Verfahren zur Herstellung derselben und deren Verwendung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche zur Verfügung gestellt.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle umfasst dabei eine Elektrodenanordnung, welche beispielsweise eine Anode und eine Kathode umfasst, sowie eine zwischen der Anode und der Kathode positionierten Separator bzw. Festelektrolyt. Dabei ist die erfindungsgemäße Batteriezelle beispielsweise als lithiumhaltige Sekundärzelle bzw. Akkumulatorzelle ausgebildet. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Batteriezelle ein teilkristallines Polymer umfasst.
Der besondere Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass teilkristalline Polymere bei Überschreiten ihrer Glasübergangstemperatur bei weiterer Erwärmung zu einer stärkeren Volumenzunahme neigen. Dies wiederum ermöglicht es, dass eine Batteriezelle zunächst mit mindestens einem Bauteil aus einem teilkristallinen Polymer auf einfache Weise bestückt werden kann, da dieses Bauteil in teilkristallinem Zustand bei Raumtemperatur ein verhältnismäßig geringes Bauvolumen einnimmt.
Wird dann die Batteriezelle auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des entsprechenden teilkristallinen Polymers erwärmt, so kommt es zu einer Volumenausdehnung des aus dem teilkristallinen Polymer gefertigten Bauteils unter Inanspruchnahme des zur Verfügung stehenden Bauraums. Idealerweise erfolgt durch das sich bei Erwärmung ausdehnende teilkristalline Polymermaterial unter Ausnutzung des verbliebenen Bauraums innerhalb der Batteriezelle eine hochfeste, dauerhafte, mechanische Fixierung der Bauteilkomponenten innerhalb der Batteriezelle.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
So ist es von Vorteil, wenn innerhalb der Batteriezelle ein teilkristallines Polymer verwendet wird, das eine Glasübergangstemperatur in einem Bereich zwischen 50°C und 90°C aufweist. Der besondere Vorteil besteht darin, dass beispielsweise Mitteltemperaturbatterien in diesem Temperaturbereich betrieben werden und somit eine mit einem derartigen teilkristallinen Polymer bestückte Batteriezelle bei einer erstmaligen Inbetriebnahme automatisch die Temperatur erreicht, die zu einer Volumenausdehnung des teilkristallinen Polymers führt und somit zu einer mechanischen Fixierung der Zellenbauteile innerhalb der Batteriezelle. Auf diese Weise wird eine separate Erwärmung zur Volumenausdehnung des teilkristallinen Polymers obsolet, da die entsprechende Volumenzunahme automatisch bei der Inbetriebnahme der Batteriezelle innerhalb einer Mitteltemperaturbatterie erreicht wird.
Derartige teilkristalline Polymere mit einer Glasübergangstemperatur im genannten Bereich, sind z.B. teilkristalline Polyamide, Polylactate, Polytherephthalate oder Polyvinylchloride.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das teilkristalline Polymer beispielsweise Bestandteil der Anode der Batteriezelle, da im Bereich der Anode der Batteriezelle die größten Volumenschwankungen während aufeinanderfolgender Lade- bzw. Entladevorgänge zu erwarten sind. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das teilkristalline Polymer zwischen der Anode und der Kathode bzw. zwischen der Elektrodenanordnung und dem Gehäuse der Batteriezelle positioniert ist. In diesem Fall wird beispielsweise die Elektrodenanordnung innerhalb der Batteriezelle bzw. die entsprechende Anode und Kathode innerhalb der Elektrodenanordnung bei Überschreiten der Glasübergangstemperatur des jeweiligen teilkristallinen Polymers mechanisch zuverlässig innerhalb der Batteriezelle fixiert.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Batteriezelle zusätzlich ein elastisches Material, das insbesondere eine schwammartige Struktur aufweisen kann. Dieses Material hat den Vorteil, dass beispielsweise periodische Volumenänderungen, wie sie Lade- bzw. Entladevorgängen zugeordnet werden können, auf elastischem Wege abgefangen werden können.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Batteriemodul zur Verfügung gestellt, das ein teilkristallines Polymer umfasst. Dabei kann beispielsweise das Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle aufweisen, die einer der vorbeschriebenen Batteriezellen mit einem teilkristallinen Polymer entspricht. Darüber hinaus ist es auch möglich, außerhalb der Batteriezellen des Batteriemoduls im Inneren desselben Bauelemente aus einem teilkristallinen Polymer vorzusehen. Insbesondere ist dies dann von Vorteil, wenn ein derartiges Bauteil aus einem teilkristallinen Polymer beispielsweise zwischen zwei benachbarten Batteriezellen positioniert ist. Auf diese Weise können die Batteriezellen innerhalb des Batteriemoduls mechanisch zuverlässig fixiert werden, sobald die Glasübergangstemperatur des jeweiligen teilkristallinen Polymers erreicht wird.
Diese Volumenzunahme des teilkristallinen Polymers ist bei absinkender Temperatur reversibel, so dass der teilkristalline Ausgangszustand reversibel wieder erreicht wird.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Batteriezelle bzw. des erfindungsgemäßen Batteriemoduls erfolgt vorzugsweise dadurch, dass zunächst eine Batteriezelle bzw. ein Batteriemodul mit mindestens einem Bauteil, umfassend ein teilkristallines Polymer, bestückt wird und im nachfolgenden Schritt eine Erwärmung der Batteriezelle bzw. des Batteriemoduls auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des teilkristallinen Polymers erfolgt. Auf diese Weise kann eine mechanisch zuverlässige Fixierung von Bauteilen der Batteriezelle im Inneren derselben bzw. von Bauteilen eines Batteriemoduls im Inneren desselben erfolgen.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle bzw. das erfindungsgemäße Batteriemodul lässt sich in vorteilhafter Weise einsetzen in Batterien, die beispielsweise für mobile Anwendungen vorgesehen sind, wie Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybridfahrzeuge oder Hybridfahrzeuge sowie E-Bikes; in portablen Anwendungen, beispielsweise zur Telekommunikation, in Heimwerkergeräten oder in Smart-Home-Anwendungen sowie in stationären Batterien, beispielsweise zur Speicherung regenerativ erzeugter Energie. Darüber hinaus ist eine Anwendung in tragbaren Computern oder in nicht aufladbaren Batterien denkbar.
Figurenliste
In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 einen schematischen Querschnitt einer Batteriezelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 die schematische Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
3 eine schematische Schnittdarstellung eines Batteriemoduls gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung

In 1 ist eine Batteriezelle 10 dargestellt, die mit einem Zellgehäuse 12 ausgebildet ist, wobei das Zellgehäuse 12 eine nicht näher dargestellte Elektrodenanordnung der Batteriezelle 10 fluiddicht umgibt. Zur Sicherung der Elektrodenanordnung gegen ein Verschieben relativ zum Zellgehäuse 12 weist die Batteriezelle 10 ferner ein Fixierelement 13 auf, das beispielsweise in einer Einsetzrichtung 14 in das Zellgehäuse 12 eingesetzt ist. Das Fixierelement 13 ist beispielsweise wannenförmig ausgebildet und liegt beispielsweise mit seinen seitlichen Wandungen 16, 17 an den seitlichen Wandungen 19 des Batteriezellgehäuses 12 an. Eine Elektrodenanordnung kann dabei beispielsweise formschlüssig in das Innere des Fixierelements 13 eingesetzt oder in dieses eingepresst werden. Weiterhin liegt das Fixierelement 13 beispielsweise mit seiner Bodenfläche 22 an einer Bodenfläche 21 des Batteriezellgehäuses 12 an.
Dabei weist das Fixierelement 13 beispielsweise ein elektrisch isolierendes Material auf, welches ein teilkristallines Polymer zumindest umfasst, gegebenenfalls auch komplett aus diesem besteht. Als teilkristallines Polymer wird insbesondere ein Polymer verwendet, das in einem Temperaturbereich, in dem die Batteriezelle betrieben wird oder betrieben werden kann, eine Glasübergangstemperatur aufweist. Wird die Batteriezelle beispielsweise innerhalb einer Mitteltemperaturbatterie betrieben, welche üblicherweise einen Temperaturbereich von 70°C bis 80°C als Betriebstemperatur aufweist, so eignet sich beispielsweise als teilkristalline Polymere Polyamide mit einer Glasübergangstemperatur von ca. 50°C bis 60°C, Polylactate mit einer Glasübergangstemperatur von ca. 60°C bis 65°C, Polytherephthalate mit einer Glasübergangstemperatur von ca. 70°C oder Polyvinylchloride mit einer Glasübergangstemperatur von ca. 80°C sowie Mischungen oder Copolymere derselben.
In 2 ist eine Batteriezelle 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform schematisch dargestellt. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform einer Batteriezelle 10 umfasst die Elektrodenanordnung 18 beispielsweise eine Anode 27 und eine Kathode 28, wobei sich zwischen der schichtförmigen Anode 27 und der ebenfalls schichtförmig ausgeführten Kathode 28 ein Separator 26 bzw. ein Elektrolyt oder Festkörperelektrolyt befindet. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform befindet sich beispielsweise auf der dem Separator 26 abgewandten zweiten Großfläche der Kathode 28 eine weitere Schicht 37, welche ein teilkristallines Polymer umfasst oder aus einem teilkristallinen Polymer gebildet ist. Weiterhin kann auch die Anode 27 alternativ oder zusätzlich ein teilkristallines Polymer der oben beschriebenen Art umfassen. Das teilkristalline Polymer der weiteren Schicht 37 ist bspw. ein teilkristallines Polymer der oben beschriebenen Art. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform liegt die Elektrodenanordnung 18 in einer gewickelten Form vor.
Es ist jedoch auch möglich, die Elektrodenanordnung 18 in einer gestapelten Ausführungsform als sogenannten Stack vorzusehen. Der Vorteil der in 2 gezeigten Ausführungsform besteht darin, dass es durch Vorsehen einer weiteren Schicht 37 eines teilkristallinen Polymers bzw. durch einen Zusatz eines teilkristallinen Polymers in das Material der Anode 27, der Kathode 28 oder des Separators 26 bzw. eines Elektrolyten oder Festelektrolyten bei Überschreitung der Glasübergangstemperatur des teilkristallinen Polymers aufgrund der dabei erfolgenden Volumenausdehnung des teilkristallinen Polymers zu einem verbesserten Aneinanderliegen der einzelnen Schichten der Elektrodenanordnung 18 kommt.
Diese Ausführungsform hat Vorteile in der Produktion, da nach Vorbereiten der Elektroden ein zusätzlicher Assemblierungsschritt im Vergleich zu der vorher beschriebenen Variante entfällt.
In 3 ist ein Batteriemodul 60 gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Es bezeichnen weiterhin gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in den vorhergehenden Figuren.
Das Batteriemodul 60 umfasst eine Mehrzahl oder Vielzahl an Batteriezellen 10₁ , 10₂ , 10₃ und 10₄ beispielsweise in einem Packrahmen, der eine erste Endplatte 210.1 und eine zweite Endplatte 210.2 umfasst. Weiterhin umfasst das Batteriemodul 60 ein Batteriemodulgehäuse 220, in dem die Batteriezellen 10₁ - 10₄ positioniert sind. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform umfasst das Batteriemodul 60 weiterhin zwei Fixierelemente 13₁ , 13₂ , wobei die Fixierelemente 13₁ , 13₂ jeweils zwischen einer Endplatte 210.1, 210.2 des Batteriemoduls 60 und den Batteriezellen 10₁ - 10₄ platziert sind. Die Fixierelemente 13₁ , 13₂ umfassen auch hier ein teilkristallines Polymer der oben beschriebenen Art. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, Fixierelemente 13₁ , 13₂ auch zwischen den einzelnen Batteriezellen 10₁ - 10₄ zu positionieren oder unterhalb bzw. oberhalb der Batteriezellen 10₁ - 10₄ zwischen den Batteriezellen 10₁ - 10₄ und dem Boden bzw. dem Deckel des Batteriemodulgehäuses 220.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle bzw. das erfindungsgemäße Batteriemodul kann hergestellt werden, indem im Inneren des Gehäuses der Batteriezelle bzw. des Batteriemoduls mindestens ein Bauteil vorgesehen wird, das ein teilkristallines Polymer enthält. Nach der Positionierung zumindest des Bauteils, welches ein teilkristallines Polymer enthält, innerhalb der Batteriezelle bzw. innerhalb des Batteriemoduls, wird dieses auf eine Temperatur gebracht, die oberhalb der Glasübergangstemperatur des im Bauteil enthaltenen teilkristallinen Polymers liegt. Dabei kommt es zu einer Volumenausdehnung des teilkristallinen Polymers und somit zu einer Volumenausdehnung des Bauteils, welches das teilkristalline Polymer enthält. Durch diese Volumenausdehnung fügt sich das entsprechende Bauteil, welches ein teilkristallines Polymer enthält, so in den vorhandenen Bauraum ein, dass es zu einer vorzugsweise formschlüssigen Verbindung des Bauteils, welches ein teilkristallines Polymer enthält, in den zur Verfügung stehenden Bauraum bzw. an angrenzende Bauteile der Batteriezelle bzw. des Batteriemoduls kommt.
Dabei ist es möglich, den zweiten Schritt des Verfahrens in Form einer Erwärmung der Batteriezelle bzw. des Batteriemoduls auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des teilkristallinen Polymers im Rahmen einer Erstinbetriebnahme der Batteriezelle bzw. des Batteriemoduls vorzusehen. Da vorzugsweise das teilkristalline Polymer so gewählt ist, dass dessen Glasübergangstemperatur in einem Bereich der Betriebstemperatur der entsprechenden Batteriezelle bzw. des entsprechenden Batteriemoduls liegt, erfolgt die entsprechende Volumenausdehnung des Bauteils, welches ein teilkristallines Polymer enthält, bspw. bei Erreichen der Betriebstemperatur der Batteriezelle bzw. des Batteriemoduls im Rahmen einer Inbetriebnahme derselben. Dies vereinfacht den Herstellungsvorgang wesentlich.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle bzw. das erfindungsgemäße Batteriemodul lassen sich in vorteilhafter Weise einsetzen für Primär- und Sekundärbatterien für Laptop-, PDA-, Handy- und andere Konsumentenanwendungen, wie beispielweise Elektrowerkzeuge, Gartenwerkzeuge und Smart-Home-Anwendungen, sowie in Küchengeräten. Weiterhin ist eine Anwendung in Hybrid-, Plug-in-Hybrid-Fahrzeugen und Elektrofahrzeugen sowie in E-Bikes möglich sowie in Batterien zur stationären Speicherung regenerativ gewonnener elektrischer Energie.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2016226042 [0004]

Claims

Batteriezelle, insbesondere lithiumhaltige Sekundärzelle, enthaltend eine Elektrodenanordnung (18) aus einer Anode (27) und einer Kathode (28) und einem zwischen der Anode (27) und der Kathode (28) positionierten Separator (26), dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (10) ein teilkristallines Polymer umfasst.
Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das teilkristalline Polymer eine Glasübergangstemperatur zwischen 50°C und 90°C aufweist.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als teilkristallines Polymer ein teilkristallines Polyamid, ein teilkristallines Polylactat, ein teilkristallines Polytherephthalat oder ein teilkristallines Polyvinylchlorid verwendet wird.
Batteriezelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das teilkristalline Polymer Bestandteil der Anode (27), der Kathode (28) oder des Separators (26) ist.
Batteriezelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das teilkristalline Polymer zwischen der Anode (27) und der Kathode (28) und/oder zwischen der Elektrodenanordnung (18) und einem Gehäuse (12) der Batteriezelle (10) positioniert ist.
Batteriezelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich innerhalb der Batteriezelle (10) ein elastisches, insbesondere schwammartiges Material vorgesehen ist.
Batteriemodul aufweisend eine Mehrzahl an insbesondere lithiumhaltigen Sekundärbatteriezellen, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (60) ein teilkristallines Polymer aufweist.
Batteriemodul gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Batteriezelle (10₁ - 10₄) eine Batteriezelle gemäß Anspruch 1 bis 6 ist.
Batteriemodul gemäß einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das teilkristalline Polymer zwischen zwei Batteriezellen (10₁ - 10₄) des Batteriemoduls (60) positioniert ist.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das teilkristalline Polymer eine Glasübergangstemperatur zwischen 50°C und 90°C aufweist.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als teilkristallines Polymer ein teilkristallines Polyamid, ein teilkristallines Polylactat, ein teilkristallines Polytherephthalat oder ein teilkristallines Polyvinylchlorid verwendet wird.
Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, und eines Batteriemoduls gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine Batteriezelle (10) oder ein Batteriemodul (60) mit einem Bauteil (13, 13₁, 13₂) umfassend ein teilkristallines Polymer versehen wird und in einem zweiten Schritt eine Erwärmung der Batteriezelle (10) bzw. des Batteriemoduls (60) über eine Glasübergangstemperatur des teilkristallinen Polymers hinaus erfolgt.
Verwendung einer Batteriezelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 oder eines Batteriemoduls gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11 in Batterien für mobile Anwendungen, wie beispielsweise in Elektrofahrzeugen, Plug-in-Hybridfahrzeugen oder Hybridfahrzeugen sowie in portablen Einrichtungen der Telekommunikation oder in Heimwerkergeräten sowie in Batterien zur stationären Speicherung, insbesondere reversibel erzeugter elektrischer Energie.