DE102018221714A1

DE102018221714A1 - Batteriezelle, Herstellung und Verwendung derselben

Info

Publication number: DE102018221714A1
Application number: DE102018221714.9A
Authority: DE
Inventors: Jens Hoffmann; Michael Butzin; Ralf Diekmann; Andreas Wuensch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-06-18

Abstract

Es wird eine Batteriezelle mit einem Batteriezellgehäuse (102, 208a, 208b) beschrieben, die zumindest eine Elektrodeneinheit (104, 108, 202a, 206a, 202b, 206b) mit zumindest einer positiven und einer negativen Elektrode, einem dazwischen angeordneten Separator und einem neben der positiven oder der negativen Elektrode positionierten ersten Ausgleichselement (106, 204a, 204b) zum Ausgleich einer Volumenänderung der positiven und/oder der negativen Elektrode umfasst, wobei das Batteriezellgehäuse (102, 208a, 208b) eine Bodenfläche und damit verbundene Seitenwände aufweist und wobei ein zweites Ausgleichselement (110, 210a, 210b) in Form einer Isolationsfolie umlaufend um die positive und die negative Elektrode sowie um das daneben positionierte erste Ausgleichselement (106, 204a, 204b) derart eingebracht ist, dass ein Umfang des zweiten Ausgleichselements (110, 210a, 210b) variabel einstellbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle, ein Verfahren zur Herstellung und eine Verwendung derselben gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Lithiumhaltige Batterien setzten sich aus mehreren Batteriemodulen zusammen, die wiederum eine Mehrzahl von jeweils in einem Gehäuse aufgenommenen Batteriezellen aufweisen. Dabei umfasst eine Batteriezelle zumindest eine Elektrodeneinheit, die in Form eines Elektrodenstapels oder Elektrodenwickels vorliegt. Die Elektrodeneinheit beinhaltet üblicherweise eine positive und eine negative Elektrode sowie einen dazwischen angeordneten Separator, der bei Festkörperbatteriezellen einen Festkörperelektrolyten aufweist. Des Weiteren kann das Batteriezellgehäuse je nach Anwendungsfall prismatisch, rund oder folienartig sein.
Bei prismatischen Batteriezellen wird eine der Elektrodeneinheiten in ein metallisches Gehäuse eingefügt. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des metallischen Gehäuses müssen die Elektrodeneinheiten vom metallischen Gehäuse elektrisch isoliert werden. Darüber hinaus zeigen sowohl Batteriezellen mit einem flüssigen Elektrolyten als auch Festkörperbatteriezellen bei Lade- bzw. Entladevorgängen sowie Alterungsvorgängen eine Volumenausdehnung bzw. Schrumpfung, die im Wesentlichen auf Ein- bzw. Auslagerungsvorgänge von Lithium insbesondere im Aktivmaterial der negativen Elektroden der entsprechenden Batteriezellen zurückzuführen ist. Die periodische Volumenänderung der Elektroden verursacht einen Druck auf den Elektrodenstapel und somit führt zu Schäden an der positiven und/oder der negativen Elektrode sowie am dazwischen angeordneten Separator.
Diesbezüglich ist ein Batteriemodul aus der DE 10200902508 A1 bekannt, das mindestens zwei nebeneinander positionierte Batteriezellen umfasst. Dabei ist ein Zwischenraum zwischen den zwei nebeneinander positionierten Batteriezellen mit einem porösen und deformierbaren Ausgleichselement aus einem Schaumstoff zur Temperierung der Batteriezellen ausgefüllt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle mit einem Batteriezellgehäuse bereitgestellt, das eine Bodenfläche und damit verbundene Seitenwände beinhaltet. Die Batteriezelle umfasst zumindest eine Elektrodeneinheit. Dabei weist die Elektrodeneinheit zumindest eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen dazwischen angeordneten Separator auf. Zum Ausgleich einer Volumenänderung der positiven und/oder negativen Elektrode ist ein erstes Ausgleichselement neben der positiven oder der negativen Elektrode angeordnet. Darüber hinaus ist ein zweites Ausgleichselement in Form einer Isolationsfolie umlaufend um die positive und die negative Elektrode sowie um das neben der positiven oder der negativen Elektrode positionierte erste Ausgleichselement vorgesehen. Dabei ist ein Umfang des zweiten Ausgleichselements variabel einstellbar.
Dabei ist es vorteilhaft, dass die Volumenänderung der positiven und/oder der negativen Elektrode zusätzlich von einem zweiten Ausgleichselement kompensiert wird. Des Weiteren wird die Elektrodeneinheit von den Seitenwänden isoliert und somit eine Reibung zwischen der Elektrodeneinheit und den Seitenwänden beim Auftreten einer Volumenänderung vermieden. Damit wird die Lebensdauer derartiger Batteriezellen verlängert.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
So ist von Vorteil, wenn der Umfang des zweiten Ausgleichselements abhängig von einem Ladezustand der Batteriezelle variabel einstellbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist von Vorteil, wenn der Umfang des zweiten Ausgleichselements abhängig von einem Alterungszustand der Batteriezelle variabel einstellbar ist.
Darüber hinaus ist von Vorteil, wenn das zweite Ausgleichselement in Form einer Isolationsfolie einstückig ausführt ist. Dadurch kann eine Anzahl der verwendeten Materialien und deren Kosten verringert werden.
Des Weiteren ist von Vorteil, wenn die Isolationsfolie einen Überlappungsbereich aufweist. Dabei umfasst der Überlappungsbereich zwei Isolationsfolienteile, die mittels eines Klebmittels aufeinander verklebt sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle bereitgestellt. In einem ersten Verfahrensschritt wird zumindest eine Elektrodeneinheit, die eine positive und eine negative Elektrode sowie einen dazwischen positionierten Separator umfasst, bereitgestellt. Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt ein erstes Ausgleichselement neben der Elektrodeneinheit angeordnet. Weiter wird in einem dritten Verfahrensschritt eine Isolationsfolie umlaufend um die Elektrodeneinheit sowie um das erste Ausgleichselement angeordnet.
So ist vorteilhaft, wenn die Isolationsfolie einstückig ausgeführt ist und die Isolationsfolie einen Überlappungsbereich in Form von zwei Isolationsfolienteilen aufweist. Weiter ist vorteilhaft, wenn in dem dritten Verfahrensschritt die zwei Isolationsfolienteile aufeinander mittels eines Klebmittels fixiert werden unter Ausbildung eines zweiten Ausgleichselements. Dadurch lassen sich derartige mit einer Isolationsfolie umgebende Elektrodeneinheiten einfach in das entsprechende Batteriezellgehäuse einfügen. Damit lässt sich das Risiko vermindern, in dem die Elektrodeneinheit beim Einfügen in das Batteriezellgehäuse beschädigt wird.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn in einem vierten Verfahrensschritt die Elektrodeneinheit, das erste Ausgleichselement und das um die Elektrodeneinheit umlaufende zweite Ausgleichselement in ein Batteriezellgehäuse eingefügt werden. Dabei setzt sich das Batteriezellgehäuse aus einer Bodenfläche und damit verbundenen Seitenwänden zusammen. Anschließend wird in einem fünften Verfahrensschritt das Batteriezellgehäuse mit einem Batteriezellgehäusedeckel stoffschlüssig verschlossen unter Ausbildung einer Batteriezelle.
Des Weiteren ist vorteilhaft, wenn in einem sechsten Verfahrensschritt das Klebmittel, mit dem die zwei Isolationsfolienteile des zweiten Ausgleichselements aufeinander fixiert sind, mechanisch, thermisch oder chemisch derart deaktiviert wird, dass ein Umfang des zweiten Ausgleichselements variabel eingestellt wird.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle lässt sich vorteilhaft für lithiumhaltige Batteriesysteme wie Lithiumionenbatterien, lithiumhaltige Solid-State-Batterien, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien einsetzen. Diese können Anwendung in elektrischen Fahrzeugen (EV), in Hybridfahrzeugen (HEV) oder in Plug-In-Hybridfahrzeigen (PHEV) finden.
Figurenliste
In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1: eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform,
2a, 2b: schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Batteriezellen in Querschnitt gemäß 1 nach dem Einfügen in ein Batteriezellgehäuse (2a) und nach dem Deaktivieren eines Klebmittels (2b),
3: ein beispielhaftes Prozessschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Batteriezelle.

In 1 ist eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 10 schematisch dargestellt. Die erfindungsgemäße Batteriezelle 10 umfasst beispielsweise eine erste Elektrodeneinheit 104, eine zweite Elektrodeneinheit 108 und ein dazwischen angeordnetes erstes Ausgleichselement 106. Das erste Ausgleichselement 106 beinhaltet vorzugsweise einen Schaumstoff. Die zwei Elektrodeneinheiten 104, 108 und das dazwischen angeordnete erste Ausgleichselement 106 sind durch ein zweites Ausgleichselement 110 von einem Batteriezellgehäuse 102 isoliert. Dabei ist das Batteriezellgehäuse 102 vorzugsweise prismatisch und aus Metall, z.B. Stahl oder Aluminium, ausgeführt.
In 2a ist eine erfindungsgemäße Batteriezelle 20a schematisch dargestellt. Die erfindungsgemäße Batteriezelle 20a weist beispielsweise ein aus zumindest einer Bodenfläche und damit verbundenen Seitenwänden bestehendes Batteriezellgehäuse 208a auf, in dem eine erste Elektrodeneinheit 202a, eine zweite Elektrodeneinheit 206a und ein dazwischen positioniertes erstes Ausgleichselement 204a aufgenommen sind. Darüber hinaus befindet sich ein zweites Ausgleichselement 210a umlaufend um die Elektrodeneinheiten 202a, 206a und das erste Ausgleichselement 204a. Das zweite Ausgleichselement 210a ist beispielsweise aus einer einstückigen Isolationsfolie ausgeführt und weist einen Überlappungsbereich 214a auf, worin zwei Isolationsfolienteile aufeinander gefaltet und mittels Kleben fixiert sind. Nach dem Einfügen in das Batteriezellgehäuse 208a ist keine Ausdehnung der zwei Elektrodeneinheiten 202a, 206a in der Batteriezelle 20a vorgesehen. Zudem kann das erste Ausgleichelement 204a durch Zusammenpressen der zwei Elektrodeneinheiten 202a, 206a leicht vorgespannt sein. Dies führt zu einem Luftspalt 212a zwischen einem der zumindest Seitenwände des Batteriezellgehäuses 208a und der ersten Elektrodeneinheit 202a sowie zwischen der zweiten Elektrodeneinheit 206a und einem weiteren der zumindest Seitenwände des Batteriezellegehäuses 208a. Aufgrund dieses Luftspalts 212a können die zwei Elektrodeneinheiten 202a, 206a und die zwei Ausgleichselemente 204a, 210a gut in das Batteriezellegehäuse eingeschoben werden.
Sollte eine Volumenveränderung bzw. eine Ausdehnung in der Batteriezelle 20a auftreten, ist eine derartige Batteriezelle 20b in 2b schematisch dargestellt. Dabei umfasst die Batteriezelle 20b beispielsweise ein Batteriezellgehäuse 208b, das dem Batteriezellegehäuse 208a identisch entspricht. Aufgrund der Ausdehnung in der Batteriezelle 20a ist der Luftspalt 212a gemäß 2a nicht mehr in 2b vorhanden. Die Ausdehnung kann beispielsweise durch das erste Ausgleichselement 204b und zusätzlich durch das zweite Ausgleichselement 210b kompensiert werden. Darüber hinaus kann die Ausdehnung beispielsweise durch das zweite Ausgleichselement 210b kompensiert werden, indem das Klebmittel mit dem zwei Isolationsfolienteile des Überlappungsbereichs 214b aufeinander fixiert sind, deaktiviert wird. Nach dem Deaktivieren des Klebmittels sind die zwei Elektrodeneinheiten 202b, 206b fest im Batteriezellgehäuse 208b eingehalten und gegen Verrutschen gesichert.
In 3 ist ein beispielhaftes Prozessschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens 30 zur Herstellung einer Batteriezelle 10, 20a, 20b dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren 30 kann in der dargestellten Reihenfolge erfolgen. In einem ersten Verfahrensschritt 302 wird zumindest eine Elektrodeneinheit 104, 108 bereitgestellt. Dabei beinhaltet die zumindest eine Elektrodeneinheit 104, 108 mindestens eine positive und eine negative Elektrode und einen dazwischen angeordneten Separator. Bei Festkörperbatteriezellen weist der Separator einen Festkörperelektrolyten auf. Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt 304 ein erstes Ausgleichselement 106 neben der Elektrodeneinheit 104, 108 angeordnet. Weiter wird in einem dritten Verfahrensschritt 306 eine Isolationsfolie 110 umlaufend um die Elektrodeneinheit 104, 108 angeordnet. Dabei ist die Isolationsfolie 110 beispielsweise einstückig ausgeführt. Darüber hinaus werden in dem dritten Verfahrensschritt 306 die zwei Isolationsfolienteile aufeinander mittels eines Klebmittels fixiert unter Ausbildung eines zweiten Ausgleichselements 110. Weiterhin werden in einem vierten Verfahrensschritt 308 die Elektrodeneinheit 104, 108, das erste Ausgleichselement 106 und das zweite Ausgleichselement 110 in ein Batteriezellgehäuse 102 eingefügt, vorzugsweise eingeschoben. Dabei setzt sich das Batteriezellgehäuse 102 beispielsweise aus einer Bodenfläche und damit verbundenen Seitenwänden. Ferner wird in einem fünften Verfahrensschritt das Batteriezellgehäuse 102 mit einem Batteriezellgehäusedeckel stoffschlüssig verschlossen. Abschließend wird in einem sechsten Verfahrensschritt 312 das Klebmittel, mit dem die zwei Isolationsfolienteile des zweiten Ausgleichselements 110 aufeinander fixiert sind, mechanisch, thermisch oder chemisch derart deaktiviert, dass ein Umfang des zweiten Ausgleichselements 110 variabel eingestellt wird. Das mechanische Deaktivieren besteht darin, dass eine Presskraft über 1 kN auf die Batteriezelle 10 ausgeübt wird. Nach dem Deaktivieren zeigt das Klebmittel z. B. eine Haltkraft zwischen 50% und 80% von der ursprünglichen Haltkraft vor dem Deaktivieren. Alternativ kann das Deaktivieren des Klebmittels chemisch erfolgen, in dem ein flüssiger Elektrolyt in das Batteriezellgehäuse 102 eingeführt wird. Optional kann das Deaktivieren thermisch erfolgen, in dem die Batteriezelle 10 beispielsweise bis zu 80 °C im Fall der Batteriezellen mit einem flüssigen Elektrolyten und bis zu 90 °C im Fall der Festkörperbatteriezellen erwärmt wird. Dabei beinhaltet das Klebmittel beispielweise Ethylcyanacrylat.
Die beschriebenen Batteriezellen 10, 20a, 20b eignen sich zur Verwendung in lithiumhaltigen Batteriesystemen, wie beispielsweise Lithiumionenbatterien, lithiumhaltigen Solid-State-Batterien, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien. Diese wiederum finden Anwendung in E-Bikes oder Kraftfahrzeugen sowie in der stationären Speicherung elektrischer Energie.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10200902508 A1 [0004]

Claims

Batteriezelle mit einem Batteriezellgehäuse (102, 208a, 208b), umfassend zumindest eine Elektrodeneinheit (104, 108, 202a, 206b, 202b, 206b) mit zumindest einer positiven und einer negativen Elektrode, einem dazwischen angeordneten Separator und einem neben der positiven oder der negativen Elektrode positionierten ersten Ausgleichselement (106, 204a, 204b) zum Ausgleich einer Volumenänderung der positiven und/oder der negativen Elektrode, wobei das Batteriezellgehäuse (102, 208a, 208b) eine Bodenfläche und damit verbundene Seitenwände aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Ausgleichselement (110, 210a, 210b) in Form einer Isolationsfolie umlaufend um die positive und die negative Elektrode sowie um das daneben positionierte erste Ausgleichselement (106, 204a, 204b) derart eingebracht ist, dass ein Umfang des zweiten Ausgleichselements (110, 210a, 210b) variabel einstellbar ist.
Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang des zweiten Ausgleichselements (110, 210a, 210b) abhängig von einem Ladezustand und/oder einem Alterungszustand der Batteriezelle (10, 20a, 20b) variabel einstellbar ist.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ausgleichselement (110, 210a, 210b) in Form einer Isolationsfolie einstückig ausgeführt ist.
Batteriezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsfolie einen Überlappungsbereich (214a, 214b) umfassend zwei Isolationsfolienteile aufweist.
Batteriezelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Isolationsfolienteile im Überlappungsbereich (214a, 214b) aufeinander mittels eines Klebmittels fixiert sind.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, wobei in einem ersten Verfahrensschritt (302) zumindest eine Elektrodeneinheit (104, 108, 202a, 206a, 202b, 206b) umfassend eine positive und eine negative Elektrode sowie einen dazwischen positionierten Separator bereitgestellt wird, in einem zweiten Verfahrensschritt (304) ein erstes Ausgleichselement (106, 204a, 204b) neben der Elektrodeneinheit (104, 108, 202a, 206a, 202b, 206b) angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Verfahrensschritt (306) ein zweites Ausgleichselement (110, 210a, 210b) in Form einer Isolationsfolie umlaufend um die Elektrodeneinheit (104, 108, 202a, 206a, 202b, 206b) sowie um das daneben positionierte erste Ausgleichselement (106, 204a, 204b) derart eingebracht wird, dass ein Umfang des zweiten Ausgleichselements (110, 210a, 210b) variabel einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Isolationsfolie einstückig ausgeführt ist und die Isolationsfolie einen Überlappungsbereich (214a, 214b) in Form von zwei Isolationsfolienteilen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dritten Verfahrensschritt (306) die zwei Isolationsfolienteile aufeinander mittels eines Klebmittels fixiert werden unter Ausbildung eines zweiten Ausgleichselements (110, 210a, 210b).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Verfahrensschritt (308) die Elektrodeneinheit (104, 108, 202a, 206b, 202b, 206b), das erste Ausgleichselement (106, 204a, 204b) und das um die Elektrodeneinheit (104, 108, 202a, 206b, 202b, 206b) und das erste Ausgleichselement (106, 204a, 204b) umlaufende zweite Ausgleichselement (110, 210a, 210b) in ein Batteriezellgehäuse (102, 208a, 208b) aufweisend eine Bodenfläche und damit verbundene Seitenwände eingefügt, insbesondere eingeschoben wird und in einem fünften Verfahrensschritt (310) das Batteriezellgehäuse (102, 208a, 208b) mit einem Batteriezellgehäusedeckel stoffschlüssig verschlossen wird unter Ausbildung einer Batteriezelle (10, 20a, 20b).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem sechsten Verfahrensschritt (312) das Klebmittel, mit dem die zwei Isolationsfolienteile des zweiten Ausgleichselements (110, 210a, 210b) aufeinander fixiert sind, mechanisch, thermisch oder chemisch derart deaktiviert wird, dass ein Umfang des zweiten Ausgleichselements (110, 210a, 210b) variabel eingestellt wird.
Verwendung einer Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).