-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere ein Gehäuse für einen elektrischen Energiespeicher, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Gehäuses für einen elektrischen Energiespeicher, sowie einen elektrischen Energiespeicher.
-
Elektrische Energiespeicher, wie Batterien oder Akkumulatoren, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Vorliegend geht es insbesondere um Ausführungsformen mit metallischen Gehäusen, wie sie beispielsweise in Traktionsbatterien von Kraftfahrzeugen verwendet werden. Diese benötigen in der Regel eine geeignete elektrische Isolierung. Aus der
DE 10 2012 213 868 A1 ist beispielsweise eine Batterie mit einem metallischen Gehäuse bekannt, wobei eine Außenfläche des metallischen Gehäuses eine isolierende Beschichtung aufweist. Zur Beschichtung werden insbesondere geeignete Lacke vorgeschlagen. Daneben ist es auch bekannt, die Gehäuse beispielsweise zu folieren, was allerdings fertigungstechnisch aufwendig ist. Beide Verfahren bringen zudem den Nachteil mit sich, dass sie erst am Ende der Prozesskette durchgeführt werden können. Dies kann dazu führen, dass durch einen fehlerhaften Isolationsprozess ggf. die gesamte Zelle oder die gesamte Batterie unbrauchbar wird.
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil, ein Verfahren zur Herstellung oder Isolierung eines Bauteils sowie einen elektrischen Energiespeicher anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile beseitigen und dabei flexibel handhabbar und gut in eine Serienfertigung integrierbar sind.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1, durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7 sowie durch einen elektrischen Energiespeicher gemäß Anspruch 14 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und der beigefügten Figur.
-
Erfindungsgemäß umfasst ein Bauteil, insbesondere ein Gehäuse für einen elektrischen Energiespeicher, eine Wandung, wobei die Wandung zumindest bereichsweise eine Isolation aufweist, und wobei die Isolation durch eine Laserbehandlung der Wandung erzeugt ist. Bei der Wandung handelt es sich insbesondere um eine metallische Wandung, welche innen und/oder außen bzw. ein- oder beidseitig, zumindest bereichsweise, die Isolation aufweist.
-
Bevorzugt ist das Bauteil ein Gehäuse eines oder für einen elektrischen Energiespeicher. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Gehäuse eine Gehäusewand, bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff, wobei eine Außenfläche des Gehäuses bzw. der Gehäusewand zumindest bereichsweise eine Isolation aufweist, und wobei die Isolation durch eine Laserbehandlung der Außenfläche erzeugt ist. Mit Vorteil kann damit eine Isolation erzeugt werden, welche untrennbar mit der Außenfläche des Gehäuses verbunden ist, was unter anderem den Vorteil mit sich bringt, dass eine derartige Isolation zu jedem beliebigen Zeitpunkt während der Herstellung, beispielsweise des elektrischen Energiespeichers, aufgebracht werden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse ein Gehäuse für einen elektrischen Energiespeicher. Unter einem elektrischen Energiespeicher wird vorliegend insbesondere eine Lithiumionen-Batterie bzw. ein Lithiumionen-Akku mit einem prismatischen Gehäuse aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung verstanden. Alternativ kann es sich aber auch um eine Rundzelle bzw. um eine alternative, hier nicht genannte, Bauform handeln. Eine Vielzahl derartiger elektrischer Energiespeicher, insbesondere Batteriezellen, bildet, miteinander verschaltet, ein Batteriemodul, welches in einem Kraftfahrzeug, wie einem Kraftrad oder insbesondere einem Kraftwagen, wie einem Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeug, als Traktionsbatterie zum Einsatz kommt. Hierbei kann es sich um ein vollelektrisches Fahrzeug handeln oder auch um ein teilelektrisches Fahrzeug, wie ein Hybridfahrzeug.
-
Zusätzlich oder alternativ kann auch eine Innenfläche des Gehäuses zumindest bereichsweise die Isolation aufweisen. Auch die Kanten können zumindest bereichsweise die Isolation aufweisen. Das in Bezug auf die Außenfläche Gesagte gilt entsprechend.
-
Zweckmäßigerweise ist die Isolation eine Oxidschicht. Mit anderen Worten ist durch die Laserbehandlung der Außenfläche eine Oxidschicht auf dieser erzeugt, welche geeignet ist, als elektrischer Isolator zu wirken. Bevorzugt weist diese hierzu eine gewisse Stärke oder Dicke auf.
-
Zweckmäßigerweise beträgt eine Dicke der Isolation oder Oxidschicht zumindest 100 µm, bevorzugt zumindest 130 µm oder zumindest 160 µm. Es hat sich gezeigt, dass damit eine ausreichend starke elektrische Isolationswirkung bereitgestellt werden kann.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist die Außenfläche (oder die Innenfläche) des Gehäuses nur lokal eine bzw. die Isolation auf. Zweckmäßigerweise ist die Isolation nur dort vorgesehen, wo sie tatsächlich benötigt wird. Durch die Laserbehandlung ist dies einfach realisierbar. Ein unnötiges flächiges Aufbringen der Isolation kann vermieden werden, was sowohl Kosten als auch Gewicht spart. Gemäß einer Ausführungsform sind beispielsweise insbesondere die Kantenbereiche des Gehäuses zur Isolation laserbehandelt, da dort vermehr das Risiko besteht, dass Kriechströme auftreten. Daneben können aber auch die Außenflächen des Gehäuses punktuell, bereichsweise oder ggf. auch vollflächig, je nach Bedarf, isolierte Bereiche oder Abschnitte aufweisen.
-
Wie bereits erwähnt, ist das Gehäuse bevorzugt ein prismatisches Gehäuse für eine Lithiumionen-Zelle. Ein derartiges Gehäuse ist gemäß einer Ausführungsform aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Gemäß einer Ausführungsform ist die Form des Gehäuses durch Tiefziehen hergestellt. Alternativ kann das Gehäuse aber auch gegossen oder aus Einzelteilen hergestellt bzw. gefügt sein. Hierbei kann auch eine Materialkombination aus metallischen und nicht-metallischen Werkstoffen, wie Kunststoffen, zum Einsatz kommen. Gemäß einer Ausführungsform kann das Gehäuse durch Fließpressen, beispielsweise durch Impact Extrusion, bevorzugt aus Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, hergestellt sein.
-
Der Ausdruck „metallisch“ ist vorliegend dahingehend zu verstehen, dass der verwendete Gehäusewerkstoff eine Laserbehandlung zur Erzeugung einer Oxidschicht zur Isolation ermöglicht. Insofern können darunter auch Werkstoffmischungen aus metallischen und nicht-metallischen Werkstoffen fallen. Alternativ kann die Gehäusewand auch mehrlagig, z. B. zwei- oder mehrlagig, ausgebildet sein, mit einer äußeren Lage aus einem Metallwerkstoff und einer Innenlage aus einem davon unterschiedlichen Werkstoff, beispielsweise aus einem Kunststoff, etc.
-
Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung, insbesondere Isolation, eines Bauteils, umfassend den Schritt:
- - Bereitstellen eines Bauteils;
- - Zumindest bereichsweise Laserbehandeln einer Wandung des Bauteils zum Erzeugen einer Oxidschicht zur Isolation.
-
Bevorzugt ist das Bauteil ein Gehäuse für einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere für eine Batteriezelle, wie eine Lithiumionen-Zelle, insbesondere für eine Lithiumionen-Batterie, wie sie in Kraftfahrzeugen genutzt werden kann. Das Verfahren umfasst entsprechend mit Vorteil die Schritte:
- - Bereitstellen eines Gehäuses;
- - Zumindest bereichsweise Laserbehandeln einer Innen- und/oder Außenfläche des Gehäuses zum Erzeugen einer Oxidschicht zur Isolation.
Sämtliche Vorteile und Merkmale, welche im Zusammenhang mit dem Gehäuse genannt wurden, gelten sowohl für das Verfahren, wie auch umgekehrt. Gegenüber bekannten Isolationstechniken, wie das Aufbringen einer Folie oder von Isolationslacken, ist die Laserbehandlung äußerst flexibel handhabbar. So kann die Isolation sehr gezielt dort aufgebracht werden, wo sie benötigt wird. Ein Maskieren oder dergleichen, wie dies bei der Verwendung von Lacken oft durchgeführt wird, ist nicht notwendig, zweckmäßigerweise aber ebenfalls möglich. Zudem ist die Laserbehandlung in oder an den unterschiedlichsten Geometrien möglich, sodass auch Radien, Kanten oder schwer zugängliche Bereiche, wenn erforderlich, mit einer Isolation versehen werden können. Gemäß einer Ausführungsform ist die Isolation beispielsweise im Bereich von Radien, Kanten oder dergleichen beispielsweise dicker als in den flächigen Bereichen ausgeführt. Weiter vorteilhaft kann diese Technik sehr flexibel in den Herstellungsprozess, insbesondere eines Energiespeichers, integriert werden.
-
Als Laser wird gemäß einer Ausführungsform ein Nd:YAG Laser mit 532 nm Wellenlänge bei Frequenzverdopplung oder 1064 nm verwendet, wobei eine Energiedichte zweckmäßigerweise zwischen 0,05 und 75 J/cm2 eingestellt wird. Die vorgenannte Energiedichte gilt insbesondere für die kontinuierliche Bearbeitung. Gemäß einer Ausführungsform wird die Anregungsquelle gepulst, mit Frequenzen beispielsweise ein einem Bereich von 20 kHz und Energiedichten zwischen 0,1 und 100 J/cm2 betrieben.
-
Gemäß einer Ausführungsform wir ein Titan-Saphir-Laser mit einem Arbeitsbereich im infraroten Spektralbereich und einer vorhalthaft großen Bandbreite zwischen 670 und 1070 nm eingesetzt. Um eine Erwärmung der näheren Umgebung zu vermeiden, werden bevorzugt ultrakurze Pulse im Nano- bzw. Femtosekundenbereich verwendet.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Schichtweises Laserbehandeln mit steigendem Energieeintrag von Schicht zu Schicht.
Es hat sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, zunächst eine dünne feinkörnige Oxidschicht mit niedrigen Intensitäten zu erzeugen, um die mechanische Struktur und die Anbindung der weiteren Schichten zu unterstützen. In den darauffolgenden Schichten wird der Fokus auf das Wachstum der Oxidschicht gelegt, wobei dieses durch den höheren Energieeintrag unterstützt wird. Zweckmäßigerweise kann so gemäß einer Ausführungsform auf eine dünne, sehr dichte Schicht, eine poröse Schicht mit Tropfenmorphologie folgen. Besonders vorteilhaft werden vorliegend zwei bis vier Schichten aufgebracht, zweckmäßigerweise durch bzw. mit einer Steigerung der Einbringungsenergie.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Schichtweises Laserbehandeln mit einem Wechsel von kontinuierlicher Laserstrahlung zu gepulster Laserstrahlung.
Neben einer Steigerung der Einbringungsenergie ist es auch vorteilhaft, zusätzlich oder alternativ von einer kontinuierlichen zu einer gepulsten Laserstrahlung zu wechseln. Gemäß einer Ausführungsform wird auch nur mit einer kontinuierlichen oder nur mit einer gepulsten Laserstrahlung gearbeitet.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Einstellen einer Atmosphäre beim Laserbehandeln.
Dadurch kann zweckmäßigerweise die Oxidschicht, insbesondere deren Beschaffenheit bzw. deren Wachstum, beeinflusst werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Atmosphäre eine Sauerstoffatmosphäre. Gegebenenfalls führt dies allerdings sogar zu einem zu starken bzw. einem zu schnellen Wachsen der Oxidschicht, was ggf. in einem nicht idealen Schichtaufbau resultiert.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Atmosphäre daher bevorzugt zwischen 10 und 60 % Sauerstoff und zwischen 90 und 40 % Stickstoff. Eine derart eingestellte Atmosphäre führt dazu, dass die Schicht eine verbesserte Kompaktheit aufweist.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Variation einer Zusammensetzung der Atmosphäre während des Laserbehandelns, insbesondere von Schicht zu Schicht.
Zweckmäßigerweise kann dadurch, in Kombination mit den Laserparametern, beispielsweise betreffend den Energieeintrag oder die Energieeinbringung, gepulst oder kontinuierlich, ein gezieltes Wachsen der Oxidschicht bzw. auch eine gewünschte Struktur individuell und auch abhängig von der tatsächlichen Materialzusammensetzung des Gehäuses eingestellt werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist beispielsweise die Oxidschicht gezielt an den Kanten oder Radien verstärkt oder dicker ausgebildet als in den flächigen Bereichen.
-
Die Erfindung richtet sich auch auf einen elektrischer Energiespeicher, insbesondere eine Lithiumionen-Zelle, umfassend eine Gehäuse, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
-
Obwohl sich die Ausführungen auf Gehäuse für elektrische Energiespeicher fokussieren, ist dies nicht als Einschränkung zu verstehen.
-
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform eines Gehäuses mit Bezug auf die beigefügte Figur.
-
Es zeigt:
- 1: eine schematische Seitenansicht eines Gehäuses eines elektrischen Energiespeichers.
-
1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein prismatisches Gehäuse 10 eines elektrischen Energiespeichers, wie beispielsweise einer Lithiumionen-Zelle. Das Gehäuse 10 weist eine Außenfläche 12 auf, mit einer Oberseite 14 und einer Unterseite 16, wobei an der Oberseite 14 zwei Pole 30 skizziert sind. Daneben weist das Gehäuse 10 zwei kleine Seitenflächen 18 sowie zwei große Seitenflächen 17 auf. Schematisch dargestellt ist eine Isolation 20, welche bereichsweise in den Kantenbereichen der großen Seitenflächen 17 vorgesehen ist. Hierbei handelt es sich um eine Oxidschicht, welche mittels Laserbehandlung auf der Außenfläche 12 erzeugt ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Bauteil, Gehäuse
- 12
- Außenfläche
- 14
- Oberseite
- 16
- Unterseite
- 17
- große Seitenflächen
- 18
- kleine Seitenflächen
- 20
- Isolation
- 30
- Pol
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102012213868 A1 [0002]
