-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Deckelbaugruppe für eine Batteriezelle, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
-
Stand der Technik
-
Üblicherweise umfassen Deckelbaugruppen von Batteriezellen zwei Batterieterminals zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle. Die Batterieterminals sind im Inneren der Batteriezelle mit einem Elektrodenverbund der Batteriezelle elektrisch leitend verbunden und durch den Deckel des Batteriezellgehäuses nach außen geführt. Eine ein derartiges Batterieterminal beinhaltende Deckelbaugruppe muss daher zum einen eine ausreichende elektrische Isolation des Batteriezellegehäuses, das üblicherweise aus Metall ausgeführt ist, gewährleisten, sowie zum anderen eine Mediendichtheit der Durchführung des Batterieterminals durch den Batteriezellgehäusedeckel, um zu verhindern, dass beispielsweise der in der Batteriezelle vorhandene Flüssigelektrolyt aus dem Batteriezellgehäuse austreten kann. Die elektrische Isolation sowie die Mediendichtheit einer derartigen Deckelbaugruppe einer Batteriezelle bedingt somit die Verwendung beispielsweise mehrerer Einlegeteile.
-
Darüber hinaus ist es bekannt, Teile der Deckelbaugruppe mittels eines Spritzgussprozesses in polymerer Form auszuführen. So ist beispielsweise in der
US 2010/273046 und in der
US 2011/302414 eine Deckelbaugruppe einer Batteriezelle beschrieben, bei der unterschiedliche polymere Komponenten der Deckelbaugruppe durch Spritzgussprozesse erzeugt werden. Weiterhin ist aus der
US 2012/156583 ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für Brennstoffzellen bekannt, bei dem eine Mehrkomponentenspritzgusstechnik zum Einsatz kommt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Deckelbaugruppe für Batteriezellen, ein Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Deckelbaugruppe für eine Batteriezelle, die einen flächig ausgeführten Deckel aufweist, der beim späteren Verbau als Deckel eines Batteriezellgehäuses fungiert. Der Deckel weist eine Durchbrechung zur Durchführung eines Batteriezellterminals auf. Um dieses gegenüber dem Deckel der Deckelbaugruppe elektrisch zu isolieren, weist die Deckelbaugruppe ein erstes und ein zweites elektrisch isolierendes Bauteil auf, wobei das erste elektrisch isolierende Bauteil zumindest teilweise auf einer dem Inneren einer Batteriezelle zugewandten Seite des Deckels angeordnet ist und das zweite elektrisch isolierende Bauteil auf einer Außenseite einer Batteriezelle entsprechenden Außenseite des Deckels. Erfindungsgemäß sind das erste und das zweite elektrisch isolierende Bauteil stoffschlüssig miteinander verbunden.
-
Der besondere Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass auf diese Weise zum einen eine elektrische Isolation des Deckels der Deckelbaugruppe gegenüber dem Batteriezellterminal gewährleistet ist, zum anderen gleichzeitig jedoch auch eine ausreichende Mediendichtheit des Deckels.
-
Die Bedeutung der Mediendichtheit ist vor allem darin zu sehen, dass beispielsweise ein flüssiger Elektrolyt einer Batteriezelle nicht im Bereich eines Batteriezellterminals aus dem Inneren der Batteriezelle nach außen gelangen kann. Üblicherweise wird dazu beispielsweise zwischen dem ersten und dem zweiten elektrisch isolierenden Bauteil ein elastomerer Dichtungsring eingesetzt, um eine ausreichende Dichtigkeit der Deckelbaugruppe zu gewährleisten. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Deckelbaugruppe kann die Verwendung eines derartigen elastomeren Dichtungsringes jedoch entfallen.
-
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
So ist es von Vorteil, wenn das erste und zweite elektrisch isolierende Bauteil in einer durch ein Mehrkomponentenspritzgussverfahren erzeugten Form vorliegen. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass durch die Verwendung eines Mehrkomponentenspritzgussverfahrens das erste und zweite elektrisch isolierende Bauteil nicht nur in physischem Kontakt, sondern zusätzlich auch in einer stoffschlüssigen Verbindung miteinander vorliegen.
-
Weiterhin ist von Vorteil, wenn das erste und das zweite elektrisch isolierende Bauteil hinsichtlich der Materialauswahl so aufeinander abgestimmt sind, dass die zugrunde liegenden polymeren Materialien bei Verwendung einer Mehrkomponentenspritzgusstechnik zu einem stabilen stoffschlüssigen Verbund der beiden elektrisch isolierenden Bauteile miteinander führen. So ist von Vorteil, wenn das erste elektrisch isolierende Bauteil beispielsweise aus einem Ethylen-Propylen-Dien-Copolymer (EPDM) oder einem Polyphenylensulfid (PPS) ausgeführt ist.
-
Entsprechend vorteilhaft ist es, wenn das zweite elektrisch isolierende Bauteil aus einem Ethylen-Propylen-Dien-Copolymer (EPDM), einem Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN), einem Polybutylentherephtalat (PBT), einem Polyamid (PA), insbesondere einem Polyamid 6.6, oder einem Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS) ausgeführt ist. Grundsätzlich ist von Vorteil, wenn das erste und das zweite elektrisch isolierende Bauteil aus unterschiedlichen Materialien ausgeführt sind. Dementsprechend ist für den Fall, dass das erste und das zweite elektrisch isolierende Bauteil aus EPDM ausgeführt ist, das verwendete EPDM für das erste elektrisch isolierende Bauteil verglichen mit dem polymeren Material des zweiten isolierenden Bauteils unterschiedlich ausgeführt, beispielsweise hinsichtlich des dem Polymer zugrundeliegenden Dienst, hinsichtlich der Struktur des Polymers, beispielsweise des Füllstoffgehalts des Polymers oder der Härte des Polymers.
-
Der besondere Vorteil dieser Materialauswahl ist darin zu sehen, dass beispielsweise das zweite elektrisch isolierende Bauteil aufgrund seiner Ausführung aus EPDM einen elastomeren Charakter aufweist, während hingegen das erste elektrisch isolierende Bauteil aufgrund des verwendeten polymeren Materials einen mechanisch stabileren Charakter und eine ausreichende elektrisch isolierende Wirkung zeigt.
-
Der Erfindung liegt weiter ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe zugrunde. Bei diesem wird innerhalb eines Spritzgusswerkzeugs ein erster Bauraum freigegeben, der in seiner Dimensionierung den Dimensionen des ersten elektrisch isolierenden Bauteils entspricht. Anschließend wird in einem zweiten Schritt der erste Bauraum mit einem ersten polymeren Material unter Ausbildung des ersten elektrisch isolierenden Bauteils verfüllt. In einem dritten Schritt wird dann innerhalb des Spritzgusswerkzeugs ein zweiter Bauraum freigegeben, der sich räumlich an den ersten Bauraum anschließt und der in seiner Dimensionierung den Dimensionen des zweiten elektrisch isolierenden Bauteils entspricht.
-
In einem vierten Schritt wird dann der zweite Bauraum mit einem zweiten polymeren Material unter Ausbildung des zweiten elektrisch isolierenden Bauteils verfüllt. Dabei wird das zweite polymere Material an das erste polymere Material angespritzt, derart, dass es zu einer stoffschlüssigen Verbindung des ersten polymeren Materials an das zweite polymere Material kommt. Der besondere Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass im selben Spritzgusswerkzeug sowohl das erste als auch das zweite elektrisch isolierende Bauteil nacheinander unmittelbar erzeugt werden können und es dadurch zu einer stoffschlüssigen Verbindung beider Bauteile miteinander kommt.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zur Herstellung der Deckelbaugruppe einen zusätzlichen fünften Verfahrensschritt, bei dem ein weiterer, dritter Bauraum innerhalb des Spritzgusswerkzeugs freigegeben wird, der an das erste elektrisch isolierende Bauteil angrenzt und der in seiner Dimensionierung derart gewählt ist, dass er den Dimensionen eines dritten elektrisch isolierenden Bauteils der Deckelbaugruppe entspricht.
-
In einem abschließenden sechsten Verfahrensschritt wird der dritte Bauraum mit einem dritten polymeren Material verfüllt, unter Ausbildung des dritten elektrisch isolierenden Bauteils, wobei das dritte elektrisch isolierende Bauteil stoffschlüssig an das erste elektrisch isolierende Bauteil angespritzt wird und an dieses angebunden ist.
-
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Herstellung des ersten bzw. zweiten elektrisch isolierenden Bauteils derart, dass innerhalb eines Spritzgusswerkzeugs im Rahmen eines Bi-Injektions-Verfahrens über eine erste Zufuhröffnung ein erstes polymeres Material und über eine zweite Zufuhröffnung ein zweites polymeres Material in den Bauraum eingespritzt wird. Dabei entspricht die Dimensionierung des ersten Bauraums den Dimensionen einer Kombination aus erstem und zweitem elektrisch isolierenden Bauteil.
-
Die Zugabe von erstem bzw. zweitem polymerem Material erfolgt vorzugsweise derart, dass sich innerhalb eines ersten Bereichs des ersten Bauraums aus dem ersten polymeren Material ein Spritzgusskörper mit den Dimensionen des ersten elektrisch isolierenden Bauteils und in einem zweiten Bereich des ersten Bauraums aus dem zweiten polymeren Material ein Formkörper mit den Dimensionen des zweiten elektrisch isolierenden Bauteils bildet, wobei im finalen Stadium beide Formkörper derart aneinander stoßen, dass sie in physisch grenzflächigen Kontakt zueinander stehen und stoffschlüssig miteinander verbunden sind, so dass im Endresultat das auf diese Weise gleichzeitig erzeugte erste und zweite elektrische Bauteil stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
-
Der besondere Vorteil eines Bi-Injektionsverfahren besteht in den kurzen Prozesszeiten, da ein erstes und ein zweites elektrisch isolierendes Bauteil gleichzeitig erzeugt werden können. Grundsätzlich ist es auch möglich, das Bi-Injektions-Verfahren auf die gleichzeitige Herstellung von mehr als nur zwei elektrisch isolierenden Bauteilen, die miteinander in stoffschlüssigem Kontakt stehen, zu erweitern.
-
Zu diesem Zweck weist der Bauraum die Dimensionen einer Kombination aller gleichzeitig zu erzeugender elektrisch isolierender Bauteile auf und eine entsprechende Anzahl an Zufuhröffnungen für die Zufuhr von erstem, zweitem und weiteren polymeren Materialien, die zur Herstellung der mehreren elektrisch isolierenden Bauteilen benötigt werden.
-
Weiterhin ist von besonderem Vorteil, wenn der Deckel und/oder das Batteriezellterminal der Deckelbaugruppe zuvor mit einer adhäsionsverbessernden Oberflächenbehandlung vorbehandelt wird. Geeignet sind in vorteilhafter Weise beispielsweise eine Kombination aus einem Sandstrahlen der Oberfläche mit gleichzeitiger oder sich anschließender Silikatisierung der Oberfläche oder eine Laserstrukturierung der Oberfläche mit gleichzeitiger oder sich anschließender Oxidation.
-
Die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe eignet sich in vorteilhafter Weise für die Verwendung in Batteriezellen, insbesondere Lithiumionen-Batteriezellen, in der Anwendung für Elektrofahrzeuge, wie bspw. batteriebetriebene Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge oder Plug-In-Hybridfahrzeuge, sowie in stationären Speichern zur Speicherung elektrischer Energie, in akkubetriebenen Elektrowerkzeugen sowie in Haushaltsgeräten.
-
Figurenliste
-
In der Figur sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe in einer Explosionszeichnung,
- 2a bis 2c schematische Ansichten eines Verfahrens zur Herstellung einer Deckelbaugruppe gemäß 1 gemäß einer ersten Ausführungsform und
- 3a bis 3d schematische Ansichten eines Verfahrens zur Herstellung einer Deckelbaugruppe gemäß 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform.
-
In 1 ist eine Deckelbaugruppe für eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithiumionen-Batteriezelle im Einzelnen dargestellt. Die Deckelbaugruppe 100 enthält einen plattenförmigen Deckel 151, der bei einem Einbau in eine entsprechende Batteriezelle als Deckel eines entsprechenden Batteriezellgehäuses dient. Der Deckel 151 ist beispielsweise rechteckig und beispielsweise aus einem metallischen Material ausgeführt.
-
Auf der Unterseite des Deckels 151, bzw. in Richtung eines Innenraums einer mit der Deckelbaugruppe 100 versehenen Batteriezelle weisend befindet sich ein erstes Isolationselement 155 in Form eines Bauteils aus einem elektrisch isolierenden Material. Dieses befindet sich beispielsweise zwischen dem Deckel 151 und einer Sammelplatte 121, welche bei Einbau der Deckelbaugruppe 100 in eine nicht dargestellte Batteriezelle beispielsweise mit Stromableitern einer Elektrodenanordnung der Batteriezelle in stromleitendem Kontakt steht. Die Sammelplatte 121 weist beispielsweise eine Durchbrechung 121a für eine axiale Fixierung der Sammelplatte 121 an einem Batterieterminal 122 auf.
-
Der Deckel 151 weist weiterhin eine beispielsweise rechteckförmig ausgeführte Durchbrechung 153 auf. In diese rechteckförmige Durchbrechung 153 greift das erste elektrisch isolierende Bauteil 155 beispielsweise in zusammengebautem Zustand der Deckelbaugruppe 100 mit einem Vorsprung ein. Oberhalb des Deckels 151 befindet sich beispielsweise ein Batterieterminal 122, das beispielsweise eine Anschlussplatte 122a aufweist, sowie ein Vorsprung 122b.
-
Das Batterieterminal 122 weist darüber hinaus beispielsweise eine axiale Durchbrechung 122d auf, welche beispielsweise in zusammengebautem Zustand der Deckelbaugruppe 100 fluchtend mit der Durchbrechung 121a der Sammelplatte 121 ausgerichtet ist. Zwischen dem Deckel 151 und dem Batterieterminal 122 befindet sich beispielsweise ein zweites elektrisch isolierendes Bauteil 157, welches beispielsweise den Deckel 151 elektrisch von dem Batterieterminal 122 isoliert.
-
Die Durchbrechungen 121a, 153 und 122d werden beispielsweise von einem elektrischen Anschluss, der in 1 nicht dargestellt ist, durchgriffen, um eine elektrisch leitfähige Verbindung der Sammelplatte 121 mit dem Batterieterminal 122 zu gewährleisten. In zusammengebautem Zustand bilden das erste und das zweite elektrisch isolierende Bauteil 155, 157 einen aneinandergrenzenden und stoffschlüssig miteinander verbundenen Verbund.
-
Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe 100 ist in den 2a bis 2c schematisch verdeutlicht. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.
-
Eine Kombination aus dem Deckel 151, der Sammelplatte 121 und einem die Sammelplatte 121 mit einem später hinzuzufügenden Batterieterminal 122 elektrisch verbindenden Kontaktstift 159 werden in einem ersten Arbeitsraum einer Spritzgussvorrichtung 200 vorgelegt. Der erste Arbeitsraum wird beispielsweise durch eine statisch ortsfeste Arbeitsraumbegrenzung 202 und eine axial verstellbare Arbeitsraumbegrenzung 204 äußerlich begrenzt. Die axial bewegliche Arbeitsraumbegrenzung 204 umfasst dabei beispielsweise eine erste Einfüllöffnung 206 für ein polymeres einzuspritzendes Material.
-
Der erste Arbeitsraum wird nun in einem ersten Arbeitsschritt mit einem polymeren Material durch die erste Einspritzöffnung 206 befüllt unter Ausbildung eines ersten elektrisch isolierenden Bauteils 155. In einem zweiten Schritt wird die erste axial bewegliche Arbeitsraumbegrenzung 204 in durch den Pfeil 208 gemäß 2b verdeutlichter axialer Richtung derart verstellt, dass sich ein zweiter Arbeitsraum innerhalb der Spritzgussvorrichtung 200 ausbildet. Durch die erste Einspritzöffnung 206 wird nun in den zweiten Arbeitsraum ein zweites polymeres Material eingefüllt unter Ausbildung des zweiten elektrisch isolierenden Bauteils 157.
-
Dabei wird das zweite elektrisch isolierende Bauteil 157 an die Oberfläche des ersten elektrisch isolierenden Bauteils 155 angespritzt. Diese spezielle Methodik eines Mehrkomponentenspritzgusses wird auch als Core-Back-Verfahren bezeichnet. Abschließend wird die Deckelbaugruppe 100 entformt und - wie in 2c dargestellt - abschließend mit dem Batterieterminal 122 versehen.
-
Dabei wird als erstes polymeres Material beispielsweise ein Ethylen-Propylen-Dien-Copolymer (EPDM) oder ein Polyphenylensulfid (PPS) verwendet. Als zweites polymeres Material wird beispielsweise ein Ethylen-Propylen-Dien-Copolymer (EPDM) verwendet, wobei das zweite polymere Material sich beispielsweise hinsichtlich des verwendeten Dienst, hinsichtlich dessen Kettenlänge, dessen Vernetzungsgrades oder hinsichtlich der Füllstoffe von einem EPDM, wie es beispielsweise für das erste polymere Material verwendet wird, unterscheidet. Weiterhin kann als zweites polymeres Material auch ein Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN), ein Polybutylentherephtalat (PBT), ein Polyamid (PA), insbesondere ein Polyamid 6.6, oder ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS) verwendet werden.
-
Dabei hat das erste polymere Material beispielsweise den Vorteil, dass es eine ausreichende mechanische Stabilität und gleichzeitig eine ausreichende Wirkung als Barriere gegenüber einem Austreten eines insbesondere flüssigen Elektrolyten aus der Batteriezelle aufweist.
-
Das zweite polymere Material zeigt ebenfalls eine ausreichende mechanische Stabilität und gleichzeitig eine ausreichende Wirkung als Barriere gegenüber einem Eindringen der Umgebungsatmosphäre, insbesondere Luft bzw. Sauerstoff, oder von Wasser bzw. Wasserdampf in das Innere der Batteriezelle.
-
Besonders bevorzugt ist eine Kombination aus Polybutylentherephtalat (PBT) und Ethylen-Propylen-Dien-Copolymer (EPDM) als polymere Materialien.
-
In den 3a bis 3d ist ein zweites Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe 100 schematisch verdeutlicht. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in den 1 und 2.
-
Im Unterschied zu dem in den 2a bis 2c dargestellten ersten Verfahren zur Herstellung einer Deckelbaugruppe 100 umfasst die Spritzgussvorrichtung 200 gemäß 3a bis 3c eine erste axial verschiebbare Arbeitsraumbegrenzung 204, sowie eine zweite axial verschiebbare Arbeitsraumbegrenzung 204a, welche beispielsweise in einer durch den Pfeil 210 verdeutlichte axiale Richtung innerhalb der Spritzgussvorrichtung 200 beweglich angeordnet ist.
-
Vergleichbar dem in den 2a bis 2c dargestellten ersten Verfahren wird zunächst in einem ersten Schritt, wie in 3a verdeutlicht, ein erster Abschnitt des elektrisch isolierenden Bauteils 155a durch Befüllen des ersten Arbeitsraums mit einem ersten polymeren Material durch die Befüllöffnung 206 erzeugt. In einem zweiten Schritt, wie in 3b dargestellt, und vergleichbar mit der Vorgehensweise in 2b bezüglich des ersten Verfahrens, wird nun die erste axialbewegliche Arbeitsraumbegrenzung 204 axial in Pfeilrichtung 208 bewegt und durch die erste Einfüllöffnung 206 der dabei entstehende Arbeitsraum mit einem zweiten polymeren Material, welches sich von dem ersten polymeren Material unterscheidet, befüllt unter Ausbildung des zweiten elektrisch isolierenden Bauteils 157.
-
In einem weiteren Schritt erfolgt nun gemäß 3c eine axiale Bewegung der zweiten Arbeitsraumbegrenzung 204a in eine durch die Pfeilrichtung 210 angedeuteten axiale Bewegungsrichtung. Der sich dabei ausbildende zweite Arbeitsraum wird durch eine zweite Befüllöffnung 212 mit einem dritten polymeren Material befüllt unter Ausbildung eines zweiten Abschnitts 155b des ersten elektrisch isolierenden elektrischen Bauteils 155, dessen erster Abschnitt 155a bereits im ersten Verfahrensschritt gemäß 3a erzeugt wurde. Bei dem polymeren Material zur Erzeugung des zweiten Abschnitts 155a des elektrisch isolierenden Bauteils 155 kann es sich beispielsweise um das gleiche polymere Material handeln, wie es als erstes polymeres Material gemäß dem ersten Verfahrensschritt zur Erzeugung des ersten Abschnitts 155a des elektrisch isolierenden Bauteils 155 zum Einsatz kam.
-
Es ist jedoch auch möglich, ein anderes polymeres Material, beispielsweise das zweite bereits erwähnte Material oder ein beliebig anderes polymeres Material zum Einsatz zu bringen, solange es eine stoffschlüssige Verbindung mit dem ersten polymeren Material des ersten Abschnitts 155a des elektrisch isolierenden Bauteils 155 ermöglicht. Die dabei entstehende Deckelbaugruppe 100 ist in 3d dargestellt, wobei das erste elektrisch isolierende Material 155 nun aus einem im ersten Verfahrensschritt erzeugten ersten Abschnitt 155a und einem im dritten Verfahrensschritt erzeugten zweiten Abschnitt 155b aufgebaut ist.
-
Die derart erzeugte Deckelbaugruppe 100 lässt sich beispielsweise einsetzen in Batteriezellen, wie insbesondere Lithiumionen-Batteriezellen, die wiederum Verwendung finden in wiederaufladbaren Batterien, in Elektrofahrzeugen, wie beispielsweise batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (BEV), in Hybridfahrzeugen (HEV) und Plug-In-Hybridfahrzeugen (PHEV), wie auch in stationären Speichern für elektrische Energie, in akkubetriebenen Elektrowerkzeugen sowie in Haushaltsgeräten.
-
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
-
- US 2010273046 [0003]
- US 2011302414 [0003]
- US 2012156583 [0003]
