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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses und ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche. Weiterhin betrifft die Erfindung auch deren Verwendung.
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Stand der Technik
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Eine Batteriezelle ist ein elektrochemischer Wandler, der bei seiner Entladung gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die elektrische Energie kann beispielsweise zum Fahrzeugantrieb in Elektrofahrzeugen verwendet werden. Dafür sind insbesondere lithiumhaltige Batteriezellen aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit geeignet.
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Solche Batteriezellen weisen jeweils ein Batteriezellengehäuse auf, in dem eine Vielzahl an Elektrodeneinheiten, also Anoden, Separatoren und Kathoden, aufgenommen ist. Dabei kann das Batteriezellengehäuse prismatisch, zylindrisch oder folienartig ausgeführt sein.
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Ein prismatisches Batteriezellengehäuse ist typischerweise mit einem plattenförmig ausgebildeten Gehäusedeckel verschlossen, an dem ein positiver und ein negativer Batteriezellenpol zur elektrischen Kontaktierung mit weiteren Batteriezellen positioniert sind. Dabei kann der positive bzw. negative Batteriezellenpol durch eine Öffnung des Gehäusedeckels geführt sein und an dem Gehäusedeckel befestigt sein. Im Fall eines undicht ausgeführten Verschlusses dieser Öffnung kann Luft oder auch Flüssigkeit durch die Öffnung des Gehäusedeckels in den Innenraum des Batteriezellengehäuses eindringen. Auf solche äußeren Einflüsse reagieren die Elektrodeneinheiten vergleichbar sehr empfindlich. Daher sollte die Öffnung möglichst abgedichtet ausgebildet werden. Insbesondere beansprucht jede einzelne prismatische Batteriezelle üblicherweise mehrere Dichtungs- bzw. Isolationselemente, in der Regel mindestens drei, um die in deren Innenraum eingebauten Elektrodeneinheiten beispielsweise vor Umgebungsluft schützen zu können. Die relativ hohe Anzahl an Dichtungs- bzw. Isolationselementen und der damit verbundene erhöhte Montageaufwand gestalten bspw. die Umsetzung der Elektromobilität schwierig.
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Aus dem Dokument
JP 2009152173A ist eine Rundzelle bekannt, bei der ein O-förmiger Dichtungsring zwischen einem Gehäusedeckel und einem zylindrischen Grundkörper eines Batteriezellengehäuses angeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses und ein Verfahren zu deren Herstellung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt. Weiterhin ist auch die Verwendung einer solchen Deckelbaugruppe Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Eine erfindungsgemäße Deckelbaugruppe umfasst dabei einen Gehäusedeckel mit einer Öffnung für einen Batteriezellenpol. Die Öffnung ist mit anderen Worten ausgedrückt, ausgebildet zu einer Aufnahme eines Batteriezellenpols. Dabei ist ein Durchführungselement eines Batteriezellenpols durch die Öffnung hindurchgeführt und an dem Gehäusedeckel befestigt. Vorzugsweise sind dabei der Gehäusedeckel und das Durchführungselement metallisch ausgeführt. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Durchführungselement von einem Luftspalt in der Öffnung umgeben ist. Dabei ist das Durchführungselement vorzugsweise vollumfänglich von dem Luftspalt umgeben.
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Der besondere Vorteil dabei besteht darin, dass keine zusätzlichen Elemente zur elektrischen Isolation des Durchführungselements gegenüber dem Gehäusedeckel benötigt werden. Eine derartige sich aus der Anordnung des Luftspalts innerhalb der Öffnung ergebene Isolation lässt sich vergleichbar einfach durch die Anordnung des Durchführungselements in der Öffnung realisieren. Auf diese Weise kann die Deckelbaugruppe relativ einfach hergestellt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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So ist es von Vorteil, wenn das Durchführungselement an dessen einem Ende mit einer ersten Platte und an dessen anderem Ende mit einer zweiten Platte verbunden ist. Dabei sind die erste und die zweite Platte derart miteinander verspannt, dass das Durchführungselement in der Öffnung ortsfest fixiert wird.
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Diese Maßnahme stellt sicher, dass der Luftspalt in der Öffnung beibehalten werden kann. Des Weiteren ist auf diese Weise auch gewährleitestet, dass das Durchführungselement von dem Gehäusedeckel ohne Zuhilfenahme von Isolationselementen auch bei längerem Betrieb zuverlässig elektrisch isoliert wird.
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Weiter ist es vorteilhaft, wenn ein erstes Dichtungselement zwischen der ersten Platte und dem Gehäusedeckel angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass ein zweites Dichtungselement zwischen der zweiten Platte und dem besagten Gehäusedeckel eingebracht ist. Diese Maßnahme ermöglicht bspw. eine Reduzierung der Anzahl von Dichtungselementen gegenüber dem Stand der Technik.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das erste Dichtungselement die Funktion einer elektrischen Isolation der ersten Platte gegenüber dem Gehäusedeckel ausbildet. Vorzugsweise dient auch das zweite Dichtungselement dazu, die zweite Platte gegenüber dem Gehäusedeckel elektrisch zu isolieren.
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Auf diese Weise lassen sich die Funktionen von der Abdichtung und der elektrischen Isolation in ein einziges Bauteil integrieren. Damit wird die Gesamtanzahl der nötigen Dichtungs- und Isolationselemente reduziert.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das erste Dichtungselement in Form einer ersten Polymerfolie ausgestaltet. Zugleich ist das zweite Dichtungselement in Form einer zweiten Polymerfolie ausgeführt. Dabei beträgt die jeweilige Dicke der Polymerfolie vorzugsweise 100 bis 400 µm.
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Damit wird der Gehäusedeckel vor allem durch die darauf aufgebrachte erste Polymerfolie neben einem elektrischen Kurzschluss auch vor Korrosion geschützt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die erste oder die zweite Polymerfolie ein Epoxidmaterial mit anorganischen Füllstoffen auf. Dabei sind die anorganischen Füllstoffe vorzugsweise SiO2, Al2O3, BN oder deren Mischung. Diese Füllstoffe sind vor allem durch ihre relativ hohe mechanische Festigkeit gekennzeichnet. Damit wird eine robuste Abdichtung der ersten Platte gegenüber dem Gehäusedeckel sowie der zweiten Platte gegenüber dem Gehäusedeckel durch die Verwendung der ersten und der zweiten Polymerfolie in der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe gewährleistet.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die erste Polymerfolie eine erste Aufnahmeöffnung aufweist. Dabei wird die erste Aufnahmeöffnung derart ausgestaltet, dass die erste Aufnahmeöffnung eine dem einen Ende des Durchführungselements entsprechende Geometrie hat. Vorteilhafterweise weist die zweite Polymerfolie eine zweite Aufnahmeöffnung auf, die die identische Abmessung wie das andere Ende des Durchführungselements hat.
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Eine derartige Ausgestaltung der ersten und der zweiten Polymerfolie entspricht dem Poka-Yoke-Prinzip in der Art, dass die erste bzw. die zweite Aufnahmeöffnung dieselbe Abmessung wie das entsprechende Ende des Durchführungselements aufweist. Durch die Anwendung des Poka-Yoke-Prinzips können mögliche Montagefehler wie Versetzung einer der Polymerfolien auf das Durchführungselement vermieden werden. Damit ist das Durchführungselement durch die erste sowie durch die zweite Aufnahmeöffnung insbesondere passgenau hindurchgeführt. Auf diese Weise wird das Durchführungselement zusätzlich an dessen beiden Enden von der ersten und der zweiten Polymerfolie abgedichtet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Deckelbaugrupp bereitgestellt.
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Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Durchführungselement für einen Batteriezellenpol derart durch eine Öffnung eines Gehäusedeckels hindurchgeführt, dass das Durchführungselement vorzugsweise vollumfänglich von einem Luftspalt in der Öffnung des Gehäusedeckels umgeben wird. Dabei ist es vorgesehen, dass das Durchführungselement einen kleineren Durchmesser als die Öffnung des Gehäusedeckels aufweist.
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Daraufhin wird in einem zweiten Verfahrensschritt das Durchführungselement an dessen einem Ende mit einer ersten Platte und an dessen anderem Ende mit einer zweiten Platte verbunden, wobei die erste und die zweite Platte derart miteinander verspannt werden, dass das Durchführungselement in der Öffnung ortsfest fixiert wird.
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Dafür wird vorzugsweise in einem Bereitstellungsverfahrensschritt vor dem ersten Verfahrensschritt eines der Enden des Durchführungselements mit einem Außengewinde und dementsprechend eine oder beide Platten mit einem Innengewinde ersehen.
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Weiterhin wird vorzugsweise in einem Zwischenverfahrensschritt zwischen dem ersten und dem zweiten Verfahrensschritt ein erstes Dichtungselement in Form einer ersten Polymerfolie zwischen der ersten Platte und dem Gehäusedeckel vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich wird ein zweites Dichtungselement in Form einer zweiten Polymerfolie zwischen der zweiten Platte und dem Gehäusedeckel vorgesehen.
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Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass keine zusätzlichen Verfahrensschritte zum Verkleben der Dichtungselemente mit einer der Platten oder mit dem Gehäusedeckel benötigt werden. In diesem Fall lässt sich die gesamte Fixierung alleine durch eine mechanische Verspannung der ersten Platte mit der zweiten Platte realisieren.
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Die Deckelbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich vorteilhaft in einem Batteriezellengehäuse in lithiumhaltigen Batteriesystemen wie Lithium-Ionen-Batterien, lithiumhaltigen Solid-State-Batterien, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien einsetzen. Diese können wiederum Anwendung in elektrischen Fahrzeugen, in Hybridfahrzeugen oder in stationären Anwendungen wie beispielsweise zur Speicherung regenerativ gewonnener elektrischer Energie finden.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Schnittansicht einer Deckelbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
- 2 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Deckelbaugruppe gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe 10 gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt.
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Die Deckelbaugruppe 10 umfasst beispielsweise einen Gehäusedeckel 12, welcher in 1 mit einer ersten Öffnung 14 vorgesehen ist. In der Regel beinhaltet der Gehäusedeckel 12 noch eine zweite Öffnung, welche typischerweise der ersten Öffnung 14 entsprechend ausgestaltet ist. Daher ist die zweite Öffnung in 1 schematisch nicht abgebildet und bezüglich deren entsprechender Beschreibung wird auf die besagte erste Öffnung 14 verwiesen. Ein Gehäusedeckel 12 ist Teil eines in der 1 nicht vollständig gezeigten Batteriezellengehäuse. Insbesondere verschließt dabei der Gehäusedeckel 12 das Batteriezellengehäuse.
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Weiter umfasst die Deckelbaugruppe 10 einen Batteriezellenpol 16, welcher sich beispielsweise aus einem Durchführungselement 162 und einer an dessen einem Ende aufgebrachten ersten Platte 164 sowie einer mit dessen anderem Ende verbundenen zweiten Platte 166 zusammensetzt. Wie aus 1 zu erkennen ist, sind das eine Ende und das andere Ende in einer Längsrichtung des Durchführungselements 162 einander gegenüberliegend angeordnet. Weiterhin ist zu bemerken, dass das Durchführungselement 162 zumindest teilweise innerhalb der ersten Öffnung 14 verlaufend angeordnet ist.
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Die erste Platte 164 ist dabei beispielsweise mit dem Durchführungselement 162 verschraubt ausgebildet verbunden. Dabei kann die erste Platte 164 derart gegen die zweite Platte 166 verspannt sein, dass das Durchführungselement 162 in der ersten Öffnung 14 des Gehäusedeckels 12 ortsfest fixiert wird. Insbesondere wirkt jeweils eine Kraft von der ersten Platte 164 in Richtung der zweiten Platte 166 und umgekehrt, welche weiterhin gegen den Gehäusedeckel 12 bzw. in Richtung des Gehäusedeckels 12 drücken. Dabei sind das Durchführungselement 162 und die erste sowie die zweite Platte 164, 166 beispielsweise aus Aluminium hergestellt. Die Länge bzw. die Breite der beiden Platten 164, 166 sind grundsätzlich je nach Anwendungsfall frei wählbar.
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Um den Gehäusedeckel 12 gegenüber der ersten Platte 164 elektrisch zu isolieren, ist beispielsweise eine erste Polymerfolie 13 zwischen der ersten Platte 164 und dem Gehäusedeckel 12 angeordnet. Weiter ist eine zweite Polymerfolie 15 zwischen dem Gehäusedeckel 12 und der zweiten Platte 166 vorgesehen, um den Gehäusedeckel 12 gegenüber der zweiten Platte 166 elektrisch zu isolieren. Die zweite Polymerfolie 15 ist beispielsweise mittels Druck oder Temperatur auf der zweiten Platte 16 befestigt.
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In 2 ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 20 zur Herstellung einer Deckelbaugruppe 10 schematisch dargestellt.
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Zunächst wird in einem Bereitstellungsverfahrensschritt 200 ein Batteriezellenpol 16 umfassend ein Durchführungselement 162 vorgefertigt. Dabei wird das Durchführungselement 162 an dessen einem Ende auf einer zweiten Platte 166 beispielsweise angeschweißt.
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Daraufhin wird in einem Vorbereitungsverfahrensschritt 202 eine zweite Polymerfolie 15 mit einer vorgestanzten zweiten Aufnahmeöffnung 150 auf die zweite Platte 166 aufgebracht. Dabei wird das Durchführungselement 162 durch die zweite Aufnahmeöffnung 150 der zweiten Polymerfolie 15 hindurchgeführt.
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Daraufhin wird vorteilhafterweise in einem ersten Verfahrensschritt 204 das Durchführungselement 162 derart durch eine erste Öffnung 14 eines Gehäusedeckel 12 hindurchgeführt, dass ein Luftspalt 18 vollumfänglich umlaufend um das Durchführungselement 162 in der Öffnung 14 vorgesehen wird.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn in einem Zwischenverfahrensschritt 206 eine mit einer ersten Aufnahmeöffnung 130 vorgesehene erste Polymerfolie 13 auf dem Gehäusedeckel 12 angeordnet wird. Dabei wird das Durchführungselement 162 durch die erste Aufnahmeöffnung 130 der ersten Polymerfolie 13 hindurchgeführt.
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Daraufhin wird in einem zweiten Verfahrensschritt 208 das Durchführungselement 162 an dessen anderem Ende mit einer ersten Platte 164 verbunden. Dabei werden das Durchführungselement 162 beispielsweise an seinem eine Ende, welches mit der ersten Platte 164 verbunden wird, und die erste Platte 164 jeweils mit einem Gewinde ausgestaltet. Die erste Platte 164 wird dabei derart mit dem Durchführungselement 162 verschraubt, dass das Durchführungselement 162 in der Öffnung 14 ortsfest fixiert wird.
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Die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe 10 lässt sich vorteilhaft in lithiumhaltigen Batteriesystemen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, lithiumhaltigen Solid-State-Batterien, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien, verwenden. Diese wiederum finden Anwendung in E-Bikes oder Kraftfahrzeugen sowie in der stationären Speicherung elektrischer Energie.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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