DE102020119791A1 - Elektrochemische Speicherzelle mit asymmetrisch angeordnetem Pol sowie Energiespeicher und Kraftfahrzeug mit einer solchen - Google Patents

Elektrochemische Speicherzelle mit asymmetrisch angeordnetem Pol sowie Energiespeicher und Kraftfahrzeug mit einer solchen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Speicherzelle (10) mit einem zylinderförmigen Gehäuse (11) aufweisend einen hohlzylindrischen Gehäuseabschnitt (12), der an einem Längsende mit einer ersten Stirnwand (13) und am anderen Längsende mit einer zweiten Stirnwand (14) versehen ist; einem in dem Gehäuse (11) aufgenommenen Zellwickel (15), der ein Anodenmaterial (16) sowie ein Kathodenmaterial (17) aufweist; einem Pluspol (20), der sich durch die erste Stirnwand (13) hindurch erstreckt und elektrisch mit dem Anodenmaterial (16) verbunden ist, und einem Minuspol (21), der sich durch die zweite Stirnwand (14) hindurch erstreckt und elektrisch mit dem Kathodenmaterial (17) verbunden ist, wobei der Pluspol (20) und/oder der Minuspol (21) auf ihren jeweiligen Stirnwänden (13, 14) asymmetrisch bezüglich jeweiliger Mittelpunkte der Stirnwände (13, 14) angeordnet sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug mit solch einer Speicherzelle (10).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine zylinderförmige, elektrochemische Speicherzelle, insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Speicherzelle.
  • Es sind Energiespeicher auf elektrochemischer Basis bekannt, welche elektrische Energie zum Antrieb elektrifizierter Kraftfahrzeuge bereitstellen. Diese Energiespeicher weisen eine Vielzahl von elektrisch seriell und/oder parallel verbundenen Speicherzellen auf. Bei diesen Speicherzellen kann es sich beispielsweise um zylinderförmige Speicherzellen handeln, sog. Rundzellen.
  • 1 zeigt eine Draufsicht, d.h. eine Sicht auf eine Stirnseite, einer solchen Speicherzelle 1 vom Stand der Technik. So weist diese Speicherzelle 1 eine Stirnwand 2 auf, auf der ein Pluspol 3, eine Berstmembrane 4 sowie eine Elektrolyt-Einfüllöffnung 5 angeordnet sind. Zwischen der Stirnwand 2 und dem Pluspol 3 ist ein Isolationsmaterial 6 angebracht. Die Berstmembrane 4 wird mittels einer die Außenkontur der Berstmembrane 4 umlaufende Schweißnaht mit der Stirnwand 2 verbunden. Ebenso wird die Elektrolyt-Einfüllöffnung 5 verschlossen, indem ein kleiner Deckel mittels einer die Kontur des Deckels umlaufenden Schweißnaht mit der Stirnwand 2 verbunden wird. Die Stirnwand 2 ist über eine die Außenkontur der Stirnwand umlaufenden Schweißnaht mit einem hohlzylindrischen Abschnitt des Gehäuses verbunden.
  • Besteht nun aus Bauraumgründen das Bedürfnis, diese zylinderförmigen Speicherzellen kleiner auszugestalten, dann würde der Zwischenraum zwischen dem Pluspol 3, der Berstmembrane 4 sowie der Elektrolyt-Einfüllöffnung 5 deutlich kleiner ausfallen, wie dies in 2 dargestellt ist. In diesem Fall die Abmessungen dieser Elemente zu verkleinern, ist aus technischen Gründen nicht möglich, da eine gewisse Mindestgröße erforderlich ist. Beispielsweise hängt die erforderliche Größe für die Berstmembrane 4 von der Energiedichte der Speicherzelle ab und kann nicht beliebig dimensioniert werden. Durch diese verkleinerten Zwischenräume steht nun jedoch nicht mehr ausreichend Platz zur Verfügung, um die oben erwähnten Schweißnähte anzubringen. Außerdem kann durch den fehlenden Abstand zum Isolationsmaterial dieses beim Schweißen und der damit verbundenen Hitze beschädigt werden.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beseitigen. Diese Aufgabe wird durch eine Speicherzelle gemäß Anspruch 1, einen Energiespeicher gemäß Anspruch 7 sowie ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine elektrochemische Speicherzelle bereitgestellt, mit einem zylinderförmigen Gehäuse aufweisend einen hohlzylindrischen Gehäuseabschnitt, der an einem Längsende mit einer ersten Stirnwand und am anderen Längsende mit einer zweiten Stirnwand versehen ist; einem in dem Gehäuse aufgenommenen Zellwickel, der ein Anodenmaterial sowie ein Kathodenmaterial aufweist; einem Pluspol, der sich durch die erste Stirnwand hindurch erstreckt und elektrisch mit dem Anodenmaterial verbunden ist, und einem Minuspol, der sich durch die zweite Stirnwand hindurch erstreckt und elektrisch mit dem Kathodenmaterial verbunden ist, wobei der Pluspol und/oder der Minuspol auf ihren jeweiligen Stirnwänden asymmetrisch bezüglich jeweiliger Mittelpunkte der Stirnwände angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass der Pluspol und/oder der Minuspol auf ihren Stirnwänden hin zu einer Seite versetzt sind (d.h. weg von einer Längsachse der Speicherzelle), so dass in einem Bereich auf der gegenüberliegenden Seite der Stirnwände mehr Platz für die Berstmembrane und die Öffnung geschaffen wird. Auf diese Weise ist ausreichend Platz zum Anbringen von Schweißnähten vorhanden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Speicherzelle ferner eine Öffnung zum Einfüllen eines Elektrolyten ins Innere des Gehäuses und einer Berstmembrane auf, wobei die Öffnung und die Berstmembrane beide innerhalb derselben Hälfte der ersten oder zweiten Stirnwand angeordnet sind.
  • Insbesondere ist ein überwiegender Teil des Plus- oder Minuspols in der anderen Hälfte der Stirnwand angeordnet ist.
  • Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine elektrochemische Speicherzelle mit einem zylinderförmigen Gehäuse aufweisend einen hohlzylindrischen Gehäuseabschnitt, der an einem Längsende mit einer ersten Stirnwand und am anderen Längsende mit einer zweiten Stirnwand versehen ist; einem in dem Gehäuse aufgenommenen Zellwickel, der ein Anodenmaterial sowie ein Kathodenmaterial aufweist; und einem Pol, der sich durch die erste Stirnwand hindurch erstreckt und elektrisch mit dem Anodenmaterial oder dem Kathodenmaterial verbunden ist, wobei zumindest die zweite Stirnwand elektrisch mit dem anderen aus dem Anodenmaterial und dem Kathodenmaterial verbunden ist, und wobei der Pol auf der ersten Stirnwand asymmetrisch bezüglich des Mittelpunkts der ersten Stirnwand angeordnet ist. Dieses Ausführungsbeispiel bietet ebenso, wie vorstehend beschreiben, den Vorteil, dass ausreichend Platz zum Anbringen von Schweißnähten vorhanden ist.
  • Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Energiespeicher mit einer ersten solchen Speicherzelle; einer zweiten solchen Speicherzelle, und einem Zellverbinder, welcher einen Plus- oder Minuspol der ersten Speicherzelle mit einem Plus- oder Minuspol der zweiten Speicherzelle verbindet, wobei die verbundenen Pole jeweils auf ihrer zugeordneten Stirnwand hin zur jeweils anderen Speicherzelle vom Mittelpunkt ihrer zugeordneten Stirnwand versetzt sind. Dadurch kann der Zellverbinder möglichst kurz gehalten werden, was zu Materialeinsparungen führt und die Herstellungskosten senkt
  • Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Energiespeicher bereit.
  • Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
    • 1 zeigt schematisch eine Draufsicht einer Speicherzelle vom Stand der Technik;
    • 2 zeigt schematisch eine Draufsicht einer anderen Speicherzelle für Erklärungszwecke;
    • 3 zeigt schematisch eine Vorderansicht einer Speicherzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    • 4 zeigt schematisch eine Draufsicht der Speicherzelle aus 3, und
    • 5 zeigt schematisch zwei Speicherzellen gemäß 3 und 4, die miteinander verbunden sind.
  • 3 zeigt schematisch eine Vorderansicht einer Speicherzelle 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und 4 zeigt schematisch eine Draufsicht, d.h. eine Stirnseite, der Speicherzelle aus 3. Bei der Speicherzelle 10 handelt es sich um eine Speicherzelle auf elektrochemischer Basis zum Speichern und Bereitstellen von elektrischer Energie, insbesondere zum Antrieb eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt), insbesondere eines Personenkraftwagens. Die Speicherzelle 10 ist wiederaufladbar. Im Kraftfahrzeug ist eine Vielzahl solcher Speicherzellen 10 elektrisch seriell und/oder parallel verbunden, um einen Energiespeicher auszubilden. Beispielsweise sind die Speicherzellen 10 in sog. Speichermodeln gruppiert, welche eine Unterbaugruppe des Energiespeichers darstellen. Innerhalb eines Speichermoduls können sie Speicherzellen 10 wieder gruppiert sein. Dabei können die Speicherzellen 10 innerhalb einer Gruppe elektrisch seriell verbunden sein und die Gruppen untereinander wiederum elektrisch parallel verbunden sein.
  • Die Speicherzelle 10 weist ein Gehäuse 11 auf, welches wiederum einen hohlzylindrischen Gehäuseabschnitt 12 hat, der an einem Längsende mit einer ersten Stirnwand 13 und am anderen Längsende mit einer zweiten Stirnwand 14 versehen ist. Im Inneren des Gehäuses ist in bekannter Weise ein Zellwickel 15 angeordnet, der ein Anodenmaterial 16 und ein Kathodenmaterial 17 aufweist. Der Zellwickel 15 wird ausgebildet, indem eine Lage des Anodenmaterials 16 und eine Lage des Kathodenmaterials 17 aufeinandergelegt und um eine Längsachse 18 gewickelt werden. Ferner befindet sich im Inneren des Gehäuses ein Elektrolyt 19, der den Zellwickel 15 umgibt.
  • Durch die erste Stirnwand 13 hindurch erstreckt sich ein Pluspol 20 und durch die zweite Stirnwand 14 erstreckt sich ein Minuspol 21. Beide Pole 20 und 21 können beispielsweise jeweils so ausgebildet sein, dass sie einen scheiben- oder tellerförmigen Abschnitt aufweisen, der sich außerhalb des Gehäuses 15 befindet, einen scheiben- oder tellerförmigen Abschnitt aufweisen, der sich innerhalb des Gehäuses 11 befindet sowie einen Steg aufweisen, der diese beiden Abschnitte miteinander verbindet. Diese beiden Abschnitte sowie der Steg sind einstückig, insbesondere monolithisch, ausgebildet und aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus einem elektrisch leitfähigen Metall. Die scheiben- oder tellerförmigen Abschnitte können in einer Draufsicht beispielsweise rund, oval, quadratisch oder rechteckig sein.
  • Auf der Seite innerhalb des Gehäuses ist der Pluspol 20 elektrisch mit der Anode 16 und der Minuspol 21 elektrisch mit der Kathode 17 verbunden, beispielsweise in Form von schematisch angedeuteten Stromableitern 22.
  • Pro Stirnwand 13, 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel jeweils nur ein einziger Pol 20, 21 angeordnet.
  • Zwischen den Stirnwänden 13, 14 und den zugeordneten Polen 20, 21 sind jeweils Kunststoffelemente 23 angeordnet. Genauer werden diese ausgebildet, indem die Pole 20, 21 mit einem Kunststoff umspritzt werden. Die Kunststoffelemente 23 sind aus einem sehr hochohmigen Material, beispielsweise 104 Ohm.
  • Auf der Stirnwand 13 ist darüber hinaus eine Berstmembrane 24 vorgesehen, die eine die Stirnwand 13 durchdringende Öffnung in der Stirnwand 13 schließt. Diese Berstmembrane 24 wird mit einer die Öffnung umlaufenden Schweißnaht an die Stirnwand 13 geschweißt.
  • Darüber hinaus ist in der Stirnwand 13 eine die Stirnwand 13 durchdringende Öffnung 25 zum Einfüllen des Elektrolyt 19 vorgesehen, die mittels eines kleinen Deckels 26 verschlossen wird, indem der Deckel 26 mittels einer die Kontur des Deckels 26 umlaufenden Schweißnaht mit der ersten Stirnwand 13 verbunden wird.
  • Bezugszeichen 27 kennzeichnet eine Mittellinie 27, beispielsweise eine Symmetrielinie, des Pluspols 20 auf der in einer Draufsicht (entlang der Längsachse 18 gesehen) der Mittelpunkt des Pluspols 20 liegt.
  • Bezugszeichen 28 kennzeichnet eine Mittellinie 28, beispielsweise eine Symmetrielinie, des Minuspols 21 auf der in einer Draufsicht (entlang der Längsachse 18 gesehen) der Mittelpunkt des Minuspols 21 liegt.
  • Erfindungsgemäß ist die Mittellinie 27 und die Mittellinie 28 nicht deckungsgleich mit der Längsachse 18, sondern die Mittellinien 27 und 28 sind von der Längsachse 18 versetzt. Anders ausgedrückt sind der Pluspol 20 und/oder der Minuspol 21 auf ihren jeweiligen Stirnwänden 13, 14 asymmetrisch bezüglich ihrer jeweiligen Mittelpunkte der Stirnwände 13, 14 angeordnet (in einer Horizontalebene gesehen, welche normal zur Längsachse 18 ist).
  • Beispielsweise beträgt der Abstand der Längsachse 18 zur Mittellinie 27 und/oder zur Mittellinie 28 bzw. (in einer Draufsicht) der Abstand des Mittelpunktes der Stirnwände 13, 14 zu dem Mittelpunkt des Pluspols 20 und/oder des Minuspols 21 zumindest 5% des Durchmessers der Stirnwände 13, 14, insbesondere zumindest 10% des Durchmessers der Stirnwände 13, 14, und insbesondere zumindest 20% des Durchmessers der Stirnwände 13, 14.
  • Dies hat den Vorteil, dass der Pluspol 20 und/oder der Minuspol 21 auf ihren Stirnwänden 13, 14 hin zu einer Seite versetzt sind, so dass in einem Bereich auf der gegenüberliegenden Seite der Stirnwände 13, 14 mehr Platz für die Berstmembrane 24 und die Öffnung 25 geschaffen wird.
  • In 4 ist eine Linie 29 eingezeichnet, welche die Stirnwände 13 und 14 in zwei gleich große Hälften unterteilt, insbesondere zwei symmetrische Hälften. Insbesondere sind dabei die Berstmembrane 24 und die Öffnung 25 so angeordnet, dass sich beide innerhalb derselben Hälfte bezüglich der Linie 29 befinden.
  • 5 zeigt schematisch zwei Speicherzellen gemäß 3 und 4, die mittels eines Zellverbinders 30 elektrisch miteinander verbunden sind. Der Zellverbinder 30 verbindet je nach gewünschter elektrischer Verschaltung die Pluspole 20 von zwei benachbarten Speicherzellen 10, die Minuspole 21 von zwei benachbarten Speicherzellen 10 oder den Pluspol 20 einer Speicherzelle 10 mit dem Minuspol 21 einer benachbarten Speicherzelle 10. Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen asymmetrischen Anordnung des Pluspols 20 und/oder des Minuspols 21 außerdem, dass benachbarte Speicherzellen 10, wie in 5 dargestellt, welche elektrisch verbunden werden sollen, so zueinander gedreht werden können, dass die zu verbindenden Pole 20, 21 die kürzeste Distanz zueinander haben. Dadurch kann der Zellverbinder 30 möglichst kurz gehalten werden, was zu Materialeinsparungen führt und die Herstellungskosten senkt.
  • Vorstehend wurde ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem auf jeder der Stirnwände 13, 14 jeweils ein einziger Pol 20, 21 angeordnet ist und der Pluspol 20 auf der gegenüberliegenden Stirnwand wie der Minuspol 21 angeordnet ist. Die Erfindung ist aber auch bei einer Speicherzelle anwendbar, welche nur einen Pluspol 20 aufweist, welcher wie im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die Stirnwand 13 durchdringt. Der Minuspol hingegen wird durch das Gehäuse 11 oder zumindest die Stirnwand 14 ausgebildet, die dazu elektrisch leitend mit der Kathode 17 verbunden ist.
  • Ebenso ist die Erfindung bei einer Speicherzelle anwendbar, welche nur einen Minuspol 21 aufweist, welcher wie im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die Stirnwand 14 durchdringt. Der Pluspol hingegen wird durch das Gehäuse 11 oder zumindest die Stirnwand 13 ausgebildet, die dazu elektrisch leitend mit der Anode 16 verbunden ist.
  • Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf das offenbarte Ausführungsbeispiel zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.

Claims (8)

  1. Elektrochemische Speicherzelle (10) mit einem zylinderförmigen Gehäuse (11) aufweisend einen hohlzylindrischen Gehäuseabschnitt (12), der an einem Längsende mit einer ersten Stirnwand (13) und am anderen Längsende mit einer zweiten Stirnwand (14) versehen ist; einem in dem Gehäuse (11) aufgenommenen Zellwickel (15), der ein Anodenmaterial (16) sowie ein Kathodenmaterial (17) aufweist; einem Pluspol (20), der sich durch die erste Stirnwand (13) hindurch erstreckt und elektrisch mit dem Anodenmaterial (16) verbunden ist, und einem Minuspol (21), der sich durch die zweite Stirnwand (14) hindurch erstreckt und elektrisch mit dem Kathodenmaterial (17) verbunden ist, wobei der Pluspol (20) und/oder der Minuspol (21) auf ihren jeweiligen Stirnwänden (13, 14) asymmetrisch bezüglich jeweiliger Mittelpunkte der Stirnwände (13, 14) angeordnet sind.
  2. Speicherzelle (10) gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend eine Öffnung (25) zum Einfüllen eines Elektrolyten (19) ins Innere des Gehäuses (11) und einer Berstmembrane (24), wobei die Öffnung (25) und die Berstmembrane (24) beide innerhalb derselben Hälfte der ersten oder zweiten Stirnwand (13, 14) angeordnet sind.
  3. Speicherzelle (10) gemäß Anspruch 2, wobei ein überwiegender Teil des Plus- oder Minuspols (20, 21) in der anderen Hälfte der Stirnwand (13, 14) angeordnet ist.
  4. Elektrochemische Speicherzelle (10) mit einem zylinderförmigen Gehäuse (11) aufweisend einen hohlzylindrischen Gehäuseabschnitt (12), der an einem Längsende mit einer ersten Stirnwand (13) und am anderen Längsende mit einer zweiten Stirnwand (14) versehen ist; einem in dem Gehäuse (11) aufgenommenen Zellwickel (15), der ein Anodenmaterial (16) sowie ein Kathodenmaterial (17) aufweist; und einem Pol (20), der sich durch die erste Stirnwand (13) hindurch erstreckt und elektrisch mit dem Anodenmaterial (16) oder dem Kathodenmaterial (17) verbunden ist, wobei zumindest die zweite Stirnwand (14) elektrisch mit dem anderen aus dem Anodenmaterial (16) und dem Kathodenmaterial (17) verbunden ist, und wobei der Pol (20) auf der ersten Stirnwand (13) asymmetrisch bezüglich des Mittelpunkts der ersten Stirnwand (13) angeordnet ist.
  5. Speicherzelle (10) gemäß Anspruch 4, ferner aufweisend eine Öffnung (25) zum Einfüllen eines Elektrolyten (19) ins Innere des Gehäuses (11) und einer Berstmembrane (24), wobei die Öffnung (25) und die Berstmembrane (24) beide innerhalb derselben Hälfte der ersten Stirnwand (13) angeordnet sind.
  6. Speicherzelle (10) gemäß Anspruch 5, wobei ein überwiegender Teil des Pols (20, 21) in der anderen Hälfte der Stirnwand (13) angeordnet ist.
  7. Energiespeicher mit einer ersten Speicherzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6; einer zweiten Speicherzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, und einem Zellverbinder (30), welcher einen Plus- oder Minuspol (20, 21) der ersten Speicherzelle (10) mit einem Plus- oder Minuspol (20, 21) der zweiten Speicherzelle (10) verbindet, wobei die verbundenen Pole (20, 21) jeweils auf ihrer zugeordneten Stirnwand (13, 14) hin zur jeweils anderen Speicherzelle (10) vom Mittelpunkt ihrer zugeordneten Stirnwand (13, 14) versetzt sind.
  8. Kraftfahrzeug mit einer Speicherzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einem Energiespeicher gemäß Anspruch 7.
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