DE102020130686A1 - Verfahren zur Herstellung einer Lithiumionen-Batteriezelle und Lithiumionen-Batteriezelle - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Lithiumionen-Batteriezelle (10) angegeben, bei dem ein Stromkollektor (7) mindestens einer negativen Elektrode der Lithiumionen-Batteriezelle (10) mit einer Anschlussplatte (12) an einem Batteriezellgehäuse (14) der Lithiumionen-Batteriezelle (10) verbunden wird. Bei dem Verfahren werden ein Verbindungsstift (1) und eine Anschlussplatte (12) mit einer Öffnung (2) für den Verbindungsstift (1) bereitgestellt, wobei die Anschlussplatte (12) ein Material mit einem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Verbindungsstift (1). Die Anschlussplatte (12) wird erhitzt und der Verbindungsstift (1) in die Öffnung (2) der Anschlussplatte (12) eingeführt. Durch Abkühlen der Anschlussplatte (12) wird der Verbindungsstift (1) in der Anschlussplatte (12) fixiert. Der Verbindungsstift (1) wird durch eine Öffnung (5) in dem Batteriezellgehäuse (14) geführt und mit dem Stromkollektor (7) verbunden. Weiterhin wird eine mit dem Verfahren herstellbare Lithiumionen-Batteriezelle (10) angegeben.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lithiumionen-Batteriezelle sowie eine mit dem Verfahren herstellbare Lithiumionen-Batteriezelle.
• In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen wie Elektrofahrzeugen, Hybrid- oder Plug-In-Hybridfahrzeugen werden Hochvolt-Batterien eingesetzt, die typischerweise ein oder mehrere Batteriemodule mit jeweils mehreren Batteriezellen aufweisen. Aufgrund der erzielbaren hohen Energiedichte werden in Kraftfahrzeugen insbesondere Lithiumionen-Batteriezellen eingesetzt. Hier und im Folgenden wird der Begriff „Lithiumionen-Batteriezelle“ synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und Zellen verwendet, wie beispielsweise Lithium-Batterie, Lithium-Zelle, Lithium-Polymer-Zelle und Lithiumionen-Akkumulator. Insbesondere sind wieder aufladbare Batterien (Sekundärbatterien) inbegriffen. Die Lithiumionen-Batteriezelle kann auch eine Festkörperbatterie sein, beispielsweise eine keramische oder polymerbasierte Festkörperbatterie.
• Die Elektrodenaktivmaterialien einer Lithiumionen-Batteriezelle sind in der Regel auf Folien aus Aluminium bzw. Kupfer aufgebracht, wobei die Folien jeweils mit dem Stromkollektor verbunden sind. Die Stromkollektoren können mit Anschlussplatten an der Außenseite eines Batteriezellgehäuses der Lithiumionen-Batteriezelle verbunden sein, wobei die Anschlussplatten das positive und negative Terminal der Batteriezelle ausbilden. Bei einer Lithiumionen-Batteriezelle weist die positive Elektrode (Kathode) in der Regel einen Stromkollektor aus Aluminium und die negative Elektrode (Anode) einen Stromkollektor aus Kupfer auf. Aufgrund der elektrochemischen Eigenschaften wird an der negativen Elektrode kein Aluminium für den Stromkollektor verwendet, sondern Kupfer.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Lithiumionen-Batteriezelle anzugeben, bei dem der Stromkollektor der negativen Elektrode auf vergleichsweise einfache und zeitsparende Weise mit einer Anschlussplatte an dem Batteriezellgehäuse verbunden wird, wobei der Kontaktwiderstand der Verbindung gering ist. Weiterhin soll eine mit dem Verfahren herstellbare Lithiumionen-Batteriezelle angegeben werden.
• Gelöst werden diese Aufgaben durch ein Verfahren und eine Lithiumionen-Batteriezelle gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird bei dem Verfahren ein Stromkollektor mindestens einer negativen Elektrode der Lithiumionen-Batteriezelle mit einer Anschlussplatte an einem Batteriezellgehäuse der Lithiumionen-Batteriezelle verbunden. Bei dem Verfahren werden ein Verbindungsstift und die Anschlussplatte mit einer Öffnung für den Verbindungsstift bereitgestellt, wobei die Anschlussplatte ein Material mit einem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Verbindungsstift. Die Anschlussplatte wird erhitzt und nachfolgend der Verbindungsstift in die Öffnung der Anschlussplatte eingeführt. Vorteilhaft ist die Öffnung der Anschlussplatte bei Raumtemperatur kleiner als der Durchmesser des Verbindungsstifts, so dass erst das Erhitzen der Anschlussplatte aufgrund der thermischen Ausdehnung eine derartige Vergrößerung der Öffnung bewirkt, dass der Verbindungsstift in die Öffnung eingeführt werden kann. Nach dem Einführen des Verbindungsstifts wird die Anschlussplatte abgekühlt, so dass sich die Öffnung wieder verkleinert und so der Verbindungsstift in der Anschlussplatte fixiert wird. Mit anderen Worten wird die Anschlussplatte auf den Verbindungsstift thermisch aufgeschrumpft.
• Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht im Vergleich zu Schweiß- oder Nietverfahren eine vergleichsweise einfache und zeitsparende Herstellung der Verbindung zwischen der Anschlussplatte und dem Verbindungsstift. Weiterhin sind vorteilhaft außer den beiden zu verbindenden Bauteilen keine weiteren Bauteile zur Herstellung der Verbindung erforderlich.
• Der Verbindungsstift wird bei dem Verfahren durch eine Öffnung in dem Batteriezellgehäuse, insbesondere durch eine Öffnung in dem Deckel des Batteriezellgehäuses, geführt. Der Verbindungsstift wird an einer von der Anschlussplatte abgewandten Seite mit dem Stromkollektor verbunden. Diese Verbindung kann beispielsweise durch Schweißen, beispielsweise Laserschweißen, erfolgen. Die Schritte des Verbindens des Verbindungsstifts mit dem Stromkollektor und das Durchführen durch eine Öffnung in dem Batteriezellgehäuses können vor oder nach dem Verbinden des Verbindungsstifts mit der Anschlussplatte erfolgen.
• Vorzugsweise weist die Anschlussplatte Aluminium auf. Der Verbindungsstift weist vorzugweise Kupfer auf. Weiterhin weist auch der Stromkollektor vorzugsweise Kupfer auf. Die Erfindung beruht insbesondere auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen: Der Stromkollektor der negativen Elektrode von Lithiumionen-Batteriezellen weist typischerweise Kupfer und der Stromkollektor der positiven Elektrode Aluminium auf. Das Batteriezellgehäuse und die Anschlussterminals von Lithiumionen-Batteriezellen sind typischerweise aus Aluminium gefertigt. Im Fall des Stromterminals der negativen Elektrode erschweren die unterschiedlichen Schmelztemperaturen von Aluminium und Kupfer das Herstellen einer Verbindung zwischen dem Stromkollektor und der Anschlussplatte durch Schweißen. Das vorgeschlagene Verfahren macht sich im Gegensatz dazu die unterschiedlichen thermischen Eigenschaften der Materialien am negativen Terminal zu Nutze, wobei die unterschiedliche thermische Ausdehnung zur Herstellung einer festen mechanischen Verbindung genutzt wird. Es hat sich herausgestellt, dass auf diese Weise eine elektrisch leitende Verbindung mit einem geringem Kontaktwiderstand hergestellt werden kann. Im Vergleich zum Verbinden durch Nieten besteht kein Risiko, dass bei dem Verbindungsprozess Metallpartikel entstehen, die die Funktion der Batteriezelle beeinträchtigen könnten.
• Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Erhitzen der Anschlussplatte auf eine Temperatur von 250 °C bis 550 °C. Beim Abkühlen von einer Temperatur in diesem Bereich auf Raumtemperatur kann eine feste mechanische Verbindung zwischen der Anschlussplatte und dem Verbindungsstift hergestellt werden.
• Ein von der Anschlussplatte abgewandtes Ende des Verbindungsstifts wird vorzugsweise durch Schweißen mit dem Stromkollektor verbunden. Hierbei ist es von Vorteil, wenn sowohl der Verbindungsstift als auch der Stromkollektor das gleiche Material, insbesondere Kupfer, aufweisen. Diese Verbindung kann vor dem Verbinden des Anschlussstifts mit der Anschlussplatte oder danach erfolgen.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Stromkollektor mindestens einer positiven Elektrode (Kathode) der Lithiumionen-Batteriezelle mit einem weiteren Verbindungsstift verbunden, wobei der weitere Verbindungsstift einstückig mit einer weiteren Anschlussplatte ausgebildet ist, d.h. der Verbindungsstift ist ein Teil der Anschlussplatte und weist insbesondere das Material des Anschlussplatte auf. Der Stromkollektor der positiven Elektrode, der Verbindungsstift und die Anschlussplatte können jeweils Aluminium aufweisen. Die einstückige Ausführung des Verbindungsstifts und der Anschlussplatte ermöglichen es, auch den Stromkollektor der positiven Elektrode mit geringem Aufwand mit dem Stromkollektor zu verbinden. Die von der Anschlussplatte abgewandte Seite des Verbindungsstifts kann beispielsweise durch Schweißen mit dem Stromkollektor der positiven Elektrode verbunden werden.
• Es wird weiterhin eine Lithiumionen-Batteriezelle angegeben, die mit dem zuvor beschrieben Verfahren hergestellt ist. Alle für das Verfahren offenbarten Ausgestaltungen können in der Lithiumionen-Batteriezelle verwirklicht sein und umgekehrt.
• Die Lithiumionen-Batteriezelle umfasst insbesondere ein Batteriezellgehäuse mit einer Anschlussplatte an einer Außenseite des Batteriezellgehäuses, wobei die Anschlussplatte mittels eines Verbindungsstifts mit einem Stromkollektor einer negativen Elektrode der Batteriezelle verbunden ist, und wobei die Anschlussplatte auf den Verbindungsstift aufgeschrumpft ist. Dass die Anschlussplatte auf den Verbindungsstift aufgeschrumpft ist, ist an der Verbindungsstelle erkennbar. Insbesondere weist die Verbindungsstelle keine Spuren eines Schweiß- oder Nietvorgangs auf.
• Die Lithiumionen-Batteriezelle ist vorzugsweise eine prismatische Batteriezelle. Das Batteriezellgehäuse kann beispielsweise eine rechteckige Grundfläche aufweisen und im Wesentlichen quaderförmig sein. Das Batteriezellgehäuse kann beispielsweise eine Bodenwand, Seitenwände und einen Deckel aufweisen. Prismatische Batteriezellen können vorteilhaft leicht gestapelt und zu einem Batteriemodul zusammengesetzt werden. Das Batteriezellgehäuse kann ein Metall oder eine Metalllegierung aufweisen, beispielsweise Aluminium. Es ist möglich, dass das Batteriezellgehäuse zumindest bereichsweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen ist.
• Es wird weiterhin eine Lithium-Ionenbatterie mit mehreren der hierin beschriebenen Lithiumionen-Batteriezellen vorgeschlagen. Die hierin beschriebene Lithiumionen-Batteriezelle kann vorteilhaft in einer Lithium-Ionenbatterie verwendet werden, die insbesondere als Traktionsbatterie in einem elektrisch angetrieben Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann.
• Im Folgenden wird anhand der Figuren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung, Im Einzelnen zeigen schematisch
• 1 eine perspektivische Darstellung eines Batteriezellgehäuses der Lithiumionen-Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel und
• 2 eine Detailansicht des Bereichs des Deckels der Lithiumionen-Batteriezelle in einer Explosionsdarstellung.
• Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
• Die in 1 schematisch dargestellte Batteriezelle 10 ist bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine prismatische Batteriezelle. Die Batteriezelle 10 weist ein Batteriezellgehäuse 14 auf, das einen mechanisch festen Mantel für mindestens eine Elektrodeneinheit der Batteriezelle 10 ausbildet. In der Batteriezelle 10 kann die mindestens eine Elektrodeneinheit beispielsweise als Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel vorliegen. Das Batteriezellgehäuse 14 weist bei dem Ausführungsbeispiel eine rechteckige Grundfläche auf und ist im Wesentlichen quaderförmig. Das Batteriezellgehäuse 14 kann aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet sein, vorzugsweise aus Aluminium. Es ist möglich, dass das Batteriezellgehäuse 14 zumindest bereichsweise eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist. Die Batteriezelle 10 weist Anschlussplatten 11, 12 auf, die ein positives Terminal und ein negatives Terminal der Batteriezelle 10 ausbilden. Die Anschlussplatten 11, 12 sind beispielsweise an einem Deckel 4 des Batteriezellgehäuses 14 angeordnet. Die Anschlussplatten 11, 12 sind zur elektrischen Kontaktierung der Pole des Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel der Batteriezelle 10 vorgesehen. In der 1 ist weiterhin eine an dem Deckel 4 des Batteriezellgehäuses 14 angeordnete Abdeckung 13 zu sehen, die beispielsweise im Bereich zwischen den Anschlussplatten 11, 12 angeordnet ist. Unter der Abdeckung 13 kann eine Überdruck-Sicherheitsvorrichtung wie zum Beispiel eine Berstmembran angeordnet sein.
• Die 2 zeigt in einer Explosionsdarstellung Details im Bereich des Deckels 4 der Batteriezelle 10. Das positive Terminal der Batteriezelle wird durch eine Anschlussplatte 11 gebildet und das negative Terminal durch eine Anschlussplatte 12. Die Anschlussplatten sind jeweils an einer Außenseite des Deckels 4 angeordnet und mittels einer elektrisch isolierenden Platte 3 von dem Deckel isoliert. Die Anschlussplatte 12 ist mit einem Verbindungsstift 1 mit dem Stromkollektor 7 der negativen Elektrode (Anode) der Batteriezelle elektrisch leitend verbunden. Das Material der Anschlussplatte 12 weist einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf als der Verbindungsstift 1. Der Verbindungsstift 1 und der Stromkollektor 7 weisen vorzugsweise jeweils Kupfer auf oder bestehen daraus. Die Anschlussplatte 12 und das Batteriezellgehäuse 14 einschließlich des Deckels 4 weisen vorzugsweise jeweils Aluminium auf oder bestehen daraus. Die Anschlussplatte 12 wird bei der Herstellung der Batteriezelle thermisch mit dem Verbindungsstift 1 verbunden. Die Anschlussplatte 12 wird erhitzt, vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich von 250 °C bis 550 °C. Der Verbindungsstift 1 wird dann in eine Öffnung 2 der Anschlussplatte 12 eingeführt und nachfolgend die Anschlussplatte 2 abgekühlt, wobei der Verbindungsstift 1 durch das thermische Schrumpfen der Anschlussplatte 12 beim Abkühlen in der Anschlussplatte 12 fixiert wird. Die Anschlussplatte 12 wird also auf den Verbindungsstift 1 aufgeschrumpft. Eine von der Anschlussplatte 12 abgewandte Seite des Verbindungsstifts 1 wird durch eine Öffnung 5 in dem Deckel 4 des Batteriezellegehäuses geführt und mit dem Stromkollektor 7 verbunden, beispielsweise durch Schweißen. Zwischen dem Deckel 4 und dem Verbindungsstift 1 kann eine Dichtung 6 eingesetzt werden, um die Batteriezelle abzudichten.
• Der Stromkollektor 8 der positiven Elektrode wird mit einem weiteren Verbindungsstift 9 mit einer weiteren Anschlussplatte 11 verbunden. Da Aluminium bei einer Lithiumionen-Batteriezelle als Material für den Stromkollektor 8 der positiven Elektrode geeignet ist, können auf dieser Seite der Stromkollektor 8, der Verbindungsstift 9 und die Anschlussplatte 11 Aluminium aufweisen oder daraus bestehen. Bevorzugt ist der Verbindungsstift 9 einstückig mit der Anschlussplatte 11 ausgebildet. In diesem Fall kann vorteilhaft der Verbindungsprozess zwischen der Anschlussplatte 11 und dem Verbindungsstift 9 entfallen und es wird nur noch das von der Anschlussplatte 11 abgewandte Ende des Verbindungsstifts 9 mit dem Stromkollektor 8 verbunden.
• Auf diese Weise kann die Lithiumionen-Batteriezelle mit geringem Aufwand und zeitsparend hergestellt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft für Lithiumionen-Batteriezellen, die in einer Lithiumionen-Batterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Da Lithiumionen-Batterien in Kraftfahrzeugen eine Vielzahl von Batteriezellen aufweisen, führen Zeiteinsparungen bei der Herstellung einer einzelnen Batteriezelle zu erheblichen Kostenvorteilen.
• Obwohl die Erfindung im Detail anhand von Ausführungsbeispielen illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Vielmehr können andere Variationen der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den durch die Ansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
• Bezugszeichenliste

1

Verbindungsstift

2

Öffnung in Anschlussplatte

3

isolierende Platte

4

Deckel des Batteriezellgehäuses

5

Öffnung im Deckel

6

Dichtung

7

Stromkollektor der negativen Elektrode

8

Stromkollektor der positiven Elektrode

9

Verbindungsstift

10

Batteriezelle

11

Anschlussplatte (positives Termimal)

12

Anschlussplatte (negatives Terminal)

13

Abdeckung für Berstmembran

14

Batteriezellgehäuse

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung einer Lithiumionen-Batteriezelle (10), bei dem ein Stromkollektor (7) mindestens einer negativen Elektrode der Lithiumionen-Batteriezelle (10) mit einer Anschlussplatte (12) an einem Batteriezellgehäuse (14) der Lithiumionen-Batteriezelle (10) verbunden wird, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Verbindungsstifts (1) und der Anschlussplatte (12) mit einer Öffnung (2) für den Verbindungsstift (1), wobei die Anschlussplatte (12) ein Material mit einem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Verbindungsstift (1), - Erhitzen der Anschlussplatte (12), - Einführen des Verbindungsstifts (1) in die Öffnung (2) der Anschlussplatte (12) und Abkühlen der Anschlussplatte (12), wobei der Verbindungsstift (1) in der Anschlussplatte (12) fixiert wird, - Durchführen des Verbindungsstifts (1) durch eine Öffnung (5) in dem Batteriezellgehäuse (14) und - Verbinden des Verbindungsstifts (1) mit dem Stromkollektor (7).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anschlussplatte (12) Aluminium und der Verbindungsstift (1) Kupfer aufweist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stromkollektor (7) Kupfer aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erhitzen der Anschlussplatte (12) auf eine Temperatur von 250 °C bis 550 °C erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbinden des Verbindungsstifts (1) mit dem Stromkollektor (7) durch Schweißen erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Stromkollektor (8) mindestens einer positiven Elektrode der Lithiumionen-Batteriezelle (10) mit einem weiteren Verbindungsstift (9) verbunden wird, und wobei der weitere Verbindungsstift (9) einstückig mit einer weiteren Anschlussplatte (11) ausgebildet ist.
7. Lithiumionen-Batteriezelle (10), umfassend ein Batteriezellgehäuse (14) mit einer Anschlussplatte (12) an einer Außenseite des Batteriezellgehäuses (14), wobei die Anschlussplatte (12) mittels eines Verbindungsstifts (1) mit einem Stromkollektor (7) einer negativen Elektrode der Lithiumionen-Batteriezelle (10) verbunden ist, und wobei die Anschlussplatte (12) auf den Verbindungsstift (1) aufgeschrumpft ist.
8. Lithiumionen-Batteriezelle nach Anspruch 7, wobei eine Verbindungsstelle zwischen der Anschlussplatte (12) und dem Verbindungsstift (1) keine Spuren eines Schweiß- oder Nietvorgangs aufweist.
9. Lithiumionen-Batteriezelle nach Anspruch 7 oder 8, wobei ein Stromkollektor (8) mindestens einer positiven Elektrode der Lithiumionen-Batteriezelle (10) mit einem weiteren Verbindungsstift (9) verbunden ist, und wobei der weitere Verbindungsstift (9) einstückig mit einer weiteren Anschlussplatte (11) ausgebildet ist.
10. Lithium-Ionenbatterie, umfassend mehrere Lithiumionen-Batteriezellen (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9.

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