DE102020203562A1

DE102020203562A1 - Temperatur- und stromdichtenoptimierter Ableiter für eine Batteriezelle

Info

Publication number: DE102020203562A1
Application number: DE102020203562.8A
Authority: DE
Inventors: Felix Heinrich; Bernd Epding; Max Schleder; Hannes Jahnke; Stanislav Severov; Volker Grajewski; Lars Meyer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2021-09-23

Abstract

Elektrodenstapel für eine Batteriezelle umfassend zumindest eine erste und eine zweite Elektrode, welche dazu ausgelegt sind, in einem Betriebszustand der Batteriezelle eine erste Polarität aufzuweisen; wobei der Elektrodenstapel eine sich in einer Stapelrichtung und in einer Breitenrichtung der Elektroden erstreckende erste Elektrodenstapelseite bildet, von welcher sich Kontaktfahnen der jeweiligen Elektroden erstrecken, wobei die Kontaktfahnen in der Stapelrichtung und in der Breitenrichtung versetzt zueinander an der ersten Elektrodenstapelseite angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrodenstapel mit temperatur- und stromdichtenoptimierten Ableitern für eine Batteriezelle. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Batterie umfassend einen Elektrodenstapel mit temperatur-und stromdichtenoptimierten Ableitern.
Elektrodenstapel bzw. Elektrodenstapelanordnungen für Batteriezellen, beispielsweise Lithiumionen-Batteriezellen, sind bekannt. Beispielsweise dienen Lithium-Ionenbatterien als mobile oder stationäre Energiespeicher für viele Anwendungen. Eine Batterie, beispielsweise eine sogenannte Pouch-Zelle, besteht in der Regel aus einer Vielzahl von Batteriezellen. Eine Batteriezelle besteht dabei aus mehreren elektrisch leitfähigen Schichten, wobei zwei solcher Schichten jeweils die Elektroden der Zelle bilden. Im Betrieb erreicht der fließende Strom die Zelle über leitfähige Schichten, wie beispielsweise Aluminium- oder Kupferschichten, wobei die leitfähigen Schichten als leitende Trägermaterialien fungieren. Die Elektroden der Batteriezelle ermöglichen hierbei den Ablauf einer galvanischen Reaktion. Elektroden gängiger Batteriezellen weisen häufig zwei Bereiche auf. Ein Bereich ist mit einem Aktivmaterial beschichtet und unterstützt den Ablauf der galvanischen Reaktion. Ein weiterer Bereich der Elektrode dient dazu den Strom während eines Betriebszustandes, beispielsweise eines Entladevorgangs oder Ladevorgangs, zu- oder abzuleiten. Dieser Bereich wird auch Tab beziehungsweise Kontaktfahne beziehungsweise Strom-Ableiter-Fähnchen genannt und ist häufig kleiner dimensioniert als der erste Bereich. Kontaktfahnen mehrerer Elektroden gleicher Polarität können mittels eines Verbindungselements elektrisch leitend miteinander verbunden werden. In gängigen Elektrodenstapelanordnungen werden hierfür identisch aufgebaute Elektroden verwendet, bei denen die jeweilige Kontaktfahne stets an einer vorbestimmten Stelle der Elektrode angeordnet ist, so dass in einer Stapelrichtung des Elektrodenstapels sämtliche Elektrodenfahnen an gleicher Stelle in einer Breitenrichtung des Stapels - also fluchtend - hinter- bzw. übereinander angeordnet sind.
WO 2013/109641 A1 zeigt so eine Elektrodenstapelanordnung, wobei Kontaktfahnen der Elektroden einer ersten Polarität in einer Stapelrichtung hintereinander an einer ersten Elektrodenstapelseite angeordnet sind. Daneben sind auch die Kontaktfahnen der Gegenelektroden, beziehungsweise Elektroden einer zweiten Polarität, hintereinander in einer Stapelrichtung an derselben Elektrodenstapelseite angeordnet.
US 2002/0045096 A1 zeigt ebenfalls eine Elektrodenstapelanordnung, wobei die Kontaktfahnen der jeweiligen Elektroden einer ersten Polarität in einer Stapelrichtung hintereinander an einer Elektrodenstapelseite angeordnet sind.
Aufgrund der in einer Stapelrichtung über- beziehungsweise nebeneinander angeordneten Kontaktfahnen an einer Elektrodenstapelseite der Batteriezelle weisen gängige Vorrichtungen einen Bereich mit einer erhöhten Stromdichte auf. Dadurch liegt in diesem Bereich in einem Betriebszustand der Batteriezelle eine erhöhte Temperatur vor. Eine gleichmäßige, fluchtende, Anordnung der Kontaktfahnen hinter- beziehungsweise an einer Seite des Elektrodenstapels begünstigt so die Ausbildung von Hochtemperaturbereichen beziehungsweise Temperatur-Hotspots. In diesen Bereichen können nach mehreren Betriebsstunden vermehrt Materialermüdungs- und Alterungserscheinungen auftreten, die Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit, die Lebensdauer und/oder die Funktionssicherheit der Batterie haben. Insbesondere tragen hohe Temperaturen innerhalb der Batteriezelle zu Ablagerungs- und Zerstörungsprozessen bei und können zu Defekten oder sogar dem Totalausfall der Zelle führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batteriezelle und eine Batterie zu schaffen, bei der diese Nachteile wenigstens teilweise ausgeräumt werden. Eine weitere Aufgabe kann darin bestehen, die Temperaturbeanspruchung und die daraus resultierende Materialalterung zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Elektrodenstapel und die erfindungsgemäße Batterie, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen definiert sind, gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine räumliche Verteilung von Kontaktfahnen entlang einer oder mehrerer Stapelseiten eines Elektrodenstapels vorteilhafterweise Bereiche mit erhöhter Stromdichte voneinander separieren kann. Dadurch werden die sich während eines Betriebszustandes bildenden Hochtemperaturbereiche an der Elektrodenstapelseite voneinander räumlich getrennt. Hierdurch werden ein für die Batteriezelle besonders günstige Temperaturgradienten erreicht. Die Temperaturbeanspruchung wird durch die Verteilung der Kontaktfahnen deutlich reduziert. Die räumlich verteilte Anordnung der Kontaktfahnen reduziert die Temperaturbeanspruchung und verbessert die Stromdichtenverteilung entlang einer Seite des Elektrodenstapels. Zudem verzögert sich auch die Alterung und/oder der Materialverschleiß der Zelle, was in der Folge zu einer erhöhten Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Batteriezelle führt.
Der erfindungsgemäße Elektrodenstapel für eine Batteriezelle umfasst zumindest eine erste und eine zweite Elektrode, welche dazu ausgelegt sind, in einem Betriebszustand der Batteriezelle eine erste Polarität aufzuweisen. Der Elektrodenstapel bildet eine sich in einer Stapelrichtung und in einer Breitenrichtung der Elektroden erstreckende erste Elektrodenstapelseite, von welcher sich Kontaktfahnen der jeweiligen Elektroden erstrecken. Die Kontaktfahnen sind in der Stapelrichtung und in der Breitenrichtung versetzt zueinander an der ersten Elektrodenstapelseite angeordnet. Die in der Stapelrichtung übereinander, beziehungsweise hintereinander, angeordneten Kontaktfahnen sind also versetzt zueinander an der ersten Elektrodenseite angeordnet. Die Elektrodenstapelseite bildet eine Seite des Elektrodenstapels.
„Stapelrichtung“ bezeichnet die Raumrichtung, in welcher die Elektroden übereinander gestapelt angeordnet sind. „Breitenrichtung“ bezeichnet eine weitere Raumrichtung, in welcher sich die Elektrodenplatten erstrecken. Eine „Längsrichtung“ ist eine Richtung, die senkrecht zur Breitenrichtung und senkrecht zur Stapelrichtung verläuft. Breite- und Längsrichtung definieren die Ebenen, in der die Elektrodenplatte verläuft.
Der Elektrodenstapel kann mehrere Elektroden aufweisen. Ein Elektrodenstapel weist Elektroden beziehungsweise Elektrodenplatten auf, die sich im Betrieb, beziehungsweise in einem Betriebszustand, als Bipole verhalten. Bei dem Betriebszustand kann es sich um einen Lade- oder Entladevorgang handeln. Im Betrieb kann also ein Lade- oder Entladevorgang stattfinden. In Abhängigkeit des Betriebszustands fungieren Elektroden unterschiedlicher Polarität als Kathode oder als Anode. Der Elektrodenstapel weist also Elektroden und Gegenelektroden auf. In einem Betriebszustand weisen alle Elektroden eine erste Polarität auf, während alle Gegenelektroden eine zweite Polarität aufweisen.
Ferner kann der Elektrodenstapel permeable und/oder semipermeable Membranen beziehungsweise Membranschichten aufweisen, welche zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode angeordnet sind und für einen Elektrolyt durchlässig sind. Der Elektrolyt ermöglicht während eines Betriebszustandes die Diffusion der Ionen. Eine solche schichtartige Stapelanordnung, bildet eine Zelle. Der Elektrodenstapel kann mehrere Zellen aufweisen. Die Elektroden und/oder Gegenelektroden können zusätzliche Beschichtungen, wie beispielsweise Beschichtungen mit Aktivmaterialien, an ihren Oberflächen aufweisen.
Die Elektroden, beziehungsweise Elektrodenplatten, weisen Kontaktfahnen auf. Die Kontaktfahnen können ausgelegt sein mit einem Verbindungselement leitend verbunden zu werden. Die Verbindung der Kontaktfahnen mit dem Verbindungselement kann durch eine Verschweißung, beispielsweise eine Laserverschweißung, erzeugt werden. Die Kontaktfahnen der Elektroden, welche dieselbe Polarität in einem Betriebszustand aufweisen, können an das Verbindungselement elektrisch leitend kontaktiert sein. Eine Kontaktfahne, kann eine plattenartige Vorrichtung sein, die an einer Seitenkante einer Elektrode, beispielsweise einer Kante in der Breitenrichtung des Elektrodenstapels, angeordnet ist. Mit anderen Worten erstreckt sich eine Kontaktfahne von einer Kante einer Elektrode. Ein Elektrodenstapel umfasst mehrere Elektroden mit Kontaktfahnen, sodass sich die Kontaktfahnen aller Elektroden der gleichen Polarität, beispielsweise einer ersten Polarität, von der ersten Elektrodenstapelseite erstrecken. Eine Kontaktfahne kann eine kleinere Oberfläche aufweisen als die ihr zugeordnete Elektrode. Insbesondere kann die Kontaktfahne eine geringere Breite und/oder geringere Länge aufweisen als die ihr zugeordnete Elektrode.
Der Begriff „versetzt“ bezieht sich auf die räumliche Anordnung der Kontaktfahnen in Bezug auf die Elektrodenstapelseite. Durch die beschriebene Anordnung werden die Kontaktfahnen der Elektroden einer ersten Polarität versetzt zueinander auf der ersten Elektrodenstapelseite verteilt. Während eines Betriebszustandes wird hierdurch die Bildung von Bereichen hoher Stromdichte, beziehungsweise hoher Temperaturen, auf mehrere räumliche Bereiche der Elektrodenstapelseite aufgeteilt. Eine Versetzung kann sich dabei auf eine Stapelrichtung und/oder eine Breitenrichtung des Stapels beziehen. Durch die versetzte Anordnung der Kontaktfahnen werden die Hotspots über die gesamte Elektrodenstapelseite verteilt. Daher kommt es zu keiner Bildung eines einzelnen größeren Hotspotbereichs mit einem verhältnismäßig hohem Temperaturgradient und hoher Materialbeanspruchung. Durch die Verteilung der Kontaktfahnen werden daher einzelne, kleinere Hotspotbereiche mit niedrigerem Temperaturgradienten geschaffen, sodass einem hohen Materialverschleiß vorgebeugt wird. Daneben wirken die zueinander versetzten Kontaktfahnen nach Beendigung eines Betriebszustandes der Batterie ähnlich wie Kühlrippen, sodass eine besonders gleichmäßige Abkühlung der Batteriezelle erfolgt, was wiederrum zu einer Schonung des Materials führt und einer Materialalterung vorbeugt.
Die Erfindung umfasst auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Elektrodenstapels, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Eine erste Ausführungsform sieht vor, dass der Elektrodenstapel für eine Batteriezelle ferner zumindest eine erste und eine zweite Gegenelektrode umfasst, welche dazu ausgelegt sind, in einem Betriebszustand der Batteriezelle eine zweite Polarität aufzuweisen, wobei der Elektrodenstapel eine gegenüber der ersten Stapelseite angeordnete zweite Stapelseite aufweist, von welcher sich Kontaktfahnen der jeweiligen Gegenelektroden erstrecken, wobei die Kontaktfahnen der Gegenelektroden in der Stapelrichtung und in der Breitenrichtung versetzt zueinander an der zweiten Elektrodenstapelseite angeordnet sind.
Durch die Anordnung der Kontaktfahnen der Gegenelektroden auf einer zur ersten Elektrodenstapelseite gegenüberliegenden Elektrodenstapelseite wird eine weitere Verteilung der Hochtemperaturbereiche bewirkt. Der Elektrodenstapel kann mehrere Gegenelektroden aufweisen. Durch die Anordnung von Kontaktfahnen auf zwei Elektrodenstapelseiten können weitere, kleinere Hochtemperaturbereiche geschaffen werden, sodass im Betrieb der Elektrodenstapel eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung aufweist, was wiederrum zu einer Schonung des Materials führt.
Daneben kann durch die Anordnung der zueinander versetzten Kontaktfahnen der Gegenelektroden auf einer zur ersten Elektrodenstapelseite gegenüberliegenden Elektrodenstapelseite auch eine besonders gleichmäßige und schnelle Abkühlung des gesamten Elektrodenstapels bewirkt werden. Auch die Kontaktfahnen der Gegenelektroden wirken nach Beendigung eines Betriebszustandes der Batterie wie Kühlrippen und führen Wärme an die Umgebung ab. Die versetzte Anordnung der verschiedenen Kontaktfahnen der Elektroden und Gegenelektroden auf zwei Elektrodenkstapelseiten begünstigt zusätzlich diesen Effekt. Der Begriff „Kontaktfahne“ kann sich auf eine oder mehrere Kontaktfahnen der Elektroden oder auf eine oder mehrere Kontaktfahnen der Gegenelektroden beziehen.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Kontaktfahnen kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig an den jeweiligen Elektroden und/oder Gegenelektroden angeordnet sind. Insbesondere kann die Anordnung der Kontaktfahnen an die ihr zugeordnete Elektrode durch einen Stanzvorgang und/oder durch einen Schneidvorgang erfolgen. Dabei sind Elektrode und Kontaktfahne einstückig ausgebildet. Optional kann die Kontaktfahne auch an die Elektrode durch eine Verschweißung, beispielsweise durch Ultraschallschweißen, angeordnet werden.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die erste Elektrode und/oder die erste Gegenelektrode eine erste Oberflächenbeschichtung aufweist, wobei zumindest eine erste Kontaktfahne der ersten Elektrode und/oder der ersten Gegenelektrode eine Oberflächenbeschichtung aufweist, die zu einer Oberflächenbeschichtung der ersten Elektrode und/oder der ersten Gegenelektrode unterschiedlich ist. Die Elektrode und/oder Gegenelektrode kann eine Oberflächenbeschichtung aufweisen, zum Beispiel eine Aktivmaterialbeschichtung, die unterschiedlich zu einer Oberflächenbeschichtung der Kontaktfahne ist. Beispielsweise kann die Kontaktfahne im Vergleich zu der ihr angeordneten Elektrode oder Gegenelektrode eine Oberflächenbeschichtung aufweisen, die über eine höhere Wärmeleitfähigkeit verfügt. Hierdurch kann in einem Betriebszustand eine besonders gleichmäßige Erwärmung der Batteriezelle erfolgen. Zudem kann nach einem Betriebszustand eine besonders schnelle Abkühlung der Batteriezelle erfolgen.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Elektrodenstapel zumindest drei oder vier Elektroden und/oder zumindest drei oder vier Gegenelektroden aufweist. Der Elektrodenstapel kann eine Vielzahl von Elektroden und/oder Gegenelektroden aufweisen. Bevorzugt weist der Elektrodenstapel vier Elektroden und vier Gegenelektroden auf, was einen Einbau des Elektrodenstapels aufgrund seiner räumlichen Dimensionierung in einer tragbaren Batterie erlaubt. Alternativ kann der Elektrodenstapel auch in einer stationären Batterie angeordnet werden.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Kontaktfahnen der Elektroden in der Stapelrichtung und in der Breitenrichtung kragstufenartig versetzt zueinander an der ersten Elektrodenstapelseite angeordnet sind. Der Begriff kragstufenartig bezieht sich auf eine Anordnung der Kontaktfahnen an der Elektrodenstapelseite. Der Begriff „kragstufenartig“ beschreibt eine Anordnung der Kontaktfahnen, bei welcher die Kontaktfahnen ähnlich einer Kragstufentreppe beziehungsweise Kragarmtreppe an der Elektrodenstapelseite angeordnet sind. Die Kontaktfahnen können hierbei aus einem biegesteifen Material geformt sein. Die Kontaktfahnen können dazu ausgelegt sein sich unter einer Kraftbeanspruchung elastisch und/oder plastisch zu verformen.
Ferner sieht eine weitere Ausführungsform vor, dass auch die Kontaktfahnen der Gegenelektroden in der Stapelrichtung und in der Breitenrichtung kragstufenartig versetzt zueinander an der zweiten Elektrodenstapelseite angeordnet sind.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Kontaktfahnen in der Stapelrichtung und in der Breitenrichtung in einer regelmäßigen Verteilung versetzt zueinander an der ersten Elektrodenstapelseite und/oder zweiten Elektrodenstapelseite angeordnet sind. Eine Verteilung, beziehungsweise räumliche Verteilung, von Kontaktfahnen an einer Elektrodenstapelseite ist regelmäßig, wenn die Kontaktfahnen in einer Stapelrichtung und in einer Breitenrichtung des Elektrodenstapels derart zueinander beabstandet angeordnet sind, dass sie durch ein sich wiederholendes Muster beschrieben werden können. Beispielsweise können die Kontaktfahnen an einer Elektrodenstapelseite eine treppenstufenartige Anordnung ausbilden und dadurch eine regelmäßige Verteilung der zueinander versetzten Kontaktfahnen bilden.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Kontaktfahnen in der Stapelrichtung und in der Breitenrichtung in einer unregelmäßigen Verteilung versetzt zueinander an der ersten Elektrodenstapelseite und/oder der zweiten Elektrodenstapelseite angeordnet sind. Hierbei sind die Kontaktfahnen in der Stapelrichtung und in der Breitenrichtung in einer unregelmäßigen Verteilung versetzt zueinander an den Elektrodenstapelseiten angeordnet. Eine Verteilung von Kontaktfahnen an einer Elektrodenstapelseite ist unregelmäßig, wenn die Kontaktfahnen in einer Stapelrichtung und in einer Breitenrichtung des Elektrodenstapels derart zueinander beabstandet angeordnet sind, dass sie nicht durch ein sich wiederholendes Muster beschrieben werden können. In einer unregelmäßigen Verteilung kann beispielsweise eine erste Kontaktfahne zu einer benachbarten zweiten Kontaktfahne einen ersten Abstand aufweisen, wobei die erste Kontaktfahne zu einer weiteren benachbarten dritten Kontaktfahne einen zweiten Abstand aufweisen kann, wobei der erste Abstand ungleich dem zweiten Abstand ist. Durch eine unregelmäßige Verteilung der Kontaktfahnen an einer Elektrodenstapelseite können die Hochtemperaturbereiche weiter beabstandet zueinander angeordnet werden, so dass eine Konzentration von Hochtemperaturbereichen innerhalb eines einzelnen Bereiches an einer Elektrodenstapelseite vermieden werden kann. Eine besonders gleichmäßigere Erwärmung einzelner Bereiche der Elektrodenstapelseite kann somit während eines Betriebszustandes erfolgen. Weiter kann durch eine unregelmäßige Verteilung von Kontaktfahnen an einer Elektrodenstapelseite eine besonders schnelle Abkühlung einzelner Bereiche der Elektrodenstapelseite nach Beendigung eines Betriebszustands erfolgen. Eine unregelmäßige Verteilung von Kontaktfahnen an einer Elektrodenstapelseite kann auch eine oder mehrere Gruppen von regelmäßig voneinander beabstandeten Kontaktfahnen aufweisen.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Kontaktfahnen in der Stapelrichtung und in der Breitenrichtung in einer zickzackartigen Verteilung versetzt zueinander an der ersten Elektrodenstapelseite und/oder zweiten Elektrodenstapelseite angeordnet sind. Eine Kontaktfahne kann eine sich in der Breitenrichtung und in der Längsrichtung erstreckende Oberfläche aufweisen. Die Oberfläche der Kontaktfahne kann einen Oberflächenmittelpunkt aufweisen. Eine zickzackartige Verteilung ist eine Verteilung, bei welcher die Kontaktfahnen derart zueinander ausgebildet sind, dass die Oberflächenmittelpunkte benachbarter Kontaktfahnen sägezahnartig angeordnet sind. Eine zickzackartige Verteilung zwischen benachbarten Kontaktfahnen kann beispielsweise unterschiedlich große Abstände zwischen mehreren benachbarten Kontaktfahnen bilden. Somit kann in einem Betriebszustand eine Kontaktfahne, welche von einer besonders hohen Temperatur beansprucht wird, von anderen Kontaktfahnen räumlich separiert werden.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass Projektionen der Kontaktfahnen auf eine Achse parallel zur Breitenrichtung an der ersten Elektrodenstapelseite und/oder an der zweiten Elektrodenstapelseite in der Breitenrichtung teilweise überlappend angeordnet sind. Diese Anordnung erlaubt es Kontaktfahnen zu verwenden, die eine verhältnismäßig größere Grundfläche aufweisen. Hierdurch kann die Stromdichte an den Kontaktfahnen in einem Betriebszustand beeinflusst werden. Beispielsweise können sich zwei Kontaktfahnen in einer treppenartigen Anordnung in der Stapelrichtung Z teilweise überragen.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass Projektionen der Kontaktfahnen auf eine Achse parallel zur Breitenrichtung an der ersten Elektrodenstapelseite und/oder an der zweiten Elektrodenstapelseite in der Breitenrichtung bündig zueinander angeordnet sind. Beispielsweise können sich hierbei zwei Kontaktfahnen in einer treppenartigen Anordnung in der Stapelrichtung Z weder überragen noch eine Lücke bilden. Diese Anordnung erlaubt es Materialeinsparungen an den Kontaktfahnen vorzunehmen und dadurch das Gesamtgewicht des Elektrodenstapels zu reduzieren.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass Projektionen der Kontaktfahnen auf eine Achse parallel zur Breitenrichtung an der ersten Elektrodenstapelseite und/oder an der zweiten Elektrodenstapelseite in der Breitenrichtung mit einer Beabstandung zueinander angeordnet sind. Beispielsweise können zwei benachbarte Kontaktfahnen in einer treppenartigen Anordnung in der Stapelrichtung Z eine Lücke ausbilden. Die Beabstandung kann eine Materialeinsparung ermöglichen und somit das Gesamtgewicht des Elektrodenstapels reduzieren. Durch die Beabstandung wird auch eine zusätzliche Zirkulationsmöglichkeit für ein Medium geschaffen.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass eine Anordnung der Kontaktfahnen der ersten Stapelseite symmetrisch oder anti-symmetrisch zu einer Anordnung der Kontaktfahnen der zweiten Stapelseite gestaltet ist. Durch eine symmetrische Anordnung können bei der Produktion des Elektrodenstaples Kosten und Material reduziert werden. Eine antisymmetrische Anordnung erlaubt indes eine angepasste Verteilung der Kontaktfahnen und somit der in einem Betriebszustand sich bildenden Hochtemperaturbereiche.
Die Erfindung umfasst auch eine Batterie umfassend den Elektrodenstapel für eine Batteriezelle. Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der Batterie, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Elektrodenstapels beschrieben worden sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun im Folgenden beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Hierzu zeigen:

1A eine schematische Darstellung einer Elektrode und einer Kontaktfahne aus einer Draufsicht;
1B eine schematische Darstellung einer weiteren Elektrode und einer Kontaktfahne in einer Draufsicht;
1C eine schematische Darstellung einer weiteren Elektrode und einer Kontaktfahne in einer Draufsicht;
2 eine schematische Seitenansicht eines Elektrodenstapels;
3A eine schematische Perspektivansicht des Elektrodenstapels aus 2 mit stufenartig versetzten Kontaktfahnen;
3B eine weitere schematische Perspektivansicht des Elektrodenstapels aus den 2 und 3A;
4 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform eines Elektrodenstapels mit unregelmäßig versetzt angeordneten Kontaktfahnen;
5 eine schematische Seitenansicht einer Elektrodenstapelseite des Elektrodenstapels aus 4;
6A eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Elektrodenstapels in einer Draufsicht;
6B eine schematische Seitenansicht aller Elektroden gleicher Polarität des Elektrodenstapels aus 6A;
7A eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Elektrodenstapels in einer Draufsicht;
7B eine schematische Seitenansicht aller Elektroden gleicher Polarität des Elektrodenstapels aus 7A.

1A, 1B und 1C zeigen jeweils schematisch in einer Draufsicht eine Elektrode, beziehungsweise Elektrodenplatte, an welcher jeweils eine Kontaktfahne angeordnet ist. Die Elektroden sind jeweils plattenförmig ausgestaltet. 1A zeigt eine plattenförmig ausgestaltete erste Elektrode 100, an deren Seitenkante eine erste Kontaktfahne 101 angeordnet ist. 1B zeigt eine plattenförmig ausgestaltete zweite Elektrode 110, an deren Seitenkante eine zweite Kontaktfahne 111 angeordnet ist. 1C zeigt eine plattenförmig ausgestaltete dritte Elektrode 120, an deren Seitenkante eine dritte Kontaktfahne 121 angeordnet ist. Wie aus 1A, 1B und 1C ersichtlich, sind alle Kontaktfahnen 101, 111, 121 der Elektroden 100, 110, 120 in einem Längsbereich x₁ in der Längsrichtung X der Elektroden angeordnet. Der Längsbereich x₁ ist ein in der Längsrichtung X gelegener Abschnitt indem sich die jeweilige Kontaktfahne erstreckt. Die Kontaktfahnen der verschiedenen Elektroden sind hingegen jeweils in unterschiedlichen Breitenbereichen y₁, y₂ oder y₃ in der Breitenrichtung Y der jeweiligen Elektrode angeordnet. In 1A ist die Kontaktfahne 101 der Elektrode 100 in einem ersten Breitenbereich y₁ in einer Breitenrichtung Y angeordnet. In 1B ist die Kontaktfahne 111 der Elektrode 110 in einem zweiten Breitenbereich y₂ in der Breitenrichtung Y angeordnet. In 1C ist die Kontaktfahne 121 der Elektrode 120 in einem zweiten Breitenbereich y₃ in der Breitenrichtung Y angeordnet. Mit anderen Worten sind die Kontaktfahnen 101, 111, 121 in der Breitenrichtung Y zueinander versetzt angeordnet. Die Kontaktfahnen sind kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit den jeweiligen Elektroden verbunden. Sie können auch einstückig mit der jeweiligen Elektrode ausgebildet sein. Die Elektroden können in einem Betriebszustand als Elektroden oder Gegenelektroden fungieren.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Elektrodenstapels 10 mit treppenartig versetzten Kontaktfahnen. Der Elektrodenstapel 10 umfasst mehrere Elektroden 100, 110, 120, 130, 200, 210, 220, 230. Die Elektroden sind in der Stapelrichtung Z gestapelt. Mit anderen Worten sind die Elektroden 100, 110, 120, 130, 200, 210, 220, 230 parallel zueinander entlang der Stapelrichtung Z angeordnet. Benachbarte Elektroden sind voneinander durch zumindest einen Separator 140 beabstandet. Der Elektrodenstapel 10 und/oder die Elektroden und/oder die Separatoren 140 können weitere Elemente, wie beispielsweise zumindest einen Elektrolyten und/oder zumindest eine Membran umfassen (nicht gezeigt). Die gestapelten Elektroden 100, 110, 120, 130, 200, 210, 220, 230 sowie die Separatoren 140, bzw. Zwischenräume, bilden die Grundform des Elektrodenstapels 10. Der Elektrodenstapel 10 weist eine sich in der Stapelrichtung Z und in der Breitenrichtung Y der Elektroden 100, 110, 120, 130, 200, 210, 220, 230 erstreckende erste Elektrodenstapelseite 11 aus. Der Elektrodenstapel 10 weist ferner eine sich in der Stapelrichtung Z und in der Breitenrichtung Y der Elektroden 100, 110, 120, 130, 200, 210, 220, 230 erstreckende zweite Elektrodenstapelseite 12 auf. Die erste Elektrodenstapelseite 11 ist gegenüber der zweiten Elektrodenstapelseite 12 angeordnet.
Die Elektroden 100, 110, 120, 130 deren Kontaktfahnen 101, 111, 121, 131 sich von der ersten Elektrodenstapelseite 11 erstrecken, sind ausgelegt um in einem Betriebszustand eine erste Polarität aufzuweisen. Die Elektroden 200, 210, 220, 230, deren Kontaktfahnen 201, 211, 221, 231 sich von der zweiten Elektrodenstapelseite 12 erstrecken, sind ausgelegt um in einem Betriebszustand eine zweite Polarität aufzuweisen. In einem Betriebszustand können beispielsweise die Elektroden 100, 110, 120, 130 der ersten Polarität als Elektroden oder Gegenelektroden fungieren, während die Elektroden 200, 210, 220, 230 der zweiten Polarität als Gegenelektroden oder Elektroden fungieren. Der Elektrodenstapel 10 weist vier Elektroden 100, 110, 120, 130 und vier Gegenelektroden 200, 210, 220, 230 auf. Die in 2 gezeigten Kontaktfahnen 101, 111, 121, 131, 201, 211, 221, 231 erstrecken sich in der Längsrichtung X senkrecht zur Stapelrichtung Z. Die Kontaktfahnen sind zueinander in der Stapelrichtung Z und in der Breitenrichtung Y stufenartig versetzt an den Elektrodenstapelseiten 11, 12 angeordnet.
3A und 3B zeigen jeweils in unterschiedlichen schematischen Perspektivansichten den Elektrodenstapel 10 aus 2. Die Kontaktfahnen 101, 111, 121, 131 der Elektroden 100, 110, 120, 130 sind in der Stapelrichtung Z und in der Breitenrichtung Y kragstufenartig versetzt zueinander an der ersten Elektrodenstapelseite 11 angeordnet. Die Kontaktfahnen 201, 211, 221, 231 der Gegenelektroden 200, 210, 220, 230 sind in der Stapelrichtung Z und in der Breitenrichtung Y kragstufenartig versetzt zueinander an der zweiten Elektrodenstapelseite 12 angeordnet. Wie in 3A und 3B gezeigt sind die Kontaktfahnen 101, 111, 121, 131, 201, 211, 221, 231 der Elektroden 100, 110, 120, 130 und/oder der Gegenelektroden 200, 210, 220, 230 in der Stapelrichtung Z und in der Breitenrichtung Y in einer regelmäßigen Verteilung versetzt zueinander an der ersten Elektrodenstapelseite 11 und/oder der zweiten Elektrodenstapelseite 12 angeordnet. Die Kontaktfahnen 101, 111, 121, 131 der Elektroden 100, 110, 120, 130 bilden entlang einer zu der ersten Elektrodenstapelseite 11 verlaufenden diagonalen Richtung D₁ versetzt zueinander verlaufende Stufen einer ersten Stufenfolge. Die Kontaktfahnen 201, 211, 221, 231 der Gegenelektroden 200, 210, 220, 230 bilden entlang einer zu der zweiten Elektrodenstapelseite 12 verlaufenden diagonalen Richtung D₂ versetzt zueinander verlaufende Stufen einer zweiten Stufenfolge. Die erste Stufenfolge und die zweite Stufenfolge können parallel zueinander verlaufen. Die Anordnung der Kontaktfahnen der ersten Stapelseite ist dann symmetrisch zu einer Anordnung der Kontaktfahnen der zweiten Stapelseite gestaltet. In 3A und 3B sind eine erste Stufenfolge und eine zweite Stufenfolge gezeigt, die in einem zueinander entgegengesetzten Richtungssinn verlaufen. Die Anordnung der Kontaktfahnen der ersten Stapelseite ist anti-symmetrisch zu der Anordnung der Kontaktfahnen der zweiten Stapelseite gestaltet. Die diagonalen Richtungen D₁ oder D₂ sind zur Stapelrichtung Z windschief gelegene Richtungen.
4 ist eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform eines Elektrodenstapels 20. Im Vergleich zu dem in den 2, 3A und 3B gezeigten Elektrodenstapel 10 weist der Elektrodenstapel 20 eine Elektrodenstapelfolge auf, in der die Stapelpositionen zweier Elektroden 120, 110 sowie zweier Gegenelektroden 210, 220 miteinander vertauscht wurden. Mit anderen Worten sind die Kontaktfahnen 101, 121, 111, 131, 201, 221, 211, 231 in der Stapelrichtung Z und in der Breitenrichtung Y in einer unregelmäßigen Verteilung versetzt zueinander an der ersten Elektrodenstapelseite 11 und/oder der zweiten Elektrodenstapelseite 12 angeordnet.
5 ist eine schematische Seitenansicht der Elektrodenstapelseite 11 der in 4 gezeigten Ausführungsform des Elektrodenstapels 20. Die mit einer Kreuzschraffur dargestellten Kontaktfahnen 101, 111, 121, 131 sind in der Stapelrichtung Z und in der Breitenrichtung Y in einer zickzackartigen Verteilung versetzt zueinander an der Elektrodenstapelseite 11 angeordnet. Insbesondere weisen die Kontaktfahnen 101, 111, 121, 131 sich in der Breitenrichtung Y und in der Längsrichtung X erstreckende Oberflächen auf. Die Oberflächen der Kontaktfahnen 101, 111, 121, 131 weisen jeweils einen Oberflächenmittelpunkt M₁, M₂, M₃, M₄ auf. Die Kontaktfahnen 101, 111, 121, 131 sind derart zueinander versetzt angeordnet, dass die Oberflächenmittelpunkte M₁, M₂, M₃, M₄ benachbarter Kontaktfahnen sägezahnartig angeordnet sind.
Die Kontaktfahnen 101, 111, 121, 131 der jeweiligen Elektroden 100, 110, 120, 130 sind innerhalb von Breitenbereichen y₁, y₂, y₃, y₄ angeordnet. Die Breitenbereiche y₁, y₂, y₃, y₄ erstrecken sich entlang der Breiterichtung Y. Die Größe der jeweiligen Breitenbereiche y₁, y₂, y₃, y₄ wird durch die Größe der korrespondierenden Kontaktfahnen 131, 121, 111, 101 definiert. Die Breitenbereichen y₁, y₂, y₃, y₄ entsprechen somit jeweilig Projektionen der Kontaktfahnen 131, 121, 111, 101 auf einer Achse A, welche parallel zur Breitenrichtung Y entlang der ersten Stapelseite 11 verläuft. Die Projektionen der Kontaktfahnen 131, 121, 111, 101 auf der Achse A sind bündig.
In 6A ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Elektrodenstapels in einer Draufsicht gezeigt. 6B zeigt eine schematische Seitenansicht aller Elektroden des Elektrodenstapels 30 aus 6A, welche in einem Betriebszustand eine erste Polarität aufweisen. Andere Elemente des Elektrodenstapels sind in 6B nicht gezeigt. Die Kontaktfahnen 301, 311, 321, 331, 401, 411, 421, 431 dieser Ausführungsform sind im Vergleich zu den Kontaktfahnen bisheriger Ausführungsformen vergleichsweise größer dimensioniert, sodass sich ihre jeweiligen Projektionen auf eine Achse parallel zur Breitenrichtung Y entlang der Elektrodenstapelseite überlagern. 6B zeigt (kreuzschraffiert dargestellte) Kontaktfahnen 301, 311, 321, 331, welche sich von der ersten Seite des Elektrodenstapels 11 erstrecken. Die Kontaktfahnen 301, 311, 321, 331 weisen jeweilig Projektionen y₄, y₃, y₂, y₁ auf der Achse A auf, die sich auf der Achse A teilweise überlappen.
In 7A ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Elektrodenstapels in einer Draufsicht gezeigt. 7B zeigt eine schematische Seitenansicht aller Elektroden des Elektrodenstapels 40 aus 7A, welche in einem Betriebszustand eine erste Polarität aufweisen. Die in 7B mit Kreuzschraffur dargestellten Kontaktfahnen 101, 111, 121, 131 weisen eine vergleichsweise geringere Größe als die Kontaktfahnen anderer Ausführungsformen auf. Folglich sind auch die Dimensionen der jeweilig korrespondierenden Projektionen y₄, y₃, y₂, y₁ auf eine Achse A parallel zur Breitenrichtung Y entlang einer Elektrodenstapelseite vergleichsweise geringer. Aus diesem Grund entstehen Beabstandungen 150 zwischen den Projektionen y₄, y₃, y₂, y₁. Mit anderen Worten sind die Projektionen der Kontaktfahnen auf der Achse A mit Beabstandungen 150 in der Breitenrichtung Y zueinander angeordnet. Die Beabstandungen 150 sind zwischen jeweils zwei Projektionen y₄, y₃, y₂, y₁ benachbarter Kontaktfahnen angeordnet.
Insgesamt zeigen die Ausführungsbeispiele einen Elektrodenstapel für eine Batteriezelle und/oder eine Batterie, welche besonders beständig gegenüber einer hohen Temperaturbeanspruchung und dem daraus resultierenden Materialverschleiß ist.
Bei den oben erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
Bezugszeichenliste

10: Elektrodenstapel
11: Elektrodenstapelseite
12: Elektrodenstapelseite
20: Elektrodenstapel
30: Elektrodenstapel
40: Elektrodenstapel
100: Elektrode / Gegenelektrode
101: Kontaktfahne
110: Elektrode / Gegenelektrode
111: Kontaktfahne
120: Elektrode / Gegenelektrode
121: Kontaktfahne
130: Elektrode / Gegenelektrode
131: Kontaktfahne
140: Separator
150: Beabstandung
200: Gegenelektrode / Elektrode
201: Kontaktfahne
210: Gegenelektrode / Elektrode
211: Kontaktfahne
220: Gegenelektrode / Elektrode
221: Kontaktfahne
230: Gegenelektrode / Elektrode
231: Kontaktfahne
301: Kontaktfahne
311: Kontaktfahne
321: Kontaktfahne
331: Kontaktfahne
401: Kontaktfahne
411: Kontaktfahne
421: Kontaktfahne
431: Kontaktfahne

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/109641 A1 [0003]
US 2002/0045096 A1 [0004]

Claims

Elektrodenstapel (10; 20; 30; 40) für eine Batteriezelle umfassend zumindest eine erste und eine zweite Elektrode, welche dazu ausgelegt sind, in einem Betriebszustand der Batteriezelle eine erste Polarität aufzuweisen; wobei der Elektrodenstapel eine sich in einer Stapelrichtung (Z) und in einer Breitenrichtung (Y) der Elektroden erstreckende erste Elektrodenstapelseite (11) bildet, von welcher sich Kontaktfahnen der jeweiligen Elektroden erstrecken, wobei die Kontaktfahnen in der Stapelrichtung (Z) und in der Breitenrichtung (Y) versetzt zueinander an der ersten Elektrodenstapelseite (11) angeordnet sind.
Elektrodenstapel (10; 20; 30; 40) für eine Batteriezelle nach Anspruch 1, ferner umfassend zumindest eine erste und eine zweite Gegenelektrode, welche dazu ausgelegt sind, in einem Betriebszustand der Batteriezelle eine zweite Polarität aufzuweisen; wobei der Elektrodenstapel eine gegenüber der ersten Stapelseite (11) angeordnete zweite Stapelseite (12) aufweist, von welcher sich Kontaktfahnen der jeweiligen Gegenelektroden erstrecken, wobei die Kontaktfahnen der Gegenelektroden in der Stapelrichtung (Z) und in der Breitenrichtung (Y) versetzt zueinander an der zweiten Elektrodenstapelseite (12) angeordnet sind.
Elektrodenstapel (10; 20; 30; 40) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kontaktfahnen kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig an den jeweiligen Elektroden und/oder Gegenelektroden angeordnet sind.
Elektrodenstapel (10; 20; 30; 40) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Elektrode und/oder die erste Gegenelektrode eine erste Oberflächenbeschichtung aufweist, und wobei zumindest eine erste Kontaktfahne der ersten Elektrode und/oder der ersten Gegenelektrode eine Oberflächenbeschichtung aufweist, die zu einer Oberflächenbeschichtung der ersten Elektrode und/oder der ersten Gegenelektrode unterschiedlich ist.
Elektrodenstapel (10; 20; 30; 40) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Elektrodenstapel zumindest drei oder vier Elektroden und/oder zumindest drei oder vier Gegenelektroden aufweist.
Elektrodenstapel (10; 20; 30; 40) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kontaktfahnen der Elektroden in der Stapelrichtung (Z) und in der Breitenrichtung (Y) kragstufenartig versetzt zueinander an der ersten Elektrodenstapelseite (11) angeordnet sind.
Elektrodenstapel (10; 20; 30; 40) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kontaktfahnen der Gegenelektroden in der Stapelrichtung (Z) und in der Breitenrichtung (Y) kragstufenartig versetzt zueinander an der zweiten Elektrodenstapelseite (12) angeordnet sind.
Elektrodenstapel (10; 20; 30; 40) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kontaktfahnen in der Stapelrichtung (Z) und in der Breitenrichtung (Y) in einer regelmäßigen Verteilung versetzt zueinander an der ersten Elektrodenstapelseite (11) und/oder zweiten Elektrodenstapelseite (12) angeordnet sind.
Elektrodenstapel (10; 20; 30; 40) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kontaktfahnen in der Stapelrichtung (Z) und in der Breitenrichtung (Y) in einer unregelmäßigen Verteilung versetzt zueinander an der ersten Elektrodenstapelseite (11) und/oder der zweiten Elektrodenstapelseite (12) angeordnet sind.
Elektrodenstapel (10; 20; 30; 40) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kontaktfahnen in der Stapelrichtung (Z) und in der Breitenrichtung (Y) in einer zickzackartigen Verteilung versetzt zueinander an der ersten Elektrodenstapelseite (11) und/oder zweiten Elektrodenstapelseite (12) angeordnet sind.
Elektrodenstapel (10; 20; 30; 40) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei Projektionen (y1; y2; y3; y4) der Kontaktfahnen auf eine Achse (A) parallel zur Breitenrichtung (Y) an der ersten Elektrodenstapelseite (11) und/oder an der zweiten Elektrodenstapelseite (12) in der Breitenrichtung (Y) teilweise überlappend angeordnet sind.
Elektrodenstapel (10; 20; 30; 40) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei Projektionen (y1; y2; y3; y4) der Kontaktfahnen auf eine Achse (A) parallel zur Breitenrichtung (Y) an der ersten Elektrodenstapelseite (11) und/oder an der zweiten Elektrodenstapelseite (12) in der Breitenrichtung (Y) bündig zueinander angeordnet sind.
Elektrodenstapel (10; 20; 30; 40) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei Projektionen (y1; y2; y3; y4) der Kontaktfahnen auf eine Achse (A) parallel zur Breitenrichtung (Y) an der ersten Elektrodenstapelseite (11) und/oder an der zweiten Elektrodenstapelseite (12) in der Breitenrichtung (Y) mit einer Beabstandung (150) zueinander angeordnet sind.
Elektrodenstapel (10; 20; 30; 40) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Anordnung der Kontaktfahnen der ersten Stapelseite (11) symmetrisch oder anti-symmetrisch zu einer Anordnung der Kontaktfahnen der zweiten Stapelseite (12) gestaltet ist.
Batterie umfassend zumindest einen Elektrodenstapel (10; 20; 30; 40) für eine Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14.