DE102020213431A1 - Lid assembly of a battery cell housing, method of manufacture and use of such - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Deckelbaugruppe (10) eines Batteriezellengehäuses beschrieben, die einen Gehäusedeckel (102) mit einer ersten Aufnahmeöffnung (104) umfasst. Weiter umfasst die Deckelbaugruppe ein elektrisches Isolationselement (103) mit einer zweiten Aufnahmeöffnung (113), welches in der ersten Aufnahmeöffnung (104) des Gehäusedeckels (102) angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Deckelbaugruppe einen ersten Batteriezellenpol (106), welcher teilweise in der zweiten Aufnahmeöffnung (113) des elektrischen Isolationselements (103) angeordnet ist. Dabei ist der Gehäusedeckel (102) als ein zweiter Batteriezellenpol ausgebildet.A cover assembly (10) of a battery cell housing is described, which comprises a housing cover (102) with a first receiving opening (104). The cover assembly also includes an electrical insulation element (103) with a second receiving opening (113), which is arranged in the first receiving opening (104) of the housing cover (102). Furthermore, the cover assembly includes a first battery cell pole (106) which is partially arranged in the second receiving opening (113) of the electrical insulation element (103). The housing cover (102) is designed as a second battery cell pole.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses, ein Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The present invention relates to a cover assembly of a battery cell housing, a method for its production and its use according to the preamble of the independent patent claims.
Stand der TechnikState of the art
Zur Umsetzung der Elektromobilität werden wiederaufladbare Batterien zur mehrfachen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie verwendet. Dafür sind Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer vergleichsweise großen Energiedichte, ihrer guten thermischen Stabilität und ihrer geringen Selbstentladung besonders geeignet.To implement electromobility, rechargeable batteries are used for multiple conversion of chemical into electrical energy. Lithium-ion batteries are particularly suitable for this due to their comparatively high energy density, their good thermal stability and their low self-discharge.
Eine Lithium-Ionen-Batterie umfasst in der Regel mehrere Batteriemodule. Ein Batteriemodul setzt sich wiederum aus mehreren Batteriezellen zusammen.A lithium-ion battery usually includes several battery modules. A battery module is in turn made up of several battery cells.
Eine Batteriezelle weist typischerweise ein Batteriezellengehäuse auf, welches eine Elektrodeneinheit in Form eines Elektrodenwickels oder eines Elektrodenstapels aufnimmt. Dabei kann das Batteriezellengehäuse beispielsweise prismatisch ausgebildet sein.A battery cell typically has a battery cell housing which accommodates an electrode unit in the form of an electrode coil or an electrode stack. In this case, the battery cell housing can be formed, for example, prismatic.
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 angeordnet sind. Dabei kann der positive bzw. negative Batteriezellenpol durch eine Öffnung des Gehäusedeckels hindurchgeführt und an dem Gehäusedeckel befestigt sein. Im Fall eines undicht ausgeführten Verschlusses dieser Öffnung kann Luft oder Umgebungsfeuchtigkeit durch die Öffnung des Gehäusedeckels in den Innenraum des Batteriezellengehäuses eindringen. Auf solche äußeren Einflüsse reagieren die Elektrodeneinheiten der Batteriezelle sehr empfindlich. Umgekehrt kann auch ein flüssiger Elektrolyt durch diese Öffnung aus dem Innenraum des Batteriezellengehäuses in die Umgebung austreten, welcher entzündbar ist und einen Brand verursachen kann. Daher sollte die Öffnung möglichst abgedichtet ausgebildet werden.A prismatic battery cell housing is typically closed with a plate-shaped housing cover on which a positive and a negative battery cell pole are arranged for electrical contacting with other battery cells. The positive or negative battery cell pole can be guided through an opening in the housing cover and attached to the housing cover. In the event of a leaking closure of this opening, air or ambient moisture can penetrate through the opening in the housing cover into the interior of the battery cell housing. The electrode units of the battery cell react very sensitively to such external influences. Conversely, a liquid electrolyte can also escape through this opening from the interior of the battery cell housing into the environment, which is flammable and can cause a fire. The opening should therefore be designed to be as sealed as possible.
Dafür wird oftmals eine Mehrzahl an Dichtungselementen und Isolationselementen verwendet, welche wiederum hohe Herstellungskosten und aufwendige Herstellungsprozesse einer Batteriezelle verursachen können.A plurality of sealing elements and insulating elements is often used for this purpose, which in turn can cause high manufacturing costs and complex manufacturing processes for a battery cell.
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Ferner ist aus dem Dokument
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses, ein Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereitgestellt.According to the present invention, a cover assembly of a battery cell housing, a method for its production and its use with the characterizing features of the independent patent claims are provided.
Eine erfindungsgemäße Deckelbaugruppe umfasst einen Gehäusedeckel. Der Gehäusedeckel ist hierbei mit einer ersten Aufnahmeöffnung versehen. Die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe umfasst weiter ein elektrisches Isolationselement. Das elektrische Isolationselement ist hierbei mit einer zweiten Aufnahmeöffnung ausgebildet. Die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe umfasst weiterhin einen ersten Batteriezellenpol. Die erste Aufnahmeöffnung des Gehäusedeckels sowie die zweite Aufnahmeöffnung des elektrischen Isolationselements dienen beispielsweise zur Aufnahme des ersten Batteriezellenpols. Das elektrische Isolationselement ist hierbei in der ersten Aufnahmeöffnung des Gehäusedeckels positioniert. Der erste Batteriezellenpol ist wiederum teilweise in der zweiten Aufnahmeöffnung des elektrischen Isolationselements angeordnet. Ferner ist der Gehäusedeckel bei der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe als ein zweiter Batteriezellenpol ausgebildet.A cover assembly according to the invention comprises a housing cover. The housing cover is provided with a first receiving opening. The cover assembly according to the invention further comprises an electrical insulation element. The electrical insulation element is in this case formed with a second receiving opening. The cover assembly according to the invention also includes a first battery cell pole. The first receiving opening of the housing cover and the second receiving opening of the electrical insulation element are used, for example, to receive the first battery cell pole. In this case, the electrical insulation element is positioned in the first receiving opening of the housing cover. The first battery cell pole is in turn partially arranged in the second receiving opening of the electrical insulation element. Furthermore, in the case of the cover assembly according to the invention, the housing cover is designed as a second battery cell pole.
Da der zweite Batteriezellenpol bei der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe direkt aus dem Gehäusedeckel ausgebildet ist, wird kein zweiter Batteriezellenpol benötigt, welcher bei einer herkömmlichen Deckelbaugruppe bezüglich dessen Bauform dem ersten Batteriezellenpol entspricht. Damit kann der Herstellungsaufwand, welcher durch einen solchen zweiten Batteriezellenpol bedingt ist, vermieden werden. Darüber hinaus kann die betroffene Deckelbaugruppe durch die Anordnung des elektrischen Isolationselements in der ersten Aufnahmeöffnung des Gehäusedeckels relativ dünn ausgestaltet werden. Die Volumeneffizienz einer Batterie kann somit auf der Zellebene verbessert werden.Since the second battery cell pole in the cover assembly according to the invention is formed directly from the housing cover, no second battery cell pole is required, which corresponds to the first battery cell pole in terms of its design in a conventional cover assembly. In this way, the manufacturing effort that is caused by such a second battery cell pole can be avoided. In addition, the cover assembly in question can be made relatively thin due to the arrangement of the electrical insulation element in the first receiving opening of the housing cover. The volume efficiency of a battery can thus be improved at the cell level.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the present invention are the subject matter of the dependent claims.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der zweite Batteriezellenpol durch das elektrische Isolationselement von dem ersten Batteriezellenpol elektrisch isoliert.According to an advantageous embodiment of the present invention, the second is battery cells pole electrically insulated from the first battery cell pole by the electrical insulating element.
Auf diese Weise entfallen weitere zusätzliche Isolationselemente in der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe. Der erste Batteriezellenpol kann mit relativ wenigen Isolationselementen auf einfache Weise gegenüber dem zweiten Batteriezellenpol elektrisch isoliert werden.In this way, further additional insulation elements are omitted in the cover assembly according to the invention. The first battery cell pole can be easily electrically insulated from the second battery cell pole with relatively few insulation elements.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der zweite Batteriezellenpol flächenbündig zu dem Gehäusedeckel ausgerichtet.According to a further advantageous embodiment of the present invention, the second battery cell pole is aligned flush with the housing cover.
Damit fungiert der Gehäusedeckel ohne weitere bauliche Änderungen direkt als zweiter Batteriezellenpol. Ferner kann die betroffene Deckelbaugruppe auf diese Weise zumindest auf der Seite des zweiten Batteriezellenpols möglichst dünn ausgestaltet werden. Die Volumeneffizienz auf der Zellebene kann somit weiter verbessert werden.The housing cover thus functions directly as a second battery cell pole without any further structural changes. Furthermore, the relevant cover assembly can be made as thin as possible in this way, at least on the side of the second battery cell pole. The volume efficiency at the cell level can thus be further improved.
Dabei ist vorgesehen, dass der erste Batteriezellenpol über den zweiten Batteriezellenpol überstehend ausgebildet ist.It is provided that the first battery cell pole is designed to protrude beyond the second battery cell pole.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn das elektrische Isolationselement mit dem Gehäusedeckel stoffschlüssig verbunden ist.Furthermore, it is advantageous if the electrical insulation element is materially connected to the housing cover.
Auf diese Weise kann eine relativ gute elektrische Isolation des ersten Batteriezellenpols gegenüber dem Gehäusedeckel ohne Hinzunahme zusätzlicher elektrischer Isolationselemente erzeugt werden. Das elektrische Isolationselement fungiert dabei zugleich als ein Abdichtungselement. Damit kann ein Eintritt von Umgebungsfeuchtigkeit durch die erste Aufnahmeöffnung des Gehäusedeckels in den Innenraum eines Batteriezellengehäuses vermieden werden.In this way, relatively good electrical insulation of the first battery cell pole relative to the housing cover can be produced without the addition of additional electrical insulation elements. The electrical insulation element also acts as a sealing element. In this way, ambient moisture can be prevented from entering the interior of a battery cell housing through the first receiving opening of the housing cover.
Weiter ist dabei vorteilhaft, wenn das elektrische Isolationselement zu einer ersten Großfläche des Gehäusedeckels flächenbündig ausgerichtet ist, die einem Innenraum des Batteriezellengehäuses abgewandt ist.It is also advantageous if the electrical insulation element is aligned flush with a first large area of the housing cover, which faces away from an interior of the battery cell housing.
Weiterhin ist dabei vorteilhaft, wenn das elektrische Isolationselement zu einer zweiten Großfläche des Gehäusedeckels flächenbündig ausgerichtet ist, die dem Innenraum des Batteriezellengehäuses zugewandt ist.Furthermore, it is advantageous if the electrical insulation element is aligned flush with a second large area of the housing cover, which faces the interior of the battery cell housing.
Der technische Vorteil dieser Ausgestaltungen besteht darin, dass das elektrische Isolationselement zu den beiden Großflächen des Gehäusedeckels flächenbündig ausgerichtet ist. Damit kann die Dicke der betroffenen Deckelbaugruppe möglichst klein gestaltet werden.The technical advantage of these configurations is that the electrical insulation element is aligned flush with the two large surfaces of the housing cover. In this way, the thickness of the relevant cover assembly can be made as small as possible.
Ferner ist vorteilhaft, wenn der erste Batteriezellenpol eine Polplatte und ein Kontaktelement zur externen elektrischen Kontaktierung umfasst. Das Kontaktelement ist hierbei auf die Polplatte des ersten Batteriezellenpols aufgebracht. Dabei deckt die Polplatte des ersten Batteriezellenpols die zweite Aufnahmeöffnung des elektrischen Isolationselements vollständig ab.It is also advantageous if the first battery cell pole includes a pole plate and a contact element for external electrical contact. In this case, the contact element is applied to the pole plate of the first battery cell pole. The pole plate of the first battery cell pole completely covers the second receiving opening of the electrical insulation element.
Damit kann ein Eintritt von Umgebungsfeuchtigkeit durch die zweite Aufnahmeöffnung des elektrischen Isolationselements in den Innenraum eines Batteriezellengehäuses ohne Hinzunahme weiterer Abdichtungselemente vermieden werden.It is thus possible to prevent ambient moisture from entering through the second receiving opening of the electrical insulation element into the interior of a battery cell housing without the addition of further sealing elements.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses, insbesondere der vorbeschriebenen Deckelbaugruppe.A further object of the present invention is a method for producing a cover assembly of a battery cell housing, in particular the cover assembly described above.
In einem ersten Verfahrensschritt werden ein Gehäusedeckel mit einer ersten Aufnahmeöffnung und ein elektrisches Isolationselement mit einer zweiten Aufnahmeöffnung bereitgestellt. Vorzugsweise wird ein erster Batteriezellenpol in einem zweiten Verfahrensschritt bereitgestellt. Weiter vorzugsweise wird der Gehäusedeckel in dem zweiten Verfahrensschritt als ein zweiter Batteriezellenpol ausgebildet.In a first method step, a housing cover with a first receiving opening and an electrical insulation element with a second receiving opening are provided. A first battery cell pole is preferably provided in a second method step. More preferably, the housing cover is formed as a second battery cell pole in the second method step.
Dabei ist vorteilhaft, wenn in dem zweiten Verfahrensschritt ein Kontaktelement zur externen elektrischen Kontaktierung auf eine Polplatte zur Ausbildung des ersten Batteriezellenpols aufgebracht wird.It is advantageous if, in the second method step, a contact element for external electrical contact is applied to a pole plate to form the first battery cell pole.
Weiter ist vorteilhaft, wenn das elektrische Isolationselement in einem dritten Verfahrensschritt derart in der ersten Aufnahmeöffnung des Gehäusedeckels angeordnet wird, dass das elektrische Isolationselement zu einer ersten Großfläche des Gehäusedeckels flächenbündig ausgerichtet wird und mit dem Gehäusedeckel stoffschlüssig verbunden wird. Dabei stellt die erste Großfläche des Gehäusedeckels eine dem Innenraum des Batteriezellengehäuses abgewandt ausgerichtete Großfläche dar.It is also advantageous if the electrical insulation element is arranged in the first receiving opening of the housing cover in a third method step such that the electrical insulation element is aligned flush with a first large area of the housing cover and is bonded to the housing cover. The first large area of the housing cover is a large area facing away from the interior of the battery cell housing.
So ist vorteilhaft, wenn das elektrische Isolationselement mittels Spritzguss mit dem Gehäusedeckel stoffschlüssig verbunden wird.It is advantageous if the electrical insulation element is connected to the housing cover in a materially bonded manner by means of injection molding.
Diese Maßnahme ermöglicht eine feste Verbindung zwischen dem elektrischen Isolationselement und dem Gehäusedeckel ohne zusätzliche Klebstoffe.This measure enables a firm connection between the electrical insulation element and the housing cover without additional adhesives.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn das Kontaktelement des ersten Batteriezellenpols in einem vierten Verfahrensschritt durch die zweite Aufnahmeöffnung des elektrischen Isolationselements hindurchgeführt wird. Dabei ist vorteilhaft, wenn der erste Batteriezellenpol mit dem elektrischen Isolationselement stoffschlüssig verbunden wird.It is also advantageous if the contact element of the first battery cell pole in a fourth step through the second receiving opening tion of the electrical insulation element is passed through. It is advantageous if the first battery cell pole is materially connected to the electrical insulation element.
Vorzugsweise wird der erste Batteriezellenpol mittels Laserdurchstrahlschweißen mit dem elektrischen Isolationselement stoffschlüssig verbunden.The first battery cell pole is preferably bonded to the electrical insulation element by means of laser transmission welding.
Auf diese Weise kann der erste Batteriezellenpol relativ einfach und robust mit dem elektrischen Isolationselement verbunden werden.In this way, the first battery cell pole can be connected to the electrical insulation element in a relatively simple and robust manner.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Deckelbaugruppe lässt sich vorteilhaft in Batteriezellen einsetzen, welche wiederum ihre Anwendung in einem Elektrofahrzeug, in einem Hybridfahrzeug oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug finden.The cover assembly provided according to the present invention can be advantageously used in battery cells, which in turn are used in an electric vehicle, in a hybrid vehicle or in a plug-in hybrid vehicle.
Figurenlistecharacter list
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 Prozessschema eines Verfahrens zur Herstellung einer Deckelbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
1 a sectional view of a cover assembly according to an embodiment of the present invention and -
2 an exemplary process schematic of a method for manufacturing a cover assembly according to the present invention.
In
Die Deckelbaugruppe 10 umfasst beispielsweise einen Gehäusedeckel 102, welcher beispielsweise plattenförmig ausgebildet ist. Die Deckelbaugruppe 10 verschließt insbesondere ein in der
Der Gehäusedeckel 102 ist mit einer ersten Aufnahmeöffnung 104 versehen. Die erste Aufnahmeöffnung 104 ist beispielsweise rechteckig ausgebildet. Ein elektrisches Isolationselement 103 ist in der ersten Aufnahmeöffnung 104 positioniert und beispielsweise mittels Spritzguss mit dem Gehäusedeckel 102 stoffschlüssig verbunden. Dabei ist vorgesehen, dass das Material des elektrischen Isolationselements 103 einen Kunststoff aufweist. Besonders geeignete Kunststoffe dafür sind beispielsweise Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyphenylensulfid (PS), Polyetheretherketon (PEEK), Polyethersulfon (PES) oder deren Mischungen.The
Dabei ist das elektrische Isolationselement 103 zu einer ersten Großfläche 112 und zu einer zweiten Großfläche 122 des Gehäusedeckels 102 flächenbündig ausgerichtet. Die zweite Großfläche 122 ist beispielsweise dem Innenraum eines Batteriezellengehäuses zugewandt. Wie aus
Weiter umfasst die Deckelbaugruppe 10 einen ersten Batteriezellenpol 106, welcher sich beispielsweise aus einem Kontaktelement 108 in Form eines Bolzens und einer an dessen einem Ende aufgebrachten Polplatte 110 zusammensetzt. Die Polplatte 110 ist beispielsweise mittels Laserdurchstrahlschweißen mit dem elektrischen Isolationselement 103 stoffschlüssig verbunden.The
Weiterhin ist das Kontaktelement 108 zumindest teilweise innerhalb einer zweiten Aufnahmeöffnung 113 des elektrischen Isolationselements 103 angeordnet. Dabei sind das Kontaktelement 108 und die Polplatte 110 des ersten Batteriezellenpols 106 beispielsweise aus Kupfer hergestellt. Die Länge bzw. die Breite der Polplatte 110 sind derart ausgewählt, dass die zweite Aufnahmeöffnung 113 des elektrischen Isolationselements 103 vollständig von der Polplatte 110 abdeckt wird.Furthermore, the
Der Gehäusedeckel 102 ist hierbei als ein zweiter Batteriezellenpol ausgebildet. Ein derartiger zweiter Batteriezellenpol weist eine gegenpolige Polarität bezogen auf den ersten Batteriezellenpol 106 auf. Der Gehäusedeckel 102 kann hierbei beispielsweise aus Aluminium hergestellt sein. An der zweiten Großfläche 122 des Gehäusedeckels 102 kann beispielsweise eine Elektrode bzw. ein Ableiterfähnchen einer Elektrode angebunden werden.The
In
In einem ersten Verfahrensschritt 202 werden ein Gehäusedeckel 102 mit einer ersten Aufnahmeöffnung 104 und ein elektrisches Isolationselement 103 mit einer zweiten Aufnahmeöffnung 113 bereitgestellt.In a
Weiter wird ein Kontaktelement 108 in Form eines Bolzens in einem zweiten Verfahrensschritt 204 auf eine Polplatte 110 aufgebracht zur Ausbildung eines ersten Batteriezellenpols 106.Furthermore, a
Weiterhin wird das elektrische Isolationselement 103 in einem dritten Verfahrensschritt 206 derart in der ersten Aufnahmeöffnung 104 des Gehäusedeckels 102 angeordnet, dass das elektrische Isolationselement 103 zu einer ersten Großfläche 112 des Gehäusedeckels 102 flächenbündig ausgerichtet wird. Die erste Großfläche 112 des Gehäusedeckels 102 ist hierbei zu einem Innenraum des Batteriezellengehäuses abgewandt ausgerichtet. In dem dritten Verfahrensschritt 206 wird das elektrische Isolationselement 103 weiterhin mit dem Gehäusedeckel 102 beispielsweise mittels Spritzguss stoffschlüssig verbunden.Furthermore, the
Ferner wird das Kontaktelement 108 des ersten Batteriezellenpols 106 in einem vierten Verfahrensschritt 208 durch die zweite Aufnahmeöffnung 113 des elektrischen Isolationselements 103 hindurchgeführt. Der erste Batteriezellenpol 106 wird hierbei beispielsweise mittels Laserdurchstrahlschweißen mit dem elektrischen Isolationselement 103 stoffschlüssig verbunden.Furthermore, the
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.The
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