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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses und deren Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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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.
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Eine Lithium-Ionen-Batterie umfasst in der Regel mehrere Batteriemodule. Ein Batteriemodul setzt sich wiederum aus mehreren Batteriezellen zusammen.
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Solche Batteriezellen weisen jeweils ein Batteriezellengehäuse auf, in dem eine Vielzahl an Elektrodeneinheiten umfassend Anoden, Separatoren und Kathoden aufgenommen sind. Dabei kann das Batteriezellengehäuse prismatisch, zylindrisch oder folienartig ausgeführt sein.
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Ein prismatisches Batteriezellengehäuse ist typischerweise mit einem plattenförmig ausgebildeten Gehäusedeckel verschlossen, an dem ein positiver Batteriezellenpol und ein negativer Batteriezellenpol zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle mit weiteren Batteriezellen positioniert sind.
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Dabei kann der positive bzw. negative Batteriezellenpol durch eine Öffnung des Gehäusedeckels hindurchgeführt und an dem Gehäusedeckel befestigt sein. Der Gehäusedeckel und der positive bzw. negative Batteriezellenpol sind typischerweise metallisch ausgeführt und müssen daher voneinander elektrisch isoliert sein.
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Aus dem Dokument
JP 2013161635 A ist eine Batteriezelle bekannt, bei der ein Batteriezellenpol aus Metall und Keramik hergestellt ist.
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Aus dem Dokument
JP 2013004443 A ist eine Batteriezelle bekannt, bei der eine Isolierfolie auf einem Batteriezellenpol aufgebracht ist. Die Isolierfolie ist hierbei aus einem ersten und einem zweiten Kunststoff hergestellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bereitgestellt.
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Eine erfindungsgemäße Deckelbaugruppe umfasst einen Gehäusedeckel. Der Gehäusedeckel weist hierbei eine erste Aufnahmeöffnung auf. Weiter umfasst die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe einen ersten Batteriezellenpol. Der erste Batteriezellenpol setzt sich hierbei aus einer Polplatte und einem Durchführungselement zusammen. Das Durchführungselement ist auf der Polplatte des ersten Batteriezellenpols positioniert und teilweise in der ersten Aufnahmeöffnung des Gehäusedeckels angeordnet. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe eine erste Isolierfolie. Die erste Isolierfolie ist zwischen der Polplatte des ersten Batteriezellenpols und dem Gehäusedeckel angeordnet. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe eine zweite Isolierfolie. Die zweite Isolierfolie ist zwischen der ersten Isolierfolie und dem Gehäusedeckel angeordnet.
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Eine derartige Deckelbaugruppe weist eine erhöhte elektrische Isolation des ersten Batteriezellenpols gegenüber dem Gehäusedeckel auf. Weiter zeigt eine derartige Deckelbaugruppe eine verbesserte Medienresistenz und mechanische Belastbarkeit im Vergleich zu einer Deckelbaugruppe mit einer einzigen Isolierfolie.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die zweite Isolierfolie kann beispielsweise mithilfe eines temperierten Pressverfahrens zunächst auf den Gehäusedeckel aufgebracht werden. Anschließend kann die erste Isolierfolie mittels desselben Verfahrens auf die zweite Isolierfolie aufgebracht werden. Weiter wird der erste Batteriezellenpol beispielsweise auf die erste Isolierfolie aufgepresst. Anschließend werden die vorbeschriebenen Bauelemente Gehäusedeckel, erster Batteriezellenpol und erste sowie zweite Isolierfolie einem Ofenprozess ausgesetzt, um eine hohe Adhäsion zwischen dem Gehäusedeckel und dem ersten Batteriezellenpol herzustellen.
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Die erste sowie die zweite Isolierfolie werden beispielsweise mittels Aushärten eines Epoxidharzes bereitgestellt. Ein derartiger Kunststoff weist eine Aushärtetemperatur von ungefähr 175 °C auf. Bei dieser Temperatur wird das jeweilige Epoxidharz in die Form einer ersten Isolierfolie und einer zweiten Isolierfolie der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe gebracht. Dabei wird eine relativ stabile mechanische Verbindung zwischen dem ersten Batteriezellenpol und der ersten Isolierfolie sowie zwischen der zweiten Isolierfolie und dem Gehäusedeckel während des Aushärtevorgangs des jeweiligen Epoxidharzes erreicht. Sollte die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe bei einer Temperatur verwendet werden, die gleich der Aushärtetemperatur des Epoxidharzes ist, erfahren die Bauelemente der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe dabei keine thermische Ausdehnung. Jedoch wird die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe vorzugsweise in einer Batteriezelle eingesetzt, welche in einem Temperaturbereich von etwa -40 °C bis etwa ca. 80 °C betrieben wird. Dieser Temperaturbereich weicht sich relativ weit weg von der Aushärtetemperatur des Epoxidharzes aus. Je größer allgemein die Differenz zwischen der Betriebstemperatur einer Batteriezelle und der entsprechenden Aushärtetemperatur ist, desto größer sind die thermomechanischen Spannungen an den Grenzflächen zwischen dem Gehäusedeckel und der zweiten Isolierfolie sowie zwischen der ersten Isolierfolie und dem ersten Batteriezellenpol. Diese thermomechanischen Spannungen können wiederum zum Ablösen der ersten und der zweiten Isolierfolie von der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe führen.
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So ist von Vorteil, wenn die erste Isolierfolie aus einem ersten Material und die zweite Isolierfolie aus einem zweiten Material ausgeführt ist, wobei das erste Material der ersten Isolierfolie einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das zweite Material der zweiten Isolierfolie aufweist.
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Die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Materials der ersten Isolierfolie und des zweiten Materials der zweiten Isolierfolie dienen dem Ausgleich derartiger thermomechanische Spannungen.
Auf diese Weise können thermomechanische Spannungen der zweiten Isolierfolie in Richtung der ersten Isolierfolie wirkungsvoll abgebaut werden.
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Weiter ist vorteilhaft, wenn die Polplatte des ersten Batteriezellenpols aus einem dritten Material und der Gehäusedeckel aus einem vierten Material ausgeführt ist, wobei das dritte Material der Polplatte des ersten Batteriezellenpols einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das vierte Material des Gehäusedeckels aufweist.
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Eine derartige Gestaltung ermöglicht es, dass thermomechanische Spannungen vorzugsweise von dem Gehäusedeckel in Richtung des ersten Batteriezellenpols abgebaut werden können.
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Weiterhin ist vorteilhaft, wenn das dritte Material der Polplatte des ersten Batteriezellenpols einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das erste Material der ersten Isolierfolie aufweist.
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Ferner ist vorteilhaft, wenn das zweite Material der zweiten Isolierfolie einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das vierte Material des Gehäusedeckels aufweist.
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Auf diese Weise können die thermomechanischen Spannungen vorzugsweise von dem Gehäusedeckel hin zu dem ersten Batteriezellenpol durch die erste und die zweite Isolierfolie schrittweise abgebaut werden. Die Bauelemente einer erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe werden somit weniger stark thermisch belastet und weisen eine langfristige mechanische Stabilität auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die erste Isolierfolie mit der zweiten Isolierfolie stoffschlüssig verbunden.
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So entsteht eine feste Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Isolierfolie. Die Medienresistenz und die mechanische Belastbarkeit der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe können somit weiter verbessert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist zwischen der zweiten Isolierfolie und dem Gehäusedeckel zumindest eine weitere Isolierfolie angeordnet.
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Dabei ist vorteilhaft, wenn die zumindest eine weitere Isolierfolie aus einem fünften Material ausgeführt ist, das einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das vierte Material des Gehäusedeckels aufweist, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des fünften Materials größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient des zweiten Materials der zweiten Isolierfolie ist.
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Auf diese Weise können thermomechanische Spannungen in der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe weiter reduziert werden. Der Gehäusedeckel wird damit thermisch nur wenig belastet und weist somit eine längere Lebensdauer auf.
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Weiter ist dabei vorteilhaft, wenn zumindest eines der Materialien der ersten und der zweiten sowie der zumindest einen weiteren Isolierfolie aus einem Epoxidmaterial mit einem anorganischen Füllstoff gebildet ist.
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Der thermische Ausdehnungskoeffizient der vorbeschriebenen Isolierfolien kann damit relativ einfach durch die Auswahl und den Anteil des anorganischen Füllstoffs eingestellt werden.
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Weiterhin ist vorteilhaft, wenn die Polplatte des ersten Batteriezellenpols die erste Aufnahmeöffnung des Gehäusedeckels vollständig abdeckt.
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Auf diese Weise können weitere Dichtungselemente, welche typischerweise zwischen dem ersten Batteriezellenpol und dem Gehäusedeckel vorgesehen sind, vermieden werden. Die Anzahl an Bauelementen einer Deckelbaugruppe kann somit möglichst klein gehalten werden.
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Die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe lässt sich vorteilhaft in einer Batteriezelle einsetzen, welche wiederum ihre Anwendung in einem Elektrofahrzeug (Electric Vehicle, EV), in einem Hybridfahrzeug (Hybride Electric Vehicle, HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) findet.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Schnittansicht einer Deckelbaugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
- 2 eine Schnittansicht einer Deckelbaugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe 10 gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt.
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Die Deckelbaugruppe 10 umfasst beispielsweise einen Gehäusedeckel 12, welcher in 1 mit einer ersten Aufnahmeöffnung 14 versehen ist. Die erste Aufnahmeöffnung 14 kann beispielsweise rund, rechteckig oder in einer anderen beliebigen geometrischen Form ausgebildet sein. Der Gehäusedeckel 12 kann beispielsweise noch eine zweite Aufnahmeöffnung beinhalten, welche typischerweise der ersten Aufnahmeöffnung 14 entsprechend ausgestaltet ist. Alternativ ist der Gehäusedeckel 12 mit der ersten Aufnahmeöffnung 14 als einziger Aufnahmeöffnung versehen.
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Der Gehäusedeckel 12 ist beispielsweise aus Aluminium hergestellt und weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 23 ppm/K auf. Dabei ist der thermische Ausdehnungskoeffizient beispielsweise ein Längenausdehnungskoeffizient, welcher die Längenänderung des Gehäusedeckels 12 bei einer Temperaturänderung bezeichnet. Die Längenänderung wird in ppm und die Temperaturänderung in K angegeben.
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Weiter umfasst die Deckelbaugruppe 10 einen ersten Batteriezellenpol 16, welcher sich beispielsweise aus einem Durchführungselement 164 und einer an dessen einem Ende aufgebrachten Polplatte 162 zusammensetzt. Das Durchführungselement 164 ist beispielsweise zylindrisch und die Polplatte 162 ist bspw. plattenförmig ausgebildet. Der erste Batteriezellenpol 16 ist somit T-förmig ausgebildet. Die Polplatte 162 des ersten Batteriezellenpols 16 deckt dabei die erste Aufnahmeöffnung 14 des Gehäusedeckels 12 vollständig ab.
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Die Deckelbaugruppe 10 kann beispielsweise derart mit einem prismatischen Grundkörper zur Ausbildung eines prismatischen Batteriezellengehäuses verbunden sein, dass das Durchführungselement 164 des ersten Batteriezellenpols 16 zumindest teilweise innerhalb der ersten Aufnahmeöffnung 14 des Gehäusedeckels 12 und darüber hinaus zumindest teilweise im Inneren des prismatischen Grundkörpers angeordnet ist.
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Der erste Batteriezellenpol 16 bzw. das Durchführungselement 164 und die Polplatte 162 des ersten Batteriezellenpols 16 sind beispielsweise aus Kupfer hergestellt. Der erste Batteriezellenpol 16 weist so einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 16 ppm/K auf. Weitere Materialien für den ersten Batteriezellenpol 16 sind auch denkbar. Dabei sind vor allem Materialien bevorzugt, die einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Gehäusedeckel 12 aufweisen.
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Weiterhin umfasst die Deckelbaugruppe 10 eine erste Isolierfolie 13, welche auf der Polplatte 162 des ersten Batteriezellenpols 16 aufgebracht ist. Dabei ist die erste Isolierfolie 13 beispielsweise aus einem Epoxidmaterial mit ca. 90 bis 95 Gew.-% an anorganischem Füllstoff ausgeführt. Das Epoxidmaterial ist beispielsweise ein Epoxidharz und der anorganische Füllstoff ist beispielsweise Siliziumdioxid (SiO2). Die erste Isolierfolie 13 weist somit einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 18 ppm/K auf. Dabei ist die erste Isolierfolie 13 beispielsweise mit einer ersten Öffnung versehen, durch welche das Durchführungselement 164 des ersten Batteriezellenpols 16 hindurchgeführt ist.
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Eine zweite Isolierfolie 15 ist auf dem Gehäusedeckel 12 bzw. zwischen der ersten Isolierfolie 13 und dem Gehäusedeckel 12 vorgesehen. Die zweite Isolierfolie 15 ist beispielsweise aus demselben Epoxidmaterial wie die erste Isolierfolie 13, jedoch weist sie einen Anteil an anorganischen Füllstoffen in Höhe von ca. 80 bis 85 Gew.-% Siliziumdioxid (SiO2) auf. Die zweite Isolierfolie 15 weist somit einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 21 ppm/K auf. Dabei ist die zweite Isolierfolie 15 beispielsweise mit einer zweiten Öffnung versehen, welche der ersten Öffnung der ersten Isolierfolie 13 entsprechend gestaltet ist.
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Die Deckelbaugruppe 10 kann hergestellt werden, indem zunächst der Gehäusedeckel 12 bereitgestellt und die zweite Isolierfolie 15 auf den Gehäusedeckel 12 aufgebracht wird. Anschließend wird die erste Isolierfolie 13 auf die zweite Isolierfolie 15 aufgebracht. Weiter wird der erste Batteriezellenpol 16 auf der ersten Isolierfolie 13 angeordnet. Die vorbeschriebenen Bauelemente werden danach aufeinander gepresst und einer erhöhten Temperatur ausgesetzt. Dadurch kann die erste Isolierfolie 13 mit der zweiten Isolierfolie 15 stoffschlüssig verbunden werden.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe 20 gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.
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Die Deckelbaugruppe 20 umfasst dabei neben einer ersten und einer zweiten Isolierfolie 13, 15 eine dritte Isolierfolie 27.
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Die dritte Isolierfolie 27 ist bspw. zwischen der zweiten Isolierfolie 15 und einem Gehäusedeckel 12 angeordnet. Die dritte Isolierfolie 27 ist beispielsweise aus demselben Epoxidmaterial wie die erste und die zweite Isolierfolie 13, 15 ausgeführt, sie weist jedoch einen Anteil an anorganischen Füllstoffen in Höhe von ca. 78 bis 80 Gew.-% bspw. in Form von Siliziumdioxid (SiO2) auf. Die dritte Isolierfolie 27 weist beispielsweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der ca. 22 ppm/K beträgt Dabei ist die dritte Isolierfolie 27 beispielsweise mit einer dritten Öffnung versehen, welche der ersten Öffnung der ersten Isolierfolie 13 entsprechend gestaltet ist.
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Somit weist die dritte Isolierfolie 27 einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Gehäusedeckels 12 und größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient der zweiten Isolierfolie 15 ist.
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Die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe 10, 20 lässt sich vorteilhaft in wiederaufladbaren lithiumhaltigen Batteriesystemen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, lithiumhaltigen Solid-State-Batterien, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien, verwenden. Diese wiederum finden Anwendung in E-Bikes oder Kraftfahrzeugen sowie in der stationären Speicherung elektrischer Energie.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2013161635 A [0007]
- JP 2013004443 A [0008]
