DE102020214670A1 - Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung einer solchen - Google Patents

Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung einer solchen Download PDF

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Abstract

Es wird eine Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses beschrieben, umfassend einen Gehäusedeckel (102) und einen ersten Batteriezellenpol (106), der an dem Gehäusedeckel (102) angeordnet ist, weiterhin umfassend ein erstes Verbindungselement (112) zur Verbindung des ersten Batteriezellenpols (106) mit dem Gehäusedeckel (102), wobei das erste Verbindungselement (112) aus zumindest einem ersten und einem zweiten Material hergestellt ist, die unterschiedliche Härten aufweisen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses, ein Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
  • Stand der Technik
  • 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.
  • Eine Lithium-Ionen-Batterie umfasst in der Regel mehrere Batteriemodule. Ein Batteriemodul setzt sich wiederum aus mehreren Batteriezellen zusammen. Solche Batteriezellen werden mit einer Temperatur von etwa -40 °C bis etwa ca. 80 °C betrieben. Jedoch kann dabei eine Änderung der Betriebstemperatur thermomechanische Spannungen an verschiedenen Bauteilen einzelner Batteriezellen verursachen. Sollten die thermomechanischen Spannungen nicht ausreichend kompensiert werden, können die betroffenen Bauteile mechanisch geschädigt werden.
  • Aus dem Dokument US 2012/0258384 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, die ein Dichtungselement aus zwei Materialien umfasst. Dabei weisen die zwei Materialien des Dichtungselements unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf.
  • Ferner ist aus dem Dokument JP 2006128043 A eine Batteriezelle bekannt, die ein Batteriezellengehäuse aus verschiedenen Metallen umfasst. Dabei weisen die verschiedenen Metalle unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf.
  • Offenbarung der Erfindung
  • 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.
  • Eine erfindungsgemäße Deckelbaugruppe umfasst einen Gehäusedeckel und einen ersten Batteriezellenpol. Der erste Batteriezellenpol ist hierbei an dem Gehäusedeckel angeordnet. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe ein erstes Verbindungselement, das zur Verbindung des ersten Batteriezellenpols mit dem Gehäusedeckel dient. Das erste Verbindungselement ist aus zumindest einem ersten und einem zweiten Material hergestellt. Dabei weisen das erste und das zweite Material unterschiedliche Härten auf. Als Maß für die Härte wird bspw. deren Shore-Härte herangezogen.
  • Üblicherweise sind thermomechanische Spannungen an beiden Enden des Gehäusedeckels größer als in dessen mittigem Bereich. Das erste Verbindungselement kann daher beispielsweise zwischen dem Gehäusedeckel und dem ersten Batteriezellenpol angeordnet sein. Damit kann das erste Verbindungselement als Mittel zur Kompensation der besagten thermomechanischen Spannungen fungieren. Da bei der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe unterschiedlich harte Materialien für das erste Verbindungselement verwendet werden, kann das erste Material mit einer kleineren Härte bzw. das weichere Material dort eingesetzt werden, wo es mit den beiden Enden des Gehäusedeckels in Berührung kommt. Auf diese Weise können größere thermomechanische Spannungen im Bereich des Gehäusedeckels mithilfe des weicheren Materials des ersten Verbindungselements relativ effizient kompensiert werden. Der Gehäusedeckel der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe wird somit wenig thermomechanisch belastet und weist eine längere Lebensdauer auf.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das erste Material einen größeren Anteil an Additiven als das zweite Material des ersten Verbindungselements.
  • Vorzugsweise sind als Additive Vernetzer oder Keramikpartikel enthalten. Die Keramikpartikel sind hierbei z.B. aus Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Zirkonoxid, Bornitrid oder deren Mischungen ausgeführt.
  • Aufgrund des höheren Gehaltes an Additiven weist das erste Material eine größere Härte als das zweite Material auf. Die Materialhärte kann somit relativ einfach eingestellt werden.
  • Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das erste Material einen höheren Vernetzungsgrad als das zweite Material des ersten Verbindungselements auf.
  • Durch Wahl eines geeigneten Vernetzungsgrades kann die Härte des ersten und des zweiten Materials ohne Berücksichtigung zusätzlicher Additive eingestellt werden.
  • Weiter ist vorteilhaft, wenn das erste und das zweite Material in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen zueinander an verschiedenen Stellen des ersten Verbindungselements vorliegen.
  • Somit liegen in verschiedenen Bereichen des ersten Verbindungselements Materialgemische vor, die unterschiedliche Härten aufweisen. Beispielsweise ist die Härte des an beiden Enden des ersten Verbindungselements größer als in dessen mittigem Bereich. Somit weist das erste Verbindungselement eine relativ gute mechanische Festigkeit auf. Dies ist vor allem in solchen Fällen vorteilhaft, wenn eine relativ hohe mechanische Kraft auf das erste Verbindungselement ausgeübt wird, da das erste Verbindungselement einer solchen mechanischen Kraft besser widerstehen kann und mechanisch kaum beschädigt wird.
  • Weiterhin ist vorteilhaft, wenn das erste Verbindungselement bereichsweise mit dem Gehäusedeckel und mit einer Polplatte des ersten Batteriezellenpols verbunden ist.
  • Alternativ ist vorteilhaft, wenn das erste Verbindungselement vollflächig mit dem Gehäusedeckel und mit einer Polplatte des ersten Batteriezellenpols verbunden ist.
  • Auf diese Weise kann eine flexible Gestaltung des ersten Verbindungselements je nach Anforderungen an dessen Kompensationseigenschaften oder Hafteigenschaften ermöglicht werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Deckelbaugruppe bereitgestellt.
  • In einem ersten Verfahrensschritt werden ein Gehäusedeckel und ein erster Batteriezellenpol bereitgestellt.
  • Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt ein erstes Verbindungselement bereitgestellt. Dabei umfasst das erste Verbindungselement zumindest ein erstes und ein zweites Material. Das erste und das zweite Material des ersten Verbindungselements weisen hierbei unterschiedliche Härten auf.
  • Vorzugsweise werden in einem ersten Teilverfahrensschritt des zweiten Verfahrensschrittes das erste und das zweite Material in einem Mischer gemischt.
  • Weiter wird in einem zweiten Teilverfahrensschritt des zweiten Verfahrensschrittes das resultierende Gemisch auf eine Polplatte des ersten Batteriezellenpols aufgetragen zur Ausbildung des ersten Verbindungselements. Das resultierende Gemisch weist hierbei an verschiedenen Stellen des ersten Verbindungselements unterschiedliche Härten auf.
  • Vorteilhafterweise wird in dem ersten Teilverfahrensschritt des zweiten Verfahrensschrittes dem erstem Material ein höherer Anteil an Additiven als dem zweiten Material zugeführt.
  • Alternativ wird vorteilhaftweise in dem ersten Teilverfahrensschritt der Vernetzungsgrad des ersten Materials höher als der des zweiten Materials eingestellt.
  • Weiter vorteilhafterweise wird in dem zweiten Teilverfahrensschritt des zweiten Verfahrensschrittes das resultierende Gemisch in Form von Raupen oder Punkten auf die Polplatte des ersten Batteriezellenpols aufgetragen.
  • Weiterhin vorteilhafterweise wird in einem dritten Verfahrensschritt der erste Batteriezellenpol mit dem ersten Verbindungselement durch eine Aufnahmeöffnung des Gehäusedeckels hindurchgeführt und mit dem Gehäusedeckel verbunden.
  • 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.
  • Figurenliste
  • 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 vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
    • 2 ein beispielhaftes Prozessschema eines Verfahrens zur Herstellung einer Deckelbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • In 1 ist eine vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe 10 gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt.
  • Die Deckelbaugruppe 10 umfasst beispielsweise einen Gehäusedeckel 102, welcher plattenförmig ausgebildet ist. Der Gehäusedeckel 102 kann beispielsweise aus Aluminium hergestellt sein. Die Deckelbaugruppe 10 verschließt insbesondere ein in der 1 nicht vollständig gezeigtes prismatisch ausgebildetes Batteriezellengehäuse unter Ausbildung einer Batteriezelle.
  • Der Gehäusedeckel 102 ist mit einer ersten Aufnahmeöffnung 104 versehen. Der Gehäusedeckel 102 kann zusätzlich eine zweite Aufnahmeöffnung aufweisen, die der ersten Aufnahmeöffnung 104 entsprechend ausgestaltet ist. Die erste Aufnahmeöffnung 104 ist beispielsweise rund ausgebildet. Ein elektrisches Isolationselement 103 ist in der ersten Aufnahmeöffnung 104 angeordnet.
  • Weiter umfasst die Deckelbaugruppe 10 einen ersten Batteriezellenpol 106, welcher beispielsweise ein Kontaktelement 108 enthält. Das Kontaktelement 108 ist beispielsweise als ein Kontaktbolzen ausgebildet. Das Kontaktelement 108 dient zur elektrischen Verbindung der Batteriezelle mit einer oder mehreren weiteren Batteriezellen. Der erste Batteriezellenpol 106 umfasst weiter eine Polplatte 110, welche an einem Ende des Kontaktelements 108 angebracht ist. Das Kontaktelement 108 ist zumindest teilweise von dem elektrischen Isolationselement 103 umgeben. 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 grundsätzlich je nach Anwendungsfall frei wählbar.
  • Weiterhin umfasst die Deckelbaugruppe 10 ein erstes Verbindungselement 112. Das erste Verbindungselement 112 fungiert als ein Klebmittel und verbindet den Gehäusedeckel 102 mit der Polplatte 110 des ersten Batteriezellenpols 106. Das erste Verbindungselement 112 setzt sich beispielsweise aus einem ersten Bereich 114, einem zweiten Bereich 116 und einem dritten Bereich 118 zusammen. Der erste, zweite und dritte Bereich 114, 116, 118 enthalten jeweils ein Materialgemisch, das unterschiedliche Härten aufweist. Der zweite Bereich 116 ist zwischen dem ersten und dem dritten Bereich 114, 118 positioniert. Das Materialgemisch des ersten Bereiches 114 und das Materialgemisch des dritten Bereiches 118 weisen beispielsweise jeweils eine kleinere Härte als das Materialgemisch des zweiten Bereiches 116 auf. Dabei ist das Materialgemisch des dritten Bereiches 118 beispielsweise das Materialgemisch mit der kleinsten Härte. Die Materialgemische enthalten hierbei zumindest ein erstes und ein zweites Material. Das erste und das zweite Material sind beispielsweise Epoxide, Acrylate, Silikone oder Harnstoffharze. Vorzugsweise sind das erste und das zweite Material hierbei aus demselben Grundmaterial, z.B. Silikonen hergestellt. Jedoch enthält das erste Material mehr Additive als das zweite Material. Die Additive liegen beispielsweise in Form von Keramikpartikeln vor.
  • Alternativ kann das Materialgemisch des zweiten Bereiches 116 das Materialgemisch mit der kleinsten Härte sein. Das Materialgemisch des ersten Bereiches 114 und das Materialgemisch des dritten Bereiches 118 weisen beispielsweise jeweils eine größere Härte als das zweite Materialgemisch 116 auf. Das Materialgemisch des dritten Bereiches 118 ist beispielsweise härter ausgebildet als das Materialgemisch des ersten Bereiches 114. Somit weist das erste Verbindungselement 112 eine relativ gute mechanische Festigkeit auf.
  • In 2 ist ein beispielhaftes Prozessschema eines Verfahrens 20 zur Herstellung einer Deckelbaugruppe, insbesondere der vorbeschriebenen Deckelbaugruppe 10 abgebildet.
  • In einem ersten Verfahrensschritt 22 wird ein erster Batteriezellenpol 106 bereitgestellt. Der erste Batteriezellenpol 106 umfasst ein Kontaktelement 108 und eine Polplatte 110. Beispielsweise kann das Kontaktelement 108 auf der Polplatte 110 angeschweißt werden zur Ausbildung des ersten Batteriezellenpols 106. In dem ersten Verfahrensschritt 22 wird beispielsweise weiterhin ein Gehäusedeckel 102 bereitgestellt. Der Gehäusedeckel 102 umfasst dabei beispielsweise eine erste Aufnahmeöffnung 104. Die erste Aufnahmeöffnung 104 kann beispielsweise rund ausgebildet werden.
  • Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt 24 ein erstes Verbindungselement 112 bereitgestellt. Der zweite Verfahrensschritt 24 umfasst beispielsweise einen ersten Teilverfahrensschritt 241 und einen zweiten Teilverfahrensschritt 242.
  • In dem ersten Teilverfahrensschritt 241 des zweiten Verfahrensschrittes 24 werden ein erstes und ein zweites Material in einem statischen Mischer gemischt. Ein geeigneter statischer Mischer umfasst beispielsweise an dessen einem Ende einen ersten Einlasskanal für das erste Material und einen zweiten Einlasskanal für das zweite Material. Der erste und der zweite Einlasskanal sind hierbei beispielsweise getrennt voneinander innerhalb des statischen Mischers angeordnet. In dem ersten Teilverfahrensschritt 241 werden beispielsweise ausschließlich dem ersten Einlasskanal Additive wie z.B. Bornitrid zugeführt. Der erste und der zweite Einlasskanal sind beispielsweise jeweils mit einem Ventil versehen. Das jeweilige Ventil ist dazu eingerichtet, die Menge des zuzumischenden ersten Material in dem ersten Einlasskanal und des zuzumischenden zweiten Materials in dem zweiten Einlasskanal zu regulieren. Der statische Mischer umfasst ferner an dessen anderem Ende beispielsweise eine Sprühdüse oder eine Sprühpistole.
  • In dem zweiten Teilverfahrensschritt 242 des zweiten Verfahrensschrittes 24 wird das bei dem ersten Teilverfahrensschritt 241 resultierende Gemisch auf eine Polplatte 110 des ersten Batteriezellenpols 106 aufgetragen. Dabei wird beispielsweise das resultierende Gemisch zunächst aus der Sprühdüse des statischen Mischers herausgefördert, z.B. mittels eines Überdruckes innerhalb des statischen Mischers, und anschließend in Form von mehreren nebeneinander angeordneten Raupen auf die Polplatte 110 des ersten Batteriezellenpols 106 zur Ausbildung eines ersten Bereiches 114 eines ersten Verbindungselements 112 aufgetragen.
  • Anschließend werden erneut erstes und zweites Material gemischt. Dabei wird ein höherer Anteil an erstem Material im Vergleich zum vorherigen Mischvorgang vorgesehen. Das daraus resultierende Gemisch wird neben dem ersten Bereich 114 auf die Polplatte 110 des ersten Batteriezellenpols 106 aufgetragen zur Ausbildung eines zweiten Bereiches 116 des ersten Verbindungselements 112. Somit weist das resultierende Gemisch des zweiten Bereiches 116 eine größere Härte als das resultierende Gemisch des ersten Bereiches 114 auf.
  • Weiter wird derselbe Mischvorgang zur Ausbildung eines dritten Bereiches 118 neben dem zweiten Bereich 116 durchgeführt. Dabei wird der Anteil des ersten Materials mit den Additiven derart eingestellt, dass das resultierende Gemisch eine kleinere Härte als das resultierende Gemisch des ersten Bereiches 114 aufweist.
  • Anschließend wird in einem dritten Verfahrensschritt 26 der erste Batteriezellenpol 106 mit dem ersten Verbindungselement 112 durch die erste Aufnahmeöffnung 104 des Gehäusedeckels 102 hindurchgeführt. Zusätzlich wird dabei der erste Batteriezellenpol 106 auf den Gehäusedeckel 102 aufgepresst.
  • Weiter wird in einem vierten Verfahrensschritt 28 das Material eines elektrischen Isolationselements 103 in die erste Aufnahmeöffnung 104 des Gehäusedeckels 102 spritzgegossen.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2012/0258384 A1 [0004]
    • JP 2006128043 A [0005]

Claims (13)

  1. Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses, umfassend einen Gehäusedeckel (102) und einen ersten Batteriezellenpol (106), der an dem Gehäusedeckel (102) angeordnet ist, weiterhin umfassend ein erstes Verbindungselement (112) zur Verbindung des ersten Batteriezellenpols (106) mit dem Gehäusedeckel (102), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbindungselement (112) aus zumindest einem ersten und einem zweiten Material hergestellt ist, die unterschiedliche Härten aufweisen.
  2. Deckelbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material einen größeren Anteil an Additiven als das zweite Material des ersten Verbindungselements (112) umfasst.
  3. Deckelbaugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Additive Vernetzer oder Keramikpartikel enthalten sind.
  4. Deckelbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material einen höheren Vernetzungsgrad als das zweite Material des ersten Verbindungselements (112) aufweist.
  5. Deckelbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Material in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen zueinander an verschiedenen Stellen (114, 116, 118) des ersten Verbindungselements (112) vorliegen.
  6. Deckelbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbindungselement (112) bereichsweise mit dem Gehäusedeckel (102) und mit einer Polplatte (110) des ersten Batteriezellenpols (106) verbunden ist.
  7. Deckelbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbindungselement (112) vollflächig mit dem Gehäusedeckel (102) und mit einer Polplatte (110) des ersten Batteriezellenpols (106) verbunden ist.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Deckelbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei in einem ersten Verfahrensschritt (22) ein Gehäusedeckel (102) und ein erster Batteriezellenpol (106) bereitgestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Verfahrensschritt (24) ein erstes Verbindungselement (112) zur Verbindung des ersten Batteriezellenpols (106) mit dem Gehäusedeckel (102) bereitgestellt wird, wobei das erste Verbindungselement (112) zumindest ein erstes und ein zweites Material umfasst, die unterschiedliche Härten aufweisen.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Teilverfahrensschritt (241) des zweiten Verfahrensschrittes (24) das erste und das zweite Material in einem Mischer gemischt werden und in einem zweiten Teilverfahrensschritt (242) des zweiten Verfahrensschrittes (24) das resultierende Gemisch auf eine Polplatte (110) des ersten Batteriezellenpols (106) aufgetragen wird zur Ausbildung des ersten Verbindungselements (112), wobei das resultierende Gemisch an verschiedenen Stellen (114, 116, 118) des ersten Verbindungselements (112) unterschiedliche Härten aufweist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Teilverfahrensschritt (241) des zweiten Verfahrensschrittes (24) ein höherer Anteil an Additiven dem erstem Material als dem zweiten Material zugeführt wird oder der Vernetzungsgrad des ersten Materials höher als der Vernetzungsgrad des zweiten Materials eingestellt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Teilverfahrensschritt (242) des zweiten Verfahrensschrittes (24) das resultierende Gemisch in Form von Raupen oder Punkten auf die Polplatte (110) des ersten Batteriezellenpols (106) aufgetragen wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Verfahrensschritt (26) der erste Batteriezellenpol (106) mit dem ersten Verbindungselement (112) durch eine Aufnahmeöffnung (104) des Gehäusedeckels (102) hindurchgeführt und mit dem Gehäusedeckel (102) verbunden wird.
  13. Verwendung einer Deckelbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7 in einer Batteriezelle in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
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