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Die Erfindung betrifft ein Elektrodenpaket für eine Batterieeinzelzelle mit Anoden, Kathoden und dazwischen angeordneten Separatoren. Außerdem betrifft die Erfindung eine Batterieeinzelzelle mit einem solchen Elektrodenpaket.
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Batterieeinzelzellen mit Anoden, Kathoden und dazwischen angeordneten Separatoren, welche in einem Elektrodenpaket zusammengefasst sind, sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Der allgemeine übliche Aufbau sieht dabei einen Überstand einerseits der Anoden gegenüber der Fläche der Kathoden vor und andererseits einen Überstand der Separatoren gegenüber der Fläche der Anoden, um so eine elektrische Isolierung des Stapels zu bewirken. Innerhalb von Gehäusen, welche beispielsweise aus tiefgezogenen Blechteilen ausgebildet sein können, oder welche auch als Folienbeutel realisiert werden können, benötigt dieser Anodenüberstand dabei immer einen entsprechenden Bauraum. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Gehäuse oder Teile des Gehäuses aus einem massiven Material ausgebildet sind, welches sich dem Elektrodenpaket nicht anpasst.
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In diesem Zusammenhang kann rein beispielhaft auf die
DE 10 2015 202 894 A1 hingewiesen werden, welche eine sogenannte Pouch-Zelle mit einem Folienbeutel und einem darin angeordneten festen Rahmen zeigt. Bei derartigen Batterieeinzelzellen, aber insbesondere auch bei Batterieeinzelzellen mit festen Gehäuseteilen, sogenannten Hardcases, ist es nun so, dass der Überstand der Separatoren gegenüber den Anoden Bauraum benötigt, welcher nicht mit elektrochemisch aktiven Materialien gefüllt werden kann. Zwar muss dieser Überstand lediglich einen relativ geringen Betrag von beispielsweise 1 bis 2 mm ausmachen, auf das Gesamtvolumen einer Batterieeinzelzelle und insbesondere auf das Gesamtvolumen einer aus solchen Batterieeinzelzellen aufgebauten Batterie macht dies jedoch einen Anteil am Volumen von 3 bis 5% aus, welcher dementsprechend für eine reduzierte Energiedichte einer solchen Batterieeinzelzelle sorgt.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Elektrodenpaket und eine mit einem solchen Elektrodenpaket aufgebaute Batterieeinzelzelle dahingehend zu verbessern, dass eine möglichst hohe Energiedichte beziehungsweise ein hoher Energieinhalt je Bauvolumen erzielt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Elektrodenpaket mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 7 ist außerdem eine Batterieeinzelzelle mit einem solchen Elektrodenpaket angegeben. Auch hier ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße Elektrodenpaket umfasst, wie es für Elektrodenpakete für Batterieeinzelzellen üblich ist, Anoden, Kathoden und dazwischen angeordnete Separatoren. Die erfindungsgemäße Lösung sieht es nun vor, auf den Überstand der Separatoren über die Anoden zu verzichten. Erfindungsgemäß sind die Anoden und die Separatoren umlaufend bündig ausgebildet. Durch den Verzicht auf den Überstand lässt sich innerhalb einer Batterieeinzelzelle somit Bauraum gewinnen, welcher anders als bisher mit elektrochemisch aktiven Materialien gefüllt ist und damit eine höhere Energiedichte ermöglicht, indem er das zur Verfügung stehende Bauvolumen besser ausnutzt.
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Das Elektrodenpaket selbst kann dabei in beliebiger Art und Weise beispielsweise als Stapel oder Wickel bzw. Flachwickel ausgebildet sein. Besonders bevorzugt soll es als Stapel ausgebildet sein, da hier eine ideale Raumausnutzung bei einem beispielsweise prismatischen Außengehäuse einer Batterieeinzelzelle sehr effektiv möglich ist.
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Der Stapel selbst kann dabei aus einzelnen Blättern von Separatoren, Anoden, welche typischerweise als Beschichtung auf einer Trägerfolie aufgebracht sind und als ebenso aufgebaute Elektroden ausgebildet sein.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es auch vorgesehen sein, dass der Stapel einen Z-förmig gefalteten Separator aufweist, wobei in die so bei der Faltung entstehenden Taschen von der Seite aus jeweils die entsprechenden Elektroden eingelegt werden. Die Anoden und die Separatoren können dann bündig ausgebildet sein, die Kathoden sind dahingegen leicht zurückversetzt, sodass also nur auf den Separatorenüberstand und nicht den Überstand der Anoden auf die Kathoden verzichtet wird.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des Aufbaus des Elektrodenpakets als Stapel kann es ferner vorgesehen sein, dass in Stapelrichtung sowohl die oberste als auch die unterste Schicht durch eine Anode beziehungsweise je nach konstruktivem Aufbau der Anode durch die Trägerfolie der Anode ausgebildet wird. Hierdurch kann nun sichergestellt werden, dass im Außenbereich des Elektrodenstapels lediglich Separatoren und Anoden vorhanden sind. Der durch die Anode gebildete Minuspol kann dann ohne Problme zu verursachen mit einem Zellgehäuse der Batterieeinzelzelle in Kontakt kommen, falls dieses den Minuspol ausbildet. In diesem Fall kann also ein derartiger Elektrodenstapel unmittelbar in einem solchen Zellgehäuse verbaut werden. Wie es bei Zellgehäusen, welche den negativen Batteriepol ausbilden, bekannt und üblich ist, sollte das Zellgehäuse aus Stahl, Edelstahl, Nickel oder insbesondere vernickeltem Stahl, Kupfer oder vernickeltem Kupfer bestehen. Vor allem vernickelter Stahl, welcher unter dem Markennamen Hilumin allgemein für den Einsatz in Batterien bekannt ist, wäre hier besonders geeignet.
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Eine alternative Ausgestaltung kann es jedoch auch vorsehen, dass das Elektrodenpaket, unabhängig von seinem Aufbau als Stapel, Wickel oder Flachwickel eine Isolierung seiner Außenfläche aufweist. An die Stelle des ansonsten zur Isolierung genutzten Separatorenüberstands, welcher in jede Richtung in etwa 1 bis 2 mm an Strecke erfordert, könnte über eine solche Isolierung ebenfalls Bauraum eingespart werden, ohne den Aufbau des Zellgehäuses anpassen oder ändern zu müssen.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass als Isolierung eine elektrisch isolierende Folie zum Einsatz kommt, in welche das Elektrodenpaket entsprechend eingepackt wird. Eine solche elektrisch isolierende Folie lässt sich außerordentlich dünn ausgestalten, beispielsweise mit einer Dicke von 0,1 bis 0,2 mm, sodass eine Raumeinsparung um den Faktor 10 gegenüber dem bisher üblichen Separatorenüberstand einfach und effizient erzielt werden kann.
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Eine Batterieeinzelzelle mit einem solchen Elektrodenstapel sieht es nun vor, dass dieser in ein Zellgehäuse als Außengehäuse eingebracht ist. Das Zellgehäuse selbst kann vorzugsweise als Hardcase ausgebildet sein. Ist dies elektrisch leitend ausgebildet, dann kann alternativ oder ergänzend zu der oben beschriebenen Isolierung des Elektrodenpakets diese Isolierung auch im Bereich des Gehäuses angebracht sein. Seine Innenfläche kann gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung beispielsweise mit einer Beschichtung oder einer Folie versehen sein, sodass die elektrische Isolierung zwischen dem Gehäuse und dem Elektrodenpaket realisiert wird.
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Alternativ dazu kann auf eine solche Isolierung sowohl des Elektrodenpaktets als auch des Gehäuses jedoch auch verzichtet werden, wenn gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle das Zellgehäuse einen negativen Batteriepol der Batterieeinzelzelle ausbildet, wie es oben bereits angedeutet ist. In diesem Fall ist ein Kontakt zwischen den Anoden und dem Zellgehäuse unkritisch, die Anbindung der Kathoden an ein entsprechendes Zellterminal, welches dann gegenüber dem Rest des Zellgehäuses isoliert den Pluspol ausbildet, lässt sich einfach realisieren. Eine solche Ausgestaltung eines Zellgehäuses, beispielsweise aus dem oben bereits angesprochenen Material Hilumin ist beispielsweise bei Rundzellen bekannt und üblich.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Elektrodenpakets und/oder der Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 einen schematischen Schnitt durch eine Batterieeinzelzelle mit einem Elektrodenpaket gemäß dem Stand der Technik;
- 2 eine erste mögliche Ausführungsform eines Elektrodenpakets gemäß der Erfindung in einer Seitenansicht und einer Schnittdarstellung senkrecht hierzu;
- 3 eine alternative Ausführungsform eines Elektrodenpakets gemäß der Erfindung analog zur Darstellung in 2;
- 4 eine weitere alternative Ausführungsform eines Elektrodenpakets gemäß der Erfindung analog zur Darstellung in 2;
- 5 eine noch weitere alternative Ausführungsform eines Elektrodenpakets gemäß der Erfindung analog zur Darstellung in 2;
- 6 eine erste mögliche Ausführungsform einer Batterieeinzelzelle mit dem erfindungsgemäßen Elektrodenpaket analog zur Darstellung in 1;
- 7 eine zweite mögliche Ausführungsform einer Batterieeinzelzelle mit dem erfindungsgemäßen Elektrodenpaket analog zur Darstellung in 1; und
- 8 eine dritte mögliche Ausführungsform einer Batterieeinzelzelle mit dem erfindungsgemäßen Elektrodenpaket analog zur Darstellung in 1.
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In der Darstellung der 1 ist eine in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnete Batterieeinzelzelle in einer schematischen Schnittdarstellung zu erkennen. Sie soll beispielsweise als Batterieeinzelzelle 1 mit einer Lithium-Ionen-Technologie aufgebaut sein, ohne dass die Erfindung oder das Ausführungsbeispiel auf eine derartige Technologie eingeschränkt sind. Den Kern dieser Batterieeinzelzelle 1 bildet ein in seiner Gesamtheit mit 2 bezeichnetes Elektrodenpaket, welches aus Separatoren 3, Anoden 4 und Kathoden 5 aufgebaut ist. Von diesen ist jeweils lediglich nur ein Element mit einem Bezugszeichen versehen, sie sind jedoch durch die jeweils selbe Schraffur beziehungsweise im Falle der Separatoren durch den Verzicht auf eine Schraffur in der Darstellung gut zu unterscheiden. Dieses Elektrodenpaket 2 ist nun mit einem Elektrolyt getränkt innerhalb eines mit 6 bezeichneten Zellgehäuses angeordnet, welches hier beispielsweise als sogenanntes Hardcase ausgebildet ist. Elektrisch gegenüber diesem Zellgehäuse 6 isoliert ist ein negatives Zellterminal 7 über Kontaktfähnchen 8 mit den jeweiligen Anoden 4 verbunden und gegenüberliegend ein positives Zellterminal 9 mit den Kathoden 5. Von allen dargestellten Kontaktfähnchen 8 beider Polaritäten sind dabei jeweils nur wenige mit dem entsprechenden Bezugszeichen 8 versehen.
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Dieser Aufbau gemäß dem Stand der Technik in 1 zeigt dabei den üblichen Überstand der Separatoren 3 über die Anoden 4 sowie den Überstand der Anoden 4 gegenüber den Kathoden 5. Der Überstand der Separatoren 3 gegenüber den Anoden 4 beträgt typischerweise 1 bis 2 mm, was bei einer Zellgröße von beispielsweise 100 mm × 80 mm einen Bedarf des in dem Zellgehäuse 6 zur Verfügung stehenden Bauraums in der Größenordnung von ca. 3,5 bis 4% ausmacht.
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Der Separatorenüberstand ist dabei umlaufend um das Elektrodenpaket 2 der Batterieeinzelzelle 1 entsprechend vorhanden, ist jedoch nur an einer einzigen Stelle eingezeichnet und mit dem Bezugszeichen x versehen.
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Der Bauraum für diesen Separatorenüberstand, wie er in der Darstellung der 1 zu erkennen und mit dem Bezugszeichen x versehen ist, lässt sich nun einsparen beziehungsweise ergänzend durch elektrochemisch aktives Material ausfüllen, wenn das Elektrodenpaket 2 beispielsweise in der in 2 gezeigten Art modifiziert wird. Der Unterschied gegenüber dem Elektrodenpaket 2 gemäß 1 aus dem Stand der Technik besteht nun darin, dass die Separatoren 3 bündig mit den Anoden 4 abschließen, sodass also auf den Separatorenüberstand verzichtet wird.
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Durch den Verzicht auf den Separatorenüberstand x bei der Ausführungsform gemäß 2 lässt sich nun Bauraum innerhalb des Zellgehäuses 6 zusätzlich mit dem Material der Anoden 4 und durch eine Verlagerung des Anodenüberstands in Richtung des Umfangs des Elektrodenpakets 2 auch mit mehr Fläche der Kathoden 5 auffüllen. Damit lässt sich ein Zugewinn an elektrochemisch aktiven Materialien in dem Volumen in der oben bereits angesprochenen Größenordnung von 3 bis 4% erreichen.
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In der Darstellung der 2 ist dabei oben die Ansicht analog zu der auf das Elektrodenpaket 2 gemäß 1 zu erkennen, darunter eine um 90° gedrehte Schnittansicht hierzu, um zu verdeutlichen, dass auf den Separatorenüberstand x umlaufend verzichtet wird.
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In der Darstellung der 3 ist ein weitgehend ähnlicher Aufbau in einer analogen Art der Darstellung nochmals gezeigt. Zusätzlich zum Verzicht auf den Separatorenüberstand x wird hier auf die jeweils oberste und unterste Schicht des Separators 3 verzichtet, sodass die oberste und unterste Schicht hier jeweils durch eine der Anoden 4 ausgebildet wird. Durch den Verzicht auf den Separatorenüberstand x die Anoden 4 ohnehin im seitlichen äußeren Bereich des Stapels vorliegen, und zwar umlaufend an dessen Seitenflächen, kann nun der Separator zusätzlich eingespart werden, da auch die Anoden an der oberen und unteren Fläche des Elektrodenpakets bezüglich der seitlich ohnehin freiliegenden Anoden 4 unkritisch sind.
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Alternativ zu den bisher gezeigten Stapeln aus einzelnen Schichten kann der Aufbau auch so realisiert werden, dass der Separator 3 Z-förmig gefaltet wird, wie es in der Darstellung der 4 zu erkennen ist. In der Darstellung der 4 oben wird dann in die so entstandenen Taschen 10 des durchlaufend Z-förmig gefalteten Separators 3 jeweils eine der Anoden 4 beziehungsweise Kathoden 5 abwechselnd eingelegt und der Aufbau analog zur Darstellung in 3 wiederum über eine Anode 4 jeweils oben und unten abgeschlossen. Der Aufbau quer zu der in 4 oben gezeigten Richtung, welcher wiederum in 4 unten dargestellt ist, ist unverändert gegenüber dem in 3 unten gezeigten Aufbau, da dieser durch das Falten in einer der Richtungen nicht weiter beeinflusst wird. In beiden Darstellungen ist dabei zu sehen, dass auf den Separatorenüberstand x verzichtet wird, um analog zu den oben beschriebenen Ausführungsvarianten Bauraum einzusparen, wobei die Einsparung primär im Bereich zwischen zwei für die Kathoden 5 ausgebildeten Taschen 10, in der Darstellung der 4 oben also auf der rechten Seite zum Tragen kommt.
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Neben aus einzelnen Blättern oder mit einem Z-förmig gefalteten Separator 3 aufgestapelten Stapeln ist prinzipiell auch das Wickeln des Elektrodenpakets 2 ohne Separatorenüberstand x möglich, beispielsweise bei einem Rundwickel oder wie es in der Darstellung der 5 zu erkennen ist, bei einem Flachwickel. Der Effekt bezüglich der Bauraumeinsparung tritt hier vor allem in einer Richtung, also der in 5 unten gezeigten Richtung, zum Tragen, während er in der anderen Richtung durch das Aufwickeln eine untergeordnete Rolle spielt. Auch der Verzicht auf die abschließende Separatorenschicht 4 analog zu den 3 und 4 lässt sich hier prinzipbedingt nicht durchführen, sodass insgesamt das Stapeln zu einer besseren Raumausnutzung führt.
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Bei dem Elektrodenpaket 2, insbesondere in der Ausgestaltung gemäß einer der 3 oder 4, ist es nun so, dass sowohl oben als auch unten in der Stapelrichtung als auch seitlich zwischen den einzelnen Separatoren 3 die Anoden 4 weitgehend freiliegen, sodass diese gegebenenfalls mit dem Zellgehäuse 6 in Kontakt kommen könnten, was gegebenenfalls nicht erwünscht ist. Aus diesem Grund kann nun eine Isolierung 11 des gesamten Elektrodenpakets 2 vorgenommen werden, wie sie in der Darstellung der 6, welche ansonsten analog zur Darstellung der 1 zu verstehen ist, gezeigt ist. Diese Isolierung 11 lässt sich vorzugsweise durch eine Folie umsetzen, welche das Elektrodenpaket 2 entsprechend isoliert und durch welche lediglich die benötigten Kontaktfähnchen 8 hindurchragen. Diese Folie kann mit einer Dicke von beispielsweise 0,15 mm ausgestaltet werden und benötigt so gegenüber dem ansonsten benötigten Überstand x der Separatoren 3 also um den Faktor 10 weniger Bauraum.
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Ansonsten gilt für die Darstellung und die gezeigten Bauteile in 6 dasselbe wie in 1, sodass auf diese Bauteile im Detail nicht nochmals eingegangen werden muss.
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In der Darstellung der 7 ist eine alternative Ausführungsform zu erkennen. Anstelle einer Isolation 11 des Elektrodenpakets 2 mit der Folie, wie es in 6 angedeutet war, ist hier nun das Zellgehäuse 6 selbst elektrisch isoliert, beispielsweise indem die zur Isolation der einzelnen Terminals 7, 9 ohnehin benötigte Isolierung im Inneren des Zellgehäuses 6 weitergeführt wird. Dies kann beispielsweise wiederum eine Folie in der oben beschriebenen Art sein. Es ist jedoch auch denkbar, die elektrische Isolierung 12 beispielsweise durch eine Lackierung oder eine andersartige Beschichtung oder Oberflächenbehandlung zu realisieren oder das Zellgehäuse 6 mit Ausnahme der Terminals 7, 9 aus elektrisch isolierendem Material auszubilden. Rein beispielhaft ist in der Darstellung der 7 eine als Schicht ausgebildete Isolierung 12 im Inneren des Zellgehäuses 6 dargestellt. Ansonsten gilt auch hier für die Bauteile und ihre Funktionalität das im Rahmen der 1 und 6 bereits Gesagte.
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Abschließend ist eine besonders einfache und effiziente Art des Aufbaus einer Batterieeinzelzelle 1 mit dem Elektrodenpaket 2, wie es beispielsweise gemäß 3 oder 4 hergestellt sein kann, gezeigt. Auf eine Isolierung sowohl des Elektrodenpakets 2 als auch des Zellgehäuses 6 der Batterieeinzelzelle 1 wird hier gänzlich verzichtet. Vielmehr bildet das Zellgehäuse 6 unmittelbar den Minuspol der Batterieeinzelzelle 1 aus, sodass ein Kontakt zwischen den Anoden 4 des Elektrodenpakets 2 und dem Zellgehäuse 6 unkritisch ist.
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Ansonsten sind auch hier die einzelnen Elektroden 4, 5 über Kontaktfähnchen 8 an ihre jeweiligen Zellterminals 7, 9 angebunden, wobei das negative Zellterminal 7 gleichzeitig in elektrisch leitendem Kontakt mit dem Zellgehäuse 6 steht oder durch dieses ausgebildet wird. Das positive Zellterminal 9 ist ebenfalls über die Kontaktfähnchen 8 an die Kathoden 5 angebunden und gegenüber dem Rest des Zellgehäuses 6 wie oben bereits beschrieben isoliert. Zusätzlich kann eine Isolierung 13 vorgesehen sein, welche zwischen dem positiven Zellterminal 9 und dem Elektrodenpaket 2 angeordnet ist, und durch welche nur die Kontaktfähnchen 8, welche das positive Zellterminal 9 mit den Kathoden 5 kontaktieren, hindurchlaufen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015202894 A1 [0003]
