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Die Erfindung betrifft eine Stromkollektoranordnung für eine als Rundzelle ausgebildete Batteriezelle, wobei die Stromkollektoranordnung eine elektrisch leitende Stromkollektorfolie umfasst, die eine Länge und eine Breite senkrecht zur Länge aufweist, wobei die Stromkollektorfolie einen Sammelbereich aufweist und einen sich in Richtung der Breite dem Sammelbereich anschließenden Randbereich, welcher in Richtung der Länge verläuft und welcher einen Kontaktbereich zum elektrisch leitenden Kontaktieren mit einer Stromkollektorfläche der Batteriezelle bereitstellt. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batteriezelle mit einer solchen Stromkollektoranordnung und ein Verfahren zum Bereitstellen einer Stromkollektoranordnung.
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Batteriezellen, wie zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, weisen im Inneren typischerweise einen Wickel auf, der aus einer bestimmten Schichtfolge bereitgestellt ist. Dabei umfasst eine solche Batteriezelle typischerweise zwei Elektroden, eine Kathode und eine Anode, die jeweils durch eine Stromkollektorfolie bereitgestellt sind, auf welcher beidseitig eine entsprechende Elektrodenbeschichtung angeordnet ist, im Falle der Anode ein aktives Anodenmaterial und im Falle der Kathode ein aktives Kathodenmaterial. Die Stromkollektorfolie der Anode ist typischerweise durch eine Kupferfolie bereitgestellt, und die der Kathode üblicherweise durch eine Aluminiumfolie. Weiterhin sind die Anode und Kathode durch Separatoren voneinander separiert. Zum Bereitstellen eines Zellwickels kann zum Beispiel zunächst eine Anode, darauf ein Separator, dann eine Kathode und dann wieder ein Separator bereitgestellt werden und diese Schichtfolge aufgerollt werden, um so den Zellwickel bereitzustellen. Weiterhin werden die jeweiligen Stromkollektorfolien der Elektroden mit einer Stromkollektorfläche der Batteriezelle kontaktiert. Eine solche Stromkollektorfläche kann zum Beispiel durch einen Teil des Zellgehäuses oder einer Scheibe oder ähnliches bereitgestellt sein. Über diese jeweiligen Stromkollektorflächen können entsprechend die Zellpolabgriffe bereitgestellt werden, über welche nach außen die Zellspannung abgreifbar ist. Um die jeweiligen Stromkollektorfolien an eine solche Stromkollektorfläche anzubinden, gibt es mehrere Möglichkeiten. Zum einen gibt es hierbei Elektroden mit einem sogenannten Tab. Eine Batteriezelle hat dann typischerweise zwei Tabs, einen für die Kathode und einen für die Anode. Ein solcher Tab stellt eine Art Lasche oder Karte dar, die mit der entsprechenden Stromkollektorfolie, das heißt mit der Kupferfolie oder mit der Aluminiumfolie, schweißtechnisch verbunden ist, und zum Beispiel stirnseitig am Wickel übersteht. Der Nachteil solcher zylindrischer Batteriezellen mit Tab-Elektroden besteht darin, dass die Elektronen nur durch einen solchen Tab ein- oder austreten können. Die Stromkollektoren der zylindrischen Batteriezellen sind dagegen sehr lang, zum Beispiel bis zu acht Meter Länge bei manchen Zelltypen, und daher ist der elektrische Widerstand bei solchen Tab-Elektroden relativ groß, insbesondere im Vergleich zu zum Beispiel prismatischen Zellen. Ein weiterer Nachteil ist, dass nur diese Tabs thermisch zum Batteriegehäuse ausreichend verbunden sind, jedoch nicht die Kupfer- und Alufolie in der Zelle selbst. Die Separatoren sind meistens sowie elektrisch als auch thermisch isolierend.
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Aus dem Stand der Technik sind aber auch Tabless-Zellen beziehungsweise Tabless-Elektroden bekannt, die ohne einen solchen Tab auskommen, wie zum Beispiel in der
US 7,700,222 B2 und in der
US 2020/0144676 A1 beschrieben. Hierbei weisen die Stromkollektorfolien selbst einen überstehenden Bereich auf, welcher mehrere solcher Kontaktstellen bereitstellen kann, und welcher selbst an eine Stromkollektorfläche angebunden werden kann. Mit anderen Worten kann dabei eine Stromkollektorfolie im Randbereich so geformt sein, dass sie direkt mit einer Stromkollektorfläche mechanisch verbunden werden kann. Der Randbereich einer solchen Stromkollektorfolie kann dabei durch Einschnitte in mehrere Segmente gegliedert sein. Die Bereiche der Stromkollektorfolie sind dadurch elektrisch parallel verschaltet. Durch eine solche Ausbildung reduziert sich der elektrische und thermische Widerstand, und es kann eine enorme Reduzierung von Energieverlusten bereitgestellt werden. Dies wiederum führt zu einer geringeren Wärmebildung und einer gleichmäßigeren Temperatur in der Batteriezelle, was sich wiederum positiv auf die Lebensdauer der Zelle auswirkt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich die Schnellladefähigkeit einer solchen Batteriezelle verbessern lässt, was durch die reduzierte Wärmebildung bedingt ist. Schnelleres Laden bzw. kürzere Ladezeiten eines Elektroautos lassen sich dadurch beispielsweise realisieren. Folglich ist ein Laden mit höherer Leistung möglich. Die elektrische Abgabeleistung wird auch erhöht. Dies ermöglicht E-Maschinen mit höheren Leistungen und mit Drehmoment und eine bessere Beschleunigung des Elektroautos.
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Folglich besitzen solche Tabless-Elektroden enorme Vorteile gegenüber solchen mit Tab. Ein Problem bei der Bereitstellung solcher Tabless-Elektroden besteht jedoch darin, dass die Stromkollektorfolien in der Regel extrem dünn sind, zum Beispiel im Bereich von 12 Mikrometern Dicke liegen. Die durch diese Folien bereitgestellten Kontaktflächen zum Kontaktieren der Stromkollektorfläche sind entsprechend sehr empfindlich und können durch ein Knicken zum Beispiel leicht beschädigt werden. Die Kontaktflächen zur Stromkollektorfläche sollten dabei möglichst eben und großflächig ausgebildet sein, um den Wirkungsgrad zu steiegern, was jedoch aufgrund der sensiblen, dünnen Folienenden nicht so einfach möglich ist.
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Weiterhin beschreibt die
EP 2 219 248 A1 eine Elektrodenanordnung, bei welcher die Stromkollektorfolien durch eine beidseitig leitfähig beschichtete Kunststofffolie bereitgestellt sind. Die Enden dieser Stromkollektorfolien werden aus der Schichtfolge herausgeführt und mehrfach umgeschlagen, um einen elektrisch leitenden Kontakt zwischen den elektrisch leitfähigen Beschichtungen auf den beiden unterschiedlichen Seiten der Kunststofffolie herzustellen. Diese mehrfach umgeschlagenen Enden können dann entsprechend an einer Kontaktfläche zur Bereitstellung der Zellpole angebunden werden, zum Beispiel durch Ultraschallschweißen. Hierbei werden die Stromkollektorfolien mehrfach geknickt, was wiederum mögliche Beschädigungen fördert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Stromkollektoranordnung, eine Batteriezelle und ein Verfahren bereitzustellen, die ein möglichst effizientes Anbinden einer Stromkollektorfolie an eine Stromkollektorfläche einer Batteriezelle ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Stromkollektoranordnung, eine Batteriezelle und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Stromkollektoranordnung für eine als Rundzelle ausgebildete Batteriezelle weist dabei eine elektrisch leitende Stromkollektorfolie auf, die eine Länge und eine Breite senkrecht zur Länge aufweist. Dabei weist die Stromkollektorfolie weiterhin einen Sammelbereich auf und einen sich in Richtung der Breite dem Sammelbereich anschließenden Randbereich, welcher in Richtung der Länge verläuft, und welcher einen Kontaktbereich zum elektrisch leitenden Kontaktieren mit einer Stromkollektorfläche der Batteriezelle bereitstellt. Dabei weist die Stromkollektorfolie im Randbereich einen eine Öse bildenden Umschlag auf, der ein erstes und ein zweites Umschlagende aufweist, wobei das erste Umschlagende direkt an den Sammelbereich angrenzt und das zweite Umschlagende einen auf das erste Umschlagende umgeschlagenen Folienrand der Stromkollektorfolie umfasst, wobei das erste und das zweite Umschlagende aneinander befestigt sind.
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Durch diese Ausbildung des Randbereichs der Stromkollektorfolie lässt sich vorteilhafterweise ein Kontaktbereich zum elektrisch leitenden Kontaktieren mit einer Stromkollektorfläche der Batteriezelle bereitstellen, welcher einerseits durch den die Öse bildenden Umschlag eine sehr große Kontaktfläche bereitstellt, die zudem auch noch ein hohes Maß an Stabilität aufweist, da durch den die Öse bildenden Umschlag Knicke in der Stromkollektorfolie vermieden werden können und durch die Befestigung der Umschlagenden aneinander zusätzlich Stabilität bereitgestellt ist. die Stromkollektorfolie kann also beispielsweise im Randbereich eine Art tropfenförmige Schlinge oder Schleife aufweisen, insbesondere mit einem bestimmten Mindestbiegeradius. Die Stromkollektorfolie ist also im Randbereich umgebogen, jedoch so, dass ein gewisser Mindestbiegeradius nicht unterschritten wird. Die Folie ist also so gefaltet, dass in diesen Faltbereich kein Knick entsteht, sondern eine Rundung verbleibt. Diese Rundung hat gleich mehrere Vorteile. Diese Rundung stellt nämlich gleichzeitig auch die Kontaktfläche bereit, über welche der elektrisch leitende Kontakt zur Stromkollektorfläche der Batteriezelle bereitgestellt werden soll. Wird also dieser Umschlagbereich mit seiner runden Außenseite gegen eine solche Fläche gedrückt, so entsteht eine sich verbreiternde Anlagefläche, ähnlich wie ein Wassertropfen, der auf eine ebene Fläche auftrifft. Durch diese Rundung kann also eine sehr große Anlagefläche zwischen der Stromkollektorfolie und der Stromkollektorfläche bereitgestellt werden. Durch die Rundung kann aber gleichzeitig auch die Gefahr einer möglichen Beschädigung der Stromkollektorfolie auf ein Minimum reduziert werden, da durch diese Rundung eine Knickbildung der Folie, vor allem in diesem Kontaktbereich, vermieden werden kann. Durch die Befestigung der beiden Umschlagenden aneinander kann der Umschlag zusätzlich stabilisiert werden. Auch während des Anordnens der Stromkollektoranordnung an einer solchen Stromkollektorfläche kann dann entsprechend vorteilhafterweise gewährleistet werden, dass Bereiche der Stromkollektorfolie, insbesondere im Randbereich, nicht gegeneinander verrutschen und stattdessen die gewünschte Verbreiterung des Anlagebereichs wie oben beschrieben stattfindet. Durch die Verbreiterung dieses Anlagebereichs kann aber nicht nur vorteilhafterweise ein großflächiger Kontakt zwischen dem Umschlag und der Stromkollektorfläche bereitgestellt werden, sondern es kann vorteilhafterweise auch erreicht werden, dass sich zusätzlich auch einzelne Abschnitte dieses Umschlags, die in radialer Richtung, das heißt wenn sich die Stromkollektoranordnung in einem aufgewickelten Zustand befindet, nebeneinander liegen, kontaktieren. Dadurch, dass sich diese jeweiligen Segmente in radialer Richtung kontaktieren, können Übergangswiderstände zusätzlich minimiert und der Wirkungsgrad der Batteriezelle zusätzlich gesteigert werden. Zudem sind für diese Stromkollektoranordnung, die ebenfalls eine Tabless-Elektrode bereitstellt, die eingangs genannten Vorteile für eine solche Tabless-Elektrode ebenfalls gültig. Mit anderen Worten wird hier ebenso der Kontaktbereich durch einen Teil der Stromkollektorfolie selbst bereitgestellt, und nicht durch eine separat an der Folie angeordnete Kontaktfahne oder ähnliches. Auch kann als Kontaktbereich zum Beispiel der gesamte Randbereich in Richtung der Länge der Stromkollektorfolie genutzt werden, was Übergangswiderstände auf ein Minimum reduziert und damit den Wirkungsgrad maximiert.
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Die Stromkollektorfolie kann weiterhin als Teil einer Elektrode bereitgestellt sein. Eine solche Elektrode kann zudem weiterhin ein entsprechendes Elektrodenmaterial, zum Beispiel in Form einer Beschichtung, aufweisen, welches vorzugsweise beidseitig auf der Stromkollektorfolie, insbesondere im Sammelbereich der Stromkollektorfolie, angeordnet ist. Ein Teil der Stromkollektorfolie, nämlich der Randbereich, bleibt dabei frei von Elektrodenmaterial, das heißt dieser weist keine Elektrodenmaterialbeschichtung auf. Mit anderen Worten kann der Randbereich den nicht beschichteten Teil der Stromkollektorfolie darstellen, und der Sammelbereich den beidseitig beschichteten Bereich der Stromkollektorfolie. Weiterhin kann die Stromkollektorfolie sowohl als Teil einer Anode als auch als korrespondierender Teil einer Kathode bereitgestellt sein. Die Stromkollektorfolie kann also im ersten Fall vorzugsweise eine Kupferfolie darstellen, im zweiten Fall zum Beispiel eine Aluminiumfolie. Im Allgemeinen kann die Stromkollektorfolie mit einer Dicke im Bereich zwischen 10 und 30 Mikrometern ausgebildet sein. Ist die Stromkollektorfolie zum Beispiel als Kupferfolie bereitgestellt und stellt damit den Stromkollektor für die Anode bereit, so kann diese zum Beispiel eine Dicke von 12 Mikrometern aufweisen. Stellt die Stromkollektorfolie dagegen eine Aluminiumfolie zur Bereitstellung eines Stromkollektors für die Kathode dar, so kann diese beispielsweise eine Dicke von 22 Mikrometern aufweisen. Weiterhin findet die Stromkollektoranordnung vorzugsweise in einer als Rundzelle ausgebildeten Batteriezelle Anwendung. Für diesen Anwendungsfall ist die Stromkollektoranordnung in gewickelter Form bereitgestellt. Dabei ist es bevorzugt, dass die Stromkollektorfolie, einschließlich weiterer und nachfolgend noch beschriebener Schichten, in Richtung ihrer Länge aufgewickelt ist. Im gewickelten Zustand ist die Stromkollektorfolie also entlang ihrer Länge gekrümmt, während sie sich in Richtung ihrer Breite weiterhin im Wesentlichen geradlinig erstreckt. Die Breite der Stromkollektorfolie weist entsprechend bei Anordnung der Stromkollektoranordnung in einem Zellgehäuse zur Bereitstellung einer Rundzelle entsprechend in Richtung der Höhe der Rundzelle, die im Wesentlichen parallel zu einer Achse der Rundzelle senkrecht zu ihrer radialen Richtung verläuft. Im gewickelten Zustand der Stromkollektorfolie verläuft die Länge der Folie also gekrümmt, zum Beispiel schneckenförmig, ab immer im Wesentlichen senkrecht zu deren Breite. Genauer gesagt verläuft die Länge der Stromkollektorfolie im gewickelten Zustand der Stromkollektorfolie immer tangential zu einer radialen Richtung bezogen auf eine Wickelachse der gewickelten Stromkollektorfolie, wobei die Wickelachse parallel zur Breite der Stromkollektorfolie verläuft. Im nicht gewickelten Zustand der Stromkollektorfolie weist diese eine im Wesentlichen rechteckige Geometrie auf, mit einer geradlinig verlaufenden Länge und dazu senkrechten, geradlinig verlaufenden Breite.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Umschlag in Richtung der Länge durch mindestens einen in Richtung der Breite verlaufenden Einschnitt segmentiert, wobei der mindestens eine Einschnitt von einem dem Sammelbereich abgewandten Rand des Umschlags in Richtung der Breite bis maximal zu einem Befestigungsbereich verläuft, in welchem das erste und das zweite Umschlagende aneinander befestigt sind. Durch einen solchen Einschnitt kann das Aufrollen der Stromkollektoranordnung vorteilhafterweise vereinfacht werden. Gerade wenn die Stromkollektoranordnung in einer Rundzelle Anwendung finden soll, ist es bevorzugt, dass der Umschlag in Richtung der Länge vielzählige solcher Einschnitte aufweist. Dadurch kann die Stromkollektoranordnung und insbesondere der Umschlag der Stromkollektorfolie in Richtung der Länge besonders einfach aufgerollt werden. Durch diese Einschnitte kann vorteilhafterweise eine Beschädigung der sehr dünnen Stromkollektorfolie beim Aufrollen vermieden werden. Weist der Umschlag in Richtung der Länge mehrere solcher Einschnitte auf, so können diese zum Beispiel äquidistant in Richtung der Länge voneinander angeordnet sein. Dies vereinfacht die Fertigung. Sie können aber auch mit unterschiedlichen Abständen zueinander angeordnet sein. Beispielsweise können diejenigen Einschnitte, die sich näher im Zentrum der Wicklung befinden, einen geringeren Abstand zueinander aufweisen, als die Einschnitte im Außenbereich der Wicklung. Dies ist dadurch bedingt, dass die Krümmungsradien des Umschlags im Zentrum der Wicklung deutlich geringer sind, als im Außenbereich der Wicklung. Die Abstände der Einschnitte können also vorteilhafterweise je nach Anforderung bemessen sein, um ein beschädigungsfreies einfaches Aufwickeln der Stromkollektoranordnung zu ermöglichen.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das erste und das zweite Umschlagende aneinander angenäht, das heißt insbesondere durch mindestens eine Naht aneinander befestigt. Zur Bereitstellung des Umschlags wird also ein Umschlagende, nämlich das zweite Umschlagende, welches auch den offenen Folienrand der Stromkollektorfolie umfasst, auf das andere Umschlagende, das heißt das erste Umschlagende, umgeschlagen. Das erste Umschlagende stellt, wie definiert, den unmittelbar an den Sammelbereich angrenzenden Bereich der Stromkollektorfolie dar. Diese beiden Enden können auch anderweitig aneinander befestigt werden, zum Beispiel mittels Schweißen, oder, noch bevorzugter, mittels Kleben. Beispielsweise können diese Umschlagenden auch mittels Ultraschall aneinander geschweißt werden, was jedoch vergleichsweise teuer ist. Eine bessere Lösung stellt das Aneinanderkleben dieser Enden dar. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn diese Umschlagenden aneinander genäht sind. Dies hat vielzählige Vorteile: Zum einen ist Nähen sehr kostengünstig und erhöht den Preis der Anordnung und insgesamt einer Batteriezelle nur minimal, was gerade bei der Verwendung für eine Hochvoltbatterie eines Elektrofahrzeugs besonders vorteilhaft ist, da eine solche Hochvoltbatterie üblicherweise sehr viele solcher Einzelzellen aufweist. Ein weiterer besonders großer Vorteil beim Nähen besteht zudem darin, dass ein sehr guter, mechanisch stabiler Aufbau bereitgestellt werden kann, sodass die zusammengenähten Schichten zueinander sicher und ausreichend verbunden sind. Ein weiterer sehr großer Vorteil besteht zudem darin, dass Nähen gut industrialisierbar ist, und viele Erfahrungen aus der Textilindustrie übernommen werden können. Zudem sind auch geeignete Nähfäden bekannt, die vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich des Durchmessers eines Haares aufweisen. Mit anderen Worten weist der Nähfaden einen Durchmesser im Bereich zwischen 0,02 bis 0,08 Millimetern auf, vorzugsweise 0,06 Millimeter. Als Nähfaden kann weiterhin ein Material mit einer guten mechanischen Festigkeit eingesetzt werden, ähnlich zu einer Angelschnur, wie zum Beispiel Nylon, Polyvinylidenfluorid (PVDV), auch als Fluorocarbon bezeichnet, Polyethylene, Dyneema, Spectra, Kevlar, um einige Beispiele zu nennen, oder auch metallische Materialien wie Edelstahl oder Titan. Im Allgemeinen kann ein Nähfaden also aus Kunststoff und/oder einem Metall oder einer Legierung sein.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Stromkollektoranordnung mindestens einen ersten Separator zur Anordnung zwischen einer Anode und einer Kathode der Batteriezelle auf, wobei der mindestens eine erste Separator mindestens einen ersten Bereich aufweist, der zwischen dem ersten und zweiten Umschlagende des Umschlags der Stromkollektorfolie angeordnet ist. Vor dem Zusammenrollen der Stromkollektoranordnung kann durch die Stromkollektoranordnung beispielsweise eine Schichtabfolge Anode, Separator, Kathode, Separator bereitgestellt sein, wobei dann der oben genannte erste Separator einer der beiden genannten Separatoren darstellen kann und die Stromkollektorfolie Teil der Anode und/oder der Kathode, wie zuvor bereits beschrieben.
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Der erste Separator kann also vorteilhafterweise auch über den Bereich mit dem Elektrodenmaterial in Richtung der Breite hinausstehen. Dies hat den großen Vorteil, dass dieser erste Separator, das heißt der mindestens eine erste Bereich dieses Separators, zwischen dem ersten und zweiten Umschlagende des Umschlags der Stromkollektorfolie angeordnet werden kann. Damit ist also dieser mindestens eine erste Bereich des Separators im Befestigungsbereich, in welchem das erste und das zweite Umschlagende aneinander befestigt sind, angeordnet. Dies hat den großen Vorteil, dass gerade im Falle einer Befestigung mittels Nähen eine höhere Stabilität dieser Anordnung im Befestigungsbereich bereitgestellt werden kann. Ein solcher Separator ist dabei elektrisch nicht leitend und weist gerade zu diesem Zweck sehr gute mechanische Eigenschaften auf. Damit kann der Separator gleichzeitig als strukturelle Schicht im Nahtbereich fungieren. Der Separator kann beispielsweise eine Dicke im Bereich zwischen 10 und 30 Mikrometern, vorzugsweise 20 Mikrometer, aufweisen. Damit ist gerade in diesem Befestigungsbereich für die sehr dünne Kollektorfolie mehr Stabilität bereitgestellt.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Separator einen ersten Separator-Randbereich auf, der zumindest zum Teil in Überdeckung zum Randbereich der Stromkollektorfolie angeordnet ist, wobei der erste Separator-Randbereich des ersten Separators einen eine Separator-Öse bildenden Separator-Umschlag aufweist, der innerhalb des Umschlags der Stromkollektorfolie verläuft und der ein erstes und ein zweites Separator-Umschlagende aufweist, wobei das erste und das zweite Separator-Umschlagende aneinander befestigt sind. Diese Befestigung kann in gleicher Weise wie die Befestigung der Umschlagenden der Stromkollektorfolie erfolgen. Mit anderen Worten können sowohl die Separator-Umschlagenden als auch die Umschlagenden der Stromkollektorfolie mit ein und derselben Naht aneinander befestigt sein. Der Separator kann also als Lage über dem Randbereich der Stromkollektorfolie angeordnet sein und zusammen mit dieser Stromkollektorfolie zur Bildung eines Umschlags mit Öse umgeschlagen sein, und zwar so, dass sich dann der Separator-Umschlag innerhalb des Umschlags der Stromkollektorfolie befindet. Damit sind beispielsweise im Befestigungsbereich zwei Separatorlagen zwischen den Umschlagenden der Stromkollektorfolie angeordnet. Diese Ausbildung hat gleich wiederum mehrere Vorteile. Zudem kann hierdurch die Stabilität im Befestigungsbereich weiter gesteigert werden, da durch das Umschlagen des Separatorendes zwischen den Umschlagenden der Separatorfolie entsprechend eine doppelte Separatorlage bereitgestellt ist. Zudem ist der Umschlag der Stromkollektorfolie um den Umschlag des Separators herum gebildet, sodass für den Umschlag der Stromkollektorfolie ebenfalls mehr Stabilität bereitgestellt ist. Die Gesamtwandstärke im Bereich des Umschlags kann so zum Beispiel zumindest verdoppelt werden. Gerade im Kontaktbereich kann hierdurch deutlich mehr Stabilität bereitgestellt werden. Mit anderen Worten wirkt der Separator-Umschlag von innen stabilisierend auf den Umschlag der Stromkollektorfolie.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Stromkollektoranordnung einen zweiten Separator zur Anordnung zwischen einer Anode und einer Kathode der Batteriezelle auf, wobei der mindestens eine zweite Separator einen zweiten Bereich aufweist, der zusammen mit dem mindestens einen ersten Bereich des ersten Separators zwischen dem ersten und zweiten Umschlagende des Umschlags der Stromkollektorfolie angeordnet ist. Mit anderen Worten kann auch der zweite Separator stabilisierend für zumindest den Befestigungsbereich genutzt werden. Zum Beispiel kann der erste Separator zusammen mit der Stromkollektorfolie im Randbereich um diesen Randbereich des zweiten Separators umgeschlagen sein. Damit befinden sich im Befestigungsbereich zum Beispiel drei Separatorlagen, nämlich zwei Separatorlagen, die dem ersten Separator zuzuordnen sind, und eine Lage, die dem zweiten Separator zugeordnet ist. Alternativ kann aber auch der zweite Separator so ausgestaltet sein, dass auch dieser einen eine Öse bereitstellenden Umschlag im Randbereich bildet. Mit anderen Worten können sowohl der erste als auch der zweite Separator im Randbereich zumindest zum Teil in Überdeckung mit der Stromkollektorfolie angeordnet sein und diese Schichtanordnung kann umgeschlagen sein, zum Beispiel sodass sich vier Separatorlagen im Befestigungsbereich zwischen den Umschlagenden der Stromkollektorfolie befinden. Somit kann durch diese beiden Separatoren zusätzlich Stabilität vor allem auch wieder im Kontaktbereich der Stromkollektorfolie bereitgestellt werden. Die beiden Umschlagbereiche der jeweiligen Separatoren können dabei unterschiedliche Umschlagradien aufweisen und zum Beispiel auch bereichsweise nicht aneinanderliegend ausgebildet sein. Auch können die Separatoren mehrfach umgeschlagen sein, um zusätzliche Separatorschichten zwischen den Umschlagenden der Stromkollektorfolie bereitzustellen. Je nach gewünschter Dicke und/oder Stabilität oder Anforderung kann also einfach eine geeignete Ausgestaltung gewählt und umgesetzt sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest innerhalb der durch den Umschlag bereitgestellten Öse der Stromkollektorfolie, und insbesondere innerhalb der Separator-Öse, ein elektrisch isolierendes, sich in der Länge der Stromkollektorfolie erstreckendes, deformierbares Strangelement angeordnet, insbesondere welches im undeformierten Zustand einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Ein solches Strangelement kann zum Beispiel als eine Art Gummischlauch oder ähnliches bereitgestellt sein und vereinfacht das Umschlagen der Stromkollektorfolie unter Gewährleistung eines gewissen Mindestbiegeradius. Mit anderen Worten lässt sich ein Knicken der Folie im Umschlagbereich durch ein solches in der Öse geführtes Strangelement noch effizienter vermeiden. Nichtsdestoweniger lässt sich eine entsprechende Stabilität zur Vermeidung einer solchen Knickbildung auch durch die entsprechenden Umschläge der Separatoren, wie oben beispielsweise beschrieben, erreichen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batteriezelle, insbesondere eine Rundzelle, für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batteriezelle eine erfindungsgemäße Stromkollektoranordnung oder eine ihrer Ausgestaltungen aufweist.
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Eine solche Batteriezelle wird vorzugsweise für eine Hochvoltbatterie des Kraftfahrzeugs verwendet. Entsprechend soll auch eine Hochvoltbatterie mit einer solchen Batteriezelle, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batteriezelle, insbesondere mit einer Hochvoltbatterie umfassend mindestens eine solche Batteriezelle, als zur Erfindung gehörend angesehen werden. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung einer solchen Batteriezelle weist die Batteriezelle ein Zellgehäuse und eine erste Stromkollektorfläche auf, wobei die Stromkollektoranordnung in Richtung der Länge der Stromkollektorfolie zu einem Wickel aufgerollt ist, und im Zellgehäuse der Batteriezelle derart angeordnet ist, dass der dem Sammelbereich abgewandte Teil des Umschlags der Stromkollektorfolie die Stromkollektorfläche flächig kontaktiert, und insbesondere wobei sich in radialer Richtung des Wickels benachbart angeordnete Segmente des Umschlags berühren. Damit können Übergangswiderstände reduziert und der Wirkungsgrad optimiert werden.
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Die Batteriezelle kann dabei wie bereits beschrieben ausgebildet sein und zum Beispiel eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweisen, wobei zum Beispiel die erste Elektrode die Stromkollektorfolie umfasst, auf welcher im Sammelbereich, insbesondere beidseitig, eine erste Elektrodenschicht angeordnet ist. Die erste Elektrode kann beispielsweise eine Anode oder eine Kathode darstellen. Auch die zweite Elektrode kann eine solche Stromkollektorfolie aufweisen, sowie eine, wiederum vorzugsweise beidseitig, auf der zweiten Stromkollektorfolie angeordnete zweite Elektrodenschicht.
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Weiterhin ist es möglich, dass sowohl die Elektrode als auch die Anode hinsichtlich der Bereitstellung des entsprechenden Kontaktbereichs zum Kontaktieren mit der korrespondierenden Stromkollektorfläche geometrisch gleichartig, insbesondere wie im Rahmen der Erfindung beschrieben, ausgebildet sind. Mit anderen Worten können sowohl die Anode als auch die Kathode jeweils als Tabless-Elektroden ausgebildet sein. Bevorzugt ist jedoch nur eine der beiden Elektroden, vorzugsweise die Anode, als solche Tabless-Elektrode ausgebildet. Dies hat den Hintergrund, dass durch die Ausbildung als Tabless-Elektrode der Wirkungsgrad enorm erhöht werden kann. Allerdings ist die Wirkungsgradzunahme bei der Ausbildung der anderen der beiden Elektroden ebenfalls als Tabless-Elektrode eher als gering anzusehen. Mit anderen Worten ist gerade die Ausbildung nur einer der beiden Elektroden als Tabless-Elektrode besonders effizient in puncto Kosten-Nutzen-Verhältnis. Nichtsdestoweniger ist dies ebenso denkbar.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Kontaktfläche zwischen der Stromkollektorfläche und dem Umschlag der Stromkollektorfolie in radialer Richtung bezogen auf den Wickel vorzugsweise mindestens 200 Mikrometer beträgt. Damit ist eine sehr große Kontaktfläche beziehungsweise Flächenbreite bereitgestellt, durch welche der Übergangswiderstand enorm reduziert werden kann. Dies erlaubt einen besonders effizienten Betrieb der Batteriezelle.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Bereitstellen einer Stromkollektoranordnung für eine als Rundzelle ausgebildete Batteriezelle, wobei eine elektrisch leitende Stromkollektorfolie bereitgestellt wird, die eine Länge und eine Breite senkrecht zur Länge aufweist, wobei die Stromkollektorfolie einen Sollbereich aufweist und einen sich in Richtung der Breite dem Sammelbereich anschließenden Randbereich, welcher in Richtung der Länge verläuft, und welcher einen Kontaktbereich zum elektrisch leitenden Kontaktieren mit einer Stromkollektorfläche der Batteriezelle bereitstellt. Des Weiteren wird die Stromkollektorfolie im Randbereich umgeschlagen, sodass ein eine Öse bildender Umschlag im Randbereich bereitgestellt ist, der ein erstes Umschlagende aufweist, das direkt an den Sammelbereich angrenzt, und ein zweites Umschlagende aufweist, das einen auf das erste Umschlagende umgeschlagenen Folienrand der Stromkollektorfolie umfasst. Weiterhin werden das erste und das zweite Umschlagende aneinander befestigt.
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Die für die erfindungsgemäße Stromkollektoranordnung und ihre Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Stromkollektorfolie beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Teils einer Stromkollektoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische und perspektivische Darstellung der Stromkollektoranordnung aus 1 in einem ungewickelten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3a eine schematische Querschnittsdarstellung einer Stromkollektoranordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3b eine schematische Querschnittsdarstellung einer Stromkollektoranordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3c eine schematische Querschnittsdarstellung einer Stromkollektoranordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer als Rundzelle ausgebildeten Batteriezelle mit einer Stromkollektoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 eine schematische Detailansicht des Kontaktierungsvorgangs der Stromkollektoranordnung mit einer Stromkollektorfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 6 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Ausgangszustands der Stromkollektoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 7 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Verpressvorgangs zum Verpressen der Separatoren mit der Stromkollektorfolie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 8 eine schematische Darstellung der Stromkollektoranordnung im nicht umgeschlagenen Zustand des Randbereichs mit mittig in den Separatorschichten und der Stromkollektorfolie angebrachten Einschnitten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 9 eine schematische und perspektivische Darstellung des Auflegens eines Strangelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 10 eine schematische Querschnittsdarstellung des Umschlagvorgangs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 11 eine schematische Querschnittsdarstellung der Stromkollektoranordnung mit umgeschlagenem Randbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 12 eine schematische Querschnittsdarstellung des Vernähens der Schichten im Befestigungsbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 13 eine schematische Darstellung des Aufrollvorgangs der Stromkollektoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 14 eine schematische Darstellung des Aufwickelvorgangs in einer Querschnittsdarstellung der Stromkollektoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte 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. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Teils einer Stromkollektoranordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und 2 eine perspektivische Darstellung dieser Stromkollektoranordnung 10, insbesondere im nicht gewickelten beziehungsweise nicht gerollten Zustand, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Stromkollektoranordnung 10 stellt dabei einen Zellwickel für eine Batteriezelle 14 (vergleiche 4), insbesondere eine als Rundzelle ausgebildete Batteriezelle 14, bereit, wobei die Stromkollektoranordnung 10 zur besseren Veranschaulichung in 2 im nicht aufgewickelten Zustand dargestellt ist. Die Stromkollektoranordnung 10 weist dabei eine erste Elektrode 16, zum Beispiel eine Anode, und eine zweite Elektrode 18, zum Beispiel eine Kathode, auf. In diesem Beispiel ist die erste Elektrode 16 also als Anode und die zweite Elektrode 18 als Kathode ausgebildet. Die im Folgenden erläuterten Beispiele lassen sich aber in gleicher Weise auch umsetzen, wenn die erste Elektrode 16 die Kathode und die zweite Elektrode 18 die Anode darstellt. Die Anode 16 weist eine Stromkollektorfolie 20 auf, die zum Beispiel als Kupferfolie mit einer Dicke d1 von zum Beispiel 12 Mikrometern ausgebildet ist. Diese Stromkollektorfolie 20 weist weiterhin einen Sammelbereich 22 auf, welcher den Bereich der Stromkollektorfolie 20 bezeichnet, auf welchem beidseitig eine Elektrodenschicht 26 angeordnet ist. An diesen Sammelbereich 22 schließt sich in Richtung einer Breite der Stromkollektorfolie 20, die sich hier in Richtung der dargestellten z-Achse erstreckt, unmittelbar ein Randbereich 24 der Stromkollektorfolie 20 an. Dieser Randbereich 24 der Stromkollektorfolie 20 stellt dabei den nicht mit dem Elektrodenmaterial 26 beschichteten Teil der Stromkollektorfolie 20 dar.
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Auch die zweite Elektrode 18 weist eine Stromkollektorfolie 28 auf, die beidseitig mit einem Elektrodenmaterial 30 beschichtet ist. Im Falle der Kathode als zweite Elektrode 18 stellt die Stromkollektorfolie 28 eine Aluminiumfolie, zum Beispiel mit einer Dicke d2 in y-Richtung von 22 Mikrometern, dar. Die Elektrodenschichten 30 der zweiten Elektrode 18 können darüber hinaus eine Schichtdicke in der dargestellten y-Richtung von zum Beispiel 64 Mikrometern aufweisen. Die Elektrodenschichten 26 der ersten Elektrode 16 können in y-Richtung jeweils eine Schichtdicke von zum Beispiel 39 Mikrometern aufweisen. Im Falle einer Lithium-Ionen-Batteriezelle 14 ist das Kathodenmaterial 30 zum Beispiel durch LiFePO4 bereitgestellt, und das Anodenmaterial 26 zum Beispiel durch LiC6. Zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 16 ist ein erster Separator32 angeordnet. In y-Richtung nach der zweiten Elektrode 18 ist weiterhin ein zweiter Separator 34 angeordnet. Auch dieser befindet sich zwischen der zweiten Elektrode 18 und der ersten Elektrode 16, wenn die Stromkollektoranordnung 10 sich im aufgewickelten Zustand befindet. Im aufgewickelten Zustand setzt sich insbesondere die in 1 gezeigte Darstellung beziehungsweise der Ausschnitt der Stromkollektoranordnung 10 in y-Richtung in beide Seiten analog fort. Entsprechend ist auf der rechten Seite der ersten Elektrode 16 in 1 nochmals ein Teil des zweiten Separators 34 dargestellt. Der erste und zweite Separator 32, 34 sind jeweils aus einem elektrisch nicht leitenden Material gebildet. Diese Separatoren 32, 34 können jeweils eine Dicke in y-Richtung von zum Beispiel 20 Mikrometern aufweisen. Zudem können diese ebenfalls als Folien bereitgestellt sein.
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In diesem Beispiel ist die erste Elektrode 16 vorteilhafterweise als sogenannte Tabless-Elektrode 16 ausgebildet. Dies bedeutet, sie weist keine separat gefertigte Kontaktfahne zur Anbindung der Elektrode 16 an eine Stromkollektorfläche 36 der Batteriezelle 14 auf. Stattdessen ist der Kontaktbereich 38 zu dieser Stromkollektorfläche 36 durch die Stromkollektorfolie 20 selbst bereitgestellt, und zwar auf besonders vorteilhafte Weise, wie dies nun nachfolgend näher erläutert wird. Die Stromkollektorfolie 20 weist dazu im Randbereich 24 einen eine Öse 40 bildenden Umschlag 42 auf. Dieser Umschlag 42 umfasst weiterhin ein erstes Umschlagende 44, welches direkt an den Sammelbereich 22 angrenzt, und ein zweites Umschlagende 46, welches einen auf das erste Umschlagende 44 umgeschlagenen Folienrand 48 umfasst. Diese beiden Umschlagenden 44, 46 sind weiterhin vorteilhafterweise in einem Befestigungsbereich 50 aneinander befestigt, und zwar im vorliegenden Beispiel aneinander genäht. Ein entsprechender Nähfaden ist hierbei mit 52 bezeichnet. Gleichzeitig sind auch Bereiche der Separatoren 32, 34 durch diesen Befestigungsbereich 50 hindurchgeführt und stabilisieren dabei zum einen die durch den Umschlag 42 bereitgestellte Öse 40 und zum anderen die Befestigung 52 selbst. In diesem Beispiel weist der erste Separator 32 ebenfalls einen Randbereich 54 mit einem Umschlag 56 auf, der ebenfalls eine Öse 58 bereitstellt. Der Separator-Umschlag 56 verläuft dabei innerhalb des Umschlags 42 der Stromkollektorfolie 20. Entsprechend weist auch der erste Separator 32 zwei erste Bereiche 60, 62 auf, die sich im Befestigungsbereich 50 zwischen den beiden Umschlagenden 44, 46 der Stromkollektorfolie 20 befinden, und die aneinander befestigt sind. Zudem ist in diesem Beispiel auch noch ein zweiter Bereich 64 des zweiten Separators 34 zwischen diesen beiden ersten Bereichen 60, 62 des ersten Separators 32 eingeführt und ebenfalls mit den übrigen Bereichen 60, 62 beziehungsweise Umschlagenden 44, 46 der Stromkollektorfolie 20 verbunden. Mit anderen Worten sind die beiden Umschlagenden 44, 46, sowie die beiden ersten Bereiche 60, 62 des ersten Separators 32 und der zweite Bereich 64 des zweiten Separators 34 im Befestigungsbereich 50 mittels einer gemeinsamen Naht vernäht und damit aneinander befestigt. Durch diese zusätzlichen Separatorlagen 60, 62, 64 zwischen den beiden Umschlagenden 44, 46 kann für diesen Nahtbereich 50 eine zusätzliche Stabilität bereitgestellt werden. Zusätzlich werden die Separatoren 32, 34 genutzt, um den Bereich des Umschlags 42 der Stromkollektorfolie 20 zu stabilisieren. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, einen gewissen Mindestkrümmungsradius dieser Stromkollektorfolie 20 im Umschlagbereich 42 zu gewährleisten, wodurch Knicke vermieden werden können und damit einhergehend auch die Wahrscheinlichkeit für eine Beschädigung der sehr dünnen Folie 20 verringert werden kann. Weiterhin ist in diesem Beispiel durch die Öse 40, 58 der Stromkollektorfolie 20, sowie auch des Separators 32 noch ein elastisches
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Strangelement 66, in diesem Beispiel in x-Richtung, geführt, welches im undeformierten Ausgangszustand zum Beispiel einen runden Querschnitt aufweisen kann und die Knickbildung im Umschlagsbereich 42 weiter hemmt. Dies sorgt für zusätzliche Stabilität im Kontaktbereich 38. Um den Kontakt zwischen der Stromkollektorfolie 20 in diesem Umschlagsbereich 42 und der Stromkollektorfläche 36 herzustellen, kann der Umschlagbereich 42 mit seinem den Kontaktbereich 38 bereitstellenden Ende 68 bei der Batteriezellenmontage gegen diese Stromkollektorfläche 36 gedrückt werden. Die ursprüngliche im Querschnitt zu sehende Tropfenform dieses Umschlagsbereichs 42, wie sie zum Beispiel in 2 zu erkennen ist, flacht damit unterseitig, das heißt in Richtung der Stromkollektorfläche 36, beim Andrücken ab, wie dies in 1 zu sehen ist. Dadurch wird eine flächige Kontaktstelle zwischen dem Kontaktbereich 38 und der Stromkollektorfläche 36 bereitgestellt, welche eine Breite d3 in y-Richtung, wie in 1 illustriert, von mindestens 200 Mikrometern aufweist. Eine solch große Breite lässt sich vorteilhafterweise durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Umschlagbereich 42 realisieren. Dadurch werden Übergangswiderstände reduziert, was wiederum den Wirkungsgrad steigert, die Abwärme mindert und die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle 14 insgesamt enorm erhöht. Durch dieses Flachdrücken des Umschlagsbereichs 42 kann zudem erreicht werden, dass in radialer Richtung, die hier zur dargestellten y-Richtung korrespondiert, benachbarte Bereiche dieses Umschlags 42, wenn sich die Stromkollektoranordnung 10 im aufgewickelten Zustand befindet, einander berühren, wie dies nachfolgend noch näher illustriert ist. Dadurch kann der Wirkungsgrad weiter gesteigert werden.
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2 zeigt schematisch, wie bereits erwähnt, die Stromkollektoranordnung 10 im nicht gerollten beziehungsweise nicht gewickelten Zustand. Illustriert sind hierbei zusätzlich noch die Breite B der Stromkollektoranordnung 10 beziehungsweise der Stromkollektorfolie 20, die sich hier in Richtung der dargestellten z-Richtung erstreckt und deren Länge L in der dargestellten x-Richtung, wobei in 2 nur ein Teil der Stromkollektoranordnung 10 in x-Richtung dargestellt ist und somit nur ein Teil der Länge L. Weiterhin ist in 2 zu erkennen, dass der Umschlag 42 der Stromkollektorfolie 20, sowie auch der innere Separator-Umschlag 56, in Richtung der Länge L mehrere Einschnitte 70 aufweisen, die in Richtung der Breite vom Ende 68 des Umschlags 42 bis maximal zum Befestigungsbereich 50 verlaufen. Durch solche Einschnitte 70 kann das anschließende Wickeln der Stromkollektoranordnung 10 in Längsrichtung vereinfacht werden. Auch ist hierbei das Strangelement 66 im undeformierten Zustand mit rundem Querschnitt zu erkennen.
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Wenngleich ein solches Strangelement 66 sehr vorteilhaft ist, so kann die Stromkollektoranordnung 10 aber auch ohne ein solches Strangelement 66 bereitgestellt werden, wie dies zum Beispiel in 3a, 3b und 3c dargestellt ist. Insbesondere sind hierbei in einer schematischen Querschnittsdarstellung jeweilige weitere Ausführungsformen der Stromkollektoranordnung illustriert. Diese können durch die nachfolgend beschriebenen Unterschiede wie zu 1 und 2 beschrieben ausgestaltet sein. In 3a sind dabei sowohl der erste als auch der zweite Separator 32, 34 umgeschlagen, das heißt auch in diesem Beispiel weist zusätzlich auch der zweite Separator 34 einen solchen Umschlagbereich 72 auf, der wiederum eine Öse 74 bildet. Hierdurch kann eine zusätzliche stabilisierende Wirkung im Umschlagbereich 42 der Folie 20 bereitgestellt werden, wodurch auf das Strangelement 66 verzichtet werden kann. Gleiches gilt im Übrigen auch für 3b und 3c. Zusätzlich sind die Enden 76, 78 der jeweiligen Separatoren 34, 32 ein zweites Mal umgeschlagen und erneut durch den Befestigungsbereich 50 geführt. Dadurch befinden sich im Befestigungsbereich 50 nunmehr sechs Separatorlagen. Im Beispiel in 3c sind diese Enden 76, 78 zusätzlich in dem Bereich der Öse 40, 58, 74 hineingeführt, bis sie an der Separatorinnenseite des zweiten Separators 34 zur Anlage kommen. Dadurch kann eine zusätzliche Stützwirkung während des Kontaktierungsvorgangs bereitgestellt werden, wenn also die Kontaktfläche 38 gegen die Stromkollektorfläche 36 gepresst wird.
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Beim Anpressen der Kontaktfläche 38 an die Stromkollektorfläche 36 verformt sich also die Querschnittsgeometrie des Umschlags 42, wie dies nachfolgend näher dargestellt ist. Dabei zeigt zunächst 4 eine Querschnittsdarstellung einer Batteriezelle 14, die insbesondere als Rundzelle ausgebildet ist, und welche die Stromkollektoranordnung 10 in Form eines Zellwickels 12 umfasst. Dazu weist die Batteriezelle 14 ein Gehäuse 80 auf, in welchem der Zellwickel 12 angeordnet ist. Der Zellwickel 12 wird insbesondere dadurch bereitgestellt, dass die Stromkollektoranordnung 10, wie sie zum Beispiel in 2 dargestellt ist, in Richtung ihrer Länge L aufgerollt wird und mit den Kontaktflächen 38 der Umschläge 42 voran durch eine oberseitige Öffnung im Zellgehäuse 80 eingebracht wird. Das Zellgehäuse 80 weist dabei einen Gehäusedeckel 98 auf, der abnehmbar ist bzw. nach dem einbringen des Zellwickels 12 in das übrige Zellgehäuse 80 aufgesetzt und befestigt werden kann. Alternativ ist es auch möglich, dass diese Öffnung im Zellgehäuse 80 unterseitig vorgesehen ist. Die Begriffe Ober- und Unterseite beziehen sich dabei auf die Anordnung der Batteriezelle 14, wie in 4 dargestellt. Am unterseitigen Boden des Zellgehäuses 80 ist weiterhin die Stromkollektorfläche 36 durch eine Stromkollektorplatte 82 in Form einer Scheibe bereitgestellt. Die segmentierten Kontaktflächen 38 des Umschlags 42 werden mit dieser Stromkollektorfläche 36 kontaktiert, während die zweite Stromkollektorfolie 28 der Kathode an einer oberseitige Stromkollektorfläche 84 der Batteriezelle 14 angebunden werden kann, was im vorliegenden Beispiel jedoch nicht explizit dargestellt ist. Diese Anbindung kann zum Beispiel über ein Tab erfolgen.
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5 zeigt dabei eine Detailansicht des Kontaktierungsvorgangs des Kontaktierens der Kontaktflächen 38 mit der Stromkollektorfläche 36 in einer Querschnittsdarstellung. Insbesondere zeigen die Bilder in 5 jeweils einen Ausschnitt aus dem mit A in 4 gekennzeichneten Bereich. Im linken Bild in 5 sind die jeweiligen Kontaktflächen 38 noch nicht mit der Stromkollektorfläche 36 in Kontakt. Wird die Stromkollektoranordnung 10 weiter nach unten durch eine Kraft F gedrückt, und damit die Kontaktflächen 38 gegen die Stromkollektorfläche 36, so werden die jeweiligen Umschlagabschnitte 42 und damit einhergehend auch die Kontaktflächen 38 deformiert, wie im rechten Bild in 5 dargestellt. Die Umschläge 42 in den Randbereichen 24 der Stromkollektoranordnung 10 sind also initial im Querschnitt tropfenförmig ausgebildet und flachen unterseitig durch das Anpressen gegen die Stromkollektorfläche 36 ab. Dadurch verbreitet sich die Kontaktfläche 38, und zusätzlich stehen im im rechten Bild dargestellten Endzustand auch die Umschläge 42 der Stromkollektorfolie 20 gegenseitig miteinander in Kontakt, das heißt je zwei in radialer Richtung benachbarte Umschläge 42. Die radiale Richtung a verläuft insbesondere senkrecht zur hier dargestellten z-Achse z und bezieht sich auf den Zellwickel 12. Die z-Achse z korrespondiert dabei zur Rotationsachse dieses Zellwickels 12 beziehungsweise zur Wickelachse. Einhergehend mit der Deformation des Umschlags 42 wird, wie in 5 zu sehen, auch der Umschlag 56 des ersten Separators 32 deformiert, während das Ende 78 des zweiten Separators 34 als Abstützung dient. Zudem wird auch das Strangelement 66 deformiert.
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Im Folgenden soll ein Verfahren zum Herstellen beziehungsweise Bereitstellen einer solchen Stromkollektoranordnung 10 beschrieben werden. Hierzu zeigt 6 eine schematische perspektivische Darstellung der Stromkollektoranordnung 10 im Ausgangszustand. Dabei werden zunächst die Anode 16, die Kathode 18 und die beiden Separatoren 32, 34 bereitgestellt und zueinander, wie in 6 dargestellt, aufeinander angeordnet. In diesem Beispiel wird der erste Separator 32 auf der Anode 16 angeordnet, auf dem ersten Separator 32 die Kathode 18 und auf der Kathode 18 der zweite Separator 34. Die Stromkollektorfolie 20 der Anode 16 ist dabei ausschließlich im Sammelbereich 22 mit Elektrodenmaterial 26 beschichtet, insbesondere beidseitig, nicht jedoch im Randbereich 24. Der Randbereich 24 kann sich dabei in Richtung der Breite weiter erstrecken beziehungsweise länger ausgedehnt sein, als der Sammelbereich 22. Zur Veranschaulichung der Größenverhältnisse ist in 6 zusätzlich ein Maßstab 86 dargestellt. In 7 ist der nächste Verfahrensschritt schematisch dargestellt. Dabei werden die Bereiche der Stromkollektorfolie 20 sowie der Separatoren 32, 34, im Randbereich 24 der Folie 20, insbesondere im späteren Befestigungsbereich 50, verformt beziehungsweise umgeformt, was mittels Rollen 88 oder Walzen oder ähnlichem erfolgen kann. Dabei werden die jeweiligen Schichten, das heißt die Stromkollektorfolie 20, der erste Separator 32 und der zweite Separator 34 im späteren Befestigungsbereich 50 aneinander gepresst. Der nachfolgende Schritt ist in 8 schematisch dargestellt, in welchem nunmehr die Einschnitte 70 in Form von Schlitzen in den Randbereich 24 der Stromkollektorfolie 20 und der korrespondierenden in der y-Richtung darüber liegenden Schichten der Separatoren 32, 34 eingebracht werden. Das Einbringen dieser Schlitze 70 kann zum Beispiel mittels eines Lasers erfolgen. Mit anderen Worten können zum Beispiel mit einem Laser diese Löcher 70, insbesondere Langlöcher, ausgeschnitten werden. Im nächsten Schritt, welcher in 9 schematisch illustriert ist, wird auf den späteren Umschlagbereich das Strangelement 66 aufgelegt. Dieses Strangelement 66 stellt ein elastisches und/oder deformierbares Bauteil dar, insbesondere mit dem Ausgangszustand rundem Querschnitt, welcher zum Beispiel eine Deformierbarkeit wie ein Schwamm oder ein Gummischlauch, insbesondere ein massiver Gummischlauch, aufweisen kann beziehungsweise als solcher ausgebildet sein kann. Dieses Strangelement 66 hilft beim späteren Falten und gewährleistet einen Mindest-Biegeradius der Kante. Im nachfolgenden Schritt, welcher in 10 schematisch im Querschnitt der Stromkollektoranordnung 10 illustriert ist, erfolgt das Umschlagen der Stromkollektorfolie 20 im Randbereich 24, wodurch im Randbereich 24 der Umschlag 42 gebildet wird. Das Umschlagen ist insbesondere durch den Pfeil 90 illustriert. Insbesondere sind hier drei aufeinanderfolgende Zeitschritte t0, t1, t2 dieses Umschlagens 90 dargestellt. Der Ausgangszustand und damit der früheste Zeitschritt ist mit t0 bezeichnet, ein späterer Zeitschritt mit t1 und ein weiterer späterer Zeitschritt mit t2. Bei diesem Umschlag 90 werden die zwei Umschlagenden 44, 46 des später gebildeten Umschlags 42 aufeinander gelegt. 11 zeigt den Umschlag 42 der Stromkollektorfolie 20 mit den aufeinander beziehungsweise übereinander gelegten Umschlagenden 44, 46. Gleichzeitig damit wird auch ein Umschlag 56 des ersten Separators 32 bereitgestellt. Im Befestigungsbereich 50 befinden sich nach dem Umschlagen 90 letztendlich der Endbereich des zweiten Separators 34, der auch als zweiter Bereich 64 bezeichnet wird, sowie die beiden Separator-Umschlagenden 60, 62 des ersten Separators 32, die auch als erste Bereiche 60, 62 bezeichnet werden, zwischen den Umschlagenden 44, 46 der Stromkollektorfolie 20 im Befestigungsbereich 50.
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Anschließend werden die im Befestigungsbereich 50 übereinanderliegenden Lagen der Stromkollektorfolie 20 und des ersten und zweiten Separators 32, 34 aneinander befestigt, insbesondere aneinander angenäht mittels eines Fadens 52, wie dies in 12 dargestellt ist. Zur Veranschaulichung des Nähvorgangs sind des Weiteren eine Nadel 92 und ein Nähfaden 94 dargestellt. Der Nähvorgang erfolgt mittels einer Nähmaschine. Der Nähfaden kann zum Beispiel einen Durchmesser von 0,06 Millimetern haben und des Weiteren können für die Naht 52 ein Nähfaden 94 aus einem Material wie zum Beispiel Nylon, Polyvinylidenfluorid (PVDV), auch als Fluorocarbon bezeichnet, Polyethylene, Dyneema, Spectra, Kevlar, oder auch einem metallischen Material wie Edelstahl oder Titan verwendet werden. Das Nähen lässt sich gut industrialisieren und ist daher mit industriellen Nähmaschinen machbar. Der Zustand der Stromkollektoranordnung 10, welcher in 12 dargestellt ist, korrespondiert dabei zur Darstellung aus 2.
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Anschließend wird die Stromkollektoranordnung 10 aufgerollt, wie dies in 13 illustriert ist. 13 zeigt dabei schematisch die Draufsicht auf die Stromkollektoranordnung 10 auf die Kontaktfläche 38 des Umschlags 42 während des Aufrollvorgangs, welcher durch den Pfeil 96 illustriert ist. Zu erkennen sind hierbei ebenfalls die Einschnitte 70, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Dieser Aufrollvorgang 96 ist schematisch in einer Querschnittsdarstellung nochmal in 14 illustriert, insbesondere wiederum für drei unterschiedliche Zeitschritte t3, t4, t5. Mit jeder Umdrehung des Aufrollvorgangs 96 erhöht sich dabei die Lagenanzahl des resultierenden Zellwickels 12. Im ersten Zeitschritt t3 weist der Zellwickel 12 erst eine Umdrehung auf und damit lediglich eine Lagenanordnung aus Anode 16, Kathode 18 und den Separatoren 32, 34. Im nachfolgenden Zeitschritt t4 weist der Zellwickel 12 bereits zwei solcher Lagenanordnungen auf, im darauffolgenden Zeitschritt t5 drei Lagenanordnungen, und so weiter. Dieser Vorgang kann fortgesetzt werden, bis die Stromkollektoranordnung 10 vollständig aufgewickelt ist und die gewünschte Anzahl an Lagen des Zellwickels 12 bereitgestellt ist. Durch diesen Aufrollvorgang 96 bekommt die Batteriezelle beziehungsweise die Stromkollektoranordnung 10 letztendlich ihre zylindrische Form in Form des Zellwickels 12. Durch die Einschnitte 70, auch Löcher genannt, können die Kanten, das heißt die Kontaktflächen 38 des Umschlags 42, gebogen werden, ohne dass die Kupferfolie 20 beschädigt wird, insbesondere reißt. Der so bereitgestellte Zellwickel 12, auch Biskuitrolle genannt, wird dann im Gehäuse 80 der Batteriezelle 14 montiert beziehungsweise eingebracht, wie dies zu 4 und 5 bereits beschrieben wurde. Ohne Druckkraft von oben sind die Kanten unten im Kontaktbereich 38 noch rund und nicht deformiert. Nach der Installierung der Metallkappe 98 (vergleiche 4) des Zellgehäuses 80 von oben wird eine stationäre Druckkraft F (vergleiche 5) entstehen. Diese deformiert die Kanten, das heißt die Unterseiten der Umschläge 42, so, dass die Kontaktfläche 38 zur unteren Stromkollektorscheibe 82 und auch zueinander erhöht beziehungsweise, erstellt wird. Die Kanten, das heißt die Unterseiten der Umschläge 42, sind dann nicht mehr rund.
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Die erfindungsgemäße Stromkollektoranordnung und ihre Ausführungsformen ermöglichen es vorteilhafterweise, den elektrischen und thermischen Widerstand zu reduzieren und damit die elektrischen I2R-Verluste drastisch zu reduzieren, wobei I die Stromstärke bezeichnet, R den elektrischen Widerstand und 12R entsprechend die elektrische Leistung darstellt. Dadurch kommt es zu weniger Wärmebildung und zu einer gleichmäßigeren Temperatur in der Zelle. Darüber hinaus kommt es zu einer höheren Lebensdauer der Zelle. Aufgrund der reduzierten Wärmebildung kann auch eine bessere Schnelladefähigkeit der Zelle bereitgestellt werden. Dies führt zu einer schnelleren beziehungsweise kürzeren Ladezeit eines Elektroautos. Zudem ist ein Laden mit höheren Leistungen möglich. Die elektrische Abgabeleistung wird auch erhöht, was E-Maschinen mit höheren Leistungen und mehr Drehmoment ermöglicht und eine bessere Beschleunigung des Elektroautos. Gerade durch die Befestigung der umgeschlagenen Enden durch Nähen hat die großen Vorteile, dass Nähen billig ist, ein sehr guter mechanischer Aufbau entsteht und das Nähen gut industrialisierbar ist.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine neuartige Tabless-Elektrode einer Lithium-Ionen-Batteriezelle für hohe Lebensdauer und Super-Schnellladefähigkeit bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7700222 B2 [0003]
- US 2020/0144676 A1 [0003]
- EP 2219248 A1 [0005]
