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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einem Zellstapel, der zweipolig mit wenigstens einer Anode, einer Kathode und einem dazwischen angeordneten Separator ausgebildet ist, sowie einer Mehrzahl von Ableitern, die an einem ersten Ende jeweils mit der Anode oder der Kathode elektrisch leitend verbunden sind, sowie einem Elektrolyten, wobei die Anode, die Kathode, der Separator, die Ableiter und der Elektrolyt zusammen von einer Hülle umschlossen sind.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Arten von Batteriezellen bekannt, die in der Regel als galvanische Zellen ausgebildet sind. Derartige Batteriezellen werden beispielsweise zur Bereitstellung von elektrischer Energie für den Antrieb von Fahrzeugen verwendet. Eine andere Anwendung ist die Versorgung von mobilen Geräten, wie beispielsweise Mobilfunkgeräten, Tabletts oder Laptops mit elektrischer Energie für deren Betrieb. Aufgrund der ständig steigenden Anforderungen an derartige Batterien und die darin verbauten Batteriezellen ist es ein fortwährendes Bestreben, die Energiedichte und Kapazität der Batterien möglichst zu vergrößern und gleichzeitig die Leistung der Batteriezelle bzw. die Menge der speicherbaren und nutzbaren elektrischen Energiemenge zu vergrößern. Aufgrund der stetig steigenden Anforderungen im Hinblick auf die Energiedichten im Bereich der Automotive-Anwendungen stoßen bisherige Batteriezellen zunehmend an ihre technischen Grenzen. Dies äußert sich beispielsweise darin, dass bei geometrisch größeren Batteriezellen der Zellinnenwiderstand signifikant ansteigt, wodurch die Schnellladefähigkeit geometrisch größerer Batteriezellen negativ beeinflusst wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die sich aus dem Stand der Technik ergebenden Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere sollen eine Batteriezelle und ein Verfahren zu deren Herstellung angegeben werden, die einen deutlich reduzierten Zellinnenwiderstand aufweisen.
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Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Batteriezelle mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Hierzu trägt eine Batteriezelle mit einem Zellstapel bei, der zweipolig mit wenigstens einer Anode, einer Kathode, und einem dazwischen angeordneten Separator ausgebildet ist, sowie einer Mehrzahl von Ableitern, die an einem ersten Ende jeweils mit der Anode oder der Kathode elektrisch leitend verbunden sind, sowie einem Elektrolyten, wobei die Anode, die Kathode, der Separator, die Ableiter und der Elektrolyt zusammen von einer Hülle umschlossen sind. Durch die Anordnung in der Weise, dass wenigstens an der Anode oder der Kathode zwei gleichpolige Sammelleiter vorgesehen sind, die mit zweiten Enden der gleichpoligen Ableiter elektrisch verbunden sind, kann erreicht werden, dass der Innenwiderstand der Batteriezelle deutlich reduziert wird.
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Gleichpolig bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere, dass die Sammelleiter bzw. Ableiter die gleiche elektrische Polung aufweisen, wie die Elektrode, mit der sie elektrisch verbunden sind.
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Insbesondere wird ein neues Pouchzellformat für Lithium-Ionen-Batterien angegeben. Während es im Stand der Technik üblich ist, an einer Seite der Elektroden, d. h. der Anoden bzw. Kathoden Ableiter und Sammelleiter für die Ableiter vorzusehen, über die der elektrische Strom aus der Batteriezelle abgeleitet wird, wurde es als vorteilhaft erkannt, wenn an einer Elektrode zwei oder mehr Sammelleiter gesehen sind, um den von der Elektrode abzuleitenden Strom mit einem möglichst geringen Widerstand ableiten zu können, wodurch folglich der elektrische Zellinnenwiderstand der Batteriezelle erheblich reduziert wird. Während bei den bekannten Ausführungsformen mit nur einem Sammelleiter der Strom vom entferntesten Ende der Elektrode hin zu dem einen Sammelleiter fließen muss, steigt der elektrische Innenwiderstand der Batteriezelle entsprechend mit der Länge des vom elektrischen Strom zurückzulegenden Weges an. Sieht man wenigstens einen zweiten Sammelleiter vor, so kann der Strom über den jeweils nächstliegenden Sammelleiter aus der Elektrode abgeleitet werden, wodurch sich eine Reduzierung des vom elektrischen Strom zurückzulegenden Weges ergibt.
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In der Folge weist eine derartige Batteriezelle erhebliche verbesserte Eigenschaften, beispielsweise in Bezug auf die Schnellladefähigkeit auf, weil der reduzierte Zellinnenwiderstand deutlich höhere Lade- und Entladeströme ermöglicht, ohne beispielsweise zu unerwünschten übermäßigen thermischen Aufheizungen zu führen.
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Insbesondere vorteilhaft ist es dabei, wenn die Batteriezelle so gestaltet ist, dass die wenigstens zwei gleichpoligen Sammelleiter durch die Ableiter mit räumlich getrennten Bereichen der Anode oder der Kathode verbunden sind. Je größer dabei die räumliche Trennung der Kontaktstellen der gleichpoligen Sammelleiter bzw. deren jeweils zugehörige Ableiter mit der Elektrode ist, desto geringer ist deren elektrischer Innenwiderstand. Häufig kommen blattförmige Elektroden und Separatoren bei Batteriezellen zum Einsatz. Blattförmig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine geometrische Höhe der Elektroden bzw. Separatoren sehr viel geringer ist, als deren geometrische Länge und Breite.
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Besonders anschaulich wird dies am Beispiel einer blattförmigen und rechteckigen länglichen Elektrode, an deren gegenüberliegenden Kopfseiten mit dem größten geometrischen Abstand jeweils ein Sammelleiter mit wenigstens einem zugehörigen Ableiter befestigt ist. Während bei einer Lösung gemäß dem Stand der Technik mit nur einem Sammelleiter der Strom die gesamte Länge der Elektrode durchfließen muss, schafft es die vorliegende Erfindung, den vom Strom maximal zurückzulegenden Weg mit nur einem zusätzlichen Ableiter effektiv zu halbieren. Prinzipiell kann dieses Prinzip auch fortgesetzt werden und beispielsweise durch die Verwendung von drei Sammelleitern mit jeweils wenigstens einem Ableiter der maximal zurückzulegende Weg des Stromes gedrittelt wird. Alternativ ist es auch möglich, wenigstens zwei Sammelleiter je Elektrode vorzusehen und diese Elektrode mit mehr als einem Ableiter mit dem jeweiligen Sammelleiter zu verbinden, um den elektrischen Leitungswiderstand auf diese Weise zu reduzieren.
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Insbesondere vorteilhaft ist es auch, wenn jeder Sammelleiter mit einer Mehrzahl von Anoden oder Kathoden verbunden ist. Hierbei können beispielsweise zwei Sammelleiter für die Anoden und zwei Sammelleiter für die Kathode vorgesehen werden. Auf diese Weise können Batteriezellen gefertigt werden, die an geometrisch getrennten Orten für jede Elektrode zwei Sammelleiter aufweisen. Die Sammelleiter ihrerseits wiederum können durch eine Vielzahl von Ableitern mit jeder innerhalb der Batteriezelle befindlichen Elektrode elektrisch leitend verbunden sein, wobei auch die Ableiter ihrerseits wiederum den Strom an wenigstens zwei möglichst weit räumlich voneinander getrennte Stellen der Elektroden ableiten.
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Insbesondere kann vorgesehen werden, dass die Sammelleiter ebenfalls räumlich getrennt angeordnet sind. Während es durch die Verwendung von räumlich getrennten Ableitern möglich ist den elektrischen Widerstand der jeweiligen Elektrode zu reduzieren, ermöglicht die Verwendung von ebenfalls räumlich getrennten Sammelleitern eine Reduzierung des Leitungsaufwands innerhalb der Batteriezelle. Vorzugsweise ist dabei die räumliche Trennung der Ableiter in gleicher Weise ausgeführt wie die räumliche Trennung der Ableiter. Sind beispielsweise jeweils an zwei gegenüberliegenden Seiten der Elektroden Ableiter vorgesehen, so bietet es sich an entsprechend auch an diesen zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils Sammelleiter vorzusehen, um den Strom aus der Batteriezelle nach außen abzuleiten. Hierdurch können die für die Ableiter benötigten Längen minimiert werden, in dem die Sammelleiter möglichst in der Nähe der Kontaktstellen der Ableiter an der Elektrode liegen.
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Ganz besonders vorteilhaft kann die hier vorgeschlagene Lösung im Zusammenhang mit Batteriezellen umgesetzt werden, bei denen eine größte Ausdehnung der blattförmigen Anode oder der blattförmigen Kathode zwischen 200 mm und 2.000 mm [Millimeter], insbesondere zwischen 300 mm und 1000 mm und ganz besonders zwischen 300 mm und 650 mm beträgt. Erst durch die vorliegende Erfindung können auch blattförmige Elektroden, wie beispielsweise Anoden und Kathoden verwendet werden, die relativ große geometrische Abmessungen aufweisen von beispielsweise mehr als 200 mm bis hin zu 2.000 mm. Erst hierdurch können somit Batteriezellen mit sehr großen geometrischen Abmessungen und damit auch mit sehr großen elektrischen Speicherkapazitäten gefertigt werden die gleichzeitig aufgrund ihres sehr niedrigen Zellinnenwiderstands sehr gute elektrische Eigenschaften, wie beispielsweise Schnellladefähigkeiten, aufweisen.
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In der Praxis hat es sich bewährt Sammelleiter zu verwenden, die eine Breite von 20 - 80 mm [Millimeter] aufweisen. Die Sammelleiter sind dabei in der Regel stark ausgebildet und tragen von der Innenseite der Batteriezelle durch die Hülle hindurch nach außen und bilden dort den elektrischen Kontakt. Die angegebenen Abmessungen eignen sich dabei besonders zur Ausbildung eines ausreichend großen Kontaktbereichs, um im Betrieb der Batteriezelle eine einwandfreie, widerstandsarme Ableitung des elektrischen Stroms zu gewährleisten.
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Hierzu hatte sich insbesondere bewährt, dass der Sammelleiter für die Anode eine Materialstärke von 0,2 mm - 1 mm [Millimeter] und der Sammelleiter für die Kathode eine Materialstärke von 0,2 mm - 1 mm [Millimeter] aufweist.
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Insbesondere kann dabei auch vorgesehen werden, dass der Sammelleiter für die Anode wenigstens 80 Gew.-% Kupfer und der Sammelleiter für die Kathode wenigstens 80 Gew.-% Aluminium aufweist. Diese Metalle haben sich als Hauptbestandteil für Sammelleiter besonders bewährt und gewährleisten einen dauerhaften störungsfreien Betrieb der Batteriezelle.
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Insbesondere kann die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Batteriezelle zusätzlich verbessert werden, indem der Sammelleiter für die Anode eine Nickelschicht und der Sammelleiter für die Kathode eine Cr3-Schicht oder eine Ti-Schicht an einer Oberfläche des Sammelleiters aufweist. Durch die jeweilige Schicht werden die Sammelleiter wirkungsvoll gegen unerwünschte Korrosion geschützt.
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Vorliegend wird ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle vorgeschlagen, das wenigsten die folgenden Schritte aufweist:
- a) Erzeugen mindestens eines Zellstapels mit wenigstens einer Anode, einer Kathode, einer Mehrzahl von Ableitern und einem Separator;
- b) Aufteilen der Ableiter zumindest eines elektrischen Pols in wenigstens eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe und Verbinden der ersten Gruppe mit einem ersten Sammelleiter und der zweiten Gruppe mit einem zweiten Sammelleiter, wobei die Anode oder die Kathode des Pols an wenigstens zwei räumlich voneinander getrennten Stellen mit ersten Enden der Ableiter elektrisch leitend verbunden wird;
- c) Anordnen des mindestens einen Zellstapels mit den Ableitern und den Sammelleitern in einer wenigstens einteiligen Hülle;
- d) Anordnen eines Elektrolyten in der Hülle;
- e) Verschließen der Hülle.
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Die Schritte a) bis e) können wenigstens einmal in der hier angegebenen Reihenfolge a), b), c), d) und e) durchgeführt werden. Es ist möglich, dass diese Schritte unterschiedlich oft und/oder zumindest teilweise zeitlich überlagernd durchgeführt werden.
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Die Schritte a) bis c) können dabei einzeln, mehrfach oder kombiniert vor den Schritten d) und e) erfolgen.
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Insbesondere kann das Verfahren auch so ausgeführt werden, dass sowohl an der Anode als auch an der Kathode jeweils wenigstens zwei Sammelleiter vorgesehen werden. Hierdurch kann der elektrische Innenwiderstand beider Elektroden reduziert werden.
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Vorteilhafterweise kann zudem vorgesehen werden, dass die Sammelleiter eines Pols räumlich voneinander beabstandet angeordnet werden, wodurch die geometrische Länge der daran angeschlossenen und innerhalb der Hülle angeordneten Ableiter reduziert werden kann.
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Insbesondere profitiert ein Kraftfahrzeug von der vorgeschlagenen Lösung, wenn dieses mit wenigstens einer Batteriezelle ausgestattet ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet bzw. gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellt ist. Eine solche Batteriezelle weist einen deutlich reduzierten Zellinnenwiderstand auf und eignet sich hierdurch viel besser für die Durchführung von Schnellladevorgängen. Zudem können nun Batteriezellen mit wesentlich größeren geometrischen Abmessungen hergestellt werden, die nicht den Nachteil sehr hoher Zellinnenwiderstände aufweisen und gleichzeitig deutlich größer Mengen an elektrischer Energie speichern können.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: eine schematische Draufsicht auf eine Batteriezelle;
- 2: eine Schnittansicht der Batteriezelle nach 1;
- 3: eine Schnittansicht anderen Ausführungsform einer Batteriezelle;
- 4: eine Schnittansicht gemäß der Linie A-A in 1; und
- 5: ein Kraftfahrzeug mit Batteriezellen.
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In 1 ist eine Batteriezelle 1 schematisch und in einer Draufsicht dargestellt. Die Batteriezelle 1 weist eine Zellstapel 2 auf, der eine Mehrzahl von abwechselnd übereinander gestapelten blattförmigen Anoden 3, Kathoden 4 und Separatoren 5 besteht. Jede Anode 3 und jede Kathode 4 ist dabei sowohl an einer ersten Stirnseite 6 als auch einer zweiten Stirnseite 7 jeweils mit einem Ableiter 8 elektrisch leitend verbunden. Hierbei ist ein erstes Ende 9 der Ableiter 8 mit der Anode 3 bzw. der Kathode 4 verbunden und ein zweites Ende 10 mit einem Sammelleiter 11. Diese Anordnung ist umschlossen von einer Hülle 12 in der zusätzlich noch ein nicht näher dargestellter Elektrolyt 13 eingebracht ist, um die Funktion der Batteriezelle 1 zu gewährleisten. Jeder Sammelleiter 11 weist dabei eine Breite 22 auf.
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Während die Ableiter 8 flexibel ausgebildet und vollständig innerhalb der Hülle 12 angeordnet sind, ragen die starr ausgebildeten Sammelleiter 11 durch die Hülle 12 hindurch und bilden an einer Außenseite 14 der Hülle 12 elektrische Anschlüsse 15 zum Zuleiten oder Ableiten von elektrischen Strömen.
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Die 2 zeigt die Batteriezelle nach 1 nochmals in einer Schnittansicht. Hierbei ist dargestellt, wie die Sammelleiter 11 jeweils mit einer Mehrzahl von Ableitern 8 verbunden sind. Während hier gezeigt ist, dass jede Anode 3 und jede Kathode 4 mit zwei räumlich getrennten und an gegenüberliegenden Stirnseiten 6, 7 angeordneten Sammelleitern 11 verbunden sind, können auch andere Ausführungsformen mit drei, vier oder mehr räumlich getrennt angeordneten Sammelleitern 11 ausgebildet werden, um eine Batteriezelle 1 mit einem besonders niedrigen Zellinnenwiderstand herzustellen.
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Die 3 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der die Sammelleiter 11 in einer Normalenrichtung zur Bildebene angeordnet sind, was bei bestimmten Einzelanwendungen vorteilhaft ist.
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In 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A gemäß 1 gezeigt. In einer seitlichen Ansicht ist der Zellstapel 2 mit den abwechselnd übereinander angeordneten Anoden 3, Kathoden 4 und Separatoren 5 gut erkennbar. Hierbei sind alle Kathoden 4 an der ersten Stirnseite 6 und der zweiten Stirnseite 7 jeweils über eine erste Gruppe 16 und eine zweite Gruppe 17 von Ableitern 8 mit einem Sammelleiter 11 verbunden, die die Hülle 12 nach außen durchdringen und dort zwei elektrische Anschlüsse 15 für den Betrieb der Batteriezelle 1 bereitstellen. Der Sammelleiter 11 weist dabei eine Materialstärke 18 und eine beschichtete Oberfläche 19 auf.
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Würde man nur einen Sammelleiter 11 verwenden, müsste der Strom innerhalb der Kathode 4 eine Weglänge von maximal der Länge L zurücklegen, bevor er über den Ableiter 8, der einen geringen elektrischen Widerstand aufweist, abgeleitet werden kann. Hierbei steigt der elektrische Zellinnenwiderstand mit zunehmender geometrischer Größe in der Regel proportional und in nennenswertem Maß an.
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Durch die vorliegende Lösung kann der Strom nun über zwei oder mehr Sammelleiter 11 abgeleitet werden, wodurch sich die innerhalb der Kathode 4 zurückzulegende Länge L des Stromes auf L/2 verringert. Hierdurch wiederrum kann eine erhebliche Reduzierung des Zellinnenwiderstands erreicht werden, wodurch es möglich wird, auch Batteriezellen 1 mit größeren geometrischen Abmessungen herzustellen, die sowohl eine hohe elektrische Speicherkapazität als auch eine besonders gute Schnellladefähigkeit aufweisen.
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Schließlich ist in 5 ein Fahrzeug 20 mit einer Batterie 21 dargestellt, die eine Vielzahl von Batteriezellen 1 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst. Die so gestaltete Batterie 21 stellt eine große elektrische Speicherkapazität bereit und kann bei Bedarf zudem in recht kurzer Zeit ge- bzw. entladen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriezelle
- 2
- Zellstapel
- 3
- Anode
- 4
- Kathode
- 5
- Separator
- 6
- erste Stirnseite
- 7
- zweite Stirnseite
- 8
- Ableiter
- 9
- erstes Ende
- 10
- zweites Ende
- 11
- Sammelleiter
- 12
- Hülle
- 13
- Elektrolyt
- 14
- Außenseite
- 15
- elektrischer Anschluss
- 16
- erste Gruppe
- 17
- zweite Gruppe
- 18
- Materialstärke
- 19
- Oberfläche
- 20
- Fahrzeug
- 21
- Batterie
- 22
- Breite
