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Es wird eine Batteriezellenanordnung angegeben.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Batteriezellenanordnung anzugeben, die einen Bauraum besonders effizient nutzt.
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Diese Aufgabe wird durch die Batteriezellenanordnung des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Implementierungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Batteriezellenanordnung eine Vielzahl an Batteriezellen. Bei den Batteriezellen handelt es sich beispielsweise jeweils um einen Akkumulator. Jede Batteriezelle ist damit beispielsweise ein einzelnes wieder aufladbares Speicherelement für elektrische Energie.
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Beispielsweise umfasst jede der Batteriezellen eine Folie, die eine erste Elektrodenschicht, eine erste Separatorschicht, eine zweite Elektrodenschicht und eine zweite Separatorschicht umfasst. Die erste Elektrodenschicht, die zweite Separatorschicht, die zweite Elektrodenschicht und die zweite Separatorschicht sind beispielsweise übereinander gestapelt angeordnet, insbesondere in der angegebenen Reihenfolge. Die erste Elektrodenschicht ist beispielsweise mit einem aktiven Elektrodenmaterial gebildet oder ist daraus geformt. Insbesondere ist die erste Elektrodenschicht mit einem aktiven Kathodenmaterial geformt oder ist daraus gebildet. In diesem Fall handelt es sich bei der ersten Elektrodenschicht um eine Kathodenschicht der Batteriezelle.
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Die Kathodenschicht weist beispielsweise ein Kathodenaktivmaterial auf. Das Kathodenaktivmaterial kann eine Vielzahl von Partikeln aufweisen, die in einen Elektrodenbinder eingebunden sind. Das Kathodenaktivmaterial kann ein Schichtoxid wie beispielsweise ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC), ein Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA), ein Lithium-Cobalt-Oxid (LCO) oder ein Lithium-Nickel-Cobalt-Oxid (LNCO) aufweisen. Das Schichtoxid kann insbesondere ein überlithiiertes Schichtoxid (OLO, overlithiated layered oxide) sein. Andere geeignete Kathodenaktivmaterialien sind Verbindungen mit Spinellstruktur wie z.B. Lithium-Mangan-Oxid (LMO) oder Lithium-Mangan-Nickel-Oxid (LMNO), oder Verbindungen mit Olivinstruktur wie z.B. Lithium-Eisen-Phosphat (LFP, LiFePO4) oder Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat (LMFP).
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Die Kathodenschicht kann z. B. durch Auftragen einer Aufschlämmung einer Mischung aus dem Kathodenaktivmaterial, einem leitfähigen Material und einem Bindemittel auf einen Kathodenstromkollektor hergestellt werden. Beispielsweise wird das Kathodenaktivmaterial, insbesondere die Mischung, auf beide Hauptflächen des Kathodenstromkollektors aufgebracht. Nachfolgend kann eine derartige Anordnung durch Trocknen und Pressen zur Kathodenschicht geformt werden. Je nach Bedarf kann der Mischung ein Füllstoff zugesetzt werden.
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Der Kathodenstromkollektor weist beispielsweise eine Dicke von mindestens 3 µm bis höchstens 500 µm auf. Für den Kathodenstromkollektor kann ein Material verwendet werden, das in der Batteriezelle keine chemischen Veränderungen induziert und eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Zum Beispiel können Aluminium, rostfreier Stahl, Nickel, Titan, verkapselter Kohlenstoff, ein oberflächenbehandeltes Material aus Aluminium oder rostfreiem Stahl mit Kohlenstoff, Nickel, Titan, Silber oder ähnliche Materialien verwendet werden. Eine Haftfähigkeit des Kathodenaktivmaterials kann durch die Ausbildung einer Prägung auf einer oder beiden der Hauptflächen des Kathodenstromkollektors erhöht werden. Der Kathodenstromkollektor liegt beispielsweise in Form eines Films, eines Blatts, einer Folie, eines Netzes, eines porösen Materials, eines geschäumten Materials, eines nicht gewebten Materials oder ähnlichen Materialien vor.
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Die zweite Elektrodenschicht ist beispielsweise mit einem aktiven Elektrodenmaterial gebildet oder ist daraus geformt. Insbesondere ist die zweite Elektrodenschicht mit einem aktiven Anodenmaterial geformt oder ist daraus gebildet. In diesem Fall handelt es sich bei der zweiten Elektrodenschicht um eine Anodenschicht der Batteriezelle. Die Anodenschicht weist beispielsweise ein Anodenaktivmaterial auf, das beispielsweise ein Material aus der Gruppe bestehend aus kohlenstoffhaltigen Materialien, Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Aluminiumlegierungen, Indium, Indiumlegierungen, Zinn, Zinnlegierungen, Cobaltlegierungen und Mischungen davon umfasst. Insbesondere ist das Anodenaktivmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus synthetischem Graphit, Naturgraphit, Graphen, Mesokohlenstoff, dotiertem Kohlenstoff, Hardcarbon, Softcarbon, Fulleren, Silizium-Kohlenstoff-Komposit, Silizium, oberflächenbeschichteten Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Lithium, Aluminiumlegierungen, Indium, Zinnlegierungen, Cobaltlegierungen und Mischungen davon.
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Die Anodenschicht kann durch Auftragen des Anodenaktivmaterials auf einen Anodenstromkollektor hergestellt werden. Beispielsweise wird das Anodenaktivmaterial auf beide Hauptflächen des Anodenstromkollektors aufgebracht. Nachfolgend kann eine derartige Anordnung durch Trocknen und Pressen zur Anodenschicht geformt werden. Ein leitfähiges Material, ein Bindemittel, ein Füllstoff und/oder andere Materialien können je nach Bedarf selektiv zum Anodenaktivmaterial hinzugefügt werden.
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Der Anodenstromkollektor weist beispielsweise eine Dicke von mindestens 3 µm bis höchstens 500 µm auf. Für den Anodenstromkollektor kann ein Material verwendet werden, das in der Batteriezelle keine chemischen Veränderungen induziert und eine elektrische Leitfähigkeit besitzt. Zum Beispiel können Kupfer, Edelstahl, Aluminium, Nickel, Titan, kalzinierter Kohlenstoff, ein oberflächenbehandeltes Material aus Kupfer oder Edelstahl mit Kohlenstoff, Nickel, Titan, Silber, eine Aluminium-Cadmium-Legierung und/oder ähnliche Materialien verwendet werden. Wie beim Kathodenstromkollektor kann auch beim Anodenstromkollektor eine Haftfähigkeit des Anodenaktivmaterials durch die Ausbildung einer Prägung auf einer oder beiden der Hauptflächen des Anodenstromkollektors erhöht werden. Der Anodenstromkollektor liegt beispielsweise in Form eines Films, eines Blatts, einer Folie, eines Netzes, eines porösen Materials, eines geschäumten Materials, eines nicht gewebten Materials oder ähnlichen Materialien vor.
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Die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht ist beispielsweise mit einem elektrisch isolierenden Material gebildet oder ist daraus geformt. Die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht weist ein Material auf, das für Lithiumionen durchlässig, aber für Elektronen undurchlässig ist. Als erste Separatorschicht und/oder zweite Separatorschicht können Polymere eingesetzt werden, insbesondere ein Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, insbesondere Polyethylenterephthalat, Polyolefinen, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, Polyacrylnitrilen, Polyvinylidenfluorid, Polyvinyliden-Hexafluoropropylen, Polyetherimid, Polyimid, Aramid, Polyether, Polyetherketon, synthetische Spinnenseide oder Mischungen davon. Die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht kann optional zusätzlich mit keramischem Material und einem Binder beschichtet sein, beispielsweise basierend auf Al2O3.
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Für die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht kann beispielsweise eine isolierende Dünnschicht mit hoher Ionen-Durchlässigkeit und mechanischer Festigkeit verwendet werden. Ein Porendurchmesser der ersten Separatorschicht und/oder der zweiten Separatorschicht beträgt beispielsweise mindestens 0,01 und höchstens 10 µm. Die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht weist eine Dicke von mindestens 5 und höchstens 300 µm auf. Für die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht kann beispielsweise ein Polymer auf Olefinbasis, wie chemikalienbeständiges und hydrophobes Polypropylen oder ähnliches, ein Blatt oder ein Vlies, das unter Verwendung von Glasfasern, Polyethylen oder Ähnlichem hergestellt wird, verwendet werden. Wenn ein Festelektrolyt, wie z. B. ein Polymer, als Elektrolyt verwendet wird, kann der Festelektrolyt auch als erste Separatorschicht und/oder zweite Separatorschicht fungieren. Beispielsweise kann eine Polyethylenfolie, eine Polypropylenfolie oder eine mehrschichtige Folie, die durch Kombination der Folien erhalten wird, oder eine Polymerfolie für einen Polymerelektrolyten oder einen Polymerelektrolyten vom Geltyp, wie Polyvinylidenfluorid, Polyethylenoxid, Polyacrylnitril oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer, verwendet werden.
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Die Folie ist beispielsweise aufgewickelt und bildet in einem aufgewickelten Zustand einen Elektrodenwickel der Batteriezelle. Jede der Batteriezellen weist beispielsweise eine Haupterstreckungsrichtung auf. Die Folie ist beispielsweise um eine virtuelle Wickelachse aufgewickelt, die sich parallel zu der Haupterstreckungsrichtung erstreckt. Beispielsweise sind die Haupterstreckungsrichtungen jeder Batteriezelle parallel zueinander angeordnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezellenanordnung weist jede der Batteriezellen eine vieleckartige Form auf. Beispielsweise umfasst jede der Batteriezellen eine erste Grundfläche mit einer vieleckartigen Form und eine zweite Grundfläche mit einer vieleckartigen Form, die der ersten Grundfläche gegenüberliegt. Die Grundflächen sind durch Seitenflächen miteinander verbunden. Die Seitenflächen erstrecken sich beispielsweise parallel zur Haupterstreckungsrichtung.
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Insbesondere ist weist jede der Batteriezellen in einem Querschnitt senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung eine vieleckartige Form auf.
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Beispielsweise weist die Batteriezelle mit der vieleckartigen Form eine gerade Anzahl an Seitenflächen auf und eine gerade Anzahl an Kanten. Direkt benachbarte Seitenflächen der vieleckartigen Form sind beispielsweise durch jeweils eine der Kanten miteinander verbunden. Eine „vieleckartige Form“ bedeutet hier und im Folgenden beispielsweise, dass es sich bei den Kanten beispielsweise um abgerundete Kanten handelt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezellenanordnung weist jede der Batteriezellen eine gleichschenklige dreieckige Symmetrie auf. In dieser Ausführungsform ist die Anzahl der Ecken der vieleckartigen Form drei.
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Beispielsweise sind die erste Grundfläche und die zweite Grundfläche jeder der Batteriezellen durch eine dreieckige Fläche gebildet. Die erste Grundfläche und die zweite Grundfläche der Batteriezelle sind zum Beispiel mit drei Seitenflächen miteinander verbunden. Zumindest zwei der Seitenflächen weisen beispielsweise jeweils die gleichen Breiten auf.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezellenanordnung weist jede der Batteriezellen eine quadratische Symmetrie auf. In dieser Ausführungsform ist die Anzahl der Ecken der vieleckartigen Form vier.
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Beispielsweise sind die erste Grundfläche und die zweite Grundfläche jeder der Batteriezellen durch eine quadratische Fläche gebildet. Die erste Grundfläche und die zweite Grundfläche der Batteriezelle sind zum Beispiel mit vier Seitenflächen miteinander verbunden. Alle Seitenflächen weisen beispielsweise jeweils die gleichen Breiten auf. Direkt benachbarte Seitenflächen einer einzelnen Batteriezelle schließen in dieser Ausführungsform einen Winkel von in etwa 90° ein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezellenanordnung weist jede der Batteriezellen eine hexagonale Symmetrie auf. Bei der hexagonalen Symmetrie handelt es sich insbesondere um eine regelmäßige hexagonale Symmetrie. In dieser Ausführungsform ist die Anzahl der Ecken der vieleckartigen Form sechs.
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Beispielsweise sind die erste Grundfläche und die zweite Grundfläche jeder der Batteriezellen durch eine sechseckige Fläche gebildet. Die erste Grundfläche und die zweite Grundfläche der Batteriezelle sind zum Beispiel mit sechs Seitenflächen miteinander verbunden. Die Seitenflächen weisen beispielsweise jeweils die gleichen Breiten auf. Direkt benachbarte Seitenflächen einer einzelnen Batteriezelle schließen in dieser Ausführungsform einen Winkel von in etwa 120° ein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezellenanordnung weist jede der Batteriezellen eine oktogonale Symmetrie auf. Bei der oktogonalen Symmetrie handelt es sich insbesondere um eine regelmäßige oktogonale Symmetrie. Alternativ handelt es sich insbesondere um eine unregelmäßige oktogonale Symmetrie, wobei zwei direkt aneinander angrenzende Seitenflächen zwei unterschiedliche Breiten aufweisen. Direkt gegenüberliegende Seitenflächen weisen jeweils die gleiche Breite auf. In dieser Ausführungsform ist die Anzahl der Ecken der vieleckartigen Form acht.
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Beispielsweise sind die erste Grundfläche und die zweite Grundfläche jeder der Batteriezellen durch eine achteckige Fläche gebildet. Die erste Grundfläche und die zweite Grundfläche der Batteriezelle sind zum Beispiel mit acht Seitenflächen miteinander verbunden. Die Seitenflächen weisen beispielsweise jeweils die gleichen Breiten auf. Direkt benachbarte Seitenflächen einer einzelnen Batteriezelle schließen in dieser Ausführungsform einen Winkel von in etwa 135° ein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezellenanordnung sind die Batteriezellen an Gitterpunkten eines zweidimensionalen, 2D, Bravaisgitters angeordnet. Beispielsweise gibt es in zwei Dimensionen fünf Bravaisgitter. In dieser Ausführungsform ist das zweidimensionale Bravaisgitter ein hexagonales Gitter.
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Das hexagonale Gitter wird beispielsweise durch zwei Einheitsvektoren a und b aufgespannt, wobei folgende Relation gilt:
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Weiterhin schließen die Einheitsvektoren a und b den Winkel θ = 120° miteinander ein.
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In Draufsicht sind die Gitterpunkte gemäß dieser Ausführungsform in einem Honigwabenmuster angeordnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezellenanordnung stehen alle direkt benachbarten Seitenflächen der Batteriezellen in direktem Kontakt. In dieser Ausführungsform weist jede der Batteriezellen eine hexagonale Symmetrie auf. Vorteilhafterweise kann so eine Batteriezellenanordnung angegeben werden, die keine Zwischenräume aufweist. Ein mit Batteriezellen zu befüllender Bauraum kann so besonders effizient genutzt werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezellenanordnung ist jeweils ein Kühlelement auf einer Bodenfläche und einer Deckfläche der Batteriezellenanordnung angeordnet. In dieser Ausführungsform stehen insbesondere alle direkt benachbarten Seitenflächen der Batteriezelle in direktem Kontakt miteinander, sodass keine Zwischenräume zwischen den verschiedenen Batteriezellen existieren, sofern die Seitenflächen keine Polarität aufweisen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Seitenflächen von dem Elektrodenwickel elektrische isoloiert sind. Da keine Zwischenräume zwischen benachbarten Batteriezellen durch eine derartige Anordnung entstehen, kann der zu befüllende Bauraum so besonders effizient ausgefüllt werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezellenanordnung ist zwischen direkt benachbarten Seitenflächen der Batteriezellen jeweils eine Kühlplatte angeordnet. Beispielsweise bedeckt jeweils eine Kühlplatte direkt benachbarte Seitenflächen der Batteriezellen insbesondere vollständig. Weiterhin steht jeweils eine Kühlplatte in direktem Kontakt mit direkt benachbarten Seitenflächen. Damit kann zum einen ein zu befüllender Bauraum so besonders effizient ausgefüllt werden und weiterhin eine besonders effizient Kühlung erreicht werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezellenanordnung sind die Batteriezellen an Gitterpunkten eines zweidimensionalen Bravaisgitters angeordnet und das Gitter ist ein quadratisches Gitter.
Das quadratische Gitter wird beispielsweise durch zwei Einheitsvektoren a und b aufgespannt, wobei folgende Relation gilt:
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Weiterhin schließen die Einheitsvektoren a und b den Winkel θ = 90° miteinander ein.
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In Draufsicht sind die Gitterpunkte gemäß dieser Ausführungsform in einem Viereckmuster angeordnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezellenanordnung ist ein Zwischenraum zwischen zumindest manchen direkt benachbarten Seitenflächen der Batteriezellen angeordnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezellenanordnung ist ein Kühlelement in dem Zwischenraum angeordnet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Batteriezelle einer Batteriezellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 2 und 3 eine Batteriezellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 4, 5 und 6 eine dreidimensionale Darstellung jeweils einer Batteriezellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 7, 8 und 9 eine Darstellung in Draufsicht von jeweils einer Batteriezellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 10 und 11 eine Batteriezellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
- 12 und 13 eine Batteriezellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine Batteriezelle 2 einer Batteriezellenanordnung 1 weist gemäß der 1 eine vieleckartige Form auf. In diesem Ausführungsbeispiel weist die vieleckartige Form eine hexagonale Symmetrie auf. Insbesondere weist ein Querschnitt durch die Batteriezelle 2 senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der Batteriezelle 2 die hexagonale Symmetrie auf. Die Batteriezelle 2 weist beispielsweise einen in einem Gehäuse angeordneten Elektrodenwickel auf.
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Eine derartige Batteriezelle 2 weisen sechs Seitenflächen 4 auf, mit jeweils gleichen Dimensionen. Direkt benachbarte Seitenflächen 4 sind durch jeweils eine Kante 5 verbunden. Die Kanten 5 sind hierbei abgerundet. Weiterhin schließen die benachbarten Seitenflächen 4 in dieser Ausführungsform einen Winkel von in etwa 120° ein.
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Bei der Batteriezellenanordnung 1 gemäß den 2 und 3 sind Batteriezelle 2 gemäß der 1 an Gitterpunkten 3 eines zweidimensionalen, 2D, Bravais-Gitters angeordnet. Bei diesem 2D Bravais-Gitter handelt es sich um ein hexagonales Gitter.
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Die Einheitsvektoren des 2D Bravais-Gitter a und b sind hierbei gleich groß ausgebildet und schließen einen Winkel von in etwa 120° ein.
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In diesem Ausführungsbeispiel stehen alle direkt benachbarten Seitenflächen 4 der Batteriezellen 2 in direktem Kontakt. Eine innere Batteriezelle 2, die von allen Seiten von weiteren Batteriezellen 2 umgeben ist, hat hier sechs nächste Nachbarn. Die innere Batteriezelle 2 steht mit allen sechs direkten Nachbarn über ihre Seitenflächen 4 flächig in direktem Kontakt.
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Bei der Batteriezellenanordnung 1 gemäß den 4 und 7 sind Batteriezellen 2 gemäß der 1 an Gitterpunkten 3 eines zweidimensionalen, 2D, Bravais-Gitters angeordnet. Bei diesem 2D Bravais-Gitter handelt es sich um ein quadratisches Gitter.
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Eine innere Batteriezelle 2, die von allen Seiten von weiteren Batteriezellen 2 umgeben ist, hat hier sechs nächste Nachbarn. Die innere Batteriezelle 2 steht jedoch nur über zwei Seitenflächen 4 flächig in direktem Kontakt zu zwei direkt benachbarten Batteriezellen 2. Die restlichen Seitenflächen 4 der inneren Batteriezelle 2 sind jeweils beabstandet von den restlichen umgebenden Batteriezellen 2. Damit ist zwischen benachbarten Batteriezellen 2 jeweils ein Zwischenraum 8 gebildet.
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Bei der Batteriezellenanordnung 1 gemäß den 5 und 8 weisen die Batteriezellen 2 eine oktogonale Symmetrie auf.
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Die Batteriezellen 2 sind weiterhin an Gitterpunkten 3 eines zweidimensionalen, 2D, Bravais-Gitters angeordnet, das ein quadratisches Gitter ist.
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Eine innere Batteriezelle 2, die von allen Seiten von weiteren Batteriezellen 2 umgeben ist, hat hier sechs nächste Nachbarn. Die innere Batteriezelle 2 steht jedoch nur über vier Seitenflächen 4 flächig in direktem Kontakt zu vier direkt benachbarten Batteriezellen 2. Die restlichen Seitenflächen 4 der inneren Batteriezelle 2 sind jeweils beabstandet von den restlichen umgebenden Batteriezellen 2. Damit ist zwischen benachbarten Batteriezellen 2 jeweils ein Zwischenraum 8 gebildet.
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Die Batteriezellenanordnung 1 gemäß den 6 und 9 entspricht der Batteriezellenanordnung 1 gemäß der 5 und 8. Die Batteriezellen 2 weisen im Unterschied zu den 5 und 8 eine dodekagonale Symmetrie auf.
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Bei der Batteriezellenanordnung 1 gemäß den 10 und 11 weist jede Batteriezelle 2 eine gleichschenklige dreieckige Symmetrie auf.
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Bei der Batteriezellenanordnung 1 gemäß den 12 und 13 weist jede Batteriezelle 2 eine quadratische Symmetrie auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriezellenanordnung
- 2
- Batteriezelle
- 3
- Gitterpunkte
- 4
- Seitenfläche
- 5
- Kante
- 6
- erste Grundfläche
- 7
- zweite Grundfläche
- 8
- Zwischenraum