DE102021110704A1 - Core for an electric battery cell and electric battery cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Kern (10) für eine elektrische Batteriezelle (1), wobei der Kern (10) in Querschnitten quer zu einer Längsrichtung (15) eine außenseitig vollständig umlaufende Einhüllung (20) aufweist und mindestens abschnittsweise gegenüber außenseitig einwirkenden Kräften elastisch deformierbar ist. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Batteriezelle (1) mit einem solchen Kern (10).The invention relates to a core (10) for an electric battery cell (1), wherein the core (10) has a completely circumferential casing (20) on the outside in cross sections transverse to a longitudinal direction (15) and is elastically deformable at least in sections with respect to forces acting on the outside . The invention also relates to an electric battery cell (1) with such a core (10).
Description
Die Erfindung betrifft einen Kern für eine elektrische Batteriezelle sowie eine elektrische Batteriezelle mit einem solchen Kern.The invention relates to a core for an electric battery cell and an electric battery cell with such a core.
Elektrische Batteriezellen können beispielsweise als zylindrische Zellen gefertigt werden. Beispielsweise kann es sich um Lithium-Ionen-Zellen handeln. Sie können beispielsweise als Energieversorgung für Elektrofahrzeuge verwendet werden. Dabei ist typischerweise mittig ein nicht nutzbares Volumen vorhanden, welches durch einen Kern ausgefüllt werden kann.Electric battery cells can be manufactured as cylindrical cells, for example. For example, it can be lithium-ion cells. For example, they can be used as a power supply for electric vehicles. Typically, there is an unusable volume in the middle, which can be filled with a core.
Es wäre wünschenswert, einen Kern bereitzustellen, welcher im Vergleich zu bekannten Kernen alternativ oder besser ausgeführt ist. Es wäre ferner wünschenswert, eine elektrische Batteriezelle mit einem solchen Kern bereitzustellen. Dies wird erfindungsgemäß durch einen Kern und eine elektrische Batteriezelle gemäß den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind beispielsweise in den Unteransprüchen beansprucht.It would be desirable to provide a core that performs alternatively or better than known cores. It would also be desirable to provide an electric battery cell having such a core. According to the invention, this is achieved by a core and an electric battery cell according to the respective independent claims. Advantageous configurations are claimed, for example, in the dependent claims.
Die Erfindung betrifft einen Kern für eine elektrische Batteriezelle. Der Kern erstreckt sich entlang einer Längsrichtung. Der Kern weist zweckmäßig in Querschnitten quer zur Längsrichtung eine außenseitig vollständig umlaufende Einhüllung auf. Der Kern ist zweckmäßig mindestens abschnittsweise gegenüber außenseitig einwirkenden Kräften elastisch deformierbar.The invention relates to a core for an electric battery cell. The core extends along a longitudinal direction. In cross-sections perpendicular to the longitudinal direction, the core expediently has a completely surrounding casing on the outside. The core is expediently elastically deformable, at least in sections, in relation to forces acting on the outside.
Durch einen solchen Kern kann eine allseitig gleichmäßige Reaktion des Kerns auf einwirkende Kräfte erreicht werden. Dies kann insbesondere im Vergleich zu bekannten Kernformen, deren Einhüllung nicht vollständig umlaufend ist, einen Vorteil bieten, da eine ungleichmäßige Deformation von um den Kern herumgewickelten elektrochemischen Schichten verhindert wird. Dies kann beispielsweise die Lebensdauer einer elektrischen Batteriezelle verlängern.Such a core allows the core to react uniformly on all sides to forces acting on it. This can offer an advantage, in particular in comparison with known core shapes whose envelopment is not completely circumferential, since uneven deformation of electrochemical layers wound around the core is prevented. This can extend the service life of an electric battery cell, for example.
Ein solcher Kern wird typischerweise zentral und/oder mittig in einer elektrischen Batteriezelle, insbesondere in einer runden bzw. zylinderförmigen elektrischen Batteriezelle, verwendet. Die Längsrichtung ist typischerweise eine gerade Richtung. Diese kann insbesondere parallel und/oder identisch zu einer Längsrichtung einer elektrischen Batteriezelle sein, in welcher sich der Kern befindet. Die Längsrichtung kann jedoch grundsätzlich auch eine gebogene oder andere Form haben, wenn eine komplexere Form verwendet werden soll.Such a core is typically used centrally and/or centrally in an electric battery cell, in particular in a round or cylindrical electric battery cell. The longitudinal direction is typically a straight direction. This can in particular be parallel and/or identical to a longitudinal direction of an electric battery cell in which the core is located. In principle, however, the longitudinal direction can also have a curved or other shape if a more complex shape is to be used.
Die Querschnitte stehen typischerweise senkrecht auf der Längsrichtung an einem jeweiligen Ort. In diesen Querschnitten gelten die angegebenen Eigenschaften. Durch die Ausbildung einer außenseitig vollständig umlaufenden Einhüllung werden Unterbrechungen dieser Einhüllung vermieden, welche in Ausführungen gemäß dem Stand der Technik häufig vorhanden sind und für eine Inhomogenität sorgen können. Die Einhüllung kann insbesondere entlang des Umfangs eine konstante Dicke und/oder konstante Materialzusammensetzung und/oder konstante Eigenschaften haben. Insbesondere kann die elastische Deformierbarkeit unabhängig von der Stelle entlang des Umfangs sein, insbesondere bezüglich normaler und/oder tangentialer Kräfte.The cross sections are typically perpendicular to the longitudinal direction at a given location. The specified properties apply to these cross-sections. The formation of a completely surrounding casing on the outside avoids interruptions in this casing, which are often present in designs according to the prior art and can cause inhomogeneity. The casing can have a constant thickness and/or constant material composition and/or constant properties, in particular along the circumference. In particular, the elastic deformability may be independent of location along the circumference, particularly with respect to normal and/or tangential forces.
Gemäß einer Ausführung ist die Einhüllung ein betreffend das Material homogener Bestandteil des Kerns. Dies kann insbesondere bedeuten, dass eine Abgrenzung zwischen Einhüllung und davon umschlossenem Füllmaterial betreffend das Material, visuell und/oder chemisch nicht möglich ist. Beispielsweise kann der Kern einstückig ausgeführt sein. Insbesondere an den Längsenden können hierfür gegebenenfalls Abweichungen vorgesehen sein, welche auf besondere Bedingungen an den Längsenden Rücksicht nehmen.According to one embodiment, the envelope is a material-homogeneous part of the core. In particular, this can mean that a visual and/or chemical differentiation between the encapsulation and the filling material it encloses is not possible with regard to the material. For example, the core can be made in one piece. Deviations can be provided for this purpose, in particular at the longitudinal ends, which take into account special conditions at the longitudinal ends.
Insbesondere kann der Kern durch vollständige oder teilweise Ausbildung aus einem elastisch deformierbaren Material elastisch deformierbar sein. Dies erlaubt ein einfaches Vorsehen der elastischen Deformierbarkeit durch Verwendung eines hierfür geeigneten Materials.In particular, the core can be elastically deformable by being completely or partially made of an elastically deformable material. This allows the elastic deformability to be provided easily by using a material suitable for this purpose.
Gemäß einer Ausführung ist der Kern durch vollständige oder teilweise Ausbildung aus einem porösen Material elastisch deformierbar. Durch die Porosität kann eine bestimmte Deformierbarkeit erreicht werden, da dem Material durch Poren Raum zum Ausweichen gegenüber Kräften gegeben wird. Dies kann insbesondere mit der Verwendung von elastischen und/oder deformierbaren Materialien kombiniert werden.According to one embodiment, the core is elastically deformable by being formed entirely or partially from a porous material. A certain deformability can be achieved through the porosity, since the material is given space to evade forces through pores. In particular, this can be combined with the use of elastic and/or deformable materials.
Die Einhüllung kann insbesondere ein hohles oder betreffend das Material von der Einhüllung verschiedenes Innenvolumen des Kerns umgeben. Bei einem hohlen Innenvolumen kann beispielsweise Luft innerhalb des Kerns vorhanden sein. Bei einem betreffend das Material verschiedenen Innenvolumen kann das Innenvolumen gezielt aus einem anderen Material als die Einhüllung ausgebildet werden, beispielsweise um bestimmte Eigenschaften zu erreichen. Ein hohles Innenvolumen kann insbesondere der Gewichtseinsparung dienen.The shell can in particular enclose an inner volume of the core that is hollow or different from the shell in terms of the material. For example, with a hollow interior volume, air may be present within the core. In the case of an inner volume that differs in terms of the material, the inner volume can be specifically formed from a different material than the casing, for example in order to achieve specific properties. A hollow interior volume can be used in particular to save weight.
Der Kern kann beispielsweise durch vollständige oder teilweise Ausbildung der Einhüllung aus einem porösen Material elastisch deformierbar sein. Dies kann sich insbesondere auf die Einhüllung beziehen, welche beispielsweise ein hohles oder betreffend das Material anders ausgebildetes Innenvolumen umschließen kann. Beispielsweise kann das Innenvolumen fest ausgebildet sein, also nicht deformierbar sein, wohingegen die Einhüllung für die Deformierbarkeit sorgt.The core can be elastically deformable, for example, by completely or partially forming the envelope from a porous material. This can relate in particular to the envelope, which, for example, a hollow or regarding the material can enclose differently designed inner volume. For example, the inner volume can be solid, ie not deformable, whereas the encapsulation ensures the deformability.
Der Kern kann beispielsweise durch netzartige Ausbildung der Einhüllung elastisch deformierbar sein. Auch dadurch können Räume geschaffen werden, in welchen sich vorhandenes Material verbiegen kann, um die gewünschte Elastizität zu erreichen.The core can be elastically deformable, for example, due to the net-like design of the covering. Spaces can also be created in this way, in which existing material can bend in order to achieve the desired elasticity.
Der Kern und/oder die Einhüllung können beispielsweise aus einem elektrochemisch stabilen Material ausgebildet sein. Beispielsweise können Polyimide, Polypropylen oder Polyphenylensulfid verwendet werden. Derartige Materialien haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen.The core and/or the shell can be formed from an electrochemically stable material, for example. For example, polyimides, polypropylene, or polyphenylene sulfide can be used. Such materials have proven to be particularly advantageous.
Der Kern kann beispielsweise zylinderförmig sein. Dies erlaubt eine besonders vorteilhafte Anpassung an eine zylinderförmige elektrochemische Zelle. Auch andere Formen sind jedoch möglich. Insbesondere kann die Zylinderform an Längsenden und/oder an anderen notwendigen Stellen zumindest abschnittsweise unterbrochen sein, um auf besondere Gegebenheiten an diesen Stellen Rücksicht zu nehmen.For example, the core can be cylindrical. This allows a particularly advantageous adaptation to a cylindrical electrochemical cell. However, other shapes are also possible. In particular, the cylindrical shape can be interrupted at least in sections at the longitudinal ends and/or at other necessary points in order to take special circumstances at these points into account.
Der Kern kann insbesondere entlang der Längsrichtung vollständig oder mindestens entlang eines mittleren Abschnitts einen konstanten Querschnitt aufweisen. Dies ermöglicht eine einfache Ausführung, welche eine gleichmäßige Belastung eventuell umliegender Schichten erlaubt. Die Verwendung eines konstanten Querschnitts entlang eines mittleren Abschnitts kann insbesondere bedeuten, dass entlang des mittleren Abschnitts der Querschnitt konstant bleibt, was typischerweise den überwiegenden Teil der Länge des Kerns entlang der Längsrichtung einnehmen kann. An jeweiligen Längsenden können Abweichungen vorgesehen sein, welche beispielsweise besonderen geometrischen oder sonstigen Gegebenheiten an diesen Längsenden Rechnung tragen können.In particular, the core can have a constant cross-section in its entirety or at least along a central section along the longitudinal direction. This enables a simple design, which allows even loading of any surrounding layers. The use of a constant cross-section along a central section can in particular mean that the cross-section remains constant along the central section, which can typically occupy the major part of the length of the core along the longitudinal direction. Deviations can be provided at the respective longitudinal ends, which can, for example, take into account special geometric or other conditions at these longitudinal ends.
Der Kern kann beispielsweise im Querschnitt kreisförmig oder ringförmig sein. Derartige Ausführungen haben sich für typische, insbesondere für zylinderförmige, Batteriezellen bewährt.For example, the core may be circular or annular in cross-section. Such designs have proven themselves for typical, in particular for cylindrical, battery cells.
Der Kern kann beispielsweise gegenüber Kräften elastisch sein, die quer zur Längsrichtung stehen oder mindestens eine Komponente quer zur Längsrichtung haben. Derartige Kräfte treten typischerweise in elektrischen Batteriezellen auf, welche insbesondere so ausgebildet sein können, dass der Kern von mehreren Schichten aus elektrochemisch aktivem Material umgeben ist. Derartige Schichten können beispielsweise kreisförmig oder spiralförmig um den Kern gewickelt sein. Vergrößern sie ihr Volumen, beispielsweise aufgrund von thermischer Ausdehnung, so können die erwähnten Kräfte auftreten und vom Kern in vorteilhafter Weise und gleichmäßig aufgenommen werden. Einer ungleichmäßigen Belastung der Schichten wird somit vorgebeugt.For example, the core can be elastic against forces that are transverse to the longitudinal direction or have at least one component transverse to the longitudinal direction. Such forces typically occur in electric battery cells, which in particular can be designed in such a way that the core is surrounded by several layers of electrochemically active material. Such layers may be wrapped around the core in a circular or spiral fashion, for example. If they increase in volume, for example due to thermal expansion, the forces mentioned can occur and be absorbed by the core in an advantageous manner and evenly. This prevents uneven loading of the layers.
Der Kern kann insbesondere entlang der gemeinsamen Längsrichtung gegenüber außenseitig einwirkenden Kräften elastisch deformierbar sein. Derartige außenseitig einwirkende Kräfte treten typischerweise auf, wenn der Kern wie bereits beschrieben von elektrochemischen Schichten umgeben ist.The core can be elastically deformable, in particular along the common longitudinal direction, with respect to forces acting on the outside. Such external forces typically occur when the core is surrounded by electrochemical layers as previously described.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine elektrische Batteriezelle mit einem Kern wie hierin beschrieben und einer oder mehreren um den Kern gewickelten elektrochemische Schichten. Mittels einer solchen Batteriezelle können die bereits mit Bezug auf den Kern beschriebenen Vorteile erreicht werden. Insbesondere werden die Schichten aufgrund der umlaufenden Einhüllung des Kerns gleichmäßig belastet, wodurch Beschädigungen vorgebeugt werden kann.The invention further relates to an electric battery cell having a core as described herein and one or more electrochemical layers wrapped around the core. The advantages already described with reference to the core can be achieved by means of such a battery cell. In particular, the layers are evenly loaded due to the all-round encasing of the core, which means that damage can be prevented.
Die Batteriezelle kann insbesondere im Querschnitt außenseitig rund sein. Insbesondere kann dann auch der Kern einen kreisförmigen oder ringförmigen Querschnitt haben. Die geometrischen Formen von Batteriezelle und Kern wirken auf diese Weise besonders vorteilhaft zusammen.The battery cell can be round on the outside, in particular in cross section. In particular, the core can then also have a circular or ring-shaped cross section. In this way, the geometric shapes of the battery cell and the core work together in a particularly advantageous manner.
Eine elektrische Batteriezelle kann insbesondere eine elektrische Energiespeichereinrichtung sein. Diese kann insbesondere eine Einrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie sein, insbesondere um mindestens eine elektrische (Traktions-)Antriebsmaschine anzutreiben. Die Energiespeichereinrichtung kann insbesondere elektrochemisch ausgebildet sein. Es können insbesondere auch mehrere elektrische Batteriezellen zu einer Energiespeichereinrichtung zusammengeschaltet werden.An electric battery cell can in particular be an electric energy storage device. This can in particular be a device for storing electrical energy, in particular in order to drive at least one electrical (traction) drive machine. The energy storage device can in particular be formed electrochemically. In particular, several electric battery cells can also be interconnected to form an energy storage device.
Mit anderen Worten können beispielsweise folgende Ausführungen eines Kerns vorgeschlagen werden, um einen Kern für eine elektrische Batteriezelle vorzusehen:
- - Zylinderform mit elastischem oder porösem Material,
- - Hohlzylinderform aus elastischem oder porösem Material,
- - netzartige Struktur, insbesondere ringförmig.
- - Cylindrical shape with elastic or porous material,
- - hollow cylindrical shape made of elastic or porous material,
- - Net-like structure, in particular ring-shaped.
Die Erfindung wird nun anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigen:
-
1 : einen Kern gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Ansicht, -
2 :den Kern von 1 in einer Querschnittsansicht, -
3 : einen Kern gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Ansicht, -
4 : den Kern von3 in einer Querschnittsansicht, -
5 : einen Kern gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und -
6 : eine elektrische Batteriezelle.
-
1 : a core according to a first embodiment in a perspective view, -
2 : the core of1 in a cross-sectional view, -
3 : a core according to a second embodiment in a perspective view, -
4 : the core of3 in a cross-sectional view, -
5 : a core according to a third embodiment, and -
6 : an electric battery cell.
Der Kern 10 ist wie erwähnt aus einem elastischen Material, so dass seitlich wirkende Kräfte diesen elastisch deformieren können. Wird der Kern 10 beispielsweise als Kern für eine elektrische Batteriezelle verwendet, so können derartige Kräfte mit einer quer zur Längsrichtung 15 stehenden Komponente auf den Kern 10 wirken. Aufgrund der elastischen Deformierbarkeit des Kerns 10 werden die Kräfte zumindest teilweise aufgenommen und somit wird beispielsweise ermöglicht, dass eine gewisse Toleranz gegenüber thermischer Ausdehnung besteht.As mentioned, the
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Elektrische BatteriezelleElectric battery cell
- 22
- Batteriegehäusebattery case
- 55
- elektrochemische Schichtenelectrochemical layers
- 1010
- Kerncore
- 1515
- Längsrichtunglongitudinal direction
- 2020
- Einhüllungenvelopment
- 3030
- Innenvolumeninternal volume
- 4040
- hohles Innenvolumenhollow interior volume
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