DE102021110893A1 - Secondary cell for a lithium ion traction battery, corresponding battery and motor vehicle with such - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung stellt eine Sekundärzelle (10) für eine Lithiumionen-Traktionsbatterie mit den folgenden Merkmalen bereit: Die Sekundärzelle (10) enthält eine Anode (11), eine Kathode (12) und einen zwischen der Anode (11) und Kathode (12) angeordneten Separator (13); die Sekundärzelle (10) weist ein prismatisches Zellgehäuse (14) mit zwei kongruenten Grundflächen und mindestens drei Seitenflächen auf; und zumindest eine der Grundflächen umfasst ein integrales, mit der Anode (11) oder Kathode (12) elektrisch verbundenes Anschlusselement (15).Die Erfindung stellt ferner eine entsprechende Lithiumionen-Traktionsbatterie sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug bereit.The invention provides a secondary cell (10) for a lithium-ion traction battery, having the following features: The secondary cell (10) includes an anode (11), a cathode (12), and one disposed between the anode (11) and cathode (12). separator (13); the secondary cell (10) has a prismatic cell housing (14) with two congruent base surfaces and at least three side surfaces; and at least one of the bases includes an integral terminal (15) electrically connected to the anode (11) or cathode (12). The invention further provides a corresponding lithium ion traction battery and motor vehicle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sekundärzelle für eine Lithiumionen-Traktionsbatterie. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Lithiumionen-Traktionsbatterie sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug.The present invention relates to a secondary cell for a lithium ion traction battery. The present invention also relates to a corresponding lithium-ion traction battery and a corresponding motor vehicle.

Stand der TechnikState of the art

Einzelzellen von Lithiumionen-Akkumulatoren werden nach dem Stand der Technik üblicherweise mit prismatischem Gehäuse konfektioniert, in zylindrischer Bauform oder als sogenannte Pouch- oder Coffee-Bag-Zellen ausgeführt.According to the state of the art, individual cells of lithium-ion accumulators are usually assembled with a prismatic housing, in a cylindrical design or as so-called pouch or coffee-bag cells.

Jede der genannten Bauformen weist hierbei spezifische Vor- und Nachteile auf: Während sich Pouch-Zellen etwa durch einfachen Aufbau, praktische Verschaltung mittels außenliegender Anschlusszungen oder -laschen (tabs) sowie ihre Energiedichte auszeichnen, steht der angesichts ihrer Länge hohe Innenwiderstand einer schnellen Aufladung entgegen. Bei der alternativen Verwendung von Rundzellen ließe sich der Widerstand mittels durchgängiger Anschlüsse (continuous tabbing) zwar verringern, indes nur unter Inkaufnahme einer suboptimalen Raumausnutzung. Die Formstabilität prismatischer Zellen schließlich erweist sich als vorteilhaft für deren geometrische Integration; diesem Vorzug stehen jedoch auch hier Nachteile bezüglich Raumausbeute, Gewicht und elektrischem Widerstand vor allem im Bereich der Anschlusselemente (terminals) gegenüber. Zudem gilt eine beidseitige Kühlung bei herkömmlichen Zellen dieser Bauart als kaum umsetzbar.Each of the designs mentioned has specific advantages and disadvantages: while pouch cells are characterized by their simple structure, practical wiring using external connection tabs or tabs and their energy density, the high internal resistance due to their length prevents rapid charging . With the alternative use of round cells, the resistance could be reduced by means of continuous connections (continuous tabbing), but only at the expense of less than optimal use of space. Finally, the dimensional stability of prismatic cells proves advantageous for their geometric integration; However, this advantage is offset by disadvantages in terms of space yield, weight and electrical resistance, especially in the area of the connection elements (terminals). In addition, cooling on both sides of conventional cells of this type is considered to be hardly feasible.

EP3152796B1 offenbart eine Elektrolytbatterie mit einer Aluminium-Deck- und -Grundplatte. Die Platten sind - an gegenüberliegenden Oberflächen einer elektrisch leitenden Trägerfolie aus Aluminium, Kupfer, Stahl oder Kunststoffkomplementär mit Anode und Kathode beschichtet. Hierbei ist auf der Trägerfolie ein umlaufender Rand von der Beschichtung ausgenommen, der mittels eines Dicht- und Klebemittels benachbarte Zellen untereinander verbindet und gegenüber der Umgebung hermetisch abdichtet. Die Anoden bestehen aus Lithiumtitanat in Spinellstruktur und die Hochvolt-Kathoden aus Lithium-Nickel-Manganat in Spinell- oder Lithium-Phosphaten (LP) in Olivinstruktur. Je nachdem, ob ein gelförmiger oder fester Elektrolyt verwendet wird, ist eine Separatorschicht zwischen der Elektrode jeder Zelle und dem Elektrolyten vorgesehen. EP3152796B1 discloses an electrolytic battery having an aluminum top and base plate. The plates are complementarily coated with anode and cathode on opposite surfaces of an electrically conductive carrier foil of aluminum, copper, steel or plastic. In this case, a peripheral edge on the carrier film is exempt from the coating, which connects adjacent cells to one another by means of a sealant and adhesive and hermetically seals them from the environment. The anodes consist of lithium titanate in a spinel structure and the high-voltage cathodes of lithium nickel manganate in a spinel or lithium phosphate (LP) olivine structure. Depending on whether a gel or solid electrolyte is used, a separator layer is provided between the electrode of each cell and the electrolyte.

EP2140514B1 beschreibt eine Lithium-Sekundärbatterie mit einer Kathode, die einen mit LiFePO4-Teilchen beschichteten Stromabnehmer einer Stärke zwischen 15 µm und 120 µm aufweist, der spiralförmig gewunden, gestapelt oder gefaltet ist. EP2140514B1 describes a lithium secondary battery with a cathode having a current collector coated with LiFePO 4 particles of a thickness between 15 μm and 120 μm, which is spirally wound, stacked or folded.

US2020235368A1 , US2020144676A1 , US2021074963A1 sowie WO2009082957A1 erörtern weitere Elektrodenelemente, -anordnungen und Sekundärbatterien. US2020235368A1 , US2020144676A1 , US2021074963A1 such as WO2009082957A1 discuss additional electrode elements, assemblies, and secondary batteries.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Die Erfindung stellt eine Sekundärzelle für eine Lithiumionen-Traktionsbatterie, eine entsprechende Batterie sowie ein entsprechendes Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.The invention provides a secondary cell for a lithium ion traction battery, a corresponding battery and a corresponding vehicle according to the independent claims.

Die erfindungsgemäße Bauform zeichnet sich durch den einfachen Aufbau sowie die seitlichen Anschlussmöglichkeiten einer Pouch-Zelle beim geringen Widerstand einer Rundzelle aus, ohne jedoch die gattungsmäßige Stabilität - in Verbindung mit einem geeigneten Gehäusebecher etwa aus Aluminium - und Schnellladefähigkeit einer prismatischen Zelle einzubüßen.The design according to the invention is characterized by the simple structure and the lateral connection options of a pouch cell with the low resistance of a round cell, but without sacrificing the generic stability - in conjunction with a suitable housing cup made of aluminum, for example - and the rapid charging capability of a prismatic cell.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.Further advantageous refinements of the invention are specified in the dependent patent claims.

Figurenlistecharacter list

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.

  • 1 zeigt die perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Sekundärzelle.
  • 2 zeigt eine Seitenansicht der Sekundärzelle von rechts.
  • 3 zeigt eine erste Variante der Anschlusskonfiguration.
  • 4 zeigt eine zweite Variante der Anschlusskonfiguration.
  • 5 zeigt eine dritte Variante der Anschlusskonfiguration.
  • 6 zeigt eine erste Variante des inneren Aufbaus.
  • 7 zeigt eine zweite Variante des inneren Aufbaus.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below.
  • 1 shows the perspective view of a secondary cell according to the invention.
  • 2 shows a side view of the secondary cell from the right.
  • 3 shows a first variant of the connection configuration.
  • 4 shows a second variant of the connection configuration.
  • 5 shows a third variant of the connection configuration.
  • 6 shows a first variant of the internal structure.
  • 7 shows a second variant of the internal structure.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Die 1 und 2 illustrieren in ihrer Zusammenschau schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Sekundärzelle (10). Großflächige Anschlusselemente sowie Öffnungen in beiden Grundflächen des prismatischen Zellgehäuses gestatten eine zweiseitige Kühlung und begünstigen die Entgasung (venting).the 1 and 2 together illustrate schematically the structure of a secondary cell (10) according to the invention. Large-area connection elements and openings in both base areas of the prismatic cell housing allow cooling on two sides and promote degassing (venting).

3 beleuchtet eine erste Variante mit abbildungsgemäß oberseits angeordneten Anschlüssen. Das Zellgehäuse (14) weist hier einen Deckel (17) auf, welcher die abbildungsgemäß obere Seitenfläche des Zellgehäuses (14) einnimmt und zugleich als Anschlusselement für die Kontaktierung der - zeichnerisch nicht dargestellten - Anode der Sekundärzelle (10) dient. Zu diesem Zweck wird der Deckel (17) von einem elektrischen Isolator (18) in Gestalt einer Dichtung umrandet. Je nach Ladezustand der Sekundärzelle (10) können Deckel (17) und übrige Seitenflächen des Zellgehäuses (14) somit unterschiedliche elektrische Potentiale aufweisen, sodass das Zellgehäuse (14) und dessen Rand abseits des Deckels (17) zur elektrischen Kontaktierung der Kathode genutzt werden kann. In der abbildungsgemäß rechten Grundfläche ist eine Entgasungsöffnung (16) zu erkennen; es versteht sich gleichwohl, dass entsprechende Öffnungen auch in der gegenüberliegenden und somit abbildungsgemäß linken Grundfläche, unteren Seitenfläche oder im Deckel (17) selbst vorgesehen sein mögen. 3 illuminates a first variant with connections arranged on top as shown in the figure. The cell housing (14) has a cover (17) which occupies the upper side surface of the cell housing (14) as shown in the figure and at the same time serves as a connecting element for contacting the anode of the secondary cell (10), which is not shown in the drawing. For this purpose, the cover (17) is bordered by an electrical insulator (18) in the form of a seal. Depending on the state of charge of the secondary cell (10), the cover (17) and the other side surfaces of the cell housing (14) can therefore have different electrical potentials, so that the cell housing (14) and its edge away from the cover (17) can be used to make electrical contact with the cathode . A degassing opening (16) can be seen in the base area on the right according to the figure; it goes without saying, however, that corresponding openings may also be provided in the opposite and thus left-hand base area, lower side area or in the cover (17) itself.

4 verdeutlicht eine zweite Variante mit seitlich gegenüberliegenden Anschlüssen. Der Deckel (17), der auch hier als Anschluss der Anode dient, nimmt die abbildungsgemäß rechte Grundfläche des Zellgehäuses (14) ein, sodass die abbildungsgemäß linke, dem Deckel (17) abgewandte Grundfläche zur Kontaktierung der Kathode (12) genutzt werden kann. Eine den obigen Ausführungsformen entsprechende Entgasungsöffnung (16) mag zum Beispiel im unteren Bereich des Deckels (17) vorgesehen sein oder sich vollständig über diesen erstrecken. Es versteht sich gleichwohl, dass entsprechende Öffnungen auch in der gegenüberliegenden und somit abbildungsgemäß umgekehrten Grundfläche, unteren Seitenfläche oder im Deckel (17) selbst vorgesehen sein mögen. 4 illustrates a second variant with laterally opposite connections. The cover (17), which also serves to connect the anode here, occupies the right-hand base of the cell housing (14) as shown in the figure, so that the base area on the left, as shown in the figure, facing away from the cover (17) can be used for contacting the cathode (12). A degassing opening (16) corresponding to the above embodiments may be provided, for example, in the lower area of the cover (17) or extend completely over it. It goes without saying, however, that corresponding openings may also be provided in the opposite base area, lower side area or in the cover (17) itself, which is thus inverted according to the illustration.

In der dritten Variante gemäß 5 nehmen die abbildungsgemäß links und rechts angeordneten Anschlusselemente (15) lediglich einen Teil der beiderseitigen Grundflächen ein, die jeweils von den Seitenflächen des Zellengehäuses elektrisch isoliert sind. Letztere können hier somit nicht zur Kontaktierung der Elektroden (11, 12) dienen.In the third variant according to 5 the connection elements (15) arranged on the left and right according to the figure take up only a part of the base surfaces on both sides, which are each electrically insulated from the side surfaces of the cell housing. The latter can therefore not be used here for contacting the electrodes (11, 12).

Auch hinsichtlich des inneren Aufbaus der Sekundärzelle (10) eröffnen sich verschiedene konstruktive Möglichkeiten. Bei der direkten Anschlussvariante der 6 steht das Anschlusselement (15) mit der Anode (11) in unmittelbarer stoffschlüssiger Verbindung (21). Eine solche elektrisch leitende Verbindung (21) besteht auch zwischen Kathode (12) und gegenüberliegender Grundfläche des Zellgehäuses (14). In Betracht kommt jeweils beispielsweise eine Schweißverbindung. Obgleich in der Zeichnung mehr Kathoden als Anoden dargestellt sind, kann diese Anschlussvariante selbstverständlich auch mit Konfigurationen kombiniert werden, die gleich viele Anoden und Kathoden oder mehr Anoden als Kathoden aufweisen.Also with regard to the internal structure of the secondary cell (10), there are various design possibilities. With the direct connection variant of the 6 the connecting element (15) is in direct material connection (21) with the anode (11). Such an electrically conductive connection (21) also exists between the cathode (12) and the opposite base surface of the cell housing (14). In each case, for example, a welded connection can be considered. Although more cathodes than anodes are shown in the drawing, this connection variant can of course also be combined with configurations that have the same number of anodes and cathodes or more anodes than cathodes.

Wie 7 veranschaulicht, kann das Anschlusselement (15) auch mittelbar mit einer der innenliegenden Elektroden (11, 12) verbunden sein. Hierzu dienen eine vom Isolator (18) eingefasste Metallplatte (19) sowie ein zwischen Anschlusselement (15) und Metallplatte (19) mechanisch nachgiebig verklemmtes Verbindungselement (20). Die Platte (19) schließlich steht in direktem elektrischem Kontakt mit der Anode (11), während eine gegenüber und somit auf der abbildungsgemäß linken Seite des Zellgehäuses (14) mit diesem verschweißte Aluminiumplatte den Anschluss der Kathode (12) darstellt.As 7 illustrated, the connection element (15) can also be connected indirectly to one of the internal electrodes (11, 12). A metal plate (19) surrounded by the insulator (18) and a connecting element (20) which is mechanically flexibly clamped between the connection element (15) and the metal plate (19) are used for this purpose. Finally, the plate (19) is in direct electrical contact with the anode (11), while an aluminum plate welded to the cell housing (14) opposite and thus on the left-hand side of the cell housing (14) represents the connection of the cathode (12).

Es versteht sich, dass unterschiedlichste Kombinationen direkter und indirekter Kontaktierung gebildet werden mögen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Verschiedene Ausführungsformen kommen für die elektrische Konfiguration in Betracht, etwa eine mit dem Gehäuse verbundene Kathode bei isolierter Anode, jeweils individuell isolierte Kathode und Anode bei potentialfreiem Gehäuse oder eine mit dem Gehäuse verbundene Anode bei isolierter Kathode.It goes without saying that a wide variety of combinations of direct and indirect contacting can be formed without departing from the scope of the invention. Various embodiments are contemplated for the electrical configuration, such as case-connected cathode with an isolated anode, individually isolated cathode and anode with a floating case, or case-connected anode with an isolated cathode.

Auch hinsichtlich des inneren Aufbaus der Sekundärzelle (10) sind vielfältige Abwandlungen denkbar, die verschiedene Schicht- und Wicklungskonfigurationen von Anode (11), Kathode (12) und Separator (13) einschließen. Insbesondere beim Designtyp eines Elektrodenwickels empfiehlt es sich in der Regel, die Elektrodenenden - etwa nach der Art einer Verbindungszunge - gebogen auszuführen, um eine größtmögliche Auflagefläche für Gehäuse, Zwischenstrukturen oder anderweitige Kontakten zu schaffen.Various modifications are also conceivable with regard to the internal structure of the secondary cell (10), which include different layer and winding configurations of the anode (11), cathode (12) and separator (13). In the design type of an electrode coil in particular, it is generally advisable to design the electrode ends bent—for example in the manner of a connecting tongue—in order to create the largest possible contact surface for the housing, intermediate structures or other contacts.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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Claims (10)

Sekundärzelle (10) für eine Lithiumionen-Traktionsbatterie, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Sekundärzelle (10) enthält eine Anode (11), eine Kathode (12) und einen zwischen der Anode (11) und Kathode (12) angeordneten Separator (13), - die Sekundärzelle (10) weist ein prismatisches Zellgehäuse (14) mit zwei kongruenten Grundflächen und mindestens drei Seitenflächen auf und - zumindest eine der Grund- oder Seitenflächen umfasst ein integrales, mit der Anode (11) oder Kathode (12) elektrisch verbundenes Anschlusselement (15).Secondary cell (10) for a lithium-ion traction battery, characterized by the following features: - the secondary cell (10) contains an anode (11), a cathode (12) and a separator (13) arranged between the anode (11) and cathode (12). ), - the secondary cell (10) has a prismatic cell housing (14) with two congruent base surfaces and at least three side surfaces and - at least one of the base or side surfaces comprises an integral, electrically connected to the anode (11) or cathode (12). connecting element (15). Sekundärzelle (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: - zumindest eine der Grundflächen weist eine Entgasungsöffnung (16) auf oder - zumindest eine der Seitenflächen weist eine Entgasungsöffnung (16) auf.Secondary cell (10) after claim 1 characterized by at least one of the following features: - at least one of the base surfaces has a degassing opening (16) or - at least one of the side surfaces has a degassing opening (16). Sekundärzelle (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Zellgehäuse (14) weist einen Deckel (17) auf und - der Deckel (17) bedeckt eine der Grund- oder Seitenflächen.Secondary cell (10) after claim 1 or 2 , characterized by the following features: - the cell housing (14) has a cover (17) and - the cover (17) covers one of the base or side surfaces. Sekundärzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Zellgehäuse (14) weist einen elektrischen Isolator (18) auf und - der Isolator (18) umrandet das Anschlusselement (15).Secondary cell (10) according to one of Claims 1 until 3 , characterized by the following features: - the cell housing (14) has an electrical insulator (18) and - the insulator (18) surrounds the connection element (15). Sekundärzelle (10) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Sekundärzelle (10) enthält ferner eine vom Isolator (18) eingefasste Platte (19) sowie ein das Anschlusselement (15) mit der Platte (19) elektrisch verbindendes Verbindungselement (20) und - die Platte (19) steht mit der Anode (11) oder Kathode (12) in Verbindung (21).Secondary cell (10) after claim 4 , characterized by the following features: - the secondary cell (10) also contains a plate (19) surrounded by the insulator (18) and a connecting element (20) electrically connecting the connection element (15) to the plate (19), and - the plate (19 ) is connected to the anode (11) or cathode (12) (21). Sekundärzelle (10) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eines der folgenden Merkmale: - die Verbindung (21) besteht zur Anode (11) oder - die Verbindung (21) besteht zur Kathode (12).Secondary cell (10) after claim 5 , characterized by one of the following features: - the connection (21) is to the anode (11) or - the connection (21) is to the cathode (12). Sekundärzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Anschlusselement (15) steht mit der Anode (11) oder Kathode (12) in unmittelbarer Verbindung (21).Secondary cell (10) according to one of Claims 1 until 4 , characterized by the following feature: - the connecting element (15) is directly connected (21) to the anode (11) or cathode (12). Sekundärzelle (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: - die Verbindung (21) ist formschlüssig, - die Verbindung (21) ist kraftschlüssig oder - die Verbindung (21) ist stoffschlüssig.Secondary cell (10) according to one of Claims 5 until 7 , characterized by at least one of the following features: - the connection (21) is form-fitting, - the connection (21) is non-positive or - the connection (21) is cohesive. Lithiumionen-Traktionsbatterie, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Traktionsbatterie umfasst Sekundärzellen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und - die Sekundärzellen (10) sind über ihre Anschlusselemente (15) elektrisch verbunden.Lithium-ion traction battery, characterized by the following features: - the traction battery comprises secondary cells (10) according to one of Claims 1 until 8th and - the secondary cells (10) are electrically connected via their connection elements (15). Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie nach Anspruch 9.Motor vehicle with a traction battery claim 9 .
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