DE102021111741A1 - Funktionsintegrierter Separator, eine diesen aufweisende Batteriezelle sowie Verfahren zum Bereitstellen derselben - Google Patents

Funktionsintegrierter Separator, eine diesen aufweisende Batteriezelle sowie Verfahren zum Bereitstellen derselben Download PDF

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Abstract

Es wird ein Separator (1) zum räumlichen und elektrischen Trennen von Elektroden (2, 3) in einer Batteriezelle, wobei der Separator (1) aufweist: eine Aufnahme für mindestens eine galvanische Zelle, die eine Anode (2) und eine Kathode (3) umfasst; eine Struktur aus leitfähigem Material zur elektrischen Verbindung der Anode (2) und Kathode (3) untereinander und zur Ankontaktierung der mindestens einen galvanischen Zelle von außen; ein Kanalsystem (5) zum Ausbilden einer Kühlfluidströmung in dem Separator (1); wobei zumindest die Aufnahme für die mindestens eine galvanische Zelle und das Kanalsystem integral in dem Separator (1) ausgebildet sind. Ferner werden eine Batteriezelle auf Basis des erfindungsgemäßen Separators sowie Verfahren zum Herstellen derselben bereitgestellt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen funktionsintegrierten Separator, welcher aufgrund seiner vorteilhaften mechanischen und funktionellen Eigenschaften insbesondere zum Aufbau einer Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug verwendet werden kann.
  • Bei der stetig zunehmenden Anzahl von Hybrid- und insbesondere Elektrofahrzeugen spielt die Traktionsbatterie als Energiespeicher eine sehr wichtige Rolle, da er die Reichweite der Fahrzeuge maßgeblich beeinflusst Aus dem Stand der Technik bekannte Batterien bestehen aus einzelnen Zellen, wie z. B. Rundzellen, prismatischen Hardcase-/Pouchzellen, die zu Zellmodulen bzw. direkt zu Batteriesystemen zusammengefasst werden. Diese bestehen mindestens aus zwei einzelnen Zellen. Zellmodule werden zu Batteriesystemen zusammengefügt. Diese Batteriesysteme werden schließlich in das Fahrzeug eingebaut.
  • Eine Batteriezelle weist bekannterweise eine Kathode und eine Anode auf, die von einem Separator räumlich getrennt sind. Der Separator übernimmt demnach die zentrale Aufgabe der räumlich und damit zugleich der elektrischen Trennung der Elektroden voneinander und vermeidet somit elektrische Kurzschlüsse. Der Separator kann beispielsweise in Form eines Separatorfolienblattes zwischen der Anoden- und Kathoden-Elektrode vorliegen. Alternativ kann ein Separator für die gesamte Zelle vorliegen, wie z.B. beim Z-Folding des Separators für bestimme Zellvarianten, oder aus einem Stück gefertigt sein, wie etwa bei der Rundzelle.
  • Bei den heutzutage beliebten und zahlreich eingesetzten bei Li-Ionen Zellen ist der Separator als poröse Folie aus ein- bis mehrlagigen Kunststofffolien ausgeführt. Ferner kann der Separator aus/mit (zusätzlichen) Keramikkomponenten ausgeführt sein.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Separator bereitzustellen, mit welchem eine kompakte und leichte Batteriezelle aufgebaut werden kann.
  • Diese Aufgabe wird mittels der Verfahren und der Vorrichtungen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Erfindungsgemäß wird ein Separator zum räumlichen und elektrischen Trennen von Elektroden in einer Batteriezelle bereitgestellt. Der Separator weist eine Aufnahme für mindestens eine galvanische Zelle auf, die eine Anode und eine Kathode umfasst, sowie eine Struktur aus leitfähigem Material zur elektrischen Verbindung der Anode und Kathode untereinander und zur Ankontaktierung der mindestens einen galvanischen Zelle von außen. Ferner weist der Separator ein Kanalsystem zum Ausbilden einer Kühlfluidströmung in dem bzw. durch den Separator auf. Der erfindungsgemäße Separator zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest die Aufnahme für die mindestens eine galvanische Zelle und das Kanalsystem integral in dem Separator ausgebildet sind.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Separator handelt es sich um einen funktionsintegrierten Separator, welcher ergänzend zur Schutz-Funktion vor elektrischen Kurzschlüssen zwischen Anoden(n) und Kathode(n) durch deren räumliche Trennung neue Funktionen übernimmt, auf die im Folgenden näher eingegangen wird.
  • Der erfindungsgemäße Separator kann mittels eines additiven Herstellungsverfahrens, etwa 3D-Druck, gefertigt werden. Dabei kann der Separator getrennt von der mindestens einen galvanischen Zelle hergestellt werden, die nachträglich eingesetzt wird. Bevorzugt kann der Separator im Rahmen der Herstellung einer entsprechenden Batteriezelle um entsprechend angeordnete Kathoden und Anoden herum gefertigt werden, so dass diese dadurch während des Herstellungsprozess in den Separator integriert/eingebettet werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen des Separators kann in diesem, also in der Separatorstruktur bzw. in dem „Separatorgerüst“, ein Material oder ein Werkstoff enthalten sein, welches zeitverzögert aushärtet, wodurch der Separator seine endgültige Festigkeit erlangt. Der Aushärtevorgang kann durch Zeitablauf oder durch Wärme induziert werden. So kann der Separator beispielsweise erst bei der ersten Inbetriebnahme einer entsprechenden Batteriezelle und durch die von den Elektroden abgegebene Wärme aushärten. Insbesondere kann der Aushärtevorgang irreversibel sein, wodurch die mechanische Festigkeit in der endgültigen dreidimensionalen Form des Separators erreicht wird. Der zeitverzögerte Aushärtevorgang kann beispielsweise auf einer kurzen Zeitskala erfolgen, die so gewählt ist, dass die Endfestigkeit sehr zeitnah erreicht wird, um etwa beim additiven Herstellungsverfahren direkt die nächste Materialschicht zur Ausbildung der Separatorstruktur auftragen zu können. Der zeitverzögerte Aushärtevorgang kann jedoch auch beispielsweise auf einer langen Zeitskala erfolgen, die so gewählt ist, dass der Separator hergestellt werden kann und zunächst ausreichend elastisch ist, um ihn mit den Elektroden der mindestens einen galvanischen Zelle bestücken zu können. Generell kann die Viskosität des Materials, das zur Ausbildung des Separators so angepasst werden, dass sich die Separatorstruktur nicht mit den Anoden- und Kathodenelektroden verbindet.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen des Separators kann dieser eine Porosität aufweisen, die einen Ionentransport zulässt. Die Porosität kann als Eigenschaft des zur Herstellung des Separators verwendeten Materials bereits bei der Applikation, also bei der Ausbildung der Separatorstruktur vorliegen.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen des Separators kann in diesem ein ausdampfbares Lösungsmittel enthalten sein. Durch Ausdampfen des Lösungsmittels, beispielsweise mittels Wärmebehandlung oder UV-Bestrahlung, kann die Porosität in der Separatorstruktur auch nachträglich herbeigeführt werden. Dies gilt für flüssigbasierte Elektrolyten und Festkörperelektrolyte.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen des Separators kann das darin ausgebildete Kanalsystem durch in dem Separator angeordnete Hohlformen ausgebildet sein. Dabei können die Hohlformen während der Fertigung der Separatorstruktur eingelegt werden. Nach dem Aushärten der Separatorstruktur können diese mit einem Lösungsmittel aufgelöst werden, wodurch die ausgeformten Kühlkanäle/Systeme entstehen.
  • Im Falle, dass der Separator eine Porosität aufweist, können die Hohlformen beispielsweise zwei Lagen aufweisen. Die innere Lage kann mit einem Lösungsmittel aufgelöst werden. Die äußere Lage bleibt bestehen und stellt somit die Dichtigkeit her. Alternativ kann, nachdem die einlagige Hohlform durch ein Lösungsmittel aufgelöst worden ist, ein Dichtmittel eingebracht werden, welches die porösen Öffnungen im Separator an der Schnittstelle zur aufgelösten Hohlform abgedichtet. Insgesamt kann so ein Kanalsystem für ein Kühlsystem in dem Separator ausgebildet werden, das wenige Teilkomponenten mit wenigen Schnittstellen und somit wenige potentielle Stellen für Undichtigkeiten aufweist.
  • Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Separators zum Aufbau einer entsprechenden Batteriezelle ermöglicht dieser die mechanische Fixierung von weiteren Komponenten, wie z.B. Anoden-Elektroden/Stapeln, Stromschienen usw., zur Sicherstellung der mechanischen Stabilität bei im Fahrzeug auftretenden Vibrationen und Schock. Dabei ist der erfindungsgemäße Separator durch seine integrale Ausbildung in allen Richtungen zug-, druck- und torsionsbelastbar. Das Material des Separators kann bevorzugt dennoch eine Elastizität aufweisen, die ausreicht, um z.B. Toleranzschwankungen, Alterungseffekte oder entstehende Materialspannungen durch Temperaturunterschiede ausgleichen zu können.
  • Der erfindungsgemäße Separator kann ferner darin eingebettete Versteifungselemente aufweisen, wie z.B. Metallprofile und/oder Glasfasern, die während seiner Herstellung darin eingebracht werden zur Erreichung einer vorbestimmten mechanischen Festigkeit in der Endform oder um diese noch weiter zu erhöhen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Batteriezelle bereitgestellt, welche mindestens eine galvanische Zelle aufweist, die eine Anode und eine Kathode umfasst, wobei die mindestens eine galvanische Zelle in dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Separator eingebettet oder angeordnet ist, so dass mittels der Struktur aus leitfähigem Material die mindestens eine galvanische Zelle von außen ankontaktierbar ist und deren Anode und Kathode untereinander elektrisch verbunden sind und mittel des Kanalsystems ein Kühlkreislauf realisiert ist. Zur Ausbildung des Kühlkreislaufs kann das Kanalsystem an ein Kühlmittelreservoir und eine Pumpe gekoppelt werden. Insgesamt kann die so gebildete Batteriezelle alle zuvor beschriebenen räumlich strukturellen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Separators aufweisen. Bei einer auf Basis des erfindungsgemäßen Separators aufgebauten Batteriezelle kann dieser mindestens zwei Elektrodenstapel umschließen oder enthalten, bestehend aus Anoden und Kathoden als jeweils galvanische Zelle. Besonders bevorzugt kann der Separator ein integral zusammenhängendes Bauteil für das gesamte Batteriesystem und schließt alle galvanischen Zellen ein. Unter einem integral zusammenhängenden Bauteil kann ein Bauteil verstanden werden, dass keine klassischen Fügestellen aufweist, an denen separate Teile mittels Kleben, Scheißen, Nieten oder dergleichen zusammengefügt sind, sondern im Zuge eines Herstellungsverfahrens, beispielsweise durch additive Fertigung, etwa durch ein 3D-Druck-Verfahren, einstückig hergestellt wird.
  • Bei einer auf Basis des erfindungsgemäßen funktionsintegrierten Separators aufgebauten Batteriezelle kann es sich um eine Monozelle für den Direkteinsatz in einer Traktionsbatterie handeln. Bisherige aus dem Stand der Technik bekannte Subkomponenten der Batterie, wie z.B. Zellhüllen, Zellmodulrahmen, usw. können entfallen, da deren Funktionen von dem Separator übernommen werden. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen funktionsintegrierten Separators lassen sich Batterien herstellen, die gegenüber bisherigen Batterien kleiner, leichter und zudem günstiger in der Herstellung sind. Dabei werden die bisherigen Eigenschaften eines klassischen Separators - elektrische und räumliche Trennung der Elektroden der galvanischen Zelle - durch die erfindungsgemäße Funktionserweiterung des hier beschriebenen Separators nicht negativ beeinflusst. Auch weitere Komponenten einer klassisch aufgebauten Batterie, wie z.B. die Elektronik zur Überwachung von einzelnen Elektrodenstapeln, können wie bisher eingesetzt werden und können vorteilhafterweise direkt in den Separator eingebettet werden und so durch diesen mechanisch fixiert werden.
  • Die in bisher bekannten Batterien separat isolierten Stromschienen können ebenfalls in dem Separator integriert/eingebettet vorliegen. Dadurch wird weniger Bauraum und Material benötigt, wodurch eine entsprechende Batterie insgesamt leichter wird.
  • Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Separators bereitgestellt, aufweisend den Schritt des Ausbildens einer Separatorstruktur mittels eines additiven Verfahrens. Der Schritt des Ausbildens der Separatorstruktur weist Ausbilden einer Anzahl von Hohlräumen als Aufnahme für mindestens eine galvanische Zelle, die eine Anode und eine Kathode umfasst, Ausbilden einer Struktur aus leitfähigem Material zur elektrischen Verbindung der Anode und Kathode untereinander und zur Ankontaktierung der mindestens einen galvanischen Zelle von außen und Ausbilden eines Kanalsystems zum Ausbilden einer Kühlfluidströmung in dem bzw. durch den Separator auf. Dabei sind mindestens die Aufnahme für die mindestens eine galvanische Zelle und das Kanalsystem integral in dem Separator ausgebildet. Bei dem bereitgestellten Separator kann es sich insbesondere um den bereits zuvor beschriebenen Separator handeln.
  • Die Struktur aus leitfähigem Material kann durch Abscheiden eines elektrisch leitfähigen Material unmittelbar während des Herstellung des erfindungsgemäßen Separators erfolgen oder durch Platzieren/Einlegen vorgefertigter elektrisch leitfähiger Elemente an geeignete Positionen innerhalb der Separatorstruktur während ihrer Herstellung.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann das Kanalsystem durch Einlegen von Hohlformen in die Separatorstruktur ausgebildet werden. Die Hohlformen können einlagig oder zweilagig ausgebildet sein und während des additiven Herstellungsverfahrens an geeigneten Positionen in der „werdenden“ Separatorstruktur platziert werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann in dem Material des Separators bzw. der Separatorstruktur ein Material enthalten sein, welches zeitverzögert aushärtet, wodurch der Separator seine endgültige Festigkeit erlangt. Auf diesen Aspekt ist bereits im Details in Zusammenhang mit der Beschaffenheit des erfindungsgemäßen Separators eingegangen worden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann in dem Material der Separatorstruktur ein ausdampfbares Lösungsmittel enthalten sein. Wie bereits geschrieben kann im Falle einer nichtporösen Separatorstruktur durch Ausdampfen des Lösungsmittels in der Separatorstruktur eine Porosität ausgebildet werden.
  • Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle bereitgestellt, aufweisend Ausführen des Verfahrens zum Bereitstellen des erfindungsgemäßen Separators derart, dass beim Ausbilden der Separatorstruktur mittels des additiven Verfahrens das Material um die Anode und Kathode der mindestens einen galvanischen Zelle abgeschieden wird, welche anstelle der Hohlräume treten. In gleicher Weise wie die Separatorstruktur um die Elektroden der mindestens einen galvanischen Zelle gebildet wird, können bei Bedarf weitere zuvor beschriebene Komponenten zu geeigneten Zeitpunkten während des Herstellungsverfahrens des erfindungsgemäßen Separators in diesen platziert werden, um darin eingebettet zu werden. Folglich bezieht sich dieses Herstellungsverfahren der Batteriezelle auf den Fall, bei dem während der Herstellung des Separators seine funktionalen Elemente, etwa Elektroden, Stromschienen und Polanschlüsse sowie Hohlkörper zum Ausbilden des Kanalsystems, in die Separatorstruktur eingelegt werden.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Gesamtheit der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines funktionsintegrierten Separators.
  • In 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines funktionsintegrierten Separators 1 gezeigt. Hierbei ist nur ein Teilbereich des Separators 1 gezeigt, wobei zusätzlich zum Separator 1 zwei Elektroden 2, 3 - eine Anode 2 und eine Kathode 3 - einer galvanischen Zelle gezeigt sind. Die Figur veranschaulicht das Grundprinzip, nach dem eine entsprechende Batteriezelle auf Basis des erfindungsgemäßen Separators 1 aufgebaut werden kann. Die beiden Elektroden sind in den Separator 1 eingebettet. In dem Separatormaterial sind Werkstoffe/Materialien 4 enthalten, die irreversibel aushärten, wodurch der Separator 1 nach einer vorbestimmten Zeit seine mechanische Festigkeit in der finalen dreidimensionalen Endform erreicht.
  • Zusätzlich sind in dem Separator 1 Leitungen 5 für die Flüssigkühlung der Elektroden 2, 3 vorgesehen. Wie bereits beschrieben, können diese können durch Einlegen von entsprechenden ein- oder zweilagigen Hohlprofilen in die Struktur des Separators während seiner Herstellung gebildet werden. Ferner ist eine in dem Separator 1 eingebettete Stromschiene 6 dargestellt, welche. Mittels der Stromschiene 6 werden gleichnamige Pole der galvanischen Zellen innerhalb der Batteriezelle miteinander je nach gewünschter Auslegung in Reihe oder parallel verschaltet, die aufgrund ihrer Beschaffenheit in der Lage ist, größere Ströme zu übertragen.

Claims (11)

  1. Separator (1) zum räumlichen und elektrischen Trennen von Elektroden (2, 3) in einer Batteriezelle, wobei der Separator (1) aufweist: eine Aufnahme für mindestens eine galvanische Zelle, die eine Anode (2) und eine Kathode (3) umfasst; eine Struktur aus leitfähigem Material zur elektrischen Verbindung der Anode (2) und Kathode (3) untereinander und zur Ankontaktierung der mindestens einen galvanischen Zelle von außen; ein Kanalsystem (5) zum Ausbilden einer Kühlfluidströmung in dem Separator (1); wobei zumindest die Aufnahme für die mindestens eine galvanische Zelle und das Kanalsystem integral in dem Separator (1) ausgebildet sind.
  2. Separator (1) nach Anspruch 1, wobei in dem Separator ein Material enthalten ist, welches zeitverzögert aushärtet, wodurch der Separator (1) seine endgültige Festigkeit erlangt.
  3. Separator (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Separator (1) eine Porosität aufweist, die einen Ionentransport zulässt.
  4. Separator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Separator (1) ein ausdampfbares Lösungsmittel enthält.
  5. Separator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kanalsystem (5) durch in dem Separator (1) angeordnete Hohlformen ausgebildet ist.
  6. Batteriezelle, aufweisend: mindestens eine galvanische Zelle, die eine Anode (2) und eine Kathode (3) umfasst; wobei die mindestens eine galvanische Zelle in dem Separator (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 eingebettet ist, so dass mittels der Struktur aus leitfähigem Material die mindestens eine galvanische Zelle von außen ankontaktierbar ist und deren Anode (2) und Kathode (3) untereinander elektrisch verbunden sind und mittel des Kanalsystems (5) ein Kühlkreislauf realisiert ist.
  7. Verfahren zum Herstellen eines Separators (1), aufweisend: Ausbilden einer Separatorstruktur mittels eines additiven Verfahrens, aufweisend: Ausbilden einer Anzahl von Hohlräumen als Aufnahme für mindestens eine galvanische Zelle, die eine Anode (2) und eine Kathode (3) umfasst; Ausbilden eine Struktur aus leitfähigem Material zur elektrischen Verbindung der Anode und Kathode untereinander und zur Ankontaktierung der mindestens einen galvanischen Zelle von außen; Ausbilden eines Kanalsystems (5) zum Ausbilden einer Kühlfluidströmung in dem Separator (1); wobei mindestens die Aufnahme für die mindestens eine galvanische Zelle und das Kanalsystem (5) integral in dem Separator ausgebildet werden.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei das Kanalsystem (5) durch Einlegen von Hohlformen in die Separatorstruktur gebildet wird.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei in dem Material der Separatorstruktur ein Material enthalten ist, welches zeitverzögert aushärtet, wodurch der Separator (1) seine endgültige Festigkeit erlangt.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei in dem Material der Separatorstruktur ein ausdampfbares Lösungsmittel enthalten ist.
  11. Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle, aufweisend: Ausführen des Verfahrens zum Bereitstellen eines Separators (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9 derart, dass beim Ausbilden der Separatorstruktur mittels des additiven Verfahrens das Material um die Anode und Kathode der mindestens einen galvanischen Zelle abgeschieden wird, welche anstelle der Hohlräume treten.
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