DE102021112599A1 - Method for manufacturing a battery cell, forming device and battery cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Batteriezelle (1), zumindest umfassend ein Gehäuse (2) und darin angeordnet mindestens einen Stapel (3) aufeinander angeordneter Elektrodenfolien (4), wobei das Gehäuse (2) aus einem Folienmaterial (5) durch Faltung des Folienmaterials (5) hergestellt ist.The invention relates to a method and a device for producing a battery cell (1), at least comprising a housing (2) and arranged therein at least one stack (3) of electrode foils (4) arranged one on top of the other, the housing (2) being made of a foil material (5 ) is produced by folding the film material (5).
Description
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Batteriezelle.The invention relates to a battery cell and a method and a device for producing a battery cell.
Die Batteriezelle umfasst ein gasdicht ausgeführtes Gehäuse und darin angeordnet mindestens einen Stapel aufeinander angeordneter Elektrodenfolien. Das Gehäuse ist aus einem Folienmaterial durch Faltung des Folienmaterials hergestellt.The battery cell comprises a gas-tight housing and at least one stack of electrode foils arranged one on top of the other arranged therein. The housing is made of foil material by folding the foil material.
Eine Batteriezelle ist ein Stromspeicher, der z. B. in einem Kraftfahrzeug zum Speichern von elektrischer Energie eingesetzt wird. Insbesondere weist z. B. ein Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeuges auf, wobei die elektrische Maschine durch die in der Batteriezelle gespeicherte elektrische Energie antreibbar ist. In einer Batteriezelle sind Elektrodenfolien, also Anoden und Kathoden aufeinander gestapelt angeordnet, wobei unterschiedliche Elektrodenfolien durch Separatorfolien oder ein Separatormaterial voneinander getrennt angeordnet sind. Die Elektrodenfolien sind in einem Elektrolyt angeordnet. Es sind z. B. Batteriezellen mit flüssigen oder festen Elektrolyten (Feststoffbatterie) bekannt.A battery cell is an electricity storage device that B. is used in a motor vehicle for storing electrical energy. In particular, z. B. a motor vehicle has an electric machine for driving the motor vehicle, wherein the electric machine can be driven by the electrical energy stored in the battery cell. In a battery cell, electrode foils, ie anodes and cathodes, are arranged stacked on top of one another, with different electrode foils being arranged separated from one another by separator foils or a separator material. The electrode foils are arranged in an electrolyte. There are e.g. B. battery cells with liquid or solid electrolytes (solid battery) are known.
Ein Batteriemodul umfasst insbesondere eine Mehrzahl von Batteriezellen, die miteinander elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet und in einem Modulgehäuse angeordnet sind. Auch einzelne Batteriemodule können miteinander elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet werden. Eine Batterie umfasst ein Batteriemodul oder eine Mehrzahl von Batteriemodulen.A battery module includes, in particular, a plurality of battery cells which are electrically connected to one another in series or in parallel and are arranged in a module housing. Individual battery modules can also be electrically connected to one another in series or in parallel. A battery includes a battery module or a plurality of battery modules.
Batteriezellen können als sogenannte Pouchzellen (oder Taschenzellen) ausgeführt sein. Die Pouchzellen umfassen ein als Pouchfolie bezeichnetes Verbundmaterial als Folienmaterial für das Gehäuse. Das Verbundmaterial ist ein Kompositmaterial, insbesondere umfassend Aluminium und Kunststoff. Das Gehäuse kann durch mehrere Folienmaterialien gebildet sein, die aufeinander angeordnet werden und einen den Stapel umschließenden Gehäuseteil und einen von dem Gehäuseteil in der radialen Richtung nach außen abstehenden Randbereich ausbilden. Das Gehäuse kann auch durch ein einziges Folienmaterial ausgebildet sein, wobei das Gehäuse durch ein Falten des Folienmaterials gebildet wird. In diesem Fall ist zumindest an einer Seitenfläche des Zellengehäuses keine Siegelnaht zur Abdichtung des Randbereichs erforderlich. In den (übrigen) Randbereichen werden die aufeinanderliegenden Folienmaterialien miteinander gasdicht verbunden, insbesondere über eine Siegelnaht.Battery cells can be designed as so-called pouch cells (or pocket cells). The pouch cells include a composite material referred to as a pouch film as the film material for the housing. The composite material is a composite material, in particular comprising aluminum and plastic. The housing can be formed by a plurality of film materials which are arranged one on top of the other and form a housing part which encloses the stack and an edge region which protrudes outwards from the housing part in the radial direction. The housing can also be formed from a single foil material, with the housing being formed by folding the foil material. In this case, no sealing seam for sealing the edge area is required at least on one side surface of the cell housing. In the (remaining) edge areas, the film materials lying on top of one another are connected to one another in a gas-tight manner, in particular via a sealed seam.
Es kann die Anforderung bestehen, eine Batteriezelle zur Kühlung an ein Kühlelement bzw. eine Kühloberfläche anzubinden. Die Kühlung kann nicht über die Seitenflächen des Zellengehäuses erfolgen, an denen die Ableiter aus dem Zellengehäuse herausgeführt werden. Regelmäßig werden bei Pouchzellen die langen, schmalen Seitenflächen an Kühloberflächen angebunden. Die Anbindung erfolgt üblicherweise nur über die Seitenfläche, an der das Folienmaterial gefaltet wurde. An der anderen Seitenfläche liegt eine Siegelnaht vor. Die Wärmeleitung hin zur Kühloberfläche ist an dieser Seitenfläche infolge der Siegelnaht beeinträchtigt.There may be a requirement to connect a battery cell to a cooling element or a cooling surface for cooling. Cooling cannot take place via the side surfaces of the cell housing, where the conductors are led out of the cell housing. The long, narrow side surfaces of pouch cells are regularly connected to cooling surfaces. The connection usually only takes place via the side surface on which the foil material was folded. There is a sealed seam on the other side surface. The heat conduction towards the cooling surface is impaired on this side surface as a result of the sealing seam.
Bei Gehäusen, die aus einem Folienmaterial durch Falten des Folienmaterials gebildet sind, entstehen häufig Risse im Bereich der Faltung während der Zellatmung im Betrieb der Batteriezelle. Weiterhin ist die Tiefziehfähigkeit des Folienmaterials zumindest in benachbart zur Faltlinie vorliegenden Bereichen des Folienmaterials beeinträchtigt.In the case of housings that are formed from a foil material by folding the foil material, cracks often occur in the area of the fold during cell respiration during operation of the battery cell. Furthermore, the ability of the film material to be deep-drawn is impaired, at least in the areas of the film material that are adjacent to the fold line.
Aus der
Aus der
Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle vorgeschlagen werden, durch das ein Gehäuse der Batteriezelle aus einem einzigen Folienmaterial hergestellt wird. Dabei soll die Tiefziehfähigkeit des Folienmaterials verbessert und damit die Ausbildung von Rissen im Betrieb der Batteriezelle verhindert werdenThe object of the present invention is to at least partially solve the problems cited with reference to the prior art. In particular, a method for producing a battery cell is to be proposed, by which a housing of the battery cell is produced from a single film material. The deep-drawing ability of the film material is to be improved and the formation of cracks during operation of the battery cell is to be prevented
Zur Lösung dieser Aufgaben trägt ein Verfahren 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.A method with the features according to
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle vorgeschlagen. Die Batteriezelle umfasst zumindest ein Gehäuse und darin angeordnet mindestens einen Stapel aufeinander angeordneter Elektrodenfolien. Das Gehäuse ist aus einem Folienmaterial durch Faltung des Folienmaterials hergestellt. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen einer zumindest zweiteiligen Matrize mit zumindest einer ersten Ausnehmung in einem ersten Matrizenteil und einer beabstandet zur ersten Ausnehmung angeordneten zweiten Ausnehmung in einem zweiten Matrizenteil, der gegenüber dem ersten Matrizenteil klappbar ausgeführt ist;
- b) (Bereitstellen mindestens eines Folienmaterials und) Anordnen mindestens eines Folienmaterials auf der in einer Ausgangsposition vorliegenden Matrize und über den Ausnehmungen in einem Flächenabschnitt;
- c) erstes Umformen des Folienmaterials entlang einer gedachten Faltlinie mit einem Vorformstempel oder einer Vorformeinrichtung in einem Bereich, wobei die Faltlinie zwischen den Ausnehmungen verläuft; wobei der umgeformte Bereich des Folienmaterials ein Materialreservoir für die nachfolgende zweite Umformung des Folienmaterials bildet;
- d) (Bereitstellen eines Stempelwerkzeugs mit zu den Ausnehmungen korrespondierenden Stempelgeometrien und) zweites Umformen des Folienmaterials im Bereich der Ausnehmungen mit einem Stempelwerkzeug mit zu den Ausnehmungen korrespondierenden Stempelgeometrien, wobei während der zweiten Umformung das im Materialreservoir vorliegende Folienmaterial hin zu den Ausnehmungen verschoben wird;
- e) Anordnen des mindestens einen Stapels in dem Folienmaterial und Verschließen des Folienmaterials in einem Randbereich zur Ausbildung des Gehäuses und zur Fertigstellung der Batteriezelle.
- a) providing an at least two-part die with at least one first recess in a first die part and a second recess, spaced apart from the first recess, in a second die part which is designed to be foldable relative to the first die part;
- b) (providing at least one foil material and) arranging at least one foil material on the die present in a starting position and over the recesses in a surface section;
- c) first forming of the film material along an imaginary fold line with a preforming die or a preforming device in one area, the fold line running between the recesses; wherein the deformed area of the foil material forms a material reservoir for the subsequent second deformation of the foil material;
- d) (providing a stamping tool with stamping geometries corresponding to the recesses and) second forming of the foil material in the area of the recesses with a stamping tool with stamping geometries corresponding to the recesses, with the foil material present in the material reservoir being displaced towards the recesses during the second forming;
- e) arranging the at least one stack in the film material and sealing the film material in an edge area to form the housing and to complete the battery cell.
Die obige (nicht abschließende) Einteilung der Verfahrensschritte in a) bis e) soll vorrangig nur zur Unterscheidung dienen und keine Reihenfolge und/oder Abhängigkeit erzwingen. Auch die Häufigkeit der Verfahrensschritte kann variieren. Ebenso ist möglich, dass Verfahrensschritte einander zumindest teilweise zeitlich überlagern. Insbesondere werden die Schritte a) bis e) in der angeführten Reihenfolge durchgeführt.The above (non-exhaustive) division of the method steps into a) to e) is primarily intended to serve only as a distinction and does not impose any order and/or dependency. The frequency of the process steps can also vary. It is also possible for method steps to at least partially overlap one another in terms of time. In particular, steps a) to e) are carried out in the order listed.
In einer Batteriezelle sind insbesondere Elektrodenfolien, also Anoden und Kathoden, aufeinander gestapelt angeordnet, wobei unterschiedliche Elektrodenfolien durch Separatorfolien oder ein Separatormaterial voneinander getrennt angeordnet sind. Die Elektrodenfolien sind in einem Elektrolyt angeordnet. Es sind z. B. Batteriezellen mit flüssigen oder festen Elektrolyten (Feststoffbatterie) bekannt. Die Batteriezelle ist insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Die elektrische Kontaktierung der Batteriezelle erfolgt insbesondere über Ableiter, die innerhalb der Batteriezelle die Elektrodenfolien elektrisch leitend kontaktieren und sich über das Gehäuse, insbesondere über die Randbereiche, die durch die aufeinander gefalteten Folienmaterialien nach Schritt e) gebildet sind, nach außen erstrecken.In a battery cell, in particular, electrode foils, ie anodes and cathodes, are stacked one on top of the other, with different electrode foils being arranged separated from one another by separator foils or a separator material. The electrode foils are arranged in an electrolyte. There are e.g. B. battery cells with liquid or solid electrolytes (solid battery) are known. The battery cell is in particular a lithium-ion battery cell. The battery cell is electrically contacted in particular via conductors which make electrical contact with the electrode foils inside the battery cell and extend outwards via the housing, in particular via the edge regions which are formed by the foil materials folded on top of one another according to step e).
Insbesondere wird das Gehäuse nur durch ein einteilig ausgeführtes Folienmaterial gebildet. Das Folienmaterial wird im Rahmen des Verfahrens entlang einer Faltlinie, die sich insbesondere nur entlang einer Geraden erstreckt, gefaltet. Infolge der Faltung weist das Gehäuse an einer Seitenfläche des Gehäuses einen durch das durchgehende Folienmaterial gebildeten Randbereich auf, der keine weitere Abdichtungsmaßnahme erfordert. Die bei einem (im Wesentlichen) quaderförmigen Gehäuse sich entlang dreier Seitenflächen erstreckenden Randbereiche, die durch das infolge der Faltung aufeinander abgelegte Folienmaterial gebildet sind, werden insbesondere durch Siegelnähte gasdicht verschlossen.In particular, the housing is formed only by a one-piece foil material. In the context of the method, the film material is folded along a fold line which, in particular, only extends along a straight line. As a result of the folding, the housing has an edge region on a side surface of the housing that is formed by the continuous foil material and that does not require any further sealing measures. In the case of a (substantially) cuboid housing, the edge regions which extend along three side surfaces and are formed by the film material placed on top of one another as a result of the folding are sealed in a gas-tight manner, in particular by sealing seams.
Das Folienmaterial ist insbesondere eine Pouchfolie, bevorzugt ein als Kompositmaterial ausgeführtes Verbundmaterial, insbesondere umfassend Aluminium und Kunststoff.The foil material is in particular a pouch foil, preferably a composite material designed as a composite material, in particular comprising aluminum and plastic.
Gemäß Schritt a) erfolgt insbesondere ein Bereitstellen einer zumindest zweiteiligen Matrize mit zumindest einer ersten Ausnehmung in einem ersten Matrizenteil und einer beabstandet zur ersten Ausnehmung angeordneten zweiten Ausnehmung in einem zweiten Matrizenteil, der gegenüber dem ersten Matrizenteil klappbar ausgeführt ist. Mit den Ausnehmungen werden aus dem Folienmaterial insbesondere die Gehäusehälften ausgebildet, die durch das Falten des Folienmaterials zur Ausbildung des Gehäuses aufeinander angeordnet werden.According to step a), an at least two-part die is provided with at least one first recess in a first die part and a second recess arranged at a distance from the first recess in a second die part, which is designed to be foldable relative to the first die part. The housing halves, in particular, are formed from the film material with the recesses and are arranged one on top of the other by folding the film material to form the housing.
Gemäß Schritt b) erfolgt insbesondere ein Bereitstellen mindestens eines, bevorzugt genau eines einzigen, Folienmaterials und ein Anordnen des Folienmaterials auf der in einer Ausgangsposition vorliegenden Matrize und über den Ausnehmungen in einem Flächenabschnitt. Das mindestens eine Folienmaterial ist insbesondere eben ausgeführt. Insbesondere wird das Folienmaterial als Endlosmaterial bereitgestellt.According to step b), in particular at least one, preferably exactly one, film material is provided and the film material is arranged on the matrix present in a starting position and over the recesses in a surface section. The at least one film material is in particular designed to be flat. In particular, the film material is provided as an endless material.
Insbesondere erstreckt sich das Folienmaterial zumindest entlang einer parallel zur gedachten Faltlinie verlaufenden Kante des Flächenabschnitts über diesen Flächenabschnitt hinaus.In particular, the foil material extends beyond this surface section at least along an edge of the surface section running parallel to the imaginary fold line.
Die Matrize ist insbesondere auf einer Seite des Folienmaterials angeordnet.The die is arranged in particular on one side of the film material.
Gemäß Schritt c) erfolgt insbesondere ein erstes Umformen des Folienmaterials entlang einer gedachten Faltlinie mit einem Vorformstempel und/oder einer Vorformeinrichtung in einem Bereich, wobei die Faltlinie zwischen den Ausnehmungen verläuft. Der umgeformte Bereich des Folienmaterials bildet ein Materialreservoir für die nachfolgende zweite Umformung des Folienmaterials.According to step c), in particular, a first reshaping of the foil material takes place along an imaginary fold line with a preforming punch and/or a preforming device in an area, with the fold line running between the recesses. The deformed area of the foil material forms a material reservoir for the subsequent second deformation of the foil material.
Die zum jetzigen Zeitpunkt des Verfahrens nur gedachte (geplante, vorgegebene) und zeitlich erst später durch das Falten realisierte, Faltlinie erstreckt sich insbesondere ausschließlich entlang einer Geraden.The folding line that is only imaginary (planned, predetermined) at this point in time of the method and only realized later by folding extends in particular exclusively along a straight line.
Der Vorformstempel ist insbesondere zwischen den Ausnehmungen in der Matrize ausgebildet und gegenüber der Matrize beweglich ausgeführt. Mit dem Vorformstempel wird ein die Faltlinie umfassender Bereich umgeformt. Insbesondere erfolgt das erste Umformen ohne ein Strecken des Folienmaterials, also ohne eine Reduzierung der Materialstärke des Folienmaterials. Insbesondere wird eine Materialstärke des Folienmaterials im umgeformten Bereich infolge der ersten Umformung um höchstens 5 %, bevorzugt um höchstens 2 %, besonders bevorzugt um höchstens 1 % verringert. Insbesondere wird im Zuge der ersten Umformung Folienmaterial von außerhalb des Flächenabschnitts in diesen Flächenabschnitt nachgeführt.The preforming punch is formed in particular between the recesses in the die and is designed to be movable with respect to the die. An area encompassing the fold line is formed with the preforming die. In particular, the first forming takes place without stretching the foil material, ie without reducing the material thickness of the foil material. In particular, a material thickness of the foil material in the formed area is reduced by at most 5%, preferably by at most 2%, particularly preferably by at most 1%, as a result of the first forming. In particular, in the course of the first reshaping, film material is fed from outside the surface section into this surface section.
Insbesondere wird durch die erste Umformung eine sich zwischen den Ausnehmungen befindliche Erstreckung des, insbesondere vorher ebenen, Folienmaterials um mindestens 10 %, bevorzugt um mindestens 20 %, besonders bevorzugt um mindestens 30 %, verlängert.In particular, as a result of the first reshaping, an extension of the film material, which is in particular previously flat, located between the recesses is lengthened by at least 10%, preferably by at least 20%, particularly preferably by at least 30%.
Insbesondere ist auf der anderen Seite des Folienmaterials, also der Matrize gegenüberliegend, ein Blechhalter angeordnet, durch den das Folienmaterial in einer vorbestimmten Position auf der Matrize fixiert werden kann. Durch den Blechhalter wird allerdings insbesondere ermöglicht, dass das Folienmaterial während des ersten Umformens in den Flächenabschnitt nachgeführt werden kann. Insbesondere wird das Folienmaterial nur aus einer Richtung in den Flächenabschnitt nachgeführt, z. B. von einer außerhalb des Flächenabschnitts vorliegenden Bereitstellungsvorrichtung für das Folienmaterial, z. B. einer Rolle, auf der das Folienmaterial als Endlosmaterial gewickelt vorliegt. Damit können andere Bereiche des Folienmaterials durch den Blechhalter und die Matrize fixiert werden.In particular, a sheet metal holder is arranged on the other side of the foil material, ie opposite the die, by means of which the foil material can be fixed in a predetermined position on the die. However, the blank holder makes it possible, in particular, for the film material to be fed into the surface section during the first forming operation. In particular, the foil material is only fed into the surface section from one direction, e.g. B. from an outside of the surface portion available device for the film material, z. B. a roll on which the film material is wound as a continuous material. This allows other areas of the foil material to be fixed by the sheet metal holder and the die.
Der Vorformstempel verformt das Folienmaterial insbesondere hin zum Blechhalter.The preforming stamp deforms the foil material in particular towards the sheet metal holder.
Das erste Umformen kann insbesondere über eine Simulation im Vorfeld festgelegt werden und wird über den Blechhalter und den Vorformstempel gesteuert.The first forming can be determined in advance via a simulation and is controlled via the blank holder and the preforming punch.
Das erste Umformen kann alternativ zur Ausgestaltung mit dem Vorformstempel über Luftdruck oder eine elektromagnetische Pulstechnologie erfolgen.As an alternative to the design with the preforming die, the first forming can be carried out using air pressure or electromagnetic pulse technology.
Gemäß Schritt d) erfolgt insbesondere ein Bereitstellen eines Stempelwerkzeugs mit zu den Ausnehmungen korrespondierenden Stempelgeometrien. Mit dem Stempelwerkzeug erfolgt ein zweites Umformen des Folienmaterials im Bereich der Ausnehmungen, wobei während der zweiten Umformung das im Materialreservoir vorliegende Folienmaterial hin zu den Ausnehmungen verschoben wird.According to step d), in particular, a stamping tool is provided with stamping geometries that correspond to the recesses. A second reshaping of the film material in the region of the recesses takes place with the stamping tool, with the film material present in the material reservoir being displaced towards the recesses during the second reshaping.
Das Stempelwerkzeug ist insbesondere auf der gleichen Seite des Folienmaterials wie der Blechhalter angeordnet. Das Folienmaterial wird durch das Stempelwerkzeug hin zur Matrize umgeformt.In particular, the stamping tool is arranged on the same side of the foil material as the blank holder. The foil material is formed into the die by the stamping tool.
Infolge der Verschiebung des im Materialreservoir vorliegenden Folienmaterials wird die Tiefziehfähigkeit des Folienmaterials in entscheidender Weise verbessert. Eine Streckung des Folienmaterials im Bereich der Ausnehmungen kann so verringert werden. Insbesondere wird während des zweiten Umformens das Materialreservoir vollständig wieder aufgelöst, so dass die sich zwischen den Ausnehmungen befindliche Erstreckung des Folienmaterials wieder auf den unmittelbar vor der ersten Umformung vorliegenden Zustand zurückgeführt wird.As a result of the displacement of the film material present in the material reservoir, the ability of the film material to be deep-drawn is decisively improved. A stretching of the film material in the area of the recesses can be reduced in this way. In particular, during the second forming, the material reservoir is completely dissolved again, so that the extent of the foil material located between the recesses is returned to the state that was present immediately before the first forming.
Insbesondere wird das zwischen den Ausnehmungen vorliegende Folienmaterial zum Ende des Schrittes d), also wenn das Stempelwerkzeug seine Endposition in den Ausnehmungen erreicht hat, gestreckt. Insbesondere verringert sich durch die Streckung eine Materialstärke des Folienmaterials im Bereich der später erzeugten Faltlinie um mindestens 0,5 %, bevorzugt um mindestens 1 %.In particular, the film material present between the recesses is stretched at the end of step d), ie when the stamping tool has reached its end position in the recesses. In particular, the stretching reduces a material thickness of the film material in the area of the fold line that is produced later by at least 0.5%, preferably by at least 1%.
Insbesondere sind entlang der Ausnehmungen in der Matrize Heizelemente angeordnet, die das Folienmaterial für das zweite Umformen zumindest in Teilbereichen erwärmen können. Infolge der Erwärmung des Folienmaterials kann das Tiefziehen des Folienmaterials im Bereich der seitlichen Begrenzungen der Ausnehmungen verbessert und die Rissgefahr des Folienmaterials weiter verringert werden.In particular, heating elements are arranged along the recesses in the die, which can heat the foil material for the second forming at least in partial areas. As a result of the heating of the foil material, the deep-drawing of the foil material in the area of the lateral boundaries of the recesses can be improved and the risk of tearing of the foil material can be further reduced.
Gemäß Schritt e) erfolgt ein Anordnen des mindestens einen Stapels in dem Folienmaterial und ein Verschließen des Folienmaterials in einem Randbereich bzw. in allen Randbereichen (außer des durch die Faltung gebildeten Randbereichs) zur Ausbildung des Gehäuses und zur Fertigstellung der Batteriezelle.According to step e), the at least one stack is arranged in the foil material and the foil material is closed in an edge area or in all edge areas (except for the edge area formed by the fold) to form the housing and to complete the battery cell.
Insbesondere wird vor Schritt e) das Stempelwerkzeug aus den Ausnehmungen entfernt. Insbesondere wird auch der Blechhalter von der Matrize entfernt. Während Schritt e) erfolgt insbesondere nach Anordnen des mindestens einen Stapels ein Falten des Folienmaterials über die Faltlinie, so dass das Folienmaterial in den Randbereichen aufeinander abgelegt und ein abgeschlossenes Volumen des Gehäuse gebildet wird. Der Stapel wird insbesondere in den, infolge der zweiten Umformung gebildeten, den Ausnehmungen entsprechenden Bereichen des Folienmaterials angeordnet. Diese den Ausnehmungen entsprechend geformte Bereiche werden infolge des Faltens insbesondere fluchtend zueinander angeordnet, so dass durch das aufeinander gefaltete Folienmaterial ein Volumen zur Aufnahme zumindest des Stapels gebildet ist.In particular, before step e), the stamping tool is removed from the recesses. In particular, the blank holder is also removed from the die. During step e), in particular after the at least one stack has been arranged, the film material is folded over the fold line so that the film material is placed on top of one another in the edge regions and a closed volume of the housing is formed. The stack is arranged in particular in the areas of the foil material that are formed as a result of the second forming and correspond to the recesses. As a result of the folding, these areas shaped to correspond to the recesses are in particular arranged in alignment with one another, so that a volume for accommodating at least the stack is formed by the foil material folded on top of one another.
Insbesondere wird der Stapel über die Ableiter der Elektrodenfolien zu der Ausnehmung ausgerichtet, so dass eine Lage des Stapels gegenüber dem Folienmaterial fixiert ist. Die Ausrichtung kann über eine Positioniereinrichtung erfolgen, z. B. über Stabelemente, die in der Matrize angeordnet sind und zwischen denen die Ableiter während der Anordnung des Stapels in der Ausnehmung angeordnet werden.In particular, the stack is aligned with the recess via the conductors of the electrode foils, so that one layer of the stack is fixed relative to the foil material. The alignment can be done using a positioning device, e.g. B. via bar elements, which are arranged in the matrix and between which the conductors are arranged during the arrangement of the stack in the recess.
Insbesondere wird während Schritt c) eine für das Materialreservoir verwendete Folienmaterialmenge zumindest teilweise von außerhalb des Flächenabschnitts in den Flächenabschnitt nachgeführt. Insbesondere wird die für das Materialreservoir verwendete Folienmaterialmenge zu mindestens 95 % von außerhalb des Flächenabschnitts nachgeführt, bevorzugt zu mindestens 99 %, besonders bevorzugt zu mindestens 99,9 %. Damit ist eine Streckung des Folienmaterials im Rahmen der zweiten Umformung möglich, so dass für das Tiefziehen auch in den Bereichen der Ausnehmungen und im Bereich zwischen den Ausnehmungen eine ausreichende Materialstärke vorliegt und die Bildung von Rissen im Gehäuse bzw. im Folienmaterial während des späteren Betriebs der Batteriezelle ausgeschlossen werden kann.In particular, during step c) a quantity of film material used for the material reservoir is fed at least partially from outside the surface section into the surface section. In particular, at least 95% of the amount of film material used for the material reservoir is fed from outside the surface section, preferably at least 99%, particularly preferably at least 99.9%. This allows the foil material to be stretched during the second forming process, so that there is sufficient material thickness for the deep-drawing, even in the areas of the recesses and in the area between the recesses, and the formation of cracks in the housing or in the foil material during subsequent operation of the Battery cell can be excluded.
Insbesondere wird vor Schritt d), ggf. vor bzw. während Schritt c), ein Blechhalter bereitgestellt, der das Folienmaterial nach Schritt c) in einem Schritt x) in dem Flächenabschnitt fixiert. Insbesondere erfolgt die Fixierung des Folienmaterials nur in den Bereichen des Flächenabschnitts, die eine Nachführung des Folienmaterials in den Flächenabschnitt nicht behindern.In particular, before step d), possibly before or during step c), a sheet metal holder is provided, which fixes the film material in step c) in a step x) in the surface section. In particular, the film material is only fixed in the areas of the surface section that do not prevent the film material from being guided into the surface section.
Insbesondere wird das Folienmaterial zwischen den Schritten x) und d) beschnitten, so dass sich das Folienmaterial nur über den Flächenabschnitt erstreckt. Der Beschnitt erfolgt insbesondere durch eine erste Schneideinrichtung, die das zwischen der Matrize und dem Stempelwerkzeug angeordnete Folienmaterial von dem außerhalb des Flächenabschnitts angeordneten Folienmaterial abtrennt.In particular, the film material is trimmed between steps x) and d) so that the film material only extends over the surface section. The trimming takes place in particular by a first cutting device, which separates the foil material arranged between the die and the stamping tool from the foil material arranged outside of the surface section.
Die Abtrennung erfolgt z. B. über ein Absenken von Matrize und Stempelwerkzeug gegenüber der ersten Schneideinrichtung. Insbesondere werden infolge des Absenkens nun Matrizeneinsätze in Ausnehmungen der Matrize eingeführt, so dass innerhalb des Flächenabschnitts und außerhalb der Ausnehmungen und des Bereichs eine ebene Auflagefläche der Matrize für das Folienmaterial gewährleistet ist.The separation is z. B. by lowering the die and stamping tool in relation to the first cutting device. In particular, as a result of the lowering, die inserts are now inserted into recesses in the die, so that an even contact surface of the die for the foil material is ensured within the surface section and outside of the recesses and the region.
Insbesondere erfolgt während Schritt d) zusätzlich eine dritte Umformung bzw. ein drittes Umformen des Folienmaterials im Bereich der Faltlinie, in dem entlang der Faltlinie ein Biegeradius in das Folienmaterial eingeprägt wird. Das dritte Umformen erfolgt insbesondere mit dem Vorformstempel, der nun den durch das erste Umformen umgeformten Bereich weiter umformt. Das dritte Umformen erfolgt insbesondere vor dem zweiten Umformen, d. h. vor dem Umformen des Folienmaterials im Bereich der Ausnehmungen. Zur Ausbildung des Biegeradius wird das Stempelwerkzeug eingesetzt, dass insbesondere mit dem Vorformstempel zusammenwirkt. Insbesondere erfolgt das zweite Umformen zeitlich parallel zu dem dritten Umformen.In particular, during step d), a third reshaping or a third reshaping of the film material also takes place in the area of the fold line, in which a bending radius is stamped into the film material along the fold line. The third forming takes place in particular with the preforming punch, which now further forms the area formed by the first forming. The third forming takes place in particular before the second forming, i. H. before forming the foil material in the area of the recesses. To form the bending radius, the stamping tool is used, which interacts in particular with the preforming stamp. In particular, the second forming takes place at the same time as the third forming.
Insbesondere erfolgt das dritte Umformen erst dann, wenn infolge des zweiten Umformens das durch das erste Umformen gebildete Materialreservoir in dem Bereich zu mindestens zu 90 %, bevorzugt mindestens zu 95 %, besonders bevorzugt zu mindestens 99 %, aus dem Bereich und hin zu den Ausnehmungen verschoben wurde. Insbesondere werden das zweite Umformen und das dritte Umformen des Folienmaterials zeitgleich beendet.In particular, the third forming only takes place when, as a result of the second forming, the material reservoir formed by the first forming in the area is at least 90%, preferably at least 95%, particularly preferably at least 99%, out of the area and towards the recesses has been moved. In particular, the second forming and the third forming of the film material are completed at the same time.
Der Biegeradius beträgt insbesondere zwischen 0,5 Millimeter und 5 Millimeter, bevorzugt mindestens 1 Millimeter, besonders bevorzugt mindestens 2 Millimeter, bevorzugt höchstens 4 Millimeter, besonders bevorzugt höchstens 3 Millimeter.The bending radius is in particular between 0.5 millimeters and 5 millimeters, preferably at least 1 millimeter, particularly preferably at least 2 millimeters, preferably at most 4 millimeters, particularly preferably at most 3 millimeters.
Mit dem durch das dritte Umformen eingeprägten Biegeradius wird die Faltlinie definiert, so dass das Falten des Folienmaterials gemäß Schritt e) selbsttätig entlang der Faltlinie erfolgt.The fold line is defined by the bending radius impressed by the third forming, so that the folding of the foil material according to step e) takes place automatically along the fold line.
Insbesondere erfolgt während zumindest des zweiten Umformens ein endgültiges Beschneiden des Folienmaterials, so dass eine Endgeometrie der Randbereiche des Folienmaterials damit definiert wird. Das Beschneiden bzw. Abtrennen erfolgt insbesondere über eine zweite Schneideinrichtung, die in der Matrize und/oder dem Stempelwerkzeug ausgebildet ist. Das Abtrennen erfolgt insbesondere zeitlich parallel zum zweiten Umformen und bevorzugt unmittelbar nach der Beendigung des zweiten Umformens.In particular, a final trimming of the foil material takes place during at least the second forming, so that a final geometry of the edge regions of the foil material is thus defined. The trimming or separating takes place in particular via a second cutting device, which is formed in the die and/or the stamping tool. The separation takes place in particular at the same time as the second forming and preferably immediately after the end of the second forming.
Insbesondere wird in Schritt e) nach dem Anordnen des Stapels in der ersten Ausnehmung der zweite Matrizenteil auf den ersten Matrizenteil geklappt. Infolge der Klappbewegung wird das Folienmaterial entlang der Faltlinie gefaltet. Die Matrizenteile sind dazu über ein (Dreh-)Gelenk miteinander verbunden.In particular, in step e) after the stack has been arranged in the first recess, the second die part is folded onto the first die part. As a result of the folding movement, the film material is folded along the fold line. For this purpose, the matrix parts are connected to one another via a (pivoting) joint.
Während der Klappbewegung wird das Folienmaterial in der jeweiligen, insbesondere nur in der bewegten, Ausnehmung über ein Unterdruckanschluss fixiert. Mit dem Unterdruckanschluss wird zwischen Folienmaterial und Ausnehmung ein Unterdruck erzeugt, durch den das Folienmaterial in der Ausnehmung gehalten wird.During the folding movement, the foil material is fixed in the respective recess, in particular only in the moved recess, via a vacuum connection. With the vacuum connection, a vacuum is generated between the foil material and the recess, by which the foil material is held in the recess.
Insbesondere werden in einem Schritt y) das erste Matrizenteil und das zweite Matrizenteil zusammen mit dem gefalteten Folienmaterial und dem Stapel in eine Siegelposition verschwenkt und in der Siegelposition der Randbereich des Folienmaterials versiegelt. Die Matrizeneinsätze werden insbesondere nicht mit verschwenkt, so dass diese Bereiche der Matrize und über diese Bereiche der Matrize die Randbereiche des Folienmaterials nun für ein Siegelwerkzeug zugänglich sind.In particular, in a step y), the first matrix part and the second matrix part are pivoted together with the folded film material and the stack into a sealing position and the edge region of the film material is sealed in the sealing position. In particular, the die inserts are not pivoted as well, so that these areas of the die and, via these areas of the die, the edge areas of the foil material are now accessible for a sealing tool.
Insbesondere werden nach Schritt y) die Matrizenteile in die Ausgangsposition zurückgeschwenkt und die Batteriezelle wird aus der Matrize entnommen.In particular, after step y), the matrix parts are pivoted back into the starting position and the battery cell is removed from the matrix.
Insbesondere wird das Folienmaterial während des Umformens und bis zum Versiegeln gemäß Schritt y) in den Matrizenteilen gehalten bzw. bleibt darin angeordnet, so dass eine hohe Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit der Maßhaltigkeit realisiert werden kann.In particular, the foil material is held or remains arranged in the die parts during the forming and up to the sealing according to step y), so that a high level of dimensional accuracy and reproducibility of the dimensional accuracy can be achieved.
Es wird weiter eine Umformvorrichtung zur Herstellung eines Gehäuses einer Batteriezelle vorgeschlagen, wobei die Umformvorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignet ausgeführt ist. Die Umformvorrichtung umfasst zumindest
- • eine zumindest zweiteilige Matrize mit zumindest einer ersten Ausnehmung in einem ersten Matrizenteil und einer beabstandet zur ersten Ausnehmung angeordneten zweiten Ausnehmung in einem zweiten Matrizenteil, der gegenüber dem ersten Matrizenteil klappbar ausgeführt ist;
- • einen Vorformstempel oder eine Vorformeinrichtung sowie
- • ein Stempelwerkzeug mit zu den Ausnehmungen korrespondierenden Stempelgeometrien.
- • an at least two-part die with at least one first recess in a first die part and a second recess, spaced apart from the first recess, in a second die part, which is designed to be foldable relative to the first die part;
- • a preforming punch or a preforming device as well as
- • a stamping tool with stamping geometries corresponding to the recesses.
Die Umformvorrichtung umfasst insbesondere ein Steuergerät, dass zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ausgestattet, konfiguriert oder programmiert ist.In particular, the forming device includes a control unit that is equipped, configured or programmed to carry out the described method.
Es wird weiter eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest aufweisend ein gasdicht ausgeführtes und durch das beschriebene Verfahren hergestelltes Gehäuse und darin angeordnet mindestens einen Stapel aufeinander angeordneter Elektrodenfolien. Das Gehäuse ist durch ein Folienmaterial gebildet, das entlang einer Seitenfläche des Gehäuses eine Faltlinie aufweist.A battery cell is also proposed, at least having a gas-tight housing produced by the method described and at least one stack of electrode foils arranged one on top of the other arranged therein. The case is formed by a sheet material having a fold line along a side face of the case.
Das Gehäuse ist insbesondere durch ein einziges Folienmaterial ausgebildet, wobei das Gehäuse durch ein Falten des Folienmaterials gebildet wird.The housing is in particular formed by a single film material, the housing being formed by folding the film material.
Bei dem Gehäuse ist zumindest an einer Seitenfläche des Gehäuses keine Siegelnaht zur Abdichtung des Randbereichs erforderlich. In den (übrigen) Randbereichen werden die aufeinanderliegenden Folienmaterialien miteinander gasdicht verbunden, insbesondere über eine Siegelnaht.In the case of the housing, no sealing seam is required to seal off the edge region, at least on one side surface of the housing. In the (remaining) edge areas, the film materials lying on top of one another are connected to one another in a gas-tight manner, in particular via a sealed seam.
Es wird weiter eine Batteriezellenanordnung vorgeschlagen, zumindest umfassend die beschriebene Batteriezelle oder die durch das beschriebene Verfahren hergestellte Batteriezelle sowie eine Kühloberfläche, wobei die Batteriezelle über den Randbereich (ohne Siegelnaht) an der Kühloberfläche angeordnet bzw. wärmeleitend in Kontakt ist. Insbesondere umfasst die Batteriezellenanordnung eine Mehrzahl von Batteriezellen.A battery cell arrangement is also proposed, at least comprising the battery cell described or the battery cell produced by the method described and a cooling surface, the battery cell being arranged on the cooling surface via the edge region (without a sealing seam) or being in thermally conductive contact. In particular, the battery cell arrangement includes a plurality of battery cells.
Die Kühloberfläche ist insbesondere ein Festkörper, der bevorzugt auf einer von der Kühloberfläche abgewandten Seite von einem Kühlfluid, z. B. einer Flüssigkeit oder einem Gas, beaufschlagt oder durchströmt wird.The cooling surface is in particular a solid, which is preferably on a side facing away from the cooling surface of a cooling fluid, z. B. a liquid or a gas, is applied or flows through.
Insbesondere wird im Betrieb der Batteriezelle Wärme aus der Batteriezelle über die Kühloberfläche an eine Umgebung abgeführt. Selbstverständlich ist eine Temperierung der Batteriezelle über die Kühloberfläche auch möglich, d. h. auch eine zumindest zeitweise erfolgende Erwärmung der Batteriezelle, d. h. eine Wärmeleitung von der Kühloberfläche hin zu der Batteriezelle.In particular, during operation of the battery cell, heat is dissipated from the battery cell to an environment via the cooling surface. Of course, temperature control of the battery cell via the cooling surface is also possible, i. H. also an at least temporary heating of the battery cell, d. H. a heat conduction from the cooling surface towards the battery cell.
Insbesondere wird die Batteriezellenanordnung in einem Kraftfahrzeug eingesetzt bzw. verwendet, insbesondere zur Bereitstellung elektrischer Energie für einen Traktionsantrieb.In particular, the battery cell arrangement is used in a motor vehicle, in particular to provide electrical energy for a traction drive.
Die Ausführungen zu dem Verfahren sind insbesondere auf die Umformvorrichtung und/oder die Batteriezelle bzw. die Batteriezellenanordnung übertragbar und umgekehrt.The explanations regarding the method can be transferred in particular to the forming device and/or the battery cell or the battery cell arrangement and vice versa.
Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.The use of indefinite articles (“a”, “an”, “an” and “an”), particularly in the claims and the description reflecting them, is to be understood as such and not as a numeral. Correspondingly introduced terms or components are to be understood in such a way that they are present at least once and in particular can also be present several times.
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. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.As a precaution, it should be noted that the numerals used here (“first”, “second”, ...) primarily (only) serve to distinguish between several similar objects, sizes or processes, i.e. in particular no dependency and/or sequence of these objects, sizes or make processes mandatory for each other. Should a dependency and/or order be necessary, this is explicitly stated here or it is obvious to the person skilled in the art when studying the specifically described embodiment. If a component can occur several times (“at least one”), the description of one of these components can apply equally to all or part of the majority of these components, but this is not mandatory.
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 Umformvorrichtung gemäß Schritt b) des Verfahrens in einer Seitenansicht im Schnitt; -
2 : dieUmformvorrichtung nach 1 gemäß Schritt c) des Verfahrens in einer Seitenansicht im Schnitt; -
3 : dieUmformvorrichtung nach 1 und2 gemäß Schritt c) des Verfahrens in einer Seitenansicht im Schnitt; -
4 : dieUmformvorrichtung nach 1 bis 3 gemäß Schritt d) des Verfahrens in einer Seitenansicht im Schnitt; -
5 : dieUmformvorrichtung nach 1 bis 4 während Schritt d) des Verfahrens in einer Seitenansicht im Schnitt; -
6 : dieUmformvorrichtung nach 1 bis 5 am Ende des Schrittes d) des Verfahrens in einer Seitenansicht im Schnitt; -
7 : dieUmformvorrichtung nach 1 bis 6 während Schritt e) des Verfahrens in einer Seitenansicht im Schnitt; -
8 : dieUmformvorrichtung nach 1 bis 6 während Schritt e) des Verfahrens in einer Seitenansicht im Schnitt; -
9 : dieUmformvorrichtung nach 1 bis 8 während Schritt e) des Verfahrens und nachfolgend zu8 in einer Seitenansicht im Schnitt; -
10 : dieUmformvorrichtung nach 1 bis 9 während Schritt e) des Verfahrens und nachfolgend zu9 in einer Seitenansicht im Schnitt; -
11 : dieUmformvorrichtung nach 1 bis 10 während Schritt e) des Verfahrens und nachfolgend zu10 in einer Seitenansicht im Schnitt; -
12 : dieUmformvorrichtung nach 1 bis 11 während Schritt e) des Verfahrens und nachfolgend zu11 in einer Seitenansicht im Schnitt; und -
13 : dieUmformvorrichtung nach 1 bis 12 während Schritt e) des Verfahrens und nachfolgend zu12 in einer Seitenansicht im Schnitt.
-
1 : a forming device according to step b) of the method in a side view in section; -
2 : the forming device after1 according to step c) of the method in a side view in section; -
3 : the forming device after1 and2 according to step c) of the method in a side view in section; -
4 : the forming device after1 until3 according to step d) of the method in a side view in section; -
5 : the forming device after1 until4 during step d) of the method in a side view in section; -
6 : the forming device after1 until5 at the end of step d) of the method in a side view in section; -
7 : the forming device after1 until6 during step e) of the method in a side view in section; -
8th : the forming device after1 until6 during step e) of the method in a side view in section; -
9 : the forming device after1 until8th during step e) of the method and subsequently to8th in a side view in section; -
10 : the forming device after1 until9 during step e) of the method and subsequently to9 in a side view in section; -
11 : the forming device after1 until10 during step e) of the method and subsequently to10 in a side view in section; -
12 : the forming device after1 until11 during step e) of the method and subsequently to11 in a side view in section; and -
13 : the forming device after1 until12 during step e) of the method and subsequently to12 in a side view in section.
Die
Die Umformvorrichtung 34 umfasst eine zumindest zweiteilige Matrize 6 mit einer ersten Ausnehmung 7 in einem ersten Matrizenteil 8 und einer beabstandet zur ersten Ausnehmung 7 angeordneten zweiten Ausnehmung 9 in einem zweiten Matrizenteil 10, der gegenüber dem ersten Matrizenteil 8 klappbar ausgeführt ist, einen Vorformstempel 14 sowie ein Stempelwerkzeug 16 mit zu den Ausnehmungen 7, 9 korrespondierenden Stempelgeometrien.The forming
Die insbesondere durch das Verfahren herstellbare Batteriezelle 1 umfasst ein Gehäuse 2 und darin angeordnet einen Stapel 3 aufeinander angeordneter Elektrodenfolien 4 (siehe
Gemäß Schritt a) erfolgt ein Bereitstellen der zweiteiligen Matrize 6. Mit den Ausnehmungen 7, 9 werden aus dem Folienmaterial 5 die Gehäusehälften ausgebildet, die durch das Falten des Folienmaterials 5 zur Ausbildung des Gehäuses 2 aufeinander angeordnet werden.According to step a), the two-
Gemäß Schritt b) erfolgt ein Bereitstellen eines einzigen Folienmaterials 5 und ein Anordnen des Folienmaterials 5 auf der in einer Ausgangsposition 11 vorliegenden Matrize 6 und über den Ausnehmungen 7, 9 in einem Flächenabschnitt 12. Das Folienmaterial 5 ist eben ausgeführt. Das Folienmaterial 5 wird als Endlosmaterial bereitgestellt.According to step b), a
Das Folienmaterial 5 erstreckt sich entlang einer parallel zur gedachten Faltlinie 13 verlaufenden Kante des Flächenabschnitts 12 über diesen Flächenabschnitt 12 hinaus. Die Matrize 6 ist auf einer Seite des Folienmaterials 5 angeordnet.The
Gemäß Schritt c) erfolgt ein erstes Umformen des Folienmaterials 5 entlang einer gedachten Faltlinie 13 mit einem Vorformstempel 14 in einem Bereich 15, wobei die Faltlinie 13 zwischen den Ausnehmungen 7, 9 verläuft. Der umgeformte Bereich 15 des Folienmaterials 5 bildet ein Materialreservoir für die nachfolgende zweite Umformung des Folienmaterials 5. Die, zum jetzigen Zeitpunkt des Verfahrens nur gedachte und zeitlich erst später durch das Falten realisierte, Faltlinie 13 erstreckt sich ausschließlich entlang einer Geraden.According to step c), a first reshaping of the
Der Vorformstempel 14 ist zwischen den Ausnehmungen 7, 9 in der Matrize 6 ausgebildet und gegenüber der Matrize 6 beweglich ausgeführt. Mit dem Vorformstempel 14 wird ein die Faltlinie 13 umfassender Bereich 15 umgeformt. Das erste Umformen erfolgt ohne ein Strecken des Folienmaterials 5, also ohne eine Reduzierung der Materialstärke des Folienmaterials 5. Im Zuge der ersten Umformung wird Folienmaterial 5 von außerhalb des Flächenabschnitts 12 in diesen Flächenabschnitt 12 nachgeführt. Durch die erste Umformung wird eine sich zwischen den Ausnehmungen 7, 9 befindliche Erstreckung 33 des, insbesondere vorher ebenen, Folienmaterials 5 um mindestens 30 % verlängert.The preforming
Auf der anderen Seite des Folienmaterials 5, also der Matrize 6 gegenüberliegend, ist ein Blechhalter 18 angeordnet, durch den das Folienmaterial 5 in einer vorbestimmten Position auf der Matrize 6 fixiert werden kann. Durch den Blechhalter 18 wird allerdings ermöglicht, dass das Folienmaterial 5 während des ersten Umformens in den Flächenabschnitt 12 nachgeführt werden kann. Das Folienmaterial 5 wird nur aus einer Richtung in den Flächenabschnitt 12 nachgeführt, von einer außerhalb des Flächenabschnitts 12 vorliegenden Bereitstellungsvorrichtung 23 für das Folienmaterial 5, hier einer Rolle, auf der das Folienmaterial 5 als Endlosmaterial gewickelt vorliegt. Damit können andere Bereiche des Folienmaterials 5 durch den Blechhalter 18 und die Matrize 6 fixiert werden. Der Vorformstempel 14 verformt das Folienmaterial 5 hin zum Blechhalter 18.On the other side of the
Während Schritt c) wird eine für das Materialreservoir verwendete Folienmaterialmenge von außerhalb des Flächenabschnitts 12 in den Flächenabschnitt 12 nachgeführt. Damit ist eine Streckung des Folienmaterials 5 im Rahmen der zweiten Umformung möglich, wobei für das Tiefziehen in diesem Bereich eine ausreichende Materialstärke vorliegt und die Bildung von Rissen im Gehäuse 2 bzw. im Folienmaterial 5 während des späteren Betriebs der Batteriezelle 1 ausgeschlossen werden kann.During step c), a quantity of film material used for the material reservoir is fed into the
Der Blechhalter 18 wird vor Schritt d) und unmittelbar vor Schritt c) bereitgestellt. Der Blechhalter 18 fixiert das Folienmaterial 5 nach Schritt c) in einem Schritt x) in dem Flächenabschnitt 12. Dabei erfolgt die Fixierung des Folienmaterials 5 nur in den Bereichen des Flächenabschnitts 12, die eine Nachführung des Folienmaterials 5 in den Flächenabschnitt 12 nicht behindern.The
Das Folienmaterial 5 wird zwischen den Schritten x) und d) beschnitten, so dass sich das Folienmaterial 5 nur über den Flächenabschnitt 12 erstreckt. Der Beschnitt erfolgt durch eine erste Schneideinrichtung 22, die das zwischen der Matrize 6 und dem Stempelwerkzeug 16 angeordnete Folienmaterial 5 von dem außerhalb des Flächenabschnitts 12 angeordneten Folienmaterial 5 abtrennt.The
Die Abtrennung erfolgt z. B. über ein Absenken von Matrize 6 und Stempelwerkzeug 16 gegenüber der ersten Schneideinrichtung 22. Infolge des Absenkens werden Matrizeneinsätze 26 in Ausnehmungen der Matrize 5 eingeführt, so dass innerhalb des Flächenabschnitts 12 und außerhalb der Ausnehmungen und des Bereichs 15 eine ebene Auflagefläche der Matrize 6 für das Folienmaterial 5 gewährleistet ist.The separation is z. B. by lowering the
Die Matrize 6 und der Vorformstempel 14 sind über unterschiedliche Federn 25 beweglich gelagert, so dass eine voneinander unabhängige Bewegung von Matrize 6 und Vorformstempel 14 realisierbar ist.The
Gemäß Schritt d) erfolgt ein Bereitstellen eines Stempelwerkzeugs 16 mit zu den Ausnehmungen 7, 9 korrespondierenden Stempelgeometrien. Mit dem Stempelwerkzeug 16 erfolgt ein zweites Umformen des Folienmaterials 5 im Bereich der Ausnehmungen 7, 9, wobei während der zweiten Umformung das im Materialreservoir vorliegende Folienmaterial 5 hin zu den Ausnehmungen 7, 9 verschoben wird.According to step d), a
Das Stempelwerkzeug 16 ist auf der gleichen Seite des Folienmaterials 5 wie der Blechhalter 18 angeordnet. Das Folienmaterial 5 wird durch das Stempelwerkzeug 16 hin zur Matrize 6 umgeformt.The
Infolge der Verschiebung des im Materialreservoir vorliegenden Folienmaterials 5 wird die Tiefziehfähigkeit des Folienmaterials 5 in entscheidender Weise verbessert. Eine Streckung des Folienmaterials 5 im Bereich der Ausnehmungen 7, 9 kann so verringert werden. Während des zweiten Umformens wird das Materialreservoir vollständig wieder aufgelöst (siehe
Entlang der Ausnehmungen 7, 9 sind in der Matrize 6 Heizelemente 24 angeordnet, die das Folienmaterial 5 für das zweite Umformen zumindest in Teilbereichen erwärmen können. Infolge der Erwärmung des Folienmaterials 5 kann das Tiefziehen des Folienmaterials 5 im Bereich der seitlichen Begrenzungen der Ausnehmungen 7, 9 verbessert und die Rissgefahr des Folienmaterials 5 weiter verringert werden.Arranged along the
Während Schritt d) erfolgt zusätzlich eine dritte Umformung bzw. ein drittes Umformen des Folienmaterials 5 im Bereich der Faltlinie 13, in dem entlang der Faltlinie 13 ein Biegeradius 19 in das Folienmaterial 5 eingeprägt wird. Das dritte Umformen erfolgt mit dem Vorformstempel 14, der nun den durch das erste Umformen umgeformten Bereich weiter umformt. Das dritte Umformen erfolgt vor dem zweiten Umformen, d. h. vor dem Umformen des Folienmaterials 5 im Bereich der Ausnehmungen 7, 9. Zur Ausbildung des Biegeradius 19 wird das Stempelwerkzeug 16 eingesetzt, dass mit dem Vorformstempel 14 zusammenwirkt.During step d), a third reshaping or a third reshaping of the
Das zweite Umformen erfolgt zeitlich parallel zu dem dritten Umformen. Das dritte Umformen erfolgt erst dann, wenn infolge des zweiten Umformens das durch das erste Umformen gebildete Materialreservoir in dem Bereich 15 zu mindestens zu 99 % aus dem Bereich 15 und hin zu den Ausnehmungen 7, 9 verschoben wurde. Das zweite Umformen und das dritte Umformen des Folienmaterials 5 werden zeitgleich beendet. Mit dem durch das dritte Umformen eingeprägten Biegeradius 19 wird die Faltlinie 13 definiert, so dass das Falten des Folienmaterials 5 gemäß Schritt e) selbsttätig entlang der Faltlinie 13 erfolgt.The second forming takes place at the same time as the third forming. The third forming only takes place when, as a result of the second forming, the material reservoir formed by the first forming in the
Während des zweiten Umformens erfolgt ein endgültiges Beschneiden des Folienmaterials 5, so dass eine Endgeometrie der Randbereiche 17 des Folienmaterials 5 damit definiert wird. Das Beschneiden bzw. Abtrennen erfolgt über eine zweite Schneideinrichtung 28, die in der Matrize 6 und dem Stempelwerkzeug 16 ausgebildet ist. Das Abtrennen erfolgt zeitlich parallel zum zweiten Umformen.During the second forming, the
Vor Schritt e) wird das Stempelwerkzeug 16 aus den Ausnehmungen 7, 9 entfernt. Auch der Blechhalter 18 wird von der Matrize 6 entfernt.Before step e), the stamping
Gemäß Schritt e) erfolgt ein Anordnen des Stapels 3 in dem Folienmaterial 5 und ein Verschließen des Folienmaterials 5 in allen Randbereichen 17 (außer des durch die Faltung gebildeten Randbereichs 17) zur Ausbildung des Gehäuses 2 und zur Fertigstellung der Batteriezelle 1.According to step e), the
In Schritt e) wird nach dem Anordnen des Stapels 3 in der ersten Ausnehmung 7 der zweite Matrizenteil 10 auf den ersten Matrizenteil 8 geklappt. Infolge der Klappbewegung wird das Folienmaterial 5 entlang der Faltlinie 13 gefaltet. Die Matrizenteile 8, 10 sind dazu über ein (Dreh-)Gelenk 31 miteinander verbunden. Während der Klappbewegung wird das Folienmaterial 5 in der zweiten Ausnehmung 9 über einen Unterdruckanschluss 27 fixiert.In step e), after the
Während Schritt e) erfolgt nach Anordnen des Stapels 3 ein Falten des Folienmaterials 5 über die Faltlinie 13, so dass das Folienmaterial 5 in den Randbereichen 17 aufeinander abgelegt und ein abgeschlossenes Volumen des Gehäuse 2 gebildet wird. Der Stapel 3 wird in den, infolge der zweiten Umformung gebildeten, den Ausnehmungen 7, 9 entsprechenden Bereichen des Folienmaterials 5 angeordnet. Diese den Ausnehmungen 7, 9 entsprechend geformte Bereiche werden infolge des Faltens fluchtend zueinander angeordnet, so dass durch das aufeinander gefaltete Folienmaterial 5 ein Volumen zur Aufnahme des Stapels 3 gebildet ist.During step e), after the
Der Stapel 3 wird über die Ableiter 30 der Elektrodenfolien 4 zu der ersten Ausnehmung 7 ausgerichtet, so dass eine Lage des Stapels 3 gegenüber dem Folienmaterial 5 und gegenüber der Matrize 6 fixiert ist. Die Ausrichtung erfolgt über eine Positioniereinrichtung 29 mit Stabelementen, die in der Matrize 6 angeordnet sind und zwischen denen die Ableiter 30 während der Anordnung des Stapels 3 in der ersten Ausnehmung 7 angeordnet werden.The
Das erste Matrizenteil 8 und das zweite Matrizenteil 10 werden zusammen mit dem gefalteten Folienmaterial 5 und dem Stapel 3 in einem Schritt y) in eine Siegelposition 20 verschwenkt und in der Siegelposition 20 der Randbereich 17 des Folienmaterials 5 versiegelt. Die Matrizeneinsätze 26 werden nicht mit verschwenkt, so dass diese Bereiche der Matrize 6 und über diese Bereiche der Matrize 6 die Randbereiche 17 des Folienmaterials 5 nun für ein Siegelwerkzeug 32 zugänglich sind.The
Nach Schritt y) werden die Matrizenteile 8, 10 in die Ausgangsposition 11 zurückgeschwenkt und die Batteriezelle 1 wird aus der Matrize 6 entnommen. Das Gehäuse 2 ist durch ein Folienmaterial 5 gebildet, das entlang einer Seitenfläche 21 des Gehäuses 2 eine Faltlinie 13 aufweist. Eine Siegelnaht liegt dort nicht vor bzw. ist dort nicht erforderlich.After step y), the
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Batteriezellebattery cell
- 22
- GehäuseHousing
- 33
- Stapelstack
- 44
- Elektrodenfolieelectrode foil
- 55
- Folienmaterialfoil material
- 66
- Matrizedie
- 77
- erste Ausnehmungfirst recess
- 88th
- erster Matrizenteilfirst matrix part
- 99
- zweite Ausnehmungsecond recess
- 1010
- zweiter Matrizenteilsecond matrix part
- 1111
- Ausgangspositionstarting position
- 1212
- Flächenabschnittarea section
- 1313
- Faltliniefold line
- 1414
- Vorformstempelpreform punch
- 1515
- Bereicharea
- 1616
- Stempelwerkzeugstamp tool
- 1717
- Randbereichedge area
- 1818
- Blechhaltersheet metal holder
- 1919
- Biegeradiusbend radius
- 2020
- Siegelpositionseal position
- 2121
- Seitenflächeside face
- 2222
- erste Schneideinrichtungfirst cutter
- 2323
- Bereitstellungsvorrichtungdeployment device
- 2424
- Heizelementheating element
- 2525
- FederFeather
- 2626
- Matrizeneinsatzdie insert
- 2727
- Unterdruckanschlussvacuum connection
- 2828
- zweite Schneideinrichtungsecond cutter
- 2929
- Positioniereinrichtungpositioning device
- 3030
- Ableiterarrester
- 3131
- Gelenkjoint
- 3232
- Siegelwerkzeugsealing tool
- 3333
- Erstreckungextent
- 3434
- Umformvorrichtungforming device
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- WO 2012/022448 A1 [0008]WO 2012/022448 A1 [0008]
- EP 3611775 A1 [0009]EP 3611775 A1 [0009]
- DE 102018104554 A1 [0010]DE 102018104554 A1 [0010]
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---|---|---|---|
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DE102021112599.5A DE102021112599A1 (en) | 2021-05-14 | 2021-05-14 | Method for manufacturing a battery cell, forming device and battery cell |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102021112599A1 true DE102021112599A1 (en) | 2022-11-17 |
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ID=83806536
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-
2021
- 2021-05-14 DE DE102021112599.5A patent/DE102021112599A1/en active Pending
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