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Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichers; insbesondere eines chemischen Energiespeichers oder eines Kondensators.
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Zylindrische Lithium-Ionen-Zellen nach dem Stand der Technik weisen einen Zellwickel (auch: Jelly Roll) auf, der in einem zylindrischen Gehäuse angeordnet ist. Üblicherweise wird der Zellwickel im Inneren des Gehäuses direkt über eine Schweißverbindung mit dem Gehäuse verbunden. Wenn das Gehäuse beispielsweise aus Stahl gefertigt ist, handelt es sich aufgrund der elektrochemischen Stabilität um die Anodenseite, welche am Boden des Gehäuses angeschweißt wird. Da die Kathode davon elektrisch isoliert werden muss, ist diese üblicherweise an der Deckelplatte angebunden. Die Deckelplatte wird vom restlichen Gehäuse elektrisch isoliert. Im Allgemeinen ist auf eine Ausführung zu achten, welche die elektrochemischen Potentiale berücksichtigt um Schädigungen zu vermeiden.
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Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichers anzugeben, das bei einfacher Herstellung zu einem möglichst betriebssicheren Energiespeicher führt.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche haben bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.
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Das Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichers, insbesondere einer Batteriezelle oder eines Kondensators, sieht zunächst vor, dass ein Gehäuse bereitgestellt wird. Das Gehäuse ist insbesondere aus Metall gefertigt. Das Gehäuse weist zumindest einen Boden auf. In diesem Boden befindet sich ein Loch. Das Loch im Boden ist insbesondere mittig angeordnet.
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Zusätzlich zu dem Boden kann das Gehäuse eine Mantelwandung aufweisen. Der Boden und die Mantelwandung sind vorzugsweise einteilig gefertigt. Vorzugsweise ist der Boden rund, so dass es sich bei dem Gehäuse um einen hohlzylindrischen Körper handelt.
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Des Weiteren wird im Rahmen des Verfahrens eine Zellwickelbaugruppe zumindest bereitgestellt; vorzugsweise wird diese Zellwickelbaugruppe auch im Rahmen des hier beschriebenen Verfahrens zumindest teilweise gefertigt. Die Zellwickelbaugruppe umfasst einen Zellwickel und ein Sammelelement. Der Zellwickel kann auch als „Jelly Roll“ bezeichnet werden. Insbesondere ist der Zellwickel zum Bilden einer Lithium-Ionen-Batteriezelle ausgebildet. Allerdings kann es sich auch um den Zellwickel eines sonstigen chemischen Energiespeichers oder eines Kondensators handeln.
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Das Sammelelement ist insbesondere elektrisch leitend, vorzugsweise aus Metall gefertigt. Das Sammelelement ist mit dem Zellwickel elektrisch leitend und fest verbunden. Insbesondere sind der Zellwickel und das Sammelelement miteinander verschweißt. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Zellwickel und das Sammelelement miteinander fest und elektrisch leitend verbunden sind, noch bevor die Zellwickelbaugruppe in das Gehäuse eingesetzt wird.
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Das Sammelelement umfasst neben einem Anschlussfortsatz vorzugsweise ein Sammelbauteil auf. Das Sammelbauteil ist vorzugsweise flach, z. B. scheibenförmig. Das Sammelbauteil liegt am Zellwickel an und ist fest mit dem Zellwickel verbunden. Das Sammelbauteil kann Aussparungen zur Verbesserung der Elektrolytdurchtränkung oder Sicken zur Vereinfachung der Spannsituation beim Schweißen aufweisen.
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Der Anschlussfortsatz kann in das Sammelbauteil eingesteckt sein, sodass der Anschlussfortsatz zusammen mit dem Sammelbauteil das Sammelelement bildet.
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In bevorzugter Ausführung ist jedoch vorgesehen, dass das gesamte Sammelelement einstückig gefertigt ist und somit der Anschlussfortsatz integraler Bestandteil des Sammelelements ist. Alternativ bevorzugt ist der Anschlussfortsatz stoffschlüssig mit dem Sammelbauteil verbunden; beispielweise mittels Reibschweißen.
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Im nächsten Verfahrensschritt erfolgt ein Einsetzen der Zellwickelbaugruppe in das Gehäuse. Wie erläutert, ist dabei das Sammelelement vorzugsweise bereits fest und elektrisch leitend mit dem Zellwickel verbunden. Das Gehäuse ist an einer dem Boden gegenüberliegenden Seite offen. Von dieser Seite aus wird die Zellwickelbaugruppe in das Gehäuse eingeschoben, so dass der Anschlussfortsatz in das Loch im Boden ragt und somit von außen zur Bildung eines Anschlussterminals zugänglich ist. Dabei kann es sich grundsätzlich um ein anodenseitiges oder kathodenseitiges Anschlussterminal des Energiespeichers handeln. Der Anschlussfortsatz kann auch solang ausgebildet sein, dass er durch das Loch nach außen ragt.
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Zwischen dem Boden und dem Sammelelement befindet sich eine thermoplastische Verbindungsschicht; vorzugsweise aus Kunststoff. Die Verbindungsschicht kann vor dem Einstecken der Zellbaugruppe am Gehäuse positioniert werden. Ferner kann die Verbindungsschicht vor dem Einstecken der Zellbaugruppe am Sammelelement positioniert werden. Da die Verbindungsschicht auch mehrteilig sein kann, ist es auch vorgesehen, einen Teil der Verbindungsschicht am Sammelelement zu positionieren und einen anderen Teil der Verbindungsschicht am Gehäuse zu positionieren.
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Nach dem Einstecken der Zellbaugruppe in das Gehäuse erfolgt ein stoffschlüssiges Verbinden der Zellwickelbaugruppe, insbesondere des Sammelelementes, mit dem Gehäuse. Hierzu wird die Verbindungsschicht zumindest partiell geschmolzen, sodass sie sich mit dem Sammelelement und dem Gehäuse stoffschlüssig verbindet. Der Wärmeeintrag erfolgt vorzugsweise indirekt über den Boden des Gehäuses von außen; insbesondere mittels eines Lasers. Vorzugsweise wird der Boden rund um das Loch mit einem Laser erwärmt.
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Im Rahmen der Erfindung wird die Verbindung zwischen Sammelelement und Zellwickel stoffschlüssig mit einem thermoplastischen Material erzeugt. Dadurch muss nicht, wie dies teilweise im Stand der Technik vorgesehen ist, durch den Boden des Gehäuses hindurch eine Schweißverbindung zwischen Sammelelement und Boden gesetzt werden. Darüber hinaus ergibt sich durch Verwendung der stoffschlüssigen Verbindung eine sehr schnell zu fertigende und betriebsfeste Verbindung zwischen Zellwickelbaugruppe und Gehäuse. Ferner wird, im Vergleich zu einer Schweißverbindung, weniger Wärmeeintrag benötigt und dadurch das Material weniger belastet. Der Anschlussfortsatz kann als Anschlussterminal - beispielsweise Pluspol oder Minuspol - genutzt werden und zentriert gleichzeitig den Zellwickel im Gehäuse.
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In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass beim Schmelzen der Verbindungsschicht ein Gegenhalter genutzt wird. Der Gegenhalter wird dabei von einer dem Boden gegenüberliegenden Seite in den hohlen Zellwickelkern eingeschoben. Dabei wird der Gegenhalter soweit eingeschoben, bis er an der Innenseite des Sammelelements anliegt. Daraufhin erfolgt, vorzugsweise von der Außenseite des Bodens, der Wärmeeintrag zum Schmelzen, wobei der Gegenhalter das Sammelelement gegen die Innenseite des Bodens drückt. Nach Abschluss des Schmelzens, wird der Gegenhalter wieder aus dem Zellwickelkern entfernt.
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Das Gehäuse, insbesondere der Boden, und das Sammelelement sind vorzugsweise aus elektrisch leitendem Material, insbesondere Metall, gefertigt. Die Verbindungsschicht ist insbesondere elektrisch isolierend und/oder dichtend ausgebildet. Insbesondere ist die Verbindungsschicht bezüglich gasförmiger und flüssiger Medien dichtend ausgebildet. Dementsprechend ist bevorzugt vorgesehen, dass die Verbindungsschicht dazu ausgebildet ist, nach dem Schmelzen das Sammelelement vom Boden elektrisch zu isolieren und/oder das Gehäuse zwischen Sammelelement und Boden abzudichten.
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Die Verbindungsschicht kann grundsätzlich einteilig gefertigt sein oder aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Verbindungsschicht, entweder in einteiliger oder in mehrteiliger Ausgestaltung, zumindest an folgenden Positionen angeordnet wird: Die Verbindungsschicht kann sich zwischen der Innenfläche des Bodens und dem Sammelelement befinden. Zusätzlich oder alternativ befindet sich die Verbindungsschicht im Loch radial um den Anschlussfortsatz herum.
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Die Zwischenschicht kann aus mehreren Materialien bestehen. Diese übernehmen ggf. verschiedene Funktionen wie z. B. mechanische Stabilisierung und Abdichtung und elektrische Isolierung. Die Materialien können sich radial aber auch im Axialaufbau unterscheiden.
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Die Bereiche des Sammelelements und/oder des Gehäuses, die mit der Verbindungsschicht kontaktieren, sind vorzugsweise entsprechend vorbehandelt, um eine gute stoffschlüssige Verbindung mit der thermoplastischen Verbindungsschicht einzugehen.
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Vorzugsweise wird das Sammelelement mit dem Zellwickel verschweißt, insbesondere mittels eines Lasers, um die Zellwickelbaugruppe bereitzustellen.
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Gemäß einer Ausführung wird nach dem stoffschlüssigen Verbinden des Sammelelements mit dem Boden ein Elektrolyt durch ein Einfüllloch im Sammelelement in das Innere des Gehäuses eingefüllt. Das Einfüllloch durchdringt vorzugsweise den Anschlussfortsatz.
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Vor dem Einfüllen wird die dem Boden gegenüberliegende Seite des Gehäuses vorzugsweise verschlossen, z.B. durch Aufsetzen eines Deckels und Crimpen mit dem Gehäuse. An dieser gegenüberliegenden Seite wird vorzugsweise ein weiteres Anschlussterminal ausgebildet.
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Das Einfüllloch kann vor oder erst nach dem stoffschlüssigen Verbinden des Sammelelements mit dem Boden im Sammelelement ausgebildet werden.
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Die Erfindung umfasst ferner einen Energiespeicher, ausgebildet als elektrochemische Batteriezelle oder (Super-)Kondensator. Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erläuterten vorteilhaften Ausgestaltungen und Unteransprüche finden entsprechend vorteilhafte Anwendung für den erfindungsgemäßen Energiespeicher. Der Energiespeicher ist vorzugsweise nach dem vorab beschriebenen Verfahren gefertigt. Der Energiespeicher umfasst ein Gehäuse mit einem Boden. Wie beschrieben, umfasst das Gehäuse vorzugsweise auch eine Mantelwandung. Im Boden befindet sich das Loch zum Einstecken des Anschlussfortsatzes.
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Der Energiespeicher weist die Zellwickelbaugruppe mit Zellwickel und Sammelelement auf, wobei das Sammelelement den Anschlussfortsatz aufweist der in das Loch im Boden ragt und somit von außen zur Bildung eines Anschlussterminals zugänglich ist. Dabei kann es sich grundsätzlich um ein anodenseitiges oder kathodenseitiges Anschlussterminal des Energiespeichers handeln. Der Anschlussfortsatz kann auch so lang ausgebildet sein, dass er durch das Loch nach außen ragt. Die thermoplastische Verbindungsschicht zwischen dem Sammelelement und dem Boden verbindet das Sammelelement mit dem Boden stoffschlüssig.
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Des Weiteren ist vorzugsweise die Verwendung des hier beschriebenen Energiespeichers in einem Fahrzeug vorgesehen. In dem Fahrzeug wird der Energiespeicher, insbesondere mit einer Vielzahl weiterer Energiespeicher, zur Energieversorgung des Antriebs verwendet. Bei dem Fahrzeug handelt es sich insbesondere um einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
- 1 den schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Energiespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
- 2 weitere optionale Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen des erfindungsgemäßen Energiespeichers gemäß dem Ausführungsbeispiel.
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Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichers 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel erläutert. Soweit nicht im Detail anders erwähnt, wird dabei stets auf alle Figuren Bezug genommen. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Energiespeicher 1 um eine elektrochemische Batteriezelle. Alternativ kann zum Beispiel auch ein (Super-) Kondensator den Energiespeicher 1 bilden.
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Der Energiespeicher 1 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 2 mit einem Boden 3 und einer sich daran anschließenden Mantelfläche 4. Auf der dem Boden gegenüberliegenden Seite wird das Gehäuse 2 durch einen Deckel 14 (siehe 2) geschlossen.
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Des Weiteren umfasst der Energiespeicher 1 eine Zellwickelbaugruppe. Diese Zellwickelbaugruppe umfasst einen Zellwickel 5. Der Zellwickel 5 weist einen Zellwickelkern 6 auf. Der Zellwickelkern 6 ist hohl, da der Zellwickel 5 auf eine Spindel gewickelt wurde, die nach Fertigstellung des Zellwickels 5 herausgezogen wurde. Alternativ kann die Spindel auch im Zellwickel 5 verbleiben, insbesondere wenn die Spindel hohl ist.
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Zusätzlich zum Zellwickel 5 umfasst die Zellwickelbaugruppe ein Sammelelement 7. Das Sammelelement 7 weist ein flaches Sammelbauteil 8 und einen Anschlussfortsatz 9 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Sammelelement 7 einteilig gefertigt.
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1 zeigt in der linken Darstellung, dass das Sammelbauteil 8 des Sammelelements 7 über eine Schweißverbindung, beispielweise mittels eines Lasers 10, mit dem Zellwickel 5 verbunden wird. Dadurch sind Sammelelement 7 und Zellwickel 5 fest und elektrisch leitend miteinander verbunden. Daraufhin wird eine thermoplastische Verbindungsschicht 12 am Sammelelement 7 positioniert und die Zellwickelbaugruppe in das Gehäuse 2 eingeschoben. Dadurch befindet sich die Verbindungsschicht 12 zwischen dem Boden 3 und dem Sammelelement 7 sowie rundum den Anschlussfortsatz 9.
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1 zeigt in den beiden rechten Darstellungen, dass die Zellwickelbaugruppe in das Gehäuse 2 eingesetzt ist. Dabei ragt der Anschlussfortsatz 9 in ein Loch im Boden 3 und bildet dadurch ein Anschlussterminal.
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Die rechte Darstellung in 1 verdeutlicht, dass in den hohlen Zellwickelkern 6 ein Gegenhalter 21 eingesetzt wird und ein Schmelzen der Verbindungsschicht 12 durch einen Wärmeeintrag, insbesondere mit einem Laser 10, über den Boden 3 zum Schmelzen der Verbindungsschicht 12 erfolgt.
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2 verdeutlicht in der linken Darstellung, dass die dem Boden 3 gegenüberliegende Seite mit einem Deckel 14 verschlossen wird. Diese gegenüberliegende Seite kann als weiteres Anschlussterminal 13 ausgebildet sein.
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Ferner zeigt 2, dass in dem Sammelelement 7 ein Einfüllloch 11 ausgebildet werden kann. Über das Einfüllloch 11 wir Elektrolyt in das Gehäuse 2 eingefüllt. Daraufhin erfolgt ein Verschließen des Einfülllochs 11 mit einem Verschluss 15; beispielweise durch Verschweißen des Verschlusses 15 mittels eines Lasers 10.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energiespeicher
- 2
- Gehäuse
- 3
- Boden
- 4
- Mantelfläche
- 5
- Zellwickel
- 6
- Zellwickelkern
- 7
- Sammelelement
- 8
- Sammelbauteil
- 9
- Anschlussfortsatz
- 10
- Laser
- 11
- Einfüllloch
- 12
- Verbindungsschicht
- 13
- weiteres Anschlussterminal
- 14
- Deckel
- 15
- Verschluss
- 21
- Gegenhalter
