DE102021113874A1

DE102021113874A1 - Zellgehäuse für eine Batteriezelle, eine Batteriezelle und ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle

Info

Publication number: DE102021113874A1
Application number: DE102021113874.4A
Authority: DE
Inventors: Florian Kopp; Rüdiger Daub; Frederik Morgenstern; Seokyoon Yoo; Kevin Gallagher; Franz Fuchs; Martin Hiller
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2022-12-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, aufweisend:
Ein Zellgehäuse gemäß einem der vorherigen Ansprüche;
zumindest eine Elektrode einer ersten elektrischen Polung und zumindest eine Elektrode einer zweiten, zur ersten Polung entgegengesetzten elektrischen Polung, wobei die Elektroden verschiedener Polung voneinander durch zumindest einen Separator voneinander separiert sind; und
eine zwischen der Abschlussplatte und den Elektroden angeordnete elektrisch leitende und von dem Hohlzylinder elektrisch isolierte Zwischenplatte;
wobei:
die Elektroden der ersten Polung mit dem Hohlzylinder elektrisch verbunden sind;
die Elektroden der zweiten Polung mit der Zwischenplatte elektrisch verbunden sind und die Abschlussplatte von dem Hohlzylinder elektrisch isoliert ist;
die Abschlussplatte eine Öffnung aufweist;
wobei der Halbhohlniet und die Zwischenplatte elektrisch verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zellgehäuse für eine Batteriezelle, eine Batteriezelle und ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle.
Auf dem Gebiet der Batteriezellen sind insbesondere zylindrische, prismatische und pouch-förmige Lithium-Ionen Batteriezellen bekannt.
Bei zylindrischen Batteriezellen kann beispielsweise die elektrische Leistung dadurch von außen abgegriffen werden, dass die Elektroden einer Polung mit einem elektrisch leitenden Zellgehäuse elektrisch verbunden sind und die Elektroden der anderen Polung mit einem elektrisch leitenden Bauteil elektrisch verbunden sind, das in einer Öffnung eines Deckels des Zellgehäuses angeordnet ist, und von außerhalb des Zellgehäuses elektrisch kontaktiert werden kann, wobei das elektrische Bauteil zu dem Zellgehäuse elektrisch isoliert ist. Um eine elektrische und zugleich mechanische Verbindung zwischen dem elektrisch leitenden Bauteil und den Elektroden der anderen Polung herzustellen kann oftmals ein Schweiß-Vorgang erforderlich sein, welcher aufgrund der erforderlichen Materialdicke des Bauteils von außerhalb des Zellgehäuses nicht ohne Weiteres ausgeführt werden kann. Einen Schweißvorgang so auszuführen, dass der dazu verwendete Schweißkopf dazu in das Innere des Gehäuses eingeführt wird, ist aufgrund des begrenzten zur Verfügung stehenden Bauraums regelmäßig ebenfalls mit Schwierigkeiten verbunden. Zudem können beim Schweißen innerhalb des Zellgehäuses Schmutzpartikel anfallen, welche zu einem späteren Zeitpunkt zu einer Beschädigung der Funktionalität der Batteriezelle, im schlimmsten Fall zu einem Kurzschluss, führen können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein, insbesondere im Hinblick auf eine vereinfachte Herstellbarkeit, verbessertes Zellgehäuse bereitzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Zellgehäuse aufweisend:
Ein elektrisch leitender Hohlzylinder;
eine den Hohlzylinder auf einer seiner Stirnseiten abschließende, elektrisch leitende Abschlussplatte mit einer Öffnung;
ein Halbhohlniet, welcher in der Öffnung angeordnet ist, und im genieteten Zustand eine formschlüssige Verbindung mit der Abschlussplatte ausbildet, wobei der Halbhohlniet zur Abschlussplatte elektrisch isoliert ist. Bevorzugt weist der Halbhohlniet Aluminium auf.
Der Halbhohlniet kann mit Elektroden einer Polung, welche innerhalb des Gehäuses angeordnet werden, elektrisch verbunden werden, um diese Polung am Halbhohlniet von außerhalb des Zellgehäuses her abgreifbar zu machen. Diese elektrische Verbindung kann mittels eines Schweißvorgangs hergestellt werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Schweißkopf des Schweißgeräts außerhalb des Zellgehäuses angeordnet ist. Durch die Verwendung eines Halbhohlniets ist die Materialdicke, welche die von dem Schweißgerät gelieferte Schweißwärme durchdringen muss, um die Schweißung zu bewirken, geringer als beispielsweise bei einem Niet, welcher im vernieteten Zustand keine Vertiefung (insbesondere keinen Halbhohlraum) aufweist. Das hier vorgestellte Zellgehäuse kann zudem mit dem Halbholniet vorgefertigt werden, so dass bei einer Fertigung einer Batteriezelle der Halbhohlniet bereits bei einem Zellgehäuse-Hersteller an dem Zellgehäuse montiert werden kann. Das Zellgehäuse kann somit separat auf seine Dichtigkeit, insbesondere gegenüber Flüssigkeiten und Gasen, bereits vor Verbau hin geprüft werden. Darüber hinaus kann durch die Prüfung des separaten Zellgehäuses vermieden werden, dass eine Batteriezelle, bei der bereits die Elektroden im Zellgehäuse montiert sind, und bei der durch die Prüfung festgestellt wird, dass eine Undichtigkeit im Zellgehäuse vorliegt, aussortiert oder repariert werden müsste. Eine Aussortierung bzw. eine Reparatur eines Zellgehäuses, bei dem noch keine Elektroden montiert sind, kann mit einem geringeren Aufwand und geringeren Kosten verbunden sein, da hier nicht die gesamte Batteriezelle, welche die Elektroden bzw. einen Elektroden-Wickel aufweisen kann, aussortiert werden muss.
Die hierein gegebenenfalls verwendeten Begriffe „umfasst“, „beinhaltet“, „schließt ein“, „weist auf“, „hat“, „mit“, oder jede andere Variante davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. So ist beispielsweise ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst oder aufweist, nicht notwendigerweise auf diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente einschließen, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder die einem solchen Verfahren oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind.
Ferner bezieht sich „oder“, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, auf ein inklusives oder und nicht auf ein exklusives „oder“. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch eine der folgenden Bedingungen erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden).
Die Begriffe „ein“ oder „eine“, wie sie hier verwendet werden, sind im Sinne von „ein/eine oder mehrere“ definiert. Die Begriffe „ein anderer“ und „ein weiterer“ sowie jede andere Variante davon sind im Sinne von „zumindest ein Weiterer“ zu verstehen.
Unter „elektrischer Leitfähigkeit“ ist im Sinne der Erfindung insbesondere eine physikalische Größe zu verstehen, die angibt, wie stark die Fähigkeit eines Stoffes ist, den elektrischen Strom zu leiten. Unter „elektrisch leitfähig“ im Sinne der Erfindung ist demnach insbesondere eine elektrische Leitfähigkeit zu verstehen, die (bei 25 °C) mindestens 106 S/m beträgt, also zumindest der Leitfähigkeit von Metallen entspricht.
Unter „elektrischer Isolation“ ist im Sinne der Erfindung insbesondere eine physikalische Größe zu verstehen, die angibt, wie stark die Fähigkeit eines Stoffes ist, welcher zwischen zwei jeweils mit elektrischem Strom durchflossenen Bauteilen angeordnet ist, einen Stromfluss zwischen diesen mit elektrischem Strom durchflossenen Bauteilen zu verringern oder zu verhindern.
Unter „Schweißen“ ist im Sinne der Erfindung insbesondere das Vereinigen von artgleichen Werkstoffen (z.B. Metalle, Kunststoffe, Glas) unter Anwendung von Wärme in einem örtlich begrenzten Bereich, der Schweißzone, im flüssigen bzw. angeschmolzenen Zustand, insbesondere ohne Zusatzwerkstoff zu verstehen.
Unter „Nieten“ ist im Sinne der Erfindung insbesondere ein Fügeverfahren zu verstehen, bei dem ein Hilfsfügeteil, insbesondere eine Niete, an einem Verbindungsloch bzw. einer Öffnung plastisch umgeformt wird.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des Zellgehäuses beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist der Halbhohlniet so in der Öffnung der Abschlussplatte angeordnet, dass die Vertiefung des Halbhohlniets zum Inneren des Zellgehäuses hin gerichtet ist. Dadurch kann ein entsprechend geformtes Gegenstück, welches in die Vertiefung hineingeführt werden kann, von innerhalb des Zellgehäuses mit dem außerhalb des Zellgehäuses angeordneten Kopf des Halbhohlniets in Kontakt gebracht werden. Mittels eines Schweißgeräts kann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Gegenstück und dem Kopf hergestellt werden, wobei die Wärmequelle des Schweißgeräts nur die Dicke des Kopfs überbrücken muss, um an der Kontaktstelle zwischen dem Abschlussteil und dem Gegenstück eine Schweißverbindung herzustellen.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist der Halbhohlniet so in der Öffnung der Abschlussplatte angeordnet, dass die Vertiefung des Halbhohlniets zum Zelläußeren hin gerichtet ist. Dabei ist der Kopf des Halbhohlniets, welcher bevorzugt eine ebene Fläche aufweist, innerhalb des Zellgehäuses angeordnet, und kann mit einem entsprechend ebenen elektrisch leitenden Gegenstück eine Schweißverbindung eingehen. Entsprechend kann das Gegenstück einfach geformt sein, beispielsweise mit einer ebenen Oberfläche, mit welcher der Kopf eine elektrische und stoffschlüssige Verbindung eingehen kann.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Batteriezelle, aufweisend:

(i) Ein Zellgehäuse gemäß einem der vorherigen Ansprüche; (ii) zumindest eine Elektrode einer ersten elektrischen Polung und zumindest eine Elektrode einer zweiten, zur ersten Polung entgegengesetzten elektrischen Polung, wobei die Elektroden verschiedener Polung voneinander durch zumindest einen Separator voneinander separiert sind; und (iii) eine zwischen der Abschlussplatte und den Elektroden angeordnete elektrisch leitende und von dem Hohlzylinder elektrisch isolierte Zwischenplatte. Dabei sind die Elektroden der ersten Polung mit dem Hohlzylinder elektrisch verbunden. Die Elektroden der zweiten Polung sind mit der Zwischenplatte elektrisch verbunden und die Abschlussplatte ist von dem Hohlzylinder elektrisch isoliert. Der Halbhohlniet und die Zwischenplatte sind elektrisch miteinander verbunden.

Der Halbhohlniet ist mit den Elektroden der zweiten Polung durch die elektrisch leitende Zwischenplatte elektrisch verbunden. Dabei kann die elektrische Verbindung zwischen dem Halbhohlniet und der elektrisch leitenden Zwischenplatte mittels eines Schweißvorgangs hergestellt werden, wobei ein Schweißkopf eines Schweißgeräts außerhalb des Zellgehäuses angeordnet ist. Durch die Verwendung eines Halbhohlniets ist die Materialdicke, welche die von dem Schweißgerät gelieferte Schweißwärme durchdringen muss, um die Schweißung zu bewirken, geringer als beispielsweise bei einem Niet, welcher im vernieteten Zustand keine Vertiefung, insbesondere keinen Halbhohlraum, aufweist. Dadurch, dass der Schweißkopf außerhalb des Zellgehäuses angeordnet ist, können Schutzpartikel im Zellgehäuse, die während des Schweißvorgangs entstehen können, vermieden werden.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Batteriezelle beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist der Halbhohlniet so in der Öffnung der Abschlussplatte angeordnet, dass die Vertiefung des Halbhohlniets zum Inneren des Zellgehäuses hin gerichtet ist, wobei die Zwischenplatte einen Vorsprung aufweist, welcher in die Vertiefung des Halbhohlniets hinein ragt und mit dem Kopf des Halbhohlniets elektrisch und stoffschlüssig verbunden ist. Der Kopf des Halbhohlniets ist auf der zum Zelläußeren hin gerichteten Seite der Abschlussplatte angeordnet. Dadurch ist der Kopf von außerhalb des Zellgehäuses durch ein Schweißgerät einfach zugänglich. Für die Herstellung einer Schweißverbindung zwischen der zum Zellinneren gerichteten Fläche des Kopfes und des Vorsprungs wäre es lediglich erforderlich, dass die Wärmequelle für den Schweißvorgang die Materialdicke des Kopfes des Halbhohlniets durchdringt.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist der Halbhohlniet so in der Öffnung der Abschlussplatte angeordnet, dass die Vertiefung des Halbhohlniets zum Zelläußeren hin gerichtet ist, wobei die Zwischenplatte einen Vorsprung aufweist, welcher auf der von dem Halbhohlniet wegzeigenden Seite der Zwischenplatte angeordnet ist, und die andere Seite der Zwischenplatte mit dem Halbhohlniet elektrisch verbunden ist. Dabei ist der Kopf des Halbhohlniets, welcher bevorzugt eine ebene Fläche aufweist, innerhalb des Zellgehäuses angeordnet, und kann mit einem entsprechenden Gegenstück eine Schweißverbindung eingehen. Das Gegenstück kann einfach geformt sein, beispielsweise mit einer ebenen Oberfläche, mit welcher der Kopf eine elektrische und stoffschlüssige Verbindung eingehen kann.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist die elektrische Isolation zwischen dem Halbhohlniet und der Abschlussplatte mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung ausgebildet. Eine elektrisch isolierende Beschichtung kann vorteilhaft sein, da über das Material und die Dicke der Beschichtung der Grad der elektrischen Isolation vorbestimmt werden kann.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, aufweisend die Verfahrensschritte:

Bereitstellen eines Zellgehäuses aufweisend einen elektrisch leitenden Hohlzylinder, welcher auf einer seiner Stirnseiten eine abschließende elektrische leitende Abschlussplatte aufweist;
Vernieten eines in der Öffnung angeordneten Halbhohlniets zu einer formschlüssigen Verbindung mit der Abschlussplatte, wobei zwischen dem Halbhohlniet und der Abschlussplatte ein elektrisch isolierendes Element angeordnet wird;
Anordnen von zumindest einer Elektrode einer ersten elektrischen Polung und zumindest einer Elektrode einer zweiten, zur ersten Polung entgegengesetzten elektrischen Polung im Zellgehäuse, wobei die Elektroden verschiedener Polung voneinander durch zumindest einen Separator voneinander separiert sind oder werden; Herstellen einer elektrischen Verbindung der Elektroden der ersten Polung mit dem Hohlzylinder;
Anordnen einer elektrisch leitenden Zwischenplatte im Zellgehäuse zwischen der Abschlussplatte und den Elektroden, und wobei die Zwischenplatte mit den Elektroden der zweiten Polung elektrisch verbunden wird, und zum Hohlzylinder elektrisch isoliert wird;

Herstellen einer elektrischen und stoffschlüssigen Verbindung des Halbhohlniets mit der elektrisch leitenden Zwischenplatte durch einen Schweißvorgang, wobei das Schweißgerät außerhalb des Zellgehäuses angeordnet ist, und eine Übertragung der Schweißenergie wenigstens teilweise durch den Halbhohlniet hindurch erfolgt.
Dadurch, dass das Schweißgerät außerhalb des Zellgehäuses angeordnet ist, werden mögliche Verunreinigung, welche durch den Schweißvorgang erzeugt werden können, verringert oder vermieden. Verunreinigungen können beispielsweise elektrisch leitende Partikel von dem Vorsprung der Zwischenplatte oder dem Halbhohlniet sein.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Batteriezelle beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
Gemäß einigen Ausführungsformen erfolgt der Schweißvorgang unter Verwendung von Laser-Schweißen oder Ultraschall-Schweißen. Das Laser-Schweißen hat den Vorteil, dass der Energieeintrag in den Halbhohlniet lokal begrenzt ist, und dadurch geringgehalten werden kann. Zudem kann Laser-Schweißen ohne Zusatzwerkstoff durchgeführt werden. Dies ist gerade für die vorliegende Erfindung vorteilhaft, die Schweißverbindung innerhalb des Zellgehäuses ausgebildet wird, und vermieden werden soll, dass unerwünschte Materialpartikel in das Zellgehäuse gelangen. Auch beim Ultraschall-Schweißen erfolgt an die zu verschweißenden Materialien ein geringer lokal begrenzter Wärmeeintrag. Ebenso kann Ultraschall-Schweißen ohne Zusatzwerkstoff durchgeführt werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen erfolgt das Vernieten des Halbhohlniets unter Verwendung von Spin-Nieten oder Schlagnieten. Spin-Nieten hat den Vorteil, dass die verbleibende Materialdicke des Kopfes der Halbhohlniete aufgrund des kontinuierlichen Nietvorgangs gesteuert werden kann. Das Verfahren des Schlagnietens ist insbesondere aufgrund seine kurzen Prozesszeit vorteilhaft.
Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung erläuterten Merkmale und Vorteile gelten entsprechend auch für die weiteren Aspekte der Erfindung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
Dabei zeigt:

1A schematisch einen Ausschnitt eines Zellgehäuses gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einem Halbhohlniet zur Vernietung mit einer ersten Methode.
1B schematisch einen Ausschnitt eines Zellgehäuses gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einem Halbhohlniet zur Vernietung mit einer zweiten Methode.
1C schematisch einen Ausschnitt eines Zellgehäuses gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einem Halbhohlniet zur Vernietung mit einer dritten Methode.
1D schematisch eine Abschlussplatte in der Draufsicht.
2A schematisch einen Ausschnitt einer Batteriezelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einem Elektroden-Wickel ein einer ersten Position.
2B schematisch einen Ausschnitt einer Batteriezelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einem Elektroden-Wickel ein einer zweiten Position.
3 schematisch einen Ausschnitt eines Zellgehäuses gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem Halbhohlniet zur Vernietung.
4A schematisch einen Ausschnitt einer Batteriezelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem Elektroden-Wickel ein einer ersten Position.
4B schematisch einen Ausschnitt einer Batteriezelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem Elektroden-Wickel ein einer zweiten Position.

In den Figuren werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechenden Elemente der Erfindung verwendet.
1A-1C zeigen gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels schematisch einen Ausschnitt eines Zellgehäuses 100 für eine Batteriezelle 200 mit einem elektrisch leitenden Hohlzylinder 105, wobei auf einer seiner Stirnseiten eine Abschlussplatte 110 mit einer kreisförmigen Öffnung 130 angeordnet ist, die in der Flächenmitte der Abschlussplatte 110 angeordnet ist, siehe hierzu auch 1D.
In den 1A-1C sind jeweils unterschiedliche Methoden für die Vernietung von entsprechend einem ersten 140, einem zweiten 145 und einem dritten 150 Halbhohlniet, welche sich vor der Vernietung unterscheiden, in der Öffnung 130 dargestellt. Die Halbhohlniete 140, 145, 150 weisen jeweils eine Vertiefung 160 auf. Gemäß dieses ersten Ausführungsbeispiels werden die Halbhohlniete 140, 145, 150 in der Öffnung 130 jeweils so angeordnet, dass deren Vertiefung 160 jeweils in das Innere des Zellgehäuses gerichtet ist (im Gegensatz zum zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3, 4A und 4B). Das Zellgehäuse 100 hat einen kreisförmigen Querschnitt. Die Abschlussplatte 110 ist kreisförmig ausgebildet, es ist aber auch eine Abschlussplatte 110 mit einer Ellipsenform denkbar, insbesondere wenn der Querschnitt des Zellgehäuses 100 eine Ellipsenform aufweist, Im Bereich der Öffnung 130 ist eine elektrisch isolierende Beschichtung 120 angeordnet. Die elektrisch isolierende Beschichtung 120 ist auf beiden Seiten der Abschlussplatte 110 angeordnet, und zusätzlich am Innenrand der Öffnung 130. Als vorbereitender Schritt zur Vernietung wird in der Öffnung 120 ein Halbhohlniet 140, 145, 150 angeordnet. Dieser Halbhohlniet 140, 145, 150 wird in einem Nietvorgang mit der Abschlussplatte 110 und der elektrisch isolierenden Beschichtung 120 formschlüssig vernietet.
In 1A ist der erste Halbhohlniet 140 in der Öffnung 130 angeordnet. Dieser weist auf einer Seite eine Vertiefung 160 auf, welche zum Inneren des Zellgehäuses hin 100 geöffnet ist. Der erste Halbhohlniet 140 weist auf einer Seite einen gerundeten Kopf, einer Halbkugel ähnlich, welcher über die elektrisch isolierende Beschichtung der Abschlussplatte hinausragt, auf. Der in das Innere des Zellgehäuses 100 hineinragende erste Halbhohlniet 140 weist im Endbereich einen abgewinkelten Bereich auf, der auf der elektrisch isolierenden Beschichtung 120 der Abschlussplatte 110, die zum Zellinneren zeigt, auf. Während des Nietvorgangs wird der gerundete Kopf des Halbhohlniets 140 durch ein erstes Vernietungswerkzeug 165 durch Schlagnieten in Richtung der Abschlussplatte geschlagen bzw. gepresst, so dass ein ebener Kopf des Halbhohlniets auf der elektrisch isolierenden Beschichtung 120 ausgebildet wird.
Dabei wird von der gegenüberliegenden Seite vom Inneren des Zellgehäuses her ein erstes Vernietungsgegenstück 170 gegen den ersten Halbhohlniet 140 gerichtet, welches der Krafteinwirkung durch das Schlagen bzw. Pressen des Halbhohlniets von außerhalb des Gehäuses entgegenwirkt. Das erste Vernietungsgegenstück 170 weist einen Hauptkörper mit einem zylinderförmigen Endstück auf, welches in die Vertiefung des ersten Halbhohlniets 140 hineinragt, wobei der Hauptkörper gleichzeitig vom Inneren des Zellgehäuses 100 an dem abgewinkelten Bereich des Halbhohlniets 140 anliegt, so dass einer Krafteinwirkung auf den ersten Halbhohlniet 140 von außerhalb des Zellgehäuses 100 entgegengewirkt werden kann.
In 1B ist der zweite Halbhohlniet 145 in der Öffnung 130 angeordnet. Dieser weist auf einer Seite eine Vertiefung 160 auf und weist auf der gegenüberliegenden Seite einen eben geformten Kopf auf, der auf der elektrisch isolierenden Beschichtung aufliegt, die auf der Abschlussplatte 110 auf der Seite, die von dem Zellgehäuse 100 weg zeigt, angeordnet ist. Die Vertiefung 160 ragt in das Innere des Zellgehäuses 100 hinein. Der in das Innere des Zellgehäuses 100 hineinragende zweite Halbhohlniet 145 weist einen überschüssigen Teil auf, welcher im Nietvorgang in Richtung des Randbereichs der Öffnung 130 an die elektrisch isolierende Beschichtung 120 gepresst wird. Hierzu wird ein zweites Vernietungswerkzeug 175 verwendet, welches an einem Ende einen Querschnitt aufweist, welcher höchstens den Querschnitt der Vertiefung 160 aufweist, so dass das zweite Vernietungswerkzeug 175 in die Vertiefung 160 hineingeführt werden kann. In der Richtung, welche von der Vertiefung weg zeigt, vergrößert sich der Querschnitt des zweiten Vertiefungswerkzeugs 170 kontinuierlich. Dies hat die Wirkung, dass bei einer Hineinführung des zweiten Vernietungswerkzeugs 175 in die Vertiefung 160, eine Kraft in der Bewegungsrichtung zugleich radial nach außen auf den überschüssigen Teil des zweiten Halbhohlniets 145 wirkt, so dass dieser überschüssige Teil radial nach außen und zugleich in Richtung der Abschlussplatte 110 gedrückt bzw. gepresst wird. Diese Kraftwirkung wird durch ein zweites Vernietungsgegenstück 180 unterstützt, welches von außerhalb des Zellgehäuses 100 in entgegengesetzter Richtung zur Bewegung des zweiten Vernietungswerkzeugs 175 auf den ebenen Kopf des zweiten Halbhohlniets 145 drückt. Dadurch wird ein abgewinkelter Endbereich des Halbhohlniets 145 im Inneren des Zellengehäuses 100 ausgebildet, welcher gegen die elektrisch isolierende Beschichtung 120 gedrückt wird, so dass eine formschlüssige Verbindung zwischen dem zweiten Halbhohlniet 145, der Abschlussplatte 110 und der elektrisch isolierenden Beschichtung 120 ausgebildet wird.
In 1C ist der dritte Halbhohlniet 150 in der Öffnung 130 angeordnet. Dieser weist auf einer Seite eine Vertiefung 160 auf und weist auf der gegenüberliegenden Seite einen eben geformten Kopf in Richtung außerhalb des Zellgehäuses 100 auf. Der eben geformte Kopf des dritten Halbhohlniets 150 weist eine überschüssige Dicke auf. Die Vertiefung 160 ragt in das Innere des Zellgehäuses 100 hinein, wobei der Endbereich des zweiten Halbhohlniets 150 abgewinkelt ist und vom Inneren des Zellengehäuses 100 her an der elektrisch isolierenden Beschichtung 120 auf der Abschlussplatte 110 aufliegt. Der eben geformte Kopf erstreckt sich über den Querschnitt der Öffnung 130. Durch einen Spin-Nietvorgang wird der eben geformte Kopf über den Querschnitt der Öffnung 130 hinaus verbreitert, wodurch die überschüssige Dicke abgetragen wird, und ein gewinkelter Bereich des dritten Hohlniets ausgebildet wird. Dabei wird auf der gegenüberliegenden Seite vom Inneren des Zellgehäuses her das erste Vernietungsgegenstück 170 gegen den Halbhohlniet 140 gerichtet, welches der Krafteinwirkung durch das Spin-Nieten des Halbhohlniets von außerhalb des Gehäuses entgegenwirkt.
1D zeigt schematisch die Abschlussplatte 110 in der Draufsicht. Dabei weist die Abschlussplatte 110 flächenmittig eine Öffnung 130 auf, und im Randbereich der Öffnung 130 ist die elektrisch isolierende Beschichtung 120 angeordnet.
2A zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Batteriezelle 200 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel während der Montage eines Elektroden-Wickels 240 im Zellengehäuse 100 in einer ersten Position. Dabei ist ein Halbhohlniet 140, 145, 150 gemäß einer der Methoden aus den 1A, 1B oder 1C in der Öffnung 130 der Abschlussplatte 110 vernietet. Der Elektrodenwickel 240 weist Elektroden mit einer ersten elektrischen Polung und einer zweiten, zur ersten Polung entgegengesetzten elektrischen Polung, wobei die Elektroden verschiedener Polung voneinander durch zumindest einen Separator voneinander separiert sind. Zwischen der Abschlussplatte 110 und dem Elektrodenwickel 240 ist eine elektrisch leitende Zwischenplatte 220 mit einem Vorsprung 230 angeordnet. Die elektrisch leitende Zwischenplatte 220 ist mit den Elektroden der zweiten Polung über Elektrodenverbindungen 270 verbunden. Die Elektroden der ersten Polung sind mit dem elektrisch leitenden Hohlzylinder 105 elektrisch verbunden. Der vernietete Halbhohlniet 140, 145, 150 und die Zwischenplatte 220 sind elektrisch verbunden. Der Vorsprung 230 der Zwischenplatte 220 ist zylindrisch und weist einen kreisförmigen Querschnitt auf, so dass der Vorsprung 230 in die Vertiefung 160 des Halbhohlniets 140, 145, 150 hineingeführt werden kann. Dabei wird die Zwischenplatte 220 und der Elektroden-Wickel 240 für die Montageendposition in Richtung der Abschlussplatte 110 bewegt, bis die von der Zwischenplatte wegzeigende Stirnseite des Vorsprungs 230 in der Vertiefung 160 in Kontakt mit der Unterseite des flächigen Abschlussteils des Halbholniets 140, 145, 150 kommt. Der Vorsprung 230 und die Zwischenplatte 220 können Aluminium aufweisen.
2B zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Batteriezelle 200 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einem Elektroden-Wickel 240 während der Montage im Zellengehäuse 100 in einer zweiten Position, in welcher die von der Zwischenplatte wegzeigende Stirnseite des Vorsprungs 230 in der Vertiefung 160 in Kontakt mit der Unterseite des flächigen Abschlussteils des Halbholniets 140, 145, 150 ist. Zwischen dieser Unterseite des flächigen Teils des Halbhohlniets 140, 145, 150 und der Stirnseite des Vorsprungs 230 wird eine elektrische leitende und stoffschlüssige Verbindung mittels Laser-Schweißen oder Ultraschall-Schweißen ausgebildet. Das Schweißgerät 280 hierzu ist außerhalb des Zellengehäuses 100 angeordnet. Die für den Schweißprozess erforderliche Wärme gelangt von außerhalb des Zellengehäuses durch den Halbhohlniet 140, 145, 150 hindurch zur Kontaktstelle zwischen dem Halbhohlniet 140, 145, 150 und der Stirnseite des Vorsprungs 230.
Zur mechanischen Unterstützung während des Schweißvorgangs kann optional ein Kunststoffdorn 260 vorgesehen sein, welcher an der radialen Innenseite des Elektroden-Wickels 240 angeordnet ist, und sich über die Höhe des Elektroden-Wickels 240 erstreckt. Weiterhin kann ein optional oder zusätzlich ein Unterstützungsstab 250 zur mechanischen Unterstützung während des Schweißvorgangs vorgesehen sein. Dieser Unterstützungsstab 250 ist auf der Längsachse des Hohlzylinders 105 angeordnet, so dass dieser in der axialen Verlängerung des Vorsprungs 230 angeordnet ist.
3 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Zellgehäuses 100 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem vierten Halbhohlniet 155. Der vierte Halbhohlniet 155 ist in der Öffnung 130 angeordnet. Dieser weist eine Vertiefung 160 auf die vom Zellgehäuse 100 weg zeigt. Der Endbereich des vierten Halbhohlniets 155, der von dem Zellgehäuse 100 weg zeigt ist abgewinkelt, wobei der abgewinkelte Bereich an der elektrisch isolierenden Beschichtung 120 auf der Abschlussplatte 110 aufliegt. Der vierte Halbhohlniet 155 weist einen eben geformten Kopf auf, der in das Zellinnere hineinragt. Der eben geformte Kopf des vierten Halbhohlniets 155 weist eine überschüssige Dicke auf. Durch einen Spin-Nietvorgang unter Verwendung des dritten Vernietungswerkzeugs wird der eben geformte Kopf über den Querschnitt der Öffnung 130 hinaus verbreitert, wodurch die überschüssige Dicke abgetragen wird, und ein gewinkelter Bereich des dritten Hohlniets ausgebildet wird. Dabei wird vom Äußeren des Zellgehäuses 100 her ein drittes Vernietungsgegenstück 190 gegen den vierten Halbhohlniet 155 gerichtet, welches der Krafteinwirkung durch das Spin-Nieten des Halbhohlniets von innerhalb des Zellgehäuses 100 entgegenwirkt.
4A zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Batteriezelle 400 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel während der Montage im Zellengehäuse 100 in einer ersten Position. Die Batteriezelle 400 weist ein Zellgehäuse 100, eine Abschlussplatte 110, sowie einen Elektroden-Wickel 240 und einen Kunststoffdorn 260 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß den 1A-1C, 2A und 2B weist die Batteriezelle 400 einen vierten Halbhohlniet 155 auf, dessen Vertiefung 160, zum Zelläußeren hin gerichtet ist. Der Kopf des Halbhohlniets 155 ist zum Inneren des Zellgehäuses 100 gerichtet. Weiterhin ist der Vorsprung 230 auf der von der Abschlussplatte 110 wegzeigenden Seite der Zwischenplatte 220 angeordnet, und ragt in einen Hohlraum des Elektroden-Wickels 240 hinein, welcher sich entlang der Längsachse des Hohlzylinders 105 erstreckt. Dabei wird die Zwischenplatte 220 und der Elektroden-Wickel 240 für die Montageposition in Richtung der Abschlussplatte 110 bewegt, bis die Zwischenplatte 220 einen mechanischen Kontakt mit dem flächigen Abschlussteil des Halbholniets 155 ausbildet.
4B zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Batteriezelle 400 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem Elektroden-Wickel 240 während der Montage im Zellengehäuse 100 in einer zweiten Position, in welcher der in das Innere des Zellgehäuses zeigende Kopf des Halbhohlniets 155 durch einen Schweißvorgang mit der Zwischenplatte 220 elektrisch und stoffschlüssig verbunden wird.
Zur mechanischen Unterstützung während des Schweißvorgangs kann optional ein Kunststoffdorn 260 vorgesehen sein, welcher an der radialen Innenseite des Elektroden-Wickels 240 angeordnet ist, und sich über die Höhe des Elektroden-Wickels 240 erstreckt. Weiterhin kann ein optional oder zusätzlich ein Unterstützungsstab 250 zur mechanischen Unterstützung während des Schweißvorgangs vorgesehen sein. Dieser Unterstützungsstab 250 ist auf der Längsachse des Hohlzylinders 105 angeordnet, so dass dieser in der axialen Verlängerung des Vorsprungs 230 angeordnet ist.
Bezugszeichenliste

100: Ausschnitt eines Zellgehäuses
105: Hohlzylinder
110: Abschlussplatte
120: Elektrisch isolierende Beschichtung
130: Öffnung
140: Erster Halbhohlniet
145: Zweiter Halbhohlniet
150: Dritter Halbhohlniet
155: Vierter Halbhohlniet
160: Vertiefung
165: Erstes Vernietungswerkzeug
170: Erstes Vernietungsgegenstück
175: Zweites Vernietungswerkzeug
180: Zweites Vernietungsgegenstück
185: Drittes Vernietungswerkzeug
190: Drittes Vernietungsgegenstück
200: Batteriezelle gemäß erstem Ausführungsbeispiel
220: Zwischenplatte
230: Vorsprung
240: Elektrodenwickel
250: Unterstützungsstab
260: Kunststoffdorn
270: Elektrodenverbindungen für ersten Pol
280: Schweißgerät
400: Batteriezelle gemäß zweitem Ausführungsbeispiel

Claims

Zellgehäuse (100) für eine Batteriezelle (200, 400), aufweisend: Ein elektrisch leitender Hohlzylinder (105); eine den Hohlzylinder (105) auf einer seiner Stirnseiten abschließende, elektrisch leitende Abschlussplatte (110) mit einer Öffnung (130); ein Halbhohlniet (140, 145, 150, 155), welcher in der Öffnung (130) angeordnet ist, und im genieteten Zustand eine formschlüssige Verbindung mit der Abschlussplatte (110) ausbildet, wobei der Halbhohlniet (140, 145, 150, 155) zur Abschlussplatte (110) elektrisch isoliert ist.
Zellgehäuse (100) gemäß Anspruch 1, wobei der Halbhohlniet (140, 145, 150, 155) so in der Öffnung der Abschlussplatte (110) angeordnet ist, dass die Vertiefung des Halbhohlniets (140, 145, 150, 155) zum Inneren des Zellgehäuses (100) hin gerichtet ist.
Zellgehäuse (100) gemäß Anspruch 1, wobei der Halbhohlniet (140, 145, 150, 155) so in der Öffnung der Abschlussplatte (110) angeordnet ist, dass die Vertiefung des Halbhohlniets (140, 145, 150, 155) zum Zelläußeren hin gerichtet ist.
Batteriezelle (200, 400), aufweisend: Ein Zellgehäuse (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche; zumindest eine Elektrode einer ersten elektrischen Polung und zumindest eine Elektrode einer zweiten, zur ersten Polung entgegengesetzten elektrischen Polung, wobei die Elektroden verschiedener Polung voneinander durch zumindest einen Separator voneinander separiert sind; und eine zwischen der Abschlussplatte (110) und den Elektroden angeordnete elektrisch leitende und von dem Hohlzylinder (105) elektrisch isolierte Zwischenplatte (220); wobei: die Elektroden der ersten Polung mit dem Hohlzylinder (105) elektrisch verbunden sind; die Elektroden der zweiten Polung mit der Zwischenplatte (220) elektrisch verbunden sind und die Abschlussplatte (110) von dem Hohlzylinder (105) elektrisch isoliert ist; wobei der Halbhohlniet (140, 145, 150, 155) und die Zwischenplatte (220) elektrisch verbunden sind.
Batteriezelle (200, 400) gemäß Anspruch 4, wobei der Halbhohlniet (140, 145, 150, 155) so in der Öffnung (130) der Abschlussplatte (110) angeordnet ist, dass die Vertiefung (160) des Halbhohlniets (140, 145, 150, 155) zum Inneren des Zellgehäuses (110) hin gerichtet ist, wobei die Zwischenplatte (220) einen Vorsprung (230) aufweist, welcher in die Vertiefung (160) des Halbhohlniets (140, 145, 150, 155) hinein ragt und mit dem Kopf des Halbhohlniets (140, 145, 150, 155) elektrisch und stoffschlüssig verbunden ist.
Batteriezelle (200, 400) gemäß Anspruch 4, wobei der Halbhohlniet (140, 145, 150, 155) so in der Öffnung (130) der Abschlussplatte (110) angeordnet ist, dass die Vertiefung (160) des Halbhohlniets (140, 145, 150, 155) zum Zelläußeren hin gerichtet ist, wobei die Zwischenplatte (220) einen Vorsprung (230) aufweist, welcher auf der von dem Halbhohlniet (140, 145, 150, 155) wegzeigenden Seite der Zwischenplatte (220) angeordnet ist, und die andere Seite der Zwischenplatte (220) mit dem Halbhohlniet (140, 145, 150, 155) elektrisch verbunden ist.
Batteriezelle (200, 400) gemäß einem der vorherigen Ansprüche 4 bis 6, wobei die elektrische Isolation zwischen dem Halbhohlniet (140, 145, 150, 155) und der Abschlussplatte (110) mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung (120) ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle (200, 400), aufweisend die Verfahrensschritte: Bereitstellen eines Zellgehäuses (100) aufweisend einen elektrisch leitenden Hohlzylinder (105), welcher auf einer seiner Stirnseiten eine abschließende elektrische leitende erste Abschlussplatte (110) aufweist; Vernieten eines in der Öffnung (130) angeordneten Halbhohlniets (140, 145, 150, 155) zu einer formschlüssigen Verbindung mit der Abschlussplatte (110), wobei zwischen dem Halbhohlniet (140, 145, 150, 155) und der Abschlussplatte (110) ein elektrisch isolierendes Element (120) angeordnet wird; Anordnen von zumindest einer Elektrode einer ersten elektrischen Polung und zumindest einer Elektrode einer zweiten, zur ersten Polung entgegengesetzten elektrischen Polung im Zellgehäuse (100), wobei die Elektroden verschiedener Polung voneinander durch zumindest einen Separator voneinander separiert sind oder werden; Herstellen einer elektrischen Verbindung der Elektroden der ersten Polung mit dem Hohlzylinder (105); Anordnen einer elektrisch leitenden Zwischenplatte im Zellgehäuse (100) zwischen der Abschlussplatte (110) und den Elektroden, und wobei die Zwischenplatte (220) mit den Elektroden der zweiten Polung elektrisch verbunden wird, und zum Hohlzylinder (105) elektrisch isoliert wird; Herstellen einer elektrischen und stoffschlüssigen Verbindung des Halbhohlniets (140, 145, 150, 155) mit der elektrisch leitenden Zwischenplatte (220) durch einen Schweißvorgang, wobei das Schweißgerät außerhalb des Zellgehäuses (100) angeordnet ist, und eine Übertragung der Schweißenergie wenigstens teilweise durch den Halbhohlniet (140, 145, 150, 155) hindurch erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle (200, 400) gemäß Anspruch 8, wobei der Schweißvorgang unter Verwendung von Laser-Schweißen oder Ultraschall-Schweißen erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle (200, 400) gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei das Vernieten des Halbhohlniets (140, 145, 150, 155) unter Verwendung von Spin-Nieten oder Schlagnieten erfolgt.