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Die Erfindung betrifft eine Batteriezellenbaugruppe, eine Batteriezelle sowie ein Verfahren zum Herstellen der Batteriezelle und ein Verfahren zum Betrieb der Batteriezelle.
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Die Batteriezellenbaugruppe umfasst einen Stapel aufeinander angeordneter Elektrodenfolien, wobei der Stapel in Abhängigkeit von einem Betrieb oder einer Alterung eine Hauptausdehnungsrichtung aufweist, in der der Stapel eine größte Veränderung einer Erstreckung im Betrieb der Batteriezellenbaugruppe aufweist. Die Elektrodenfolien sind durch mindestens ein Fixiermittel in ihrer Lage im Stapel zueinander fixiert. Mit diesem Fixiermittel kann ein Handling der Batteriezellenbaugruppe vereinfacht werden, so dass eine maßgenaue Anordnung des Stapels in einem gasdicht ausgeführtem Batteriezellengehäuse ermöglicht werden kann.
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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.
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Es sind z. B. Batteriezellen mit flüssigen oder festen Elektrolyten (Feststoffbatterie) bekannt.
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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.
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Die Batteriezellen einer Batterie verändern während eines Belade- und Entladevorgangs (Betrieb der Batteriezelle) und/oder infolge von Alterung über Lebensdauer ihr Volumen. Im Lebensalter einer Lithium-Ionen-Zelle (Prismatische, Pouch- oder Rund-Zelle) kommt es aufgrund der Zyklisierung zu einem Dickenwachstum innerhalb der Batteriezelle. Dieses Dickenwachstum tritt verstärkt entlang des Normalenvektors zur Batteriezelle, also quer zur Ebene der Elektrodenfolien, auf (im Folgenden auch als Hauptausdehnungsrichtung bezeichnet). Zusätzlich kommt es zu Längenänderungen, welche jedoch deutlich geringer ausfallen und damit zu vernachlässigen sind. Die Betriebscharakteristik von Lithium-Ionen-Pouchzellen hängt beispielsweise, aufgrund ihrer geringen mechanischen Stabilität, stark von den äußeren Bedingungen ab. Der äußere Druck auf die Batteriezellen bzw. auf die Elektrodenfolien ist dabei ein entscheidender Faktor für Performance, Lebensdauer und Strukturstabilität einer Batterie bzw. eines Batteriemoduls einer Batterie.
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Jede Batteriezelle weist ein in Abhängigkeit von einem in ihr gespeicherten Energieinhalt bestimmtes Volumen auf, das sich zwischen einem, bei einem geringen Energieinhalt bzw. geringem SOC („State-Of-Sharge“; also Ladezustand), geringen Volumen und einem, bei einem hohen Energieinhalt bzw. hohem SOC, großen Volumen verändert. Die Volumenänderung findet insbesondere im Wesentlichen im Bereich der mindestens einen Anode der Zellen statt. Die Anode, z. B. bestehend aus Graphit oder einem Metall, bzw. bei einem Lithium-Ionen-Akkumulator aus metallischem Lithium, verändert ihr Volumen durch die Abscheidung von reinem metallischem Lithium.
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Beim Zusammenbau einer Batteriezelle wird ein Stapel von Elektrodenfolien in einem Batteriezellengehäuse angeordnet und das Batteriezellengehäuse mit einem Elektrolyt befüllt. Der Stapel wird insbesondere im Rahmen einer Vormontage als Batteriezellenbaugruppe bereitgestellt, wobei die Lage der Elektrodenfolien durch mindestens ein Fixiermittel, z. B. ein Tape, also ein Klebebandmaterial, fixiert ist. Infolge der Fixierung der Lage der Elektrodenfolien zueinander kann ein Handling des Stapels vereinfacht werden, so dass eine maßgenaue Anordnung der Elektrodenfolien im Batteriezellengehäuse ermöglicht wird.
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Die Tapes, die zur Fixierung des Stapels verwendet werden, führen nach dem Anordnen der Batteriezellenbaugruppe in dem Batteriezellengehäuse aber dazu, dass der Stapel an der Seite, an der die Tapes angebracht sind, seine Ausdehnung behält. Die Batteriezellenanordnung dehnt sich sowohl während des normalen Betriebs als auch über die Alterung aus. Die Elektrodenfolien werden dabei dicker, jedoch ist die Ausdehnung an der Seite des Stapels, an der das Tape angeordnet ist, nicht möglich. Es kommt zu einer inhomogenen Ausdehnung des Stapels und zu einer sich aufbauenden Spannung im Bereich des Tapes. Diese inhomogene Ausdehnung führt dazu, dass das elektrochemische Verhalten in einigen Bereichen anders ist als in den restlichen Bereichen. Der Unterschied führt dazu, dass in den „Tapebereichen“ vermehrt Abscheidung metallischen Lithiums stattfindet und die Batteriezelle dadurch schneller altern kann (also an elektrischer Kapazität verliert). Der Effekt verstärkt sich somit selbst.
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Das technische Problem besteht somit darin, die Fixierung der Lage der Elektrodenfolien des Stapels zu ermöglichen und gleichzeitig einen translatorischen Ausgleich für den Stapel zu gewährleisten.
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Aus der
US 2017/0018746 A1 ist ein Aufnahmeelement bekannt, dass zur Anordnung von Pouchzellen verwendet wird. Das Aufnahmeelement weist eine Aufnahme auf, die einen Siegelnahtbereich des Gehäuses der Pouchzelle aufnimmt.
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Aus der
DE 10 2008 001 286 A1 ist ein Energiespeichermodul bekannt, in dem eine Mehrzahl von Zellen zusammengeschaltet sind. Die Zellen weisen eine forminstabile, gasdichte Zellhülle auf, die zum Abbau eines ggf. entstehenden Überdrucks eine Sollbruchstelle aufweisen kann.
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Die
DE 10 2010 038 308 A1 ist auf eine Batterie gerichtet, bei der die Elektrodenfolien in einer Vergussmasse angeordnet sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Batteriezellenbaugruppe bereitgestellt werden, bei der eine Fixierung der Lage der Elektrodenfolien des Stapels und gleichzeitig ein translatorischer Ausgleich für eine Ausdehnung des Stapels gewährleistet werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Batteriezellenbaugruppe mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, eine Batteriezelle mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 8, ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle gemäß den Merkmalen gemäß Patentanspruch 9 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Batteriezelle gemäß Patentanspruch 10 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.
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Es wird eine Batteriezellenbaugruppe vorgeschlagen. Die Batteriezellenbaugruppe umfasst zumindest einen Stapel, ggf. mehrere Stapel, aufeinander angeordneter Elektrodenfolien. Der mindestens eine Stapel weist in Abhängigkeit von einem Betrieb oder einer Alterung eine Hauptausdehnungsrichtung auf, in der der mindestens eine Stapel eine größte Veränderung einer Erstreckung des mindestens einen Stapels im Betrieb der Batteriezellenbaugruppe aufweist. Der Stapel erstreckt sich in dieser Hauptausdehnungsrichtung zwischen einer ersten Stirnseite und einer zweiten Stirnseite. Die Elektrodenfolien sind durch mindestens ein Fixiermittel in ihrer Lage im Stapel zueinander fixiert. Das mindestens eine Fixiermittel erstreckt sich ausgehend von einer ersten Anbindung an der ersten Stirnseite bis hin zu einer zweiten Anbindung an der zweiten Stirnseite. Das mindestens eine Fixiermittel weist mindestens eine Sollbruchstelle auf oder weist eine Eigenschaft auf, durch die die Fixierwirkung des Fixiermittels aufhebbar ist. Mit der mindestens einen Sollbruchstelle und/ oder durch die Eigenschaft soll gewährleistet sein, dass nach einer Anordnung der Batteriezellenbaugruppe in einem Batteriezellengehäuse eine Ausdehnung des Stapels in der Hauptausdehnungsrichtung nicht beeinträchtigt ist.
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Insbesondere sind in dem Stapel eine Mehrzahl von Elektrodenfolien, also Anoden und Kathoden, aufeinandergestapelt angeordnet, wobei unterschiedliche Elektrodenfolien durch Separatorfolien oder ein Separatormaterial voneinander getrennt angeordnet sind. Das Separatormaterial kann auch als Feststoffelektrolyt ausgeführt sein.
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Es können in einem Batteriezellengehäuse nur ein Stapel oder mehrere dieser Stapel angeordnet sein. Die mehreren Komponenten bzw. Stapel können miteinander in Reihe oder parallel-geschaltet sein.
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Der Stapel ist innerhalb eines Batteriezellengehäuses insbesondere in einem Elektrolyt angeordnet. Über das Batteriezellengehäuse werden elektrische Anschlüsse des mindestens einen Stapels aus dem Batteriezellengehäuse nach außerhalb des Batteriezellengehäuses geführt.
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Ein Stapel von Elektrodenfolien weist in Abhängigkeit von einem Betrieb oder einer Alterung eine Hauptausdehnungsrichtung auf, in der eine Ausdehnung des Stapels vergleichsweise stärker auftritt als eine Ausdehnung in die anderen Richtungen. Die Ausdehnung in der Hauptausdehnungsrichtung ist insbesondere für den größten Anteil der Veränderung des Volumens des Stapels bzw. der Batteriezelle bzw. des sich dadurch vergrößernden Batteriezellengehäuses verantwortlich.
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Jeder Stapel weist z. B. in Abhängigkeit von einem in ihm gespeicherten Energieinhalt ein bestimmtes Volumen auf, das sich zwischen einem, bei einem geringen Energieinhalt bzw. geringem SOC (State-Of-Charge; also Ladezustand), geringen Volumen und einem, bei einem hohen Energieinhalt bzw. hohem SOC, großen Volumen verändert. Die Volumenänderung findet insbesondere im Wesentlichen im Bereich der mindestens einen Anode des Stapels statt. Die Anode, z. B. bestehend aus Graphit oder einem Metall, bzw. bei einer Lithium-Ionen-Batteriezelle aus metallischem Lithium, verändert ihr Volumen durch die Interkalation der Lithium-Ionen bzw. die Abscheidung von reinem metallischem Lithium.
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Die Anoden und Kathoden sind insbesondere flächig als Elektrodenfolie ausgebildet und erstrecken sich mit der größten Fläche quer zur Hauptausdehnungsrichtung. Die Volumenänderung wirkt sich insbesondere im Wesentlichen in der Hauptausdehnungsrichtung aus, d. h. das Maß einer Dicke der Elektrodenfolie verändert sich in Abhängigkeit von dem Aktivmaterial der Elektrodenfolie.
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Das Fixiermittel ist z. B. ein Tape, beispielsweise ein Klebeband, dass sich ausgehend von einer Stirnseite des Stapels zur anderen Stirnseite erstreckt. Das Klebeband erstreckt sich dabei insbesondere entlang der Seitenflächen des Stapels, wobei diese Seitenflächen gerade nicht die Stirnseiten des Stapels sind.
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Infolge einer Anbindung des Fixiermittels an den Stirnseiten, z. B. infolge von adhäsiver Wirkung oder durch stoffschlüssige oder andere Bindung, sind die Stirnseiten in ihrer Lage zueinander fixiert. Insbesondere werden auch die zwischen den Stirnwänden angeordneten Elektrodenfolien durch das mindestens eine Fixiermittel in ihrer Lage zueinander fixiert, z. B. weil sich das Fixiermittel entlang der Seitenfläche erstreckt und die Elektrodenfolien daran anliegen.
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Insbesondere sind mehrere Fixiermittel vorgesehen, so dass der Stapel und damit die Elektrodenfolien an mehreren Stellen von den Fixiermitteln umfasst sind.
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Das mindestens eine Fixiermittel kann sich auch als Band um den Stapel herum erstrecken, also ausgehend von der ersten Stirnseite über eine Seitenfläche, die zweite Stirnseite und eine andere Seitenfläche zurück zur zweiten Stirnseite. Eine tatsächliche Befestigung des Fixiermittels an den Stirnseiten ist dann ggf. nicht erforderlich, sondern nur eine Verbindung des Fixiermittels mit sich selbst. Auch dabei erstreckt sich das Fixiermittel aber von einer ersten Anbindung an der ersten Stirnseite (zumindest) hin zu einer zweiten Anbindung an der zweiten Stirnseite, so dass die Elektrodenfolien in ihrer Lage im Stapel zueinander fixiert sind.
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Über das mindestens eine Fixiermittel wird insbesondere eine Druckspannung in den Stapel eingebracht, wobei durch das Gegeneinanderdrücken der Stirnseiten die Elektrodenfolien geklemmt werden. Das Fixiermittel wird dadurch insbesondere einer Zugspannung ausgesetzt.
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Das Fixiermittel dient nur der Lagefixierung der Elektrodenfolien und gerade nicht der Abdichtung des Stapels nach Art eines Gehäuses bzw. des Batteriezellengehäuses. Das heißt insbesondere, dass das mindestens eine Fixiermittel nur einen Teil des Stapels bzw. der Seitenflächen bedeckt.
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Insbesondere ist das Fixiermittel ein flächiges Bandmaterial mit einer Materialstärke, das eine sich zwischen den Anbindungen erstreckende Länge und eine sich quer zur Länge erstreckende Breite aufweist
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Insbesondere umfasst die Sollbruchstelle eine Perforation des Fixiermittels. Die Perforation kann z. B. eine Öffnung im Fixiermittel umfassen, insbesondere eine Mehrzahl von Öffnungen, die in einer festgelegten Position zueinander angeordnet sind. Die Perforationen bilden insbesondere einen Verlauf einer Versagenslinie, entlang der das Fixiermittel in mehrere Teile trennbar ist. Die Öffnung erstreckt sich insbesondere entlang der Wandstärke des Fixiermittels.
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Insbesondere umfasst die Sollbruchstelle mindestens eine lokale Materialreduzierung des Fixiermittels. Die Materialreduzierung umfasst insbesondere keine Öffnung oder einen Durchbruch, sondern nur eine Reduzierung z. B. der Materialstärke oder der Breite des Fixiermittels. Insbesondere umfasst die Materialreduzierung eine Reduzierung der Materialstärke oder der Breite um mindestens 30 %, bevorzugt um mindestens 50 %, eines Maximalwerts dieser Dimension (also der Materialstärke oder der Breite)
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Insbesondere ist das Fixiermittel ein flächiges Bandmaterial mit einer Materialstärke, das eine sich zwischen den Anbindungen erstreckende Länge und eine sich quer zur Länge erstreckende Breite aufweist, wobei die mindestens eine Materialreduzierung eine lokale, also eine räumlich begrenzte bzw. abgrenzbare, Reduzierung der, ansonsten ggf. konstanten, Materialstärke umfasst.
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Insbesondere ist das Fixiermittel ein flächiges Bandmaterial mit einer Materialstärke ist, das eine sich zwischen den Anbindungen erstreckende Länge und eine sich quer zur Länge erstreckende Breite aufweist, wobei die mindestens eine Materialreduzierung eine lokale, also eine räumlich begrenzte bzw. abgrenzbare, Reduzierung der, ansonsten ggf. konstanten, Breite umfasst.
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Insbesondere sind also die bekannten, als Tapes ausgeführten Fixiermittel, die zur Fixierung des Stapels bisher appliziert werden, nicht mehr als „normales“ Tape zu applizieren, sondern z. B. als Tape mit Sollbruchstelle, das unter einer Zugspannung leicht reißen kann.
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Alternativ ist es möglich, dass das Fixiermittel bzw. Tape, nachdem die Batteriezellenbaugruppe in einem Batteriezellengehäuse angeordnet ist, einfach durchgeschnitten bzw. durchgerissen bzw. durchgetrennt wird.
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Im Unterschied zur Verwendung der Tapes ohne Sollbruchstelle bzw. Perforation ist durch das hier vorgeschlagene Fixiermittel sichergestellt, dass der Druck auf den bzw. in dem Stapel bzw. dessen Verteilung über die gesamte Stirnseite homogen ist und es keine Stellen gibt, an denen Druckunterschiede vorliegen bzw. es zu inhomogenen Verformungen kommt. Damit kann sichergestellt werden, dass das elektrochemische Verhalten an allen Stellen im Stapel gleich ist bzw. nun nicht mehr an den Stellen der Tapes anders ist als im Rest des Stapels. Damit kann die Zellalterung positiv beeinflusst werden, so dass eine dauerhaft höhere Kapazität erreichbar ist.
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Insbesondere umfasst die Eigenschaft, dass eine Fixierwirkung das Fixiermittel durch einen Kontakt mit einem Elektrolyt zumindest teilweise aufhebbar ist.
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Dabei kann sich das Fixiermittel durch einen Kontakt mit dem Elektrolyten z. B. zumindest teilweise auflösen.
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Insbesondere umfasst die Eigenschaft zusätzlich, dass das aufgelöste Fixiermittel die für den Betrieb der Batteriezellenbaugruppe in einer Batteriezelle erforderlichen Eigenschaften des Elektrolyt nicht beeinträchtigt.
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Insbesondere wird durch den Kontakt mit einem Elektrolyten das Fixiermittel z. B. geschwächt, so dass es sich weiter dehnt oder sogar reißt und damit seine Fixierwirkung zumindest teilweise aufhebbar ist.
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Bevorzugt zersetzt sich das Fixiermittel durch den Kontakt mit dem Elektrolyten nicht, so dass eine Auswirkung auf die Zellchemie der Batteriezelle ausgeschlossen werden kann.
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Insbesondere kann die Aufhebung der Fixierwirkung erst nach Ablauf einer vorbestimmbaren Zeitspanne auftreten, z. B. erst nach mindestens einer Woche oder einem Monat nach erstmaligem Kontakt mit dem Elektrolyten.
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Es wird weiter eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest umfassend ein Batteriezellengehäuse, das ein Volumen gasdicht umschließt, und in dem Volumen angeordnet mindestens eine der beschriebenen Batteriezellenbaugruppen.
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Das Batteriezellengehäuse ist insbesondere ein formstabiles Hardcase oder ein verformbares Gehäuse, z. B. nach Art einer Pouchfolie, also einer verformbaren Verbundfolie. Eine Pouchfolie ist ein bekanntes verformbares Gehäuseteil, dass als Gehäuse für sogenannte Pouchzellen eingesetzt wird. Es handelt sich dabei um ein Kompositmaterial, z. B. umfassend einen Kunststoff und Aluminium.
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Verformbar heißt hier insbesondere, dass sich die Form des Gehäuses ändern kann bzw. dass sich die Form des Gehäuses an die Form der darin angeordneten Komponenten anpasst. Dabei ändert sich nicht zwingend das Volumen innerhalb des Gehäuses. Bei einem Hardcase würde sich die Form des Gehäuses, auch lokal, nicht verändern.
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Insbesondere wird die beschriebene Batteriezelle in einem Batteriemodul und/ oder in einem Kraftfahrzeug eingesetzt bzw. verwendet, insbesondere zur Bereitstellung elektrischer Energie für einen Traktionsantrieb.
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Es wird weiter ein Verfahren zum Herstellen der beschriebenen Batteriezelle vorgeschlagen. Das Fixiermittel umfasst die Eigenschaft, dass eine Fixierwirkung des Fixiermittels durch einen Kontakt mit einem Elektrolyten zumindest teilweise aufgehoben wird. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen eines Batteriezellengehäuses und mindestens einer Batteriezellenbaugruppe;
- b) Anordnen der mindestens einen Batteriezellenbaugruppe innerhalb des Batteriezellengehäuses;
- c) Befüllen eines Volumen des Batteriezellengehäuses mit einem Elektrolyt;
- d) zumindest teilweises Aufheben der Fixierwirkung des mindestens einen Fixiermittels.
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Die obige (nicht abschließende) Einteilung der Verfahrensschritte in a) bis d) soll vorrangig nur zur Unterscheidung dienen und keine Reihenfolge und/oder Abhängigkeit erzwingen. Ebenso ist möglich, dass Verfahrensschritte einander zumindest teilweise zeitlich überlagern, z. B. die Schritte b) bis d). Insbesondere werden die Schritte a) bis d) in der angeführten Reihenfolge durchgeführt.
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Die Fixierwirkung des mindestens einen Fixierelements wird insbesondere durch den Kontakt mit dem Elektrolyt zumindest teilweise aufgehoben. Nach Schritt c) und vor, während oder nach Schritt d) kann die Batteriezelle insbesondere betrieben, also geladen und/ oder entladen werden.
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Es wird weiter ein Verfahren zum Betrieb der beschriebenen Batteriezelle vorgeschlagen, wobei sich der Stapel der mindestens einen Batteriezellenbaugruppe zumindest durch den Betrieb oder durch die Alterung in der Hauptausdehnungsrichtung ausdehnt, wobei infolge der Ausdehnung des Stapels die Fixierwirkung des Fixiermittels aufgehoben wird, z. B. infolge eines Versagens des Fixiermittels an einer Sollbruchstelle oder durch eine Schwächung oder ein zumindest teilweise des Fixiermittels aufgrund des Kontakts mit dem Elektrolyten.
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Die Ausführungen zu der Batteriezellenbaugruppe gelten insbesondere in gleicher Weise für die Batteriezelle und die Verfahren und umgekehrt.
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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.
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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.
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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 Batteriezelle in einer Seitenansicht im Schnitt;
- 2: eine bekannte Batteriezellenbaugruppe in einer Draufsicht;
- 3: die Batteriezellenbaugruppe nach 2 in einer Seitenansicht;
- 4: die Batteriezellenbaugruppe nach 2 und 3 in einer anderen Seitenansicht;
- 5: die bekannte Batteriezellenbaugruppe nach 2 bis 4 im gealterten Zustand in einer anderen Seitenansicht;
- 6: eine Batteriezellenbaugruppe nach 2 in einer Seitenansicht;
- 7: die Batteriezellenbaugruppe nach 6 in einer anderen Seitenansicht; und
- 8: die Batteriezellenbaugruppe nach 6 und 7 im gealterten Zustand in einer anderen Seitenansicht.
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Die 1 zeigt eine Batteriezelle 17 in einer Seitenansicht im Schnitt. Die Batteriezelle 17 umfasst ein Batteriezellengehäuse 13, das ein Volumen 18 gasdicht umschließt, und in dem Volumen 18 angeordnet eine Batteriezellenbaugruppe 1. Die Batteriezellenbaugruppe 1 umfasst einen Stapel 2 aufeinander angeordneter Elektrodenfolien 3, 4. Der Stapel 2 weist in Abhängigkeit von einem Betrieb oder einer Alterung eine Hauptausdehnungsrichtung 5 auf, in der der Stapel 2 eine größte Veränderung einer Erstreckung 6 des Stapels 2 im Betrieb der Batteriezellenbaugruppe 1 aufweist. Der Stapel 2 erstreckt sich in dieser Hauptausdehnungsrichtung 5 zwischen einer ersten Stirnseite 7 und einer zweiten Stirnseite 8.
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In dem Stapel 2 sind eine Mehrzahl von ersten Elektrodenfolien 3 und zweiten Elektrodenfolien 4, also Anoden und Kathoden, aufeinandergestapelt angeordnet, wobei unterschiedliche Elektrodenfolien 3,4 durch Separatorfolien 19 voneinander getrennt angeordnet sind.
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Der Stapel 2 ist innerhalb des Batteriezellengehäuses 13 in einem Elektrolyt 16 angeordnet. Über das Batteriezellengehäuse 13 werden elektrische Anschlüsse 20 des Stapels 2 aus dem Batteriezellengehäuse 13 nach außerhalb des Batteriezellengehäuses 13 geführt.
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2 zeigt eine bekannte Batteriezellenbaugruppe 1 in einer Draufsicht. 3 zeigt die Batteriezellenbaugruppe 1 nach 2 in einer Seitenansicht. 4 zeigt die Batteriezellenbaugruppe 1 nach 2 und 3 in einer anderen Seitenansicht. 5 zeigt die bekannte Batteriezellenbaugruppe 1 nach 2 bis 4 im gealterten Zustand in einer anderen Seitenansicht. Die 2 bis 5 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu 1 wird verwiesen.
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Die Batteriezellenbaugruppe 1 umfasst einen Stapel 2 aufeinander angeordneter Elektrodenfolien 3, 4. Der Stapel 2 weist in Abhängigkeit von einem Betrieb oder einer Alterung eine Hauptausdehnungsrichtung 5 auf, in der der Stapel 2 eine größte Veränderung einer Erstreckung 6 des Stapels 2 im Betrieb der Batteriezellenbaugruppe 1 aufweist. Der Stapel 2 erstreckt sich in dieser Hauptausdehnungsrichtung 5 zwischen einer ersten Stirnseite 7 und einer zweiten Stirnseite 8.
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In dem Stapel 2 sind eine Mehrzahl von ersten Elektrodenfolien 3 und zweiten Elektrodenfolien 4 aufeinandergestapelt angeordnet, wobei unterschiedliche Elektrodenfolien 3, 4 durch Separatorfolien 19 voneinander getrennt angeordnet sind. Der Stapel 2 ist über Anschlüsse 20 elektrisch kontaktierbar.
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Die Elektrodenfolien 3, 4 und die Separatorfolien 19 sind durch Fixiermittel 9 in ihrer Lage im Stapel 2 zueinander fixiert. Jedes Fixiermittel 9 erstreckt sich ausgehend von einer ersten Anbindung 10 an der ersten Stirnseite 7 bis hin zu einer zweiten Anbindung 11 an der zweiten Stirnseite 8.
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Das Fixiermittel 9 ist ein Tape, beispielsweise ein Klebeband, dass sich ausgehend von einer Stirnseite 7 des Stapels 2 zur anderen Stirnseite 8 erstreckt. Das Klebeband erstreckt sich dabei entlang der Seitenflächen 21 des Stapels 2.
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Infolge einer Anbindung der Fixiermittel 9 an den Stirnseiten 7, 8, sind die Stirnseiten 7, 8 in ihrer Lage zueinander fixiert. Damit werden auch die zwischen den Stirnseiten 7, 8 angeordneten Elektrodenfolien 3, 4 durch die Fixiermittel 9 in ihrer Lage zueinander fixiert, weil sich die Fixiermittel 9 entlang der Seitenflächen 21 erstrecken und die Elektrodenfolien 3, 4 daran anliegen.
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Über die Fixiermittel 9 wird eine Druckspannung in den Stapel 2 eingebracht, wobei durch das Gegeneinanderdrücken der Stirnseiten 7, 8 die Elektrodenfolien 3, 4 geklemmt werden. Jedes Fixiermittel wird dadurch einer Zugspannung ausgesetzt.
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Das Fixiermittel 9 ist als ein flächiges Bandmaterial ausgeführt mit einer Materialstärke, wobei das Bandmaterial eine sich zwischen den Anbindungen 10, 11 erstreckende Länge 14 und eine sich quer zur Länge 14 erstreckende Breite 15 aufweist.
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In 5 ist dargestellt, dass durch Verwendung der Fixiermittel 9 ein Druck auf den bzw. in dem Stapel 2 bzw. dessen Verteilung über die Stirnseiten 7, 8 inhomogen ist und es damit Stellen gibt, an denen Druckunterschiede vorliegen bzw. es zu inhomogenen Verformungen des Stapels 2 kommt.
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Die hier verwendeten Fixiermittel 9 führen nach dem Anordnen der Batteriezellenbaugruppe 1 in dem Batteriezellengehäuse 13 und im Betrieb der Batteriezelle 17 bzw. nach Alterung der Elektrodenfolien 3, 4 aber dazu, dass der Stapel 2 an der Seite, an der die Fixiermittel 9 angebracht sind, seine Erstreckung 6 behält. Die Elektrodenfolien 3, 4 werden dabei dicker, jedoch ist die Ausdehnung an der Seite des Stapels 2, an der das Fixiermittel angeordnet ist, nicht möglich. Es kommt zu einer inhomogenen Ausdehnung des Stapels 2 und zu einer sich aufbauenden Spannung im Bereich des Fixiermittels 9. Diese inhomogene Ausdehnung führt dazu, dass das elektrochemische Verhalten in einigen Bereichen anders ist als in den restlichen Bereichen. Der Unterschied führt dazu, dass in den „Tapebereichen“ vermehrt Abscheidung metallischen Lithiums stattfindet und die Batteriezelle 17 dadurch schneller altern kann (also an elektrischer Kapazität verliert). Der Effekt verstärkt sich somit selbst.
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6 zeigt eine Batteriezellenbaugruppe 1 nach 2 in einer Seitenansicht. 7 zeigt die Batteriezellenbaugruppe 1 nach 6 in einer anderen Seitenansicht. 8 zeigt die Batteriezellenbaugruppe 1 nach 6 und 7 im gealterten Zustand in einer anderen Seitenansicht. Die 6 bis 8 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu den 1 bis 5 wird verwiesen.
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Die Batteriezellenbaugruppe 1 umfasst einen Stapel 2 aufeinander angeordneter Elektrodenfolien 3, 4. Der Stapel 2 weist in Abhängigkeit von einem Betrieb oder einer Alterung eine Hauptausdehnungsrichtung 5 auf, in der der Stapel 2 eine größte Veränderung einer Erstreckung 6 des Stapels 2 im Betrieb der Batteriezellenbaugruppe 1 aufweist. Der Stapel 2 erstreckt sich in dieser Hauptausdehnungsrichtung 5 zwischen einer ersten Stirnseite 7 und einer zweiten Stirnseite 8.
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In dem Stapel 2 sind eine Mehrzahl von ersten Elektrodenfolien 3 und zweiten Elektrodenfolien 4 aufeinandergestapelt angeordnet, wobei unterschiedliche Elektrodenfolien 3, 4 durch Separatorfolien 19 voneinander getrennt angeordnet sind. Der Stapel 2 ist über Anschlüsse 20 elektrisch kontaktierbar.
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Die Elektrodenfolien 3, 4 und die Separatorfolien 19 sind durch Fixiermittel 9 in ihrer Lage im Stapel 2 zueinander fixiert. Jedes Fixiermittel 9 erstreckt sich ausgehend von einer ersten Anbindung 10 an der ersten Stirnseite 7 bis hin zu einer zweiten Anbindung 11 an der zweiten Stirnseite 8.
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Das Fixiermittel 9 ist als ein flächiges Bandmaterial ausgeführt mit einer Materialstärke, wobei das Bandmaterial eine sich zwischen den Anbindungen 10, 11 erstreckende Länge 14 und eine sich quer zur Länge 14 erstreckende Breite 15 aufweist.
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Die Fixiermittel 9 weisen jeweils mindestens eine Sollbruchstelle 12 auf. Mit der mindestens einen Sollbruchstelle 12 wird gewährleistet, dass nach einer Anordnung der Batteriezellenbaugruppe 1 in einem Batteriezellengehäuse 13 und im Betrieb der Batteriezelle 17 bzw. nach Alterung der Elektrodenfolien 3, 4 eine Ausdehnung des Stapels 2 in der Hauptausdehnungsrichtung 5 nicht beeinträchtigt ist.
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Die Sollbruchstelle 12 umfasst eine lokale Materialreduzierung des Fixiermittels 9. Die Materialreduzierung umfasst eine lokale, also eine räumlich begrenzte bzw. abgrenzbare, Reduzierung der, ansonsten konstanten, Breite 15 des Fixiermittels 9.
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Infolge der Sollbruchstelle 12 kann das Fixiermittel 9 unter einer Zugspannung leicht reißen, siehe 8 mit an den Seitenflächen 21 angeordneten Trennstellen 22.
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Im Unterschied zur Verwendung der Fixiermittel 9 ohne Sollbruchstelle 12 bzw. Perforation ist durch das hier vorgeschlagene Fixiermittel 9 sichergestellt, dass der Druck auf den bzw. in dem Stapel 2 bzw. dessen Verteilung über die gesamte Stirnseite 7, 8 homogen ist und es keine Stellen gibt, an denen Druckunterschiede vorliegen bzw. es zu inhomogenen Verformungen kommt (siehe 8). Damit kann sichergestellt werden, dass das elektrochemische Verhalten an allen Stellen im Stapel 2 gleich ist bzw. nun nicht mehr an den Stellen der Fixiermittel 9 anders ist als im Rest des Stapels 2. Damit kann die Zellalterung positiv beeinflusst werden, so dass eine dauerhaft höhere Kapazität erreichbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriezellenbaugruppe
- 2
- Stapel
- 3
- erste Elektrodenfolie
- 4
- zweite Elektrodenfolie
- 5
- Hauptausdehnungsrichtung
- 6
- Erstreckung
- 7
- erste Stirnseite
- 8
- zweite Stirnseite
- 9
- Fixiermittel
- 10
- erste Anbindung
- 11
- zweite Anbindung
- 12
- Sollbruchstelle
- 13
- Batteriezellengehäuse
- 14
- Länge
- 15
- Breite
- 16
- Elektrolyt
- 17
- Batteriezelle
- 18
- Volumen
- 19
- Separatorfolie
- 20
- Anschluss
- 21
- Seitenfläche
- 22
- Trennstellen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2017/0018746 A1 [0011]
- DE 102008001286 A1 [0012]
- DE 102010038308 A1 [0013]
